DE60300710T2

DE60300710T2 - Antennengekoppelter, einen Schalter aufweisender, bolometrischer Detektor und auf solchen Detektoren basierendes Abbildungssystem

Info

Publication number: DE60300710T2
Application number: DE60300710T
Authority: DE
Inventors: Olivier Savry; Patrick Agnese
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: ATE296438T1; DE60300710D1; EP1406073A1; FR2845157B1; US6891503B1; JP2004125794A; JP4448931B2; EP1406073B1; FR2845157A1

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen bolometrischen Messfühler, der mindestens eine Empfangsantenne aufweist, die dazu bestimmt ist, elektromagnetische Wellen aufzufangen, und durch eine ohmsche Last verlängert ist, welche die Leistung der elektromagnetischen Wellen in Heizleistung umwandelt, welche ohmsche Last in Kontakt mit einem thermometrischen Element steht, das den Anstieg der Temperatur bezogen auf die erzeugte Heizleistung misst, welcher Messfühler ferner Modulationsmittel umfasst.
Stand der Technik
Im Allgemeinen werden bolometrische Messfühler mit Antenne zur Herstellung von Kameras oder Bildgebungssystemen verwendet, die geeignet sind, passiv Wellenlängen von unter einem Millimeter und Wellenlängen im Millimeterbereich aufzufangen. Mit diesem Wellenlängenbereich können Objekte unter erschwerten Bedingungen wie nachts, im Nebel, im Regen oder Rauch erfasst werden. So beschreibt das Dokument FR-A1-2788129 einen bolometrischen Messfühler mit Antenne, der eine ohmsche Last umfasst, die eine Wärmeleistung erzeugt, wenn die Antenne eine elektromagnetische Welle im Millimeterbereich auffängt, wobei die ohmsche Last der Lastwiderstand der Antenne ist.
Diese Art von Messfühlern erzeugt in der Regel ein erhebliches Niederfrequenzrauschen am Ausgang eines thermometrischen Elements, das zur Messung des Temperaturanstiegs bestimmt ist. Das erzeugte Niederfrequenzrauschen kann durch Anwendung einer Absorptionsmodulation auf die einlaufende Welle begrenzt werden. Das erfasste elektrische Signal wird dann auf höhere Frequenzen verlagert, wodurch das thermometrische Element und das dem Messfühler nachgeschaltete System – beispielsweise eine elektronische Verarbeitungsschaltung – in einem Frequenzbereich arbeiten, in dem sie rauschärmer sind.
Zur Anwendung dieser Modulation wird bekanntlich ein Chopper verwendet, mit dem eine Modulation der einlaufenden, von den Messfühlern eines Bildgebungssystems absorbierten Welle ermöglicht wird. Der Chopper besteht aus einem Rad mit gleichmäßig beabstandeten Öffnungen, welches Rad von einem Motor angetrieben wird, dessen Umdrehungsfrequenz die Frequenz ist, auf die die Antwort der Messfühler verlagert wird, wodurch das Niederfrequenzrauschen begrenzt wird. Er hat jedoch zahlreiche Nachteile wie den, dass er mechanische Schwingungen erzeugt, sehr platzaufwendig ist und dass seine Motordrehzahl schwankt.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung hat einen bolometrischen Messfühler mit Antenne zum Ziel, der eine Modulation in der Weise ermöglicht, dass das Niederfrequenzrauschen begrenzt wird, wobei die Modulationsmittel geringe Abmessungen haben und zuverlässig und schwingungsfrei sein sollen.
Nach der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass die Modulationsmittel einen Schalter umfassen, der zwischen der Antenne und der ohmschen Last angeordnet ist, wobei Steuerungsmittel den Schalter in periodischen Abständen mit einer vorbestimmten Umschaltfrequenz auf- und zusteuern.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Steuerungsmittel thermische Umschaltmittel.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfassen die thermischen Umschaltmittel ein Bimetall-Thermo-Stellglied.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der auf einem Substrat angebrachte Schalter ein verformbares Element, das mit seinen beiden Enden am Substrat befestigt und bezüglich diesem natürlicherweise konvex ist, wobei ein auf dem verformbaren Element angeordneter leitender Kontakt dazu vorgesehen ist, den elektrischen Kontakt zwischen der Antenne und der ohmschen Last sicherzustellen, wenn der Schalter geschlossen ist, wobei die Antenne und die ohmsche Last auf dem genannten Substrat ausgeführt sind.
Die Erfindung hat ferner eine Bildgebungsvorrichtung zum Gegenstand, die mindestens einen bolometrischen Messfühler umfasst.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung hervor, die beispielhaft und nicht erschöpfend gegeben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
1 einen Messfühler der Erfindung in Form von Blockschaltbildern darstellt;
2 eine besondere Ausführungsform eines Messfühlers der Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht eines Messfühlers der Erfindung darstellt.
die 4 und 5 jeweils Schnittansichten gemäß A-A eines Schalters des Messfühlers nach 3 in offener bzw. geschlossener Stellung sind.
Beschreibung besonderer Ausführungsformen
Der bolometrische Messfühler wird an Hand von Technologien aus dem Halbleiterbereich hergestellt. Er ist auf einem Substrat angebracht, das vorzugsweise aus Silizium besteht.
In 1 umfasst ein bolometrischer Messfühler mit Antenne 1, der in 1 strichpunktiert dargestellt ist, mindestens eine flache Empfangsantenne 2 aus Metall, die elektromagnetische Wellen auffangen soll und so ein elektrisches Signal erzeugt, das der elektromagnetischen Leistung der aufgefangenen elektromagnetischen Wellen entspricht. Die Antenne 2 ist an eine ohmsche Last 3 angeschlossen, die die elektromagnetische Leistung in Wärmeleistung umwandelt. Der Strom, der von der Antenne 2 zur ohmschen Last 3 strömt, sorgt für eine Erwärmung derselben durch Joulesche Wärme, was einer von der ohmschen Last freigesetzten Wärmeleistung entspricht.
Die ohmsche Last 2 hat Kontakt mit einem thermometrischen Element 4, was eine Verteilung der Wärmeleistung auch in dem thermometrischen Element 4 ermöglicht. Das thermometrische Element 4, das vorzugsweise von einer Diode gebildet wird, ist dazu bestimmt, den durch seine Erwärmung entstandenen Temperaturanstieg in eine Strom- oder Spannungsänderung umzuwandeln. Auf diese Weise wird das thermometrische Element 4, wenn keine elektromagnetischen Wellen aufgefangen werden, von einem Basisstrom durchströmt, welcher Basisstrom der Temperatur des thermometrischen Elements 4 entspricht, wenn dieses nicht erwärmt wird.
Wird eine elektromagnetische Welle erfasst, erwärmt sich das thermometrische Element 4, sodass der es durchströmende Strom von dem Basisstrom abweicht. Eine an das thermometrische Element 4 geschaltete elektronische Verarbeitungsschaltung 5 misst und analysiert die Änderung des Stroms, der das thermometrische Element 4 durchströmt, und somit die durch die Erwärmung des thermometrischen Elements 4 bewirkte Temperaturänderung.
Der bolometrische Messfühler 1 umfasst einen Schalter 6, der zwischen der Antenne 2 und der ohmschen Last 3 angeordnet ist. Steuerungsmittel steuern den Schalter 6 in periodischen Abständen mit einer vorbestimmten Umschaltfrequenz auf und zu. Wenn der Schalter geschlossen ist, strömt der von den aufgefangenen elektromagnetischen Wellen erzeugte Strom von der Antenne zur ohmschen Last. Die Steuerungsmittel können von beliebiger bekannter Art sein und Umschaltmittel umfassen, die beispielsweise elektrostatisch, thermisch oder elektromagnetisch arbeiten können und von der elektronischen Verarbeitungsschaltung 5 (1) gesteuert werden.
Durch die periodische Öffnung und Schließung des Schalters 6 wird eine Amplitudenmodulation des an die ohmsche Last 3 übertragenen elektrischen Signals ermöglicht, sodass das von einer dem Messfühler nachgeschalteten Vorrichtung wie der elektronischen Verarbeitungsschaltung 5 empfangene Niederfrequenzrauschen begrenzt wird. Die Umschaltfrequenz des Schalters ist niedriger als die thermische Grenzfrequenz des Messfühlers. Tatsächlich kann eine Wärmeänderung auf einer höheren Frequenz als der thermischen Grenzfrequenz des Messfühlers nicht festgestellt werden. Die thermische Grenzfrequenz entspricht dem Verhältnis C/R, wobei C die Wärmekapazität des thermometrischen Elements und R der Wärmewiderstand der ohmschen Last ist. Die Umschaltfrequenz des Schalters 6 beträgt vorzugsweise zwischen einigen zehn und einigen hundert Hertz.
Nach einer besonderen, in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst der auf einem (in 2 nicht dargestellten) Siliziumsubstrat angebrachte bolometrische Messfühler zwei flache, entgegengesetzt angeordnete Elemente aus Metall, die einer ersten und einer zweiten, in 2 dreieckigen Empfangsantenne 2a und 2b entsprechen. Diese sind beidseits eines ausgesparten Mittelteils 8 gemäß einer Symmetrieachse s1 angeordnet.
Ein vorzugsweise metallischer Arm 10 in Form eines Balkens, der die ohmsche Last des Messfühlers bildet, ist über dem ausgesparten Mittelteil 8 entlang der Achse s1 aufgehängt. Er umfasst ein erstes Ende, das direkt mit der ersten Antenne 2a verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der zweiten Antenne 2b über einen Schalter 6 verbunden ist. Elektroden 7 verbinden den Schalter 6 mit der elektronischen Verarbeitungsschaltung 5, die den Schalter 6 in regelmäßigem Abstand auf- und zusteuert und so das von den Antennen erzeugte elektrische Signal vor seinem Eintritt in die ohmsche Last moduliert.
Eine Diode 9 ist an den Arm 10 oberhalb des ausgesparten Mittelteils 8 montiert, und zwar in thermischem Kontakt mit der von dem Arm 10 gebildeten ohmschen Last. So erwärmt sich der Arm 10, wenn er das der erfassten Welle entsprechende Signal empfängt, und diese Erwärmung wird auf die Diode 9 übertragen und bewirkt eine Strom- oder Spannungsänderung in der Diode 9. Die Diode 9 ist an Klemmen 11 gelegt, die sie mit der elektronischen Verarbeitungsschaltung 5 verbinden, welche die durch die Erwärmung ausgelöste Strom- oder Spannungsänderung misst und analysiert.
In 3 ist der bolometrische Messfühler 1 auf einem Siliziumsubstrat 12 mit zwei Teilen 12a und 12b angebracht, die jeweils dazu bestimmt sind, eine Empfangsantenne zu tragen. Die beiden Teile 12a und 12b sind durch den ausgesparten Mittelteil 8 getrennt. Der erste Teil 12a ist vollkommen von einer ersten Siliziumoxidschicht 13 überzogen, die selbst wiederum von einer zweiten Schicht 14 aus epitaxiertem Silizium überzogen ist, wobei die erste Antenne 2a auf der zweiten Schicht 14 angeordnet ist. Der zweite Teil 12b des Substrats ist von der ersten und zweiten Schicht 13 und 14 überzogen, in denen eine Aussparung 15 vorgesehen ist, auf der der Schalter 6 angeordnet ist. Die zweite Antenne 2b, die auf der ersten Schicht 14 angeordnet ist, grenzt an den Schalter 6 an. Dieser ist somit zwischen der zweiten Antenne 2b und dem ausgesparten Mittelteil 8 angeordnet.
Die beiden Teile 12a und 12b des Substrats sind durch den Arm 10 verbunden, der einen Balken bildet und die Diode 9 über dem ausgesparten Mittelteil 8 trägt. Ein erstes freies Ende des Arms 10 ist zwischen der zweiten Schicht 14 des ersten Teils 12a des Substrats und der ersten Antenne 2a angeordnet, während das zweite freie Ende des Arms 10 an eine erste Anschlussklemme 18a des Schalters 6 gelegt ist, die sich in der Aussparung 15 befindet. Die zweite Antenne 2b ist ebenfalls an eine zweite Anschlussklemme 18b des Schalters 6 gelegt, die am Boden der Aussparung 15 angeordnet ist, sodass die erste und die zweite Anschlussklemme 18a und 18b durch einen Abstand einer vorbestimmten Breite getrennt sind.
Der Schalter 6 umfasst vorzugsweise ein verformbares Element 16, das an seinen beiden Enden mit der zweiten Schicht 13 verbunden ist. Das verformbare Element ist natürlicherweise konvex bezüglich der Ebene des Substrats 12. In dem konvexen Teil des verformbaren Elements 16 ist auf der Seite der Aussparung 15 ein leitender Kontakt 17 vorgesehen. Durch die Umschaltmittel kann das verformbare Element 16 in regelmäßigem Abstand aus einem ersten Zustand (3), der seiner natürlicherweise konvexen Form entspricht, in einen zweiten Zustand (4) wechseln. Der zweite Zustand des verformbaren Elements 16 ermöglicht dem leitenden Kontakt 17 die Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen den Anschlussklemmen 18a und 18b und somit zwischen der zweiten Antenne 2b und dem metallischen Arm 10. Der Abstand zwischen den beiden Anschlussklemmen 18a und 18b ist gleich demjenigen der oder geringer als die Breite des Kontakts 17.
Das Umschalten des Schalters kann mit Hilfe beliebiger bekannter Vorrichtungen erfolgen. Zum periodischen Auf- und Zusteuern des Schalters kann ein Bimetall-Thermo-Stellglied wie beispielsweise die Mikroschaltungen mit Bimetall-Thermo-Stellglied verwendet werden, wie sie in den Dokumenten FR-A1-2818795 und FR-A1-2772512 beschrieben werden. In 2 bestehen die Elektroden 7 aus Rohrschlangen, die Heizelemente bilden.
Nach einer weiteren Ausführungsform besteht das verformbare Element 16 aus magnetischem Material und ist auf dem Substrat 12 eine Spule angeordnet, sodass das periodische Auf- und Zusteuern des Schalters durch elektromagnetische Umschaltmittel erfolgt.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante kann der Kontakt 17 elektrostatisch durch einen Teil der zweiten Antenne 2b angezogen werden.
Die Verwendung eines Schalters der Art, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ermöglicht die Modulation des an die ohmsche Last gesandten elektrischen Signals und hat gleichzeitig den Vorteil, dass dieser in den bolometrischen Messfühler integriert ist, was dessen Abmessungen verringert. Da ein Schalter dieser Art nicht mechanisch arbeitet, erzeugt der Messfühler bei seiner Funktion keine störenden Schwingungen; außerdem arbeitet er sehr zuverlässig.
Der Schalter ermöglicht außerdem eine Begrenzung des einem Pixel inhärenten extrem niedrigfrequenten Rauschens und eine Einwirkung auf die Schwankungen der Offset-Spannung. Daher kann auf die Verwendung eines optisch abdichtenden Vorhängers zum Ausschalten dieser Schwankungen verzichtet werden, was den Vorteil hat, dass kein eingebautes mechanisches System benötigt wird.
Eine Bildgebungsvorrichtung, die mindestens einen bolometrischen Messfühler der vorstehend beschriebenen Art umfasst, hat den Vorteil, Gegenstände unter schwierigen Bedingungen zu erkennen und dabei das vom Messfühler erzeugte Niederfrequenzrauschen zu begrenzen. Die Bildgebungsvorrichtung kann auch eine Matrix bolometrischer Messfühler umfassen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Ebenso können auch mehrere bolometrische Messfühler so angeordnet werden, dass ihre jeweiligen Dioden parallel geschaltet sind und so eine Matrix aus Messfühlern bilden, die für ein Bildgebungssystem verwendet wird, wodurch der Bereich der entdeckten Wellenlängen ausgedehnt werden kann.

Claims

Bolometrischer Messfühler, der mindestens eine Empfangsantenne (2) aufweist, die dazu bestimmt ist, elektromagnetische Wellen aufzufangen und durch eine ohmsche Last (3) verlängert ist, welche die Leistung der elektromagnetischen Wellen in Heizleistung umwandelt, welche ohmsche Last (3) in Kontakt mit einem thermometrischen Element (4) steht, das den Anstieg der Temperatur bezogen auf die erzeugte Heizleistung misst, welcher Messfühler ferner Modulationsmittel umfasst, ein Messfühler, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Modulationsmittel einen Schalter (6) umfassen, der zwischen der Antenne (2) und der ohmschen Last (3) geschaltet ist, wobei Steuerungsmittel den Schalter (6) in periodischen Abständen mit einer vorbestimmten Umschaltfrequenz auf- und zusteuern.
Bolometrischer Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel elektrostatische Umschaltmittel umfassen.
Bolometrischer Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel thermische Umschaltmittel umfassen.
Messfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Umschaltmittel ein Bimetall-Thermo-Stellglied umfassen.
Bolometrischer Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel elektromagnetische Umschaltmittel umfassen.
Bolometrischer Messfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der auf einem Substrat (12) angebrachte Schalter (6) ein verformbares Element (16) umfasst, das mit seinen beiden Enden am Substrat (12) befestigt ist und bezüglich diesem natürlicherweise konvex ist, wobei ein auf dem verformbaren Element (16) angeordneter leitender Kontakt (17) dazu vorgesehen ist, den elektrischen Kontakt zwischen der Antenne (2) und der ohmschen Last (3) sicherzustellen, wenn der Schalter (6) geschlossen ist, wobei die Antenne (2) und die ohmsche Last (3) auf dem genannten Substrat ausgeführt (12) sind.
Messfühler nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wobei das verformbare Element (16) magnetisch ist, die Umschaltmittel eine auf dem Substrat (12) angeordnete Spule umfassen.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltfrequenz geringer ist als die thermische Grenzfrequenz des Messfühlers.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das thermometrische Element (4) eine Diode (9) ist.
Bildgebungsvorrichtung, die mindestens einen bolometrischen Messfühler umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der bolometrische Messfühler ein Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Matrix bolometrischer Messfühler umfasst.