ES2288591T3

ES2288591T3 - Un microbolometro superconductor de antena acoplada de punto caliente, metodos para su fabricacion y uso y una disposicion de formacion de imagenes bolometrica.

Info

Publication number: ES2288591T3
Application number: ES03396049T
Authority: ES
Inventors: Arttu Luukanen
Original assignee: Oxford Instruments Analytical Oy
Current assignee: Oxford Instruments Analytical Oy
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: DE60314804D1; EP1369673B1; FI20021058A; ATE366916T1; DE60314804T2; US20030222217A1; EP1369673A2; FI20021058A0; FI114658B; EP1369673A3; US7078695B2

Abstract

REIVINDICACIONES 1. Una disposición de formación de imágenes bolométrica, que comprende: - un microbolómetro de antena acoplada, que comprende un sustrato (301), una antena (102, 103) soportada por el sustrato y un elemento (101, 305) térmicamente sensitivo conectado a la antena y dispuesto para disipar corrientes eléctricas inducidas en la antena, de los cuales tanto la antena (102, 103) como el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo comprenden material semiconductor, - medios de soporte para soportar el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo a una distancia del sustrato (301) dejando un hueco (306) vacío entre el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo y una superficie del sustrato (301), y - un depósito (801) de vacío para encerrar el microbolómetro de antena acoplada en un ambiente de vacío y un criostato (802) para mantener el microbolómetro de antena acoplada por debajo de la temperatura crítica, caracterizada porque la disposición de formación de imágenes bolométrica comprende medios (607, 608, 609, 610, 806, 807, 808) de polarización adaptados para polarizar el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo hacia un estado en el que una parte de punto caliente en el medio de dicho elemento térmicamente sensitivo está en un estado de conducción óhmica normal.

Description

Un microbolómetro superconductor de antena acoplada de punto caliente, métodos para su fabricación y uso y una disposición de formación de imágenes bolométrica.

La invención se refiere en general a la tecnología de los microbolómetros de antena acoplada. Especialmente, la invención hace referencia a una estructura ventajosa de un microbolómetro de antena acoplada donde el elemento sensor está hecho de material superconductor. Adicionalmente, la invención se refiere a un método para utilizar tal microbolómetro para detectar radiación electromagnética.

Un bolómetro en general es un detector de radiación en el que la radiación electromagnética incidente provoca que cambie la temperatura de un elemento detector de un modo que puede ser medido y convertido en una señal eléctrica de salida. Los microbolómetros son un caso especial de bolómetros con las características comunes de que son de pequeño tamaño y están fabricados sobre un sustrato semiconductor plano utilizando esencialmente las mismas técnicas litográficas en miniatura que se utilizan para fabricar los circuitos integrados. Un microbolómetro de antena acoplada consiste en una antena fabricada litográficamente que está acoplada a un elemento térmicamente sensitivo, cuya impedancia está adaptada a la antena y disipa las corrientes de la antena, actuando así como la terminación de la antena. Si la antena comprende dos ramas de antena, dicho elemento térmicamente sensitivo es un cuello o istmo estrecho que conecta las ramas de la antena entre sí. Se proporciona un baño térmico para mantener la totalidad del microbolómetro de antena acoplada a una temperatura constante, de forma que idealmente todos los cambios de temperatura del elemento térmicamente sensitivo son debidos a corrientes que varían con el tiempo inducidas en la antena por la radiación electromagnética recibida. Las frecuencias de radiación que se deben detectar con los microbolómetros de antena acoplada están típicamente entre varias decenas de GHz y varias decenas de THz. Las frecuencias
de señal, es decir, la velocidad de cambio de la señal a detectar, está típicamente dentro del rango de audio.

Una medida principal de la calidad de un microbolómetro de antena acoplada es su valor de Potencia Equivalente de Ruido (NEP), que describe la sensibilidad del dispositivo, es decir, su capacidad para discriminar entre una señal real recibida y el ruido. En una situación ideal, el NEP está dominado por el llamado ruido fonón, que es una consecuencia de las fluctuaciones de energía entre el elemento térmicamente sensitivo y el baño térmico. Para aproximarse a tal situación ideal, (el valor absoluto de) la responsividad del bolómetro debería ser lo suficientemente grande. Esta condición es difícil de alcanzar con bolómetros metálicos convencionales, ya que el valor absoluto del Coeficiente de Resistencia de Temperatura (TCR) es demasiado pequeño en los metales. Los semiconductores tienen típicamente un TCR cuyo valor absoluto es mayor, pero es difícil adaptar los semiconductores a antenas útiles, que tienen una impedancia típica del orden de 100 ohmios. Una solución ampliamente aceptada es utilizar una película de superconductor, que funciona en la transición normal de metal a superconductor, como elemento térmicamente sensitivo.

Se sabe que una publicación de J.P. Rice, E.N. Grossman, D.A. Rudman: "Microbolómetro de silicio de antena acoplada de elevada T_{c} y puente de aire", Cartas de Física Aplicada, 65 (6): 773-775, 1994 describe un microbolómetro de antena acoplada con un NEP = 9.10^{-12} W/Hz con una temperatura de baño de 87.4 K. Sin embargo, se ha descubierto que la fabricación de puentes de aire del tipo mostrado en dicha publicación es difícil. Adicionalmente, para hacer un microbolómetro a partir de una película de superconductor que tiene una elevada temperatura crítica (llamado superconductor de elevada T_{c}) normalmente se necesita usar una capa intermedia, como YSZ (Zirconio Estabilizado con Itrio), entre la película de superconductor y el sustrato. Esto eleva la conductividad térmica entre dichos materiales, lo que es una desventaja. Adicionalmente, se sabe que los microbolómetros hechos con películas de superconductor de elevada T_{c} padecen de valores excesivos del llamado ruido 1/f, lo que puede requerir utilizar un chopper óptico antes del bolómetro.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar una estructura de microbolómetro de antena acoplada que permita conseguir un valor de NEP bajo y que sea fácil de fabricar. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un método ventajoso para fabricar tal estructura de microbolómetro de antena acoplada. Otro objetivo más de la presente invención es proporcionar un método ventajoso para utilizar un microbolómetro de antena acoplada para detectar radiación electromagnética. Y otro objetivo más de la invención es proporcionar una disposición de formación de imágenes bolométrica.

Los objetivos referentes a la estructura del microbolómetro se consiguen produciendo un microbolómetro de antena acoplada donde el elemento térmicamente sensitivo es un delgado puente de un material superconductor de baja T_{c} convencional, preferiblemente niobio, suspendido por encima de un sustrato semiconductor y separado del mismo por un hueco de vacío. Los objetivos referentes al método para fabricar una estructura de microbolómetro se consiguen cubriendo un sustrato de semiconductor con una capa de sacrificio, imprimiendo un patrón sobre la superficie superior de dicha capa de sacrificio con un material superconductor de baja T_{c} convencional, preferiblemente niobio, y quitando la capa de sacrificio de debajo de un puente delgado de dicho material superconductor de baja T_{c} convencional, dejando así dicho puente suspendido por encima de un sustrato de semiconductor y separado del mismo por un hueco vacío.

Los objetivos relativos al método para utilizar un microbolómetro de antena acoplada se consiguen utilizando un microbolómetro donde el elemento térmicamente sensitivo es un puente delgado de un material superconductor de baja T_{c} convencional, preferiblemente niobio, suspendido por encima de un sustrato semiconductor y separado del mismo por un hueco de vacío, y polarizando dicho puente de forma que durante el funcionamiento una parte de la porción media de dicho puente pierde su superconductividad.

Los objetivos relativos a la disposición de formación de imágenes se consiguen utilizando microbolómetros de antena acoplada del tipo descrito en una disposición de formación de imágenes.

Una estructura de microbolómetro de acuerdo con la invención se caracteriza por las características enumeradas en la parte caracterizadora de la reivindicación independiente dirigida a una estructura de microbolómetro.

Una disposición de formación de imágenes bolométrica de acuerdo con la invención se caracteriza por las características enumeradas en la parte caracterizadora de la reivindicación independiente dirigida a dicha disposición.

Un método para utilizar un microbolómetro de antena acoplada para detectar radiación electromagnética de acuerdo con la invención se caracteriza por las características enumeradas en la parte caracterizadora de la reivindicación independiente dirigida a tal método.

Realizaciones ventajosas de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

El llamado efecto de punto caliente o modo de punto caliente es un fenómeno conocido como tal. Significa que una parte, pero sólo una parte, de un superconductor pierde su superconductividad y empieza a comportarse como un conductor óhmico normal. Alrededor de la parte de "punto caliente", el resto del superconductor permanece en un estado superconductor. El efecto de punto caliente se ha utilizado en mezcladores de bolómetro de electrón-caliente, como se sabe de la publicación de D. Wilms Floet, E. Miedema, T.M. Klapwijk: "Mezcla de punto caliente: un marco para la mezcla heterodina en bolómetros superconductores de electrón-caliente", Cartas de Física Aplicada, 74 (3): 433-435, 1999.

De acuerdo con la invención, el efecto de punto caliente se utiliza en un microbolómetro de antena acoplada de forma que una parte de punto caliente se produce en la porción media del puente delgado que constituye el elemento térmicamente sensitivo entre dos ramas de la antena. Un voltaje de polarización constante es la forma más ventajosa de polarizar el microbolómetro de antena acoplada para hacer que se produzcan las condiciones favorables para la aparición del efecto de "punto caliente". El voltaje de polarización tiene especialmente el efecto ventajoso de crear condiciones de polarización estables, es decir, una situación de realimentación negativa: con una polarización de voltaje, la disipación de potencia relacionada con la polarización dentro de la región del conductor óhmico es proporcional al valor del voltaje de polarización al cuadrado dividido por la resistencia de la región de conductor óhmico. En otras palabras, cuando la resistencia de la región de conductor óhmico aumenta, la disipación de potencia relacionada con la polarización disminuye. Si se utilizara polarización de corriente, la realimentación sería positiva: con una polarización de corriente, la disipación de potencia relacionada con la polarización dentro de la región de conductor óhmico es proporcional al valor de la corriente de polarización al cuadrado multiplicado por la resistencia de la región de conductor óhmico.

Utilizar el efecto de punto caliente del modo descrito arriba requiere un aislamiento térmico muy efectivo entre el elemento térmicamente sensitivo y el sustrato que soporta el microbolómetro de antena acoplada. De acuerdo con la invención, se consigue el grado de aislamiento térmico requerido utilizando un llamado puente de aire como el elemento térmicamente sensitivo. Esto significa que un delgado istmo o garganta del material superconductor que conecta las ramas de la antena una a la otra sólo está soportado en sus extremos, y se extiende a lo largo de un hueco en el que un espacio vacío lo separa del sustrato.

Una manera ventajosa de producir un puente de aire implica utilizar una llamada capa de sacrificio por encima de la oblea del sustrato real. La capa de sacrificio consiste en un material que se puede quitar selectivamente, por ejemplo mediante un proceso de ataque químico. Se distribuye una capa de protección según un patrón por encima de la capa de sacrificio, después de lo cual se produce una capa de material superconductor por encima de la pieza cubierta por la capa de protección con patrón. Se utiliza un proceso de deposición selectiva para quitar el exceso de capa de protección, dejando solamente los patrones de superconductor deseados sobre la capa de sacrificio. Una parte del patrón del superconductor es la garganta estrecha que constituirá el puente de aire. La pieza se hace pasar entonces por un proceso de ataque químico, que se come la capa de sacrificio en las áreas no cubiertas y también produce un corte inferior en los bordes de los patrones de semiconductor. La garganta estrecha es lo suficientemente estrecha como para permitir que el corte inferior atraviese todo el material de sacrificio que tiene por debajo, dejando un espacio vacío entre la garganta estrecha de material superconductor y el sustrato.

Las características novedosas que se consideran características de la invención se describen en particular en las reivindicaciones adjuntas. La propia invención, sin embargo, tanto en lo que respecta a su construcción como a su método de funcionamiento, junto con objetivos y ventajas adicionales del mismo, será comprendida a partir de la siguiente descripción de realizaciones específicas cuando se lee en conjunto con los dibujos adjuntos.

La Fig. 1 ilustra esquemáticamente un microbolómetro de antena acoplada con dos ramas de antena,

La fig. 2 ilustra un ejemplo de la apariencia física de los componentes del microbolómetro mostrado en la fig. 1,

La fig. 3 ilustra la apariencia de un hueco vacío entre un elemento térmicamente sensitivo y la superficie del sustrato,

La fig. 4 ilustra esquemáticamente un método de fabricación,

La fig. 5 ilustra ciertos conceptos necesarios en un análisis teórico del funcionamiento del microbolómetro,

La fig. 6 ilustra una conexión de medida que se puede utilizar para probar un microbolómetro de antena acoplada,

La fig. 7 ilustra un gráfico de responsividad de corriente contra resistencia de puente de aire en un microbolómetro de antena acoplada de acuerdo con una realización de la invención y

La fig. 8 ilustra una disposición de formación de imágenes bolométrica de acuerdo con una realización de la invención.

Las realizaciones ejemplares de la invención presentadas en esta solicitud de patente no se deben interpretar como limitantes de la aplicabilidad de las reivindicaciones adjuntas. El verbo "comprender" se utiliza en esta solicitud de patente como una limitación abierta que no excluye la existencia también de características no mencionadas. Las características mencionadas en las reivindicaciones dependientes se pueden combinar mutuamente libremente a no ser que se establezca explícitamente lo contrario.

La fig. 1 ilustra el principio estructural general de un microbolómetro de antena acoplada con dos ramas de antena. Un elemento 101 térmicamente sensitivo conecta las ramas 102 y 103 de la antena una a la otra. El elemento 101 térmicamente sensitivo debe tener la impedancia adaptada a las ramas 102 y 103 de la antena, para evitar pérdidas por reflexión en las interfaces entre éste y las ramas de la antena. Las conexiones 104 y 105, que se muestran aquí en extremos opuestos de las ramas 102 y 103 de la antena, completan la cadena de elementos, que se sumerge en un baño 106 térmico para mantenerla a una temperatura constante (o al menos de variación lenta). Cuando el microbolómetro de antena acoplada es objeto de radiación electromagnética de una longitud de onda adecuada, se induce una corriente variable con el tiempo que fluye entre las ramas 102 y 103 de la antena a través del elemento 101 térmicamente sensitivo. Suponiendo que el elemento 101 térmicamente sensitivo tiene cierta resistencia eléctrica, una corriente eléctrica que fluye a través de él provoca un aumento de su temperatura. Monitorizando los cambios en la temperatura local del elemento 101 térmicamente sensitivo es posible deducir la intensidad de la radiación electromagnética que ha llegado al microbolómetro de antena acoplada.

La Fig. 2 ilustra un ejemplo de la apariencia física de los elementos 101, 102, 103, 104 y 105. El elemento 101 térmicamente sensitivo es una garganta o istmo estrecho que conecta los extremos interiores de las ramas 102 y 103 de la antena, que son ramas opuestas de una antena espiral logarítmica. Los extremos exteriores de las ramas 102 y 103 de la antena continúan como bornas 104 y 105 de acoplamiento respectivamente para conectar la antena a la circuitería de polarización y lectura. El ajuste de impedancia entre la garganta o istmo 101 estrecho y los extremos interiores de las ramas 102 y 103 de la antena se consigue de una manera conocida como tal dimensionando adecuadamente las regiones donde cada rama de antena en espiral interior se une con el extremo correspondiente de la garganta o istmo 101 estrecho. Toda la estructura mostrada en la fig. 2 está hecha de una única hoja continua de un material superconductor de baja T_{c}, preferiblemente niobio, sobre una superficie plana de un sustrato que no se muestra específicamente en la fig. 2. Se debe hacer notar que una antena en espiral logarítmica no es la única posible elección para la forma o tipo básico de la antena; también se pueden emplear otros tipos de antena de bolómetro conocidos, como una antena de doble ranura o cualquier otra antena producida litográficamente. Una antena en espiral logarítmica tiene la ventaja de tener una banda de frecuencia operacional muy amplia y una impedancia de entrada real (no-compleja).

Todo en la antena excepto la parte del elemento térmicamente sensitivo donde las corrientes de la antena se disipan debe tener las mínimas pérdidas posibles. En el caso de una antena de Nb de capa-simple, esto significa que las frecuencias operacionales (las frecuencias de radiación a detectar) deberían permanecer por debajo del hueco de frecuencia del Nb, que está dentro del orden de 700 GHz. Si se desean detectar frecuencias más altas, se necesita una capa de metalización de baja resistividad adicional, como de oro. Como tal, el hecho de acoplar eficientemente la radiación electromagnética a antenas de microbolómetro fabricadas litográficamente es conocido previamente y por tanto fuera del alcance de la presente invención. Se ha tratado, por ejemplo, en las publicaciones de M.E. MacDonald, E.N Grossman: "Microbolómetros de niobio para detección de radiación infrarroja lejana", Transacciones IEEE sobre técnicas y teoría de microondas, 43 (4): 893-896, Abril 1995; y E.N. Grossman, J.E. Sauvageau, D.G. McDonald: "Antenas litográficas en espiral a longitudes de onda cortas", Cartas de Física Aplicada, 59 (25): 3225-3227, diciembre 1991.

Las dimensiones ejemplares de la estructura mostrada en la fig. 2 son tales que la longitud y la anchura de la garganta o istmo 101 estrecho son de 15 \mum y 1 \mum respectivamente, y la anchura total a través del patrón de doble espiral sin las bornas 104 y 105 de acoplamiento es del orden de 300 \mum.

La Fig. 3 es una sección transversal parcial a través de la estructura de un microbolómetro de antena acoplada como el de la fig. 2, que muestra la apariencia de la región central. Un sustrato 301 actúa como un soporte para toda la estructura. El sustrato 301 es típicamente una oblea de semiconductor, por ejemplo, una oblea de Si de alta resistividad. Sobre una superficie plana del sustrato 301 hay una capa de sacrificio, de la que se muestran las partes 302 y 303 en la fig. 3. Estas son las partes de la capa de sacrificio que están directamente debajo de los extremos interiores de las ramas de la antena. El material de la capa de sacrificio es adecuado para producir cortes inferiores por ataque químico. Un ejemplo de material de la capa de sacrificio es Si_{3}N_{4}. Por encima de la capa de sacrificio hay una capa 304 de un material superconductor de baja T_{c}, preferiblemente niobio, a partir del cual se han producido patrones como los mostrados en la fig. 2. Como una parte del patrón hay una garganta o istmo 305 estrecho. Entre la garganta o istmo 305 estrecho y el sustrato 301, la capa de sacrificio ha sido completamente corroída, dejando ahí un hueco 306. La garganta o istmo 305 estrecho, por tanto, constituye un puente de aire. Una altura típica para el hueco 306, es decir, la separación más corta entre la superficie del sustrato y el puente de aire, está dentro del orden de 2 \mum (micrometros).

La Fig. 4 ilustra un proceso ventajoso para fabricar una estructura de microbolómetro de antena acoplada de acuerdo con la invención. El proceso comienza en la operación 401,donde un sustrato es cubierto con una capa de sacrificio. Un sustrato típico es una oblea de Si nitrificada de alta resistividad, donde el nitruro tiene un espesor nominal de 1 \mum y actúa como la capa de sacrificio. En la operación 402, la superficie de la capa de sacrificio está cubierta con una capa de protección. El tipo de capa de protección debería elegirse de acuerdo con el método litográfico que se va a utilizar. En este proceso ejemplar utilizamos litografía de haz de electrones, lo que significa que, por ejemplo, se puede utilizar una capa de protección de electrones PMMA-MAA/MAA de doble capa, donde PMMA-MAA es un copolímero de metil metacrilato y ácido meta acrílico, y MAA es ácido meta acrílico. Espesores ejemplares de las capas de protección son 350 nm (nanometros) para la capa inferior (PMMA-MAA) y 300 nm para la capa superior (MAA). Si se utilizase algún otro método litográfico, como litografía óptica, el(los) espesor(es) de la(s) capa(s) de protección debería(n) seleccionarse consecuentemente.

En la operación 403, el patrón de la capa de protección se consigue mediante un proceso de haz de electrones para obtener los patrones necesarios para las ramas de la antena, el puente de aire y los calentadores. Después de producir el patrón, en la operación 404, se deposita una capa de material superconductor de baja T_{c}, preferiblemente niobio, sobre la superficie con el patrón. Parámetros de proceso típicos para la evaporación de Nb en un evaporador de electrones de pistola UHV (Vacío Ultra-Alto) son una presión de base de 10^{-9} Torr y una tasa de 3 \ring{A}/s. El espesor de la capa de Nb es típicamente del orden de 100 nm. En la operación 405 de deposición selectiva se lavan mediante un disolvente el exceso de capa de protección y los remanentes indeseados de Nb, dejando sólo los patrones de Nb requeridos sobre la superficie de la capa de sacrificio.

El objetivo de la operación 406 de ataque químico es corroer la capa de sacrificio de las áreas no cubiertas, así como debajo de la garganta o istmo que conecta las ramas de la antena entre sí. En este proceso ejemplar se sugiere el atraque químico en seco con una mezcla de gases CF_{4} y O_{2} a una presión relativamente alta de 50 mTorr, para conseguir corroer isotrópicamente la capa de sacrificio. Prolongando la capa de ataque químico es posible corroer incluso parte del material de sustrato, si es necesario, una vez que la capa de sacrificio ha sido corroída completamente en las áreas expuestas.

Describiremos ahora un modelo teórico para el funcionamiento de un puente de aire del tipo arriba descrito, una parte central del cual está en un estado conductor óhmico normal, mientras que los extremos del puente de aire están en un estado superconductor. La fig. 5 es una ilustración esquemática de tal situación. Toda la longitud del puente de aire es l, y simétricamente alrededor del punto medio del mismo hay una región de estado-normal, cuya longitud es l_{n}. Es necesario considerar una asunción razonablemente buena, que es que el calor fluye sólo en la dirección x (la dirección longitudinal del puente de aire). Las ecuaciones que describen el flujo de calor a través del puente de aire son:

100

donde

K_{N}: es la conductividad térmica para el material en el estado normal,

T: es la temperatura,

X: es la dimensión en la dirección x,

V: es el voltaje de polarización a través del puente de aire,

\rho: es la resistividad del material en el estado normal,

l_{n}: es la longitud de la región en estado-normal,

P_{opt}: es la potencia óptica acoplada a la antena,

w: es la anchura del puente de aire,

t: es el tiempo y

K_{S}: es la conductividad térmica para el material en el estado superconductor.

La región de estado normal del puente de aire es el único lugar en el que se lleva a cabo la disipación, que es debida tanto a la disipación de potencia óptica como a la disipación óhmica debido al voltaje de polarización. Para mantener esta suposición debemos suponer que la frecuencia de la radiación incidente está por debajo de la frecuencia de hueco del material superconductor. Surgen condiciones de contorno de los hechos de que en los extremos del puente de aire la temperatura debe ser igual a una constante (la temperatura T_{0} del baño térmico) y de que las interfaces entre la región de estado normal y las regiones superconductoras que la rodean en la primera derivada de T con respecto de x deben ser continuas. Adicionalmente, es razonable suponer que el valor extremo local de T se debe producir en mitad de la región de estado normal.

Bajo condiciones de prueba la antena está en la oscuridad, es decir, no hay ninguna potencia óptica. Sin embargo, incluso en una medida óptica la potencia óptica está en el orden de decenas de picovatios, mientras que la potencia relacionada con la polarización es de decenas de nanovatios, es decir, la potencia óptica es despreciable. Matemáticamente P_{opt}/Wtl_{n} << V^{2}/\rhol_{n}^{2}, de forma que podemos escribir una solución para una corriente I en estado estacionario como una función del voltaje V de polarización como

1

donde T_{c} es la temperatura crítica del material superconductor, T_{0} es la temperatura del baño térmico y los otros símbolos están en las fórmulas (1) y (2). Aquí, el segundo término del lado derecho describe el comportamiento óhmico de la parte resistiva (estado normal) del puente de aire, y el primer término proporciona el efecto de la realimentación electro-térmica. Cuando el voltaje V es pequeño, la disipación de polarización es constante e igual a 4\kappa_{S}(T_{c} - T_{0})/wt/l.

La Fig. 6 ilustra una disposición de medida de prueba para medir las características de corriente y voltaje de un puente de aire que constituye el elemento térmicamente sensitivo en un microbolómetro de antena acoplada de acuerdo con la invención. El microbolómetro 601 se sitúa dentro de un depósito 602 de vacío junto con un preamplificador 603 de corriente SQUID (Dispositivo de Interferencia Cuántica Superconductor), que está adicionalmente encerrado dentro de una carcasa 604 protectora hecha de material superconductor, como niobio. El depósito 602 de vacío se sumerge en helio líquido para proporcionar un baño 605 térmico, la temperatura del cual se puede monitorizar con un termómetro 606. Se utiliza una fuente 607 de voltaje de polarización controlable, acoplada en serie con un resistor 608 de limitación de corriente, para proporcionar un voltaje de polarización al microbolómetro 601, de manera que se conecta un resistor en derivación en paralelo con el microbolómetro 601. Una unidad 610 de control de polarización puede ajustar el voltaje de salida de la fuente 607 de voltaje de polarización, de manera que se obtienen los valores de voltaje de polarización deseados en el microbolómetro 601. El ajuste es idealmente sin escalones, aunque también se puede utilizar un voltaje de polarización controlado digitalmente si los escalones del ajuste son lo suficientemente pequeños, del orden de microvoltios. Un valor de resistencia ejemplar, tanto para el resistor 608 en serie como para el resistor 609 en derivación, es de 1,2 k\Omega, y un voltaje de salida máximo ejemplar para la fuente 607 de voltaje de polarización es de 18 V.

Durante una medida de prueba ejemplar, el voltaje de polarización se establece en primer lugar lo suficientemente alto como para que todo el puente de aire del microbolómetro 601 esté en estado normal. El voltaje de polarización se disminuye gradualmente hasta que se observa una resistencia diferencial negativa, lo que significa que una reducción en el voltaje de polarización ha acortado la longitud de la región de estado normal en la mitad del puente de aire. El voltaje de polarización se puede seguir bajando hasta que la resistencia del puente de aire se hace comparable con la resistencia del resistor 609 en derivación. En este punto, el estado de polarización se hace inestable y se aproxima a una polarización de corriente, y todo el puente de aire conmuta hasta un estado superconductor. Se puede efectuar otro barrido de medidas después de aumentar la corriente a través del puente de aire una vez más lo suficientemente por encima de la corriente crítica, de forma que toda la longitud del puente de aire vuelve al estado normal.

Medidas como la descrita arriba dan como resultado varios resultados de corriente frente a voltaje. Podemos suponer que el resto de parámetros en la ecuación (3) son constantes y estimar los valores K_{S} y \rho ajustando matemáticamente los resultados en la curva definida por la ecuación (3). Se llevó a cabo un cálculo como una parte del desarrollo de la presente invención, arrojando K_{S} = 1,44 W/Km, que es más de un orden de magnitud menor que el del niobio en estado normal.

De una publicación de R.C. Jones: "La teoría general de funcionamiento de un bolómetro", J. Opt. Soc. Am., 43 (1): 1-14, 1953, es conocido que para cualquier bolómetro resistivo, la responsividad eléctrica se puede calcular a partir de la curva I - V utilizando el diferencial Z = dV/dl y la resistencia del punto de polarización R = V/I. El parámetro que describe la realimentación electrotérmica negativa (ETF) en el bolómetro es la ganancia del bucle, dada por L = \beta(ZR)/(Z+R). Se puede calcular de la ecuación (3), obteniéndose L = 4\betaK_{S}\rho(T_{c} - T_{0})/V^{2}. Aquí, \beta = (R-R_{S})/(R+R_{S}) describe la influencia de la impedancia de la fuente de voltaje sobre el ETF. La ganancia del bucle depende realmente de la frecuencia, pero esta dependencia se puede despreciar si suponemos que la respuesta del dispositivo es mucho más rápida que cualquier señal típica. En el contexto de la presente invención hemos supuesto que la constante de tiempo térmica del microbolómetro de antena acoplada está dentro del orden de un microsegundo, que es lo suficientemente rápido si la señal a detectar está dentro del rango de las frecuencias de audio. Un tratamiento general de un bolómetro polarizado por voltaje da como resultado para la responsividad S_{1} de la corriente

2

que se acerca al valor -1/V cuando es grande.

La Fig. 7 es una representación gráfica aproximada de la responsividad de la corriente de un microbolómetro de antena acoplada de acuerdo con una realización de la presente invención como una función de la resistencia del puente de aire. La curva 701 se ha calculado a partir del ajuste entre las características de la medida I - V y la ecuación (3). La región más interesante es aquella en la que la resistencia de polarización del puente de aire se puede adaptar directamente a una antena litográfica. Por ejemplo, en el valor de resistencia de polarización 75 \Omega, el puente de aire se adapta perfectamente a la impedancia de una antena de espiral logarítmica de Si, y la responsividad de la corriente es de aproximadamente -450 A/W. Se sabe que una antena de doble ranura tiene una impedancia aún menor, de manera que utilizar tal antena en lugar de la de espiral logarítmica permitiría obtener un valor absoluto aún mayor de responsividad de corriente.

El acoplamiento de medida mostrado en la fig. 6 se puede utilizar para investigar las características de ruido de la combinación de un microbolómetro de antena acoplado y un preamplificador de corriente SQUID de acuerdo con una realización de la invención. La salida del preamplificador 603 de corriente SQUID se acopla entonces a un analizador de espectro y el microbolómetro 601 es polarizado consecutivamente en diferentes puntos de la curva I - V. En tal disposición, el analizador de espectro recibe una combinación de contribuciones no correlacionadas de las fluctuaciones aleatorias de calor intercambiadas entre la región de estado normal del puente de aire y el sumidero de calor, ruido Jonson de la parte resistiva, y ruido del SQUID. El primero de ellos es la corriente de ruido fonón, que, de acuerdo con una publicación de J.C. Mather "Ruido de bolómetros: teoría del desequilibrio", Óptica Aplicada, 21 (6): 1125-1129, Marzo 1982, está dada por

3

donde \gamma = 0,46 describe el efecto del gradiente de temperatura en el puente al ruido fonón, y G es la conductancia térmica entre el puente de aire y el baño térmico, expresada en vatios por kelvin. Teniendo en cuenta el ETF, la corriente de ruido Johnson está dada por

4

El SQUID tiene un ruido i_{n} de corriente que es conocido de las especificaciones del SQUID y casi constante a lo largo de la región interesante de la curva I - V que representa los valores de resistencia del puente de aire por debajo de 100 \Omega. El NEP total al cuadrado de toda la combinación está dado por

5

Las ecuaciones (5), (6) y (7), así como el ruido de corriente estimado o medido del SQUID, se pueden utilizar para componer una predicción teórica de las características del ruido. Se efectuó una medida práctica como una parte del trabajo de desarrollo de la presente invención, monitorizando la densidad espectral del ruido a 10 kHz, que está muy por debajo de la curva de la frecuencia de corte térmico estimada de 1 MHz. Algunos valores ejemplares del NEP total a partir de la medida práctica se muestran en la Tabla 1.

TABLA 1

6

Los valores NEP totales obtenidos de medidas prácticas están, en otros casos, de acuerdo con dicha predicción teórica, pero con valores de voltaje de polarización muy pequeños, por debajo de 0,9 mV, donde la resistencia del puente de aire es menor de alrededor de 25 \Omega, los valores medidos son algunas decenas de puntos porcentuales mayores que lo previsto. En conjunto, los valores de NEP medidos permanecen en un nivel de aproximadamente la quincuagésima parte de los de microbolómetros de antena acoplada típicos de la técnica anterior conocidos por los inventores. Una mejor adaptación del ruido con la lectura del SQUID podría reducir aún más el NEP. La geometría del puente de aire y su conexión a la antena también se podrían optimizar para reducir la inductancia geométrica del dispositivo y mejorar el aislamiento térmico aún más.

La Fig. 8 ilustra una disposición de formación de imágenes de acuerdo con una realización de la invención. El elemento más importante con el objetivo de detectar la radiación electromagnética y convertirla en una imagen es una matriz 800 de formación de imágenes, que comprende una multitud de microbolómetros de antena acoplada y sus preamplificadores de corriente SQUID asociados. Cada par microbolómetro-preamplificador constituye un píxel en la matriz 800 de formación de imágenes. Para conseguir el aislamiento del vacío de los puentes de aire de los microbolómetros de antena acoplada, la matriz 800 de formación de imágenes comprende un depósito 801 de vacío para soportar un ambiente de vacío alrededor de los microbolómetros de antena acoplada. Adicionalmente, para conseguir la superconductividad, la matriz 800 de formación de imágenes se encierra en un criostato 802 que está dispuesto para mantener la matriz 800 de formación de imágenes a una temperatura constante baja adecuada, como 4,2 K. La temperatura es, ventajosamente, monitorizada continuamente con un termómetro 803. La disposición de formación de imágenes comprende también un sistema 804 cuasi-óptico para conducir radiación electromagnética desde un objeto a examinar hasta la matriz 800 de formación de imágenes.

El valor exacto de la presión dentro del depósito 801 de vacío no es de gran importancia, debido a que la razón principal para utilizar vacío alrededor de los microbolómetros de antena acoplada es únicamente conseguir un buen aislamiento térmico. Cuando mejor sea el vacío, mejor será el aislamiento térmico y por tanto menor la corriente de ruido fonón. Enfriar la matriz de formación de imágenes hasta el nivel de 4,2 K realmente sirve para proporcionar un vacío relativamente bueno, ya que a 4,2 K todos los gases aparte del helio se han congelado sobre las paredes internas del depósito de vacío y sólo el helio está en estado gaseoso. El depósito de vacío se puede hacer lo suficientemente estanco de forma relativamente fácil utilizando técnicas convencionales.

Con referencia al sistema 804 cuasi-óptico, se debería hacer notar que los microbolómetros de antena acoplada están frecuentemente acoplados a la radiación incidente a través del sustrato, debido al hecho de que al residir la antena sobre un sustrato que tiene una elevada constante dieléctrica (como el Si) provoca que el patrón de directividad de la antena esté fuertemente dirigido hacia el sustrato. La resistividad del sustrato debe ser elevada para minimizar la absorción en el sustrato. La lente cuasi-óptica, por tanto, se sitúa típicamente en la interfaz sustrato-aire (o sustrato-vacío) en el lado opuesto del sustrato. Esto evita la generación de los llamados modos de sustrato. Sería al menos teóricamente posible fabricar la antena y el bolómetro sobre una ventana de nitruro auto-portante, que se obtendría mediante ataque químico anisotrópico de silicio nitrificado, y situar un elemento reflector o guía de ondas adecuada tras la ventana. El propio material de la ventana podría ser corroído en áreas en las que no existiesen metalizaciones, permitiendo la existencia de una combinación de antena auto-portante - puente de aire. Sin embargo, es desafortunadamente muy probable que la tensión excesiva rompiese el puente de aire durante la operación de ataque químico del nitruro.

Las salidas de los preamplificadores de corriente SQUID se acoplan a una disposición 805 de multiplexación de lectura que es capaz de leer una señal de salida (un valor de medida de corriente) de cada preamplificador por separado y de llevar las lecturas así obtenidas a una unidad 806 de control general. Algunas partes de la disposición 805 de multiplexión de lectura pueden incluso estar situadas dentro del criostato 802, especialmente si tales partes han sido integradas en una entidad estructural común con la matriz 800 de formación de imágenes. La unidad 806 de control también proporciona comandos de control a una unidad 807 de control de voltaje de polarización, que está dispuesta para accionar una fuente 808 de voltaje de polarización ajustable que genera el voltaje de polarización ajustable, que es el mismo para todos los microbolómetros de antena acoplada en la matriz 800 de formación de imágenes. También existe un acoplamiento desde una salida del termómetro 803 a la unidad 806 de control para proporcionar a esta última información de última hora acerca de la temperatura actual dentro del criostato 802.

La unidad 806 de control está dispuesta para recoger los valores de lectura de medida que obtiene a través de la disposición 805 de multiplexación de lectura y para disponer esta información en imágenes digitales, que puede almacenar en medios 809 de almacenamiento y/o mostrar a través de medios 810 de visualización. Un usuario puede controlar el funcionamiento de la unidad 806 de control a través de una interfaz 811 de usuario acoplada a la misma.

Es muy ventajoso utilizar preamplificadores de corriente SQUID ( o más generalmente: preamplificadores de bajo ruido que utilizan la superconductividad en su funcionamiento) en una disposición de formación de imágenes de acuerdo con la invención, por múltiples razones. En primer lugar, es relativamente directo integrar tales preamplificadores en una estructura común con los microbolómetros de antena acoplada, bien fabricándolos directamente sobre el mismo sustrato de semiconductor con los microbolómetros o uniendo chips adecuados y fabricados por separado sobre tal sustrato de semiconductor. En segundo lugar, como una consecuencia de lo anterior, es posible adaptar con precisión las características de los microbolómetros y amplificadores para minimizar el ruido y las pérdidas. En tercer lugar, los amplificadores de bajo ruido que utilizan la superconductividad en su funcionamiento disipan muy poca potencia por sí mismos, lo que significa que es difícil que causen problemas relacionados con cualquier generación excesiva de calor en el criostato.

Cuando el voltaje de polarización para cada microbolómetro de antena acoplado dentro de la matriz de formación de imágenes es el mismo, las lecturas actuales de los preamplificadores de corriente SQUID revelan directamente los valores de datos de imágenes, es decir, las intensidades relativas de radiación detectadas en diferentes píxeles. La unidad de control típicamente comprende rutinas de adaptación de voltaje de polarización automáticas que ajustan dinámicamente el valor del voltaje de polarización, de forma que el rango dinámico de la matriz de formación de imágenes se utiliza más eficientemente con respecto de la intensidad de radiación momentánea total a detectar.

El límite inferior fundamental para el número de píxeles (es decir, el número de pares microbolómetro - preamplificador) es uno, en cuyo caso la disposición de formación de imágenes es meramente un simple detector de intensidad de radiación que sólo se puede utilizar para formar imágenes si comprende medios para seleccionar y cambiar la dirección de la que se recibe la radiación. No hay límite superior teórico para el número de píxeles, pero en la práctica se obtiene un límite superior del hecho de que las obleas de semiconductor sólo vienen en ciertos tamaños y cada par microbolómetro - preamplificador reserva un cierto espacio finito sobre la superficie de la oblea del semiconductor.

Las realizaciones específicas de la invención que se han descrito anteriormente no se deberían interpretar como limitantes de la aplicabilidad de las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, incluso si sólo se describiese arriba un proceso de deposición selectiva como medio para crear un patrón sobre el sustrato, es claro para la persona experta en la materia que también se puede utilizar un ataque químico húmedo adecuado. Igualmente, es posible variar las relaciones entre los microbolómetros de antena acoplada y los preamplificadores SQUID asociados: se ha supuesto arriba que cada microbolómetro tiene su propio preamplificador SQUID y las salidas de los preamplificadores SQUID están multiplexadas, pero también se puede utilizar un método alternativo en el que varios microbolómetros de antena acoplada están multiplexados para utilizar un solo preamplificador SQUID. Se puede conseguir una multiplexación del tipo mencionado, por ejemplo, utilizando interruptores térmicos adecuados.

\vskip1.000000\baselineskip

Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante se presenta por la comodidad del lector. No forma parte del documento de patente europea. A pesar de las extremadas precauciones tomadas al recopilar las referencias, no se pueden descartar errores u omisiones y la EPO declina toda responsabilidad al respecto.

Documentos citados en la descripción (no patentes)

\bullet: J.P. RICE; E.N. GROSSMAN; D.A. RUDMAN. Microbolómetro de antena acoplada de alta T_{c} y puente de aire. Cartas de Física Aplicada, 1994, vol. 65, (6), 773-775.

\bullet: D. WILMS FLOET; E. MIEDEMA; T.M. KLAPWIJK. Mezcla de punto caliente: Un marco para la mezcla heterodina en bolómetros superconductores de electrón caliente. Cartas de Física Aplicada, 1999, vol. 74 (3), 433-435.

\bullet: M.E. MACDONALD; E.N. GROSSMAN. Microbolómetros de niobio para detección infrarroja lejana. Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas, abril 1995, vol. 43 (4), 893-896.

\bullet: E.N. GROSSMAN; J.E. SAUVAGEAU; D.G. MCDONALD. Antenas espirales litográficas a longitudes de onda cortas. Cartas de Física Aplicada, diciembre 1991, vol. 59 (25), 3225-3227.

\bullet: R.C. JONES. La teoría general del funcionamiento de un bolómetro. J. Opt. Soc. Am., 1953, vol. 43 (1), 1-14.

\bullet: J.C. MATHER. Ruido de bolómetro: teoría del desequilibrio. Óptica Aplicada, marzo 1982, vol. 21 (6), 1125-1129.

Claims

1. Una disposición de formación de imágenes bolométrica, que comprende:

-: un microbolómetro de antena acoplada, que comprende un sustrato (301), una antena (102, 103) soportada por el sustrato y un elemento (101, 305) térmicamente sensitivo conectado a la antena y dispuesto para disipar corrientes eléctricas inducidas en la antena, de los cuales tanto la antena (102, 103) como el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo comprenden material semiconductor,

-: medios de soporte para soportar el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo a una distancia del sustrato (301) dejando un hueco (306) vacío entre el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo y una superficie del sustrato (301), y

-: un depósito (801) de vacío para encerrar el microbolómetro de antena acoplada en un ambiente de vacío y un criostato (802) para mantener el microbolómetro de antena acoplada por debajo de la temperatura crítica,

caracterizada porque la disposición de formación de imágenes bolométrica comprende medios (607, 608, 609, 610, 806, 807, 808) de polarización adaptados para polarizar el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo hacia un estado en el que una parte de punto caliente en el medio de dicho elemento térmicamente sensitivo está en un estado de conducción óhmica normal.

2. Una disposición de formación de imágenes bolométrica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende un preamplificador (603) de corriente SQUID acoplado al microbolómetro (601) de antena acoplada para medir corrientes eléctricas que fluyen a través de la antena (102, 103) y el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo.

3. Una disposición de formación de imágenes bolométrica de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque comprende:

-: una matriz (800) de formación de imágenes con una multitud de pares mutuamente asociados de microbolómetros de antena acoplada y preamplificadores de corriente SQUID, de forma que cada par de microbolómetro de antena acoplada y preamplificador de corriente SQUID en la matriz (800) de formación de imágenes constituye un píxel para producir el valor de un dato representativo de una intensidad de radiación electromagnética detectada en la ubicación del píxel,

-: medios (805) de multiplexación de lectura para leer selectivamente valores de datos de píxeles en la matriz (800) de formación de imágenes, y

-: medios (806) de control para convertir valores de datos leídos en imágenes que representan la distribución de la radiación electromagnética detectada a lo largo de la matriz de formación de imágenes.

4. Una disposición de formación de imágenes bolométrica de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque comprende:

-: una matriz (800) de formación de imágenes con una multitud de microbolómetros de antena acoplada, de forma que cada microbolómetro de antena acoplada en la matriz (800) de formación de imágenes constituye un píxel para producir el valor de un dato representativo de una intensidad de radiación electromagnética detectada en la ubicación del píxel,

-: dentro de la matriz (800) de formación de imágenes un preamplificador de corriente SQUID y

-: medios de multiplexación para acoplar selectivamente salidas de píxeles en la matriz (800) de formación de imágenes en el preamplificador de corriente SQUID,

-: medios de lectura para leer selectivamente valores de datos de píxeles en la matriz (800) de formación de imágenes mediante el preamplificador SQUID, y

5. Un método para detectar radiación electromagnética con un microbolómetro de antena acoplada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo el método las operaciones de:

-: polarizar el microbolómetro de antena acoplada con un voltaje (808) de polarización,

-: detectar un valor de corriente eléctrica que fluye a través del microbolómetro de antena acoplada y

-: deducir qué parte del valor detectado de corriente eléctrica ha sido debido a la radiación electromagnética recibida por la antena;

caracterizado porque la operación de polarizar el microbolómetro de antena acoplada comprende seleccionar el voltaje (808) de polarización, de forma que la corriente eléctrica inducida por la polarización a través del microbolómetro de antena acoplada y la corriente eléctrica inducida por la radiación recibida a través del microbolómetro de antena acoplada en conjunto calientan el elemento (101, 305) térmicamente sensitivo lo suficiente como para provocar que una parte de punto caliente en medio de dicho elemento térmicamente sensitivo permanezca en un estado de conducción óhmica normal.