DE4424135C2 - Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für elektromagne­ tische Wellen.

Bekannt ist eine Mikrowellenmeßvorrichtung, die die Intensi­ tät einer Mikrowelle durch Messen einer elektrischen Spannung ermittelt, welche durch Gleichrichten eines von einer zu mes­ senden Mikrowelle induzierten Stroms mittels einer Punktkon­ takt-Siliziumdiode erhalten wird.

Eine andere bekannte Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen verwendet einen Thermodetektor, etwa einen Thermistor oder ein Bolometer.

Obwohl diese Meßvorrichtungen die Intensität einer elektro­ magnetischen Welle in einem speziellen Wellenlängenbereich messen, sind sie nicht in der Lage, die Wellenlänge der elek­ tromagnetischen Welle zu messen. Die bekannte Mikrowellenmeß­ vorrichtung eignet sich nicht zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung oder einer Umgebung, wo sie Strahlung ausgesetzt ist, da ihr Temperaturanstieg infolge der Umge­ bungstemperatur oder der Strahlungsabsorption eine Messung hoher Genauigkeit verhindert.

Es ist ferner bekannt, optische Wellenlängen mittels eines Spektrophotometers zu messen, das ein optisches Prismenspek­ trometer und einen Photovervielfacher umfaßt. Eine lange Radiowellenlänge wird mit Hilfe eines Empfängers gemessen, der einen abgestimmten Oszillatorstrom entsprechend der emp­ fangenen Radiowelle mißt. Eine kurze Wellenlänge, wie etwa die von Röntgenstrahlen, wird mittels einer Kombination aus einem Beugungsgitter und einem Zähler gemessen.

Obwohl jede dieser Wellenlängenmeßvorrichtungen einen spe­ ziellen Aufbau aufweist, der für die genaue Messung einer Wellenlänge (mit hoher Wellenlängenauflösung) in einem bestimmten Wellenlängenbereich geeignet ist, können diese Vorrichtungen aufgrund ihrer groß bemessenen Bauteile nicht verkleinert werden. Die Wellenlängenbereiche, die von den bekannten Wellenlängenmeßvorrichtungen gemessen werden können (die dynamischen Bereiche) sind schmal, und es ist bislang keine Wellenlängenmeßvorrichtung realisiert worden, die Wel­ lenlängen vom Mikrowellenbereich bis zum Infrarotbereich mißt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine miniaturi­ sierte Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen zu schaf­ fen, die in der Lage ist, Wellenlängen vom Mikrowellenbereich zum Infrarotbereich in jeder Umgebung zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Meßvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, soll zunächst das der Erfindung zugrundeliegende Meßprinzip anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden.

Die Bewegungsbahn eines durch Elektronenemission emittierten Elektrons als eines geladenen Teilchens zu der es anziehenden Anode wird durch eine Zyklotronbewegung verlängert, die durch ein orthogonales Magnetfeld angeregt wird. Das Elektron auf seiner Kreisbewegung wird durch wiederholte Zufuhr kinetischer Energie durch die Zyklotronresonanz beschleunigt, wenn die Zyklotronwinkelfrequenz ω_c des Elektrons, welche von der magnetischen Induktion orthogonal zur Kreisbahn des Elektrons bestimmt wird, und die Winkelfrequenz ω_f einer zu messenden elektromagnetischen Welle übereinstimmen, die die Elektronenbahn bestrahlt. Das beschleunigte Elektron stößt mit Molekülen des verdünnten Gases zusammen und ionisiert die Gasmoleküle. Die durch die Ionisation multiplizierten ,Elektronen werden von der Anode eingefangen, und die ionisierten Teilchen werden von der Kathode eingefangen. Wenn die Zyklotronresonanz verstärkt wird, erhält man eine sehr viel höhere Spitze des Anodenstroms als in dem Fall, wo der Anodenstrom nur auf den Elektronen beruht, die zur Anode gelangen, wenn die Zyklotronresonanz nicht verstärkt wird. Da man die Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz durch Änderung der magnetischen Induktion ändern kann, läßt sich die Wellenlänge der bestrahlenden elektromagnetischen Welle dadurch bestimmen, daß man beobachtet, bei welcher Induktion ein Spitzenwert des Anodenstroms auftritt. Die diesem Induktionswert entsprechende Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz ω_c ist dann gleich der Winkelfrequenz ω_f der bestrahlenden elektromagnetischen Welle.

Dieses Prinzip soll unter Bezugnahme von Fig. 1 detaillierter beschrieben werden. Die Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen umfaßt gemäß Darstellung in Fig. 1 eine Elektronen­ emissionsanordnung mit einer Kathode 1 und einer Gateelek­ trode 2 (Steuerelektrode) sowie eine Anode 3 und eine Magnet­ feldanlegeanordnung 4. Als Kathode 1 wird eine Kaltkathode verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Kathode 1 keine heiße Kathode verwendet. Elektronen werden aus der Kathode 1 durch den Schottky-Effekt (Tunneleffekt) herausge­ löst, da ein elektrisches Feld zwischen der Kathode 1 und der Gateelektrode 2 die Austrittsarbeit des Kathodenmaterials moduliert und die Potentialbarriere an der Grenzfläche der Kathode 1 verringert. Die Stromdichte j der durch Feldemission von der Kathode 1 emittierten Elek­ tronen ist durch die folgende Fowler-Nordheim-Gleichung gege­ ben:

j = BE₀² exp(-C/E₀), (1)

worin E₀ ein externes elektrisches Feld zwischen der Kathode 1 und der Gateelektrode 2 darstellt und B und C Konstanten sind. Obwohl die Gleichung 1 unter der Annahme abgeleitet ist, daß Elektronen auf Niveaus unterhalb des Fermi-Niveaus bei 0°K emittiert werden, ist aus Experimenten bekannt, daß die Gleichung temperaturunabhängig ist und auch bei Tempera­ turen oberhalb der Raumtemperatur gültig ist.

Die feldemittierten Elektronen bewegen sich zur Anode 3, zu der sie aufgrund eines elektrischen Feldes zwischen Kathode und Anode angezogen werden. Unter dem Einfluß eines Magnet­ feldes führen die wandernden Elektronen eine Kreisbewegung bei einer durch die folgende Gleichung gegebenen Winkelfre­ quenz ω_c auf einer XY-Ebene in einem orthogonalen Koordina­ tensystem aus, dessen X-Achse in Richtung des elektrischen Feldes E weist, während die Z-Achse längs dem gleichförmigen orthogonalen Magnetfeld gerichtet ist:

ω_c = eB/m = 175,65B GHz, (2)

worin e die elektrische Ladung eines Elektrons darstellt, m die Masse eines Elektrons und B die Induktion des orthogona­ len Magnetfeldes. Die Zyklotronwinkelfrequenz ω_c hängt nicht von der Geschwindigkeit eines Elektrons ab und ist proportio­ nal zur magnetischen Induktion B. Daher nimmt die Winkelfre­ quenz ω_c zu, und die Kreisbahn (Bewegungsbahn) des Elektrons wird länger, wenn die magnetische Induktion B vergrößert wird. Die Elektronen führen also eine kreisende Bewegung aus, während sie sich zur Anode 3 bewegen, wie in Fig. 1 (b) gezeigt.

In dieser Situation wird die Zyklotronresonanz unter bestimm­ ten Bedingungen verstärkt, wenn eine elektromagnetische Welle die Elektronenbahn bestrahlt. Da das Elektron beschleunigt wird, wenn die Winkelfrequenz ω_f der Schwingung der elektro­ magnetischen Welle mit der Zyklotronwinkelfrequenz ω_c über­ einstimmt und die Richtung des elektrischen Feldes der bestrahlenden elektromagnetischen Welle mit der X-Achse zusammenfällt, wird die Geschwindigkeit des sich in kreisen­ der Bewegung befindenden Elektrons schneller, und der Radius R der kreisenden Bewegung, der durch die nachfolgende Glei­ chung gegeben ist, nimmt allmählich zu.

R = mv/(eB) = v/ω_c (3)

Daher bewegt sich das Elektron auf einer spiralförmigen Bahn in Richtung auf die Anode 3.

Da die Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz ω_c proportional zur magnetischen Induktion B geändert werden kann, kann bei Bestrahlung mit einer elektromagnetischen Welle unbekannter Wellenlänge der Zustand der Verstärkung der Zyklotronresonanz durch Ändern der magnetischen Induktion B eingestellt werden. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz durch Änderung der magnetischen Induktion B auf dem Wege der Änderung des Erre­ gerstroms eines Elektromagneten geändert, der als die Magnet­ feldanlegeanordnung 4 verwendet wird.

Wenn auf irgendeine Weise die Zyklotronresonanz als ein Punkt des Zusammenfallens der Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz ω_c mit der Winkelfrequenz ω_f der Schwingung der elektromagneti­ schen Welle festgestellt werden kann, dann kann die Wellen­ länge der elektromagnetischen Welle aufgrund von Gleichung (2) gemessen werden. Die vorliegende Erfindung gewinnt beschleunigte Elektronen durch Zyklotronresonanz, gewinnt vervielfachte geladenen Partikel (Ionenpaare) durch Ionisie­ rung von Molekülen M des verdünnten Gases aufgrund der Kolli­ sion der beschleunigten Elektronen mit den Gasmolekülen zur Verstärkung eines Anodenstroms auf einen Spitzenwert und mißt den so erhaltenen Anodenspitzenstrom.

Das verdünnte Gas ist mittels einer Abdichteinrichtung 5 in einem Vakuumraum 6 dicht eingeschlossen. Da die durch die Zyklotronresonanz beschleunigten Elektronen eine kinetische Energie erhalten, die höher ist als die Dissoziationsenergie der Moleküle (Atome) des verdünnten Gases, sowie eine erhöhte Kollisionswahrscheinlichkeit aufgrund der verlängerten Bewe­ gungsbahn als Ergebnis ihrer Spiralbewegung, kollidieren die beschleunigten Elektronen mit den Gasmolekülen und dissoziie­ ren sie mit der Folge der Ionisierung, so daß jedes Elektron durch die Ionisierung ein oder zwei weitere Elektronen erzeugt. Da die Ionisierungselektronen dann zur Auslösung einer weiteren Ionisation von Gasmolekülen oder Atomen beschleunigt werden, steigt die Zahl der vervielfachten Elek­ tronen und Ionen in dem Vakuumraum exponentiell an. Die Elek­ tronen werden von der Anode und die Ionen von der Kathode eingefangen. Wenn die Zyklotronresonanz nicht verstärkt wird, werden von der Anode nur feldemittierte Elektronen eingefan­ gen und erzeugen einen kleinen Anodenstrom. Ein Anodenspit­ zenstrom wird dagegen als Ergebnis vervielfachter Ladungsträ­ ger beobachtet, wenn die Zyklotronresonanz verstärkt wird.

Die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle wird aufgrund des Erregerstroms des Elektromagneten bestimmt, bei dem die Zyklotronresonanz verstärkt wird, wobei die Verstärkung dadurch anhand eines Anodenspitzenstroms festgestellt wird, daß der Erregerstrom gewobbelt wird, so daß er mit der Zeit ansteigt. Da die Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz ω_c propor­ tional dem Erregerstrom entsprechend der magnetischen Induk­ tion B ist, können Wellenlängen über mehrere Größenordnungen durch Änderung des Erregerstroms über mehr als etliche Größenordnungen gemessen werden. Daher wird ein Wellenlängen­ detektor mit einem großen Dynamikbereich realisiert, der Wel­ lenlängen vom Mikrowellenbereich bis zum Infrarotbereich mißt.

Da gemäß der Erfindung die Elektronen durch Kaltkathodenelek­ tronenemission erhalten werden, kann die Meßvorrichtung in beliebiger ungünstiger Umgebung, beispielsweise bei hohen Temperaturen oder unter Strahlungseinfluß arbeiten, ohne von Hintergrundstörungen beeinflußt zu sein. Da die Meßvorrich­ tung für elektromagnetische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, mittels Halbleiterverarbeitungstech­ niken hergestellt zu werden, ermöglicht sie eine Verkleine­ rung und Kostenreduzierung.

Bei Verwendung der Meßvorrichtung für elektromagnetische Wel­ len gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Intensität einer elektromagnetischen Welle dadurch bestimmt werden, daß die Höhe des Anodenspitzenstroms gemessen wird, da die Spit­ zenhöhe der Intensität der bestrahlenden elektromagnetischen Welle entspricht.

Eine Verringerung des Grads des Vakuums, die durch einen zu hohen Partialdruck des eingeschlossenen Gases verursacht wird, unterdrückt die Kaltkathodenelektrodenemission und behindert eine Entladung. Das eingeschlossene verdünnte Gas der vorliegenden Erfindung vermeidet diese Behinderung. Wenn das elektrische Potential der Anode zu hoch ist, wird die Entladung behindert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es aber nicht notwendig, das elektrische Potential der Anode anzuheben, da Elektronen durch Zyklotronresonanz, verstärkt durch das elektrische Feld der bestrahlenden elektromagneti­ schen Welle, beschleunigt werden. Obwohl das eingeschlossene Gas sehr verdünnt ist, schreitet die durch Dissoziation aus­ gelöste Ionisation ohne Probleme fort, weil die Kollisions­ wahrscheinlichkeit der Elektronen mit dem eingeschlossenen Gas bei der vorliegenden Erfindung aufgrund der Spiralbewe­ gung der Elektronen erhöht ist.

Da die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Zyklotronresonanzfrequenz durch Wobbeln des Erregerstroms des Elektromagneten, so daß er mit der Zeit zunimmt, ermittelt, muß also die Intensität des gleichförmigen orthogonalen Magnetfeldes allmählich variiert werden, was zu einer verlän­ gerten Wobbelperiode führt. Daher eignet sich die Meßvorrich­ tung der ersten Ausführungsform nicht so gut zur Messung von Wellenlängen, die sich von Zeit zu Zeit ändern, da die ausge­ dehnte Wobbelperiode die Wellenlängenmeßantwort verschlech­ tert und die Toleranz der Abtastzeitsteuerungswahl verrin­ gert. Die Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen der zweiten Ausführungsform ist so aufgebaut, daß sie eine Echt­ zeitwellenlängenmessung ermöglicht. Die Meßvorrichtung dieser zweiten Ausführungsform umfaßt eine Vielzahl von Wellenlän­ genmeßzellen, von denen jede die gleichen Funktionselemente enthält wie die Meßvorrichtung der ersten Ausführungsform. Die Magnetfeldanlegeanordnung der Meßzellen umfaßt eine feste Magnetfeldanlegeanordnung zum Anlegen fester orthogonaler Magnetfelder, wobei die magnetischen Induktionen der festen Magnetfelder bei den einzelnen Meßzellen voneinander ver­ schieden sind.

Die Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz ω_c in den einzelnen Zel­ len weist daher einen jeweiligen individuellen Wert auf. Wenn die zu messende elektromagnetische Welle alle Meßzellen gleichmäßig bestrahlt oder wenn die Meßzellen so nahe beiein­ ander angeordnet sind, daß unterstellt werden kann, daß die elektromagnetische Welle alle Meßzellen gleichmäßig bestrahlt, dann wird die Zyklotronresonanz nur in einer der Meßzellen verstärkt, derjenigen nämlich, deren Zyklotronreso­ nanz-Winkelfrequenz ω_c gleich der Winkelfrequenz ω_f der Schwingung der bestrahlenden elektromagnetischen Welle ist. In allen anderen Meßzellen wird die Zyklotronresonanz nicht verstärkt. Die Wellenlänge der bestrahlenden elektro­ magnetischen Welle kann daher auf Echtzeitbasis ohne Wobbeln des Erregerstroms gemessen werden, indem die Zyklotronreso­ nanz-Winkelfrequenz ω_c der speziellen Meßzelle identifiziert wird, deren Anodenstrom infolge der Zyklotronresonanz groß ist. Darüberhinaus erleichtert die zweite Ausführungsform die Messung der Intensität der elektromagnetischen Welle aufgrund des Spitzenwerts des Anodenstroms und spektrometrische Mes­ sungen der Wellenlängenverteilung der elektromagnetischen Welle, wie die gleichzeitige Messung von Wellenlängen einer Vielzahl elektromagnetischer Wellen.

Der Anodenstrom hängt von der räumlichen Ausrichtung der Meß­ zelle in bezug auf die elektrische Feldebene der bestrahlen­ den elektromagnetischen Welle ab. Die Genauigkeit der Wellen­ längenmessung kann dadurch verbessert werden, daß die Meßvor­ richtung der ersten Ausführungsform oder die Meßzellen der zweiten Ausführungsform längs drei Achsen der orthogonalen Koordinaten angeordnet werden, so daß die Zyklotronresonanz für jede orthogonale Komponente des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Welle verstärkt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1(a) eine schema­ tische Schnittansicht einer Meßvorrichtung für elek­ tromagnetische Wellen und Fig. 1(b) die Bewegung eines emittierten Elektrons zeigen;

Fig. 2 eine den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zei­ gende Darstellung, wobei Fig. 2(a) eine perspektivi­ sche Ansicht und Fig. 2(b) eine Schnittansicht ist.

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Anodenstrom und dem Spulenstrom der ersten Ausführungsform zeigt,

Fig. 4 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau einer zweiten Ausführungsform einer Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 eine Schnittansicht, die schematisch einen Aufbau einer Meßzelle der zweiten Ausführungsform zeigt; und

Fig. 6 schematische Ansichten zur Erläuterung eines Herstel­ lungsverfahrens der Meßvorrichtung der ersten Ausfüh­ rungsform oder einer Meßzelle der zweiten Ausfüh­ rungsform.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen gemäß der vor­ liegenden Erfindung. Fig. 2(a) zeigt eine perspektivische Ansicht und Fig. 2(b) eine Schnittansicht. Die Meßvorrichtung 10 umfaßt auf einem Siliziumsubstrat 11 eine (nachfolgend als Isolierschicht bezeichnete) oxidierte Siliziumschicht 12, in welcher eine Ausnehmung 12a in der Form eines umgekehrten Trapezes ausgebildet ist, eine Wolfram-Kaltkathode (Emitter­ elektrode) 13, die auf der Isolierschicht 12 ausgebildet ist und viele kammzinkenartige Spitzen aufweist, die sich ausge­ hend von einer Seite über die Ausnehmung 12a erstrecken, eine rechteckige Molybdän-Gateelektrode (Steuerelektrode) 14, die in der Ausnehmung 12a auf der Seite der Kaltkathode 13 ange­ ordnet ist, eine Wolfram-Anode (Kollektorelektrode) 15, die auf der Isolierschicht 12 ausgebildet ist und sich ausgehend von der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite über die Ausnehmung 12a erstrecket, ein isolierendes Abdichtteil 16 (beispielsweise aus Quarz), das an seiner Unterseite mit einer Ausnehmung 16a versehen ist, und einen Elektromagneten 18 mit einem Magnetkern 18a, der auf der Rückseite des Sili­ ziumsubstrats 11 befestigt ist, und einer Elektromagnetspule 18b aus einem um den Magnetkern 18a gewickelten lackisolier­ ten Draht. Wie aus der Darstellung in Fig. 2(b) erkennbar, bilden die Ausnehmungen 16a und 12a einen Vakuumraum 17 zum Einschluß eines verdünnten Wasserstoffgases. In Fig. 2(a) ist das Abdichtteil 16 nicht dargestellt.

Typische Abmessungsparameter für die erste Ausführungsform sind wie folgt. Größe (Chipgröße) des Siliziumsubstrats 11 2 mm × 2 mm; Dicke der Kathode 13 0,2 µm; Kantenbreite der kammzinkenartigen Spitze 3 µm und Mittenabstand der Spitzen 6 µm, wobei die Kathode 13 270 Spitzen aufweist und ihre Gesamtbreite 1,6 mm beträgt; Dicke, Breite und Länge der Gateelektrode 0,2 µm, 1,6 mm bzw. 3 µm; Dicke und Breite der Anode 15 0,2 µm bzw. 1,6 mm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Gateelektrode 14 0,7 µm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Anode 15 10 µm; und Durchmesser des zylindrischen Magnetkerns 18a 1 mm. Der Magnetkern besteht aus Mn-Zn-Ferrit mit einer spezifischen Permeabilität von 5000. Der Elektroma­ gnet 18 ist dazu vorgesehen, ein Magnetfeld längs der Rich­ tung (Z-Richtung) senkrecht zu einer Ebene anzulegen, welche die Kathode 13 und die Anode 15 in dem Vakuumraum 17 enthält (XY-Ebene). Der Vakuumraum 17 ist mit 3 × 10^-19 Mol verdünn­ ten Wasserstoffgases gefüllt.

An die Kathode 13 wird ein Null-Potential oder ein negatives elektrisches Potential angelegt. Ein positives elektrisches Potential wird an die Gateelektrode 14 angelegt. Ein elektri­ sches Potential, das höher als das elektrische Gatepotential ist, wird an die Anode 15 angelegt. Da das elektrische Feld der Gateelektrode 14 die Austrittsarbeit von Wolfram modu­ liert, um die Potentialbarriere an der Grenzfläche der Kathode 13 zu verringern, werden Elektronen aus der Kathode 13 (1) durch den Schottky-Effekt (Tunneleffekt) herausgezo­ gen.

Es ist aufgrund von Experimenten bekannt, daß die Stromdichte der längs der X-Achse von der Kathode 13 (1) feldemittierten Elektronen geringe Temperaturabhängigkeit aufweist. Die Stromdichte der feldemittierten Elektronen zeigt bei hohen Temperaturen oder unter Strahlungsaussetzung einen nahezu stationären Wert. Da alle Stirnflächen der kammzinkenartigen Spitzen der Kathode 13 in bezug auf die Gateelektrode 14 gleich angeordnet sind, erhält man von jeder der Stirnflächen der Spitzen die gleiche Stromdichte.

Da die Schwellenspannung der Feldemission an jeder Stirnflä­ che der Spitzen gleich ist, ist die Anfangsgeschwindigkeit der emittierten Elektronen an den Stirnflächen gleich.

Die auf diese Weise feldemittierten Elektronen bewegen sich, angezogen durch das elektrische Feld E zwischen der Kathode 13 und der Anode 15, in Richtung auf die Anode. Da durch den Elektromagneten 18 ein gleichförmiges Magnetfeld B orthogonal zu dem elektrischen Feld E im Vakuumraum 17 angelegt wird, führen die sich bewegenden Elektronen eine kreisende Bewegung mit einer Zyklotronwinkelfrequenz ω_c auf der XY-Ebene aus. Die Zyklotronwinkelfrequenz ω_c hängt nicht von der Geschwin­ digkeit des Elektrons ab und ist proportional zur magneti­ schen Induktion B. Daher nimmt die Zyklotronwinkelfrequenz ω_c mit zunehmender Induktion B zu, während die kreisförmige Bahn (Bewegungsbahnlänge) des Elektrons länger wird. Das Elektron führt also auf seinem Weg zur Anode 15 eine kreisende Bewe­ gung aus. Wenn in dieser Situation eine elektromagnetische Welle (zu messende elektromagnetische Welle), deren Schwin­ gungswinkelfrequenz ω_f mit der Zyklotronwinkelfrequenz ω_c übereinstimmt und deren elektrische Feldrichtung mit der X-Achse übereinstimmt, die Elektronbahn bestrahlt, wird das Elektron zu einem Maximalwert beschleunigt und bewegt sich schneller, während der Radius seiner Kreisbahn allmählich zunimmt. Daher wandert das Elektron längs einer Spiralbahn zur Anode 15. Da die Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz ω_c pro­ portional zur magnetischen Induktion B geändert werden kann, kann der genannte Zustand übereinstimmender Frequenzen und damit die Verstärkung der Zyklotronresonanz durch Änderung der Induktion B herbeigeführt werden.

Bei der ersten Ausführungsform kann der Erregerstrom i des Elektromagneten 18 variiert werden, und der Zustand der ver­ stärkten Zyklotronresonanz wird durch Änderung der Induktion B auf dem Wege der Änderung des Erregerstroms i des Elektro­ magneten 18 erreicht. Da das Elektron beschleunigt wird, wenn die Zyklotronresonanz einmal verstärkt wurde, wird ein Mole­ kül M des verdünnten Wasserstoffgases durch die Kollision mit dem beschleunigten Elektron ionisiert und ein Elektron abgespaltet. Da dieses Ionisationselektron dann beschleunigt wird und eine weitere Ionisation der Wasserstoffgasmoleküle auslöst, tritt eine expotentielle Vervielfachung von Elektro­ nen und Ionen in dem Vakuumraum 17 auf. Die vervielfachten Elektronen werden von der Anode 15 eingefangen, während die Ionen (Wasserstoffkerne) von der Kathode 13 eingefangen wer­ den. Wenn die Zyklotronresonanz nicht verstärkt wird, werden von der Anode nur feldemittierte Elektronen eingefangen, die einen geringen Anodenstrom verursachen, während eine Anoden­ stromspitze aufgrund der vervielfachten Ladungsträger den Zustand verstärkter Zyklotronresonanz anzeigt.

Fig. 3 zeigt in graphischer Darstellung den Anodenstrom I_A bei einer Gatespannung von 200 V, einer Anodenspannung von 300 V und bei Bestrahlung mit einer Mikrowelle von 1,1 GHz, wenn der Spulenstrom (Erregerstrom) i von 10 mA bis 140 mA verändert wird. Die Darstellung in Fig. 3 beruht auf einer Windungszahl n = 10 der Spule 18b. In Fig. 3 zeigt der Anodenstrom I_A eine scharfe Spitze bei einem Spulenstrom i von 100 mA, und die Höhe der Spitze beträgt 50 µA. Da die Zyklotronwinkelfrequenz ω_c der magnetischen Induktion B und damit dem Spulenstrom i proportional ist, kann eine Wellen­ länge beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 0,1 GHz und 1,4 GHz dadurch gemessen werden, daß der Spulenstrom i von 10 mA bis 140 mA geändert wird.

Da der Spulenstrom i über mehr als etliche Größenordnungen geändert werden kann, wird eine Wellenlängenmeßvorrichtung mit einem großen Dynamikbereich geschaffen, die Wellenlängen in einem sich über mehr als etliche Größenordnungen erstreckenden Wellenlängenbereich mißt. Daher können mittels einer einzelnen Wellenlängenmeßvorrichtung Wellenlängen vom Mikrowellenbereich bis zum Infrarotbereich gemessen werden. Da die Meßvorrichtung die Elektronen aufgrund der Feldemis­ sion von der Kaltkathode erhält, arbeitet die Meßvorrichtung in jeder ungünstigen Umgebung, beispielsweise bei hohen Tem­ peraturen oder Strahlungsaussetzung, ohne durch Hinter­ grundstörungen beeinflußt zu werden. Da die Meßvorrichtung sich dazu eignet, die Kathode 13, die Gateelektrode 14, die Anode 15 etc. einschließlich einer Dünnfilmspule des Elektro­ magneten 18, wenn nötig, mittels Halbleiterverarbeitungs- und Dünnfilmabscheidungstechniken herzustellen, ermöglicht die Meßvorrichtung eine extreme Verkleinerung und Kostenreduzie­ rung. Darüberhinaus eignet sich die Meßvorrichtung der ersten Ausführungsform dazu, die Intensität elektromagnetischer Wel­ len durch Messung der Höhe des Spitzenwerts des Anodenstroms zu bestimmen, da die Höhe des Spitzenwerts der Intensität der bestrahlenden elektromagnetischen Welle entspricht.

Bei der ersten Ausführungsform ist in dem Vakuumraum 17 Was­ serstoffgas in einem Ausmaß verdünnt eingeschlossen, das aus­ reicht, den Grad des Vakuums nicht zu verschlechtern und keine Elektronenemission zu behindern, aber zugleich eine Entladung im Vakuumraum zu verhindern. Obwohl das einge­ schlossene Gas sehr verdünnt ist, schreitet die durch die Dissoziation ausgelöste Ionisation ohne Probleme voran, weil der Kollisionsquerschnitt der Elektronen mit dem eingeschlos­ senen Gas durch die Spiralbewegung der Elektronen vergrößert ist.

Fig. 4 ist Blockdiagramm, das schematisch eine zweite Ausfüh­ rungsform einer Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Aufbau der zweiten Aus­ führungsform darstellt.

Die in Fig. 4 gezeigte Meßvorrichtung 50 der zweiten Ausfüh­ rungsform umfaßt 16 Elektromagnetfeld-Meßzellen 20 von 2 mm × 2 mm, die auf einem Siliziumsubstrat 21 von 10 mm × 10 mm in einer 4 × 4-Matrix aufgereiht sind. Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt jede Meßzelle auf dem Siliziumsubstrat 21 eine Sili­ ziumoxidschicht (Isolierschicht) 22. Ein Dünnfilmelektro­ magnet 28 mit einem Magnetkern 28a aus einem dünnen amorphen CoFe-Band ist in der Siliziumoxidschicht 22 eingebettet, und eine Dünnfilmspule 28b ist um den Magnetkern 28a gewickelt. Auf der Siliziumoxidschicht 22 ist eine obere Isolierschicht 29 ausgebildet, in deren Oberseite sich eine Ausnehmung 29a einer umgekehrten Trapezform befindet. Eine Wolfram-Kaltka­ thode (Emitterelektrode) 23 ist über der oberen Isolier­ schicht 29 angeordnet und weist kammzinkenartige Spitzen auf, die sich von einer Seite der Ausnehmung 29a über diese erstrecken. Eine rechteckförmige Niob-Gateelektrode 24 (zum Herausziehen von Elektronen) ist an der Seite der Kaltkathode 23 in der Ausnehmung 29a angeordnet. Eine Anode 25 (Kollek­ torelektrode) ist über der oberen Isolierschicht 29, der Kathode 23 gegenüberliegend und ihr zugewandt, vorgesehen und erstreckt sich über die Ausnehmung 29a. Sie setzt sich aus einer Wolframschicht 25a und einer Niobschicht 25b zusammen. Ein nicht dargestelltes Abdichtteil zum Einschluß von Wasser­ stoffgas in einem Vakuumraum 27 ist ferner vorgesehen und enthält an seiner Unterseite eine Ausnehmung ähnlich wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben.

Typische Abmessungsparameter der zweiten Ausführungsform sind wie folgt: Dicke der Kathode 23 0,2 µm; Kantenbreite der kammzinkenartigen Spitzen 3 µm und Mittenabstand der Spitzen 6 µm, wobei die Kathode 23 100 dieser kammzinkenartigen Spit­ zen aufweist; Dicke der Gateelektrode 24 0,2 µm; Dicke der Wolframschicht 25a der doppelschichtigen Anode 25 0,2 µm und die der Niobschicht 25b 0,2 µm; und Abstand zwischen der Kathode 23 und der Gateelektrode 24 0,7 µm. Der Dünnfilmelek­ tromagnet 28 ist dazu vorgesehen, ein Magnetfeld an den Vakuumraum 27 längs der Z-Richtung senkrecht zur XY-Ebene anzulegen, welche die Kathode 23 und die Anode 25 enthält. Die Windungszahl und die Breite der Spule 28b in dem Dünn­ filmelektromagnet 28 der sechzehn Meßzellen 22 sind unter­ schiedlich, weshalb die Induktion in Z-Richtung in jeder Meß­ zelle 20 anders ist. Der Vakuumraum 27 ist mit 3 × 10^-19 Mol verdünnten Wasserstoffgases gefüllt, was einem Druck oder Vakuumgrad von 3,75 × 10^-10 Pa entspricht.

Wie in Fig. 4 gezeigt, dient ein Spannungsversorgungsblock 31 zur Lieferung der Spannungen an die Kathoden 23, Anoden 25, und Gateelektroden 24. Ein Stromversorgungsblock 32 liefert Ströme an die Spulen 28b der Dünnfilmelektromagneten 28 in den einzelnen Meßzellen 20. Ein Strommeßblock 33 dient der Messung der Anodenströme in den einzelnen Meßzellen 20. Ein Datenverarbeitungsblock 34 ermittelt die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle auf der Basis der gemessenen elek­ trischen Stromwerte in den einzelnen Zellen und ist mit dem so aufgebauten Chip zur Messung elektromagnetischer Wellen verbunden.

Da die Meßvorrichtung der ersten Ausführungsform die Zyklo­ tronresonanzfrequenz durch Wobbeln des Erregerstroms i mißt, ist es nötig, die Intensität des gleichförmigen orthogonalen Magnetfeldes allmählich zu verändern, was eine entsprechend ausgedehnte Wobbelperiode zur Folge hat. Daher ist die Meßvorrichtung der ersten Ausführungsform nicht sehr günstig, wenn sich die Wellenlängen von Zeit zu Zeit ändern, da die lange Wobbelperiode die Wellenlängenmeßantwort verschlechtert und die Toleranz bei der Auswahl der Abtastzeitsteuerung ver­ ringert. Die Meßvorrichtung der zweiten Ausführungsform geht von einem Aufbau aus, der die Messung von Wellenlängen auf Echtzeitbasis erleichtert. Die zweite Ausführungsform zeich­ net sich durch eine Vielzahl von Meßzellen 20 aus, die ortho­ gonale Magnetfelder erzeugen, deren Induktion jeweils auf voneinander verschiedene Werte eingestellt ist. Die Zyklotron­ resonanz-Winkelfrequenzen ω_c der Meßzellen 20 weisen daher von einander verschiedene Werte auf, weshalb die Zyklotronre­ sonanz in einer der Meßzellen 20 verstärkt wird, derjenigen nämlich, deren Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz mit der Schwingungswinkelfrequenz ω_f der bestrahlenden magnetischen Welle übereinstimmt oder ihr nahekommt, während in allen anderen Zellen die Zyklotronresonanz nicht verstärkt wird. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle wird daher anhand der Zyklotronresonanz-Winkelfrequenz ω_c derjenigen Zelle gemessen, die als die identifiziert wird, deren Zyklo­ tronresonanz verstärkt ist und deren Anodenstrom groß ist. Auf diese Weise wird mit der zweiten Ausführungsform eine Wellenlängenmessung realisiert, die kein Wobbeln des Erreger­ stroms erfordert. Die zweite Ausführungsform mißt die Inten­ sität der elektromagnetischen Welle aufgrund der Spitzenhöhe des Anodenstroms. Darüberhinaus erleichtert die zweite Aus­ führungsform spektrometrische Messungen der Wellenlängenver­ teilung der elektromagnetischen Welle, wie etwa die gleich­ zeitige Messung der Wellenlängen einer Vielzahl elektromagne­ tischer Wellen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6(A) bis 6(H) soll nachfolgend die Herstellung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung anhand einzelner Herstellungsschritte erläutert werden. Die Fig. 6(A) bis 6(H) zeigen jeweils Schnittansichten der Meßvorrich­ tung im Verlauf ihrer Herstellung. Wie in Fig. 6(A) darge­ stellt, wird die spiralförmige Dünnfilmspule 28b durch Dampfabscheidung von Cu und durch photolithographische Tech­ nik auf der Siliziumoxidschicht 22 ausgebildet, welche durch Oxidation des Siliziumsubstrats 21 mit einer Dicke von 1 µm hergestellt wurde. Die obere Isolierschicht 29 aus SiO₂ wird mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) auf der Schicht 22 abgeschieden, um die Spule 28b zu bedecken und eine ebene Oberfläche der Schicht 29 zu schaffen. Bei der Herstellung der Dünnfilmspule 28b werden im Fall der zweiten Ausführungs­ form die Windungszahl, die Spulenbreite sowie der Windungsab­ stand für die einzelnen Zellen auf verschiedene Werte gesetzt.

Wie in Fig. 6(B) dargestellt, wird dann auf der oberen Iso­ lierschicht 29 eine Photoresistschicht 40 ausgebildet, die dann in einem Abschnitt entsprechend dem mittleren Abschnitt der Dünnfilmspule 28b mit einem durchgehenden Fenster verse­ hen wird. Unter Verwendung der Photoresistschicht 40 als Maske wird dann eine Nut 41 in der oberen Isolierschicht 29 in diesem mittleren Abschnitt der Dünnfilmspule 28b ausgebil­ det und in der Nut eine CoFe-Legierung durch Sputtern abge­ schieden. Auf diese Weise werden ein Magnetkern 28a aus der CoFe-Legierung in der Nut 41 vergraben und eine Schicht 42 aus der CoFe-Legierung auf die Photoresistschicht 40 lami­ niert.

Während dann mittels einer Lift-Off-Technik, bei der die Photoresistschicht 40 und die Schicht 42 der CoFe-Legierung mit Azeton ausgewaschen werden, diese Schichten 40 und 42 entfernt werden, bleibt der Magnetkern 28a in der Nut 41 zurück. Danach wird erneut auf der oberen Isolierschicht 29 mittels CVD eine SiO₂ Schicht abgeschieden, und die Oberflä­ che dieser Schicht wird geebnet, wie in Fig. 6(C) gezeigt. Hierdurch wird die Nut 40 mit SiO₂ aufgefüllt. Dann wird eine Wolframschicht 43 auf der oberen Isolierschicht 29 durch Sputtern abgeschieden.

Gemäß Darstellung in Fig. 6(D), wird dann eine Photoresist­ schicht 44 aufgebracht und die Wolframschicht 42 zur Bildung der Kathode 23 und der Wolframschicht 25a der Anode 25 mit­ tels photolithographischer Technik zu einem vorgegebenen Muster geformt.

Wie in Fig. 6(E) gezeigt, wird die Photoresistschicht 44 auf der Wolframschicht 25a entfernt, nachdem die Ausnehmung 29a in der oberen Isolierschicht 29 hergestellt wurde, wobei die Kathode 23 und die Wolframschicht 25a der Anode 25 in der zuvor gemusterten Form als Masken verwendet werden. Dann wird die Gateelektrode 24 in der Ausnehmung 29a auf der Seite der Kathode 23 ausgebildet, und eine Niobschicht 25b wird auf der Wolframschicht 25a der Anode 25 durch Elektronenstrahlab­ scheidung von Niob ausgebildet, nachdem eine Photoresist­ schicht 45 mit einem Fenster auf der Seite der Kathode 23 in der Ausnehmung 29a hergestellt wurde.

Wie in Fig. 6(F) gezeigt, bleiben die Gateelektrode 24 und die Niobschicht 25b der Anode 25 zurück, wenn die Photore­ sistschicht 44 und die Niobschicht auf der Kathode 23 sowie die Photoresistschicht 45 und die Niobschicht in dem Aus­ schnitt 29a mit Hilfe der Lift-Off-Technik entfernt werden, bei der mit Azeton ausgewaschen wird.

Gemäß Darstellung in Fig. 6(G) wird eine Photoresistschicht 46 zur Ausbildung der kammzinkenartigen Spitzen der Kathode 23 unter Verwendung der mit einem entsprechenden Muster ver­ sehenen Schicht 46 als Maske hergestellt. Die Photoresist­ schicht 46 wird dann gemäß Fig. 6(H) entfernt. Am Ende dieses Verfahrens erhält man den in Fig. 5 gezeigten Aufbau. Die Herstellung der Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen wird durch Abscheidung eines Isolationsabdichtteils (16 in Fig. 2, in Fig. 5 nicht gezeigt) zum Einschluß eines verdünn­ ten Wasserstoffgases in dem Vakuumraum 27 als einem Raum in dem Ausschnitt 29a abgeschlossen.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die magneti­ sche Induktion jeder Meßzelle vorzugsweise dadurch auf einen bestimmten Wert abgestimmt, daß die strukturellen Parameter wie die Windungszahl der Spulen für die einzelnen Zellen unterschiedlich gemacht wird, während die Zellen mit gleichen Erregerströmen gespeist werden. Zum Erhalt einer bestimmten magnetischen Induktion ist es aber, wie schon zuvor erwähnt, auch möglich, die Erregerströme der Spulen 28b für die ein­ zelnen Zellen unterschiedlich zu machen und die strukturellen Parameter der einzelnen Zellen gleich zu wählen. Die Anzahl der Zellen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht auf sechzehn beschränkt. Eine Meßvorrichtung, die mehr Meßzellen aufweist, besitzt eine größere Wellenlängenauflösung oder einen ausgedehnteren dynamischen Bereich für die Wellenlän­ genmessung.

Die Ausrichtung der Meßvorrichtung in bezug auf die bestrah­ lende elektromagnetische Welle bestimmt den Wert des Anoden­ stroms. Daher wird eine Ausrichtungsabhängigkeit der Wellen­ längenmessung beseitigt und die Genauigkeit der Wellenlängen­ messung verbessert, wenn die Vorrichtung oder die Meßzellen der vorliegenden Erfindung gleichmäßig in den drei Dimensio­ nen ausgerichtet werden, so daß die Zyklotronresonanz als Antwort auf eine elektrische Feldkomponente längs jeder Achse der orthogonalen Koordinaten verstärkt wird.

Wie oben beschrieben, weist eine Meßvorrichtung für elektro­ magnetische Wellen eine oder mehrere Meßzellen auf, von denen jede eine Elektronenemissionsanordnung mit einer Kaltkathode, eine Elektroneneinfanganordnung mit einer Anode, die der Kaltkathode in einem Vakuumraum gegenüberliegend angeordnet ist, eine Magnetfeldanlegeanordnung zum Anlegen eines Magnet­ feldes orthogonal zu einem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Anode in dem Vakuumraum, und eine Abdichtan­ ordnung zum Einschluß eines verdünnten Gases in dem Vakuum­ raum enthält. Die Messung beruht auf der Verstärkung der Zyklotronresonanz, die auftritt, wenn die Zyklotronfrequenz der von der Kathode emittierten, zur Kathode wandernden Elek­ tronen gleich der Frequenz einer zu messenden elektromagneti­ schen Welle ist, deren elektrischer Feldvektor in der Rich­ tung des elektrischen Feldes zwischen Kathode und Anode liegt. Diese Verstärkung zeigt sich in einem steilen Anstieg des Anodenstroms. Da die Zyklotronfrequenz der Induktion des angelegten Magnetfeldes proportional ist, läßt sich durch Änderung der Induktion einer Meßzelle und/oder durch unter­ schiedliche Induktionen einer Vielzahl von Meßzellen für eine Meßzelle der Zustand der verstärkten Zyklotronresonanz errei­ chen und die zu messende Wellenlänge anhand der Zyklotronfre­ quenz dieser Meßzelle bestimmen.

Claims (6)

1. Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen mit einer oder mehreren Meßzellen, die jeweils umfassen:
eine Elektronenemissionsanordnung (13, 14; 23, 24) mit einer Kaltkathode (13; 23), die aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes Elektronen emittiert,
eine Elektroneneinfanganordnung mit einer Anode (15; 25), die der Kathode (13; 23) in einem Vakuumraum (17; 27) gegenüberliegend angeordnet ist, um von der Kathode emit­ tierte Elektronen einzufangen,
eine Magnetfeldanlegeanordnung (18; 28) zum Anlegen eines Magnetfeldes orthogonal zu einem elektrischen Feld zwi­ schen der Kathode und der Anode in dem Vakuumraum, und
eine Abdichtanordnung (16) zum Einschluß eines verdünn­ ten Gases in dem Vakuumraum, welches durch die Kollision mit von der Kathode (13, 23) emittierten und zusätzlich beschleunigten Elektronen ionisierbar ist und dadurch zu einer Verstärkung des Elektronenstroms führt.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sie eine Meßzelle aufweist und die Magnetfeldanlege­ anordnung (18) einen Elektromagneten umfaßt, dessen Erreger­ strom veränderbar ist.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Meßzellen (20) aufweist und die Magnetfeldanlegeanordnung (28) jede der Meßzellen einem Magnetfeld aussetzt, wobei die Induktionen der Magnetfelder bei den einzelnen Meßzellen voneinander verschieden sind.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem Halbleitersub­ strat (11; 21) eine mit einer Ausnehmung (12a; 29a) versehene Isolierschicht (12; 29) aufweist, die Kathode (13; 23) auf einer Seite der Ausnehmung auf der Isolierschicht und die Anode (15; 25) auf der gegenüberliegenden anderen Seite der Ausnehmung auf der Isolierschicht ausgebildet ist, auf der Seite der Kathode in der Ausnehmung eine Steuerelektrode (14; 24) vorgesehen ist, und die Ausnehmung (12a; 29a) zusammen mit der Abdichtanordnung den die Kathode, die Anode und die Steuerelektrode einschließenden Vakuumraum (17; 27) bildet.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetfeldanlegeanordnung einen an der Rückseite des Halbleitersubstrats (21) angeordneten Elektromagneten (28) umfaßt.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetfeldanlegeanordnung einen in der Iso­ lierschicht (22) vergrabenen Dünnfilmelektromagneten (28) umfaßt.