RU2447453C1

RU2447453C1 - Thin-film heat sensor having waveguide input for measuring power of pulsed microwave radiation

Info

Publication number: RU2447453C1
Application number: RU2010147288/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Алексеевич Шиляев (RU); Анатолий Алексеевич Шиляев; Виктор Николаевич Емохонов (RU); Виктор Николаевич Емохонов; Алексей Николаевич Целебровский (RU); Алексей Николаевич Целебровский; Александр Сергеевич Сигов (RU); Александр Сергеевич Сигов; Анастасия Анатольевна Шиляева (RU); Анастасия Анатольевна Шиляева; Лидия Федоровна Фомина (RU); Лидия Федоровна Фомина; Александр Леонидович Ушаков (RU); Александр Леонидович Ушаков; Виктор Васильевич Денискин (RU); Виктор Васильевич Денискин; Сергей Сергеевич Вербицкий (RU); Сергей Сергеевич Вербицкий; Юрий Алексеевич Матвеенко (RU); Юрий Алексеевич Матвеенко
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-04-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: adsorbing thin layer of dielectric is deposited on a dielectric wedge with thickness d₁, having high thermal conductivity χ₁, which is placed inside a waveguide. N heat-sensitive thin-film resistors with surface area S=a*b<τ*χ₁ (where τ is operating speed of the sensor - the time for reaching steady-state temperature of the thermal element under the effect of rectangular pulsed electromagnetic radiation) are formed on said film. The value of τ can be reduced by selecting the size and number of thin-film resistors. The design of the sensor enables its matching with the waveguide duct.

EFFECT: high accuracy of measuring energy flux and parameters of the form of a microwave radiation pulse with duration shorter than 10 ns.

4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации и измерения быстроменяющихся потоков энергии излучения СВЧ и миллиметрового диапазона.The invention relates to measuring equipment and can be used for registration and measurement of rapidly changing energy fluxes of microwave radiation and millimeter range.

Известны пленочные тепловые датчики (болометры), в которых чувствительный элемент (поглощающая термочувствительная пленка) располагается параллельно узкой стенке с одной стороны небольшого отрезка волновода, причем с другой стороны волновода - короткозамыкающий плунжер, который может перемещаться с помощью микрометрического винта. Это дает возможность согласовать устройство с волноводным трактом (В.В.Слуцкая. Тонкие пленки в технике сверхвысоких частот. Госэнергоиздат. 1962 г., с.293).Thermal film sensors (bolometers) are known in which a sensitive element (absorbing heat-sensitive film) is parallel to a narrow wall on one side of a small segment of the waveguide, and on the other side of the waveguide is a short-circuit plunger that can be moved with a micrometer screw. This makes it possible to coordinate the device with the waveguide path (V.V. Slutskaya. Thin films in the microwave technology. Gosenergoizdat, 1962, p. 293).

Наиболее близким решением к предлагаемому устройству является пленочный болометр, предложенный А.С.Бродским, А.С. №140104, 1961 г. БИ №15, 1961 г., в котором отсутствует согласующий плунжер, а чувствительный элемент представляет собой поглощающую термочувствительную пленку, выполненную в виде V-образного клина, расположенного в плоскости электрического поля основной волны.The closest solution to the proposed device is a film bolometer proposed by A.S. Brodsky, A.S. No. 140104, 1961. BI No. 15, 1961, in which there is no matching plunger, and the sensitive element is an absorbing heat-sensitive film made in the form of a V-shaped wedge located in the plane of the electric field of the main wave.

Все эти тепловые датчики обладают существенным недостатком, имеют низкое быстродействие τ (до десятков секунд), которое может быть оценено из выражения τ=S/χ, где S - рабочая площадь чувствительного элемента, а χ - температуропроводность окружающей среды (воздуха), и, следовательно, большую погрешность δ=τ/τ₀ при воспроизведении формы импульса длительностью τ₀. Величина τ₀ определяется статическим импедансом Z задающего блока генератора импульсов излучения. Величина τ - это время, необходимое для прогрева (остывания) датчика при воздействии импульсом излучения прямоугольной формы (выход температуры на стационарное состояние).All these thermal sensors have a significant drawback, have a low speed τ (up to tens of seconds), which can be estimated from the expression τ = S / χ, where S is the working area of the sensitive element, and χ is the thermal diffusivity of the environment (air), and, therefore, a large error δ = τ / τ ₀ when reproducing the shape of the pulse with a duration of τ ₀ . The value of τ _{0 is} determined by the static impedance Z of the master unit of the radiation pulse generator. The value of τ is the time required to warm up (cool down) the sensor when it is exposed to a rectangular radiation pulse (the temperature reaches a stationary state).

Целью предлагаемого технического решения является повышение быстродействия τ датчика и в итоге уменьшения погрешности δ воспроизведения формы импульса потока энергии излучения.The aim of the proposed technical solution is to increase the speed of the sensor τ and, as a result, reduce the error δ of reproducing the shape of the pulse of the radiation energy flux.

Указанная цель достигается тем, что в известном датчике, в котором сплошная поглощающая пленка, выполняющая также функцию термочувствительного элемента и расположенная в плоскости электрического поля основной волны, выполнена в виде конечного числа N дискретных термочувствительных элементов (тонкопленочных высокоомных резисторов) ширины а, длины b и толщины d с сопротивлением R_0i (i=1, 2, …, N) и температурным коэффициентом сопротивления α_i, последовательно-параллельно соединенных так, чтобы общее сопротивление всех соединительных шин r, импеданс свободного пространства Z₀ и эффективное сопротивление R=ΣR_i, 1/R_i=Σ1/R_0j удовлетворяло соотношению R+r=Z₀=120π Ом, R>r/δ, равномерно распределенных на диэлектрической подложке, имеющей форму клина толщиной d₁ с температуропроводностью χ₁, покрытого адсорбирующим тонким слоем диэлектрика с толщиной d₂<χ₂d₁/(N*χ₁) и температуропроводностью χ₂, причем это равномерное распределение ограничено с наружной стороны краями клина, а с внутренней стороны ограничено кривой, имеющей V-образную форму, причем для повышения быстродействия датчика и достижения заданной погрешности δ воспроизведения формы импульса длительностью необходимо выполнение соотношения: a*b/2χ₁τ₀<δ, а расстояние между термочувствительными элементами должно быть не менее d₁/3.This goal is achieved by the fact that in the known sensor, in which a continuous absorbing film, which also functions as a heat-sensitive element and located in the plane of the electric field of the main wave, is made in the form of a finite number N of discrete heat-sensitive elements (thin-film high-resistance resistors) of width a, length b and thickness d with a resistance R _0i (i = 1, 2, ..., N) and a temperature coefficient of resistance α _i connected in series-parallel so that the total resistance of all busbars r the free space pedance Z ₀ and effective resistance R = ΣR _i , 1 / R _i = Σ1 / R _0j satisfy the relation R + r = Z ₀ = 120π Ohm, R> r / δ, uniformly distributed on a wedge-shaped dielectric substrate d ₁ with thermal diffusivity χ ₁ coated with an absorbent thin layer of dielectric with thickness d ₂ <χ ₂ d ₁ / (N * χ ₁ ) and thermal diffusivity χ ₂ , and this uniform distribution is limited on the outside by the edges of the wedge, and on the inside by a curve having a V-shape, and to increase the speed of the sensor and up to tizheniya error δ predetermined playback duration of the pulse shape is necessary to satisfy the relation: a * b / 2χ ₁ τ ₀ <δ, and the distance between the thermally responsive member must be at least d _1/3.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено расположение термочувствительных элементов на двухслойном диэлектрическом клине и их последовательно-параллельное соединение (фиг.1 - вид сверху; фиг.2 - вид сбоку), а на фиг.3 и фиг.4 показано расположение клина в волноводе (фиг.3 - вид с торца; фиг.4 - разрез). На подложку 1 нанесен тонкий диэлектрический слой 2 толщины d₂, на котором расположен слой 3, состоящий из термочувствительных элементов 4, соединенных между собой тонкопленочными проводящими шинками 5 для подключения к измерительно-индикаторной схеме с помощью контактов 6 и выводов 7. Эта конструкция вставляется в волновод круглого сечения 8, который плавно соединяется с волноводом прямоугольного сечения 9 (фиг.3 и фиг.4). Часть плоскости клина 10, ограниченная краями клина, а с внутренней стороны V-образной кривой, является областью, где расположены термочувствительные элементы.The invention is illustrated by the drawing, which shows the location of the heat-sensitive elements on a two-layer dielectric wedge and their series-parallel connection (figure 1 is a top view; figure 2 is a side view), and figure 3 and figure 4 shows the location of the wedge in the waveguide (Fig.3 is an end view; Fig.4 is a section). A thin dielectric layer 2 of thickness d ₂ is deposited on the substrate 1, on which a layer 3 is located, consisting of heat-sensitive elements 4 interconnected by thin-film conductive busbars 5 for connection to the measuring-indicator circuit using contacts 6 and conclusions 7. This design is inserted into a waveguide of circular cross section 8, which smoothly connects to a waveguide of rectangular cross section 9 (Fig.3 and Fig.4). The part of the plane of the wedge 10, bounded by the edges of the wedge, and on the inside of the V-shaped curve, is the region where the thermosensitive elements are located.

Устройство работает следующим образом. При воздействии на датчик импульсом прямоугольной формы электромагнитной волны возбуждается э.д.с. в соединительных цепочках датчика, что приводит к возникновению тока и в итоге к нагреву термоэлементов и изменению их эффективного сопротивления на величину ΔR=RαΔТ, где ΔТ - изменение температуры термоэлементов, а α - эффективный температурный коэффициент сопротивления. Наличие переходных процессов, связанных с нагреванием и остыванием термоэлементов, происходящих в течение времени τ, создает погрешность как в воспроизведении формы импульса, так и в измерении мощности. Поэтому нужно уменьшать величину τ: τ=a*b/χ₁.The device operates as follows. When a rectangular pulse of an electromagnetic wave acts on the sensor, an emf is excited in the connecting chains of the sensor, which leads to the appearance of current and ultimately to heating of the thermocouples and a change in their effective resistance by ΔR = RαΔТ, where ΔТ is the change in temperature of the thermocouples, and α is the effective temperature coefficient of resistance. The presence of transients associated with heating and cooling of thermocouples occurring over time τ creates an error both in reproducing the shape of the pulse and in measuring the power. Therefore, it is necessary to reduce the value of τ: τ = a * b / χ ₁ .

Основным фактором, улучшающим быстродействие датчика и, следовательно, точность воспроизведения формы импульса, является наличие подложки с высокой теплопроводностью и термоэлементов, в которых происходит поглощение энергии, с площадью а*b, которая составляет долю площади - S/N. Выполнение условия согласования Z₀=R+r, приводит к уменьшению коэффициента стоячей волны (КСВ) и к дополнительной коррекции фронта импульса, что также дает увеличение точности.The main factor that improves the speed of the sensor and, therefore, the accuracy of reproducing the pulse shape, is the presence of a substrate with high thermal conductivity and thermocouples in which energy absorption occurs, with an area a * b, which is a fraction of the area - S / N. The fulfillment of the matching condition Z ₀ = R + r leads to a decrease in the standing wave coefficient (SWR) and to an additional correction of the pulse front, which also gives an increase in accuracy.

Для проверки работы устройства были изготовлены датчики с числом термоэлементов N=400 штук на различных подложках (1) толщиной 300 мкм из беспримесного кремния и из окиси бериллия (BeО), покрытых слоем нитрида кремния (2) толщиной 0,3 мкм, на который наносился термочувствительный слой толщиной 0,2 мкм из Bi_1-xSb_x, обладающий температурным коэффициентом сопротивления а=0,006/К (х=14%). Материалом для проводящих шинок (5) и контактов (6) служили последовательно нанесенные слои из ванадия, меди и золота общей толщиной 0,4 мкм. Выводы (7) из золотой проволоки диаметром 60 мкм присоединялись к контактам термокомпрессией, а придание необходимой формы термоэлементам, шинкам и контактам осуществлялось с помощью методов фотолитографии. Размеры термоэлементов составили величину: а*b=2*10 мкм². Температуропроводность кремния, окиси бериллия, нитрида кремния и Bi_1-xSb_xсоответственно составляет: 1,5 см²/с, 5 см²/с, 0,025 см²/с и 1,0 cм²/c.To test the operation of the device, sensors were manufactured with the number of thermocouples N = 400 pieces on various substrates (1) 300 μm thick of pure silicon and of beryllium oxide (BeО) coated with a 0.3 μm thick silicon nitride layer (2) on which a heat-sensitive layer with a thickness of 0.2 μm from Bi _1-x Sb _x , with a temperature coefficient of resistance a = 0.006 / K (x = 14%). The materials for the conductive bars (5) and contacts (6) were sequentially deposited layers of vanadium, copper and gold with a total thickness of 0.4 μm. The conclusions (7) from a gold wire with a diameter of 60 μm were connected to the contacts by thermocompression, and the thermoelements, buses, and contacts were shaped using the methods of photolithography. The dimensions of the thermocouples were: a * b = 2 * 10 μm ² . The thermal diffusivity of silicon, beryllium oxide, silicon nitride and Bi _1-x Sb _x, respectively, is: 1.5 cm ² / s, 5 cm ² / s, 0.025 cm ² / s and 1.0 cm ² / s.

Датчики, на которые подавалось через балластное сопротивление R_Б>10R (R=370 Ом) напряжение смещения U₀, облучались импульсами электромагнитной энергии прямоугольной формы с длительностью τ₀=3*10^-6 с. Напряжение отклика ΔU=U₀αΔT на электромагнитное воздействие подавалось через разделительную емкость на регистрирующее устройство (осциллограф). Измеренная длительность фронта импульса (быстродействие датчика τ) оказалась равной в случае подложки из кремния 5*10^-8 с, в случае подложки из BeO τ=2*10^-8 c.Sensors to which bias voltage U ₀ was supplied via ballast R _B > 10R (R = 370 Ohm) were irradiated with rectangular electromagnetic pulses of duration τ ₀ = 3 * 10 ^-6 s. The response voltage ΔU = U ₀ αΔT to the electromagnetic action was applied through a separation capacitance to a recording device (oscilloscope). The measured pulse front duration (the response time of the sensor τ) turned out to be equal in the case of a silicon substrate 5 * 10 ^-8 s, in the case of a BeO substrate τ = 2 * 10 ^-8 s.

Таким образом, экспериментально подтверждены приведенные в разделе "Сущность изобретения" теоретические оценки для соотношений, связывающие физические и геометрические параметры датчиков.Thus, the theoretical estimates for the relations connecting the physical and geometric parameters of the sensors given in the section "Summary of the invention" are experimentally confirmed.

Были измерены стандартными методами коэффициенты стоячей волны (КСВ) в сантиметровом диапазоне (на частоте 10 ГГц). Для датчиков с подложкой из кремния КСВ не превышало значения 1,2, а для датчиков с подложкой из окиси бериллия КСВ составляло 1,07, что показывает возможность воспроизведения формы импульсов и измерения мощности излучения предлагаемыми датчиками с погрешностью не хуже 2%.The standing wave coefficients (SWR) in the centimeter range (at a frequency of 10 GHz) were measured by standard methods. For sensors with a silicon substrate, the SWR did not exceed 1.2, and for sensors with a beryllium oxide substrate, the SWR was 1.07, which shows the possibility of reproducing the pulse shape and measuring the radiation power by the proposed sensors with an error of no worse than 2%.

Claims

A thin-film thermal sensor (bolometer) with a waveguide input for measuring the power of pulsed microwave radiation, which is an absorbing heat-sensitive film made in the form of a V-shaped wedge and located in the plane of the electric field of the main wave in the waveguide, characterized in that to increase the speed of the sensor and achieve given error δ of reproduction of the pulse shape with a duration of τ _{0, the} indicated absorbing heat-sensitive film is made in the form of a finite number N of discrete thermal sensors elements (thin-film high-resistance resistors) of width a, length b and thickness d with resistances R _0i (i = 1, 2, ..., N) and a temperature coefficient of resistance α ₁ connected in series-parallel so that the total resistance of all the connecting buses r , the free space impedance Z ₀ and effective resistance R = ΣR _i , 1 / R _i = Σ1 / R _0j satisfy the relation R + r = Z ₀ = 120π Ohm, R> r / δ, uniformly distributed on a wedge-shaped dielectric substrate thickness d ₁ with thermal diffusivity χ ₁ coated with an absorbent thin a dielectric layer of thickness d ₂ <χ ₂ d ₁ / (N * χ ₁ ) and thermal diffusivity χ ₂ , moreover, this uniform distribution is limited on the outside by the edges of the wedge, and on the inside is limited by a curve having a V-shape, and the relation : a * b / 2χ ₁ τ ₀ <δ, and the distance between the thermally responsive member must be at least d _1/3.