Спектрально-селективный поглотитель инфракрасного излучения и микроболометрический детектор на его основе Российский патент 2019 года по МПК G01J5/20 G02B5/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к средней и дальней инфракрасной (ИК) оптоэлектронной и оптической технике, преимущественно к ИК. детекторам на основе микроболометрических матриц, и может использоваться для регистрации изображений на селективных длинах волн ИК спектра и спектроскопической регистрации конкретных веществ, имеющих линию поглощения в ИК. диапазоне.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Поглотители инфракрасного излучения являются одним из ключевых элементов детекторов инфракрасного излучения.

В ИК диапазоне известны широкополосные высокоэффективные поглощающие покрытия, обычно содержащие разные виды сажи или черни из проводящих химически инертных материалов (углерода, платины, золота и т.д.), например, описанные в патенте RU 2503103, опубл. 27.09.1995. Однако покрытия обладают значительной толщиной и соответственно теплоемкостью, что снижает чувствительность и быстродействие приемников излучения на их основе. Электронные характеристики этих материалов слабо зависят от температуры, вследствие чего такие поглотители инфракрасного излучения практически не используют в болометрах и пироэлектрических приемниках.

Спектральной селективностью обладают резонансно поглощающие оптические пленочные структуры, в которых используется интерференция электромагнитных волн, отраженных от разных слоев плоскопараллельного резонатора. Так, из патента RU 2583345, опубл. 27.10.2015 известен тонкопленочный, с толщиной мене 2 мкм, спектрально-селективный поглотитель ИК излучения, содержащий плоскопараллельный резонатор с передним зеркалом в виде полуметаллической либо полупроводниковой пленки, служащей поглощающим слоем, задним зеркалом в виде полностью отражающей металлической пленки и расположенной между ними диэлектрической пленки. Материалы и толщины поглотителя оптимизированы для. максимально эффективного приема теплового излучения. Однако пики поглощения нескольких порядков интерференции достаточно широки, и такой поглотитель не обладает высоким спектральным разрешением.

Для достижения высокой спектральной селективности известно, например, из патентной заявки ЕР 693683, опубл. 24.01.1996, использование микроэлектромеханической системы (МЭМС) с пироэлектрическим поглотителем инфракрасного излучения, перед которым установлен оптический фильтр в виде резонатора Фабри-Перо. Регулирование зазора между зеркалами резонатора осуществляется электростатическим полем. Управляющее напряжение подается между передним зеркалом в виде металлической пленки и электродом на кремниевой подложке, содержащей схему считывания и управления. Данное устройство обладает высокой спектральной селективностью, однако наряду с узкополосным, излучением оптический фильтр в виде резонатора Фабри-Перо пропускает большую долю энергии ИК излучения вне области спектральной дисперсии резонатора. Это требует дополнительной фильтрации излучения с помощью полосового фильтра, что усложняет устройство и уменьшает область спектральной перестройки.

Благодаря высокой чувствительности, быстродействию и невысокой стоимости наиболее распространенными детекторами для регистрации ИК излучения являются болометры и микроболометры. Детектирующий элемент болометра состоит из термочувствительного слоя, материал которого, обычно это оксид ванадия или аморфный кремний, имеет высокую чувствительность к изменению температуры. Термочувствительный слой, находящийся в хорошем тепловом контакте с поглотителем ИК излучения, предназначен для регистрирации изменения его электрического сопротивления под воздействием температуры, определяемой поглощенной энергией.

Микроболометры представляют собой болометры в миниатюрном исполнении обычно с использованием технологии МЭМС. Микроболометр содержит болометрическую матрицу из множества единичных детектирующих элементов или пикселей. Матрицу обычно располагают в фокальной плоскости оптического прибора. Режим регистрации излучения основан на накоплении тепла в объеме термочувствительного слоя детектирующего элемента под воздействием излучения за время кадра. С этой целью термочувствительный слой пикселя максимально теплоизолируют, для чего он размещается на поверхности тонкой теплоизолированной мембраны обычно, из нитрида кремния (Si₃N₄).

В инфракрасном микроболометрическом детекторе, известном из патента РФ 2572524, опубл. 10.02.2016, каждый пиксель включает в себя поглотитель ИК излучения в виде плоскопараллельного резонатора с передним зеркалом в виде металлической пленки, находящейся в тепловом контакте с термочувствительным слоем, расположенном на теплоизолированной мембране. Термочувствительный слой из окиси ванадия электрически изолирован тонким слоем нитрида кремния от переднего зеркала, выполненного из тантала. Заднее зеркало резонатора из металла (золота), имеющее высокий коэффициент отражения R в широком спектральном диапазоне, расположено на кремниевой подложке со сформированными схемой управления и считывания показаний пикселей. Мембрана из нитрида кремния подвешена с зазором от 1,0 до 2,8 мкм относительно подложки и заднего металлического зеркала резонатора с помощью поддерживающей структуры, сформированной в кремниевой подложке. ИК излучение абсорбируется в тонкой (3-20 нм) металлической пленке, служащей передним зеркалом резонатора. Поглотитель инфракрасного излучения; имеет широкий пик поглощения с максимумом в диапазоне 8-9 мкм и пик поглощения следующего порядка интерференции в диапазоне 3-5 мкм.

Микроболометр характеризуется высокими чувствительностью, разрешением и быстродействием, однако структура поглотителя не позволяет детектировать ИК излучение с высокой спектральной селективностью.

Спектральная селективность микроболометра может быть улучшена при использовании материалов со структурно-зависимой поглотительной способностью или метаматериалов, J.J. Talghader, A.S. Gawarikar, R.P. Shea. Review. Spectral selectivity in infrared thermal detection//Science & Applications (2012). В такой конструкции поглотитель инфракрасного излучения содержит плоскопараллельный резонатор с передним зеркалом в виде металлической пленки, отделенной от полностью отражающего зеркала тонким слоем диэлектрика. Металлическая: пленка переднего зеркала имеет латеральную субволновую структуру, при этом ее форма и размер, а также толщина диэлектрика определяют местоположение резонанса поглощения. В результате с использованием метаматериала достигается достаточно узкая полоса поглощения.

Однако изготовление таких структур усложняет конструкцию микроболометра, кроме того, отсутствует возможность его спектральной перестройки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, относится к созданию узкополосных поглотителей среднего и дальнего ИК излучения и детекторов ИК излучения на их основе, характеризующихся высокой спектральной селективностью и возможностью спектральной перестройки.

Решение достигается за; счет использования спектрально-селективного поглотителя ИК излучения, содержащего плоскопараллельный резонатор с передним зеркалом в виде металлической пленки, служащей поглощающим слоем, характеризующегося тем, что заднее зеркало резонатора выполнено из полярного диэлектрика с высоким, достигающим не менее 95%, значением коэффициента отражения в полосе остаточных лучей (англ. - Reststrahlen band).

В вариантах изобретения заднее зеркало резонатора выполнено из материала, относящегося к группе: карбид кремния (SiC) характеризующегося полосой остаточных лучей от λ_ТО ≈ 10,3 мкм до λ_LO ≈ 12,6 мкм, оксид алюминия Al₂O₃ с λ_TO ≈ 11,0 мкм и λ_LO ≈ 15,8 мкм, оксид цинка ZnO с λ_TO ≈ 20,8 мкм и λ_LO ≈ 22,8 мкм, фосфид галлия (GaP) с λ_TO ≈ 17,0 мкм и λ_LO ≈ 24,4 мкм,: фторид бария (BaF₂) с λ_TO ≈ 41,1 мкм и λ_LO ≈ 45,7 мкм, где λ_LO и λ_TO - продольная и поперечная длины волн оптических фононов в материале.

Предпочтительно, переднее зеркало резонатора выполнено из материала, относящегося к группе металлов с высоким удельным сопротивлением: хром (Cr), тантал (Та), титан (Ti), - или их сплавов, например, нихром (NiCr), фторид титана (TiF), нитрид титана (TiN), сплав титан- вольфрам (TiW).

Предпочтительно, между передним и задним зеркалами резонатора имеется воздушный либо вакуумный зазор.

В вариантах изобретения переднее зеркало резонатора может быть установлено с возможностью его управляемого микроперемещения относительно заднего зеркала резонатора.

Предпочтительно расстояние D между зеркалами резонатора четвертьволновое: D≈λ/4n, где λ - длина волны в полосе длин волн остаточных лучей: λ_LO<λ<λ_TO; n - показатель преломления среды между зеркалами резонатора.

В вариантах изобретения поглотитель ИК излучения входит в состав болометрического детектора,: включающего в себя мембрану с термочувствительным слоем, находящимся в тепловом контакте с передним зеркалом резонатора.

В другом аспекте изобретение относится к микроболометрическому детектору, содержащему матрицу пикселей, каждый из которых включает в себя поглотитель ИК излучения в виде плоскопараллельного резонатора с передним зеркалом в виде металлической пленки, находящейся в тепловом контакте с термочувствительным слоем, расположенном на мембране; кремниевую подложку со сформированными в ней структурой поддержки мембран, схемой управления и считывания показаний пикселей

Микроболометрический детектор характеризуется тем, что заднее зеркало резонатора выполнено из полярного диэлектрика с высоким, достигающим не менее 95% значением коэффициента отражения в полосе остаточных лучей.

Предпочтительно мембрана. с передним зеркалом установлена на поддерживающей структуре с возможностью управляемого микроперемещения относительно заднего зеркала, неподвижно размещенного на кремниевой подложке.

В вариантах изобретения освещение матрицы пикселей осуществляется через, по меньшей: мере, один отражательный ИК фильтр, выполненный из того же материала,- что и заднее зеркало.

Техническими результатами изобретения является создание узкополосных поглотителей среднего и дальнего ИК излучения и упрощение за счет их применения конструкции детекторов ИК излучения, в частности, микроболометров, характеризующихся высокой спектральной селективностью и возможностью спектральной перестройки.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существуют следующие причинно-следственные связи.

За счет выполнения заднего зеркала резонатора из полярного диэлектрика, с высоким значением коэффициента отражения. R в полосе остаточных лучей обеспечивается поглощение ИК излучения в узком спектральном диапазоне длин волн. Достигается высокая спектральная селективность поглотителя ИК излучения без усложнения консрукции поглощающей структуры. Устраняются или значительно подавляются, пики резонасного поглощения второго и более высоких порядков интерференции.

Выполнение заднего зеркала резонатора из полярного диэлектрика, относящегося к группе SiC, Al₂O₃, ZnO, GaP, BaF₂, характеризующихся высокими значениями коэффициента отражения R≈1 в различных областях ИК спектра, позволяет выбирать поглотитель с высокой спектральной селективностью на селективных длинах волн в широком (от 10 до 46 мкм) диапазоне ИК спектра.

Выполнение зеркала резонатора из металла, относящегося к группе: хром (Cr), тантал (Та), титан (Ti), и их сплавов, например, NiCr, TiF, TiN позволяет достигнуть практически полного поглощения излучения, А≈1, структурой при оптимизированных толщинах поглощающего слоя 10-100 нм.

Наличие между зеркалами резонатора зазора, заполненного непоглощающей диэлектрической средой, в том числе вакуумоим или воздухом, позволяет достигнуть в нем деструктивной интерференции волн, отраженных от переднего; и заднего зеркал резонатора, что обеспечивает полное поглощение излучения структурой. Также обеспечивается возможность управляемого микроперемещения переднего зеркала резонатора относительно заднего зеркала резонатора. Это позволяет осуществлять перестройку узкой полосы поглощения по длинам волн.

При четвертьволновом расстоянии между зеркалами резонатора, D≈λ/4n, происходит деструктивная интерференция отраженных волн, что приводит к полному поглощению излучения на заданной длине волны за счет того, что отраженная вролна подавлена полностью диструктивной интерференцией, а заднее зеркало не поглощает.

Использование предложенного поглотителя ИК излучения в болометрическом детекторе позволяет регистрировать ИК излучение с высокой спектральной селективностью.

Выполнение в каждом пикселе микроболометрического детектора заднего зеркала резонатора из полярного диэлектрика с высоким, достигающим не менее 95%, значением коэффициента отражения в полосе остаточных лучей позволяет в несколько раз уменьшить ширину линии поглощения на заданной длине волны по сравнению с известным использованием металлических; широкополосных отражателей. Это обеспечивает высокую спектральную селективность микроболометра.

Возможность управляемого микроперемещения переднего зеркала относительно заднего зеркала, неподвижно размещенного на кремниевой подложке, делает микроболометрический детектор сканирующим, что позволяет регистрировать излучение на любой длине волны из заданного спектрального диапазона.

Освещение матрицы пикселей, по меньшей мере, через один отражательный ИК фильтр, выполненный из того же материала, что и заднее зеркало резонатора уменьшает интегральное поглощение излучения вне полосы регистрируемых длин волн, что снижает шумы и улучшает спектральную чувствительность микроболометрического детектора.

Вышеупомянутые и другие особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Существо изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схематичное изображение структуры спектрально-селективного поглотителя ИК излучения,

Фиг. 2 - спектральная зависимость коэффициент отражения задненего SiC- зеркала,

Фиг. 3- сравнительные характеристики поглотителя ИК излучения с задним зеркалом из полярного диэлектрика SiC и из металла Cu,

На Фиг. 4 - спектры отражения бинарных соединений элементов III и V групп периодической системы,

Фиг. 5 - схематичное изображение поглотителя ИК излучения в сотаве болометрического детектора,

Фиг. 6 - схематичное изображение пикселя микроболометра с поглотителем ИК излучения, выполненным в соответствии с настоящим изобретением.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.

Данные чертежи не охватывает и, тем более, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит: для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с примером осуществления изобретения, иллюстрируемым Фиг. 1, спектрально- селективный поглотитель ИК излучения содержит плоскопараллельный резонатор с передним зеркалом 1 в виде тонкой (толщиной в диапазоне от 5 до 100 нм) металлической пленки, служащей поглощающим слоем. Заднее зеркало 2 резонатора выполнено из полярного диэлектрика с высоким, достигающим не менее 95%, значениием коэффициента отражения в полосе остаточных лучей. Зазор 3 между передним и задним зеркалами резонатора 1, 2 заполнен непоглощающей для области детектирования средой, которая может быть вакуумом или воздухом, либо быть, по меньшей мере, одним слоем диэлектрика либо полупроводника.

Работа поглотителя ИК излучения, выполненного в указанном виде, осуществляется следующим образом. Волна, прошедшая сквозь переднее зеркало в виде металлической пленки 1, зазор 3 и отраженная от заднего зеркала 2, возвращается назад и, пройдя сквозь переднее зеркало 1, попадает точно в противофазе с волной, отраженной от поверхности переднего зеркала 1. Нулевое резонансное отражение и полное поглощение происходит, когда амплитуды этих волн одинаковы. Для определенной частоты излучения резонансу соответствует набор толщин металлической пленки 1 и зазора 3, для которых набег фазы волны отличается на число, кратное 2п. Наименьшую добротность резонанса имеет структура с наименьшей толщиной зазора 3, которой соответствует первый резонанс, рассматриваемый далее. Резонансу поглощения соответствует единственная пара значений толщины d₁. металлической пленки 1 и величины D зазора 3 между передним и задним зеркалами 1 и 2. С помощью заднего зеркала 2, выполненного из полярного диэлектрика, осуществляется фильтрация отражаемого ИК излучения. При этом в металлической пленке 1 обеспечивается поглощение энергии ИК излучения узкого спектрального диапазоне около длины волны λ, находящейся в полосе длин волн остаточных лучей: λ_LO<λ<λ_TO, где λ_LO и λ_TO - продольная и поперечная длины волн оптических фононов кристалла полярного диэлектрика, из которого выполнено заднее зеркало 3 резонатора.

Примером полярного диэлектрика может служить карбид кремния - SiC, для которого на Фиг. 2 показан расчетный спектр отражения для нормально падающего излучения на границе вакуум - SiC в диапазоне волновых чисел k=(600-1200) см^-1. В полосе остаточных лучей k=(796.8-972) см^-1 или от λ_TO ≈ 8 мкм до λ_LO ≈ 10,5 мкм значение коэффицента отражения составляет R=98,2%. Вне полосы остаточных лучей происходит резкое уменьшение коэффициента отражения, которое при k=1000 см^-1 достигает нулевого значения.

Как и в поглотителях ИК излучения, использующих широкополосно отражающее заднее зеркала из; металла, поглощающая структура, иллюстрируемая Фиг. 1, наиболее- эффективна при следующих условиях, известных, например, из работы Parsons A.D., Pedder D.J. Thin-film absorber structures for advanced thermal detectors. J. Vac. Technol. A 6 (3), 1986, 1686-1689. Во- первых, расстояние D между зеркалами 1, 2 резонатора должно быть близким к четверть волновому: D ≈ λ/4n, где λ - центральная длина волны в полосе отражения заднего зеркала, n - показатель преломления среды между зеркалами резонатора, в вариантах реализации изобретения λ_LO<λ<λ_TO. Во-вторых, слоевое сопротивление R₁=1/(σ₁⋅d₁) металлической пленки 1 должно быть близко к волновому сопротивлению Z₀ свободного пространства, составляющим Z₀=377 Ом на квадрат: R₁=Z₀. Чтобы толщина d₁ металлической пленки 1 была не слишком мала, больше нескольких единиц нанометров, необходимо использовать металлы с низкой проводимостью σ₁, такие как Cr, Та, Ti, или их сплавы, например, NiCr, TiN, TiF, TiW и др.

При удовлетворении указанных условий на Фиг. 3 показан рассчитанный спектр поглощенияя в тонкой металлической пленке из сплава NiCr в диапазоне k=(500-4500) см^-1 при использовании в качестве материала заднего зеркала полярного диэлектрика SiC. Для сравнения пунктиром также показан спектр поглощения при использовании в качестве материала заднего зеркала меди (Cu). Толщина слоев d₁ выбирались согласно минимизации коэффициента отражения R для подложки из SiC и Cu на длине волны k=875 см^-1. В случае SiC d₁=5.93 нм, D=0,9 мкм; для Cu d₁=6.09 нм, D=1.4 мкм. Из Фиг. 3 видно, что пик поглощения для заднего зеркала из SiC в 4,5 раза уже, чем для известных аналогов с металлическим полностью отражающим зеркалом, в частности, из Cu. Интегральное поглощение излучения определяется площадью под графиком спектра поглащения на Фиг. 3, откуда следует, что сумарное поглащение в переднем зеркале в несколько раз меньше для поглотителя с задним зеркалом из полярного диэлектрика SiC.

Помимо карбида кремния в качестве материала заднего зеркала могут использоваться полярные диэлектрики с высоким значениием коэффициента отражения в в различных полосах остаточных лучей, например, оксид алюминия Al₂O₃ с полосой остаточных лучей от λ_TO ≈ 11,0 мкм и λ_LO ≈ 15,8 мкм, оксид цинка ZnO с λ_TO ≈ 20,8 мкм и λ_LO ≈ 22,8 мкм, фосфид галлия (GaP) с λ_TO ≈ 17,0 мкм и λ_LO ≈ 24,4 мкм, фторид бария (BaF₂) с λ_TO ≈ 41,1 мкм и λ_LO ≈ 45,7 мкм.

Группа этих материалов не является ограничивающей. Так, не только указанный выше фосфид галлия GaP, но и другие бинарные соединения элементов III и V групп периодической системы, спектры отражения которых представлены на Фиг. 4, могут быть использованы в качестве материала, заднего зеркала. К ним относятся GaN, InP, GaAs, GaSb, характеризующиеся высокими.: значениями коэффициента отражения в полосе остаточных лучей.

Таким образом, выбор соответствующего материала заднего зеркала резонатора позволяет обеспечить высокое, R≈1, значение коэффициента отражения в полосе остаточных лучей и высокую спектральную селективность поглотителя ИК. излучения, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, практически для любой длины волны излучения в диапазоне от 10 до 50 мкм.

В вариантах реализации изобретения в поглотителе ИК излучения, Фиг. 1, переднее зеркало резонатора 1 установлено с возможностью его управляемого микроперемещения относительно заднего зеркала резонатора. За счет этого достигается спетральная перестройка линии поглощения в полосе остаточных лучей, которая может варьироваться за счет выбора материала заднего зеркала.

На Фиг. 5 представлен поглотитель ИК излучения в составе болометрического детектора. Детектор включает в себя в себя мембрану 4 с расположенными на ней термочувствительным слоем 5, и металлической пленкой 1, служащей передним зеркалом резонатора. Термочувствительный слой 5 находится в хорошем тепловом контакте с передним зеркалом 1 резонатора. В предпочтительных вариантах изобретения для того, чтобы не закорачивать сопротивление термочувствительного слоя 5 он электрически изолированн от переднего зеркала 1 тонким изоляционным слоем 6, например, из Si₃N₄. Мембрана 4 подвешена с вакуумным зазором 3 над задним зеркалом 2 с помощью поддерживающей структуры 7 из: Si₃N₄, обеспечивающей необходимую теплоизоляцию мембраны. Мембрана 4 и поддерживаюшщая структура 7 предпочтительно выполнены из Si₃N₄, имеющуего низкие теплоемкость и теплопроводность. Заднее зеркало резонатора 2 расположено на кремниевой подложке 8 со сформированной в ней схемой считывания показаний термочувствительного слоя 5, выполненного предпочтительно из аморфного кремния (α-Si) или оксида ванадия (VO_x). Схема считывания соединена с термочуыствительным слоем 5 токопроводящими шинами 9, напыленными, в том числе, на поддерживающую структуру 7. Работа микроболометра происходит аналогично работе микроболометра, как описано ниже.

Микроболометрический детектор содержит матрицу идентичных пикселей. Каждый пиксель, схематично показанный на Фиг. 6, включает в себя поглотитель ИК излучения в виде плоскопараллельного резонатора с передним зеркалом 1 в виде металлической пленки, находящейся в тепловом контакте с термочувствительным слоем 5, расположенном на мембране 4; кремниевую подложку 8 со сформированными в ней структурой 7 поддержки мембран и схемой управления и считывания показаний пикселей. Теплоизоляция мембраны обеспечивается поддерживающей структурой 7 предпочтительно выполненной в виде двух тонких ножек, играющих роль тепловой «развязки» и имеющих сложную Z-образную либо змеевидную или миандровую форму. Электрические контакты 9 предпочтительно выполнены из тонкого слоя хрома, имеющего низкую теплопроовдность. Для предотвращения потерь тепла за счет теплопроводности окружающего газа массив пикселей вакуумируется и герметизируется в корпусе, который имеет окно для ввода ИК излучения. В соответствии с изобретением заднее зеркало 2 резонатора выполнено из полярного диэлектрика с высоким, достигающим не менее 95%, значениием коэффициента отражения в полосе остаточных лучей, что обеспечивает высокую спектральную селективность микроболометра..

Микроболометрический детектор работает следующим образом. ИК излучение попадет на матрицу микроболометра, как правило, через инфракрасную оптику, например, из германия. В каждом пикселе падающее ИК излучение резонансно поглощается, как было описано выше, тонкой металлической пленкой 1, служащей передним зеркалом 1 резонатора, что приводит к нагреву мембраны 4 с термочувствительным слоем 5 и изоляционным слоем 6. При увеличении температуры сопротивление термочувствительного слоя 5 уменьшается и его сопротивление фиксируется через электрические контакты 9 схемой считывания в подложке 8. После считывания и предвариательной обработки сигналы с каждого пикселя поступают на схему (не показана) электронной обработки сигналов, генерируемых пикселями. В результате определяется интенсивность потока излучения, поступающего на каждый пиксель. При прерывании ИК излучения мембрана 4 с металлическим, изоляционным и термрмочувствительным слоями 1,.5, 6 охлаждается за. счет отвода тепла через ножки поддерживающей структуры 7. Быстродействие микроболометра может достигать ~ 100 кадров/с.

В вариантах реализации изобретения мембрана 4 с передним зеркалом 1 в виде металлической пленки установлена на. поддерживающей структуре 7 с возможностью управляемого микроперемещения относительно заднего зеркала 2, неподвижно размещенного на кремниевой подложке 8. Для этого используют электростатическое поле между токопроводящими шинами 9 и управляющим электродом 10. Управляющий электрод 10 соединен со схемой управления и считывания показаний пикселей и изолирован от подложки 8 изоляционным слоем 11. В этом варианте реализации изобретения осуществляют спектральную перестройку микроболометра, характеризующегося высокой спектральной селективностью.

Из анализа спектров отражения и поглощения полярного диэлектрика, показанных на Фиг. 2 и Фиг. 3, следует, что поглощение ИК излучения вне полосы остаточных лучей может быть минимизировано в варианте реализации микроболометра, освещаемого, по меньшей мере, через один отражательный ИК фильтр, выполненный из того же материала, что и. заднее зеркало резонатора. В этом варианте за счет фильтрации излучения вне пика резонансного поглощения снижаются шумы и повышается спектральная чувствительность микроболометрического детектора.

Таким образом настоящие изобретения позволяют создать узкополосные поглотители ИК излучения и болометрические детекторы ИК излучения на их основе с высокой спектральной селективностью и возможностью спектральной перестройки.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предложенные устройства предназначены для функционирования в болометрических приемниках среднего и дальнего ИК излучения, имеющих широкий круг применений в таких областях как ИК спектроскопия, системы наблюдения и автоматического контроля, промышленная термография, неразрушающий контроль состояния энергетического оборудования и его диагностика, выявление локальных областей температурных аномалий, изучение элементов городской инфраструктуры в процессе их профилактического обслуживания, автомобильные системы видеонаблюдения с круговым обозрением, системы технического зрения, системы визуализации терагерцового излучения, термография в медицинских приложениях, включая диагностику воспалительных, сосудистых и опухолевых заболеваний, дистанционное выявление в людских потоках людей, зараженных высокопатогенными вирусами. В военной сфере предложенные устройства могут применяться для. защиты стратегических объектов и охране границ, для устройств ночного видения, тепловизионных прицелов, для управления безпилотных летательных аппаратов, транспортных средств и роботов.

Изобретение относится к области оптоэлектронного приборостроения и касается спектрально-селективного поглотителя ИК излучения и микроболометрического детектора. Поглотитель включает в себя плоскопараллельный резонатор с передним и задним зеркалами. Переднее зеркало выполнено в виде металлической пленки, служащей поглощающим слоем. Заднее зеркало выполнено из полярного диэлектрика с высоким, более 95 %, коэффициентом отражения в полосе остаточных лучей. Микроболометрический детектор содержит матрицу пикселей, каждый из которых включает в себя поглотитель ИК излучения, мембрану с термочувствительным слоем, имеющим тепловой контакт с передним зеркалом поглотителя и кремниевую подложку со сформированными в ней структурой поддержки мембран и схемой управления и считывания показаний пикселей. Технический результат заключается в упрощении конструкции поглотителя, повышении спектральной селективности и обеспечении возможности спектральной перестройки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Спектрально-селективный поглотитель инфракрасного (ИК) излучения, содержащий плоскопараллельный резонатор с передним зеркалом в виде металлической пленки, служащей поглощающим слоем, отличающийся тем, что заднее зеркало резонатора выполнено из полярного диэлектрика с высоким, достигающим не менее 95 %, значением коэффициента отражения в полосе остаточных лучей.

2. Поглотитель по п. 1, отличающийся тем, что заднее зеркало резонатора выполнено из материала, относящегося к группе: карбид кремния (SiC), характеризующийся полосой остаточных лучей от _TO ≈ 10,3 мкм до _LO ≈ 12,6 мкм, оксид алюминия Al₂O₃ с _TO ≈ 11,0 мкм и _LO ≈ 15,8 мкм, оксид цинка ZnO с _TO ≈ 20,8 мкм и _LO ≈ 22,8 мкм, фосфид галлия (GaP) с _TO ≈ 17,0 мкм и _LO ≈ 24,4 мкм, фторид бария (BaF₂) с _TO ≈ 41,1 мкм и _LO ≈ 45,7 мкм, где _LO и _TO – продольная и поперечная длины волн оптических фононов в материале.

3. Поглотитель по п. 1, отличающийся тем, что переднее зеркало резонатора выполнено из материала, относящегося к группе металлов с высоким удельным сопротивлением: хром (Cr), тантал (Ta), титан (Ti), - или их сплавов, например, нихром (NiCr), фторид титана (TiF), нитрид титана (TiN), сплав титан-вольфрам (TiW).

4. Поглотитель по п. 1, отличающийся тем, что между передним и задним зеркалами резонатора имеется воздушный либо вакуумный зазор.

5. Поглотитель по п. 4, отличающийся тем, что переднее зеркало резонатора установлено с возможностью его управляемого микроперемещения относительно заднего зеркала резонатора.

6. Поглотитель по п. 1, отличающийся тем, что расстояние D между зеркалами резонатора четвертьволновое: D ≈ /4n, где - длина волны в полосе длин волн остаточных лучей: _LO <  < _TO; n- показатель преломления среды между зеркалами резонатора.

7. Поглотитель по п. 1, отличающийся тем, что входит в состав болометрического детектора, включающего в себя мембрану с термочувствительным слоем, находящимся в тепловом контакте с передним зеркалом резонатора.

8. Микроболометрический детектор, содержащий матрицу пикселей, каждый из которых включает в себя поглотитель ИК излучения в виде плоскопараллельного резонатора с передним зеркалом в виде металлической пленки, находящейся в тепловом контакте с термочувствительным слоем, расположенным на мембране; кремниевую подложку со сформированными в ней структурой поддержки мембран, схемой управления и считывания показаний пикселей, характеризующийся тем, что заднее зеркало резонатора выполнено из полярного диэлектрика с высоким, достигающим не менее 95 %, значением коэффициента отражения в полосе остаточных лучей.

9. Микроболометрический детектор по п. 8, отличающийся тем, что мембрана с передним зеркалом установлена на поддерживающей структуре с возможностью управляемого микроперемещения относительно заднего зеркала, неподвижно размещенного на кремниевой подложке.

10. Микроболометрический детектор по п. 8, отличающийся тем, что освещение матрицы пикселей осуществляется через по меньшей мере один отражательный ИК фильтр, выполненный из того же материала, что и заднее зеркало.