DE4403947A1

DE4403947A1 - Bolometer arrangement (non-contact temperature measuring arrangement), in particular a uniform bolometer arrangement

Info

Publication number: DE4403947A1
Application number: DE4403947A
Authority: DE
Inventors: Emil Polturak
Original assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Current assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1994-08-11
Also published as: IL104669A0; FR2701316A1

Abstract

By means of the invention, a bolometer arrangement is made available, in particular for infrared imaging, which contains a plurality of temperature-sensitive elements which are preferably arranged in at least one linear or line-shaped arrangement, such a "line-shaped arrangement" being able to be, for example, a curved line-shaped, circular line-shaped, elliptical line-shaped, rectangular line-shaped, triangular line-shaped or other line-shaped arrangement. These elements, preferably superconducting films, exhibit an essentially linear resistance/temperature relationship over a predetermined operating range, which is defined by means of points WRL and WRH, which represent the lowest and highest point in the operating range, and it exhibits a relatively small resistance change for a relatively large temperature change above or outside the operating range. The said elements are preloaded to a common point in such a way that they all exhibit the resistance value R1 after they have been preloaded in this way, and a respective resistance value R2 after they have been exposed to the radiation heat to be measured. A resistance film for each of the temperature-sensitive elements, which can be unified for a plurality of such elements to form a common resistance film, is [lacuna] selectively by means of a current source for the optional heating of these resistance films to a third point WR3 in the... Original abstract incomplete.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bolometeranordnung, insbesondere eine regelmäßige Bolometeranordnung, eine Bolome tergruppierung, eine Bolometermatrix, ein Bolometersystem, ein Bolometerfeld o. dgl. Der Begriff "Anordnung", wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Patentansprüche benützt wird, wird daher zusammenfassend für die Begriffe "Anordnung, regelmäßige Anordnung, Gruppierung, Matrix, System, Feld o. dgl." verwendet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfin dung Bolometeranordnungen, die für die Infrarotabbildung ver wendet werden. Die Erfindung ist besonders nützlich und vor teilhaft in ihrer Ausführungsform als Anordnung von Bolometern, vorzugsweise Brennebenenabbildungsstarranordnung von Bolome tern, in welcher Anordnung von Bolometern die temperaturemp findlichen Bolometerelemente supraleitende Filme sind, und da her wird die Erfindung nachfolgend insbesondere bezüglich die ser Anwendung näher beschrieben und erläutert.The present invention relates to a bolometer arrangement, especially a regular bolometer arrangement, a bolome tergroup, a bolometer matrix, a bolometer system, a Bolometer field or the like. The term "arrangement" as used in the context used the present description and the claims is therefore summarized for the terms "arrangement, regular arrangement, grouping, matrix, system, field o. Like. "Used. In particular, the present invention relates Bolometer arrangements used for infrared imaging be applied. The invention is particularly useful and before partial in its embodiment as an arrangement of bolometers, preferably Bolome focal plane imaging rigid array tern, in which arrangement of bolometers the temp sensitive bolometer elements are superconducting films, and there forth the invention is particularly in relation to the ser application described and explained in more detail.

Bolometeranordnungen, insbesondere regelmäßige Bolometeranord nungen, werden im weiten Umfange für die Infrarotabbildung ver wendet, bei welcher die strahlungsinduzierten Änderungen im elektrischen Widerstand von temperaturempfindlichen Bolometer elementen gemessen werden, um eine Messung des Betrags der durch jedes Element absorbierten Strahlung vorzusehen. Eine Ausführungsform einer regelmäßigen Bolometeranordnung umfaßt eine zweidimensionale Starranordnung von solchen temperaturemp findlichen Elementen. Die Temperatur jedes Elements wird da durch gemessen, daß das Element mit einer Stromquelle verbunden wird, während die Spannung über dem Element mittels eines Span nungsverstärkers abgegriffen wird. Eine regelmäßige Anordnung, die N × N Elemente enthält, benötigt N² Verstärker und 4N² Kon takte, wobei N eine ganze Zahl ist. "N" kann typischer- bzw. beispielsweise 256 sein. Dieses bewirkt, daß es sehr kostenauf wendig ist, ein solches System herzustellen, und daß es sehr schwierig ist, eine solche große Anzahl von Kontakten auszufüh ren.Bolometer arrangements, especially regular bolometer arrangements, are widely used for infrared imaging, in which the radiation-induced changes in electrical resistance of temperature-sensitive bolometer elements are measured to provide a measure of the amount of radiation absorbed by each element. One embodiment of a regular bolometer arrangement comprises a two-dimensional rigid arrangement of such temperature-sensitive elements. The temperature of each element is measured by connecting the element to a power source while tapping the voltage across the element using a voltage amplifier. A regular arrangement containing N × N elements requires N ² amplifiers and 4N ² contacts, where N is an integer. "N" can be more typical, for example 256. This makes it very expensive to manufacture such a system and it is very difficult to carry out such a large number of contacts.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Bolometeranordnung, insbesondere für die Infrarotabbildung, zur Verfügung gestellt, umfassend eine Mehrzahl von temperaturempfindlichen Elementen, die in wenigstens einer linearen Anordnung angeordnet sind, wo bei die temperaturempfindlichen Elemente eine im wesentlichen lineare Widerstands-Temperatur-Beziehung über einen vorbestimm ten Arbeitsbereich aufweisen, der durch Punkte WR_L und WR_H de finiert ist, welche jeweils den niedrigsten und höchsten Punkt in dem Arbeitsbereich darstellen, und wobei die temperaturemp findlichen Elemente weiter eine relativ kleine Änderung im Wi derstand für eine relativ große Änderung in der Temperatur oberhalb des Arbeitsbereichs aufweisen; eine Vorbelastungsein richtung oder ein Vorbelastungsmittel zum Vorbelasten aller temperaturempfindlichen Elemente auf einen gemeinsamen Punkt WR₁ hin, derart, daß sie alle den Widerstand R₁ aufweisen, nachdem sie so vorbelastet sind, und den Widerstand R₂, nachdem sie der zu messenden Strahlungswärme ausgesetzt worden sind; einen Widerstandsfilm für jedes der temperaturempfindlichen Elemente, der wahlweise bzw. selektiv mittels einer Stromquelle zum wahlweisen bzw. selektiven Erhitzen der temperaturempfind lichen Elemente auf einen dritten Punkt WR₃ in dem Arbeitsbe reich, welcher gleich dem Punkt WR_H ist oder oberhalb des Punkts WR_H liegt, speisbar ist; und eine Meßschaltung zum Mes sen der Spannungsabfälle über den temperaturempfindlichen Ele menten. According to the present invention there is provided a bolometer arrangement, particularly for infrared imaging, comprising a plurality of temperature sensitive elements arranged in at least one linear arrangement where the temperature sensitive elements have a substantially linear resistance-temperature relationship over a predetermined one th work area, which is defined by points WR _L and WR _H , which each represent the lowest and highest point in the work area, and wherein the temperature-sensitive elements further a relatively small change in resistance for a relatively large change in temperature have above the work area; a preloading device or preloading means for preloading all of the temperature sensitive elements towards a common point WR ₁ , such that they all have the resistance R ₁ after being preloaded and the resistance R ₂ after being exposed to the radiant heat to be measured are; a resistive film for each of the temperature sensitive elements, selectively by means of a power source for selectively heating the temperature sensitive elements to a third point WR ₃ in the work area which is equal to the point WR _H or above the point WR _H lies, is feedable; and a measuring circuit for measuring the voltage drops across the temperature-sensitive elements.

Wie weiter unten gezeigt wird, ändert sich ein solcher Span nungsabfall über dem temperaturempfindlichen Element im wesent lichen linear mit dessen Widerstand R₂ und daher mit dessen Temperatur.As will be shown below, such a voltage drop across the temperature sensitive element changes substantially linearly with its resistance R ₂ and therefore with its temperature.

Wie außerdem weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben ist, erfordert die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung nur eine, vorzugsweise nur eine einzige, Stromquelle, und sie benötigt weiterhin nur eine wesentlich kleinere Anzahl von Spannungsverstärkern und Kontakten, als das in einem konventio nellen System der Fall ist. Zum Beispiel brauchen in einer er findungsgemäßen Einrichtung, die eine zweidimensionale Anord nung von temperaturempfindlichen Elementen aufweist, nur ein Widerstandsfilm für jede Reihe solcher Elemente, nur ein Ver stärker für jede Spalte solcher Elemente und nur ein Kontakt (neben der gemeinsamen Erdung) für jede Reihe und Spalte vor gesehen zu sein.As also described in more detail below requires the device according to the present invention only one, preferably only one, power source, and it still only needs a much smaller number of Voltage amplifiers and contacts than that in a konventio system is the case. For example, in one he need Invention device that a two-dimensional arrangement has temperature sensitive elements, only one Resistance film for each row of such elements, only one ver stronger for each column of such elements and only one contact (in addition to common grounding) for each row and column to be seen.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfin dung werden nachfolgend anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen, auf welche die Erfindung jedoch in keiner Weise beschränkt ist, unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher beschrieben und erläutert; es zeigen:The above as well as other advantages and features of the Erfin are based on some, particularly preferred Embodiments to which the invention is not in any Way, with reference to the figures of the Drawing described and explained in more detail; show it:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Bolometereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Mehrzahl von temperatur empfindlichen Elementen für Infrarotabbildung durch Messung von Infrarotstrahlung aufweist (für Infrarot wird hier auch die üb liche Abkürzung IR verwendet); Fig. 1 shows an embodiment of a bolometer device according to the present invention, which has a plurality of temperature-sensitive elements for infrared imaging by measuring infrared radiation (for infrared, the usual abbreviation IR is used here);

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die Einrichtung der Fig. 1; Fig. 2 is a schematic representation of a cross section through the device of Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Widerstands-Tempera tur-Charakteristik oder -Kennlinie von jedem der temperaturemp findlichen Elemente, die in der Einrichtung der Fig. 1 und 2 vorgesehen sind; Fig. 3 is a schematic representation of the resistance-temperature characteristic or characteristic of each of the temperature-sensitive elements provided in the device of Figs. 1 and 2;

Fig. 4 eine Darstellung, welche die Ausgangsgröße des Verstär kers in der Einrichtung der Fig. 1 in Abhängigkeit von der ge messenen Strahlungswärmeintensität veranschaulicht; FIG. 4 is a diagram illustrating the output variable of the amplifier in the device of FIG. 1 as a function of the measured radiant heat intensity;

Fig. 5 eine Darstellung, welche die Hauptelemente einer gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Ausführungsform einer Bolometereinrichtung veranschaulicht, die eine zweidimensionale Anordnung von temperaturempfindlichen Elementen umfaßt; und Fig. 5, which comprises a diagram illustrating the main elements of a constructed according to the present invention embodiment of a Bolometereinrichtung a two dimensional array of temperature-sensitive elements; and

Fig. 6 eine Darstellung, welche die Kontakte der Bolometerein richtung der Fig. 5 veranschaulicht. Fig. 6 is a diagram illustrating the contacts of the Bolometerein direction of FIG. 5.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, worin eine Bolome tereinrichtung veranschaulicht ist, die eine lineare Anordnung von in Reihe geschalteten temperaturempfindlichen Elementen S₁-S_n umfaßt, welche in einer vertikalen Spalte (oder horizontalen Reihe) angeordnet sind. Die Spalte der Elemente ist durch eine gemeinsame Gleichstromquelle DCS stromvorbelastet, und sie ist mit dem Verstärker A einer Meßschaltung MS über ein R-C-Netz werk verbunden (wobei in üblicher Weise R für Widerstand und C für Kapazität stehen).Referring first to Fig. 1, a Bolome tereinrichtung is illustrated, which comprises a linear arrangement of temperature-sensitive elements S ₁ -S _n connected in series, which are arranged in a vertical column (or horizontal row). The column of elements is biased by a common direct current source DCS, and it is connected to the amplifier A of a measuring circuit MS via an RC network (R standing for resistance and C for capacitance in the usual way).

Die in Fig. 1 veranschaulichte Bolometereinrichtung weist wei terhin eine Mehrzahl von Steuerleitungen CL₁-CL_n auf, und zwar eine für jedes der temperaturempfindlichen Elemente S₁-S_n. Die se Steuerleitungen sind Widerstandsfilme, welche zum Ausgeben der Temperaturinformation ihrer jeweiligen Elemente S₁-S_n wahl weise bzw. selektiv speisbar sind.The bolometer device illustrated in FIG. 1 further has a plurality of control lines CL ₁ -CL _n , one for each of the temperature-sensitive elements S ₁ -S _n . These control lines are resistance films which can be selectively or selectively fed to output the temperature information of their respective elements S ₁ -S _n .

Fig. 2 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt der Bolo metereinrichtung der Fig. 1. Demgemäß sind vorliegend die tem peraturempfindlichen Elemente S₁-S_n supraleitende Filme, die auf einem Substrat SBT (z. B. aus Si oder MgO) abgelagert sind, welches für die zu messende IR-Strahlung transparent ist. Eine dünne isolierende Schicht INS (z. B. SiO) ist über den supralei tenden Filmen S₁-S_n abgelagert. Die Widerstandsfilme (z. B. Po lysilikon), welche die Steuerleitungen CL₁-CL_n bilden, sind so über dem isolierenden Film INS abgelagert oder angeordnet, daß sie in Wärmeaustauschbeziehung mit den supraleitenden Filmen bzw. temperaturempfindlichen Elementen S₁-S_n sind. Fig. 2 illustrates schematically a cross section of the Bolo metereinrichtung of Fig. 1. Accordingly, the temperature-sensitive elements S ₁ -S _{n are} superconducting films that are deposited on a substrate SBT (z. B. of Si or MgO), which for the IR radiation to be measured is transparent. A thin insulating layer INS (e.g. SiO) is deposited over the superconducting films S ₁ -S _n . The resistance films (e.g., polysilicon) which form the control lines CL ₁ -CL _n are so deposited or arranged over the insulating film INS that they are in heat exchange relationship with the superconducting films or temperature sensitive elements S ₁ -S _n .

Fig. 3 veranschaulicht die Widerstands-Temperatur-Kennlinie der supraleitenden Filme, die vorliegend als bzw. für die tem peraturempfindlichen Elemente S₁-S_n verwendet werden. Besonders brauchbar und vorteilhaft für solche Elemente sind die kürzlich entwickelten epitaxialen YBCO-Dünnfilmbolometer auf Si-Wafern, wobei YBCO für YBa₂Cu₃O₇ steht. Solche supraleitende Filme wei sen eine im wesentlichen lineare Widerstands-Temperatur-Bezie hung über einen vorbestimmten Arbeitsbereich hinweg auf, der in Fig. 3 durch die Punkte WR_L und WR_H definiert bzw. begrenzt ist, welche den niedrigsten und höchsten Punkt in dem linearen Arbeitsbereich repräsentieren. Oberhalb dieses Arbeitsbereichs weisen die supraleitenden Filme nur eine relativ kleine Ände rung im Widerstand für eine relativ große Änderung in der Tem peratur auf, die typischerweise fünfzigmal geringer als dieje nige im Arbeitsbereich ist. Fig. 3 illustrates the resistance-temperature characteristic of the superconducting films which are used here as or for the temperature-sensitive elements S ₁ -S _n . The recently developed epitaxial YBCO thin film bolometers on Si wafers are particularly useful and advantageous for such elements, where YBCO stands for YBa ₂ Cu ₃ O ₇ . Such superconducting films have a substantially linear resistance-temperature relationship over a predetermined working range, which is defined in FIG. 3 by the points WR _L and WR _H , which are the lowest and highest points in the linear Represent work area. Above this working range, the superconducting films have only a relatively small change in resistance for a relatively large change in temperature, which is typically fifty times less than that in the working range.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Einrichtung arbeitet wie folgt:The device illustrated in Figure 1 operates as follows:

Die Gleichstromquelle DCS in Fig. 1 belastet alle supraleiten den Filme S₁-S_n in der vertikalen Spalte zu dem Punkt WR₁ hin in dem Arbeitsbereich vor, derart, daß alle supraleitenden Fil me den gleichen Widerstand R₁ aufweisen. Wenn die supraleiten den Elemente S₁-S_n der zu messenden IR-Strahlung ausgesetzt werden, wird die Temperatur von jedem Element bis zu einem Punkt des Arbeitsbereichs erhöht, der hier als WR₂ bezeichnet wird und für jedes Element je nach der auftreffenden IR-Strah lung unterschiedlich sein kann, da dieser Punkt WR₂ dem Betrag an Strahlung entspricht, die von dem jeweiligen Element absor biert wird. Demgemäß weist jeder supraleitende Film S₁-S_n einen Widerstand auf, der seiner Temperatur entspricht, nämlich dem Betrag der durch diesen supraleitenden Film absorbierten IR-Strahlung, und dieser Widerstandswert, der je nach dem Betrag der absorbierten IR-Strahlung für die einzelnen supraleitenden Filme S₁-S_n unterschiedlich sein kann, wird hier generell als R₂ bezeichnet.The DC power source DCS in Fig. 1 loads all the superconducting films S ₁ -S _n in the vertical column toward the point WR ₁ in the working area, such that all the superconducting films me have the same resistance R ₁ . When the superconductors are exposed to the elements S ₁ -S _{n of} the IR radiation to be measured, the temperature of each element is increased to a point in the working range, which is referred to here as WR ₂ and for each element depending on the incident IR radiation. Radiation can be different, since this point WR ₂ corresponds to the amount of radiation that is absorbed by the respective element. Accordingly, each superconducting film S ₁ -S _{n has} a resistance which corresponds to its temperature, namely the amount of IR radiation absorbed by this superconducting film, and this resistance value, which depends on the amount of IR radiation absorbed for the individual superconducting films Films S ₁ -S _n can be different, is generally referred to here as R ₂ .

Dieser Zustand bleibt während einer relativ langen Zeitdauer aufrechterhalten, da sich die Strahlung nur sehr langsam ändert (beispielsweise in vielen Millisekunden). Der Kondensator c in Fig. 1 ist so gewählt, daß das R-C-Netzwerk die Komponenten niedriger Frequenz der Spannung über den Elementen S₁-S_n her ausfiltert, welche den langsamen Änderungen in der äußeren Strahlungsintensität entsprechen, und daß der Kondensator C demgemäß diese Änderungen nicht zu dem Verstärker A durchläßt.This state is maintained for a relatively long period of time since the radiation changes only very slowly (for example in many milliseconds). The capacitor c in Fig. 1 is chosen so that the RC network filters out the low frequency components of the voltage across the elements S ₁ -S _n , which correspond to the slow changes in the external radiation intensity, and that the capacitor C accordingly Changes do not pass through to amplifier A.

Wenn es gewünscht wird, die Temperatur von den jeweiligen su praleitenden Elementen S₁-S_n auszulesen bzw. zu ermitteln, wird ein schneller Stromimpuls (beispielsweise von angenähert einer Mikrosekunde) durch die jeweilige Steuerleitung CL desjenigen Elements, dessen Temperatur ausgelesen bzw. ermittelt werden soll, hindurchlaufen gelassen. Dieser Steuer- bzw. Stromimpuls erhitzt das supraleitenden Element s schnell (innerhalb der obigen kurzen Zeit) auf den Punkt WR₃ in der Kurvendarstellung der Fig. 3, nämlich auf den Punkt WR_H (den höchsten Punkt in dem linearen Arbeitsbereich) oder auf eine Temperatur oberhalb dieses Punkts WR_H. Da nur eine relativ kleine Änderung im Wi derstand oberhalb des linearen Arbeitsbereichs erfolgt, ist der Widerstandswert des aktiven Elements an Punkt 3 bzw. WR₃ im we sentlichen der gleiche wie am Punkt WR_H, der als Punkt 4 in Fig. 3 identifiziert ist. Da der Widerstand (R₄) von allen su praleitenden Elementen S₁-S_n im Punkt 4 in der Kurvendarstel lung der Fig. 3 im wesentlichen der gleiche ist, ist ersicht lich, daß sich die Spannungsabfälle über den supraleitenden Elementen direkt mit ihrem Widerstand (R₂) am Punkt WR₂ in dem Arbeitsbereich, der in Fig. 3 dargestellt ist, ändern.If it is desired to read out or ascertain the temperature from the respective su-conducting elements S ₁ -S _n , a rapid current pulse (for example of approximately one microsecond) is passed through the respective control line CL of the element whose temperature is read out or ascertained is supposed to run through. This control or current pulse heats the superconducting element s quickly (within the short time above) to point WR ₃ in the graph of FIG. 3, namely to point WR _H (the highest point in the linear working range) or to one Temperature above this point WR _H. Since there is only a relatively small change in the resistance above the linear working range, the resistance value of the active element at point 3 or WR _{3 is} essentially the same as at point WR _H , which is identified as point 4 in FIG. 3. Since the resistance (R ₄ ) of all su praleitenden elements S ₁ -S _n in point 4 in the Kurvdarstel development of FIG. 3 is substantially the same, it is evident that the voltage drops across the superconducting elements directly with their resistance Change (R ₂ ) at point WR ₂ in the work area shown in FIG. 3.

Das schnelle Signal von den Bolometerelementen wird von dem R-C-Netzwerk zu dem Verstärker A durchgelassen. Die Ausgangsgröße des Verstärkers A ist daher eine im wesentlichen lineare Funk tion der äußeren IR-Strahlungsintensität, wie in Fig. 4 veran schaulicht ist.The fast signal from the bolometer elements is passed from the RC network to amplifier A. The output variable of the amplifier A is therefore a substantially linear function of the external IR radiation intensity, as illustrated in FIG. 4.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Bolometereinrichtung nutzt demgemäß die folgenden Tatsachen aus: (1) daß die Zeit konstante für die supraleitenden Elemente S₁-S_n zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts mit dem Substrat SBT relativ lang (in der Größenordnung von einer Millisekunde) ist; (2) daß die Zeitkonstante für das supraleitende Element zur Erreichung des thermischen Gleichgewichts mit Bezug auf sich selbst viel kürzer ist, nämlich beispielsweise in der Größenordnung von ei ner Mikrosekunde; und (3) daß die Änderungen in der äußeren IR-Strahlung relativ langsam (beispielsweise in der Größenordnung von vielen Millisekunden) erfolgen. Demgemäß wird die kurze Zeitkonstante des supraleitenden Films für das Erreichen des thermischen Gleichgewichts innerhalb desselben selbst zum Aus lesen bzw. Ermitteln der Temperatur des jeweiligen supraleiten den Elements S₁-S_n ausgenutzt, indem dessen Steuerleitung CL₁-CL_n gepulst bzw. impulsförmig beaufschlagt wird; wohingegen die relativ große Zeitkonstante der supraleitenden Elemente zum Er reichen des thermischen Gleichgewichts mit deren Substrat wäh rend Änderungen in der äußeren IR-Strahlung dahingehend ausge nutzt wird, den einzelnen bzw. einzigen Verstärker A zu befähi gen bzw. vorzusehen, um dazu benutzt zu werden, die Temperatur information von allen supraleitenden Elementen S₁-S_n auszulesen bzw. festzustellen.The bolometer device shown in FIGS . 1 and 2 accordingly takes advantage of the following facts: (1) that the time constant for the superconducting elements S ₁ -S _n to achieve thermal equilibrium with the substrate SBT is relatively long (of the order of one Millisecond); (2) that the time constant for the superconducting element to achieve thermal equilibrium with respect to itself is much shorter, namely, for example, on the order of one microsecond; and (3) that the changes in external IR radiation are relatively slow (e.g., on the order of many milliseconds). Accordingly, the short time constant of the superconducting film for reaching the thermal equilibrium within the same itself is used for reading out or determining the temperature of the respective superconducting element S ₁ -S _n by pulsing or impinging its control line CL ₁ -CL _n becomes; whereas the relatively large time constant of the superconducting elements for reaching the thermal equilibrium with their substrate is used during changes in the external IR radiation to enable the individual amplifier A to be used to read or determine the temperature information from all superconducting elements S ₁ -S _n .

Die Fig. 5 veranschaulicht eine Bolometereinrichtung, welche eine zweidimensionale Anordnung oder Matrix von temperaturemp findlichen Elementen 2 aufweist, die beispielsweise durch einen gemusterten Film aus supraleitendem Material gestellt ist, wel cher eine Mehrzahl von horizontalen Reihen und vertikalen Spal ten von supraleitenden temperaturempfindlichen Elementen defi niert bzw. bildet. Alle diese Elemente 2 sind mittels einer ge meinsamen Gleichstromquelle 4 vorbelastet, welche durch große Widerstände parallel mit allen Spalten verbunden ist, so daß sie die supraleitenden Elemente 2 kontinuierlich zu dem Punkt WR₁ hin in Fig. 3 vorbelastet. Fig. 5 illustrates a bolometer device, which has a two-dimensional array or matrix of temperature-sensitive elements 2 , which is for example made of a patterned film made of superconducting material, which defines a plurality of horizontal rows and vertical columns of superconducting temperature-sensitive elements or forms. All of these elements 2 are biased by a common DC power source 4 , which is connected by large resistors in parallel with all columns, so that they continuously biased the superconducting elements 2 to the point WR ₁ in Fig. 3.

Die in Fig. 5 dargestellte Einrichtung umfaßt weiter eine Mehrzahl von Steuerleitungen, die generell mit 6 bezeichnet und in der Form von Widerstandsfilmen (die CL₁-CL_n in den Fig. 1 und 2 entsprechen) vorgesehen sind, welche sich in Wärmeaus tauschbeziehung mit den supraleitenden Elementen befinden. Es gibt eine, vorzugsweise nur eine einzige, derartige Steuerlei tung für jede horizontale Reihe von supraleitenden Elementen. Die Steuerleitungen 6 werden mittels eines Mehrfachkopplers oder Multiplexers 8 so gesteuert, daß aufeinanderfolgend Strom impulse an die Steuerleitungen 6 angelegt bzw. durch die Steu erleitungen 6 hindurchgeschickt werden, wie oben beschrieben. Außerdem ist eine Mehrzahl von Verstärkern 10 vorgesehen, und zwar je einer für jede der vertikalen Spalten von supraleiten den Elementen 2. Jeder der in Fig. 5 veranschaulichten Ver stärker 10 weist den Verstärker A und außerdem den Kondensator C auf, die in Fig. 1 dargestellt sind.The device shown in Fig. 5 further comprises a plurality of control lines, generally designated 6 and provided in the form of resistance films (which correspond to CL ₁ -CL _n in Figs. 1 and 2), which are in the heat exchange relationship with the superconducting elements. There is one, preferably only one, such control line for each horizontal row of superconducting elements. The control lines 6 are controlled by means of a multiple coupler or multiplexer 8 so that successive current pulses are applied to the control lines 6 or are passed through the control lines 6 , as described above. A plurality of amplifiers 10 are also provided, one for each of the vertical columns of superconducting elements 2 . Each of the amplifiers 10 illustrated in FIG. 5 has the amplifier A and also the capacitor C, which are shown in FIG. 1.

Der Steuermehrfachkoppler oder -multiplexer 8 gibt aufeinander folgend Stromimpulse auf die Steuerleitungen 6 aus, um die Tem peraturinformation von den supraleitenden Elementen einer Reihe auf einmal gleichzeitig auszulesen. Ein Triggern bzw. Auslesen aufeinanderfolgender Steuerleitungen ermöglicht die Erfassung der Temperaturinformation von der gesamten Anordnung. Ein Sig nalmehrfachkoppler oder -multiplexer 12 empfängt die Tempera turinformation von allen Verstärkern 10 parallel.The control multiple coupler or multiplexer 8 sequentially outputs current pulses on the control lines 6 to simultaneously read the temperature information from the superconducting elements of a row at a time. Triggering or reading out successive control lines enables the temperature information to be recorded from the entire arrangement. A Sig nalfachkoppler or multiplexer 12 receives the temperature information from all amplifiers 10 in parallel.

Es ist demgemäß ersichtlich, daß in der in Fig. 5 dargestell ten Anordnung nur ein separater Verstärker (und Kondensator) für jede der vertikalen Spalten von supraleitenden Elementen in der zweidimensionalen Matrix erforderlich ist, anstatt daß für jedes der supraleitenden Elemente ein separater Verstärker (und Kondensator) erforderlich ist, wie gemäß dem Stand der Technik. Ein solcher Aufbau ermöglicht es auch, die Verbindungen mit den Reihen und Spalten an den Rändern der Matrix herzustellen. Das ist in Fig. 6 veranschaulicht, wonach ein einziger Kontakt oder ein einziges Anschlußfeld P₁ für jede Spalte von supralei tenden Elementen S₁-S_n vorgesehen ist, und wonach weiterhin ein einziger Kontakt oder ein einziges Anschlußfeld P₂ für jede Reihe von Widerstandselementen CL₁-CL_n vorgesehen ist, wobei ferner der zweite Kontakt für jede dieser Reihen und Spalten durch eine gemeinsame Erdung bzw. einen gemeinsamen Massean schluß (nicht gezeigt) vorgesehen ist. Ein solcher Aufbau ver einfacht die Integration des Systems in hohem Maße, da eine Standarddrahtverbindungstechnik, insbesondere eine Standard drahtbondetechnik, angewandt werden kann, anstatt daß es erfor derlich ist, einen separaten Chip an der Rückseite der Anord nung anzubringen. Der Aufbau des integrierten Chips einschließ lich der N Verstärker, der Mehrfachkoppler bzw. Multiplexer etc. kann sich vollständig in der Brenn- oder Fokalebene befin den, wie in Fig. 5 gezeigt ist.Accordingly, it can be seen that in the arrangement shown in FIG. 5, only a separate amplifier (and capacitor) is required for each of the vertical columns of superconducting elements in the two-dimensional matrix, rather than a separate amplifier (and Capacitor) is required, as in the prior art. Such a structure also makes it possible to make the connections with the rows and columns at the edges of the matrix. This is illustrated in Fig. 6, according to which a single contact or a single connection field P _{1 is provided} for each column of superconducting elements S ₁ -S _n , and furthermore a single contact or a single connection field P ₂ for each row of resistance elements CL ₁ -CL _{n is} provided, and further the second contact for each of these rows and columns is provided by a common ground or a common ground connection (not shown). Such a structure greatly simplifies the integration of the system since a standard wire connection technique, particularly a standard wire bonding technique, can be used instead of the need to attach a separate chip to the rear of the assembly. The structure of the integrated chip including the N amplifier, the multiple coupler or multiplexer etc. can be located entirely in the focal or focal plane, as shown in FIG. 5.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf mehrere bevorzugte Ausfüh rungsformen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen veranschau licht sind, beschrieben und erläutert worden ist, versteht es sich, daß diese lediglich als Beispiele oder besonders bevor zugte Ausführungsformen angegeben sind, die Erfindung jedoch in keiner Weise hierauf beschränkt ist, vielmehr viele Abwandlun gen und Änderungen im Rahmen des Gegenstands der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er sich aus den gesamten Unterlagen ergibt, vorgenommen werden können. Zum Beispiel kann die Erfindung bei einer linearen, oder sonstigen linienförmi gen, wie kreisförmigen, elliptischen oder dergleichen Anordnung von temperaturempfindlichen Elementen verwendet werden. Außer dem können derartige Elemente in horizontalen Reihen angeordnet sein, und die Widerstandsfilme der Steuerleitungen können in vertikalen Spalten angeordnet sein. Weiterhin kann die Erfin dung auch mit Bezug auf andere temperaturempfindliche Elemente verwendet werden, welche die oben beschriebenen Widerstands- Temperatur-Charakteristika bzw. -Kennlinien haben. Darüberhin aus sind viele andere Abänderungen und Abwandlungen sowie An wendungen der Erfindung ersichtlich und liegen im Rahmen des Gegenstands der Erfindung und des allgemeinen Erfindungsgedan kens.Although the invention pertains to several preferred embodiments forms as illustrated in the attached drawings light, has been described and explained, it understands yourself that these are just examples or especially before preferred embodiments are specified, but the invention in is in no way limited to this, rather many modifications conditions and changes within the scope of the invention, such as he is specified in the claims, as well as within the general inventive concept as it emerges from the entire Documents results, can be made. For example the invention in a linear, or other linear conditions such as circular, elliptical or the like arrangement temperature-sensitive elements. Except such elements can be arranged in horizontal rows and the resistance films of the control lines can be in vertical columns. Furthermore, the inventor also with regard to other temperature-sensitive elements can be used, which the resistance described above Have temperature characteristics or characteristics. Beyond that are many other changes and modifications as well as on Applications of the invention can be seen and are within the Subject of the invention and the general inventive concept kens.

Mit der Erfindung wird eine Bolometeranordnung, insbesondere für die Infrarotabbildung, zur Verfügung gestellt, welche eine Mehrzahl von temperaturempfindlichen Elementen umfaßt, die vor zugsweise in wenigstens einer linearen oder einer linienförmi gen Anordnung angeordnet sind, wobei eine solche "linienförmige Anordnung" z. B. auf eine bogenlinienförmige, kreislinienförmi ge, ellipsenlinienförmige, vierecklinienförmige, dreiecklinien förmige oder sonstige linienförmige Anordnung sein kann. Diese Elemente, vorzugsweise supraleitende Filme, weisen eine im we sentlichen lineare Widerstands-Temperatur-Beziehung über einen vorbestimmten Arbeitsbereich hinweg auf, der durch Punkte WR_L und WR_H definiert ist, welche den niedrigsten und höchsten Punkt in dem Arbeitsbereich repräsentieren, und er weist eine relative kleine Widerstandsänderung für eine relativ große Tem peraturänderung oberhalb oder außerhalb des Arbeitsbereichs auf. Diese Elemente sind zu einem gemeinsamen Punkt hin derart vorbelastet, daß sie alle den Widerstandswert R₁ aufweisen, nachdem sie so vorbelastet worden sind, und einen jeweiligen Widerstandswert R₂, nachdem sie der zu messenden Strahlungswär me ausgesetzt worden sind. Ein Widerstandsfilm für jedes der temperaturempfindlichen Elemente, der für mehrere solcher Ele mente auch zu je einem gemeinsamen Widerstandsfilm vereinigt sein kann, ist selektiv mittels einer Stromquelle zum wahlwei sen Erhitzen dieser Widerstandsfilme auf einen dritten Punkt WR₃ hin in dem Arbeitsbereich, der gleich dem Punkt WR_H ist oder oberhalb des Punkts WR_H liegt, speisbar. Eine Meßschaltung mißt die Spannungsabfälle über den temperaturempfindlichen Ele menten.With the invention, a bolometer arrangement, in particular for infrared imaging, is provided which comprises a plurality of temperature-sensitive elements which are preferably arranged in at least one linear or one linieniformi arrangement, such a "linear arrangement" such. B. can be on a curved line-shaped, circular-line ge, elliptical line-shaped, square line-shaped, triangular line-shaped or other line-shaped arrangement. These elements, preferably superconducting films, have a substantially linear resistance-temperature relationship over a predetermined working range, which is defined by points WR _L and WR _H , which represent the lowest and highest point in the working range, and has a relatively small change in resistance for a relatively large change in temperature above or outside the working range. These elements are biased towards a common point such that they all have the resistance value R ₁ after being biased so and a respective resistance value R ₂ after being exposed to the radiant heat to be measured. A resistive film for each of the temperature sensitive elements, which may be combined into a common resistive film for several such elements, is selective by means of a power source for selectively heating these resistive films to a third point WR ₃ in the work area equal to the point WR _H is or is above the point WR _H , feedable. A measuring circuit measures the voltage drops across the temperature sensitive elements.

Claims

1. Bolometer arrangement, in particular for infrared imaging, comprising:
a plurality of temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ), which are preferably arranged in at least one linear arrangement, the temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) having an essentially linear, resistance-temperature relationship have a predetermined working range defined by points WR _L and WR _H , each defining the lowest and highest point in the working range, and wherein the temperature sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) further have a relatively small change in resistance for a relatively large temperature change above or outside of the working range;
a preloading device (DCS; 4 ) for preloading all temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) towards a common point WR ₁ , such that they all have the resistance R ₁ after they have been preloaded, and preferably the resistance value R ₂ after being exposed to the radiant heat to be measured;
a resistance film (CL ₁ -CL _n ; 6 ) for each of the temperature sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) which is selectively heated by means of a current source ( 8 ) for selectively heating the temperature sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) can be fed to a third point WR ₃ in the work area which is equal to the point WR _H or is above the point WR _H ; and
a measuring circuit (MS; 12 ) for measuring the voltage drops across the temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ).

2. Bolometer arrangement according to claim 1, characterized in that it has a device ( 8 ) for successively feeding the resistance films (CL ₁ -CL _n ; 6 ) with short current pulses, and a capacitor (C), the temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) to the measuring circuit (MS; 12 ) so that the measuring circuit (MS; 12 ) only receives the output variables from the temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) when their respective resistance film ( CL ₁ -CL _n ; 6 ) are pulsed.

3. Bolometer arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) are arranged in a two-dimensional arrangement of rows and columns, with a resistance film (CL ₁ -CL _n ; 6 ) for each of the rows and an amplifier (A; 10 ) is provided for each of the columns.

4. Bolometer arrangement according to claim 3, characterized in that the preloading device (DCS; 4 ) comprises or is a common direct current source which is connected in parallel to all columns.

5. bolometer arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that a single or single contact (P ₁ ) for each column of temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) and a single or single contact (P ₂ ) for each Series of resistance films (CL ₁ -CL _n ; 6 ) is provided.

6. Bolometer arrangement according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the temperature-sensitive elements (S ₁ -S _n ; 2 ) are superconducting films, preferably on a common substrate (SBT).

7. Bolometer arrangement according to claim 6, characterized in that the substrate (SBT) is transparent to infrared radiation, the superconducting films (S ₁ -S _n ; 2 ) being applied over or on the substrate (SBT), and wherein the resistance films ( CL ₁ -CL _n ; 6 ) are applied over or on the su praleitischen films (S ₁ -S _n ; 2 ).