БОЛОМЕТР, ТЕПЛОВОЙ ДАТЧИК, ТЕПЛОВИЗОР, СПОСОБ РАБОТЫ БОЛОМЕТРА, СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДАТЧИКА Российский патент 2022 года по МПК G01J5/20 H01L27/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к тепловому датчику, а именно к съемке тепловых изображений.

Описание предшествующего уровня техники

Традиционные датчики изображения ИК диапазона (тепловые сенсоры), доступные на рынке, используют традиционное электронное считывание сигнала, то есть данные получают посредством измерения тока или напряжения. Основные требования, предъявляемые к подобным устройствам - это высокая чувствительность, малый размер болометра и совместимость с технологией КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Известные из уровня техники датчики, совместимые с КМОП, имеют более низкую чувствительность, чем несовместимые с КМОП аналоги. Их чувствительность ограничена шумом Джонсона и может быть снижена только за счет охлаждения датчика. Снижение затрат на изготовление таких датчиков может быть достигнуто с помощью технологий СБИС (сверхбольших интегральных схем), для которых требуется конструкция, совместимая с КМОП.

Из уровня техники известны неохлаждаемые микроболометры с электронным считыванием (например, документ US 8610070 В2, дата публикации 17.12.2013). В таких устройствах ИК излучение нагревает чувствительный элемент болометра, подвешенный на термоизоляционных ножках, и изменяет его электрическое сопротивление, которое регистрируется электронной схемой считывания.

Из уровня техники известны фотонные микроболометры (документ US 7667200 B1, дата публикации 23.02.2010). В таких устройствах ИК излучение нагревает оптический микрорезонатор (MR), удерживаемый на теплоизолирующей вертикальной ножке, и за счет термо-оптического эффекта сдвигает его резонансную частоту; изменение резонансной частоты, пропорциональное изменению температуры микрорезонатора, определяется с помощью фотонного считывания: сдвиг резонанса приводит к изменению оптического пропускания, связанного с микрорезонатором волновода. Решение, раскрытое в документе US 7667200 B1, может быть принято за прототип. Недостатками известного решения являются несовместимость конструкции как одиночного фотонного датчика с одним волноводом для возбуждения и зондирования, так и их массива, с технологией КМОП.

Известные конструкции одиночного болометра предполагают наличие вертикальных элементов для удержания микрорезонатора и его теплоизоляции от подложки, а также для соединения микрорезонатора с поглотителем инфракрасного излучения. Изготовление вертикальных элементов крайне затруднено в планарной КМОП технологии. Каждый микрорезонатор в линии массива микрорезонаторов, соединенной с одиночным волноводом, должен изготавливаться с уникальным радиусом с гарантированной уникальной резонансной длиной волны. Индивидуальная адресация микрорезонатора в массиве основана на его уникальной резонансной длине волны. Типичные вариации изготовления микрорезонаторов в КМОП-процессе приводят к случайной дисперсии (разбросу) резонансов микрорезонаторов, превышающей необходимое расстояние между резонансами для предлагаемой схемы адресации. Такая схема считывания данных не может быть реализована в КМОП-совместимом технологическом процессе из-за неизбежного попадания нескольких резонансов в некий диапазон, что приведет к невозможности различить резонаторы.

Таким образом, основная проблема данной области техники заключается в том, что уменьшение размера болометра термодатчика приводит к ухудшению чувствительности из-за меньшей чувствительной области и более высокого шума Джонсона по сравнению с тепловым шумом. Поэтому необходима компактная экономичная конструкция болометра, подходящая для массового производства дешевых термодатчиков с высокой чувствительностью, высоким разрешением и минимальными размерами.

Сущность изобретения

Предлагается болометр, содержащий: подложку, отводящую тепло; термоизолирующие мостики, поддерживающие микрорезонатор и обеспечивающие необходимый отвод тепла в подложку, которые препятствуют оттоку тепла от микрорезонатора, нагреваемого ИК излучением, в подложку; микрорезонатор, представляющий собой диск и содержащий поглотитель инфракрасного излучения, причем микрорезонатор расположен на термоизолирующих мостиках, причем микрорезонатор приподнят над подложкой посредством термоизолирующих мостиков, причем на подложке между термоизолирующими мостиками и микрорезонатором расположен термоизолирующий слой; два волновода, расположенных над (вблизи) микрорезонатором, причем первый волновод расположен с первым зазором от микрорезонатора, второй волновод расположен со вторым зазором от микрорезонатора; лазер прикрепленный к первому волноводу, причем лазер выполнен с возможностью генерировать излучение на известной длине волны, соответствующей длине волны резонанса микрорезонатора; фотоприемник, прикрепленный ко второму волноводу.

Причем подложка, термоизолирующие мостики, волноводы, микрорезонатор могут быть выполнены из кремния, при этом поглотитель напылен на микрорезонатор и выполнен из нитрида кремния. Подложка, волноводы, микрорезонатор могут быть выполнены из кремния, термоизолирующие мостики выполнены из оксида кремния, поглотитель напылен на микрорезонатор и выполнен из нитрида кремния. Подложка, термоизолирующие мостики, волноводы, микрорезонатор могут быть выполнены из кремния, поглотитель является центральным участком микрорезонатора, селективно легированным акцепторами. Подложка, волноводы, микрорезонатор могут быть выполнены из кремния, термоизолирующие мостики выполнены из оксида кремния, поглотитель является центральным участком микрорезонатора, селективно легированным акцепторами. Подложка может быть выполнена из кремния или стекла, при этом теплоизолирующие мостики, волноводы и микрорезонатор, поглотитель, выполнены из нитрида кремния. Подложка может быть выполнена из кремния или стекла, при этом теплоизолирующие мостики выполнены из оксида кремния, волноводы и микрорезонатор, поглотитель выполнены из нитрида кремния. Поглотитель может быть выполнен с возможностью поглощения инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7-14 мкм. Микрорезонатор представляет собой диск. Причем лазер может быть перестраиваемым лазером. Термоизолирующий слой может представлять собой воздух. Термоизолирующий слой может представлять собой вакуум. Поглотитель инфракрасного излучения может быть выполнен в виде слоя материала, поглощающего инфракрасное излучение.

Также предлагается способ работы болометра, содержащий этапы, на которых:

а) направляют излучение известной длины волны от лазера в первый волновод, причем длина волны излучения лазера соответствует длине волны резонанса диска микрорезонатора; излучение проходит по первому волноводу и попадает в микрорезонатор через первый зазор; излучение циркулирует в диске микрорезонатора; из диска микрорезонатора излучение попадает во второй волновод через второй зазор; из второго волновода излучение попадает в фотоприемник;

б) детектируют посредством фотоприемника мощность излучения при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды;

в) осуществляют этап (а) при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды, при этом одновременно с осуществлением этапа (а): - измеряемое ИК излучение от внешней среды поглощается поглотителем, причем поглотитель нагревается, - тепло от поглотителя переходит в микрорезонатор, микрорезонатор нагревается, что сдвигает резонансную длину волны микрорезонатора; детектируют, посредством фотоприемника, мощность излучения при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды; определяют изменение мощности излучения между мощностью излучения при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды, определенной на этапе (б) и мощностью излучения при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды; пересчитывают изменение мощности излучения в сдвиг длины волны резонанса; по значению сдвига длины волны резонанса определяют интенсивность ИК излучения от внешней среды;

г) при дальнейшей работе болометра осуществляют этап (в) для непрерывного получения значений интенсивности ИК излучения от внешней среды.

Причем на этапе (в) дополнительно определяют температуру внешней среды по интенсивности ИК излучения от внешней среды.

Также предлагается тепловой датчик, содержащий: двумерную матрицу болометров, состоящую из столбцов и строк, в которых расположены предлагаемые болометры; причем в каждом из столбцов все микрорезонаторы имеют один первый волновод и один лазер, причем к каждому лазеру подключен частотный модулятор, выполненный с возможностью модуляции каждого из лазеров на частоте, отличной от частоты всех других лазеров; причем в каждой из строк все микрорезонаторы имеют один второй волновод и один фотоприемник.

Предлагаемый тепловой датчик работает следующим образом: модулируют, посредством частотных модуляторов, каждый из лазеров на известной частоте, отличной от частоты всех других лазеров; причем каждый из болометров работает в соответствии со способом работы предлагаемого болометра, причем болометры каждого столбца работают на одинаковой известной частоте, причем каждый из болометров, принадлежащих одной строке, работает на известной частоте, отличной от известных частот других болометров этой строки; причем каждый болометр из двумерной матрицы болометров теплового датчика определяет интенсивность падающего на него ИК излучения от внешней среды, в той точке, в которой он расположен.

Предлагается тепловизор, содержащий упомянутый тепловой датчик;

оптическую систему, формирующую изображение внешней среды в своей фокальной плоскости в ИК спектральном диапазоне; контроллер; причем тепловой датчик расположен в фокальной плоскости оптической системы; причем тепловой датчик определяет сформированное оптической системой ИК изображение в точках, в которых расположены болометры, после пересчета с помощью контроллера величины сдвига длины волны резонанса в каждом болометре в интенсивность ИК излучения. Причем оптическая система может представлять собой линзу. Причем оптическая система может представлять собой объектив.

Причем тепловизор может дополнительно содержать камеру, выполненную с возможностью съемки изображений, причем оптическая система и камера расположены таким образом, что двумерная карта распределения интенсивности ИК излучения накладывается на изображение, получаемое от камеры в режиме реального времени.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 схематично изображен болометр (a) и его продольный разрез (b).

Фиг. 2 схематично иллюстрирует работу одного болометра.

Фиг. 3 показывает график зависимости сдвига длины волны резонанса диска микрорезонатора в зависимости от температуры внешней среды, излучающей ИК излучение, которое падает на болометр.

Фиг. 4 схематично иллюстрирует массив болометров теплового датчика.

Фиг. 5 (а) показывает спектры пропускания волновода, связанного с микрорезонатором при отсутствии ИК и при ИК излучении от внешней среды с температурой 300° К; (b) показывает спектры пропускания волновода, связанного с микрорезонатором при отсутствии ИК, при ИК излучении от внешней среды с температурой 300° К и 303° K.

Подробное описание изобретения

Предлагаемое изобретение представляет собой тепловизор, содержащий тепловой датчик, состоящий из матрицы болометров, каждый из которых имеет размеры совместимые с технологией КМОП. Предлагаемые тепловизор, тепловой датчик, болометр имеют компактные размеры и повышенную чувствительность.

Предлагаемый тепловой датчик представляет собой двумерную матрицу (массив), состоящую из болометров. На фиг. 1 схематично изображена структура одного болометра предлагаемого теплового датчика (a) и продольный разрез (b) болометра. Болометр содержит два считывающих волновода 1 (а) и 1 (b), микрорезонатор 2, представляющий собой диск и расположенный на термоизолирующих мостиках 3, микрорезонатор содержит поглотитель 2а ИК излучения, термоизолирующие мостики поддерживают микрорезонатор 2 и уменьшают отдачу тепла от микрорезонатора 2 к подложке 4.

На фиг. 1 показан термоизолирующий слой 4а, который в простейшем случае является воздухом, либо может быть слоем материала с низкой теплопроводностью, либо является вакуумом.

На подложке 4 расположены термоизолирующие мостики 3, в виде выступов над подложкой. Микрорезонатор 2 расположен на термоизолирующих мостиках 3.

Подложка 4 может быть выполнена из кремния. Термоизолирующие мостики 3 могут быть выполнены из кремния или нитрида кремния, или оксида кремния. Волноводы 1а и 1b могут быть выполнены из кремния или нитрида кремния. Микрорезонатор 2 может быть выполнен из кремния или нитрида кремния.

Поглотитель 2а инфракрасного излучения выполнен с возможностью поглощения инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7-14 мкм (тепловое излучение). В одном из вариантов поглотитель может представлять собой слой нитрида кремния, нанесенный на микрорезонатор, если микрорезонатор выполнен из кремния.

Материал нитрид кремния способен поглощать излучение в ИК диапазоне 8-14 мкм. Кремний дырочного типа (p-Si, кремний, легированный акцепторами) также является хорошим поглотителем ИК излучения в диапазоне 8-14 мкм. Поглощение излучения в этом диапазоне происходит за счет оптических квантовых переходов дырок между ветвями валентной зоны кремния и не сопровождается рождением новых свободных носителей заряда (электронно-дырочных пар). Коэффициент поглощения материалов нитрид кремния и дырочный кремний в диапазоне 8-14 мкм примерно равны при уровне легирования кремния 10¹⁹-10²⁰ см^-3. Расчеты показывают, что сечение поглощения диска микрорезонатора 2 с поглотителем 2а, выполненным из нитрида кремния может превышать его геометрическую площадь. Это происходит благодаря тому, что поскольку размеры диска микрорезонатора сравнимы с длиной волны ИК излучения, электрическое поле падающей плоской световой волны ИК излучения локализуется внутри диска микрорезонатора, что приводит к дополнительному увеличению поглощаемой мощности ИК излучения (по сравнению с ситуацией, когда падающее поле световой волны остается плоской волной внутри поглотителя), то есть к увеличению сечения поглощения, за счет чего повышается чувствительность болометра, а значит повышается чувствительность всего теплового датчика.

Предлагаемое изобретение позволяет использовать стандартные СБИС и КМОП-процессы для изготовления теплового датчика, которые значительно уменьшают размеры теплового датчика и снижают затраты на производство теплового датчика. Это связано с тем, что термоизолирующие мостики являются планарными и их можно формировать с помощью маски за один шаг.

Изготавливают болометр с помощью известных технологий, например, следующим образом. Обеспечивают подложку 4. Для этого, например, возможно использовать пластину SOI (кремний на изоляторе), которая представляет собой промышленную подложку с тонким слоем кремния на слое оксида кремния, который нанесен на толстую подложку из кремния. Далее, способами, известными из уровня техники, на верхнем тонком слое кремния литографией и травлением изготавливают считывающие волноводы 1а и 1b, микрорезонатор 2 и термоизолирующие мостики 3. Далее на микрорезонаторе 2 выполняют поглотитель 2а инфракрасного излучения посредством напыления нитрида кремния, либо посредством селективного легирования микрорезонатора 2, либо другим известным способом. Далее селективным изотропным травлением в парах HF удаляют оксид кремния из-под микрорезонатора и мостиков, формируя при этом воздушный термоизолирующий слой 4а. В случае изготовления термоизолирующих мостиков из оксида кремния изотропным травлением в парах XeF₂ удаляется часть подложки кремния под резонатором и мостиками.

Необходимо отметить, что в случае термоизолирующих мостиков, выполненных из кремния, их формирование происходит одновременно с формированием волноводов и микрорезонатора. В случае термоизолирующих мостиков, выполненных из оксида кремния, их формируют на отдельном дополнительном этапе литографии и травления в оксиде кремния, либо такие термоизолирующие мостики могут быть получены из кремниевых мостиков окислением.

Одним из важнейших параметров болометра является теплопроводность термоизолирующих мостиков, которая должна быть достаточно низкой, чтобы аккумулировать тепло в микрорезонаторе и улучшать чувствительность (то есть температурное изменение микрорезонатора при той же мощности ИК излучения), и не слишком низкой, чтобы обеспечить отвод тепла на подложку и обеспечить высокую частоту получения значений интенсивности среднего ИК излучения, падающего на поверхность матрицы болометров, измеренных в точках расположения болометров. Теплоизоляционные структуры, из которых состоят термоизолирующие мостики 3, выполненные из SiO₂ или Si, могут быть реализованы различными известными способами с помощью двухстороннего или одностороннего травления в рамках процесса КМОП. Кроме того, мостики из Si могут быть преобразованы с помощью высокотемпературного окисления в мостики из SiO₂, которые обеспечивают более высокую теплоизоляцию.

Размер болометра, который возможно получить при изготовлении может составлять порядка 10 мкм. Каждый болометр работает как антенна и увеличивает сечение поглощения ИК излучения, что положительно сказывается на отношении сигнал-шум, то есть на чувствительности. Необходимо также отметить, что уменьшение размера болометра приводит к увеличению разрешения получаемого тепловизором ИК изображения. Совместимость болометра с КМОП позволяет производить множество дешевых устройств за счет использования СБИС с высоким уровнем интеграции.

Болометр возможно изготовить по двум известным технологиям кремниевая фотоника и нитридная фотоника. В рамках кремниевого фотонного чипа изготавливается подложка из кремния, мостики из кремния или оксида кремния, волноводы и резонатор из кремния, поглотитель может быть выполнен напылением нитрида кремния, либо центральная часть самого кремниевого микрорезонатора легируется акцепторами. В рамках нитридного фотонного чипа изготавливается подложка из кремния либо стекла, мостики из нитрида кремния или оксида кремния, волноводы и резонатор из нитрида кремния, поглотителем является сам микрорезонатор, выполненный из нитрида кремния. В обоих случаях теплоизолирующий слой - это воздух, либо вакуум в случае герметичного откачанного корпуса, в котором может быть расположен болометр, либо некий материал с низкой теплопроводностью.

На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован болометр, являющийся единичным болометром из массива болометров теплового датчика. Для считывания интенсивности ИК излучения используются два волновода 1(а) и 1(b).

Микрорезонатор 2 представляет собой диск, в котором могут существовать так называемые моды шепчущей галереи, когда излучение распространяется по внешнему краю окружности диска и не выходит наружу из-за полного внутреннего отражения от поверхности диска микрорезонатора (явление известное из уровня техники). Если нет потерь, то излучение, попав в такой микрорезонатор, будет там крутиться неограниченно долго, как и в случае с двумя зеркалами с коэффициентом отражения 1. Для этого необходимо, чтобы излучение возвращалось в исходную точку с одинаковой фазой, то есть длина оптического пути на одном “проходе” по окружности микрорезонатора должна быть равна целому числу длин волн, которое определяет резонанс диска микрорезонатора. Резонансная длина волны (либо резонансная частота) определяется длиной окружности (то есть, радиусом диска микрорезонатора) и показателем преломления материалов диска микрорезонатора и внешней среды. Изменение показателя преломления изменяет длину оптического пути и резонансную длину волны. Показатель преломления зависит от температуры (термооптический эффект), поэтому изменение температуры микрорезонатора меняет его резонансную длину волны. Напряженность электрического поля круговой моды экспоненциально затухает снаружи диска микрорезонатора. Точно так же экспоненциально затухает снаружи волновода и поле световой волны, распространяющейся по прямому волноводу. Если расположить волновод и диск микрорезонатора достаточно близко друг к другу, то экспоненциальный хвост затухающего поля волновода проникнет в диск микрорезонатора (и наоборот), и часть света из волновода уйдет в диск микрорезонатора (и наоборот). Это явление называется “evanescence field coupling” (связь через затухающее поле) (см. (2008) Optical Microresonator Theory. In: Optical Microresonators. Optical Sciences, vol 138. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-0-387-73068-4_3). Если к одному концу волновода с диском микрорезонатора присоединить лазер, менять его длину волны излучения и смотреть за оптическим пропусканием волновода с другого его конца, то на длинах волн, соответствующих резонансам диска микрорезонатора, будут провалы в пропускании. В этом случае свет из волновода попадает в микрорезонатор и крутится внутри микрорезонатора. Сам провал также может называться “резонансом”. Провал в пропускании не является бесконечно узким, ширина резонанса определяется оптическими потерями внутри микрорезонатора, добротностью резонатора, типичные значения 10⁴-10⁵, т.е. ширина резонанса около 10^-4-10^-5 от резонансной длины волны.

Излучение, формируемое лазером 5, проходит через модулятор 6.

Длина волны излучения лазера 5 должна попадать внутрь ширины резонанса микрорезонатора 2. Как было разъяснено выше, резонансная длина волны зависит от радиуса диска микрорезонатора 2, а также существует технологический разброс размеров дисков микрорезонаторов, поэтому заранее невозможно точно сказать, на какой длине волны будет резонанс у конкретного диска микрорезонатора. Поэтому в качестве лазера 5 целесообразно использовать перестраиваемый лазер с диапазоном перестройки, покрывающим технологический разброс резонансов диска.

Лазер 5 присоединен к первому волноводу 1(а), как показано на фиг. 2. Излучение от лазера 5 попадает в волновод 1(а). Волноводы 1 (a) и 1(b) расположен на расстоянии около 100 нм от микрорезонатора 2. Как известно из уровня техники - это типичная величина зазора между волноводом и резонатором, обеспечивающая связь через затухающее поле.

Излучение проходит по волноводу 1(а) и попадает в микрорезонатор через зазор 7 между первым волноводом 1(а) и микрорезонатором за счет связи через затухающее поле (связь по полю). Зазор 7 между микрорезонатором и волноводом меньше характерной длины экспоненциального затухания электрического поля световой волны, поэтому именно в этом месте обеспечивается связь через затухающее поле. Если длина волны излучения лазера 5 совпадает с длиной волны резонанса диска микрорезонатора 2, то часть излучения из первого волновода 1(а), заходящая в диск микрорезонатора 2 через первый зазор 7, начинает в нем циркулировать, причем излучение лазера 5 сохраняет направление своего распространения в микрорезонаторе 2 на резонансной длине волны. Излучение попадает во второй волновод 1(b) через зазор 8 между волноводом и резонатором за счет связи через затухающее поле, как было описано выше, далее излучение из второго волновода 1(b) попадает в фотоприемник 9.

Измеряемое инфракрасное излучение от внешней среды, в которой находятся объекты, поглощается поглотителем 2a, в результате температура поглотителя 2а повышается. Тепло от поглотителя 2а быстро переходит в микрорезонатор 2 из-за высокой теплопроводности поглотителя 2а и повышает температуру микрорезонатора 2. Нагрев микрорезонатора 2 сдвигает его резонансную длину волны за счет термооптического эффекта.

Итак, на микрорезонатор одновременно попадает

а) лазерное излучение, распространяющееся по волноводам.

б) ИК излучение, интенсивность которого измеряется, попадает на микрорезонатор извне (например, от внешней среды, от объекта).

Этапы (а) и (б) происходят одновременно.

Если на микрорезонатор 2 падает ИК излучение, то температура микрорезонатора 2 немного выше температуры термоизолирующей подожки 4, если не падает, то температура микрорезонатора 2 равна температуре подожки 4. Резонансная длина волны микрорезонатора 2, на который падает ИК излучение, отличается от резонансной длины волны микрорезонатора 2, на который не падает ИК излучение, поскольку внешнее ИК излучение сдвигает резонанс диска микрорезонатора 2.

Лазерное излучение от лазера 5 необходимо, чтобы увидеть сдвиг резонанса диска микрорезонатора 2. Здесь необходимо пояснить, что, если нет ИК излучения, а длина волны лазера 5 соответствует длине волны резонанса диска микрорезонатора 2, излучение лазера 5 из волновода 1(a) попадает в диск микрорезонатора 2 и из него в волновод 1(b) и детектируется фотоприемником 9. При появлении ИК излучения, микрорезонатор 2 слегка нагреется, показатель преломления поменяется, и длина волны резонанса диска микрорезонатора сдвинется. Тогда излучение лазера 5 на той же длине волны уже не будет возбуждать резонанс диска микрорезонатора 2, и соответственно, нечему будет уходить во второй волновод 1b - на фотоприемнике 9 не будет никаких сигналов. Если нагрев от ИК излучения слабый и резонанс сдвигается слабо (на величину, меньшую ширины резонанса), то лазерное излучение на фотоприемнике 9 не совсем исчезнет, а просто его мощность станет меньше. То есть за счет нагрева микрорезонатора 2 мощность излучения лазера 5, который прошел микрорезонатор 2, изменится, фотодиод 9 регистрирует изменение мощности излучения, прошедшего микрорезонатор 2. Изменение мощности излучения на волноводе 1b, регистрируемое фотодиодом 9, пересчитывается в резонансный сдвиг (см., Формула (2) в документе Michael R. Watts, Michael J. Shaw, Peter T. Rakich, Anthony L. Lentine, Gregory N. Nielson, Jeremy Wright, William A Zortman, and Frederick B. McCormick "Microphotonic thermal detectors and imagers", Proc. SPIE 7194, Laser Resonators and Beam Control XI, 71940T (19 February 2009); https://doi.org/10.1117/12.821117). По данным, полученным от фотодиода 9, строится резонансная кривая. Резонанс диска микрорезонатора 2 определяется физическими свойствами диска микрорезонатора 2. Если длина волны перестраиваемого лазера 5 совпадает с резонансной длиной волны диска микрорезонатора 2, то лазерное излучение возбуждает резонанс диска микрорезонатора 2. Резонансная кривая (зависимость мощности попавшего на фотодиод излучения лазера от его длины волны) строится в зависимости от длины волны, на которой осуществляется излучение лазера 5. При изменении температуры диска микрорезонатора 2, резонансная кривая смещается, по смещению резонансной кривой определяется температура.

Фиг. 3 показывает график зависимости сдвига длины волны резонанса диска микрорезонатора в зависимости от температуры объекта внешней среды, излучающего ИК излучение, которое падает на болометр. По оси Y - величина сдвига длины волны резонанса диска микрорезонатора, в нм, по оси X - температуры объекта в К. Сплошной линией показан результат расчета сдвига длины волны резонанса диска микрорезонатора в зависимости от температуры объекта. Для сравнения и наглядности, отложены две характерные величины: полуширина резонанса диска (верхняя пунктирная линия), которая определяется добротностью микрорезонатора, а также типичная спектральная ширина линии лазера (нижняя пунктирная линия), при этом обе величины измеряются также в нм, и являются разностью двух значений длин волн, то есть указанные пунктирные линии не имеют отношения к сдвигу длины волны резонанса, пунктирные линии показаны для интерпретации графика, отображенного сплошной линией, например, сразу видно, что при температуре 400 К резонанс сдвигается примерно на половину своей ширины.

Вычисленный резонансный сдвиг используется для расчета изменения температуры микрорезонатора 2. Расчетная температура связана с интенсивностью ИК излучения, падающей на один болометр.

Необходимо заметить, что микрорезонатор 2 нагревается практически мгновенно, при этом изменяется резонансная характеристика микрорезонатора 2, благодаря термоизолирующим мостикам 3 передача тепла от микрорезонатора 2 к подложке 4 минимальна, это повышает чувствительность болометра. Термоизолирующие мостики 3 выполняются с очень точными необходимыми размерами, толщина термоизолирующих мостиков 3 определяет теплопроводность мостиков, то есть скорость, с которой тепло отводится от микрорезонатора 2. То есть, если теплопроводность термоизолирующих мостиков 3 будет выше, то тепло с микрорезонатора будет уходить быстрее, в этом случае изменение температуры возможно определять за малые промежутки времени, но с меньшей точностью. Если теплопроводность термоизолирующих мостиков 3 будет ниже, например, за счет уменьшения толщины, то тепло с микрорезонатора будет уходить медленнее, и в этом случае изменение температуры возможно определять за более длинные промежутки времени, при этом точность измерения будет выше.

Добротность микрорезонатора - это отношение длины волны резонанса диска микрорезонатора к ширине резонанса. Добротность определяется оптическими потерями, в том числе рассеянием излучения лазера на шероховатостях краев резонатора, слабым поглощением излучения лазера внутри резонатора, и т.д. Текущие технологии кремниевой фотоники (КМОП или электронная литография) позволяют достигать значений добротности более 10⁶. Высокая добротность (узкий резонанс) необходима, т.к. чем уже резонанс, тем меньший сдвиг самого резонанса можно увидеть на фоне ширины резонанса. То есть добротность напрямую влияет на чувствительность болометра.

В любом варианте воплощения микрорезонатор является прозрачным для излучения лазера для того, чтобы излучение могло распространяться в микрорезонаторе по кольцевым модам. При этом микрорезонатор может поглощать ИК излучение, то есть может быть непрозрачным в ИК диапазоне, интенсивность которого мы хотим измерять.

На фиг. 4 проиллюстрирован массив болометров теплового датчика, обозначенных позицией 10. Массив болометров 10 представляет собой двумерную матрицу и состоит из столбцов и строк, в которых расположены болометры. Причем все микрорезонаторы 2 из каждого одного столбца болометров подключены к одному лазеру 5. Причем все микрорезонаторы каждой одной строки болометров подключены к одному фотодиоду 9 для считывания сигнала. На фиг. 4 показано, что каждый столбец болометров в массиве болометров имеет свой волновод 1a, и каждая строка болометров в массиве болометров имеет свой волновод 1b, причем волноводы 1a каждого столбца пересекают волноводы 1b каждой строки.

Считывание сигналов от всех болометров происходит следующим образом.

Каждый из перестраиваемых лазеров 5 модулируется на определенной частоте. Для того, чтобы не считывать каждый болометр по отдельности, но в то же время знать от какого именно болометра исходит получаемый фотодиодом 9 сигнал, излучение каждого лазера 5 модулируется на своей определенной частоте с помощью частотного модулятора.

То есть излучение, падающее на каждый болометр, модулируется с контролируемой известной частотой. То есть в каждой строке массива болометров на каждый болометр падает излучение со своей известной промодулированной частотой, что учитывается при расчете резонансного сдвига после получения сигналов с фотодиода 9, к которому подключена каждая строка болометров.

Причем на каждый фотодиод 9 приходит сразу много сигналов на разных частотах. Далее из этого сложного сигнала выделяются компоненты на заранее известных частотах, например, с помощью преобразования Фурье, либо любого другого стандартного алгоритма. В примере с двумя болометрами это может работать следующим образом: выходной электрический сигнал с фотодиода, содержащий сигналы на двух разных частотах, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем, к оцифрованному сигналу применяется преобразование Фурье, из которого выделяется амплитуда сигналов на известной частоте первого болометра и известной частоте второго болометра.

Возможно использование только одного лазера и только одного фотоприемника для всего массива болометров. Также возможно использование известной из уровня техники схемы балансного гомодинного детектирования. Осуществляют интерференцию излучения, которое нужно измерить, с опорным излучением. На обоих выходах интерферометра будут компоненты сигнала с одинаковой фазой, равные сумме опорного и измеряемого излучения, а также интерферирующая часть, которая будет присутствовать на выходах с противоположными фазами. Вычитание сигналов с двух фотодетекторов на выходах интерферометра приводит к удалению из разностного сигнала одинаковых составляющих вместе со всеми лазерными шумами, и удвоению интерференционной части из измеряемого сигнала. Фазовый модулятор в опорном канале периодически меняет фазу между выходами, так что интерференционную часть можно точно измерять на частоте модуляции.

На фиг. 5 (а) показаны спектры пропускания волновода 1(а), связанного с микрорезонатором, вблизи резонансной длины волны микрорезонатора. По оси Y - пропускание, по оси X - расстройка длины волны от резонанса (λ - λ₀) в пм. λ₀ - длина волны резонанса (минимум пропускания связанного волновода) для диска без падающего ИК излучения от внешней среды (в темноте), λ - длина волны излучения лазера, то есть спектральное положение линии лазера. Выражение (λ - λ₀) показывает длину волны лазера, отсчитанную от резонанса диска без внешних воздействий. График 1 показывает резонансную кривую болометра, когда ИК отсутствует, то есть, когда температура резонатора равна температуре подложки. График 2 показывает резонансную кривую болометра, когда на болометр падает ИК излучение от объекта с температурой 300 К, здесь виден сдвиг резонанса из-за нагрева микрорезонатора ИК излучением. Вертикальная линия 3 показывает возможное положение длины волны лазера внутри ширины резонанса диска микрорезонатора. Овалом обведено место на графиках, где видно, что малый сдвиг резонанса из-за повышения температуры микрорезонатора приводит к изменению пропускания диска микрорезонатора на длине волны лазера.

На фиг. 5 (b) показана увеличенная часть спектра, обведенного в овал, показанный на фиг. 5 (а), и добавлена аналогичная кривая 4 пропускания при температуре объекта, испускающего ИК излучение, 303° К.

Предлагаемое изобретение можно использовать для изготовления миниатюрных тепловизоров, и использовать в мобильных приложениях для съемки видео и фото в условиях ограниченной видимости или низкой освещенности. Предлагаемый тепловизор содержит тепловой датчик, выполненный согласно настоящему изобретению, контроллер, оптическую систему, представляющую собой объектив или линзу. Причем оптическая система формирует изображение внешней среды в своей фокальной плоскости в ИК спектральном диапазоне. Тепловой датчик расположен в фокальной плоскости оптической системы. Оптическая система отображает карту распределения ИК излучения в своей фокальной плоскости, что и является изображением в ИК спектральном диапазоне. Каждый болометр измеряет одну точку в этом изображении. Все болометры вместе дают полное ИК изображение. Дополнительно, измеренную интенсивность ИК излучения можно пересчитать в распределение температуры объектов, которые являются источниками ИК излучения во внешней среде.

Изображение, полученное с теплодатчика можно накладывать на изображение, полученное от обычного датчика изображения, то есть на изображение, полученное от обычной камеры в телефоне, пользователь получает отчетливое изображение в условиях плохой видимости в режиме реального времени. То есть тепловизор дополнительно содержит камеру (возможно, например, использование камеры смартфона), выполненную с возможностью съемки изображений. Оптическая система и камера располагаются таким образом, что двумерная карта распределения интенсивности ИК излучения накладывается на изображение от камеры в режиме реального времени.

Таким образом возможно улучшать качество фотографий и видео в условиях плохой видимости и низкой освещенности. Такой вариант исполнения удобно использовать, например, в автомобиле при ночной навигации на дороге.

Изобретение может быть использовано в медицине, например, для биометрии вен, а также для определения заболевания отдельных органов, для определения их температуры.

Изобретение может быть использовано в быту, например, для контроля рассеивания тепла, при изготовлении рамных конструкций в домах. С помощью смартфона возможно будет определить откуда дует холодный воздух в раме окна.

Хотя изобретение описано с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.

Кроме того, изобретение включает в себя все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменятся в процессе рассмотрения.

Изобретение относится к болометру, тепловому датчику, тепловизору, способу работы болометра, способу работы теплового датчика. Болометр согласно изобретению содержит подложку, термоизолирующие мостики, микрорезонатор, два волновода, лазер, фотоприемник. Предлагается тепловой датчик, содержащий двумерную матрицу болометров. В каждом из столбцов все микрорезонаторы имеют один первый волновод и один лазер. К каждому лазеру подключен частотный модулятор. В каждой из строк все микрорезонаторы имеют один второй волновод и один фотоприемник. Предлагается тепловизор, содержащий тепловой датчик, оптическую систему, контроллер. Причем тепловой датчик расположен в фокальной плоскости оптической системы. Предлагаемое изобретение обеспечивает болометр, тепловой датчик, тепловизор, имеющие компактные размеры и повышенную чувствительность. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Болометр, содержащий:

подложку;

термоизолирующие мостики, расположенные на подложке;

микрорезонатор, представляющий собой диск и содержащий поглотитель инфракрасного излучения, причем микрорезонатор поддерживается термоизолирующими мостиками, причем микрорезонатор приподнят над подложкой посредством термоизолирующих мостиков, причем

на подложке между термоизолирующими мостиками и микрорезонатором расположен термоизолирующий слой;

два волновода, расположенных над микрорезонатором, причем первый волновод расположен с первым зазором от микрорезонатора, второй волновод расположен со вторым зазором от микрорезонатора;

лазер, прикрепленный к первому волноводу, причем лазер выполнен с возможностью генерировать излучение на известной длине волны, совпадающей с длиной волны резонанса микрорезонатора;

фотоприемник, прикрепленный ко второму волноводу.

2. Болометр по п. 1, в котором подложка, термоизолирующие мостики, волноводы, микрорезонатор выполнены из кремния, поглотитель напылен на микрорезонатор и выполнен из нитрида кремния.

3. Болометр по п. 1, в котором подложка, волноводы, микрорезонатор выполнены из кремния, термоизолирующие мостики выполнены из оксида кремния, поглотитель напылен на микрорезонатор и выполнен из нитрида кремния.

4. Болометр по п. 1, в котором подложка, термоизолирующие мостики, волноводы, микрорезонатор выполнены из кремния, поглотитель является центральным участком микрорезонатора, селективно легированным акцепторами.

5. Болометр по п. 1, в котором подложка, волноводы, микрорезонатор выполнены из кремния, термоизолирующие мостики выполнены из оксида кремния, поглотитель является центральным участком микрорезонатора, селективно легированным акцепторами.

6. Болометр по п. 1, в котором подложка выполнена из кремния или стекла, теплоизолирующие мостики, волноводы и микрорезонатор, поглотитель выполнены из нитрида кремния.

7. Болометр по п. 1, в котором подложка выполнена из кремния или стекла, теплоизолирующие мостики выполнены из оксида кремния, волноводы и микрорезонатор, поглотитель выполнены из нитрида кремния.

8. Болометр по любому из пп. 1-7, в котором поглотитель выполнен с возможностью поглощения инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7-14 мкм.

9. Болометр по любому из пп. 1-7, в котором микрорезонатор представляет собой диск.

10. Болометр по любому из пп. 1-9, в котором лазер является перестраиваемым лазером.

11. Болометр по любому из пп. 1-10, в котором термоизолирующий слой представляет собой воздух.

12. Болометр по любому из пп. 1-10, в котором термоизолирующий слой представляет собой вакуум.

13. Болометр по п. 1, в котором поглотитель инфракрасного излучения выполнен в виде слоя материала, поглощающего инфракрасное излучение.

14. Способ работы болометра по любому из пп. 1-13, содержащий этапы, на которых:

а) направляют излучение известной длины волны от лазера в первый волновод, причем длина волны излучения лазера соответствует длине волны резонанса диска микрорезонатора;

излучение проходит по первому волноводу и попадает в микрорезонатор через первый зазор;

излучение циркулирует в диске микрорезонатора;

из диска микрорезонатора излучение попадает во второй волновод через второй зазор;

из второго волновода излучение попадает в фотоприемник;

б) детектируют посредством фотоприемника мощность излучения при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды;

в) осуществляют этап (а) при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды,

при этом одновременно с осуществлением этапа (а):

- измеряемое ИК излучение от внешней среды поглощается поглотителем, причем поглотитель нагревается,

- тепло от поглотителя переходит в микрорезонатор, микрорезонатор нагревается, что сдвигает резонансную длину волны микрорезонатора;

детектируют, посредством фотоприемника, мощность излучения при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды;

определяют изменение мощности излучения между мощностью излучения при отсутствии измеряемого ИК излучения от внешней среды, определенной на этапе (б), и мощностью излучения при наличии измеряемого ИК излучения от внешней среды;

пересчитывают изменение мощности излучения в сдвиг длины волны резонанса;

по значению сдвига длины волны резонанса определяют интенсивность ИК излучения от внешней среды;

г) при дальнейшей работе болометра осуществляют этап (в) для непрерывного получения значений интенсивности ИК излучения от внешней среды.

15. Способ по п. 14, в котором на этапе (в) дополнительно определяют температуру внешней среды по интенсивности ИК излучения от внешней среды.

16. Тепловой датчик, содержащий:

двумерную матрицу болометров, состоящую из столбцов и строк, в которых расположены болометры, каждый из которых выполнен по любому из пп. 1-13;

причем в каждом из столбцов все микрорезонаторы имеют один первый волновод и один лазер, причем к каждому лазеру подключен частотный модулятор, выполненный с возможностью модуляции каждого из лазеров на частоте, отличной от частоты всех других лазеров;

причем в каждой из строк все микрорезонаторы имеют один второй волновод и один фотоприемник.

17. Способ работы теплового датчика по п. 16, содержащий этапы, на которых:

модулируют, посредством частотных модуляторов, каждый из лазеров на известной частоте, отличной от частоты всех других лазеров;

причем каждый из болометров работает в соответствии со способом работы болометра по п. 14, причем болометры каждого столбца работают на одинаковой известной частоте, причем каждый из болометров, принадлежащих одной строке, работает на известной частоте, отличной от известных частот других болометров этой строки;

причем каждый болометр из двумерной матрицы болометров теплового датчика определяет интенсивность падающего на него ИК излучения от внешней среды в той точке, в которой он расположен.

18. Тепловизор, содержащий:

тепловой датчик по п. 16;

оптическую систему, формирующую изображение внешней среды в своей фокальной плоскости в ИК спектральном диапазоне;

контроллер;

причем тепловой датчик расположен в фокальной плоскости оптической системы;

причем тепловой датчик определяет сформированное оптической системой ИК изображение в точках, в которых расположены болометры, после пересчета с помощью контроллера величины сдвига длины волны резонанса в каждом болометре в интенсивность ИК излучения.

19. Тепловизор по п. 18, в котором оптическая система является линзой.

20. Тепловизор по п. 18, в котором оптическая система является объективом.

21. Тепловизор по любому из пп. 18-20, дополнительно содержащий камеру, выполненную с возможностью съемки изображений, причем оптическая система и камера расположены таким образом, что двумерная карта распределения интенсивности ИК излучения накладывается на изображение, получаемое от камеры в режиме реального времени.