МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 2014 года по МПК G01J1/42 

Настоящее изобретение относится к многоспектральному датчику для детектирования излучения терагерцового диапазона, инфракрасного излучения и излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, к многоспектральной системе формирования изображений и/или спектроскопической системе, к способу обнаружения и/или исследования живых организмов, предметов и материалов с применением такой системы, а также к применению подобных датчика и системы.

Уровень техники

Электромагнитный спектр в терагерцовом диапазоне частот позволяет получать информацию о сложном химическом составе веществ, а также о диэлектрических свойствах предметов. В настоящее время в этих целях используют достаточно сложные системы, например, с импульсными лазерами. Существенный недостаток известных терагерцовых систем наряду с их сложностью состоит в том, что проведение измерений только в терагерцовом диапазоне частот является малоинформативным и часто должно дополняться проведением параллельных измерений в диапазоне частот видимой или инфракрасной области спектра. Обычно для таких измерений одновременно используют несколько датчиков или систем детектирования, которые требуют сложной настройки их взаимной оптической ориентации, и поэтому вся система в целом имеет высокую стоимость.

Краткое изложение сущности изобретения

Преимущества изобретения

Преимущество предлагаемого в изобретении многоспектрального датчика, имеющего подложку с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник и с микросхемой, по меньшей мере одно состоящее из антенны и приемника комбинированное устройство для детектирования излучения терагерцового диапазона, по меньшей мере одно устройство для детектирования излучения средней инфракрасной области и по меньшей мере один диод для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, состоит, во-первых, в возможности работы всех компонентов датчика при комнатной температуре. Поэтому предлагаемый в изобретении датчик не требует никакого его охлаждения, прежде всего криоскопического охлаждения. Во-вторых, преимущество предлагаемого в изобретении датчика состоит в том, что в единственной детали объединены различные функции, преимущество чего состоит в возможности использовать единственный датчик для решения комплексных задач по детектированию излучения. Помимо этого еще одно преимущество состоит в отсутствии необходимости сложной настройки или регулировки разных датчиков, а требуется только единственная широкополосная, предпочтительно отражательная, оптика. Преимущество предлагаемого в изобретении датчика состоит далее в возможности параллельного, в идеальном случае проводимого в режиме реального времени детектирования электромагнитного излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, в средней инфракрасной области и в терагерцовом диапазоне. Кроме того, предлагаемые в изобретении датчики можно, если рассматривать в долгосрочной перспективе, изготавливать с низкими производственными расходами в расчете на единицу продукции, что позволит применять подобные датчики и в изделиях массового производства.

Краткое описание чертежа

Другие преимущества и предпочтительные варианты осуществления изобретения более подробно рассмотрены в последующем описании со ссылкой на единственный прилагаемый к нему чертеж. При этом необходимо отметить, что приведенное на чертеже изображение носит исключительно иллюстративный характер и не ограничивает объем изобретения.

На прилагаемом к описанию чертеже в виде в плане показан выполненный по одному из вариантов предлагаемый в изобретении многоспектральный датчик.

На чертеже показан предлагаемый в изобретении датчик 1, имеющий подложку 2 с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник и с не показанной на чертеже микросхемой. Подобные подложки обычно называют также КМОП-подложками. Согласно изобретению на КМОП-подложке 2 расположены по меньшей мере одно состоящее из антенны 3 и приемника 4 комбинированное устройство для детектирования излучения терагерцового диапазона, по меньшей мере одно устройство 5 для детектирования излучения в средней инфракрасной области спектра и по меньшей мере один диод 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра.

Согласно настоящему изобретению под "излучением терагерцового диапазона" подразумевается электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от не менее примерно 15 до не более примерно 1000 мкм, под "излучением средней инфракрасной области спектра" подразумевается электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от не менее примерно 1 до примерно 15 мкм, а под "излучением в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра" подразумевается электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от не менее примерно 0,380 до примерно 1 мкм.

Интервал детектирования электромагнитного излучения предлагаемым в изобретении датчиком 1 может в терагерцовом диапазоне охватывать диапазон частот от более 0,3 до не более 20 ТГц, а также, например, диапазон частот от не менее 0,3, или не менее 0,5, или не менее 1 до не более 3, или не более 5, или не более 10 ТГц. В соответствии с этим интервал детектирования электромагнитного излучения предлагаемым в изобретении датчиком 1 может в терагерцовом диапазоне охватывать диапазон длин волн от не менее 15 до менее 1000 мкм, а также, например, диапазон длин волн от не менее 30, или не менее 60, или не менее 100 до не более 300, или не более 600, или менее 1000 мкм.

Равным образом интервал детектирования электромагнитного излучения предлагаемым в изобретении датчиком 1 может в средней инфракрасной области спектра охватывать диапазон частот от более 20 до не более 300 ТГц, а также диапазон частот от не менее 21,4 до не более 37,5 ТГц или от не менее 60 ТГц до не более 100 ТГц. В соответствии с этим интервал детектирования электромагнитного излучения предлагаемым в изобретении датчиком 1 может в средней инфракрасной области спектра охватывать диапазон длин волн от не менее 1 до примерно менее 15 мкм, а также, например, диапазон длин волн от не менее 3 до не более 5 мкм или от не менее 8 до не более 14 мкм.

Аналогичным образом интервал детектирования электромагнитного излучения предлагаемым в изобретении датчиком 1 может в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра охватывать диапазон частот от более 300 до не более 790 ТГц.

Следовательно, согласно настоящему изобретению состоящее из антенны 3 и приемника 4 комбинированное устройство для детектирования излучения терагерцового диапазона, соответственно устройство 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра, соответственно диод 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра не должно/должен детектировать излучение всей соответствующей области спектра.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагаемый в нем датчик 1 имеет по меньшей мере два разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройства для детектирования излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

Преимущество, связанное с разбиением терагерцового диапазона на по меньшей мере два, прежде всего узкополосных, поддиапазона, состоит в возможности лучшего согласования, прежде всего связывания, узкополосных антенн 3 с приемником 4, что при приемлемой компоновке позволяет повысить чувствительность (рабочие характеристики) всей системы.

Поэтому предлагаемый в изобретении датчик 1 в предпочтительном варианте имеет по меньшей мере два разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройства, выполненных таким образом, что терагерцовый диапазон разбивается на по меньшей мере два, прежде всего узкополосных, поддиапазона, каждый из которых соотнесен соответственно с одним из состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств.

Помимо этого предлагаемый в изобретении датчик 1 может иметь по меньшей мере два разных устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра, рассчитанных на детектирование такого излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

Предлагаемый в изобретении датчик 1 может иметь далее по меньшей мере два разных диода 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, рассчитанных на детектирование такого излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

Как показано на чертеже, предлагаемый в изобретении датчик 1 в предпочтительном варианте имеет множество, например, одинаковых и/или разных (не показаны) состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств, устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диодов 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра.

В качестве особенно предпочтительных состоящих из антенны 3 и приемника 4 комбинированных устройств согласно настоящему изобретению зарекомендовали себя состоящие из антенн и болометров комбинированные устройства и/или состоящие из антенн и диодов комбинированные устройства, прежде всего состоящие из антенн и болометров, из антенн и диодов Шотки и/или из антенн и МДМ-диодов комбинированные устройства, поскольку подобные комбинированные устройства не требуют их охлаждения, прежде всего криоскопического охлаждения. Согласно настоящему изобретению под МДМ-диодом при этом подразумевается диод со структурой металл-диэлектрик-металл. Такое разнообразие подобных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств предоставляет возможность выполнять разные состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, рассчитанные на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

Согласно настоящему изобретению состоящее из антенны 3 и приемника 4 комбинированное устройство имеет по меньшей мере одну связанную с приемником 4 антенну 3, прежде всего связанную с ним емкостной связью. Однако состоящее из антенны 3 и приемника 4 комбинированное устройство может иметь и по меньшей мере две антенны 3, которые связаны с приемником 4, прежде всего связаны с ним емкостной связью. Варьирование количества антенн предоставляет еще одну возможность выполнения разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

При применении болометра в качестве приемника 4 антенна 3 служит для поглощения излучения терагерцового диапазона, которое в связанном с антенной 3 болометре, прежде всего связанном с ней емкостной связью, преобразуется в тепло, при этом измеряется результирующее изменение сопротивления болометра. Болометр может при этом представлять собой микроболометр. Согласно настоящему изобретению болометр 4 может иметь слоистую подложку, площадь которой составляет примерно от не менее 25 до не более 4900 мкм², прежде всего от не менее 625 до не более 2500 мкм², и которая благодаря ее установке на двух электропроводных опорах расположена с отступом от КМОП-подложки 2. Слоистая подложка может при этом иметь многоугольную, прежде всего прямоугольную и/или четырехугольную, форму или же в основном округлую, прежде всего эллиптическую или круглую, форму. Слоистая подложка может содержать аморфный кремний или оксид ванадия. Слоистая подложка может располагаться, например, параллельно КМОП-подложке 2. Разнообразие возможных вариантов выполнения болометра предоставляет еще одну возможность выполнения разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

При применении диода 4, прежде всего диода Шотки или МДМ-диода, в качестве приемника 4 принятый антенной 3 сигнал терагерцового диапазона выпрямляется, соответственно при использовании варианта с гетеродинным приемом смешивается с другим сигналом терагерцового диапазона с получением сигнала промежуточной частоты. Разнообразие возможных вариантов выполнения диода предоставляет еще одну возможность выполнения разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

В соответствии с настоящим изобретением несколько антенн 3, прежде всего все антенны 3, могут, как показано на чертеже, располагаться в одной плоскости. Равным образом в соответствии с настоящим изобретением несколько устройств 5, прежде всего все устройства 5, для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра, соответственно несколько диодов 6, прежде всего все диоды 6, для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра могут располагаться в одной плоскости. При этом, как показано на чертеже, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра могут располагаться в одной плоскости.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна антенна 3, соответственно антенны 3, расположенные в одной плоскости, расположена/расположены относительно по меньшей мере одного устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и/или по меньшей мере одного диода 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, прежде всего относительно плоскости, в которой расположены устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра, и/или плоскости, в которой расположены диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, с той стороны, с которой на датчик падает излучение.

Разнообразие вариантов конструктивного исполнения антенн позволяет реализовывать состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства с разными поглощающими свойствами касательно частоты и поляризации в терагерцовом диапазоне частот. Разнообразие вариантов конструктивного исполнения антенн предоставляют еще одну, прежде всего предпочтительную, возможность выполнения разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

Антенну 3 при этом можно выполнять плоской, как это показано на чертеже, или же не плоской. Так, например, согласно настоящему изобретению антенна 3 может иметь многоугольную, прежде всего треугольную, прямоугольную и/или четырехугольную, форму, в основном округлую, прежде всего эллиптическую или круглую, форму либо спиральную форму.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагаемый в нем датчик 1 имеет по меньшей два состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройства, в которых антенны имеют различающееся между собой конструктивное исполнение. Так, например, в одном датчике 1 можно комбинировать между собой, прежде всего избирательно, антенны нескольких конструкций, которые рассчитаны, например, на прием излучения в нескольких, например, разнесенных друг от друга, полосах частот терагерцового диапазона, соответствующих специальным детектируемым частотным диапазонам, например, характерным для взрывчатых веществ частотным диапазонам, и которые тем самым придают предлагаемому в изобретении датчику 1 функцию по спектроскопическому и/или частотно-избирательному детектированию излучения, в чем состоит особое преимущество изобретения.

Поэтому в еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предлагаемый в нем датчик 1 имеет по меньшей мере два разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройства, которые прежде всего благодаря применению в них антенн различающегося между собой конструктивного исполнения рассчитаны на детектирование излучения в специальных/предпочтительно детектируемых полосах частот терагерцового диапазона.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения антенна 3 имеет, прежде всего, тонкий, металлический слой, и/или полупроводниковый слой, и/или слой из одного или нескольких электропроводных полимеров, и/или слой на основе углеродных нанотрубок.

Антенна 3 при этом прежде всего может быть выполнена из, прежде всего, тонкого металлического слоя, полупроводникового слоя, слоя из одного или нескольких электропроводных полимеров или слоя на основе углеродных нанотрубок. Металлический слой может представлять собой, например, золотой слой. Полупроводниковый слой может представлять собой полупроводник с широкой запрещенной зоной, например, оксид индия и олова, оксид цинка, нитрид алюминия, нитрид галлия и/или карбид кремния, прежде всего легированный оксид индия и олова, оксид цинка, нитрид алюминия, нитрид галлия и/или карбид кремния.

В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения металлический слой и/или полупроводниковый слой проницаемы/проницаем для излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра и/или излучения средней инфракрасной области спектра. Связанное с этим преимущество состоит в возможности размещения одного или нескольких устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и/или одного или нескольких диодов 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра под антенной(-ами) 3 состоящего из антенны 3 и приемника 4 комбинированного устройства. Предлог "под" служит при этом не для указания направления, совпадающего с направлением действия силы тяжести, а для указания направления, совпадающего с ожидаемым направлением распространения излучения, при этом выражение "под антенной" должно трактоваться как "с обращенной от излучения стороны" антенны 3.

В показанном на чертеже варианте под антеннами 3, соответственно между антеннами 3 и подложкой 2 с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник расположены многочисленные устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра. При этом между антеннами 3 и устройствами 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра, соответственно диодами 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра отсутствует гальваническое соединение. Под "отсутствием гальванического соединения" при этом подразумевается отсутствие всякого "непосредственного" соединения или "непосредственной" связи через, например, металлический проводник, что не исключает, однако, наличие "опосредованной" емкостной и/или индуктивной связи. Наличия гальванического соединения между антеннами 3 и устройствами 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра, соответственно диодами 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра можно избежать, например, расположив антенны 3 на одной или нескольких не показанных на чертежах подложках, например, на несущем слое, выполненном прежде всего из одного или нескольких не обладающих гальванической проводимостью полимеров или из не обладающего гальванической проводимостью материала.

В качестве устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра согласно настоящему изобретению можно использовать болометры и/или МДМ-диоды. Поэтому применение болометров и МДМ-диодов предоставляет возможность выполнения разных устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах. Болометры при их применении в качестве устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра предпочтительно выполнять и размещать, как показано на чертеже, отдельно расположенными.

Для применения в качестве устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра пригоден, например, болометр, имеющий слоистую подложку, площадь которой составляет примерно от не менее 25 до не более 4900 мкм², прежде всего от не менее 625 до не более 2500 мкм². Слоистая подложка может при этом прежде всего благодаря ее установке на двух обладающих гальванической проводимостью опорах располагаться с отступом от КМОП-подложки 2. Слоистая подложка может при этом иметь многоугольную, прежде всего прямоугольную и/или четырехугольную, форму или же в основном округлую, прежде всего эллиптическую или круглую, форму. Слоистая подложка может содержать аморфный кремний или оксид ванадия. Слоистая подложка в предпочтительном варианте расположена параллельно КМОП-подложке 2.

Разнообразие возможных вариантов выполнения болометра предоставляет еще одну возможность выполнения разных состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах. Варьируя при этом расстояние между слоистой подложкой и КМОП-подложкой 2, можно эффективно настраивать датчик на детектирование излучения в том или ином диапазоне длин волн. Для оптимального детектирования излучения указанное расстояние предпочтительно должно соответствовать четверти длины волны детектируемого излучения. Поэтому варьирование расстояния между слоистой подложкой и КМОП-подложкой 2 предоставляет еще одну возможность выполнения разных устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

Для применения в качестве диодов пригодны, например, диоды, предпочтительно фотодиоды, используемые в формирователях изображения на КМОП-структурах.

Предлагаемый в изобретении датчик 1, прежде всего его часть, например КМОП-подложка 2, состоящее(-ие) из антенны(антенн) 3 и приемника(-ов) 4 комбинированное(-ые) устройство(-а), устройство(-а) 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диод(-ы) 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, в предпочтительном варианте может/могут иметь, как показано на чертеже, монолитное исполнение. Под термином "монолитный" при этом подразумевается выполнение компонентов 2, 3, 4, 5, 6 датчика 1 в виде цельной, прежде всего неразделяемой, конструктивной единицы. Предлагаемый в изобретении датчик прежде всего может представлять собой кристалл с монолитной интегральной схемой.

Не показанная на чертеже микросхема, состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра согласно настоящему изобретению в предпочтительном варианте выполнены и расположены таким образом, что состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра можно подключать и/или считывать по отдельности, прежде всего независимо друг от друга. Для обработки считанных результатов измерения предлагаемый в изобретении датчик 1 в предпочтительном варианте имеет электронные схемы обработки. Помимо этого предлагаемый в изобретении датчик в предпочтительном варианте имеет многоспектральную оптику, например отражательную оптику на основе зеркал. Подобную многоспектральную оптику целесообразно располагать относительно размещенных на КМОП-подложке 2 компонентов 3, 4, 5, 6 с той стороны, с которой на датчик падает излучение. Электронные схемы обработки и многоспектральная оптика могут, но не обязательно должны быть интегрированы в монолитную часть датчика 1.

Как показано на чертеже, состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра могут быть расположены в виде растра. В соответствии с этим состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра можно также назвать "пикселями". В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра расположены на датчике 1 в виде пикселей растра размером по меньшей мере 20х20 пикселей, например, по меньшей мере 50х50 пикселей, прежде всего по меньшей мере 100х100 пикселей. Состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра могут при этом располагаться на датчике 1 по симметричной схеме. В предпочтительном варианте при этом состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, как показано на чертеже, равномерно распределены на датчике 1. При этом прежде всего устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра могут быть расположены в чередующемся порядке. Согласно настоящему изобретению количество состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств может быть меньше количества устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диодов 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра. В этом случае состоящие из антенн 3 и приемников 4 комбинированные устройства, могут, как показано, например, на чертеже, располагаться через равные интервалы одно от другого вместо одного устройства 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра или диода 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра при в остальном чередующемся расположении устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диодов 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра.

Соотношение между количеством состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств и количеством устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра согласно настоящему изобретению может составлять от не менее 1:100 до не более 100:1, например от не менее 1:50 до не более 50:1, прежде всего от не менее 1:30 до не более 30:1, и/или соотношение между количеством состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств и количеством диодов 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра может составлять от не менее 1:100 до не более 100:1, например от не менее 1:50 до не более 50:1, прежде всего от не менее 1:30 до не более 30:1, и/или соотношение между количеством устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и количеством диодов 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра может составлять от не менее 1:50 до не более 50:1, например от не менее 1:10 до не более 10:1, прежде всего от не менее 1:3 до не более 3:1. Так, например, соотношение между количеством состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств и количеством устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра может составлять не менее 1:5, например не менее 1:10, прежде всего не менее 1:20, и/или соотношение между количеством состоящих из антенн 3 и приемников 4 комбинированных устройств и количеством диодов 6 может составлять не менее 1:5, например, не менее 1:10, прежде всего не менее 1:20, и/или соотношение между количеством устройств 5 для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и количеством диодов 6 для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра может составлять примерно 1:1.

Еще одним объектом настоящего изобретения является многоспектральная система формирования изображений и/или спектроскопическая система с предлагаемым в изобретении датчиком 1 в качестве детектора и с источником излучения терагерцового диапазона. Датчик 1 и источник излучения терагерцового диапазона могут при этом располагаться относительно исследуемого объекта не только таким образом, что датчик 1 детектирует прошедшее сквозь просвечиваемый объект излучение, но и таким образом, что датчик 1 детектирует отраженное от объекта и/или рассеянное им излучение. Следовательно, источник излучения терагерцового диапазона, датчик 1 и исследуемый объект могут располагаться друг относительно друга вдоль одной оси при расположении при этом исследуемого объекта между источником излучения терагерцового диапазона и датчиком, а также могут располагаться друг относительно друга не вдоль одной оси.

Преимущество предлагаемой в изобретении системы состоит в возможности проведения спектроскопии в режиме реального времени и в терагерцовом диапазоне, а также в возможности детектирования излучения в терагерцовом диапазоне, а также в инфракрасном диапазоне и диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра с формированием изображений.

Помимо этого объектом настоящего изобретения является способ обнаружения и/или исследования живых организмов, прежде всего людей и животных, предметов и материалов с применением предлагаемой в изобретении системы. Подобный способ может быть, прежде всего, основан на частотной спектроскопии. В предпочтительном варианте при осуществлении предлагаемого в изобретении способа источник излучения терагерцового диапазона излучает в узкой полосе частот терагерцового диапазона, ширина которой составляет, например, от примерно не менее 20 до примерно не более 200 ТГц, прежде всего от примерно не менее 60 до примерно не более 100 ТГц, и положение которой изменяют в пределах широкого частотного диапазона, например в пределах от примерно не менее 0,3 до примерно не более 20 ТГц, в частности от не менее 0,3, или от не менее 0,5, или от не менее 1 до не более 3, или до не более 5, или до не более 10 ТГц, при этом предлагаемым в изобретении датчиком 1 детектируют, прежде всего измеряют, прошедшее, отраженное и/или рассеянное излучение. Результаты измерения, полученные предлагаемым в изобретении датчиком 1, можно при этом выводить на устройство вывода, например на дисплей, экран или принтер.

Еще одним объектом настоящего изобретения является применение предлагаемого в изобретении датчика 1, предлагаемой в изобретении системы и/или предлагаемого в изобретении способа в области контроля/безопасности, транспортной области, производственной области, области наук о живой природе и/или области здравоохранения. Объектом настоящего изобретения является, прежде всего, применение предлагаемого в изобретении датчика 1, предлагаемой в изобретении системы и/или предлагаемого в изобретении способа для обнаружения и/или исследования живых организмов, прежде всего людей и животных, предметов и материалов, прежде всего взрывчатых веществ, например, при пограничном контроле безопасности, на объектах транзитного сообщения, таких как аэропорты и вокзалы, на транспортных средствах, таких как поезда, автобусы, самолеты и/или суда, и/или на массовых мероприятиях, для защиты от несанкционированного проникновения в здания, помещения и средства передвижения, в медицинских целях и/или для неразрушающего контроля изделий, прежде всего изделий из пластмассы.

Изобретение относится к многоспектральному датчику (1), имеющему подложку (2) с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник и с микросхемой, по меньшей мере одно состоящее из антенны (3) и приемника (4) комбинированное устройство для детектирования излучения терагерцового диапазона, по меньшей мере еще один болометр (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и по меньшей мере один диод (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра. Изобретение обеспечивает расширение спектрального диапазона измерений. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоспектральный датчик (1), имеющий подложку (2) с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник и с микросхемой и по меньшей мере одно состоящее из антенны (3) и приемника (4) комбинированное устройство для детектирования излучения терагерцового диапазона, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере одно устройство (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и по меньшей мере один диод (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, при этом одно или несколько таких устройств (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и/или один или несколько таких диодов (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра расположено под антенной(-ами) (3) состоящего(-их) из нее(них) и приемника(-ов) (4) комбинированного(-ых) устройства(устройств).

2. Датчик (1) по п.1, отличающийся тем, что состоящее из антенны (3) и приемника (4) комбинированное устройство представляет собой состоящее из антенны и болометра комбинированное устройство или состоящее из антенны и диода комбинированное устройство, прежде всего состоящее из антенны и болометра, из антенны и диода Шотки или из антенны и диода со структурой металл-диэлектрик-металл комбинированное устройство, и/или устройство (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра представляет собой болометр или диод со структурой металл-диэлектрик-металл.

3. Датчик (1) по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере два разных состоящих из антенн (3) и приемников (4) комбинированных устройства, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах, и/или по меньшей мере два разных устройства (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах, и/или по меньшей мере два разных диода (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, рассчитанных на детектирование излучения в разных разнесенных друг от друга или граничащих друг с другом либо перекрывающихся между собой частотных диапазонах.

4. Датчик (1) по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере два разных состоящих из антенн (3) и приемников (4) комбинированных устройства, выполненных таким образом, что терагерцовый диапазон подразделяется на по меньшей мере два поддиапазона, каждый из которых соотнесен соответственно с одним из состоящих из антенн (3) и приемников (4) комбинированных устройств.

5. Датчик (1) по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере два состоящих из антенн (3) и приемников (4) комбинированных устройства с антеннами разного конструктивного исполнения.

6. Датчик (1) по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере два разных состоящих из антенн (3) и приемников (4) комбинированных устройства, рассчитанных на детектирование излучения в предпочтительно детектируемых полосах частот терагерцового диапазона.

7. Датчик (1) по п.1, отличающийся тем, что он имеет множество состоящих из антенн (3) и приемников (4) комбинированных устройств, устройств (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диодов (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра, при этом состоящие из антенн (3) и приемников (4) комбинированные устройства, устройства (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра расположены в виде растра.

8. Датчик (1) по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что состоящие из антенн (3) и приемников (4) комбинированные устройства, устройства (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра расположены на нем в виде пикселей растра размером по меньшей мере 20×20 пикселей, например по меньшей мере 50×50 пикселей, прежде всего по меньшей мере 100×100 пикселей.

9. Датчик (1) по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что состоящие из антенн (3) и приемников (4) комбинированные устройства, устройства (5) для детектирования излучения средней инфракрасной области спектра и диоды (6) для детектирования излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра расположены на нем по симметричной схеме.

10. Датчик (1) по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что антенна(-ы) (3) имеет(-ют) металлический слой, и/или полупроводниковый слой, и/или слой из одного или нескольких электропроводных полимеров, и/или слой на основе углеродных нанотрубок, проницаемые/проницаемый для излучения в диапазоне от видимой до ближней инфракрасной областей спектра и/или излучения средней инфракрасной области спектра.

11. Датчик (1) по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что антенна(-ы) (3) расположена(-ы) на одной или нескольких подложках из не обладающего гальванической проводимостью материала.

12. Датчик (1) по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что он имеет многоспектральную оптику, преимущественно отражательную оптику, и/или электронные схемы обработки.

13. Многоспектральная система формирования изображений и/или спектроскопическая система с датчиком по одному из пп.1-12 и источником излучения терагерцового диапазона.

14. Способ обнаружения и/или исследования живых организмов, прежде всего людей и животных, предметов и материалов с применением системы по п.13, в которой источник излучения терагерцового диапазона излучает в узкой полосе частот терагерцового диапазона, положение которой изменяют в пределах широкого частотного диапазона, при этом датчиком (1) по одному из пп.1-12 детектируют прошедшее, отраженное и/или рассеянное излучение.