Тепловой приемник

(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) 1. Тепловой приемник, содержащий источник света, фотоприемник, расположенные на первой диэлектрической подложке, по всей ширине которой выполнено углубление, в котором сформирована теплоизолирующая опора, на которой закреплена в виде консоли вторая диэлектрическая подложка, верхняя поверхность которой лежит в одной плоскости с верхней поверхностью первой диэлектрической подложки, на второй диэлектрической подложке размещен кольцевой микрорезонатор, оптически связанный через входной и выходной волноводы соответственно с источником света и фотоприемником, на поверхность кольцевого микрорезонатора нанесен буферный слой, а на дне углубления сформирован теплоизолятор и расположен концентратор теплового излучения, причем вторая диэлектрическая подложка выполнена из материала с коэффициентом преломленияв и толщиной 3 макс, где в - показатель преломления входного и выходного волноводов и кольцевого микрорезонатора, макс - максимальная длина волны источника света, отличающийся тем, что на буферном слое расположено диэлектрическое основание, на котором расположена оптически связанная с концентратором теплового излучения и поглощающая тепловое излучение структура, состоящая, как минимум, из четырех тепловых детекторов,расположенных по периметру диэлектрического основания и электрически соединенных с соответствующим количеством металлических нанорезонаторных элементов, при этом 14523 1 2011.06.30 длина и ширина тепловых детекторов, а также металлических нанорезонаторных элементов выбраны равными или кратными длинам волн из спектрального диапазона теплового излучения. 2. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что тепловые детекторы выполнены из материала с удельным сопротивлением больше 10510-6 Омсм. 3. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что тепловые детекторы выполнены из металлодиэлектрического материала. 4. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что металлические нанорезонаторные элементы вместе с тепловыми детекторами образуют замкнутые треугольноподобные формы,максимально плотно расположенные по всей поверхности структуры, поглощающей тепловое излучение. 5. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что металлические нанорезонаторные элементы и тепловые детекторы имеют толщину 0, находящуюся в пределах 70 нм 0100 нм. Изобретение относится к области тепловизионной техники и может быть использовано в системах визуализации тепловых (инфракрасных) изображений, измерения распределения температур, в частности для обнаружения объектов, невидимых человеческим глазом и т.д. Известен приемник теплового излучения 1, имеющий подложку и ее тонкую часть,мембрану, ограничивающую внутреннюю полость, заполненную жидкостью с малой теплопроводностью, инфракрасный детектор, расположенный на верхней поверхности тонкой части подложки и состоящий из одной или множества термопар, горячие контакты которых расположены на мембране и имеют тепловой контакт с пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, холодные контакты указанных термопар расположены на подложке, на которой также монтируется внутренняя полость инфракрасного преобразователя. Описанный преобразователь не обладает достаточно высокой эффективностью преобразования инфракрасного излучения (ИКИ) в электрический сигнал, так как на множестве термопар с их металлическими проводниками и в выходных шинах могут появляться электрические сигналы, наведенные внешними электромагнитными полями, термопары рассеивают тепловую энергию, выделяющуюся в пленке, поглощающей инфракрасное излучение. Наиболее близким по технической сущности является тепловой приемник (инфракрасный преобразователь) 2, содержащий первую и вторую диэлектрические подложки,пленку, поглощающую инфракрасное излучение, источник света, фотоприемник, расположенные на первой диэлектрической подложке, по всей ширине которой выполнено углубление, в котором сформирована теплоизолирующая опора, на которой закреплена в виде консоли вторая диэлектрическая подложка, верхняя поверхность которой лежит в одной плоскости с верхней поверхностью первой диэлектрической подложки, на второй диэлектрической подложке размещен кольцевой микрорезонатор, оптически связанный через входной и выходной волноводы соответственно с источником света и фотоприемником, на поверхность кольцевого микрорезонатора нанесен буферный слой, на котором расположена пленка, поглощающая инфракрасное излучение, а на дне углубления сформирован теплоизолятор и расположен концентратор инфракрасного излучения, оптически связанный с пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, причем вторая диэлектрическая подложка выполнена из материала с коэффициентом преломленияв и толщиной 3 макс, где в - показатель преломления входного и выходного волноводов и кольцевого микрорезонатора, макс - максимальная длина волны источника света. Устройство не обладает достаточной чувствительностью и быстродействием из-за большой теплоемкости пленки, поглощающей тепловое излучение, с одной стороны, и изза значительного расстояния, на которое необходимо распространяться входной тепловой 2 14523 1 2011.06.30 энергии в процессе работы устройства. Это расстояние равно радиусу кольцевого микрорезонатора. Техническая задача - увеличение чувствительности устройства при одновременном повышении его быстродействия. Поставленная техническая задача решается тем, что тепловой приемник, содержащий источник света, фотоприемник, расположенные на первой диэлектрической подложке, по всей ширине которой выполнено углубление, в котором сформирована теплоизолирующая опора, на которой закреплена в виде консоли вторая диэлектрическая подложка, верхняя поверхность которой лежит в одной плоскости с верхней поверхностью первой диэлектрической подложки, на второй диэлектрической подложке размещен кольцевой микрорезонатор, оптически связанный через входной и выходной волноводы соответственно с источником света и фотоприемником, на поверхность кольцевого микрорезонатора нанесен буферный слой, а на дне углубления сформирован теплоизолятор и расположен концентратор теплового излучения, причем вторая диэлектрическая подложка выполнена из материала с коэффициентом преломленияв и толщиной 3 макс, где в - показатель преломления входного и выходного волноводов и кольцевого микрорезонатора, макс максимальная длина волны источника света, содержит на буферном слое диэлектрическое основание, на котором расположена оптически связанная с концентратором теплового излучения и поглощающая тепловое излучение структура, состоящая, как минимум, из четырех тепловых детекторов, расположенных по периметру диэлектрического основания и электрически соединенных с соответствующим количеством металлических нанорезонаторных элементов, при этом длина и ширина тепловых детекторов, а также металлических нанорезонаторных элементов выбраны равными или кратными длинам волн из спектрального диапазона теплового излучения. Эффективное решение поставленной технической задачи достигается тем, что тепловые детекторы выполнены из материала с удельным сопротивлением большим, чем 10510-6 Омсм. Эффективное решение поставленной технической задачи достигается тем, что тепловые детекторы выполнены из металлодиэлектрического материала. Эффективное решение поставленной технической задачи достигается тем, что металлические нанорезонаторные элементы вместе с тепловыми детекторами выполнены в виде замкнутых треугольноподобных форм, максимально плотно расположенных по всей поверхности структуры, поглощающей тепловое излучение. Эффективное решение поставленной технической задачи достигается тем, что металлические нанорезонаторные элементы и тепловые детекторы имеют толщину 0, находящуюся в пределах 70 нм 0100 нм. Совокупность указанных признаков в предлагаемом устройстве позволяет повысить его чувствительность и быстродействие за счет более эффективного поглощения теплового излучения, уменьшения теплоемкости преобразующих элементов и сокращения расстояния, на которое распространяется входная тепловая энергия в процессе работы устройства. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема расположения элементов заявляемого устройства. На фиг. 2 (вид сверху) показано расположение элементов на верхней поверхности первой 1 и второй 3 подложек. В заявленном устройстве на первой диэлектрической подложке 1 сформирована теплоизолирующая опора 2 со второй диэлектрической подложкой 3, на которых размещены оптически последовательно связанные источник света 4, входной волновод 5, кольцевой микрорезонатор 6, выходной волновод 7, фотоприемник 8. В углублении диэлектрической подложки 1 также расположены концентратор теплового излучения 9 и теплоизолятор 10. На кольцевом микрорезонаторе 6 расположен буферный слой 11, на котором размещена структура, поглощающая тепловое излучение 12, оптически связанная с концентратором 3 14523 1 2011.06.30 теплового излучения 9 и состоящая из металлических нанорезонаторных элементов 14,расположенных на диэлектрическом основании 15 и электрически соединенных с соответствующими тепловыми детекторами 13, которые расположены по всему периметру структуры 12, поглощающей тепловое излучение, которая размещена на буферном слое 11. В конкретном исполнении первая диэлектрическая подложка 1 - это пластина высокоомного кремния толщиной 0,5 мм, на верхней стороне которой методами фотолитографии выполнена вторая диэлектрическая подложка 3 из окиси кремния, расположенная на опоре из теплоизолирующего материала 2 - пористого кремния. Фотоприемник 8 кремниевая структура с переходом, выполненная в верхней части диэлектрической подложки 1 методами фотолитографии. Источник света 4 - полупроводниковый лазер, содержащий активный брэгговский отражатель, позволяющий электрически управлять длиной волны генерируемого излучения в пределах 1590-1595 нм 3. Входной волновод 5,кольцевой микрорезонатор 6 и выходной волновод 7 выполнены в виде планарных волноводов с шириной полоска 0,5 мкм и толщиной 0,22 мкм из кремния, как в 4. Концентратор теплового излучения 9 - это зеркала из алюминия толщиной 1 мкм, нанесенные термическим распылением в вакууме на полированную поверхность. Теплоизолятор 10 это слой пористого кремния. Буферный слой 11 - это пленка из 2 толщиной 2 мкм. Структура 12, поглощающая тепловое излучение, состоит из металлических нанорезонаторных элементов 14, выполненных из никеля толщиной 70-100 нм, расположенных на диэлектрическом основании 15 из окиси кремния, а также тепловых детекторов 13 толщиной 70-100 нм, выполненных термическим распылением в вакууме из нихрома и расположенных по всему периметру диэлектрического основания 15. Длина и ширина металлических нанорезонаторных элементов 14, а также тепловых детекторов 13 выбраны равными или кратными длинам волн из спектрального диапазона регистрируемого теплового излучения. Тепловой приемник работает следующим образом. В исходном состоянии, когда отсутствует регистрируемое тепловое излучение, первая диэлектрическая подложка 1, вторая диэлектрическая подложка 3 и остальные элементы устройства имеют температуру окружающей среды Т. Для калибровки устройства включается источник света 4, и его длина волны генерируемого излученияизменяется до значения 0, которое попадает в рабочий диапазон резонансной характеристики кольцевого микрорезонатора 6. Это означает, что излучение с длиной волны 0 из входного волновода 5 может через кольцевой микрорезонатор 6 проходить в выходной волновод 7 и регистрироваться фотоприемником 8. При появлении информационного теплового излучения с интенсивностью, превышающей фоновую освещенность, соответствующую температуре окружающей среды Т, указанное тепловое излучение поступает на поверхность структуры 12, поглощающей это излучение как непосредственно, так и после отражения от концентратора теплового излучения 9. Так как длина и ширина металлических нанорезонаторных элементов 14, а также тепловых детекторов 13 выбраны равными или кратными длинам волн из спектрального диапазона регистрируемого теплового излучения (2-15 мкм), то в металлических нанорезонаторных элементах 14 возникают переменные электрические поля соответствующих частот, вызывающие колебания электрических зарядов, т.е. электрический ток соответствующих частот. Прохождение возникших электрических токов через тепловые детекторы 13 приводит к их нагреванию. Изменение температуры тепловых детекторов 13, при указанных геометрических размерах элементов устройства, за единицы миллисекунд эффективно передается через тонкий буферный слой 11 в термически с ним связанный кольцевой микрорезонатор 6,что приводит к изменению его линейных размеров. В результате происходит смещение положения, по отношению к исходному, резонансной характеристики кольцевого микрорезонатора 6. В зависимости от величины этого смещения изменяется часть излучения с длиной волны 0, ответвляемого в кольцевой микрорезонатор 6, и, как следствие, электрический сигнал с фотоприемника 8. При длине волны 0, соответствующей линейному участку резонансной характеристики кольцевого микрорезонатора 6, эти вариации выход 4 14523 1 2011.06.30 ного электрического сигнала на выходе фотоприемника 8 будут пропорциональны изменениям амплитуды входного теплового излучения. В предлагаемом изобретении существенно увеличивается эффективность приема входного теплового излучения за счет прямого преобразования его энергии в электрический ток соответствующей частоты, который нагревает тепловые детекторы 13. Так как тепловые детекторы 13, электрически связанные с металлическими нанорезонаторными элементами 14, имеют наноразмерную толщину и расположены по всему периметру структуры 12, поглощающей тепловое излучение, то ее теплоемкость значительно снижается, следовательно, одновременно повышаются чувствительность и быстродействие. Источники информации 1. Патент США 7005643. 2. Патент РБ 10227 (прототип). 3..,.,..-//. . . 2001. - . 13. - . 12. - . 1277. 4..,.,.. -.//. . . - 2004. - . 16. - . 5. - . 1328. 5. Синцов В.Н. Исследование свойств золотой черни // ЖПС. - 1966. - . 4. - Вып. 6. С. 503-508. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5