Многоэлементный сверхпроводящий болометр Советский патент 1982 года по МПК H01L39/00 

Несмотря на весьма высокие параметры болометра, он обладает рядом недостатков.

Большой размер чувствительного элемента не позволяет использовать эти болометры в системах формирования тепловых изображений без пространственного сканирования. Системы с миогоэлементнымц приемниками матричного типа для работы в дальнем ИК-Диаиазоие пеизвестн. Отмечаются большая теплоемкость чувствительного элемента из-за значительной массы подложки и большая теплонроводность из-за большого сечения теплопрозодяших элементов. Невыгодиое размещение поглощаюш,его покрытия на обратной стороне подложки снижает эффективность болометра. Использование сверхпроводников первого рода приводит к рабочим температурам ниже точки кипеиия жидкого гелия.

Целью изобретения является обеспечение одновременной регистрации излучения в различных точках плоскости изображения, повышение чувствительиости, быстродействия и повышения рабочей темиературы.

Поставленная цель достигается тем, что сверхироводящий чувствительный элемент сформирован из группы идентичных датчиков, термически изолированных друг от друга и располон енных на диэлектрической илепке толщиной порядка 1-2 мкм из аморфного или иоликристаллического диэлектрика, в которой выполиены прорези, разделяющие соседние датчики, края которой лежат иа несущем основании, являющемся нагревателем, ноглотитель же расположен на каждом датчике и изолирован от последнего пленкой диэлектрика. Несущее осиовапие выполнено из монокристаллического иолупроводпика, обладающего анизотронией травления, например из кремния, а датчик выполнен из сверхпроводника второго рода.

Изобретение ноясняется фиг. 1 и 2.

На основании 1 из кремния ориентации (100) сформирована тонкая пленка аморфного диэлектрика 2, которым служит трехслойная композиция 51зЬ14-Si02-51зН4.

Толщина слоев этой композиции составляет соответственно 0,05, 10 и 0,05 мкм. На поверхности аморфного диэлектрика с помощью вакуумиого осаждения и последующей фотолитографии сформированы тонкоплепочные чувствительные датчики 3 в форме меандра, запимаюи1его площадь 100X100 мкм.

Для уменьшения теплоотвода от чувствительных датчиков и устранения тепловой связи между ними через основание 1 еделапа вышка 4 вплоть до пленки диэлектрпка 2. Для устранеиия тепловой связи между соседними элементами в диэлектрической пленке выполнены ирорези 5. Для увеличения коэффициента поглош,ения болометра сверху каждого чувствительного датчика нанесен слой поглотителя из висмута 6 толщиной 0,05 мкм, отделенный от чувствительного датчика пленкой диэлектрика толщиной порядка 0,2 мкм. Для поддержания всей груплы элементов ири рабочей температуре к основанию 1, являющемуся нагревателем, с двух сторон ирикренлены ко1 такты ;иая пропускания через подложку Т;ка с пос;1едуюи1,им выделением джоулев)П тепла. Коитакты 7 располагаются иа ди:электрической плс::;:: 2, а контактирование с подложкой осуществляется через щелеобразное окно 8 в плеике диэлектрика.

Такая конструкция болометра реализуется пзвестн 1.1И .методами микроэлектроники.

ilpii работе болометр поддерживается з интервале температуры сверхпроводящего перехода материала датчика 3 с помощью подачи пеобходимого напряжения на контакты 7 нагревателя. Через датчик 3 протекает заданный ток /. Падающее нзлучение поглощается чувствительным эле.иснтом, что приводит к иовышению температуры датчика, его сопротивления и, с;1едовательпо, к увеличению напряжения на не.м.

Чувствительность 5 н постоянная времени болометра т оиределяется следующими соотношеииями:

/

dR С

Л

(1)

G, dT G,

8 - коэффициент поглощеиия излучен и я;

/ - ()аб(1чий ток через чувствительный элемент эферентивпая; (, - теп. гспроводность от болометра

к тенлостоку; R - сопротнвление чувствительного

элемента; Т -- темпсфатура.

Измеренное значение clR/dT для пленок .V/; составляет 2X10- ом/К. Для поглои1аю цего покрытия из Bi пленки ,5. Тенлонроводность для предлагаемой конструкции составляет G, . Теплоемкость чувствительного датчика С 8,2-10-1 дж-К-. Тогда согласно (1) получается при токе / -- 3 мкА

5 105 в/Е5г 1 т :: с.

Таким образом, предлагаемый болометр позволяет получить следующие техникоэкономические преимущества. Возможпость соз.лання оптоэлектронного устройства для одновремегп-юй регистрации излучения в различных точках плоскости изображения в среднем и дальнем НК-диаиазоие.

Повьш1ение чувствительности па 1,5 порядка и быстродействия на 2,3 порядка по сравнению с известными болометрами.

Повышение рабочей температуры с 1-4-2°К до , что сунаественно при низких температурах.

Формула изобретения

1.Многоэлементный сверхпроводящий болометр, включающий несущее основание, поглотитель излучения, сверхпроводящий чувствительный элемент и нагреватель, отличающийся тем, что, с нелью обеспечения одновременной регистрации излучения в различных точках плоскости изображения, повыщения чувствительности быстродействия и рабочей температуры, сверхпроводящий чувствительный элемент сформирован из груипы идентичных датчиков, термически изолированных друг от друга и расположенных на диэлектрической пленке толщиной порядка 1 - 2 мкм из аморфного или поликристаллического диэлектрика, в которой выполнены прорези, разделяющие соседние датчики, а края на несущем основании, являющемся нагревателем, поглотитель же расположен поверх каждого датчика и изолирован от носледнего пленкой диэлектрика.

2.Болометр по п. 1, отличающийся тем, что несущее основание выполнен:) из

монокристаллнческого полупроводника, обладающего анизотропией травления, например из кремния.

3. Болометр по п. 1, отличающийся тем, что датчик выполнен из сверхпроводни1:а второго рода, нaнpи icp из ниобия или паналня.

Источ)1нкн HI формации, npiiJiKTbie во внимаиие при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР Л 2G6272, МК G 01R 17/10, 1978.

2.В. А. Коноводченко, С. К. Комаревский, И. М. Дмитренко, В. М. Дмитриев, А. В. Трубицын, В. И. Карамущко. Экспериментальное исследование неизотермического сверхнроводящего болометра Труды ФТМНТ АН УССР, вып. 3, стр. 128, 1968.

3.Зайцев Р. А., Хребтов И. А. В сб. Тепловые приемники излучения, Киев, «Наукова думка, 1967, с. 25.

4.I. Clarke, G. I. Hoffer, P. L. Richards and N-H, Ich. «Supercovoluctive bolometers for Sublimeter wawelenghts, I. Appe Phys, 48, Ло 12, Dec. 1977 (прототип).

-m.

uuuu

F