DE2000101A1

DE2000101A1 - Immersionsbolometer

Info

Publication number: DE2000101A1
Application number: DE19702000101
Authority: DE
Inventors: Francois Desvignes; Paul Guiochon; Jean Pompei
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-12-31
Filing date: 1970-01-07
Publication date: 1970-07-16
Also published as: US3629585A; FR1600335A; GB1288303A

Description

FPHlT. k 1 1 k

dJo/Sp. Dipl.-In-r. HOIlST AUER O Π Π Π 1

Patentanwalt ZUUUI

Xuiegexemplar

bvi rieft geändert werden

"Immersxonsbolometer". y

Die Erfindung betrifft ein Thermistor-Immersionsbolometer mit einer für Infrarotstrahlung durchlässigen, halbkugelförmigen Linse, auf der optisch unter Zwischenfügung \ einer isolierenden Haut, die für Infrarotstrahlung durchlässig ist, in der Mitte der Linsenfläche ein Thermistorelement mit metallischen Stromzuführungsteilen angebracht ist,

Bekanntlich dient ein Bolometer zum Messen der Leistung einer Ätrahlung insbesondere im Infrarotgebiet.

Das empfindliche Organ einer solchen Vorrichtung ist ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten,

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hier Thermistor genannt, dessen Ohm¹scher Wert sich bei Zunahme der Temperatur unter der Wirkung dieser Strahlung erheblich ändert.

Zum Erhöhen der Empfindlichkeit eines Bolometers wird der Thermistor oft auf einem geeigneten optischen Organ angebracht, das die auf die Eintrittsfläche fallenden Strahlenbündel auf den Thermistor konvergiert. Dieses optische Organ besteht im allgemeinen aus einer Halbkugellinse, in deren Krümmungsmitte der Thermistor angebracht ist, und die gleichzeitig als mechanische Stütze für den Thermistor dient. Das Bolometer wird dann ein Immersionsbolometer genannt. Selbstverständlich muss das Material der abstützenden Linse für die Infrarotstrahlung durchlässig sein. Es wird vorzugsweise ein Material wie Germanium gewählt, das sowohl einen hohen Brechungsindex (etwa k) aufweist, wodurch bei einer bestimmten Linsenoberfläche und einer bestimmten Strahlungsintensität die vom Thermistor aufgefangene Energie erhöht werden kann, als auch eine gute thermische Leitfähigkeit (0,15 cal/ see/⁰ C) hat, wodurch die Zeitkonstante des Bolometers erniedrigt werden kann.

Bekanntlich enthält der Detektionskreis eines Thermistorbolometers im allgemeinen zwei Thermistoren, von denen einer, das aktive Element, der zu messenden Strahlung ausgesetzt wird und der andere, das Kompensationselement, vor der Strahlung abgeschirmt wird.

Um das Kompensationselement vor der Wirkung der Strahlung zu schützen, wird dieses in den bekannten Bolome-

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tern gewöhnlich hinter einem absorbierenden Schirm angebracht, der an sich hinter dem aktiven Element liegt, in der Strahlungsrichtung gesehen. Diese Anordnung bringt bestimmte mechanische Schwierigkeiten mit sich, die noch dadurch erhöht werden, dass die Thermistoren des in Bolometern verwendeten Typs sehr verletzbare Organe sind. Die Thermistoren haben die Form von Tabletten, die aus einem geeigneten Material gestanzt sind, gewöhnlich aus einer Verbindung von Metalloxyden z.B. Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt, und die auf einer Oberfläche mit zwei Kontaktzonen aus Silber versehen sind. Um die thermische Trägheit jedes der Thermistoren auf ein Mindestmass herabzusetzen, ist es notwendig, ™ sehr dünne Tabletten zu verwenden. Es ist andererseits be» kannt, dass die Detektionsleistung eines Bolometers (die Petektionsleistung entspricht praktisch dem Wert des Signal-Rausch-Verhältnisses bei' einer bestimmten Strahlungsfrequenz und einer bestimmten Intensität) umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Oberfläche seines aktiven Elementes ändert; dies erfordert die Verwendung von Tabletten kleiner Oberfläche. Die mechanische Festigkeit der Tabletten ist daher gering, so dass die Herstellung sowie der Gebrauch zahlreiche gä Schwierigkeiten bereiten, insbesondere bei der Befestigung auf den abstützenden Linsen. Ausserdem können sich während der notwendigen Befestigungsbehandlungen an den Linsen die Eigenschaften der Thermistoren ändern.

Zu diesen Schwierigkeiten bei der Herstellung und dem Gebrauch der zwei Tabletten-Thermistoren fügt sich die

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Notwendigkeit, wenigstens die Ohm'sehen Werte in dem Detektionskreis des Bolometers aneinander anzupassen, um den Detektionskreis dem Einfluss der Schwankungen der Umgebungstemperatur zu entziehen. «Diese Anforderung der Anpassung~ bringt eine strenge Selektion der Tabletten nach der Herstellung und somit einen erheblichen Ausschuss und einen Zeitverlust mit sich.

Eine andere Schwierigkeit liegt in dem verhältnismässig hohen Geräusch infolge der elektrischen Kontakte an den Tablettenoberfläche. Der Rauschpegel ist ein wesentliches ^ Merkmal eines Bolometers und es ist durchaus notwendig, dessen Wert zu erniedrigen. Infolge der körnigen Oberfläche der Tabletten ist es jedoch besonders schwierig, Ohm'sche Kontakte mit niedrigem Rauschpegel herzustellen.

Um einerseits die Herstellung von Bolometern zu vereinfachen und andererseits bessere Ergebnisse insbesondere in bezug auf die Erniedrigung der Zeitkonstante und des Rauschpegels zu erzielen, sind Versuche gemacht, die Struktur und die Natur der für Thermistoren verwendbaren Materialien zu ändern: in dem französischen Patent 1, 29^f6"92 vom IP 12.JuIi 1961 wird ein Bolometer beschrieben, in dem man die Oxyde durch Germanium oder Silicium in Form dünner Schichten aufeinander abstützenden, vorher mit einer Isolierbett überzogenen Linse ersetzt hat.

Der Ersatz eines festen Materials durch ein verwandtes Material in dünnen Schichten bringt tatsächlich eine erhebliche Verringerung der Zeitkonstante des Thermistorelementes mit sich. Die Verwendung von Germanium oder

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Silicium an Stelle der Oxyde bringt jedoch auch grosse Probleme mit sich.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Durchlässigkeit von Silicium für Infrarotstrahlung weder vollkommen noch gleichmässig ist und sich "erheblich mit der Dotierung ändert. Die Verwendung dieses Materials ist daher nur für sehr bestimmte Frequenzen dieser Strahlung denkbar.

Germanium hingegen hat eine praktisch gleichmässige Durchlässigkeit über die ganze Breite des Infrarotspektrums, so dass die Verwendung dieses Materials für die Substratlinse gerechtfertigt ist. Diese Durchlässigkeit bringt jedoch eine J Schwierigkeit bei der Herstellung eines Bolometers mittels dieses Materials mit sich. Da die Germaniumschicht des Thermistors nicht für die Strahlungen empfindlich ist, muss sie mit einer undurchsichtigen Schicht überzogen werden, die auf die Thermistorschicht die aufgefangene kalorische Energie überträgt. Daher muss unmittelbar auf der dünnen Germaniumschicht eine Schicht eines schwärzenden Körpers angebracht werden, wie diese gewöhnlich in diesem Gebiet verwendet wird z.B. Goldschwarz, Platinschwarz, usw., wodurch die Schwierigkeiten der Herstellung erhöht werden, während der eigentliche Ohm.*sehe Wert des Thermistors und seine Strahlungsansprechkurve geändert werden können.

Weiterhin, nac.h der amerikanischen Patentschrift 3,312,572 vom 4.April 1967 in bezug auf die Herstellung von Dijuini-schichtthermistoren aus Germanium oder Silicium liegt eine weitere Schwierigkeit in der genauen Dotierung der an-

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gebrachten dünnen Schicht und in der Herstellung nicht gleichrichtender Kontakte. Daher müssen die gesamten Aufdampfungsprozesse in einem einzigen Zyklus in einer vollkommen sauerstofffreien Restatmosphäre durchgeführt werden, wobei das Substrat sowie der Aufdampfungstiegel vollkommen rein sein müssen, damit die aufgebrachte, empfindliche Schicht nicht verdorben wird, während das Substrat genau und verschiedentlich auf bestimmte Temperaturen während der Germaniumablagerung und der Anbringung des Kontaktmetalles gebracht werden muss und der Raum soll erst geöffnet werden nachdem die Innentemperatur durch progressive Abkühlung auf den Pegel der Umgebungstemperatur herabgesunken ist, was zwei bis drei Stunden beanspruchen kann. Es sei bemerkt, dass nur Wismut und Antimon für die Kontaktzonen anwendbar sind; dabei hat Wismut noch den Nachteil, dass seine Schmelztemperatur nidrig ist (^271⁰C), was eine zusätzliche Schwierigkeit bei der Verbindung der Thermistoren mit äusseren Kontaktdrähten mit sich bringt, da das Wismut erwichen und dadurch die untenliegende empfindliche Schicht verderben kann. Andererseits bringt die Anwesenheit einer oxydierten Schicht an der Grenzfläche zwischen Germanium und Wismut oder Antimon unvermeidlich eine Gleichrichtwirkung des Hontaktes mit sich, so dass es notwendig ist, eine möglichst wenig oxydierende Atmosphäre zu verwenden.

Die grosse Veränderlichkeit des Ohm'sehen Widerstands von Germanium oder Silicium als Funktion der Dotierungskonzentration und die Empfindlichkeit des Widerstands für die

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geringste Verunreinigung machen es besonders schwer, den erwünschten Wert dieses Widerstandes zu verwirklichen. Diese Schwierigkeit rechtfertigt die vorerwähnten besonderen Vorkehrungen bei der Aufdampfung.

Die Verwendung von Germanium oder Silicium bringt eine weitere Komplikation mit sich in bezug auf die Notwendigkeit der elektrischen Isolierung der Thermistorschicht gegen die Masse der Substratlinse, wenn diese metallisch ist, wie im Falle einer Germaniumlinse. Zu diesem Zweck ist unabhängig von der Art des Materials des Thermistors (Germanium, Silicium oder Oxyde) bisher eine Selenschicht verwendet werden. Selen hat den notwendigen hohen spezifischen Widerstand und eine gute Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung; sein Schmelzpunkt ist jedoch niedrig (rs/271°C), wodurch es im Vakuum leicht sublimiert. Während der Aufdamp- ι fung der empfindlichen Schicht kann das Selen von der Linsenoberfläche verschwinden, wodurch die Isolierung zwischen der Linse und der empfindlichen Schicht verloren gehen kann. Es ist bereits vorgeschlagen worden z.B. in der französischen Patentschrift 1,398,252 vom 26.Mai - 196k, das Selen durch g eine Glasschicht zu ersetzen, die im angemessenen Verhältnis Selen, Arsen, Schwefel und Thallium enthält. Diese glasartige Zusammensetzung eignet sich jedoch nicht für eine emp—findliche Schicht eines Halbleiters wie Germanium, da dieser verdorben werden könnte, wodurch sein Ohm'sehen Eigenschaften ernstlich geändert werden wurden.

Zusammenfassend bringt der Ersatz der empfindlichen Oxydtabletten in einem Thermistor-Immersionsbolometer

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durch eine dünne Germanium- oder Siliciumschicht ernstliche technische, aber nicht unlösbare Probleme mit sich.

Die Erfindung bezweckt, ein Thermistor Immersions-· bolometer zu schaffen, dessen mechanische Zusammensetzung und dessen Art und Struktur und bei dem die Bearbeitung der Thermistorelemente derart sind, dass einerseits die Herstellung des Bolometers vereinfacht wird und andererseits im Vergleich zu den bekannten Bolometern die Leistungen verbessert werden, während schliesslich die Eigenschaften vollkommen reproduzierbar sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu gründe, dass es möglich ist, dünne Schichten aus komplexen, leitenden, halbleitenden oder dielektrischen Substanzen herzustellen, die z.B. in einer engen Verbindung mehrere Oxyde enthalten und dass, indem das aktive und das kompensierende Element des Bolometers gleichzeitig und identisch ausgebildet und auf dem gleichen Substrat angebracht werden, eine nahezu vollkommene Identität dieser Elemente sichergestellt werden kann.

Nach der Erfindung wird ein Thermistor Immersionsbolometer mit einer für Infrarotstrahlung durchlässigen, halbkugelförmigen Linse, auf der optisch unter Zwischenfügung einer isolierenden Haut, die für Infrarotstrahlung durchlässig ist, in der Mitte der LinsenflSche ein Thermistor« element mit metallischen Stromzuführungsteilen angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zwischenfügung einer Isolierschicht dde flache Oberfläche der Linse mit

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einem zweiten Thermistorelement ausserhalb der Zentralzone der Fläche versehen ist, welches zweite Thermistorelement nahezu keine Infrarotstrahlung durch diese Linse empfangen kann, welche erste und zweite Thermistorelemente aus einer Widerstandssehicht bestehen, die im wesentlichen mindestens ein Metalloxyd enthält, das an der betreffenden Stelle durch Kathodenzerstäubung unter geregelten Umständen angebracht ist, die für jedes der Thermistorelemente gleich sind, welche metallischen Stromzuführungsteile der Thermistorelemente durch im Vakuum aufgedampfte Metallschichten gebildet werden.

Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung be- J

steht darin, dass zwei Elemente gleichzeitig angebracht werden können, indem ein bevorzugtes, einen Teil dieser Erfindung bildendes Verfahren benutzt wird. Nach diesem Verfahren werden die zwei Thermistoren in Form dünner Schichten durch die kombinierten Methoden der Aufdampfung im Vakuum und der Kathodenzerstäubung angebracht.

Diese Methoden sind beide allgemein bekannt, aber die Verwendung derselben im vorliegenden Falle erleichtert die Herstellung der beiden Thermistoren. Auch die Befestigung der Thermistoren wird dabei erleichtert. Nur die Güte ' der Haftung könnte Schwierigkeiten bereiten. Es liegt jedoch ausreichende Erfahrung in der Dünnschichttechnik vor, um die jenigen Schichten auszuwählen, die sich mit der mechanischen Befestigungsaufgabe vereinigen lassen.

Die gleichzeitige Herstellung der zwei Thermistoren hat weiterhin den Vorteil, dass die zwei Thermistoren praktisch identisch sind, so dass ihre Ohm'sehen Werte praktisch

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gleich und ihre weiteren Eigenschaften gleich sind.

Damit das Kompensationselement vor der einfallenden Strahlung geschützt wird, genügt es, zwischen der Substratlinse und dem Kompensationselement einen geeigneten Metallschirm anzubringen, der auch in Form einer dünnen Schicht angebracht werden kann.

Auch die mechanische Herstellung der Bolometer wird im Vergleich zu den Bolometern mit Thermistortabletten dadurch vereinfacht, dass es bedeutend leichter ist, empffindliche, sehr klein bemessene Oberflächen festzulegen, wenn diese Oberflächen aus dünnen Schichten bestehen, (wie gesagt ist die Detektionsleistung eines Bolometers umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Oberfläche des empfindlichen Elementes). Es genügt tatsächlich, passende Masken bei der Aufdampfung und der Kathodenzerstäubung zu verwenden, während bei den Oxydtabletten, die eine minimale Oberfläche und Dicke mit Rücksicht auf ihre Handhabung und auf eine ausreichende mechanische Festigkeit haben müssen, die Oberfläche des aktiven Elementes mittels zusätzlicher, zwischengefügter Schirme bei der Anbringung der Elemente und der Linsen beschränkt werden muss.

Als Material der dünnen Thermistorschichten lassen sich alle Substanzen verwenden, die sowohl einen hohen spezifischen Widerstand und einen hohen negativen TemperaturkoeffiäBienten aufweisen (z.B. einfache Substanzen wie Bor, binäre ' Verbindungen wie Indiumsulfid). Es wird jedoch bevorzugt, eine Verbindung von Oxyden der Ubergangsmetalle zu verwenden, welche Oxyde sich wie valenzabhängige Halbleiter verhalten, z.B. ein ternäre Verbindung von Mangan-,(75^) Nickel- (2O#) und Cobaltoxyd (5%). Bekanntlich kann diese Substanz in Form einer dün-

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nen Schicht entweder durch Kathodenzerstäubung einer Platte aus der gleichen Substanz im festen Zustand oder im pulverigen Zustand in einem geschlossenen Raum, welche Platte durch eine in der Keramikhersteilung bekannte Methode, z.B. bei der Ferritherstellung vorbereitet ist, oder entsprechend der Patentanmeldung Nr. 170,009 vom 15· Oktober I968 der Anmelderin durch direkte Synthese mittels reaktiver Kathodenzerstäubung einer komplexen Platte erhalten werden, auf welcher Platte in geeigneten Verhältnissen jedes der Metalle der Zusammensetzung der erwähnten Substanz vorhanden ist.

Der Ersatz einer Tablette mit einer Dicke von 15O bis 200 /um durch eine dünne Schicht (1 bis 10,um) aus Thermistormaterialien nahezu gleicher chemischer Zusammensetzung ermöglicht, die thermische Trägheit des Bolometers sehr wesentlich zu verringern: die Zeitkonstante verringert sich von einem Wert von 5 bis· 6 ms auf einen Wert von weniger als O,k ms.

Ausserdem ermöglicht das Herstellungsverfahren der Anmelderin, die Kathodenzerstäubung, zur Herstellung -der dünnen Thermistorschichten, Schichten zu bilden, die nötigenfalls durch einen hohen Koeffizienten "β " gekennzeichnet werden. M Dieser Koeffizientβ entspricht dem Pegel der thermischen Aktivierung des Materials einer Schicht und ermöglicht, den Temperaturkoeffizienten dieses Materials durch die Beziehung:

ά= -Λ /τ²

zu errechnen, wobei T die absolute Temperatur dieses Ma-frerials ist.

Die Erfahrung zeigt, dass es nunmehr möglich ist,

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einen Wert (!> bei einer Schicht aus Oxyden der Ubergangsmetalle von mindestens 5000° K, entsprechend 25° C und einem Tempera·* turkoeffizienten von etwa -5,5$ zu erzielen. Vergleichsweise sei bemerkt, dass der mittlere Temperaturkoeffizient eines üblichen tablettenförmigen Thermistors etwa -h^o beträgt, wähirend er bei einer dünnen Germaniumschicht nur -3$ beträgt.

Die Erhöhung des Temperaturkoeffizienten ermöglicht gleichzeitig die Empfindlichkeit des Bolometers (Verhältnis zwischen der· maximalen Signa !spannung an den Klemmen des aktiven Elementes und dem mittleren Wert der einfallenden Strahlungsenergie bei einer bestimmten Frequenz oder bei einem bestimmten Frequenzband der Strahlung) und die Detektionsleistung zu erhöhen ο

Es sei weiterhin bemerkt, dass der Rauschpegel eines Bolometers dünner Schichten nach der Erfindung niedriger ist als der des üblichen Bolometers und dieser Rauschpegel ist' praktisch unabhängig von der Dicke der Schicht. Diese Verbesserung ist grössenteils auf die gleichzeitige Verbesserung ■der Ausgangskontakte auf der empfindliehen Schicht zurückzuführen. Diese Schicht ist kompakter in der Form einer dünnen Schicht als in der Form des gefritteten Materials J die Granulierung ist feiner und die Oberflächenbeschaffenheit ist weniger rauh. Der Kontakt mit der Metallschicht ist daher enger, obwohl die Kontaktschicht an sich sehr fein ist. Die Güte des Kontaktes wird noch dadurch erhöht, dass der Kontakt im Vakuum angebracht wird, was der mechanischen Silberablagerung vorzuziehen ist.

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Im Vergleich zu den Bolometern mit dünnen Germaniumoder Siliciumschichten weist das Bolometer mit dünnen Schichten nach der Erfindung, dessen empfindliche Oberfläche Oxyde enthält, den Vorteil auf, dass es technisch leichter ist, die Kontaktzomen anzubringen. Bei den Oxyden ist die Gleichrichterwirkung der Kontakte wie beim Germanium oder Silicium nicht zu befürchten. Das Metall des Kontaktelementes lässt sich somit in einem weiten Gebiet von Materialien oder Legierungen wählen und die Auswahl ist nicht auf die zwei Substanzen ¥ismut und Antimon beschränkt, die bei Germanium und Silicium zwangsläufig benutzt werden müssen. Die Anbringung * der Kontakte gibt bei Oxyden keinen Anlass zu irgendeiner Schwierigkeit und erfordert z.B. nicht, dass die Atmosphäre des Gefässes vollkommen frei von Sauerstoff sei.

In technischer Hinsicht ist bei einem Dünnschichtbolometer nach der Erfindung nicht notwendig, nach der Anbringung der Schichten eine längere Ruheperiode zu berücksichtigen, wie dies bei dünnen Germanium- und Siliciumschichten erforderlich ist. Dies ergibt eine besonders grosse Zeitersparung in der Gesamtherstellung.

Eine Schicht aus Oxyden ist bedeutend stabiler und " neutraler in bezug auf Verunreinigungen als eine Germaniumoder Siliciumschicht. Die Herstellung des Bolometers nach der Erfindung wird also besonders dadurch vereinfacht, dass sie keine besonderen Vorkehrungen erfordert in bezug auf die Reinheit der Atmosphäre oder der unterschiedlichen Aufdampfungs- oder Kathodenzerstäubungsvorrichtungen oder der an der Her-

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stellung der Schichten beteiligten Einzelteile. Die industrielle Ausbeute und die Reproduzierbarkeit werden dadurch erhöht. Bei der Herstellung eines Thermistor-Immersionsoolometers nach der Erfindung wird zunächst auf einem Gebiet der flachen Oberfläche einer halbkugelförmigen Germaniumlinse ausserhalb der Zentralzone dieser Oberfläche eine Schicht eines infrarot-absorbierenden Materials angebracht. In einer verhältnismässig dicken Schicht (/v» 1 ,um) eignet sich Nickel vorzüglich zu diesem Zweck; es wird auf einer sehr feinen Nickel-Chrom-Unterlage durch Aufdampfung angebracht,, welche die mechanische Verbindung mit dem Germanium der Linse herstellt. Auf dieser Nickel-Schicht und auf dem Zentralgebiet der Linse wird darauf durch Aufdampfung im Vakuum oder Kathodenzerstäubung eine Schicht einer Substanz angebracht, die eine gute dielektrische Festigkeit, eine gute Durchlässig-^ keit für Infrarotstrahlung, eine geeignete thermische Leitfähigkeit aufweist und die eine gute optische Verbindung einerseits mit dem Germanium ut d andererseits mit der untenliegenden Oxydschicht ergeben kann. Ausserdem muss diese Substanz ohne Verschlechterung dem Ionen- und Elektronenaufprall widerstandsfähig sein, dem sie notwendigerweise während der nachherigen Anbringung der empfindlichen Schicht ausgesetzt wird. Als Übergangsseiicht zum Isolieren der Germaniumlinse ist bisher Selen bevorzugt worden. Selen eignet sich jedoch nicht / zur Verwendung ir, einem Bolometer nach der vorliegenden Erfindung, da das Selen wegen seines niedrigen Schmelzpunktes während der Zerstäubung sublimieren würde. Es ist daher vorteilhaft, Substanzen wie Selenoxyde, vorzugsweise Seienmonoxyd

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wegen seiner hohen Dielektrizitätskonstante zu verwenden. Auf dieser Isolierschicht werden darauf die zwei Thermistoren, einer das aktive Element, in der Mitte der flachen Oberfläche, der andere, das Kompensationselement, ausserhalb der Mitte der flachen Oberfläche und in der Achse der anfangs auf der Linse angebrachten Nickelschicht angebracht» Die Nickelschicht dient als Infrarotabschirmung für das Korapensationselement, das also nicht wie das aktive Element erwärmt wird, Ba das Kompensationselement ausserhalb des Strahlenkonvergenzgebietes liegt, wird die darunter liegende Nickelschicht sehr wenig erwärmt und die Wärme wird schnell von der Linse " absorbiert, deren Wärmekapazität verhältnisnaässig hoch ist. Die Temperatur des Kompeissa ti ons element es bleibt somit praktisch gleich der Uisgebtaigstemperatur.

Die Thermistoren in Form dünner Schichten aus Oxyden der erwähnten aktiven nnä kompensierenden Elemente lassen sich auf verschiedene Welse anbringen, wo es sich, van die Anbringung der empfindlichen Schicht und der Kontaktzonen der Au s gänge hand e11.

Es ist vorteilhaft, eine Struktur zu benutzen, in g der das elektrische SpeisestrosEf'eld senkrecht zur Ebene der empfindliche»· Scbiolxt ist» Das Verfahren zur Bildung der unterschiedlichen Schi'-äriän der si;ei ¹Ih-Z¹^isi<oTen des Bolometers umfasst die Auixüsropj: :_;*ij :i.:z "v'-aSra^üu ©Ιώ,θξ* Ηώ^ϊ sijier Nickel-Chrom-Legierung, avif' s"..i.:".i.^ Teil iieTsslcsa dia ssr3i*iii«31ichen~ Sciiiiciit aBgebrsiclit «ira ,. "xra-rif ein® n©vvs lilo'issl^Chros-Schicnt mit einer Nxc^sl-Otarsc^duist äSvnlicn dei¹ äes nicht von ύ@τ

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empfindlichen Schicht bedeckten Teiles der ersten Nickel-Chrom-Schicht angebracht wird. Die erste Nickel-Chrotfl-Schicht, welche den elektrischen Kontakt mit der der Linse zugewandten Oberfläche der empfindlichen Schicht der Thermistoren herstellt, führt trotz ihrer Lage in der Bahn der Infrarotstrahlung wegen ihrer sehr geringen Dicke (tv 150 X) nur eine sehr geringfügige Schwägung der auf das aktive Bolometerelement fallenden Energie herbei.

Hingegen ist die Nickel-Chrom-Nickel-Schicht, welche die dem Thermistor gegenüber liegende Elektrode bildet und deren Dicke etwa 1 ,um beträgt, für die Strahlung undurchlässig, so dass sie einen günstigen Einfluss auf die Ausbeute des Bolometers ausübt, indem sie den sehr kleinen Bruchteil der in der unmittelbaren Bahn noch nicht von der empfindlichen Schicht absorbierten Energie zur empfindlichen Schicht zurückstrahlt.

Die Thermistorstruktur ermöglicht, Bolometer herzustellen, deren aktive Elemente und Kompensationselemente einen niedrigen Widerstand und dennoch einen hohen Temperaturkoeffizienten (5 bis 6$) aufweisen . Der niedrige Widerstand ermöglicht eine entsprechende Verringerung der Speisespannung des Detektionsorgangs des Bolometers, ohne dass die Detektionsleistung zu stark verringert wird, wodurch die Verwendung dieser Vorrichtungen erleichtert wird.

Obgleich diese Struktur sich besser zum Frzielen von Thermistoren niedrigen Ohm'sehen Wertes eignet als andere ist es andererseits auch möglich, Thermistoren hohen Ohm'sehen Wertes herzustellen, wobei der Ohm'sche Wert sich leicht und

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reproduzierbar auf eine bestimmte Zahl einstellen lässt. Dies ist bei einem Bolometer sehr wichtig, da es dadurch einfacher ist, eine gute Vereinigbarkeit seiner Detektionsvorrichtung mit dem darauffolgenden Verstärker zu erzielen.

Die Erfindung wird an Hand beiliegender Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. 1 einen Schnitt durch das aktive Element und das Kompensationselement eines differentiellen Immersionsbolometers mit Thermistoren nach der Erfindung angebracht auf der Linse des Bolometers in einer ersten Ausführungsform dieser Elemente, |

Fig. 2 eine Draufsicht auf diese Elemente,

Fig. 3 einen Schnitt durch die zwei empfindliche Elemente eines Bolometers nach der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform dieser Elemente,

Fig. k eine Draufsicht auf die zwei empfindliche Elemente des Schnittes der Fig. 3 zeigen.

Die strichpunktierte Linie 10 ist schematisch den Umriss der halbkugelförmigen Hülle der Linse 11 eines Immersionsbolometers. Diese Linse 11 hat tatsächlich in bezug auf die aktiven und kompensierenden Elemente 12 bzw. 13 des Bolometers, die deutlichkeitshalber stark vergrössert dargestellt sind, erheblich grössere Abmessungen als dargestellt ist (der Radius der Linse ist 3 bis ^ mm» während die Elemente 12 und 13 auf dieser Linse eine Oberfläche der Grössenordnung eines Quadratmillimeter beanspruchen). Es sei noch bemerkt, dass der Abstand zwischen den Elementen 12 und 13 tatsächlich 1 bis 2 mm beträgt.

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Das aktive Element 12 ist optisch auf die flache Oberfläche 1U der Substratlinse 11 zentriert, während das Kompensationselement 13 nach Wunsch ausserhalb der Mitte angebracht wird. Diese Anordnung entspricht der Notwendigkeit, das aktive Element dem durch die Linse 11 in der optischen Mitte konzentrierten Infrarotbündel auszusetzen; hingegen muss das Kompensationselement vor dieser Strahlung geschützt werden.

Auf dem Substrat 1U wird zur Bildung eines Infrarotschutzschirmes für das Element 13 zunächst durch Aufdampfung im Vakuum mittels einer geeigneten Maske eine Metallschicht 15 angebracht. Diese Schicht 15 umfasst z.B. eine Nickel-Chrom-Haftschicht einer Dicke zwischen 100 und 150 A, auf der eine Nickel-Schicht mit einer Dicke von nahezu 1 /um angebracht wird.

Die Schicht 15 und die Zentralzone des Substrats 14, wo schliesslich das aktive Element 12 angebracht wird, werden durch Aufdampfung im Vakuum oder durch Kathodenzerstäubung mit einer Schicht 16 eines dielektrischen, die Infrarotstrahlung schwach absorbierenden Materials bedeckt, z.B. Siliciummonoxyd.

Vorteilhafterweise wird zur Bildung einer Schranke gegen jede Diffusion der Materialien der obenliegenden Schichten in das untenliegende Germanium die Siliciummonoxyd-Schicht 16 mit einer Silicium-nitrid-Schicht 17 bedeckt, deren Dicke / maximal 0,1 /um beträgt. Dies erfolgt durch Kathodenzerstäubung.

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Auf der Schicht 17 können dann die zwei Elemente 12 und 13 angebracht werden. Diese zwei Elemente werden gleichzeitig gebildet.

Auf der Siliciumnitrid-Schicht 17 wird zunächst in vier Oberflächengebieten rechteckiger Form 18, 19» 20 und 21 eine Metallschicht angebracht, die z.B. aus Nickel-ChroM mit einer Dicke von 100 bis 150 A und dann Nickel mit einer Dicke von etwa 1/um besteht. Dies erfolgt durch ein« geeignete Maske.

Die zwei empfindlichen Schichten des aktiven Elementes und des Kompensationselementes 22 bzw. 23 werden darauf durch Kathodenzerstäubung durch eine Maske angebracht. Die empfindliche Substanz ist z.B. eine Verbindung von Mangan-, Nickel- und Cobaltoxyden. Eine solche Substanz kann in Form einer dünnen Schicht entweder durch Aufprall auf eine Platte des gleichen* Materials im festen oder pulverigen Zustand durch Kathodenzerstäubung in einem Gefäss, welche Platte vorher in fester Form durch ein bei keramischen Pro-~ dukten z.B. Ferriten bekanntes Verfahren präpariert ist, oder entsprechend der Patentanmeldung 170,009 vom 15· Oktober 1968 der Anaelderin durch unmittelbare Synthese durch reaktive Kathodenzerstäubung einer zusammengesetzten Platte angebracht werden, auf der im geeigneten Verhältnis jedes der Metalle der Zusammensetzung dieser Substanz vorgesehen ist.

Die Dicke der Schichten 22 und 23 liegt durchschnittlich je nach Bedarf zwischen 2 und 10 /um.

Durch Aufdampfung im Vakuum werden schliesslich

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gleichzeitig die Metallschichten 2k, 25, 26 und 27 angebracht auch unter Anwendung von Masken wie bei den Schichten 18, 19, 20 und 21.

Die elektrischen Kontaktzonen auf dem aktiven Element 12 werden durch die gesamten Schichten 18-2*4 und 19-25' gebildet, während die gesamten Schichten 20-26 und 21-27 die Kontakte mit dem Kompensationselement 13 herstellen.

Die Schichten 2k, 25, 26 und 27 werden vorteilhafterweise durch Unterlagen einer Nickel-Chrom-Legierung mit einer Dicke von etwa 150 A und durch eine Oberschicht von Nickel mit einer Dicke von etwa 1 /um gebildet. Ihre Oberfläche wird mit einer Goldschicht von etwa 1 bis 2 /um bedeckt, um nabhher die Herstellung eines Kontaktee mit Leitern durch Thermokompression zu erleichtern.

Eine weitere Struktur der aktiven und kompensierenden Elemente der Immersionsbolometer ist ähnlich den~ Fig. 3 und -4.

Wie bei dem vorstehend beschriebenen Bolometer sind die Vorgänge vor der Anbringung des aktiven Elementes 32 und des Kompensationselementes 33 nacheinander wie folgt:

Anbringung einer Nickel- Chrom-Nickel-Schutzschicht 35 auf der Oljcri Jäclic 3^ der Linse 31, welche Schicht das Element 3 abschirmt.

Anbringung einer Si J iciummonoxydschicht 36 über der Schutzschicht 35 und der Zentral zone des Substrats 3^·

Anbringung einer Di if'usi oii.sabschirmHchi cht 37 Siliciumnitrid.

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BAD ORIGINAL

— 21 — _A λ λ r\ ί i"\ 1 *~ \s

Diese unterschiedlichen Schichten werden auf" die an Hand der ersten Struktur des Bolometers nach der Erfindung beschriebene Weise angebracht und sie haben praktisch die gleichen Oberflächen und die gleichen Dicken.

Wie gesagt, muss das aktive Element 32 optisch auf der Oberfläche Jk des Substrats der Linse 31 zentriert werden, während das Kompensationselement 33 hingegen ausserhalb der optischen Mitte angebracht werden muss. Der Abstand zwischen diesen zwei Elementen ist auch hier 1 bis 2 mm.

Auf der Siliciumnitrid-Schicht 37 werden durch Aufdampfung im Vakuum Nickel-Chrom-Schichten 38 und 39 angebracht. Die Schicht 38 bildet eine der Elektroden des EIe- . | mentes 32 und die Schicht 39 spielt eine ähnliche Rolle für das Element 33· Diese zwei Schichten 38 und 39 bestehen z.B. aus Nickel-Chrom und ihre Dicke ist 100 bis 200 A.

Die empfindliche Substanz z.B. eine Oxydverbindung wird darauf durch Kathodenzerstäubung mit einer Dicke von 2 bis 10 /um derart angebracht, dass die Schichten kO und 41 des aktiven bzw. des Kompensationselementes gebildet werden.

Die Schicht 4o ist derart angebracht, dass sie optisch auf der Linse 31 zentriert ist. Jede der zwei Schichten * kO und 41 bedeckt teilweise die Schicht 38 oder 39, während ein Oberflächenteil 38a und 39a jeder dieser Schichten frei bleibt, um den Kontakt mit der äusseren Vorrichtung der .Thermistoren herzustellen. Die Schicht kO erstreckt sich über hOa. und gegebenenfalls über 40b bis zur Silicium-nitrid-Schicht 37· Auch die Schicht 41 erstreckt sich über 4ia und gegebenen-

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falls über 41b bis zu der gleichen Schicht 37.

Schliesslich werden durch Aufdampfung im Vakuum die Metallschichten 42 und 43 gebildet, welche die zweiten Elektroden der Elemente 32 bzw. 33 bilden und diä die Schichten 4o und 41 nahezu vollständig überdecken und sich auf die Schicht 37 verlängern. Gleichzeitig mit der Anbringung der Schichten 42 und 43 werden durch die Schichten 44 und 45 auf den Teilen 38a und 39a der Schichten 38 bzw. 39 Kontaktzonen für die ausseren Verbindungen gebildet. Die Schichten 42, 43» 44 und 45 bestehen z.B. zunächst aus einer feinen Nickel-Chrom-Haut von 100 bis 15O A und aus Oberschichten von Nickel bzw. Gold mit einer Gesamtdicke von etwa 1 bis ,um.

Die Schichten 42 und 43 spielen in bezug auf die empfindlichen Schichten 40 und 41 die Rolle von Reflektoren, die auf die Schichten ^O und 41 die auf der unmittelbaren Strahlungsbahn nicht absorbierte Energie zurückstrahlen.

In den beiden beschriebenen Ausführungsformen eines Bolometers nach der Erfindung ist angenommen worden, dass das aktive Element und das Kompensationselement nahezu in der gleichen Ebene liegen. Die Anordnung des aktiven Elementes auf der Linse wird ziemlich genau durch die Notwendigkeit bedingt, diese in der Zone der Infrarotkonvergenz anzubringen, aber es ist nicht ausgeschlossen, das aktive Element z.B. aus weiteren, der Wirkung des Bolometers fremden, Gründen in einer anderen Ebene anzuordnen als die des Kompensationselementes. Es bleibt jedoch notwendig, die zwei Elemente in bezug auf die Aufdämpfungsvorrichtung oder die

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Claims

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Zerstäubungsplatten auf der Linse nahezu in gleicher Weise anzubringen, so dass die Identität der geometrischen und physikalischen Merkmale sichergestellt ist. PATENTANSPRÜCHE"

1. Thermistor-Immersionsbolometer mit einer für Infrarotstrahlung durchlässigen, halbkugelförmigen Linse, auf der optisch unter Zwischenfügung einer isolierenden Haut, die für Infrarotstrahlung durchlässig ist, in der Mitte der Linsenfläche ein Thermistorelement mit metallischen Stromzuführungsteilen angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zwischenfügung einer Isolierschicht die flache Oberfläche der Linse mit* einem zweiten Thermisterelernent ausserhalb der Zentralzone der Fläche versehen ist, welches zweite Thermistorelement nahezu keine Infrarotstrahlung durch diese Linse empfangen kann, welche erste und zweite Thermistorelemente aus einer Widerstandsschicht bestehen, die im wesentlichen mindestens ein Metalloxyd enthält, das an der betreffenden Stelle durch Kathodenzerstäubung unter geregelten Umständen angebracht ist, die für jedes der Thermistorelemente gleich sind, welche metallischen Stromzuführungsteile der Thermistorelernente durch im Vakuum aufgedampfte Metallschichten gebildet werden.

2. Immersionsbolometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht aus einem Gemisch aus 75!^ Manganoxyd, 2Ο*ί Xickeloxyd und y$> Cobaltoxyd besteht.

3. Immersionsbolometer nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch die Zwischenfügung einer für die Infrarotstrahlung undurchlässigen Schicht zwischen der flachen Lin-

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senoborflache und dem zweiten Thermistorelement . k. Immersionsbo]ometer nach Anspruch 3» dadurch

gekennzeichnet, dass diese undurchlässige Schicht durch eine im Vakuum aufgedampfte Metallschicht gebildet wird.

5. Immersionsbolometor nach Anspruch ^₁ dadurch gokonnzGiclinet , dass die Metnilschicht aus Nickel-Chrom gegenüber der flachen Linsenoberfläche und aus Nickel gegenüber dom zweiten Therrnis torel ement besteht.

6. immersi oiisbol ometer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , dass die Linse aus einem Halbleiter besteht und dass die zwischen der flachen Linsenoberfläche und den ersten und zweiten Thermistore lementen angebrachte Isolierschicht aus Siliciummonoxyd besteht.

7. Immersionsbolomoter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Anbringung einer Di f fxjsionsbarri ero zwischen der Isolierschicht und den Thermistorelementen.

8. Immersionsbolometer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbari lere aus Siliciumnitrid bes t eht.

'). Immersionsbolometer nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches Stromzuführungstoil aus zwei teilweise überlappenden, im Vakuum aufgedampften Schichten besteht, von denen sich eine über einen Teil einer Fläche der Viderstandsschicht und die andere über einen Teil der gegenüber liegenden Fläche dieser Widerstandsschicht erstrecken, die auf (lon beiden Seiten durch den gleichen Stromzuführungsteil kontaktiert wird.

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AUSZUG:

Dxfferentxelles Immersionsbolometer mit Thermistoren bestehend aus einer plankonvexen, durchsichtigen Substratlinse und zwei Thermistoren, einem aktiven Thermistor bzw. einem Kompensationsthermistor, die beide auf der flachen Oberfläche dieser Linse angebracht sind.

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