CZ2015273A3 - Membrane of miniature bolometer with increased absorption and method of making bolometer absorption layer - Google Patents
Membrane of miniature bolometer with increased absorption and method of making bolometer absorption layer Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2015273A3 CZ2015273A3 CZ2015-273A CZ2015273A CZ2015273A3 CZ 2015273 A3 CZ2015273 A3 CZ 2015273A3 CZ 2015273 A CZ2015273 A CZ 2015273A CZ 2015273 A3 CZ2015273 A3 CZ 2015273A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- membrane
- bolometer
- layer
- gas
- inert gas
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 69
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims abstract description 12
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 12
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims abstract description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N Ethylenediamine Chemical compound NCCN PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 5
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 3
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical group [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000001999 Transcription Factor Pit-1 Human genes 0.000 description 1
- 108010040742 Transcription Factor Pit-1 Proteins 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Na tepelně izolované membráně (3) miniaturního bolometru se senzorem teploty membrány je vytvořena absorpční vrstva (4) z těsně vedle sebe vertikálně umístěných uhlíkových nanotrubic (7) o výšce v rozmezí 1.mi.m až 25 .mi.m zvyšující absorpci infračerveného záření v pásmu 8 až 90 um blízko k 1. Vrstva uhlíkových nanotrubic (7) se vytvoří technikou pyrolytické depozice z plynné fáze. Nejprve se na membráně (3) vytvoří z některého z materiálu ze skupiny kobalt, železo, nikl vrstvička katalyzátoru o tloušťce 1 až 20 nm. Čip (8) s membránou (3) se uzavře do komory (9) opatřené vstupem (11) plynu a výstupem (12) plynu. Komora (9) se naplní inertním plynem a membrána (3) se zahřeje na teplotu mezi 700 .degree.C a 1100 .degree.C podle typu katalyzátoru a použitého uhlovodíku. K inertnímu plynu se přidá C.sub.2.n.H.sub.2.n., CH.sub.4.n., nebo etylen diamin. Na membráně (3) začnou růst vertikálně uspořádané uhlíkové nanotrubice (7). V okamžiku, kdy se dosáhne tloušťky vrstvy tvořící nanotrubice (7) mezi 1 .mi.m a 25 .mi.m, se uhlovodík vytěsní inertním plynem a vypne se zdroj tepla ohřívající tepelně izolovanou membránu (3).On a thermally insulated membrane (3) of a miniature bolometer with a membrane temperature sensor, an absorbent layer (4) is formed of closely adjacent vertically disposed carbon nanotubes (7) having a height in the range of 1 .mu.m to 25 .mu.m increasing the absorption of infrared radiation. in a range of 8 to 90 µm close to 1. A layer of carbon nanotubes (7) is formed by a gas-phase pyrolytic deposition technique. First, a catalyst layer having a thickness of 1 to 20 nm is formed from one of the cobalt, iron, nickel, nickel layers on the membrane (3). The chip (8) with the membrane (3) is enclosed in a chamber (9) provided with a gas inlet (11) and a gas outlet (12). The chamber (9) is filled with inert gas and the membrane (3) is heated to between 700 degC and 1100 degC depending on the type of catalyst and hydrocarbon used. To the inert gas is added C 2 H 2 O, CH 2 O, or ethylene diamine. The vertically arranged carbon nanotubes (7) begin to grow on the membrane (3). When the thickness of the nanotube forming layer (7) between 1 .mu.m and 25 .mu.m is reached, the hydrocarbon is displaced by an inert gas and the heat source of the thermally insulated membrane (3) is switched off.
Description
Membrána miniaturního bolometru se zvýšenou absorpcí a způsob vytvoření absorpční vrstvy bolometruA miniature bolometer membrane with increased absorption and a method of forming a bolometer absorption layer
Oblast technikyTechnical field
Miniaturní bolometry, neboli mikrobolometry, jsou systémy obvykle používané na detekci infračerveného záření v oblasti 8*12 pm, případně i delší. Jsou založeny na principu ohřevu tepelně izolované membrány a měření změny její teploty, která odpovídá množství absorbované energie. Předkládané řešení se týká vytvoření membrány tohoto miniaturního bolometru za využití nových materiálů.Miniature bolometers, or microbolometers, are systems commonly used to detect infrared radiation in the 8 * 12 µm range, possibly longer. They are based on the principle of heating a thermally insulated membrane and measuring the change in its temperature, which corresponds to the amount of energy absorbed. The present invention relates to the formation of a membrane of this miniature bolometer using new materials.
Dosavadní stav technikyBackground Art
Pole bolometrů je schopné detekce tepelné energie emitované člověkem na vzdálenost až půl kilometru i více. Je zřejmé, že bolometr musí být velmi citlivá součástka, protože množství tepla emitované člověkem je velmi malé. I toto malé množství je schopné ohřát membránu bolometru tak, aby se tato změna dala detekovat. Aby to bylo možné, membrána bolometru je tepelně izolovaná od substrátu a celá součástka je umístěná ve vakuu. Toto je známé řešení dle patentu US 6*621^83, Archanjo BS, Silveira GV, Goncalves AMB, et al., High-absorption wide-band pixel for bolometer arrays, September 16, 2003. Membrána bolometru je zde vyrobena z tenké vrstvy S1O2 s kovovou absorpční vrstvou a rezonanční mezerou pod membránou s odraznou vrstvou pod bolometrem. Teplotní sensor v membráně je z oxidu vanadia s malým odporem a elektrickými přívody umístěnými na opačných stranách bolometru. Rezonanční mezera je v závislosti na snímaném spektru v rozsahu 0,8 až 2,5 pm. To ale ještě nestačí, membrána bolometru musí mít vysokou absorpci, tedy v ideálním případě veškeré IR záření, které na membránu dopadne, musí být absorbováno, a tak přispět ke zvýšení její teploty.The bolometer array is capable of detecting thermal energy emitted by man at distances of up to half a kilometer or more. Obviously, the bolometer must be a very sensitive component because the amount of heat emitted by man is very small. Even this small amount is capable of heating the bolometer membrane so that this change can be detected. To do this, the bolometer membrane is thermally insulated from the substrate and the entire component is placed under vacuum. This is a well-known solution according to U.S. Patent 6,621,483, Archanjo BS, Silveira GV, Goncalves AMB, et al., High-Wide Wide-Band Pixel for Bolometer Arrays, September 16, 2003. The bolometer membrane is made of a thin layer S1O2 with a metal absorption layer and a resonance gap below the reflective layer membrane below the bolometer. The temperature sensor in the membrane is vanadium oxide with low resistance and electrical leads located on opposite sides of the bolometer. The resonance gap is in the range of 0.8 to 2.5 µm depending on the sensed spectrum. But this is not enough, the bolometer membrane must have a high absorption, ie ideally all the IR radiation that falls on the membrane must be absorbed, thus contributing to its temperature increase.
Je několik způsobů, jak zvýšit absorpci membrány bolometrů, a to antireflexní vrstvou která má impedanci vakua, vlastní materiál bolometrické membrány, rezonanční mezera pod membránou a speciální absorpční vrstva. Všechny tyto způsoby mají své specifické problémy.There are several ways to increase the absorption of the bolometer membrane by an anti-reflective layer that has a vacuum impedance, its own bolometric membrane material, a resonance gap below the membrane, and a special absorption layer. All these ways have their own specific problems.
Antireflexní vrstva není příliš účinná, změna materiálu membrány také ovlivňuje vlastnosti tepelné izolace membrány, resonanční mezera o tloušťce 2,5 pm nebo menší je komplikovaná na výrobu a konečně speciální absorpční vrstva je obvykle tvořena černým zlatém, které se komplikovaně nanáší, jak je popsáno v publikaci P. L. Richards, Bolometers for infrared and millimeter waves, J. Appl. Phys. 76,1 (1994) - Souhrnný článek o vývoji bolometrů a v publikaci Bin Wang, Jianjun Lai, Erjing Zhao, Haoming Hu, Qian Liu, & Sihai Chen Vanadium oxide microbolometer with gold black absorbing layer. Optical Engineering, Volume 51, Issue 7, Optical Components, Detectors, and Displays. Tento článek popisuje chování bolometrů s absorpční vrstvou ze speciálně připraveného zlata nanášeného za nízkého vakua, takže se vrstva zlata chová podobně, jako absolutně černé těleso. V publikaci M. Tarasov, J. Svensson, L. Kuzmin, and E. E. B. Campbell, Carbon nanotube bolometers. Applied Physics Letters 90, 163503 (2007). Je popisováno využití jednostěnných uhlíkových nanotrubic, dále jen CNT, pro absorpci IR záření jako kryogenní bolometr, tzn. s kryogenním chlazením pro použití pro detekci mikrovlnného záření v oblasti 10 2000 pm. Tyto nanotrubice byly na bolometrů umístěny horizontálně a nepracovaly jako absolutně černé těleso. Způsob přípravy CNT je z roztoku, což je nekompatibilní technologie s mikrotechnologiemi, které se využívají při výrobě matice mikrobolemetrů na jednom čipu. Jedná se o ležící dispergované CNT, které zde navíc přebírají funkci rezistivního bolometrů, takže se jedná o bolometr a absorpční materiál v jednom. Absorpce vrstvy zde není zkoumána. Nevýhodou tohoto přístupu je využití jednostěnných uhlíkových nanotrubic, což je technologicky náročnější a nelze je připravit přímo na membráně bolometrů. Navíc řešení obsahuje technicky i rozměrově náročného kryogenní chlazení.The anti-reflective layer is not very effective, the change in membrane material also affects the thermal insulation properties of the membrane, a 2.5 µm resonance gap or less is complicated to manufacture, and finally a special absorbent layer is usually formed of black gold that is applied in a complicated manner as described in PL Richards, Bolometers for Infrared and Millimeter Waves, J. Appl. Phys. 76,1 (1994) - Summary article on bolometer development and Bin Wang, Jianjun Lai, Erjing Zhao, Haoming Hu, Qian Liu, & Sihai Chen Vanadium oxide microbolometer with black absorbing layer. Optical Engineering, Optical Components, Detectors, and Displays. This paper describes the behavior of bolometers with an absorbent layer of specially prepared low vacuum gold so that the gold layer behaves similarly to an absolutely black body. M. Tarasov, J. Svensson, L. Kuzmin, and E. E. B. Campbell, Carbon nanotube bolometers. Applied Physics Letters 90, 163503 (2007). The use of single-walled carbon nanotubes, hereinafter referred to as CNT, is described as the cryogenic bolometer, ie. with cryogenic cooling for use in detecting microwave radiation in the 10,000 µm region. These nanotubes were placed horizontally on the bolometers and did not work as an absolutely black body. The method of CNT preparation is from solution, which is an incompatible microtechnology technology that is used to make a microbolemeter matrix on a single chip. These are lying dispersed CNTs, which in addition take on the function of resistive bolometers, so it is a bolometer and absorbent material in one. Layer absorption is not investigated here. The disadvantage of this approach is the use of single-walled carbon nanotubes, which is technologically more demanding and cannot be prepared directly on the bolometer membrane. In addition, the solution includes cryogenic cooling that is technically and dimensionally demanding.
Publikované řešení dle Ali E. Aliev, Bolometric detector on the basis of single-wall carbon nanotube/polymer composite. Infrared Physics & Technology 51 (2008) 541-545 popisuje bolometr, který byl integrován se svazkem tenkých uhlíkových nanotrubek, které byly chemicky modifikovány pro zvýšení účinnosti absorpce infračerveného záření. Tyto nanotrubice však byly na bolometrů umístěny horizontálně a nepracovaly jako absolutně černé těleso. Řešení se zabývá opět využitím jednostěnných CNT za pomocí spin-coatingu, což je obdoba předchozího řešení.Published solution by Ali E. Aliev, Bolometric detector on the basis of single-wall carbon nanotube / polymer composite. Infrared Physics & Technology 51 (2008) 541-545 discloses a bolometer that has been integrated with a bundle of thin carbon nanotubes that have been chemically modified to enhance infrared absorption efficiency. However, these nanotubes were placed horizontally on the bolometers and did not work as an absolutely black body. The solution deals with the use of single-wall CNT using spin-coating, which is similar to the previous solution.
Celková tloušťka bolometru je 17 μιτι. U takto připravených CNT je měřena absorpci, která je sice v obalsti viditelného spektra prakticky 1, ale směrem k vlnovým délkám infračerveného spektra se výrazně zhoršuje. Bolometr je poměrně velký a tímto způsobem připravený bude obtížné ho miniaturizovat. V obou případech nejde o technologie kompatibilní s mikrotechnologiemi a nelze je využít pro matici mikrobolometrů a neobsahují rezonanční mezeru. Z výše uvedeného vyplývá, že doposud byly hledány anorganické materiály s vysokou absorpční účinností jako je černé zlato, černá platina, tlustá vrstva S13N4 a multivrstvy. Objevují se publikace využívající uhlíkové nanotrubice, ale jde o zcela jinou metodu vytváření absorpční vrstvy, která má taktéž jiné vlastnosti. Tyto metody buď nejsou technologicky kompatibilní s výrobou bolometru, nebo nežádoucím způsobem ovlivňují parametry bolometru, jako je teplotní časová konstanta.The total bolometer thickness is 17 μιτι. The CNT thus prepared is measured by absorption, which is practically 1 in the visible spectrum but deteriorates significantly towards the infrared spectrum. The bolometer is quite large and will be difficult to miniaturize in this way. In both cases, these are not microtechnical compatible technologies and cannot be used for microbolometers and do not contain a resonance gap. It follows from the above that inorganic materials with high absorption efficiency such as black gold, black platinum, thick layer S13N4 and multilayers have been sought so far. There are publications using carbon nanotubes, but it is a completely different method of creating an absorbent layer that also has other properties. These methods are either not technologically compatible with bolometer production, or adversely affect bolometer parameters, such as temperature time constant.
Podstata vynálezu Výše uvedené nevýhody odstraňuje membrána miniaturního bolometru se zvýšenou absorpcí a způsob vytvoření absorpční vrstvy bolometru podle předkládaného řešení. Podstatou nového řešení je, že na membráně je vytvořena z těsně vedle sebe vertikálně umístěných uhlíkových nanotrubic absorpční vrstva o tloušťce v rozmezí 1 jjiťF) až 25 pm. Tyto nanotrubice mohou být jednostěnné nebo multistěnné. K vytvoření absorpční vrstvy na membráně miniaturního bolometru dochází rozkladem uhlovodíku. Je použita technika pyrolytické depozice z plynné fáze. Na membráně se vytvoří z některého z materiálů ze skupiny kobalt, železo, nikl vrstvička katalytického materiálu o tloušťce 1 až 20 nm tvořící nanokrystaly libovolného tvaru. Poté se čip s membránou uzavře do komory opatřené vstupem a výstupem plynu a komora se naplní inertním plynem. Pak se membrána zahřeje na teplotu mezi 700^ a 110(ΐ|° C,* a to podle typu katalyzátoru a použitého uhlovodíku. K inertnímu plynu se přidá C2H2, CH4, nebo etylen diamin. V důsledku tepelné izolace membrány dojde pouze k ohřevu membrány a ne celého čipu. Tím na membráně začnou růst vertikálně uspořádané uhlíkové nanotrubice. V okamžiku, kdy se dosáhne tloušťky vrstvy tvořící nanotrubice mezi 1 25 pm, se uhlovodík vytěsní inertním plynem a vypne se zdroj tepla ohřívající membrány. Jedním možným zdrojem tepla pro ohřívání membrán může být zdroj záření o výkonu absorbovaném na membráně minimálně 100 pW. V jiném provedení může být zdrojem tepla pro ohřívání membrány zdroj impulzů elektrického proudu a napětí o výkonu minimálně 100 pW na membránu. Teplota membrány se monitoruje senzorem teploty který je integrován s membránou bolometru.SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned drawbacks are eliminated by a membrane of a miniature bolometer with increased absorption and a method of forming a bolometer absorption layer according to the present invention. The essence of the novel solution is that an absorbent layer with a thickness of between 1 µF and 25 µm is formed on the membrane from a vertically positioned carbon nanotube. These nanotubes may be single-wall or multi-wall. The formation of an absorption layer on the membrane of the miniature bolometer is due to the decomposition of the hydrocarbon. The gas phase pyrolytic deposition technique is used. On the membrane, a cobalt, iron, nickel layer of catalytic material with a thickness of 1 to 20 nm is formed to form nanocrystals of any shape. Thereafter, the membrane chip is sealed into a chamber provided with gas inlet and outlet and the chamber is filled with inert gas. Then the membrane is heated to between 700 and 110 ° C, depending on the type of catalyst and hydrocarbon used. C2H2, CH4, or ethylene diamine is added to the inert gas. At the moment when the nanotube forming layer thickness reaches between 25 µm, the hydrocarbon is displaced by an inert gas and the heat source heating the membranes is switched off. In another embodiment, the source of heat for heating the membrane may be a source of electrical current and voltage of at least 100 pW per membrane, the temperature of the membrane being monitored by a temperature sensor integrated with the bolometer membrane.
Protože se růst nanotrubic provádí na mikrobolometrech, které jsou tepelně izolované, jejich ohřevem se automaticky nebude ohřívat substrát, respektive se bude ohřívat jen marginálně.Since the growth of the nanotubes is carried out on microbolometers which are thermally insulated, their heating will not automatically heat the substrate, or will only heat marginally.
Hlavní výhodou oproti obvyklým způsobům je, že se zde využívají vertikálně uspořádané uhlíkové nanotrubice, které dohromady tvoří absolutně černé těleso. Ve srovnání se známými technikami pro zvyšování absorpce záření uvedené řešení zajišťuje necitlivost vytvořeného miniaturního bolometru na vlnové délce absorbovaného záření.The main advantage over conventional methods is that vertically arranged carbon nanotubes are used here, which together form an absolutely black body. Compared to known techniques for increasing radiation absorption, said solution provides insensitivity of the formed miniature bolometer to the wavelength of absorbed radiation.
Objasnění výkresů aClarification of Drawings a
Na ®br. 1A je uvedena konstrukce membrány v řezu a na &br. 1B v pohledu shora. c* <s esOn ®br. 1A is a sectional view of the diaphragm structure and & 1B in a top view. es *
Způsob přípravy uhlíkových nanotrubic pak znázorňují K)br. 2A a$)br. 2B. Na ©br. 3A a 3B jsou uvedena absorpční spektra vrstvy vertikálně uspořádaných uhlíkových nanotrubic změřené pomocí furierova transformace v infračervené oblasti (FTIR) a v oblasti terahetzových vln. Příklady uskutečnění vynálezuThe process for preparing carbon nanotubes is then shown as K) br. 2A and $) br. 2B. Na Br. Figures 3A and 3B show the absorption spectra of a layer of vertically aligned carbon nanotubes measured by a furier infrared transform (FTIR) and terahetz wave region. Examples of carrying out the invention
Nové řešení spočívá ve vytvoření funkční vrstvy membrány využívající vertikálně uspořádaných jednostěnných nebo multistěnných uhlíkových nanotrubic 7, dále jen VACNT, jako absorpční materiál a ve způsobu jejich přípravy přímo na membráně. Hlavní rozdíl mezi obvyklými způsoby a předmětem tohoto vynálezu je v tom, že zde se využívají vertikálně uspořádané trubice, které dohromady tvoří absolutně černé těleso. Jiný způsob nanášení uhlíkových nanotrubic 7 nedosahuje tak vysoké absorpce s necitlivostí k vlnové délce. Tato technologie nejsou kompatibilní s technologií výroby membrány z S1O2.The new solution consists in creating a functional membrane layer using vertically arranged single-wall or multi-walled carbon nanotubes 7, hereinafter referred to as VACNT, as an absorbent material and in the process of preparing them directly on the membrane. The main difference between conventional methods and the present invention is that vertically arranged tubes are used here, which together form an absolutely black body. Another method of applying carbon nanotubes 7 does not achieve such high absorption with wavelength insensitivity. These technologies are not compatible with S1O2 membrane production technology.
Uhlíkové nanotrubice 7 jsou známé svými unikátními vlastnostmi. Při pohledu na temně černou vrstvu vertikálně zarovnaných uhlíkových nanotrubic 7 je jasné, že tato vrstva má určitě výborné absorpční vlastnosti, minimálně ve viditelné oblasti spektra. Po změření jejich vlastností pomocí FTIR spektroskopie bylo zjištěno, že ve spektrální oblasti od 7 do 25 pm tato vrstva absorbuje záření s účinností blížící se 100^o, (?br.Carbon nanotubes 7 are known for their unique properties. Looking at the dark black layer of vertically aligned carbon nanotubes 7, it is clear that this layer certainly has excellent absorption properties, at least in the visible spectrum. After measuring their properties by FTIR spectroscopy, it was found that in the spectral region from 7 to 25 µm, this layer absorbs radiation with an effect close to 100 µl (? Br).
Cf Λ 3A. Tyto materiály mají velmi dobré absorpční vlastnosti i v oblasti THz, ®br. 3B. Ta je zajímavá tím, že zde stejně jako v infračervené IR oblasti existuje jen velmi málo způsobů detekce tohoto záření. <sCf Λ 3A. These materials have very good absorption properties also in THz, ®br. 3B. This is interesting because there are very few ways to detect this radiation, as in the infrared IR region. <s
Konstrukce membrány 3 podle předkládaného řešení je uvedena v řezu na ®br. 1A a a v pohledu shora na ®br. 1B. Je zde znázorněn křemíkový substrát 1 s jámou 2, nad kterou je zavěšena membrána 3 na dvou závěsech, menší než 100 x 100 pm2 tvořená první vrstvou 4 oxidu křemičitého S1O2 vyrobenou odleptáním křemíku pod membránou 3, přičemž zde není uplatněna rezonanční mezera. Na membráně 3 je vytvořen meandr 5 z titanové vrstvy, který slouží jako senzor teploty. Tento meandr 5 je překryt druhou vrstvou 6 oxidu křemičitého S1O2, na které je vytvořena vrstva uhlíkových nanotrubic 7. Systém je hermeticky uzavřen v pouzdru a vyvakuován. t£The construction of the membrane 3 according to the present invention is shown in sectional view of FIG. 1A and a top view of FIG. 1B. There is shown a silicon substrate 1 with a pit 2 above which is suspended a diaphragm 3 on two hinges smaller than 100 x 100 pm2 formed by the first silicon dioxide layer S102 produced by etching the silicon below the membrane 3, without the resonance gap being applied. A titanium layer meander 5 is provided on the membrane 3 to serve as a temperature sensor. This meander 5 is covered with a second layer 6 of SiO2 silicon on which a layer of carbon nanotubes 7 is formed. The system is hermetically sealed in the housing and evacuated. t £
Na ®br. 2A a 2B je znázorněn způsob uspořádání membrány 3 s meandrem 5 bolometru spolu s vertikálními uhlíkovými nanotrubicemi 7 na membráně 3 miniaturního bolometr. Vrstva VACNT se vyrobí pomocí techniky depozice z plynné fáze. Na membráně 3 se vytvoří z některého z materiálů ze skupiny kobalt, železo, nikl vrstvička nanokrystalů katalytického materiálu o tloušťce 1 až 20 nm. V uvedeném příkladu byly tyto nanokrystaly vytvořeny na druhé vrstvě 6 oxidu křemičitého SÍO2. Poté se čip 8 s membránou 3 uzavře do komory 9 opatřené víkem 10 vstupem H plynu a výstupem 12 plynu a komora 9 se naplní inertním plynem, například dusíkem. Následně se membrána 3 zahřeje na teplotu mezi 700f-€| a 1100° C podle typu katalyzátoru použitého uhlovodíku. K inertnímu plynu se přidá C2H2, ChU, nebo etylen diamin. Na membráně 3 začnou růst vertikálně uspořádané uhlíkové nanotrubice 7 a v okamžiku, kdy se dosáhne tloušťky vrstvy tvořící nanotrubice 7 mezi 1 |prfl|a 25 pm, se vypne přívod C2H2, CHU, nebo etylen diaminu, čímž se uhlovodík vytěsní inertním plynem a vypne se zdroj 13 tepla ohřívající tepelně izolovanou membránu 3. V uvedeném příkladu došlo k rozkladu uhlovodíku a růstu uhlíkových nanotrubic 7 v oblastech, kde se nacházel katalyzátor, například kobalt, za teploty 900 °C.On ®br. Figures 2A and 2B illustrate a method of arranging a membrane 3 with a bolometer meander 5 together with vertical carbon nanotubes 7 on a membrane 3 of a miniature bolometer. The VACNT layer is produced using the gas phase deposition technique. The membrane 3 is formed from one of the materials cobalt, iron, nickel layer nanocrystals of catalytic material with a thickness of 1 to 20 nm. In the example, these nanocrystals were formed on the second SiO 2 layer 6 of SiO 2. Thereafter, the chip 8 with the membrane 3 is closed into the chamber 9 provided with the lid 10 by the gas inlet H and the gas outlet 12 and the chamber 9 is filled with an inert gas, for example nitrogen. Subsequently, the membrane 3 is heated to a temperature between 700 µl and 1100 ° C depending on the type of hydrocarbon catalyst used. C2H2, ChU, or ethylene diamine is added to the inert gas. A vertically arranged carbon nanotube 7 begins to grow on the membrane 3 and the C2H2, CHU, or ethylene diamine feed is switched off when the thickness of the nanotube 7 layer between 1 µl and 25 µm is reached, whereby the hydrocarbon is displaced by the inert gas and switched off the heat source 13 heating the thermally insulated membrane 3. In the example, the decomposition of the hydrocarbon and the growth of the carbon nanotubes 7 occurred in the regions where the catalyst, for example cobalt, was located at 900 ° C.
Depozice nanotrubic 7 pomocí uvedené techniky rozkladem uhlovodíků při teplotě 900°C není kompatibilní s technologií výroby bolometrů. Pro tento účel byl vyvinut způsob, ®br. 2A a 2B, selektivní depozice, přičemž je lokálně ohřátá membrána 3 bolometru na požadovanou teplotu a tím je zajištěn růst CNTs pouze na membráně 3. Při výrobě takto realizované membrány 3 bolometru jsou dva možné způsoby zahřátí membrány 3. Jedním je ohřev pomocí paprsku laseru nebo zdroje záření, jako je například infračervené záření, o absorbovaném výkonu minimálně 100 pW. Druhým způsobem je použití zdroje impulzů elektrického proudu a napětí o výkonu minimálně 100 pW, kde tyto impulzy jsou přiváděny na Ti meandr 5 v bolometru. V obou případech je možné nechat narůst vrstvu uhlíkových nanotrubic 7 na hotových bolometrech dokonce po jejich zapouzdření, aniž by došlo k jejich poškození. Pokud poroste vrstva uhlíkových nanotrubic 7 za sníženého tlaku použitého plynu, teplotní ztráty z membrány 3 bolometru jsou dané především tepelnou vodivostí respektive odporem přívodů bolometru. Bolometr, který byl podle uvedeného příkladu realizován, má tepelný odpor ^jlO'7W/K, takže k jeho ohřevu na teplotu 900°C stačí 175 pW. To je velmi malé množství energie, které zabraňuje ohřát vlastní součástku a tím ji poškodit.Deposition of nanotubes 7 using the above hydrocarbon decomposition technique at 900 ° C is not compatible with bolometer manufacturing technology. A method has been developed for this purpose. 2A and 2B, the selective deposition wherein the bolometer membrane 3 is locally heated to the desired temperature, thereby providing CNTs growth only on the membrane 3. There are two possible ways of heating the membrane 3 in the production of the bolometer membrane thus realized. radiation sources, such as infrared radiation, with an absorbed power of at least 100 pW. The second way is to use a source of electrical current and voltage of at least 100 pW where these pulses are fed to Ti meander 5 in the bolometer. In both cases, it is possible to grow the layer of carbon nanotubes 7 on the finished bolometers even after their encapsulation without damaging them. If a layer of carbon nanotubes 7 grows under reduced pressure of the gas used, the temperature losses from the bolometer membrane 3 are mainly determined by the thermal conductivity or resistance of the bolometer inlets. The bolometer, which has been implemented in this example, has a thermal resistance of 10 7 W / K, so that 175 pW is sufficient to heat it to 900 ° C. This is a very small amount of energy that prevents the component from heating up and damages it.
Lze tedy konstatovat, že se jedná o nový způsob vytváření membrány 3 bolometru za účelem zvýšení efektivity absorpce infračerveného záření a tím zvýšení citlivosti a odezvy na dopadající infračervené záření. Toho je dosaženo absorpční vrstvou jednostěnných nebo multistěnných uhlíkových nanotrubic 7 vytvořenou přímých růstem ve vertikálním uspořádání a způsobem jejího vytvoření na hotovém mikrobolometru s mikromechanickými membránami.Thus, it can be stated that this is a new method of forming a 3 bolometer membrane in order to increase the efficiency of infrared absorption and thereby increase the sensitivity and response to incident infrared radiation. This is achieved by an absorbent layer of single-wall or multi-wall carbon nanotubes 7 formed by direct growth in a vertical arrangement and a method of forming it on a finished microbolometer with micromechanical membranes.
Dochází zde tedy ke zvýšení účinnosti absorpce bolometrické membrány 3, aniž by došlo k nežádoucímu zhoršení parametrů bolometru. Tímto způsobem vznikne bolometr s vysokou absorpční účinností. Pokud se takový bolometr použije pro infračervenou kameru, bude mít vysokou citlivost. Také na druhou stranu bude možné při nominální citlivosti zmenšit velikost membrány 3 bolometru a tím zmenšit velikost celého čipu. V takovém případě bude možné připravit na křemíkové desce nominální velikosti více čipů a tím snížit jejich jednotkovou cenu.Thus, there is an increase in the absorption efficiency of the bolometric membrane 3 without undesirable deterioration of the bolometer parameters. In this way, a bolometer with high absorption efficiency is produced. If such a bolometer is used for an infrared camera, it will have a high sensitivity. Also, on the other hand, it will be possible to reduce the size of the 3 bolometer membrane at a nominal sensitivity and thereby reduce the size of the entire chip. In this case, it will be possible to prepare a nominal size of multiple chips on a silicon wafer, thereby reducing their unit price.
Hlavní rozdíl mezi obvyklými způsoby a předmětem tohoto vynálezu je v tom, že zde se využívají vertikálně uspořádané trubice, které dohromady tvoří absolutně černé těleso. Tudíž ve srovnání se známými technikami zvyšování absorpce záření, pomocí předkládaného řešení lze docílit necitlivosti na vlnové délce absorbovaného záření.The main difference between conventional methods and the present invention is that vertically arranged tubes are used here, which together form an absolutely black body. Thus, compared to known techniques for increasing radiation absorption, the present solution can provide insensitivity to the wavelength of absorbed radiation.
Průmyslová využitelnostIndustrial usability
Membrána miniaturního bolometru podle uvedeného řešení je využitelná například pro termovizi, bezdotykové měření teploty, měření tepelně zatížených míst jako jsou izolátory na rozvodech vysokého napětí, přetížené části výkonových rozvodů, 3f rozvodné transformátory, tepelné úniky, tepelné můstky, snímání tepelného obrazu přes clonící materiály a podobně.The mini-bolometer diaphragm according to the above-mentioned solution can be used, for example, for thermovision, non-contact temperature measurement, measurement of heat-loaded places such as high voltage insulators, overloaded power distribution parts, 3f distribution transformers, thermal leaks, thermal bridges, thermal image sensing through screening materials and alike.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-273A CZ2015273A3 (en) | 2015-04-23 | 2015-04-23 | Membrane of miniature bolometer with increased absorption and method of making bolometer absorption layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-273A CZ2015273A3 (en) | 2015-04-23 | 2015-04-23 | Membrane of miniature bolometer with increased absorption and method of making bolometer absorption layer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ306065B6 CZ306065B6 (en) | 2016-07-20 |
| CZ2015273A3 true CZ2015273A3 (en) | 2016-07-20 |
Family
ID=56611787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2015-273A CZ2015273A3 (en) | 2015-04-23 | 2015-04-23 | Membrane of miniature bolometer with increased absorption and method of making bolometer absorption layer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2015273A3 (en) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7608824B2 (en) * | 2007-09-20 | 2009-10-27 | Ut-Battelle, Llc | Doped carbon nanostructure field emitter arrays for infrared imaging |
| FR2923601B1 (en) * | 2007-11-12 | 2010-01-01 | Commissariat Energie Atomique | AN ELECTROMAGNETIC RADIATION DETECTOR WITH NANOFIL CONNECTION AND METHOD OF MAKING SAME |
| CA2670867A1 (en) * | 2009-06-25 | 2010-12-25 | Lehigh University | Sensors incorporating freestanding carbon nanostructures |
| FR2965349B1 (en) * | 2010-09-23 | 2017-01-20 | Commissariat Energie Atomique | BOLOMETER WITH FREQUENCY DETECTION |
| CA2845539A1 (en) * | 2011-08-15 | 2013-05-10 | Purdue Research Foundation | Methods and apparatus for the fabrication and use of graphene petal nanosheet structures |
| CN102426060B (en) * | 2011-08-26 | 2013-04-10 | 电子科技大学 | Terahertz or infrared micro-bolometer and manufacturing method thereof |
-
2015
- 2015-04-23 CZ CZ2015-273A patent/CZ2015273A3/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ306065B6 (en) | 2016-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xu et al. | PtTe2‐based type‐II Dirac semimetal and its van der Waals heterostructure for sensitive room temperature terahertz photodetection | |
| Lai et al. | Anisotropic broadband photoresponse of layered type‐II weyl semimetal MoTe2 | |
| Hsu et al. | Graphene-based thermopile for thermal imaging applications | |
| Dao et al. | Hole array perfect absorbers for spectrally selective midwavelength infrared pyroelectric detectors | |
| TWI475673B (en) | Electromagnetic and thermal detector using nanotube fabric and methods of making same | |
| Grant et al. | A monolithic resonant terahertz sensor element comprising a metamaterial absorber and micro‐bolometer | |
| CN105977335B (en) | Shortwave optics thermal detector and its focal plane array device | |
| CN111525023A (en) | Infrared detector and preparation method thereof | |
| Vicarelli et al. | Micromechanical bolometers for subterahertz detection at room temperature | |
| Chen et al. | Polarization insensitive, metamaterial absorber-enhanced long-wave infrared detector | |
| Deng et al. | Switchable unipolar‐barrier van der Waals heterostructures with natural anisotropy for full linear polarimetry detection | |
| Chen et al. | A plasmonic infrared photodetector with narrow bandwidth absorption | |
| Chen et al. | Highly polarization-sensitive far infrared detector based on an optical antenna integrated aligned carbon nanotube film | |
| Wang et al. | Distinctive Performance of Terahertz Photodetection Driven by Charge‐Density‐Wave Order in CVD‐Grown Tantalum Diselenide | |
| Guo et al. | Microbolometer with a salicided polysilicon thermistor in CMOS technology | |
| Zhang et al. | Ultrasensitive and Self‐Powered Terahertz Detection Driven by Nodal‐Line Dirac Fermions and Van der Waals Architecture | |
| Mbarek et al. | Recent advances on MEMS based Infrared Thermopile detectors | |
| Xie et al. | Zero‐bias long‐wave infrared nanoantenna‐mediated graphene photodetector for polarimetric and spectroscopic sensing | |
| Wu et al. | One-step rolling fabrication of VO2 tubular bolometers with polarization-sensitive and omnidirectional detection | |
| Jiang et al. | Fast Switching of Bolometric and Self‐Powered Effects in 2H‐NbSe2 for High‐Efficiency Low‐Energy Photon Harvesting | |
| Wang et al. | Photocurrent response of carbon nanotube–metal heterojunctions in the terahertz range | |
| Hiromoto et al. | Room-temperature THz antenna-coupled microbolometer with a Joule-heating resistor at the center of a half-wave antenna | |
| Smith et al. | Responsivity improvements for a vanadium oxide microbolometer using subwavelength resonant absorbers | |
| CZ2015273A3 (en) | Membrane of miniature bolometer with increased absorption and method of making bolometer absorption layer | |
| Shea et al. | Midwave thermal infrared detection using semiconductor selective absorption |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20210423 |