Болометрический детектор инфракрасного излучения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БОЛОМЕТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР ИНФРАКРАСНОГО 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 Залесский Валерий Борисович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Болометрический детектор инфракрасного излучения, содержащий чувствительную часть по меньшей мере из одного слоя термочувствительного материала с сопротивлением, зависящим от температуры, в контакте с которым находятся первый и второй наборы электропроводящих элементов, а также по меньшей мере одну закрепленную на подложке поддерживающую область, электрически и механически связанную посредством по меньшей мере одной термоизолирующей структуры с чувствительной частью для фиксации последней над поверхностью указанной подложки, отличающийся тем, что содержит третий набор электропроводящих элементов, каждый из которых выполнен в виде металлического микрорезонатора, периодически расположенных на подложке по периметру чувствительной части и по линиям расходящейся от нее двухзаходной спирали, на термочувствительный материал нанесена металлическая пленка с периодически расположенными микрорезонаторами, каждый из которых выполнен в виде круглого отверстия в указанной 18656 1 2014.10.30 пленке и находится в емкостной связи с соседними микрорезонаторами посредством соединяющих их прорезей в пленке, отделяющих друг от друга электропроводящие элементы первого и второго наборов, выполненные в виде участков указанной пленки соответственно с двух ее сторон и в ее средней части, а каждая термоизолирующая структура, являющаяся электродом детектора, выполнена в виде спирали, электрически соединена с первым набором электропроводящих элементов и расположена вместе с чувствительной частью в углублении подложки в одной плоскости с электропроводящими элементами третьего набора. 2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что размеры микрорезонаторов и расстояния между ними выбраны существенно меньшими, нежели длина волны принимаемого инфракрасного излучения. 3. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящие элементы третьего набора выполнены в виде право- или левосторонних спиралей, содержащихся в указанном наборе в равных количествах. 4. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что в указанном углублении под чувствительной частью нанесен отражающий слой. 5. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что каждая термоизолирующая структура выполнена в виде двухзаходной Архимедовой спирали. Изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при разработке многоканальных и высокоинформативных датчиков субмиллиметрового излучения, а также для систем обнаружения и безопасности. Известно устройство 1, 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. Устройство имеет низкую эффективность поглощения входного излучения из-за наличия резкого перепада показателя преломления на его поверхности, отсутствия средств эффективного поглощения магнитной составляющей электромагнитного излучения. Наиболее близким по технической сущности является болометрический детектор электромагнитного излучения 2, содержащий чувствительную часть, в которой имеется один или несколько слоев чувствительного материала, удельное сопротивление которого зависит от температуры первые электропроводящие элементы, электрически соединенные со схемой считывания данных, связанной с болометрическим детектором, действующие как электроды для указанного детектора и находящиеся для этого в контакте с чувствительным материалом вторые электропроводящие элементы с плавающим потенциалом по меньшей мере одну поддерживающую область, закрепленную на подложке по меньшей мере одну термоизолирующую структуру, электрически и механически связывающую каждую поддерживающую область с чувствительной частью, причем проводящие элементы распределены в виде двух пересекающихся, наложенных друг на друга сеток, проводящих дорожек, при этом первая из двух сеток содержит все указанные первые проводящие элементы. Устройство имеет низкую эффективность преобразования электромагнитного излучения в выходной сигнал из-за того, что электропроводящие элементы совместно с линейными проводниками сеток создают значительный перепад эффективного показателя преломления. 18656 1 2014.10.30 Техническая задача - повышение эффективности преобразования инфракрасного излучения при одновременном снижении эквивалентной мощности шума. Болометрический детектор инфракрасного излучения, содержащий чувствительную часть по меньшей мере из одного слоя термочувствительного материала с сопротивлением, зависящим от температуры, в контакте с которым находятся первый и второй наборы электропроводящих элементов, а также по меньшей мере одну закрепленную на подложке поддерживающую область, электрически и механически связанную посредством по меньшей мере одной термоизолирующей структуры с чувствительной частью для фиксации последней над поверхностью указанной подложки, содержит третий набор электропроводящих элементов, каждый из которых выполнен в виде металлического микрорезонатора, периодически расположенных на подложке по периметру чувствительной части и по линиям расходящейся от нее двухзаходной спирали, на термочувствительный материал нанесена металлическая пленка с периодически расположенными микрорезонаторами, каждый из которых выполнен в виде круглого отверстия в указанной пленке и находится в емкостной связи с соседними микрорезонаторами посредством соединяющих их прорезей в пленке, отделяющих друг от друга электропроводящие элементы первого и второго наборов, выполненные в виде участков указанной пленки соответственно с двух ее сторон и в ее средней части, а каждая термоизолирующая структура, являющаяся электродом детектора, выполнена в виде спирали, электрически соединена с первым набором электропроводящих элементов и расположена вместе с чувствительной частью в углублении подложки в одной плоскости с электропроводящими элементами третьего набора. Размеры микрорезонаторов и расстояния между ними выбраны существенно меньшими, нежели длина волны принимаемого инфракрасного излучения. Электропроводящие элементы третьего набора выполнены в виде право- или левосторонних спиралей, содержащихся в указанном наборе в равных количествах. В указанном углублении под чувствительной частью нанесен отражающий слой. Каждая термоизолирующая структура выполнена в виде двухзаходной Архимедовой спирали. Совокупность указанных признаков позволяет повысить эффективность преобразования принимаемого излучения за счет уменьшения коэффициента отражения, а также уменьшить размеры чувствительной части и тем самым снизить уровень теплового шума детектора. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, где 1 - подложка,2 - чувствительная часть,3 - первые электропроводящие элементы,4 - поддерживающая область,5 - чувствительный материал,6 - вторые электропроводящие элементы,7 - третьи электропроводящие элементы,8 - термоизолирующие структуры,9 - микрорезонаторы круглой формы,10 - прорези,11 - отражающий слой. Болометрический детектор инфракрасного излучения содержит чувствительную часть 2, которая через как минимум одну термоизолирующую структуру 8 электрически и механически связана с соответствующей поддерживающей областью 4, расположенной на подложке 1. Первые электропроводящие элементы 3 электрически соединены с чувствительной частью 2 и термоизолирующими структурами 8, которые являются выходными электродами. Вторые электропроводящие элементы 6 выполнены в виде средних участков 3 18656 1 2014.10.30 металлической пленки, отделенных от первых электропроводящих элементов 3 прорезями 10 и гальванически с ними связанных через чувствительный материал 5. Третьи электропроводящие элементы 7 выполнены в виде массива периодически расположенных металлических микрорезонаторов, средняя часть которого расположена по периметру чувствительной части 2, а крайние - по траектории двухзаходной спирали. Микрорезонаторы круглой формы 9 расположены периодически на чувствительном материале 5 и электрически соединены между собой емкостной связью в виде прорезей 10. Термоизолирующие структуры 8 спиральной формы и чувствительная часть 2 находятся в углублении подложки 1 и отделены от нее воздушным зазором, обеспечивающим их расположение в одной плоскости с третьими электропроводящими элементами 7 (фиг. 2). В конкретном исполнении подложка 1 выполнена из высокоомного кремния. Чувствительная часть 2 содержит один или несколько слоев чувствительного материала 5, например пористого кремния, который по технологии вакуумного напыления наносится на жертвенный слой, впоследствии вытравливаемый для формирования воздушного зазора. На чувствительный материал 5 аналогично наносится пленка из хрома толщиной 50 нм, в которой методами фотолитографии выполняются микрорезонаторы круглой формы 9, образуя участки первых 3 и вторых 6 электропроводящих элементов. Термоизолирующие структуры 8 выполнены из хрома длиной 90 мкм, шириной 3 мкм и толщиной 900 нм по стандартной мостиковой технологии одновременно с чувствительной частью 2. Отражающий слой 11 изготовлен по вакуумной технологии из алюминия толщиной 370 нм(фиг. 2). Поддерживающие области 4 выполнены осаждением меди по стандартной технологии. Болометрический детектор инфракрасного излучения работает следующим образом. Входное электромагнитное излучение, поступающее на вторые 6 и третьи 7 электропроводящие элементы, эффективно поглощается ими, так как перепад показателя преломления на границе раздела их с окружающим пространством снижается. При этом незначительная часть излучения, прошедшая через чувствительную часть 2, возвращается обратно после комплексного отражения от тыльной стороны подложки 1 и отражающего слоя 11 (фиг. 2). Поглощенное в них излучение наводит СВЧ-сигналы, которые нагревают чувствительный материал 5. Кроме того, наведенный СВЧ-сигнал входным инфракрасным излучением в термоизолирующих структурах 8 (как и в двухзаходной спиральной антенне) дополнительно нагревает чувствительный материал 5, удельное сопротивление которого зависит от температуры. Электрический информационный сигнал с выхода устройства формируется стандартным образом путем измерения сопротивления чувствительной части 2. Компьютерный расчет показал, что эффективность преобразования инфракрасного излучения заявляемого устройства в полосе частот от 1,6 до 2,3 ТГц на резонансной длине волны достигает значения 99,2 . Источники информации 1. Патент России 23 86934. 2. Патент России 2383875 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5