Разработка и исследование технологии адаптивно-селективной сборки для многоэлементных инфракрасных фотоприемников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Смирнова, Елена Викторовна

• Смирнова, Елена Викторовна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнова, Елена Викторовна

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ требований к многоэлементным инфракрасным фотоприемникам и технологии их изготовления.

1.1 Анализ требований к контрольно-измерительным приборам, работающих на основе спектрального анализа в ИК-области спектра.

1.3 Выбор спектрального диапазона.

1.4 Обзор и описание фотоприемников.

1.5 Выводы.

Глава II. Разработка конструкции модуля и технологии изготовления многоэлементного инфракрасного фотоприемника.

2.1 Конструкция фотоприемника ИК-излучения.

2.2 Обзор технологии изготовления ИК-фотоприемников.

2.3 Выбор источника оптического излучения.

2.4 Разработка электронной схемы и обслуживающего обеспечения ИК-фотоприемника.

2.5 Сборка ИК-фотоприемника.

2.6 Выводы.

Глава III. Разработка технологии адаптивно-селективной сборки при изготовлении, монтаже и эксплуатации многоэлементных инфракрасных фотоприемников.

3.1 Технические характеристики фотоприемника.

3.2 Технология адаптивно-селективной сборки.

3.3 Разработка схемы процесса адаптивно-селективной сборки ИК-фотоприемников

3.4 Реализация технологии АСС для повышения технологичности производства.

3.5 Выводы.

Глава IV. Экспериментальные исследования и испытания фотоприемников.

4.1 Структурная и оптическая схемы прибора контроля лесоматериалов.

4.2 Калибровка и программная юстировка прибора.

4.3 Компенсация погрешностей результатов измерений.

4.4 Испытания фотоприёмников, предназначенных для применения в полевых приборах.

4.5 Рассмотрение возможности применения разработанных ИК-фотоприемников для других сфер деятельности.

4.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование технологии адаптивно-селективной сборки для многоэлементных инфракрасных фотоприемников»

Актуальность проблемы

В настоящее время в различных отраслях промышленности существует потребность в оптической измерительной технике широкого спектрального диапазона для оперативного измерения и контроля различных физико-химических и механических свойств материалов и сред, в частности, для определения качественных характеристик лесоматериалов, пищевых и сельскохозяйственных продуктов. Вследствие того что лесоматериалы являются одним из основных экспортных товаров [1], весьма актуальным является создание спектральной аппаратуры для их идентификации. Для решения большинства подобных задач необходим многоэлементный приемник оптического излучения в инфракрасной (ИК) области спектра (от 1,0 до 5,0 мкм), который позволяет реализовать быстродействующий малогабаритный портативный спектрофотометр, работающий в наиболее информативном для поставленных задач ближней ИК-области спектра. С его помощью можно определять породу древесины и ряд других характеристик, которые имеют большое значение для пресечения вывоза ценных пород древесины за пределы страны, что в свою очередь связано с экономической безопасностью России.

Многоэлементные приемники оптического излучения, позволяющие надежно регистрировать ИК-излучение в диапазоне 1-5 мкм, весьма востребованы у разработчиков различной спектрально-аналитической аппаратуры. Невысокая стоимость, надежность и возможность создания многоэлементных фотогальванических ИК-фото приемников при помощи технологии адаптивно-селективной сборки (АСС) делают эти фотоприемники перспективными и конкурентоспособными компонентами серийных приборов для решения широкого круга задач в науке и технике.

Важным аспектом при создании ИК-фотоприемников является качество их сборки. Технология изготовления отечественных фотоприемников не позволяет достичь требуемых технических характеристик, обеспечивающих точность измерения создаваемой контрольно-измерительной аппаратуры. В связи с этим весьма актуально внедрение технологии АСС и проведение специальных исследований, позволяющих повысить показатели качества ИК-фотоприемников в процессе их производства, а также характеристики приборов контроля лесоматериалов и других объектов. Решению этих актуальных вопросов и посвящена настоящая работа.

Цель исследования

Целью диссертационной работы является исследование и разработка технологии производства многоэлементных приемников оптического излучения в ИК-области спектра, а также внедрение технологии их адаптивно-селективной сборки с целью повышения технических характеристик фотоприемников.

Задачи исследования:

• разработка и внедрение технологии адаптивно-селективной сборки при изготовлении многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• разработка методов калибровки ИК-фотоприемников;

• разработка алгоритмов и математических моделей цифровой коррекции погрешностей измерений для спектрофотометров с ИК-фотоприемниками;

• разработка конструкции модуля многоэлементного приемника инфракрасного излучения и создание технологии его изготовления;

• проведение климатических испытаний ИК-фотоприемников;

• проведение экспериментальных исследований многоэлементных приемников инфракрасного излучения в составе спектрального прибора для контроля лесоматериалов;

• обоснование требований к современным контрольно-измерительным приборам, работающим в ИК-области спектра;

• обзор и классификация существующих приборов и анализ характеристик применяемых ИК-линеек фотоприемников.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней:

• впервые внедрена технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников оптического излучения;

• модифицирована концепция построения спектрофотометра прибора для контроля лесоматериалов, содержащего многоэлементный фотоприемник ИК-излучения;

• доказана целесообразность применения расширенного спектрального диапазона и технологии адаптивно-селективной сборки портативного прибора контроля лесоматериалов;

• разработана конструкция модуля многоэлементного приемника инфракрасного излучения.

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. Технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения.

2. Методика калибровки прибора контроля лесоматериалов, работающего с ИК-фотоприемниками.

3. Алгоритм цифровой коррекции погрешностей измерений для спектрофотометров с ИК-фотоприемниками.

4. Конструктивное решение при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения.

5. Особенности и порядок применения многоэлементных приемников инфракрасного излучения в конструкции приборов контроля лесоматериалов, обеспечивающих повышение эффективности их практического применения.

Практическая ценность

В работе предложены методы, позволяющие повысить качество сборки и обеспечить значительное снижение стоимости изготовления многоэлементных приемников инфракрасного излучения, а также повысить технические и эксплуатационные качественные характеристики (спектральный диапазон показаний спектров, уверенность идентификации) прибора контроля лесоматериалов. В процессе исследований и практической работы:

• внедрена технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• создан модуль многоэлементного приемника инфракрасного излучения, работающего в диапазоне спектра от 1,0 до 5,0 мкм;

• возобновлено серийное производство многоэлементных приемников инфракрасного излучения;

• на основе расширения спектрального диапазона значительно улучшены технические характеристики спектрофотометра, входящего в состав прибора контроля лесоматериалов.

Результаты диссертационной работы реализованы в серийно выпускаемых приборах для идентификации пород древесины «Кедр», разработанных по заказу Федеральной таможенной службы России и принятых на снабжение таможенных органов. Научные разработки по данной тематике удостоены диплома и золотой медали «Гарантия качества и безопасности» на международной выставке 188Е-2010 и внесены в Госреестр средств измерений.

Внедрение результатов работы

Основные результаты исследования были использованы при разработке и совместном производстве многоэлементных приемников инфракрасного излучения в Научно-исследовательском институте «Гириконд» и ЗАО «Научно-производственный центр «Инновационная техника и технологии» (Санкт

Петербург) при создании приборов для идентификации пород древесины «Кедр».

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры компьютеризации и проектирования оптических приборов Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики и кафедры технических средств таможенного контроля и факультета повышения квалификации Санкт-Петербургского имени В.Б. Бобкова филиала Российской таможенной академии.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

1. ХЬ Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (1-4 февраля 2011 г.);

2. VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, посвященной 110-летию СПбГУ ИТМО (20-23 апреля 2010 г.);

3. XXXIX Научной и учебно-методической конференции, посвященной 110-летию СПбГУ ИТМО (2-5 февраля 2010 г.);

4. Третьем Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (20-21 ноября 2009 г.);

5. VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «КМУ-2009» (14-17 апреля 2009 г.);

6. XXXVIII Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, посвященной 100-летию со дня рождения выдающего ученого и талантливого педагога М.М. Русинова (3—6 февраля 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 научных работ, из которых три статьи в журналах из перечня ВАК.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Смирнова, Елена Викторовна

4.6 Выводы

В результате модернизации и исследования опытных образцов приборов контроля лесоматериалов удалось реализовать следующие этапы работы:

- проведены исследования влияния климатических параметров на свойства ИК-фотоприемников в составе прибора контроля лесоматериалов;

- описана необходимость температурной стабилизации ИК-фотоприемника;

- разработана методика калибровки ИК-фотоприемника;

- модернизирована концепция построения портативного прибора идентификации породы древесины, являющегося базовым средством для практической реализации разработанных ИК-фотоприемников.

5 Заключение

В результате проведенных исследований в рамках диссертационной работы были достигнуты следующие результаты:

1. Разработана технология адаптивно-селективной сборки при производстве многоэлементных ИК-фотоприемников, существенно улучшающая их точностные характеристики.

2. Проведены исследования влияния климатических параметров на свойства ИК-фотоприемников в составе прибора контроля лесоматериалов.

3. Разработаны алгоритм и аппаратная реализация алгоритмической коррекции погрешностей измерений для спектрофотометров с ИК-фотоприемниками.

4. Разработаны методы калибровки ИК-фотоприемников.

5. Разработаны новые конструктивные решения многоэлементных приемников оптического излучения, работающих в диапазоне спектра от 1,0 до 5,0 мкм.

6. На основе расширения спектрального диапазона значительно улучшены технические характеристики спектрофотометра, входящего в состав прибора контроля лесоматериалов.

Результаты диссертационной работы реализованы в серийно выпускаемых приборах для идентификации пород древесины «Кедр», разработанных по заказу Федеральной таможенной службы России и принятых на снабжение таможенных органов. Научные разработки по данной тематике удостоены диплома и золотой медали «Гарантия качества и безопасности» на международной выставке 188Е-2010 и внесены в Государственный реестр средств измерений. В состав прибора «Кедр» входит ИК-фотоприёмник, выпускаемый совместно НИИ «Гириконд» и ЗАО «НПЦ «ИТТ» в Санкт-Петербурге.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнова, Елена Викторовна, 2011 год

1. Экспорт лесопродукции: Справочник. Издание 2-е исправленное и дополненное. СПб.: ПРОФИКС, 2008. - 712 с.

2. Григорьева О.В. Метод идентификации нефтезагрязненных земель с использованием оптико-электронных систем дистанционного зондирования / Исследования Земли из космоса. Выпуск №1 М.: 2008 г. - с.82-88.

3. Дилбазов Т. Г., Ягубзаде Н. Я., Гусейнова Е. А. Оптическая система с высокой разрешающей способностью для малогабаритного спектрального прибора // Известия вузов. Приборостроение. Выпуск 10. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с.80-84.

4. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов, СПБ, Политехника, 2007.

5. Плотников B.C. и др. Расчет и конструирование оптико-механических приборов. М.: Машиностроение, 1983.

6. Воронин A.A., Колгин Е.А., Кострюков A.A., Савушкин A.B., Ухов A.A., Черноглазов B.C. Спектрометрическое устройство для идентификации пород древесины // Петербургский журнал электроники. 2008. - № 2. - С. 116-119.

7. Колгин Е.А., Ухов A.A., Савушкин A.B. Спектрометры на основе полнхроматора и одномерной ПЗС матрицы: опыт разработки и применения // Петербургский журнал электроники. 2008. №2(55)-3(56). С. 120-127.

8. Азаров В.И., Буров A.B., Оболенская A.B. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб., 1999. 628 с.

9. Сокольский М.Н. Теоретические основы расчета допусков в оптических приборах. Л.: ЛИТМО, 1980.

10. Сухопаров С.А. Обобщенный метод точностного расчета конструкций оптических приборов // Известия вузов. Приборостроение, №6, 1985.

11. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 174 с.

12. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. Учебное пособие для вузов. СПб.: Папирус, 2003. - 528 с.

13. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов / Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Патли и др.; Под ред. Р.Дж. Киеса: перевод с англ. — М.: Радио и связь, j 1985.-328 с.

14. Гатчин Ю.А., Ткалич В.Л., Виволанцев A.C., Дудников Е.А. Введение в Микроэлектронику. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. 114с.

15. Бирюков Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП // Компоненты и технологии, № 10, 2007, стр. 24-27. ^

16. Виноградова Т.В. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов свинца, серебра и твердых растворов замещения на их основе для создания датчиков экологического контроля. Дис. канд. хим. наук. Екатеринбург. 2005. 209 с.

17. Тропина Н.Э. Инфракрасные фотоприемники на основе пленок селенида свинца для спектрально-аналитической аппаратуры. Научно-исследовательский институт «Гириконд», УДК 621.383.51, 2009.

18. Тропина Н.Э., Петровская З.Н., Черноглазова И.О. Влияние диэлектрической фазы на спектр фотолюминесценции фрактально структурированных нанокомпозитных пленок селенида свинца // ФТП. Т. 43.-Вып. 11.-2009.-С. 1477-1480.

19. Дийков JI., Медведев Ф., Шелехин Ю. Электронно-оптические извещатели пламени. ИК-приемники нового поколения. Электроника: наука, технология, бизнес. № 6. 2000 г. с. 26-29.

20. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. JL: Машиностроение, 1985.

21. Лячнев В.В., Сирая Т.Н., Довбета Л.И. Основы фундаментальной метрологии: Учебное пособие / Под ред. В.В. Лячнева. СПб.: Элмор, | 2007. - 424 с.

22. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

23. Валетов В.А., Кузьмин Ю.П., Орлова A.A., Третьяков С.Д., Технология приборостроения // Учебное пособие, СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. -336 с.

24. Смирнова Е.В., Латыев С.М. Изучение погрешностей совмещения марок при поперечных наводках // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2009. № 06(64). С. 9-13.

25. Тропина Н.Э., Тропин А.Н. Полупроводниковые источники излучения для инфракрасной области спектра // Компоненты и технологии. 2008. — № 11.-С. 152-153.

26. Воронин A.A., Смирнова Е.В., Фаизов И.Н. Алгоритмическая коррекция погрешностей портативного спектрофотометра // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 1. С. 74-78.

27. Дич JI.3., Латыев С.М., Рукавицын H.H. Повышение точности оптических приборов методом алгоритмической коррекции погрешностей // «Оптико-механическая промышленность», №12, 1987.

28. Frolov D.N., Vinogradova O.A. Ease of Manufacturing and Definition of the Tolerances for Fabrication and Assemblies of Microobjectives. 50. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universität Ilmenau 19.-23. September 2005, p.93-94.

29. Zocher K.-P., Kosub S., Gorsch D. Toleranzgruppenoptimierung fur die Adaptive und Selektive Montage //44 IWK TU Ilmenau.- Band 3, 1999.

30. Латыев C.M., Смирнов А.П., Фролов Д.Н., Табачков А.Г., Тезка Р. Обеспечение целевых показателей качества при автоматизации сборки микрообъективов // Оптический журнал. 2010.Т.77, №1, с.49-53.

31. Латыев С.М., Табачков А.Г., Фролов Д.Н. Унификация конструкций микрообъективов с учетом автоматизации их сборки // Сборник трудов. Междунар. конф. «Прикладная оптика-2010», том 1, стр. 250-254.

32. Лежнев М.Ю. Идентификация лесопродукции // Лесное машиностроение №3. 1999.

33. Воронин A.A., Смирнова Е.В., Смирнов А.П. К вопросу идентификации пород древесины с применением методов анализа спектров // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010. № 02(66). С. 5-11.

34. Дич Л.З., Латыев С.М., Рукавицин H.H. Алгоритмический способ коррекции температурной погрешности сферометра // «Оптико-механическая промышленность», №4, 1989.

35. Воронин A.A., Митрофанов С.С. Исследование нелинейности позиционно-чувствительного приёмника фирмы «Hamamatsu» // Известия вузов. Приборостроение. 2007. Т.50, №4. с. 47-50.

36. Белов Н. П., Яськов А. Д., Грисимов В. Н. Лабораторный спектрометр для исследования коэффициента отражения и определения параметров цветности диффузно отражающих объектов // Известия вузов. Приборостроение. Выпуск 7. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 74-78.

37. Дич Л.З., Латыев С.М. О погрешности Аббе в преобразователях линейных перемещений на дифракционных решетках // Оптико-электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике. М.: МдНТП, 1991, с.24-30.

38. Муслимов Э.Р. Теоретическое исследование свойств вогнутой пропускающей голограммной дифракционной решетки // Научнотехнический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 01(71). СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. с. 1-6.

39. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1982.

40. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение. 1975 г., стр. 312.

41. Павлычева Н.К. Расчёт спектрографа с плоским полем на основе голографической решетки. ОМП, 1979 г., №7, стр. 15-16.

42. Латыев С.М., Митрофанов С.С. Алгоритмическая компенсация систематических погрешностей фотоэлектрических преобразователей круговых перемещений // «Оптико-механическая промышленность», №1, 1988.

43. Чапурский Л.И, Казак Р.И. Возможности использования различных участков спектрального диапазона от 0,4 до 2,5 мкм для наблюдения объектов военного назначения //ВОТ. 1991. Сер. 10. Вып.З (275), с.59-64.

44. АСС — адаптивно-селективная сборка

45. АЦП аналого-цифровой преобразователь

46. АЧТ — абсолютно черное тело4. БД база данных

47. БИС блок измерения спектров6. ИК инфракрасный

48. КИП контрольно-измерительный прибор

49. МПИ — многоэлементный приемнИК-излучения

50. ПЗС прибор с зарядовой связью

51. ППИ портативный прибор идентификации11. СИ средство измерения

52. СКДО спектральный коэффициент диффузного отражения

53. СКО среднеквадратическое отклонение

54. ЦАП цифро-аналоговый преобразователь

55. ФТС федеральная таможенная служба