УДК 621.83.4/5:621.375:546.817.221

СЕРНИСТО-СВИНЦОВЫЙ 256-ЭЛЕМЕНТНЫЙ ФОТОМОДУЛЬ

В. Д. Бочков, Ю. А. Малюгин, М. Л. Храпунов, Л. Н. Залевская, В. А. Елесин
Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Орион", Москва, Россия

          Рассмотрена конструкция фотомодуля, состоящего из 256-элементного сернисто-свинцового фоторезистора и микросборок предварительного усиления и коммутации, выполненных на основе 64-канальных ПЗС мультиплексоров (ПЗСМ), дан анализ функциональной схемы, приведены основные параметры.

          Фотомодуль представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, обеспечивающее фотоэлектрическое и пространственно-временное преобразование оптического излучения в области спектра 1,5-2,5 мкм в составе оптикоэлектронной аппаратуры.
          В состав фотомодуля (рис. 1) входят: фоточувствительная линейка из 256 элементов, микросборка предварительного усиления и коммутации, состоящая из четырех микросхем 64- канальных ПЗС мультиплексоров (ПЗСМ), установленных на кремниевой коммутационной плате, и герметичный корпус с оптическим окном, апертурной диафрагмой и выходным разъемом. Герметичный корпус фотомодуля состоит из основания и крышки. Для защиты посадочного места и разъема от механических повреждений используется съемная технологическая крышка.

 

Рис. 1. Конструкция фотомодуля:
1 - крышка технологическая; 2 - основание; 3 - окно; 4 - диафрагма;
5 - ИС-мультиплексор; 6 - микросборка; 7 - разъем; 8 - крышка; 9 - прокладка

          Фоточувствительная линейка и микросборка усиления и коммутации с помощью компаунда ОР-3 установлены на металлических прокладках, которые с помощью механического крепления винтами соединяются с основанием фотомодуля. Все электрические соединения выполнены микросваркой.
          Крышка фотомодуля имеет оптическое окно из плавленного кварца и апертурную диафрагму, ограничивающую поле зрения фотомодуля углом 50°. Герметизация корпуса осуществляется через резиновое уплотнение. Окно и разъем герметизируются с помощью клеевого герметика.
          Внутренняя полость фотомодуля через специальное технологическое отверстие заполняется осушенным воздухом.
          Фоточувствительная линейка представляет собой тонкую поликристаллическую сернисто- свинцовую пленку на изолирующей подложке, разделенную на 256 площадок размером 0,06х0,5 мм² с шагом 0,07 мм. Контактный растр, обеспечивающий разводку электродов от отдельных фоточувствительных площадок, выполнен в виде многослойного тонкопленочного покрытия из чередующихся проводящих слоев хрома, палладия и золота. Фоточувствительная пленка изготавливается либо методом вакуумного испарения, либо химическим осаждением. Выделение фоточувствительных площадок и контактного растра осуществляется методами фотолитографии с применением ионного травления.
          Площадки фоточувствительной линейки через контактный растр и токоведущие алюминиевые дорожки коммутационной платы, выполненной на кремниевой подложке, соединены электрически с входами микросхем 64-канальных ПЗС-мультиплексоров (ПЗСМ). Выходные сигналы фотомодуля передаются по четырем каналам, причем выход каждого канала передает выборки сигналов от следующих фоточувствительных площадок:

канал 1: 1,5, ...... 253;   канал 3: 3,7, ...... 255;
канал 2: 2,6, ...... 254;   канал 4: 4,8, ...... 256.

          Блок-схема фотомодуля представлена на рис. 2. Опрос каналов производится параллельно. При этом сигналы от площадок 1, 2, 3, 4 и т. д. поступали на выходы одновременно. Питание и управление работой ПЗСМ и фотомодуля в целом осуществляются от двух групп источников питания и управления.

 

Рис. 2. Блок-схема фотомодуля

          Микросхемы ПЗСМ разработаны на основе р-канальной МДП-технологии в бескорпусном исполнении на полиамидном носителе (мод 2 ОТУ) и выполнены в соответствии с функциональной схемой рис. 3.
          Они имеют в своем составе:
          малошумящие предварительные усилители (РА1,..., РА64) (64 шт.), непосредственно стыкующиеся с ФЧЭ;
          устройства ввода заряда (Д1) (64 шт.);
          трехфазный регистр переноса зарядов Rm с 256 ячейками переноса заряда и выходным устройством с плавающей диффузионной областью и истоковым повторителем на Т69, Т70; источник опорного напряжения (Т71-Т74), обеспечивающий подачу напряжений смешения на предусилители.
          В микросхеме предусмотрен режим контроля параметров всех каналов с помощью подачи на их входы контрольных сигналов через ключевые транзисторы Т5-Т68.

 

Рис. 3. Функциональная схема мультиплексора

          Предусилитель включает в себя:
          трансимпедансный усилитель (ТИУ), преобразующий изменение проводимости фоторезистора в переменную составляющую напряжения, выделяемого на динамической нагрузке;
          дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах, предназначенный для формирования верхней границы частотной характеристики информационного канала.
          Сигнал с выхода предусилителя UРА поступает через устройство ввода заряда (Д1) в ПЗС- регистр. Устройство Д1 работает по принципу "выдавливания заряда" [1] и обеспечивает ввод в регистр заряда, пропорционального дискретной разности отсчетов напряжения сигнала UРА в моменты времени t и (t + +TОПР, где ТОПР - период опроса, равный 1,3 мс. Регистр сдвига заряда Rm имеет 256 ячеек переноса. Ввод зарядов осуществляется через 3 ячейки в четвертую, что обеспечивает низкую электрическую взаимосвязь между каналами, не превышающую 0,3 %.
          Фоточувствительный модуль предназначен для работы при комнатной температуре. Геометрические размеры фоточувствительной линейки могут изменяться по требованию заказчика.

Характеристика фотомодуля

Длина волны при спектральной чувствительности, мкм 2,2
Количество ф. ч. элементов, шт. 256
Размеры ф. ч. площадки, мкм 500х60
Шаг расположения площадок, мкм 70±5
Рабочая температура, °С 25±10
Максимум спектральной чувствительности 2,2±0,1
Среднее значение обнаружительной способности
Д* при частоте модуляции 400 Гц, Вт-1 смГц1/2, не менее		  
5·1010
Границы полосы частотной характеристики, Гц:
нижняя
верхняя		  
45
500
Потребляемая мощность, Вт 0,05
Габаритные размеры ФМ, мм 94х54х14

          Выбранная функциональная схема многоканального фотомодуля позволяет реализовать высокую обнаружительную способность сернисто-свинцового фоторезистора с темновым сопротивлением от 0,5 МОм и выше и постоянной времени фотоответа до 1000 мкм.

 

          Л и т е р а т у р а

          1. Т р и ш е н к о в М. А., В и н е ц к и й Ю. Р. Входные устройства приборов с зарядовой связью//Радиотехника и электроника. 1982. Вып. 12. С. 2280-2309.
          2. В е т о А. В., К у з н е ц о в Ю. А. ПЗС-мультиплексор для гибридных фотоприемников//Электронная промышленность. 1982. С 21-25.

 

256-ELEMENT PbSe PHOTOMODULE

V. D. Bochkov, Y. A. Malugin, M. L. Khrapunov, L. N. Zalevskaya, V. A. Yelesin
The State Unitary Enterprise "RD&P Centre "Orion", Moscow, Russia

          A photomodule design consisting of 256-element PbSe photoresistor and microassemblies of preliminary amplification and commutation made on the basic of 64-channel CCD multiplexers (CCDMs) is considered, a functional diagram is analysed, main parameters are given.

Содержание журнала "Прикладная физика" № 2, 1999 г.