RU2365027C1

RU2365027C1 - Opto-electric converter

Info

Publication number: RU2365027C1
Application number: RU2007142878/09A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Михайлович Михеев (RU); Геннадий Михайлович Михеев; Руслан Геннадьевич Зонов (RU); Руслан Геннадьевич Зонов; Владимир Алексеевич Александров (RU); Владимир Алексеевич Александров; Людмила Михайловна Русских (RU); Людмила Михайловна Русских
Original assignee: Институт прикладной механики УрО РАН
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-08-20
Also published as: RU2007142878A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to opto-electronics, in particular to devices designed to convert pulsed optical radiation into pulsed electric signal and can be used recording optical radiation and designing angle-measurement devices. Proposed opto-electric converter consists of a substrate, conducting film and two parallel conducting electrodes in contact with aforesaid film. It differs from known designs in that the said conducting film represents a thick-film silver- and palladium-based resistor.

EFFECT: higher resistance of converter to mechanical and optical effects.

3 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к устройствам для преобразования импульсного оптического излучения в импульсный электрический сигнал. Оно может быть использовано для регистрации оптического излучения, а также для построения углоизмерительных устройств.The invention relates to optoelectronics, in particular to devices for converting pulsed optical radiation into a pulsed electrical signal. It can be used to register optical radiation, as well as to build angle measuring devices.

Известен оптоэлектрический преобразователь, представляющий собой полупроводниковый фотоприемник, работающий на внутреннем фотоэффекте [И.Д.Анисимова, И.М.Викулин, Ф.А.Заитов, Ш.Д.Курмашев. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с., ил.].Known optoelectric converter, which is a semiconductor photodetector operating on an internal photoelectric effect [I.D. Anisimova, I.M.Vikulin, F.A. Zaitov, Sh.D. Kurmashev. Semiconductor photodetectors: Ultraviolet, visible and near infrared spectral ranges. - M .: Radio and communications, 1984. - 216 p., Ill.].

Однако полупроводниковый фотоприемник не обладает характерной зависимостью амплитуды сигнала от угла падения, позволяющей построить датчик углового положения.However, the semiconductor photodetector does not have a characteristic dependence of the signal amplitude on the angle of incidence, which makes it possible to construct an angular position sensor.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптоэлектронное устройство для генерации ультракоротких электрических импульсов, регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения, состоящее из источника света, преобразователя света в электрический сигнал, выполненного в виде проводящей углеродной пленки, обладающей свойством оптического выпрямления и представляющей собой кристаллиты графита, базовые плоскости которых ориентированы перпендикулярно подложке, и двух параллельных электродов, расположенных на поверхности преобразователя света по разные стороны от области, освещаемой источником оптического излучения, и имеющих с ним электрический контакт [Патент №2273946 от 10.04.2006, Бюл. №10]. При этом основными структурными элементами такой пленки являются кристаллиты графита, состоящие из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев. Толщина кристаллитов находится в пределах от 2 до 20 нм, при размерах в других измерениях около 1-3 микрометров. Все кристаллиты имеют преимущественную ориентацию атомных слоев в направлении нормали к поверхности подложки.Closest to the invention in technical essence is an optoelectronic device for generating ultrashort electrical pulses, recording the shape and measuring the power of pulses of optical radiation, consisting of a light source, a light converter into an electrical signal, made in the form of a conductive carbon film having the property of optical rectification and representing graphite crystallites, whose base planes are oriented perpendicular to the substrate, and two parallel electrodes, ra laid on the surface of the light transmitter on opposite sides of the area illuminated by the source of optical radiation, and having an electrical contact with it [Patent №2273946 of 10.04.2006, Bul. No. 10]. In this case, the main structural elements of such a film are graphite crystallites, consisting of several (from about 5 to 50) parallel well-ordered atomic layers. The crystallite thickness is in the range from 2 to 20 nm, with sizes in other dimensions about 1-3 micrometers. All crystallites have a preferred orientation of atomic layers in the direction normal to the surface of the substrate.

Пучок импульсного оптического излучения попадает на преобразователь света. При этом угол падения пучка света на поверхность пленки отличен от нуля. Импульсное оптическое излучение наводит статическую нелинейную поляризацию. В результате этого между электродами возникает разность потенциалов, изменение которой со временем по форме и длительности повторяет импульс оптического излучения.A beam of pulsed optical radiation hits a light converter. In this case, the angle of incidence of the light beam on the film surface is nonzero. Pulsed optical radiation induces a static nonlinear polarization. As a result of this, a potential difference arises between the electrodes, the change of which with time in shape and duration repeats the pulse of optical radiation.

Однако такое устройство обладает низкой стойкостью к механическим воздействиям. Кроме того, монотонное возрастание амплитуды оптоэлектрического сигнала наблюдается в ограниченном диапазоне углов падения α (от -45° до +45°).However, such a device has a low resistance to mechanical stress. In addition, a monotonic increase in the amplitude of the optoelectric signal is observed in a limited range of angles of incidence α (from -45 ° to + 45 °).

Задача изобретения - получение простого и недорогого оптоэлектрического преобразователя, амплитуда сигнала которого зависит от пространственной ориентации последнего, стойкого к механическим и оптическим воздействиям, а также увеличение диапазона углов α, при котором наблюдается монотонное возрастание амплитуды оптоэлектрического сигнала.The objective of the invention is to obtain a simple and inexpensive optoelectric converter, the signal amplitude of which depends on the spatial orientation of the latter, resistant to mechanical and optical influences, as well as increasing the range of angles α, at which a monotonic increase in the amplitude of the optoelectric signal is observed.

Поставленная задача решается тем, что проводящая пленка оптоэлектрического преобразователя выполнена в виде толстопленочного резистора на основе серебра и палладия.The problem is solved in that the conductive film of the optoelectric converter is made in the form of a thick film resistor based on silver and palladium.

Техническим результатом является получение оптоэлектрического преобразователя, стойкого к механическим и оптическим воздействиям.The technical result is to obtain an optoelectric transducer resistant to mechanical and optical influences.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 показывает общий вид оптоэлектрического преобразователя. 1 - диэлектрическая подложка, 2 - проводящая резистивная пленка, 3 - электроды.Figure 1 shows a General view of the optoelectric transducer. 1 - dielectric substrate, 2 - conductive resistive film, 3 - electrodes.

Фиг.2 показывает зависимость амплитуды оптоэлектрического сигнала U, возникающего между электродами, от угла падения α луча лазера на резистивную пленку, при расположении электродов перпендикулярно плоскости падения.Figure 2 shows the dependence of the amplitude of the optoelectric signal U arising between the electrodes on the angle of incidence α of the laser beam on the resistive film, when the electrodes are perpendicular to the plane of incidence.

Фиг.3 показывает зависимость амплитуды оптоэлектрического сигнала U, возникающего между электродами, от угла вращения β резистивной пленки с электродами вокруг своей нормали, при угле падения α=45°, при этом угол β=0 (180°), когда электроды расположены перпендикулярно плоскости падения, а при β=90 (270°) электроды расположены параллельно плоскости падения.Figure 3 shows the dependence of the amplitude of the optoelectric signal U arising between the electrodes on the rotation angle β of the resistive film with electrodes around its normal, at an angle of incidence α = 45 °, while the angle β = 0 (180 °) when the electrodes are perpendicular to the plane fall, and at β = 90 (270 °) the electrodes are parallel to the plane of incidence.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Оптоэлектрический преобразователь состоит из подложки 1, проводящей резистивной пленки 2 и двух проводящих параллельных электродов 3, имеющих электрический контакт с поверхностью пленки (фиг.1). Подложка 1 изготавливается из материала, имеющего хорошую адгезию и существенно более низкую электропроводность по сравнению с материалом пленки (диэлектрик). В качестве подложки может использоваться ситалл, высокоглиноземистая и бериллиевая керамика, стекло, поликор, полиимид, металлы, покрытые диэлектрической пленкой и др. Электроды 3 могут быть выполнены из любого хорошо проводящего материала, например из меди, серебра, алюминия и т.д. Электроды желательно располагать под резистивной пленкой для исключения попадания на них оптического излучения. Резистивная пленка изготавливается путем термообработки на воздухе (при температуре 500-700°С) резистивной пасты на основе серебра и палладия. Состав пасты может быть, например, следующим: окись серебра (AgO₂) - 36 весовых частей (в.ч.), палладий (Pd) - 15,3 в.ч., стекло СЦ-273 - 48,7 в.ч., органическая связка - 25 в.ч.The optoelectric converter consists of a substrate 1, a conductive resistive film 2 and two conductive parallel electrodes 3 having electrical contact with the surface of the film (figure 1). The substrate 1 is made of a material having good adhesion and significantly lower electrical conductivity compared to the film material (dielectric). As the substrate, glass, high-alumina and beryllium ceramics, glass, polycor, polyimide, metals coated with a dielectric film, etc. can be used. Electrodes 3 can be made of any well-conducting material, for example, copper, silver, aluminum, etc. It is desirable to place the electrodes under a resistive film to prevent optical radiation from entering them. A resistive film is made by heat treatment in air (at a temperature of 500-700 ° C) of a resistive paste based on silver and palladium. The composition of the paste can be, for example, the following: silver oxide (AgO ₂ ) - 36 parts by weight (parts by weight), palladium (Pd) - 15.3 parts by weight, glass SC-273 - 48.7 parts by weight ., organic binder - 25 hours

Оптоэлектрический преобразователь работает следующим образом. Пучок импульсного оптического излучения (см. фиг.1) попадает на проводящую резистивную пленку 2 по данному изобретению, и импульсное оптическое излучение наводит импульсную разность потенциалов между электродами 3, расположенными на подложке 2 под резистивной пленкой.Optoelectric Converter operates as follows. A beam of pulsed optical radiation (see FIG. 1) is incident on the conductive resistive film 2 of the present invention, and pulsed optical radiation induces a pulsed potential difference between the electrodes 3 located on the substrate 2 under the resistive film.

На фиг.2 представлена зависимость электрического сигнала (U), возникающего между электродами, от угла падения α. Полярность электрического сигнала меняется с изменением знака угла α, а при нормальном падении (α=0) сигнал полностью отсутствует. При этом достигается монотонное возрастание амплитуды сигнала в диапазоне углов α от 60° до -60°.Figure 2 shows the dependence of the electrical signal (U) arising between the electrodes on the angle of incidence α. The polarity of the electrical signal changes with a change in the sign of the angle α, and with normal incidence (α = 0), the signal is completely absent. In this case, a monotonic increase in the signal amplitude is achieved in the range of angles α from 60 ° to -60 °.

На фиг.3 представлена зависимость электрического сигнала от угла поворота плоскости фотоприемника β с электродами относительно нормали к этой поверхности при фиксированном значении угла α=45°. Углы β=0 и 180° соответствуют положению сторон фотоприемника с нанесенными на него электродами перпендикулярно к плоскости падения (плоскости чертежа). Из фиг.3 видно, что вращение пластины с электродами вокруг нормальной оси приводит к косинусоидальному изменению амплитудного значения оптоэлектрического сигнала. Когда электроды расположены в плоскостях, параллельных плоскости падения (β=90°, 270°), амплитуда оптоэлектрического сигнала принимает нулевое значение.Figure 3 shows the dependence of the electric signal on the angle of rotation of the plane of the photodetector β with electrodes relative to the normal to this surface at a fixed angle α = 45 °. The angles β = 0 and 180 ° correspond to the position of the sides of the photodetector with electrodes deposited on it perpendicular to the plane of incidence (drawing plane). Figure 3 shows that the rotation of the plate with the electrodes around the normal axis leads to a cosine change in the amplitude value of the optoelectric signal. When the electrodes are located in planes parallel to the plane of incidence (β = 90 °, 270 °), the amplitude of the optoelectric signal takes a zero value.

Выполнение оптоэлектрического преобразователя со светоприемной частью из резистивной пленки на основе серебра и палладия позволяет добиться большей механической и оптической прочности светоприемной части преобразователя, при этом стоимость преобразователя снижается. Технология получения толстопленочных резисторов разработана и хорошо известна, поэтому стоимость таких элементов небольшая. Резисторы получают с использованием термообработки на открытом воздухе, следовательно, они выдерживают воздействие высоких температур. После термообработки резистивная пленка становится достаточно прочной и может сохранять свои параметры при механическом воздействии и облучении мощным оптическим излучением. Такой оптоэлектрический преобразователь может быть использован для регистрации оптических импульсов и построения углоизмерительных и навигационных систем.The implementation of the optoelectric converter with the light receiving part of the resistive film based on silver and palladium allows to achieve greater mechanical and optical strength of the light receiving part of the converter, while the cost of the converter is reduced. The technology for producing thick-film resistors has been developed and is well known, so the cost of such elements is small. Resistors are obtained using heat treatment in the open air, therefore, they withstand the effects of high temperatures. After heat treatment, the resistive film becomes sufficiently strong and can retain its parameters under mechanical action and irradiation with powerful optical radiation. Such an optoelectric converter can be used to register optical pulses and build angle-measuring and navigation systems.

Таким образом, выполнение проводящей пленки оптоэлектрического преобразователя в виде толстопленочного резистора на основе серебра и палладия позволяет получить простой и недорогой оптоэлектрический преобразователь, стойкий к механическим и оптическим воздействиям, а также увеличить диапазон углов падения α, при котором наблюдается монотонное возрастание амплитуды оптоэлектрического сигнала.Thus, the implementation of the conductive film of the optoelectric converter in the form of a thick film resistor based on silver and palladium makes it possible to obtain a simple and inexpensive optoelectric converter resistant to mechanical and optical influences, as well as to increase the range of incidence angles α, at which a monotonic increase in the amplitude of the optoelectric signal is observed.

Claims

An optoelectric converter consisting of a conductive film deposited on a substrate with an electrical conductivity substantially lower than the electrical conductivity of the material of the specified film, and two electrodes having an electrical contact with the specified film, characterized in that the conductive film is made in the form of a thick film resistor based on silver and palladium .