[发明专利]电磁辐射快速探测器

说明书

描述了一种电磁辐射(RL)探测器。探测器包括：‑一衬底(1)，‑沉积在衬底的顶表面(10)上的有取向的热电材料多晶层(2)，‑第一和第二电极，彼此隔开并与有取向的多晶层电接触。衬底包括至少一个陶瓷层，并且有取向的多晶层具有相对于衬底的顶表面的法线成30°至55°之间的角度的晶体取向。

技术领域

本发明涉及一种电磁辐射探测器，特别是激光辐射快速探测器。

背景技术

如今，快速激光辐射探测器主要由光电二极管，热释电传感器和轴向热电设备代表。热电设备分为两个不同的组：利用由不同类型的材料的连结处引起的标准纵向热电效应的设备和基于激光诱导的横向电压(LITV)效果的设备。

光电二极管相对于其他类型传感器的主要优势是时间响应速度最快。基于P-N结中电子-空穴对的复合机制，利用这种物理原理的器件可以实现亚纳秒级的响应时间。此外，这些设备的高灵敏度可以测量极低功率的连续波激光束和单个激光脉冲。相比之下，高灵敏度意味着在测量激光辐射时具有较低的饱和阈值。光电二极管的响应具有空间不均匀性，并且取决于工作温度和冲击辐射的波长。此外，频谱工作频带在物理上受到所用半导体的能隙的限制。

基于热电效应的传感器将热梯度转换为电信号。即，由于热梯度引起的极化变化在晶体上产生电压。一方面，热电传感器确实比光电二极管有优势，这一优势在于其频带宽(即从紫外线到太赫兹)，这得益于热的自然属性。此外，它们还结合了高灵敏度(可以高于或等于1000V/W)和针对高能量脉冲进行量身定制的可能性。

另一方面，由于有源材料中的自然的泄漏电流，热释电传感器受限于相对较低的激光重复频率(当前高达200kHz)，并且无法测量连续波(CW)激光辐射。实际上，热释电材料的工作原理基于对温度瞬态变化的响应，仅允许测量脉冲到准连续波脉冲，而不能测量纯连续波或长脉冲激光源。

通常，基于标准纵向热电效应的传感器采用多个电气互连的热电偶进行设计，这些热电偶可以轴向的测量跨合适衬底的热通量。使用标准热电效应的这种类型的传感器是US 5678924中描述的常见径向热电堆设计的演进型。按照热原理，这种传感器的光谱接受区域仍然是宽频带的。但是，此类传感器的热设计仅允许相对较慢的响应时间(当前大于10毫秒)。此外，多个轴向热电偶的设计通常意味着传感器的有效区域的覆盖不足(如WO2016128247中所公开的)。

使用激光感生横向电压(LITV)效应的传感器还将热梯度转换为电信号。合适的材料(例如Bi、Bi₂Te₃、Al:ZnO、Sb)的薄膜以倾斜角沉积在蒸发源和衬底之间，已知该薄膜显示出对激光辐射的横向热电响应。即，如果沿垂直于膜表面的方向存在热梯度，则产生纵向于膜表面平面的热电响应。所产生的可沿纵向平面提取的电信号的强度具有明确的方向，并且与生长在衬底上的薄膜有源材料的具有一定角度的晶粒的投影平行，在共面垂直方向上显示最小值。

LITV效应的采用具有以下本质的优势：显示出良好的热信号到电压的转换效率，同时显示出纳秒级的响应时间。此外，该设备的制造由于需要较少的技术步骤而更可控制，因此价格更便宜，且步骤得以简化。与基于轴向布置的热电偶的设计相比，基于LITV的设备相对于标准热电设备的另一个优势是有效区域的均匀覆盖。

与用于激光辐射测量的激光热释电传感器和光电二极管相比，使用LITV效应的传感器的优势在于综合了总体快速响应时间，接受宽频带光谱，直接激光辐射的高饱和阈值以及测量脉冲源和连续波激光源的可能性。此外，与快速光电二极管和热释电传感器相比，基于LITV的传感器的有源区域在尺寸上没有限制，而有源膜沉积的均匀性得以保持。

尽管基于LITV效应的传感器在激光辐射能量/功率感测技术领域的前景非常好，但由于生产有源层用的复杂合金(通常由有毒材料组成)的不利要求，这些传感器受到了限制，如US2011/0024604 A1，US 2011/0291012 A1，US2014/0091307 A1或US 2014/0091304A1中所述的传感器。