Устройство для определения интенсивности теплового излучения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для определения интенсивности теплового излучения, содержащее по меньшей мере один активный и один пассивный микроболометры, закрепленные над подложкой и электрически соединенные с ней, каждый из которых выполнен в виде мембраны, содержащей прозрачный для теплового излучения термометрический элемент и элемент поглощения излучения, причем пассивный микроболометр размещен на отражающем экране, содержащем по меньшей мере один металлический слой, электрически связывающий экран с элементом поглощения излучения, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере два расположенных на подложке открытых резонансных элемента,находящихся в емкостной связи с мембраной активного микроболометра, элемент поглощения излучения которого содержит массивы отдельных наноразмерных резонансных элементов, при этом все резонансные элементы выполнены с размерами, обеспечивающими поглощение каждым из них теплового излучения в заданном спектральном диапазоне. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что открытые резонансные элементы выполнены с размерами, обеспечивающими поглощение теплового излучения в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. 17689 1 2013.10.30 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что наноразмерные резонансные элементы выполнены с размерами, обеспечивающими поглощение теплового излучения в среднем инфракрасном спектральном диапазоне. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что открытые резонансные элементы выполнены из диэлектрика и расположены на расстоянии 50 нм от активного микроболометра. Изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при разработке многоканальных высокоинформативных ИК-датчиков, а также приборов тепловизионной техники. Известно устройство 1, содержащее последовательно размещенные на кремниевой подложке изолирующий диэлектрический слой, площадку термочувствительного слоя с нанесенным на нее поглощающим диэлектрическим покрытием, контактные дорожки,причем в кремниевой подложке выполнена низкоомная область, расположенная вокруг площадки термочувствительного слоя, а в изолирующем диэлектрическом слое выполнены канавки на изолирующем диэлектрическом слое сформирована антенна в виде двухзаходной спирали, каждая спираль которой подключена внутренними концами к двум противолежащим сторонам площадки термочувствительного слоя, а внешними - к контактным дорожкам, при этом канавки выполнены между витками обеих спиралей антенны, а в кремниевой подложке под площадкой термочувствительного слоя со стороны канавок выполнены теплоизолирующие полости. Описанное устройство работает в узком спектральном диапазоне, ширина которого определяется в основном параметрами антенны. Наиболее близким по технической сущности является устройство по способу обнаружения теплового излучения 2, содержащее по меньшей мере один активный и один пассивный микроболометры, подвешенные над подложкой, причем каждый из них состоит из термометрического элемента и элемента поглощения излучения, электрически соединенного с подложкой, а пассивный микроболометр расположен на отражающем экране, содержащем по меньшей мере один металлический слой, обеспечивающий электрическую связь экрана с элементом поглощения излучения. Данное устройство имеет низкую эффективность поглощения входного излучения и работает в узком спектральном диапазоне. Техническая задача - повышение эффективности поглощения теплового излучения при одновременном расширении спектра обнаруживаемых электромагнитных волн. Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для измерения теплового излучения, содержащее по меньшей мере один активный и один пассивный микроболометры, закрепленные над подложкой и электрически соединенные с ней, каждый из которых выполнен в виде мембраны, содержащей прозрачный для теплового излучения термометрический элемент и элемент поглощения излучения, причем пассивный микроболометр расположен на отражающем экране, содержащем по меньшей мере один металлический слой, электрически связывающий экран с элементом поглощения излучения,содержит по меньшей мере два расположенных на подложке открытых резонансных элемента, находящихся в емкостной связи с мембраной активного микроболометра, элемент поглощения излучения которого содержит массивы отдельных наноразмерных резонансных элементов, при этом все резонансные элементы выполнены с размерами, обеспечивающими поглощение каждым из них теплового излучения в заданном спектральном диапазоне. Для эффективного решения поставленной технической задачи размеры открытых резонансных элементов соответствуют ближнему инфракрасному спектральному диапазону длин волн входного теплового излучения. 17689 1 2013.10.30 Для эффективного решения поставленной технической задачи размеры наноразмерных микрорезонансных элементов массива соответствуют среднему инфракрасному спектральному диапазону длин волн входного теплового излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи открытые резонансные элементы выполнены из диэлектрика и расположены на расстоянии 50 нм от активного микроболометра. Совокупность указанных признаков позволяет повысить эффективность поглощения теплового излучения за счет изменения эффективной диэлектрической проницаемости мембраны активного микроболометра. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлен вертикальный разрез устройства, где 1 - подложка,2 - активный микроболометр,3 - пассивный микроболометр,4 - термометрический элемент,5 - элемент поглощения излучения,6 - отражающий экран,7 - открытый резонансный элемент,8 - массивы отдельных наноразмерных резонансных элементов,9 - контакты,10 - мембрана. На фиг. 2 представлен горизонтальный разрез активного микроболометра. В устройстве для измерения теплового излучения над подложкой 1 закреплены активный 2 и пассивный 3 микроболометры. Активный микроболометр 2 - это мембрана 10, состоящая из термометрического элемента 4, расположенного на элементе поглощения излучения 5, которые электрически соединены через контакты 9 с подложкой 1. В пассивном микроболометре 3 элементы мембраны 10, то есть элемент поглощения излучения 5 и термометрический элемент 4, расположены последовательно на отражающем экране 6,выполненном как минимум из одного металлического слоя, обеспечивающего электрический контакт с элементом поглощения излучения 5 и через контакты 9 - с подложкой 1. Термометрический элемент 4 и элемент поглощения излучения 5 активного микроболометра 2 имеют электрические связи емкостного типа с открытыми резонансными элементами 7. Элемент поглощения излучения 5 активного микроболометра 2 содержит массивы наноразмерных микрорезонансных отдельных элементов 8. В конкретном исполнении подложка 1 - это пластина высокоомного кремния. Термометрический элемент 4 выполнен методами фотолитографии из высокорезистивного -типа или -типа поликристаллического кремния, как в 2, и имеет сопротивление 2000 Ом. Элемент поглощения излучения 5 - это выполненные методами фотолитографии и расположенные последовательно как минимум два слоя диэлектрический из окиси кремния и резистивный, из нихрома марки 2080 с сопротивлением резистивного слоя 300 Ом. Отражающий экран 6 - это выполненный методами вакуумной технологии слой алюминия толщиной 1 мкм. Два открытых резонансных элемента 7 - это двухплечевая антенна, выполненная методами фотолитографии из низкоомного кремния и расположенная на подложке 1 на расстоянии 50 нм от мембраны 10 активного микроболометра 2. Массивы наноразмерных микрорезонансных отдельных элементов 8 - это наборы емкостных и индуктивных элементов, выполненных из нихрома марки 2080 и расположенных на расстоянии 150 нм друг от друга в соответствии с фиг. 2. Контакты 9 - это металлические выступы, с помощью которых мембраны 10 закреплены на расстоянии 1,5 мкм от подложки 1, существенно уменьшая тем самым тепловой контакт с ней. Контакты 9 и подвешенные мембраны 10 выполнены по стандартной мостиковой технологии с использованием жертвенного слоя полиимида, как в 2. 3 17689 1 2013.10.30 Устройство для измерения теплового излучения работает следующим образом. Входное излучение, включая ближний и средний инфракрасные спектральные диапазоны длин волн, поступает на элементы устройства активный микроболометр 2, пассивный микроболометр 3 и открытые резонансные элементы 7. Часть этого излучения, длины волн которого соответствуют геометрическим размерам открытых резонансных элементов 7,поглощается в них. Излучение среднего инфракрасного диапазона, прошедшее через термометрические элементы 4, поглощается элементами 5, а излучение ближнего инфракрасного диапазона - в массивах отдельных наноразмерных резонансных элементов 8. Энергия входного излучения, поглощенная открытыми резонансными элементами 7, вызывает появление на их концах электрического напряжения соответствующей частоты. Возникающий при этом электрический ток, протекая через термометрический элемент 4 и элемент поглощения излучения 5 активного микроболометра 2 нагревает мембрану 10. Энергия электромагнитного излучения среднего инфракрасного диапазона, поглощенная элементом поглощения излучения 5 активного микроболометра 2, также нагревает его резистивные части и термически связанный с ними термометрический элемент 4 и тем самым мембрану 10. Излучение ближнего инфракрасного диапазона, поглощенное массивами отдельных наноразмерных резонансных элементов 8, нагревает их и аналогичным образом дополнительно нагревает мембрану 10. Суммарное изменение температуры термометрического элемента 4 мембраны 10 активного микроболометра 2, приводит к изменению его сопротивления, которое измеряется стандартным образом через контакты 9. Так как в пассивном микроболометре 3 металлический слой отражающего экрана 6 накоротко замыкает элемент поглощения излучения 5 (его сопротивление равно нулю), т.е. он не нагревается,температура его термометрического элемента 4 равна температуре окружающей среды. Разница температур термометрических элементов 4 активного 2 и пассивного 3 микроболометров прямо пропорциональна интенсивности входного теплового излучения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4