Многоспектральный датчик

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(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) Многоспектральный датчик, содержащий подложку с расположенными на ней по меньшей мере двумя приемниками антенного типа, один из которых выполнен с возможностью приема спектральных компонент электромагнитного излучения терагерцовой частоты и подачи его на детекторный диод, а другой - спектральных компонент инфракрасного излучения среднего диапазона частот и подачи его на болометр, и диодом, выполненным с возможностью приема спектральных компонент инфракрасного излучения видимого и ближнего диапазонов частот, отличающийся тем, что содержит канонические нерегулярные линии передачи, выполненные на подложке в виде металлических равнобедренных трапеций с углами при основании, равными 67,5, входы которых соединены с выходами соответствующих приемников антенного типа, а выходы через емкостную связь соединены с детекторным диодом в одном из приемников антенного типа и с болометром - в другом, причем расстояние между выходами канонических нерегулярных линий передачи и соответствующими им детекторным диодом и болометром равно 50 нм. 17806 1 2013.12.30 Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке многоспектральных многоканальных высокоэффективных датчиков. Известен болометр 1, содержащий последовательно размещенные на кремниевой подложке изолирующий диэлектрический слой и 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, также 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. Устройство имеет низкую эффективность преобразования электромагнитного излучения ИК-диапазона, так как термочувствительный слой, соединенный с антенной, имеет большую теплоемкость, а также значительная часть входного ИК-излучения поглощается контактными дорожками и металлическими частями антенны. Наиболее близким по технической сущности является многоспектральный сенсор 2,содержащий подложку, на которой расположены как минимум один приемник антенного типа, гальванически соединенный с детекторным диодом для преобразования терагерцового (ТГц) излучения, как минимум один приемник антенного типа, гальванически соединенный с болометром для преобразования среднего инфракрасного (ИК) излучения и как минимум один диод для преобразования видимого и ближнего ИК-излучений. Данный сенсор имеет недостаточно высокую эффективность преобразования электромагнитного излучения в среднем ИК- и ТГц-диапазонах, так как болометр, гальванически соединенный с антенной, имеет большую теплоемкость, а детекторный диод, подключенный к антенне, имеет относительно большую емкость. Техническая задача - повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения в среднем инфракрасном и терагерцовом спектральных диапазонах. Поставленная техническая задача решается тем, что многоспектральный датчик, содержащий подложку с расположенными на ней по меньшей мере двумя приемниками антенного типа, один из которых выполнен с возможностью приема спектральных компонент электромагнитного излучения терагерцовой частоты и подачи его на детекторный диод, а другой - спектральных компонент инфракрасного излучения среднего диапазона частот и подачи его на болометр, и диодом, содержит канонические нерегулярные линии передачи, выполненные на подложке в виде металлических равнобедренных трапеций с углами при основании, равными 67,5, входы которых соединены с выходами соответствующих приемников антенного типа, а выходы через емкостную связь соединены с детекторным диодом в одном из приемников антенного типа и с болометром - в другом,причем расстояние между выходами канонических нерегулярных линий передачи и соответствующими им детекторным диодом и болометром равно 50 нм. Совокупность указанных признаков позволяет увеличить эффективность преобразования входного электромагнитного излучения в выходные электрические сигналы за счет исключения отдельных гальванических связей, уменьшения теплопередачи из болометра в антенный приемник, а также оптимального согласования волновых сопротивлений между элементами устройства. Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена функциональная схема устройства, где обозначены 1 - подложка 2 - первый приемник антенного типа 2 17806 1 2013.12.30 3 - канонические нерегулярные линии 4 - детекторный диод 5 - второй приемник антенного типа 6 - болометр 7 - диод. В многоспектральном датчике на подложке 1 расположены первый приемник антенного типа 2, подключенный к каноническим нерегулярным линиям 3, которые электрически соединены связью емкостного типа с детекторным диодом 4 второй приемник антенного типа 5, подключенный к каноническим нерегулярным линиям 3, которые электрически соединены связью емкостного типа с болометром 6 диод 7 для преобразования видимого и ближнего диапазонов инфракрасного излучения. В конкретном исполнении подложка 1 - это пластина высокоомного кремния, покрытая пленкой окиси кремния. Напротив мест расположения первых 2 и вторых 5 приемников антенного типа материал подложки 1 вытравлен. Первые приемники антенного типа 2 выполнены в виде двух одинаковых прямоугольных открытых аподизированных периодических металлических структур с размерами 100100 мкм и толщиной 50 нм. Канонические нерегулярные линии 3 выполнены в виде планарных металлических равнобедренных трапеций с углами при основании, равными 67,5, и толщиной 50 нм. Расстояние между выходами канонических нерегулярных линий 3 и соответственно детекторным диодом 4 и болометром 6 равно 50 нм, образуют тем самым электрические связи емкостного типа между этими элементами. Вторые приемники антенного типа 5 выполнены в виде двух одинаковых прямоугольных открытых аподизированных периодических металлических структур с размерами 1010 мкм и толщиной 50 нм. В качестве приемников антенного типа могут быть использованы планарные антенны других видов. Детекторный диод 4 - это низкопороговый диод Шоттки, выполненный по интегральной технологии на основе, как в 3. Болометр 6 - это площадка термочувствительного слоя с нанесенным на нее поглощающим диэлектрическим покрытием и теплоизолирующими полостями, как в 1. Диод 7 - это место пересечения двух проводников нанометровой ширины, выполненных из разнородных металлов с различными работами выхода, причем один из этих металлов покрыт нанометровым слоем окисла, и выполнены, по интегральной технологии из- 23 - , как в 4. Работает устройство следующим образом. Входное излучение широкого спектрального диапазона нормально падает на лицевую сторону подложки 1. Спектральные компоненты терагерцовой частоты, длины волн которых кратны размерам первого приемника антенного типа 2, преобразуются в нем в переменные токи соответствующих частот. Полученные переменные токи поступают через канонические нерегулярные линии 3 на детектирующий диод 4, электрический сигнал на выходе которого пропорционален энергии входного преобразуемого терагерцового электромагнитного излучения. Аналогичным образом спектральные компоненты среднего диапазона инфракрасного излучения, длина волны которых кратна размерам второго приемника антенного типа 5, преобразуются в нем в переменные токи соответствующих частот. Полученные переменные токи поступают через соответствующие канонические нерегулярные линии 3 на болометр 6, поглощаются в нем, вызывая нагревание термочувствительного слоя, сопротивление которого изменяется. Изменение сопротивления болометра 6 пропорционально энергии преобразуемого диапазона инфракрасного электромагнитного излучения, а электрический сигнал с него снимается стандартным образом. Спектральные компоненты видимого и ближнего диапазона инфракрасного излучения преобразуются в электрический сигнал диодом 7. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4