SU1082102A1 - Bolometric appliance - Google Patents

Abstract

БОЛОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее расположенные на одной подложке термочувствительный элемент и пленочный резистор, источник тока смещени , схему стабилизации чувствительности , вход которой соединен с первым контактом термочувствительного- элемента, отличающеес   тем, что, с целью улучшени  стабильности чувствительности и уменьшени  габаритов, оно имеет генератор переменного тока с управл емой амплитудой, токопровод щий контактный слой, соедин ющий первый контакт термочувствительного элемента с контактом пленочного резистора, первый контакт которого соединен с источником тока смещени  и выходом генератора переменного тока, а вход генератора переменного тока соединен с выходом схемы стабилизации чувстви (П тельности.A BOLOMETRIC DEVICE, containing a temperature-sensitive element and a film resistor located on one substrate, a bias current source, a sensitivity stabilization circuit, the input of which is connected to the first temperature-sensitive element contact, characterized in that, in order to improve the sensitivity stability and reduce the size, it has an alternator a current with controlled amplitude, a conductive contact layer connecting the first contact of the temperature-sensitive element with the contact of the film ezistora, the first contact of which is connected to a source of AC bias and the output current of the generator current and the alternator input connected to the output of the circuit sensitivity stabilization (P faculty.

Description

Изобретение относитс  к измерению тепловых потоков излучени  и может быть использовано в спектральной и астрофизической аппаратуре. Известны глубокоохла сдаемые болометры , содержащие чувствительный элемент в виде металлической пленки, нагрузочный резистор и схему регистрации СО- В св зи с тем, что рабочий температурнь интервал сверхпровод щего болометра очень узок (0,010 ,10К), стабильность, чувствительности таких устройств, не содержащих систему терморегулировани , оказыва;етс  недостаточной. Наиболее близким к изобретению  вл етс  болометрическое устройство, содержащее расположенные на одной подложке термочувствительный элемент и пленочный резистор, источник тока смещени  и схему стабилизации чувствительности , вход которой соединен с первым контактом термочувствительного элемента . Недостатком известного болометрического устройства  вл етс  невысока  стабильность чувствительности. Устройство, кроме пленочного резистора - нагревател , содержит охлаждаемый проволочный резистор нагрузки проволочный резистивный нагреватель, которые достаточно массивны, медленн принимают рабочую температуру и, будучи св занными путем теплопроводнос ти с чувствительным элементом, приво д т к дрейфу рабочей температуры и чувствительности болометра. Кроме то го, из-за тепловой инерции нагревате л  система автоматической стабилизации инерционна и не обеспечивает высокий коэффициент стабилизации. Устройство содержит три резистора что увеличивает габариты, создает определенные трудности при монтаже болометрического устройства в гелиевых криостатах и вызывает дополнительный расход хладагента. Цель изобретени  - улучшение стабильности чувствительности и уменьше ние габаритов устройства. Цель достигаетс  тем, что боломет рическое устройство, содержащее расположенные на одной подложке термочувствительный элемент и пленочный резистор, источник тока смещени , сх му стабилизации чувствительности, вход которой соединен с первым контактом термочувствительного элемента имеет генератор переменного тока с управл емой амплитудой, токопровод щий контактный слой, соедин ющий первый контакт термочувствительного элемента с вторым контактом пленочного резистора, первый контакт которого дополнительно соединен с источником тока смещени  и выходом генератора переменного тока, а вход генератора переменного тока соединен с выходом схемы стабилизации чувствительности. На фиг. 1 изображен болометр с термочувствительным элементом, пленочным резистором и токопровод щим контактйзтм слоем; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - структурна  схема болометрического устройства. На диэлектрической подложке 1, например, из кварца расположены термочувствительный элемент 2 в виде металлической пленки из материала, имеющего высокий температурный коэффициент сопротивлени  oi (никель, висмут , олово), и пленочный резистор 3 из материала (нихром, тантал), который по сравнению с материалом термочувствительного элемента имеет малый ci Термочувствительный элемент и пленочньй резистор снабжены контактами 4-7. На контакты 5 и 6 нанесен дополнительный токопровод щий контактный слой 8, который соедин ет первый контакт 5 термочувствительного элемента с вторым контактом 6 пленочного резистора. Второй контакт термочувствительного элемента соединен с земл ной шиной. Первый контакт 7 пленочного резистора соединен с источником тока смещени  9 и с выходом генератора 10 переменного тока с управл емой амплитудой. Вход генератора 10 соединен с выходом схемы стабилизации 11. Входы схемы стабилизации 11 и схемы регистрации 12 через контактный слой 8 соединены с контактами 5 и 6. Устройство работает следующим образом . Измер емое тепловое излучение попадает на термочувствительный элемент 2. Под действием поглощенного излучени  элемент нагреваетс , и его сопротивление измен етс . С целью регистрации изменени  сопротивлени  через термочувствительный элемент 2 и последовательно включенный с ним резистор 3, который выполн ет роль нагрузочного сопротивлени , пропускают посто нньп ток смещени  от источника тока смещени  9 и затем на пленочном резисторе измер ют электри ческий сигнал, пропорциональный ЗлЯ, где Э - ток смещени , AR - приращение сопротивлени , вызванное излучением . 3Tot сигнал усиливаетс  и регистрируетс  схемой регистрации 12. Одновременно с термочувствительно го элемента снимаютс  сигналы, пропорциональные нестабильност м чувствительности . Эти сигналы поступают на вход схемы стабилизации 11, котора  их усиливает и выдел ет сигнал рассогласбвани . Схема стабилизации имеет на выходе генератор переменного тока с управл емой амплитудой, переменный ток от которого разогревает резистор 3. Так как резистор и термочувствительный элемент расположены на одной подложке, тепло от резистора хорошо передаетс  к термочув ствительному элементу. Сигнал рассог ласовани  мен ет амплитуду переменного тока и компенсирует уход температуры рабочей точки болометра и его чувствительности от заданного уровн . Схема стабилизации содержит на входе фильтр, который не пропускает сигналы, соответствующие частотам модул ции измер емого потока излучени . Схема регистрации содержит на входе фильтр, который не пропускает сигналы с частотой, соответствующей частоте управл емого генератора переменного тока. Необходимо также. чтобы частота управл емого гйнератора не занимала частотный диапазон полезного сигнала. Технико-экономическа  эффективность устройства обусловлена тем, что в результате введени  новых св зей между элементами устройства резистор нагрузки одновременно выполн ет функции нагревател  в схеме стабилизации чувствительности. Таким образом , устройство содержит на один резистор меньше, что сокращает его габариты , уменьшает дополнительный подвод тепла к чувствительному элементу и св занный с этим дрейф температуры и чувствительности. Кроме того, такое включение чувствительного элемента болометра, нагрузочного резистора и схемы стабилизации позвол ет улучшить характеристики схемы стабилизации чувствительности - точность и быстродействие. Регулируемый переменный ток подогрева проходит как через резистор нагрузки - нагреватель, так и через термочувствительный элемент . Таким образом, схема стабилизации управл ет как тепловыделением в нагревателе, так и саморазогревом болометра . Причем разогрев током эффективен , так как источник тепла сосредоточен в самом термочувствительном элементе . Реалиэируетс  высока  крутизна исполнительного элемента в цепи обратной св зи в схеме авторегулировани  и повышаетс  общий коэффициент стабилизации.The invention relates to the measurement of heat fluxes of radiation and can be used in spectral and astrophysical instruments. Known deep-diered bolometers containing a sensitive element in the form of a metal film, a load resistor and a CO-registration circuit are known, due to the fact that the working temperature of the superconducting bolometer is very narrow (0.010, 10K), the stability and sensitivity of such devices that do not contain a system thermoregulation is not enough. Closest to the invention is a bolometric device containing a temperature-sensitive element and a film resistor located on one substrate, a bias current source and a sensitivity stabilization circuit, the input of which is connected to the first contact of the temperature-sensitive element. A disadvantage of the known bolometric device is the low sensitivity stability. The device, in addition to the film resistor - heater, contains a cooled wire resistor, a wire resistive heater, which are massive enough, slowly take on the working temperature and, being connected by heat conduction to the sensing element, leads to a drift of the operating temperature and the bolometer sensitivity. In addition, due to thermal inertia of the heater, the automatic stabilization system is inertial and does not provide a high stabilization factor. The device contains three resistors, which increases the size, creates certain difficulties when mounting the bolometric device in helium cryostats and causes additional coolant consumption. The purpose of the invention is to improve the stability of sensitivity and reduce the size of the device. The goal is achieved by the fact that a bolometric device containing a temperature-sensitive element and a film resistor located on one substrate, a bias current source, a sensitivity stabilization circuit, whose input is connected to the first contact of the temperature-sensitive element, has an alternating current with controlled amplitude and a conductive contact layer connecting the first contact of the temperature-sensitive element with the second contact of the film resistor, the first contact of which is additionally connected to the source t Single bias and output of the alternator and the alternator input connected to the output sensitivity of the stabilization circuit. FIG. 1 shows a bolometer with a temperature-sensitive element, a film resistor and a conductive contact layer; in fig. 2 - the same, top view; in fig. 3 is a structural diagram of a bolometric device. On the dielectric substrate 1, for example, of quartz, there is a temperature-sensitive element 2 in the form of a metal film of a material having a high temperature coefficient of resistance oi (nickel, bismuth, tin), and a film resistor 3 of material (nichrome, tantalum), which compared to the material of the temperature-sensitive element has a small ci The temperature-sensitive element and the film resistor are provided with contacts 4-7. Contacts 5 and 6 have an additional conductive contact layer 8, which connects the first contact 5 of the temperature-sensitive element with the second contact 6 of the film resistor. The second contact of the temperature sensitive element is connected to the earth bus. The first contact 7 of the film resistor is connected to the bias current source 9 and to the output of the alternator 10 with a controlled amplitude. The input of the generator 10 is connected to the output of the stabilization circuit 11. The inputs of the stabilization circuit 11 and the registration circuit 12 through the contact layer 8 are connected to contacts 5 and 6. The device operates as follows. The measured thermal radiation falls on the temperature-sensitive element 2. Under the action of the absorbed radiation, the element heats up and its resistance changes. In order to register a change in resistance, through a temperature-sensitive element 2 and a resistor 3 connected in series with it, which acts as a load resistance, a constant bias current is passed from the bias current source 9 and then an electric signal proportional to Evil is measured on the film resistor, where - bias current, AR - resistance increment caused by radiation. The 3Tot signal is amplified and recorded by the recording circuit 12. At the same time, signals proportional to the instability of the sensitivity are removed from the temperature-sensitive element. These signals are fed to the input of the stabilization circuit 11, which amplifies them and separates the mismatch signal. The stabilization circuit has at its output an alternating current generator with a controlled amplitude, the alternating current from which heats the resistor 3. As the resistor and the temperature-sensitive element are located on the same substrate, the heat from the resistor is well transmitted to the temperature-sensitive element. The de-rass signal changes the amplitude of the AC current and compensates for the temperature deviation of the operating point of the bolometer and its sensitivity from the predetermined level. The stabilization circuit contains a filter at the input that does not pass signals corresponding to the modulation frequencies of the measured radiation flux. The registration circuit contains a filter at the input that does not pass signals with a frequency corresponding to the frequency of the controlled alternator. It is also necessary. so that the frequency of the controlled rail does not occupy the frequency range of the useful signal. The technical and economic efficiency of the device is due to the fact that as a result of the introduction of new connections between the elements of the device, the load resistor simultaneously performs the functions of a heater in the sensitivity stabilization circuit. Thus, the device contains one resistor less, which reduces its dimensions, reduces the additional heat supply to the sensitive element and the associated temperature and sensitivity drift. In addition, such switching-on of the sensitive element of the bolometer, load resistor and stabilization circuit allows improving the characteristics of the sensitivity stabilization circuit - accuracy and speed. Adjustable alternating current of heating passes through the load resistor - heater, and through a temperature-sensitive element. Thus, the stabilization circuit controls both heat generation in the heater and the self-heating of the bolometer. Moreover, heating by current is effective, since the heat source is concentrated in the thermosensitive element itself. A high steepness of the actuator in the feedback circuit in the auto-adjusting circuit is realized and the overall stabilization factor increases.

.2.2

7Н.7H.

8eight

Фиг.ЗFig.Z

Claims (1)

БОЛОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее расположенные на одной подложке термочувствительный элемент и пленочный резистор, источник тока смещения, схему стабилизации чувст- с я тем, что, с целью улучшения стабильности чувствительности и уменьшения габаритов, оно имеет генератор переменного тока с управляемой амплитудой, токопроводящий контактный слой, соединяющий первый контакт термочувствительного элемента с вторым контактом пленочного резистора, первый контакт которого соединен с источником тока смещения и выходом генератора переменного тока, а вход генератора переменного тока соединен с выходом схемы стабилизации чувствительности.A BOLOMETRIC DEVICE containing a thermosensitive element and a film resistor located on the same substrate, a bias current source, a sensing stabilization circuit, in order to improve sensitivity stability and reduce overall dimensions, it has a controlled alternating current generator, a conductive contact layer, connecting the first contact of the heat-sensitive element with the second contact of the film resistor, the first contact of which is connected to the bias current source and the alternator output current, and the input of the alternator is connected to the output of the sensitivity stabilization circuit.