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 | 5·1010 |
| Д* при частоте модуляции 400 Гц, Вт-1 смГц1/2, не менее | |
| Границы полосы частотной характеристики, Гц: | |
| нижняя | 45 |
| верхняя | 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
- 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.
- 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.