FI114658B - Suprajohtava antennikytketty kuumapistemikrobolometri, menetelmät sellaisen valmistamiseksi ja käyttämiseksi sekä bolometrinen kuvantamisjärjestely - Google Patents

Description

114658 !

Suprajohtava antennikytketty kuumapistemikrobolometri, menetelmät sellaisen valmistamiseksi ja käyttämiseksi sekä bolometrinen kuvantamisjärjestely -Supraledande antennkopplad hetpunktsmikrobolometer, metoder för dess till-verkning och användning samt ett bolometriskt avbildningsarrangemang 5

Keksinnön kohteena ovat yleisesti antennikytketyt mikrobolometrit. Erityisesti keksinnön kohteena on antennikytketyn mikrobolometrin edullinen rakenne, jossa tuntoelin on valmistettu suprajohtavasta materiaalista. Lisäksi keksinnön kohteena on menetelmä sellaisen mikrobolometrin valmistamiseksi samoin kuin menetelmä sel-10 laisen mikrobolometrin käyttämiseksi sähkömagneettisen säteilyn ilmaisuun.

Bolometri yleisesti ottaen on säteilynilmaisin, jossa tuleva sähkömagneettinen säteily aiheuttaa ilmaisinelementin lämpötilan muuttumisen tavalla, joka on mitattavissa ja joka voidaan muuttaa sähköiseksi signaaliksi. Mikrobolometrit ovat bolometrien erikoistapauksia, joiden yhteisinä piirteinä ovat pieni koko ja se, että ne on valmis-j 15 tettu tasomaiselle puolijohdealustalle käyttäen oleellisesti samoja pienoislitografia- ! tekniikoita kuin mikropiirien valmistuksessa. Antennikytkettyyn mikrobolometriin kuuluu litografiatekniikalla valmistettu antenni, joka on kytketty lämpöherkkään elimeen, joka on impedanssisovitettu antenniin ja muuttaa antennivirtoja lämmöksi, toimien siten antennipäätteenä. Jos antenniin kuuluu kaksi antennihaaraa, mainittu , '. 20 lämpöherkkä elin on antennihaarat toisiinsa liittävä kapea kannas. Lämpökylpy pi- ; · , tää koko antennikytketyn mikrobolometrin vakiolämpötilassa, jolloin ideaalisesti ‘ / kaikki lämpötilamuutokset lämpöherkässä elimessä johtuvat vastaanotetun sähkö- ’", magneettisen säteilyn antenniin indusoimista ajan suhteen muuttuvista virroista. An- [ ’ tennikytketyillä mikrobolometreillä ilmaistavat säteilytaajuudet ovat tyypillisesti *· '· 25 kymmenistä gigahertseistä kymmeniin terahertseihin. Signaalitaajuudet, so. ilmais- :: tavan signaalin muutosnopeus, ovat tyypillisesti audioalueella.

Eräs tärkeä antennikytketyn mikrobolometrin laadun mittari on sen NEP-luku (Noi- ’.. · t se Equivalent Power), joka kuvaa laitteen herkkyyttä eli sen kykyä erottaa varsinai- • » ’:' nen vastaanotettu signaali kohinasta. Ideaalitapauksessa NEP:ssä on hallitsevana nk.

i · t 30 fononikohina, joka on seurausta energian fluktuaatioista lämpöherkän elimen ja lämpökylvyn välillä. Jotta tällaista ideaalitilannetta voitaisiin lähestyä, bolometrin ,·**, herkkyyden tulisi olla (itseisarvoltaan) riittävän suuri. Tätä ehtoa on vaikea täyttää ^ . perinteisillä metallibolometreillä, koska TCR (resistanssin lämpötilakerroin) on (it- • * · ’ ‘ seisarvoltaan) liian pieni metalleilla. Puolijohteilla on tyypillisesti TCR, joka on it- 35 seisarvoltaan suurempi, mutta toisaalta puolijohteita on vaikea sovittaa käyttökel- 2 114658 poisiin antenneihin, joiden tyypillinen impedanssi on luokkaa 100 ohmia. Eräs laajalti hyväksytty ratkaisu on hyödyntää lämpöanturina normaalin metalli-suprajohde-transition alueella liikkuvaa suprajohtavaa kalvoa.

Julkaisusta J.P. Rice, E.N. Grossman, D.A. Rudman: “Antenna-coupled high-77 air-5 bridge microbolometer on silicon”, Applied Physics Letters, 65(6):773-775, 1994 tunnetaan antennikytketty mikrobolometri, jolla NEP = 9-10 12 W/VHz kylpylämpö-tilassa 87,4 K. On kuitenkin osoittautunut vaikeaksi valmistaa mainitussa julkaisussa esitetyn kaltaisia ilmasiltoja. Lisäksi mikrobolometrin valmistus suprajohtavasta kalvosta, jolla on korkea kriittinen lämpötila (ns. high-77 suprajohde) yleensä edel-10 lyttää puskurikerroksen, esim. YSZ-kerroksen (Yttria-Stabilized Zirconia) käyttöä suprajohtavan kalvon ja substraatin välissä. Tämä lisää lämmönjohtumista mainittujen materiaalien välillä, mikä on epäedullista. Lisäksi high-77-suprajohdekalvoista valmistettujen mikrobolometrien tiedetään kärsivän liiallisesta 1//-kohinasta, mikä saattaa edellyttää erillisen optisen katkojan käyttöä bolometrin edessä.

15 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on toteuttaa pienen NEP-luvun mahdollistava antennikytketty mikrobolometrirakenne, joka on helppo valmistaa. Keksinnön tavoitteena on lisäksi toteuttaa edullinen menetelmä sellaisen antennikytketyn mikro-bolometrirakenteen valmistamiseksi. Vielä keksinnön tavoitteena on toteuttaa edullinen menetelmä antennikytketyn mikrobolometrin käyttämiseksi sähkömagneetti-20 sen säteilyn ilmaisemiseen. Keksinnön tavoitteena on myös toteuttaa bolometrinen : ’ ; kuvantamisjärjestely.

Mikrobolometrirakennetta koskevat keksinnön tavoitteet saavutetaan antennikytke-**" ’ tyllä mikrobolometrillä, jossa lämpöherkkä elin on tavanomaisesta low-77 suprajoh- [ demateriaalista, edullisesti niobista, muodostettu ohut silta, joka on ripustettu puoli- I 4 4 . : 25 johdesubstraatin yläpuolelle ja jota erottaa tästä tyhjöväli.

4 t

t I I

Mikrobolometrirakenteen valmistusmenetelmää koskevat keksinnön tavoitteet saa-vutetaan päällystämällä puolijohdesubstraatti uhrauskerroksella, kuvioimalla maini-'. 7 _ tun uhrauskerroksen yläpinta tavanomaisella low-77 suprajohdemateriaalilla, edulli- 4 · T sesti niobilla, ja poistamalla uhrauskerros ohuen, tavanomaisesta low-77 suprajoh- 14 4 30 demateriaalista muodostetun sillan alta, jolloin mainittu silta jää ripustetuksi puoli-’: * ‘: johdesubstraatin ylle tyhjän välin siitä erottamana.

4 I I · v * Antennikytketyn mikrobolometrin käyttömenetelmää koskevat keksinnön tavoitteet • · :* i saavutetaan käyttämällä mikrobolometriä, jossa lämpöherkkä elin on tavanomaises ta low-77 suprajohdemateriaalista, edullisesti niobista, muodostettu ohut silta, joka 3 114658 on ripustettu puolijohdesubstraatin yläpuolelle ja jota erottaa tästä tyhjöväli, ja bia-soimalla mainittu silta siten, että toiminnan aikana osa mainitun sillan keskiosasta menettää suprajohtavuutensa.

Kuvantamisjärjestelyä koskevat keksinnön tavoitteet saavutetaan käyttämällä selos-5 tetun kaltaisia antennikytkettyjä mikrobolometrejä kuvantamisjärjestelyssä.

Keksinnön mukaiselle mikrobolometrirakenteelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty mikrobolometrirakennetta koskevan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnus-merkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle bolometriselle kuvantamisjärjestelylle on tunnusomaista se, 10 mitä on esitetty sellaista järjestelyä koskevan itsenäisen patenttivaatimuksen tun-nusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle mikrobolometrirakenteen valmistusmenetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty sellaista menetelmää koskevan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

15 Keksinnön mukaiselle antennikytketyn mikrobolometrirakenteen käyttömenetelmäl-le sähkömagneettisen säteilyn ilmaisemiseksi on tunnusomaista se, mitä on esitetty sellaista menetelmää koskevan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

, v, Keksinnön edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksis- sa.

* *

'll I

20 Ns. kuumapiste-efekti tai kuumapistetoimintatila on sinänsä tunnettu ilmiö. Se tar- ;’'' koittaa, että osa, mutta vain osa, suprajohteesta menettää suprajohtavuutensa ja al- ’.: kaa käyttäytyä normaalin ohmisen johteen tavoin. "Kuumapisteosan" ympärillä muu ‘: suprajohde pysyy suprajohtavassa tilassa. Kuumapiste-efektiä on hyödynnetty kuu- maelektronibolometrisekoittimissa, kuten tunnetaan julkaisusta D. Wilms Floet, E.

; v. 25 Miedema, T.M. Klapwijk: “Hotspot mixing: A framework for heterodyne mixing in ’ .', superconducting hot-electron bolometers”, Applied Physics Letters, 74(3):433-435, :·' 1999.

* ► ,...: Keksinnön mukaisesti kuumapisteilmiötä hyödynnetään antennikytketyssä mikrobo- lometrissä siten, että kuumapisteosa syntyy kahden antennihaaran välisen lämpö-’ 30 herkän elimen muodostavan kapean sillan keskelle. Vakiobiasjännite on edullisin tapa biasoida antennikytketty mikrobolometri, jotta olosuhteet olisivat suotuisat kuumapisteilmiön syntymiselle. Jännitebiasoinnilla on se erityisetu, että se luo va- 4 114658 kaat biasolosuhteet, so. negatiivisen takaisinkytkentätilanteen: jännitebiasoinnilla biastehohäviö ohmisen johtimen alueella on verrannollinen biasjännitteen neliöön jaettuna ohmisen johdinalueen resistanssilla. Toisin sanoen, kun ohmisen johdinaineen resistanssi kasvaa, biastehohäviö pienenee. Jos käytettäisiin virtabiasointia, ta-5 kaisinkytkentä olisi positiivinen: virtabiasoinnilla biastehohäviö ohmisen johtimen alueella on verrannollinen biasvirran neliöön kerrottuna ohmisen johdinalueen resistanssilla.

Kuumapisteilmiön hyödyntäminen edellä kuvatulla tavalla edellyttää erittäin tehokasta lämpöeristystä lämpöherkän elimen ja antennikytkettyä mikrobolometriä kan-10 nattavan substraatin välillä. Keksinnön mukaisesti vaadittava lämpöeristyksen taso saavutetaan käyttämällä ns. ilmasiltaa lämpöherkkänä elimenä. Tämä tarkoittaa, että antennihaarat toisiinsa yhdistävä suprajohdemateriaalista muodostettu kapea kannas on tuettu vain päistään ja ylittää aukon, jossa tyhjä tila erottaa sen substraatista.

Eräässä edullisessa menetelmässä ilmasillan muodostamiseksi käytetään nk. uh-15 rauskerrosta varsinaisen substraattilevyn päällä. Uhrauskerros koostuu materiaalista, jota voidaan selektiivisesti poistaa esimerkiksi syövyttämällä. Uhrauskerroksen päälle levitetään ja kuvioidaan estopinnoite, minkä jälkeen kuvioidulle estopinnoite-tulle kappaleelle muodostetaan suprajohdekerros. Ylimääräinen estopinnoite poistetaan poistoprosessissa, jolloin jäljelle jäävät vain halutut suprajohdekuviot uhraus-20 kerroksen päällä. Osa suprajohtavaa kuviointia on kapea kannas, josta on tarkoitus : ‘muodostaa ilmasilta. Tämän jälkeen kappale viedään syövytysprosessiin, jossa uh-: ': rauskerros syöpyy pois peittämättömiltä alueilta ja osittain myös suprajohdekuvioi- ; ‘. den reunojen alta. Kapea kannas on niin kapea, että uhrausmateriaali syöpyy koko- ,., ; naan pois sen alta jättäen jäljelle tyhjän tilan suprajohdekannaksen ja substraatin vä- ; 25 liin.

• · * » » :: Keksinnölle tunnusomaisina pidetyt uudet ominaisuudet on esitetty yksityiskohtai sesti oheisissa patenttivaatimuksissa. Keksintöä itseään, sen rakennetta ja toiminta-i · ‘: periaatetta samoin kuin sen lisätavoitteita ja -etuja on kuitenkin selostettu seuraa- :'"; vassa eräiden suoritusmuotojen ja oheisten piirustusten avulla.

*».,,· 30 Kuva 1 esittää kaavamaisesti erästä antennikytkettyä mikrobolometriä, jossa on *: · ·: kaksi antennihaaraa, :. · * kuva 2 esittää esimerkkinä kuvan 1 mikrobolometrin osien fyysistä muotoa, » · kuva 3 esittää lämpöherkän elimen ja substraattipinnan välisen tyhjän aukon muotoa, 5 114658 kuva 4 esittää kaavamaisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaista menetelmää, kuva 5 esittää eräitä mikrobolometrin suorituskyvyn teoreettisessa analyysissa tarvittavia seikkoja, 5 kuva 6 esittää mittauskytkentää, jota voidaan käyttää antennikytketyn mikrobolometrin testauksessa, kuva 7 esittää graafisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen antennikytketyn mikrobolometrin virtavastetta ilmasillan resistanssin funktiona, ja kuva 8 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista bolometristä kuvanta-10 misjärjestelyä.

Tässä patenttihakemuksessa esimerkkinä esitettyjen keksinnön suoritusmuotojen ei pidä tulkita asettavan rajoituksia oheisten patenttivaatimusten sovellettavuudelle. Tässä patenttihakemuksessa mahdollisesti esiintyvää verbiä "käsittää" on käytetty avoimena määreenä, joka ei sulje pois myös tässä hakemuksessa mainitsemattomien 15 ominaisuuksien olemassaoloa. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa esitettyjä ominaisuuksia voidaan vapaasti yhdistellä, ellei muuta ole nimenomaan ilmoitettu.

Kuva 1 esittää kaksi antennihaaraa sisältävän antennikytketyn mikrobolometrin yleistä rakenneperiaatetta. Lämpöherkkä elin 101 liittää antennihaarat 102 ja 103 ;\ toisiinsa. Lämpöherkän elimen 101 täytyy olla impedanssisovitettu antennihaaroihin '", ’ 20 102 ja 103 heijastushäviöiden välttämiseksi sen ja antennihaarojen välisissä rajapin- ' * ’ noissa. Liitännät 104 ja 105, jotka tässä on esitetty antennihaarojen 102 ja 103 vas takkaisissa päissä, täydentävät elementtiketjua, joka on upotettu lämpökylpyyn 106

I » I

*. sen pitämiseksi muuttumattomassa (tai ainakin hitaasti muuttuvassa) lämpötilassa.

• · ·

Kun antennikytketty mikrobolometri altistuu sähkömagneettiselle säteilylle, jolla on 25 sopiva aallonpituus, muodostuu lämpöherkän elimen 101 kautta kulkeva ajan suh-teen muuttuva sähkövirta antennihaarojen 102 ja 103 välille. Olettaen että lämpö-herkällä elimellä 101 on jokin sähköinen resistanssi, sen läpi kulkeva sähkövirta nostaa sen lämpötilaa. Tarkkailemalla lämpöherkän elimen 101 paikallisen lämpöti-• · \ lan muutoksia voidaan päätellä antennikytkettyyn mikrobolometriin osuneen sähkö- 30 magneettisen säteilyn voimakkuus.

• · · ! . Kuva 2 esittää esimerkinomaisesti osien 101, 102, 103, 104 ja 105 fyysistä muotoa.

‘ Lämpöherkkä elin 101 on kapea kannas, joka yhdistää toisiinsa logaritmisen kieruk ka-antennin vastakkaisten antennihaarojen 102 ja 103 sisemmät päät. Antennihaaro- 6 114658 jen 102 ja 103 ulommat päät jatkuvat kytkentätäplinä 104 ja 105 antennin kytkemiseksi biasointi- ja lukupiireille. Kapean kannaksen 101 ja antennihaarojen 102, 103 välinen impedanssisovitus tehdään sinänsä tunnetulla tavalla mitoittamalla sopivasti alueet, missä kukin sisäänpäin kiertyvä antennihaara kohtaa kapean kannaksen 101 5 vastaavan pään. Koko kuvassa 2 esitetty rakenne on valmistettu yhtenäisestä levystä, joka on jotakin low-Tc suprajohdemateriaalia, edullisesti niobia, substraatin taso-pinnalle, jota ei ole erikseen esitetty kuvassa 2. On huomattava, että logaritminen kierukka-antenni ei ole ainoa vaihtoehto antennin perusmuodoksi tai -tyypiksi; on mahdollista käyttää myös muita tunnettuja bolometriantennityyppejä, kuten kak-10 soisrakoantennia tai mitä tahansa muuta litografisesti valmistettua antennia. Logaritmisella kierukka-antennilla on se etu, että sillä on erittäin leveä toimintakaista ja reaalinen (ei-kompleksinen) tuloimpedanssi.

Kaikki antennissa, paitsi lämpöherkän elimen se osa, jossa antennivirrat aiheuttava häviön, tulisi pitää mahdollisimman häviöttömänä. Yksikerroksisen Nb-antennin ta-15 pauksessa tämä tarkoittaa, että toimintataajuuksien (ilmaistavien säteilytaajuuksien) tulisi pysyä Nb:n aukkotaajuuden, joka on 700 GHz:n luokkaa, alapuolella. Jos on ilmaistava korkeampia taajuuksia, tarvitaan lisäksi matalaresistiivinen metallointi-kerros, esimerkiksi kullasta. Sähkömagneettisen säteilyn kytkeminen tehokkaasti litografisesti valmistettuihin mikrobolometriantenneihin on sinänsä tunnettua eikä si-20 ten kuulu tämän keksinnön piiriin. Aihetta on käsitelty esimerkiksi julkaisuissa M.E. MacDonald, E.N. Grossman: “Niobium microbolometers for far-infrared de-; ’ tection”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 43(4):893-896, • · · April 1995; ja E.N. Grossman, J.E. Sauvageau, D.G. McDonald: “Lithographic spi- •.,.; ral antennas at short wavelengths”, Applied Physics Letters, 59(25):3225-3227, De- 25 cember 1991.

,'··[ Kuvassa 2 esitetyn rakenteen esimerkinomaiset mitat ovat sellaiset, että kapean kan naksen 101 pituus on 15 pm ja leveys 1 pm ja kaksoiskierukkarakenteen kokonais-,, , leveys ilman kytkentätäpliä 104 ja 105 on luokkaa 300 pm.

: ’: Kuva 3 esittää osittaista poikkileikkausta kuvassa 2 esitetyn kaltaisesta antennikyt- , · *., 30 ketystä mikrobolometrirakenteesta siten, että kuvassa näkyy keskiosan muoto. Koko rakenne tukeutuu alustaan. Alusta on tyypillisesti puolijohdekiekko, esimerkiksi ’ korkearesistiivinen piikiekko. Alustan 301 yhdellä tasomaisella pinnalla on uhraus- v : kerros, josta kuvassa 3 näkyvät osat 302 ja 303. Nämä ovat uhrauskerroksen ne : ‘ *.: osat, jotka ovat suoraan antennihaarojen sisempien päiden alapuolella. Uhrausker- 35 roksen materiaali on sellaista, joka soveltuu allesyöpymien muodostamiseen. Uhrauskerroksen materiaali voi olla esimerkiksi S13N4. Uhrauskerroksen päällä on ker- 7 114658 ros low-Tc suprajohdemateriaalia, edullisesti niobia, josta on muodostettu kuvassa 2 esitetyn kaltaiset kuvioinnit. Osana kuviointia on kapea kannas 305. Kapean kannaksen 305 ja alustan 301 välissä uhrauskerros on syöpynyt täysin pois jättäen jälkeensä raon 306. Kapea kannas 305 muodostaa näin ilmasillan. Raon 306 tyypilli-5 nen korkeus, so. alustan pinnan ja ilmasillan lyhin väli, on luokkaa 2 pm (mikro-metriä).

Kuva 4 esittää erästä keksinnön mukaisen antennikytketyn mikrobolometriraken-teen edullista valmistusprosessia. Prosessi alkaa vaiheesta 401, jossa alusta päällystetään uhrauskerroksella. Tyypillinen alusta on nitridoitu korkearesistiivinen pii-10 kiekko, jossa nitridin nimellispaksuus on 1 pm ja se toimii uhrauskerroksena. Vaiheessa 402 uhrauskerroksen pinta päällystetään estopinnoitteella. Estopinnoitteen tyyppi tulisi valita käytettävän litografiamenetelmän mukaan. Tässä esimerkkisuori-tusmuodossa käytetään elektronisädelitografiaa, joka tarkoittaa, että voidaan käyttää esimerkiksi kaksikerroksista PMMA-MAA/MAA-elektroniresistiä, missä PMMA-15 MAA on polymetyylimetakrylaatin ja metakryylihapon kopolymeeri ja MAA on metakryylihappo. Esimerkinomaiset estopinnoitekerrosten paksuudet ovat 350 nm (nanometriä) pohjakerrokselle (PMMA-MAA) ja 300 nm päällyskerrokselle (MAA). Mikäli käytetään jotakin muuta litografiamenetelmää, kuten optista litografiaa, estopinnoite (estopinnoitteet) ja estopinnoitekerrosten paksuus (paksuudet) tu-20 lee valita sen mukaisesti.

. Vaiheessa 403 estopinnoite kuvioidaan elektronisädeprosessissa muodostaen tarvit- : : : tavat kuviot antennihaaroille, ilmasillalle ja lämmittimille. Kuvioinnin jälkeen, vai- : ; heessa 404, muodostetaan kuvioidulle pinnalle kerros low-Γ,.. suprajohdemateriaalis- ;··· ta, edullisesti niobista. Tyypillisiä prosessiparametreja Nb-höyrystysprosessille , . : 25 UHV-elektronitykkihöyrystimessä (Ultra-High Vacuum) ovat peruspaine 109 Torr , " ] ja nopeus 3 Ä/s. Nb-kerroksen paksuus on tyypillisesti luokkaa 100 nm. Ns. lift-off- vaiheessa 405 ylimääräinen estopinnoite ja sen päällä olevat epätoivotut Nb-jäänteet .. , liuotetaan pois, jolloin jäljelle jäävät vain halutut Nb-kuviot uhrauskerroksen pin- ’ ·' nalla.

« * · • · * * » „ · ·, 30 Syövytysvaiheen 406 tarkoituksena on syövyttää pois uhrauskerros päällystämättö- ’". miltä alueilta sekä antennihaarat toisiinsa yhdistävän kannaksen alta. Tässä esimer- ’, ' kinomaisessa prosessissa ehdotetaan käytettäväksi kuivasyövytystä CF4 ja O2 -kaa- :,· ' sujen seoksella suhteellisen suuressa 50 mTorr paineessa uhrauskerroksen isotroop- : ’ ·, i pisen syövytyksen toteuttamiseksi. Pidentämällä syövytysvaihetta voidaan tarvitta- 35 essa syövyttää myös osa alustamateriaalista, kun uhrauskerros on täysin syöpynyt pois paljailta alueilta.

8 114658 s i

Seuraavaksi selostetaan edellä kuvatun kaltaisen ilmasillan teoreettista toimintamallia, jonka ilmasillan keskiosa on normaalissa ohmisessa johtavuustilassa ilmasillan päiden ollessa suprajohtavassa tilassa. Kuva 5 esittää kaavamaisesti tällaista tilannetta. Ilmasillan koko pituus on l ja symmetrisesti sen keskikohdan ympärillä on 5 normaalitilainen alue, jonka pituus on ln. On kohtuullista olettaa, että lämpövirtaus vain x-suunnassa (ilmasillan pituussuunnassa) tarvitsee ottaa huomioon. Lämpövir-tausta ilmasillan läpi kuvaavat yhtälöt ovat _% (1)

" wtK

d2T

-*S T7 = 0 (2) dx 10 missä /rN on materiaalin lämmönjohtokyky normaalitilassa, T on lämpötila, x on mitta x-suunnassa, V on biasjännite ilmasillan yli, p on materiaalin resistiivisyys normaalitilassa, 15 /„ normaali tilaisen alueen pituus,

Popt on antenniin kytketty optinen teho, vv on ilmasillan leveys, :V; t on aika, ja : . ’. Ks on materiaalin lämmönjohtokyky suprajohtavassa tilassa.

*···' 20 Ilmasillan normaalitilainen alue on ainoa paikka, jossa syntyy häviötä, mikä pätee ’ * ’ · sekä optisen tehon häviölle että biasjännitteen aiheuttamalle ohmiselle häviölle. Jot- ta tämä oletus olisi paikkansapitävä, on oletettava, että tulevan säteilyn taajuus on suprajohtavan materiaalin aukkotaajuuden alapuolella. Reunaehtoja aiheutuu sellaisista seikoista, että ilmasillan päissä lämpötilan on oltava vakiosuuruinen (lämpö-25 kylvyn lämpötila TQ) ja normaali tilaisen alueen ja sitä ympäröivien suprajohtavien alueiden rajapinnoissa T:n ensimmäisen derivaatan *:η suhteen on oltava jatkuva.

’; ’ Lisäksi on kohtuullista olettaa, että T:n paikallisen ääriarvon on osuttava normaaliti- * · · * laisen alueen keskelle.

» IMil .;. Testiolosuhteissa antenni on pimeässä, jolloin optista tehoa ei ole lainkaan. Optises- t t · [ 30 sa mittauksessakin optinen teho on kymmenien pikowattien luokkaa biasointiin liit- ' · ‘' tyvän tehon ollessa kymmeniä nanowatteja, eli optinen teho on merkityksetön. Ma- 9 114658 temaattisesti Pop,/wtln « V2/pln2, joten voidaan ratkaista vakiovirta / biasjännit-teen V funktiona (3) V /0 VI pi missä Tc on suprajohdemateriaalin kriittinen lämpötila, T0 on lämpökylvyn lämpöti-5 la ja muut symbolit ovat kuten kaavoissa (1) ja (2). Tässä toinen termi oikealla puolella edustaa ilmasillan resistiivisen (normaalitilaisen) osan ohmista käyttäytymistä ja ensimmäinen termi ilmaisee sähkötermisen takaisinkytkennän vaikutuksen. Kun jännite V on pieni, biashäviö on vakio ja saadaan kaavasta 4fCs(Tc - T0)wt/l.

Kuva 6 esittää testimittausjärjestelyä keksinnön mukaisen antennikytketyn mikrobo-10 lometrin lämpöherkän elimen muodostavan ilmasillan virta- ja jänniteominaisuuksi-en mittaamiseksi. Mikrobolometri 601 on sijoitettu tyhjösäiliöön 602 yhdessä SQUID-virtaesivahvistimen (Superconducting Quantum Interference Device; ns. kvantti-interferometri) 603 kanssa, joka lisäksi on suljettu suprajohdemateriaalista, kuten niobista, valmistettuun suojaan 604. Tyhjösäiliö 602 on upotettu nesteheliu-15 millä toteutettuun lämpökylpyyn 605, jonka lämpötilaa voidaan tarkkailla lämpömittarin 606 avulla. Virranrajoitusvastuksen 608 kanssa sarjaan kytketty säädettävä biasjännitelähde 607 antaa biasjännitteen mikrobolometrille 601 siten, että rinnakkais vastus 609 on kytketty mikrobolometrin 601 rinnalle. Biasohjausyksikkö 610 voi säätää biasjännitelähteen 607 lähtöjännitettä niin, että saadaan halutut * I » ! 20 biasjännitteen arvot mikrobolometrin 601 yli. Säätö tapahtuu ihanteellisesti portaattomasti, vaikka myös digitaalisesti säädettävää biasjännitettä voidaan ' · · * käyttää, jos säätöaskelet ovat riittävän pieniä, mikrovolttien luokkaa. Sarjavastuksen ' : 608 ja rinnakkaisvastuksen 609 resistanssi voi olla esimerkiksi 1,2 kQ ja •V *; biasjännitelähteen 607 suurin lähtöjännite voi olla esimerkiksi 18 V.

« I

25 Esimerkkitestimittauksessa biasjännite asetetaan ensin riittävän suureksi niin, että ... koko ilmasilta mikrobolometrissä 601 on normaalitilassa. Biasjännitettä alennetaan » · ‘.,; vähitellen kunnes nähdään negatiivinen differentiaalinen resistanssi, joka merkitsee, että biasjännitteen alenema on lyhentänyt ilmasillan keskellä sijaitsevan normaaliti- : ’": laisen alueen pituutta. Biasjännitettä voidaan pienentää edelleen, kunnes ilmasillan ·;·*· 30 resistanssi on verrannollinen rinnakkaisvastuksen 609 resistanssiin. Tässä vaiheessa .;. biastila muuttuu epävakaaksi ja lähestyy virtabiasta ja koko ilmasilta lukittuu supra- ; ’ * johtavaan tilaan. Toinen mittauspyyhkäisy voidaan suorittaa sen jälkeen kun on nos- • * · ' · ’: tettu ilmasillan läpi kulkeva virta jälleen riittävästi yli kriittisen virran niin, että il masilta koko pituudeltaan siirtyy taas normaalitilaan.

114658 ίο

Edellä selostetun kaltaiset mittaukset tuottavat joukon virta-jännite -tuloksia. Voidaan olettaa, että kaikki muut parametrit yhtälössä (3) ovat vakioita, ja estimoida arvot /¾ and p sovittamalla tulokset matemaattisesti yhtälön (3) määrittelemään kuvaajaan. Osana esillä olevan keksinnön kehitystyötä suoritettiin laskutoimitus, joka 5 antoi tulokseksi Ks = 1,44 W/Km, mikä on enemmän kuin kertaluokkaa pienempi kuin niobilla normaalitilassa.

Julkaisusta R.C. Jones: “The general theory of bolometer performance”, J. Opt. Soc. Am., 43(1):1-14, 1953 tunnetaan, että mille tahansa resistiiviselle bolometrille voidaan laskea sähköinen vaste I-V-kuvaajasta differentiaalin Z = dV/dl ja biaspiste-10 resistanssin R = V/I avulla. Negatiivista sähkötermistä takaisinkytkentää (ETF) kuvaava parametri bolometrissä on silmukkavahvistus, joka saadaan kaavasta L- P(Z-R)/(Z+R). Se voidaan laskea yhtälöstä (3), jolloin saadaan L = 4βκ$ρ(Τε - TQ)/V2. Tässä β= (R-RS)/(R+RS) kuvaa jännitelähteen impedanssin vaikutusta ETF:ään. Silmukkavahvistus riippuu itse asiassa taajuudesta, mutta tämä 15 riippuvuus voidaan jättää huomiotta, jos oletetaan, että laitteen vaste on mitään tyypillistä signaalia paljon nopeampi. Esillä olevan keksinnön yhteydessä on oletettu, että antennikytketyn mikrobolometrin terminen aikavakio on yhden mikrosekunnin luokkaa, joka on riittävän nopea, jos ilmaistava signaali on audiotaajuuksien alueella. Jännitebiasoidun bolometrin yleistys antaa tulokseksi virtavasteelle Sj 20 5, = — = —-—— (4) ' dP V L +1 I · ·: : joka lähestyy arvoa -MVkun Lon suuri.

•; : Kuvassa 7 on approksimoitu graafinen esitys keksinnön erään suoritusmuodon mu- , ·. : kaisen antennikytketyn mikrobolometrin virtavasteesta ilmasillan resistanssin funk- ,·*·[ tiona. Kuvaaja 701 on laskettu sovittamalla mittauksen I-V-ominaisuudet yhtälöön 25 (3). Mielenkiintoisin alue on missä ilmasillan biasresistanssi voidaan suoraan sovit taa litografiseen antenniin. Esimerkiksi biasresistanssin arvolla 75 Ω ilmasilta sovit-tuu täydellisesti piille tehdyn logaritmisen kierukka-antennin impedanssiin ja virta-‘ · · * ’ vaste on noin -450 A AV. Kaksoisrakoantennilla tiedetään olevan vieläkin pienempi : ’": impedanssi, joten käyttämällä sitä logaritmisen kierukan asemesta voitaisiin mah- .;: 30 dollistaa itseisarvoltaan vielä suurempi virtavaste.

v : Kuvan 6 mittauskytkentää voidaan käyttää tutkittaessa keksinnön erään suoritus- : ’ ·, i muodon mukaisen antennikytketyn mikrobolometrin ja SQUID-virtaesivahvistimen muodostaman yhdistelmän kohinaominaisuuksia. Silloin SQUID-virtaesivahvisti- I 114658 i f 11 men 603 lähtö kytketään spektrianalysaattoriin ja mikrobolometri 601 biasoidaan peräkkäin I-V-kuvaajan eri pisteissä. Tällaisessa järjestelyssä spektrianalysaattorin vastaanottama yhdistelmä koostuu keskenään korreloimattomista satunnaisista läm-pöfluktuaatioista ilmasillan normaalitilaisen alueen ja lämpönielun välillä, resistiivi-j 5 sen osan Johnson-kohinasta ja SQUID-osasta aiheutuneesta kohinasta. Ensimmäi nen näistä on fononikohinavirta, joka julkaisun J.C. Mather: “Bolometer noise: nonequilibrium theory”, Applied Optics, 21(6):1125-1129, March 1982 mukaan saadaan kaavasta i, =Jj4W;G\S,\ (5) 10 missä γ- 0,46 kuvaa sillan lämpötilagradientin vaikutusta fononikohinaan ja G on ilmasillan ja lämpökylvyn välinen lämmönjohtuvuus watteina kelviniä kohti. Kun otetaan huomioon ETF, Johnson-kohinavirta saadaan kaavasta ij = J4-B?'· + (6) J V R 2(l + l) SQUID-osan virtakohina on in, joka tunnetaan SQUID:n spesifikaatioista ja on lähes 15 vakio koko I-V-kuvaajan kiinnostavalla alueella, joka vastaa ilmasillan alle 100 ohmin resistanssiarvoja. Koko yhdistelmän kokonais-NEP neliöitynä saadaan kaavasta ΐί: ,: Yhtälöiden (5), (6) ja (7) sekä SQUID-osan mitatun tai arvioidun virtakohinan avul- : 20 la voidaan muodostaa teoreettinen ennuste kohinaominaisuuksille. Esillä olevan , · · · [ keksinnön kehitystyön osana suoritettiin käytännön mittaus, jossa tarkkailtiin ko- » · hinaspektritiheyttä 10kHz:n taajuudella, joka on reilusti 1 MHz:n arvioidun termi-,, , sen rajataajuustaipeen alapuolella. Taulukossa 1 on esitetty eräitä tästä mittauksesta ·' ; ’ saatuja esimerkinomaisia kokonais-NEP-arvoja.

» ·

I I

* · •

* 1 » 1 i » I

I I

* » * » · • » 1 » · 12 114658

Taulukko 1

Ilmasillan resistanssi, Ω NEP, fW/VHz _55__34 _60__30 _68__25 _70__23 _75__21 95 30 Käytännön mittauksista saadut kokonais-NEP-arvot ovat muuten linjassa mainitun teoreettisen ennusteen kanssa, mutta hyvin pienillä, alle 0,9 mV:n biasjännitteen ar-5 voilla, kun ilmasillan resistanssi on pienempi kuin noin 25 Ω, mitatut arvot ovat joitakin kymmeniä prosentteja ennustettuja suurempia. Kaiken kaikkiaan mitatut NEP-arvot pysyvät tasolla, joka on noin viideskymmenesosa arvoista, jotka ovat tyypillisiä keksijöiden tuntemille tekniikan tason mukaisille antennikytketyille mikrobolo-metreille. Parempi häiriösovitus SQUID-lähtöön voisi pienentää NEP-arvoa entises-10 tään. Ilmasillan geometriaa ja sen kytkentää antenniin voitaisiin myös optimoida laitteen geometrisen induktanssin vähentämiseksi ja termisen eristyksen parantamiseksi entisestään.

Kuvassa 8 on esitetty keksinnön erään suoritusmuodon mukainen kuvantamisjärjes-(tely. Sähkömagneettisen säteilyn ilmaisemisen ja kuvaksimuuttamisen kannalta tär- v « · ,' ; 15 kein osa on kuvantamismatriisi 800, johon kuuluu lukuisia antennikytkettyjä mikro- bolometrejä ja niihin liittyvät SQUID-virtaesivahvistimet. Kukin mikrobolometri-’ * · · ‘ esivahvistinpari muodostaa yhden pikselin kuvantamismatriisissa 800. Antennikyt- ' * kettyjen mikrobolometrien ilmasiltojen tyhjöeristyksen aikaansaamiseksi kuvanta- \ ’ : misjärjestelyyn 800 kuuluu tyhjösäiliö 801 tyhjön ylläpitämiseksi antennikytketty- U,: 20 jen mikrobolometrien ympärillä. Lisäksi, suprajohtavuuden aikaansaamiseksi, ku- vantamisjärjestely on suljettu kryostaattiin 802, joka on järjestetty pitämään kuvan-tamismatriisi 800 sopivan alhaisessa vakiolämpötilassa, esimerkiksi 4,2 K. Edulli-simmin lämpötilaa tarkkaillaan jatkuvasti lämpömittarilla 803. Kuvantamisjärjeste- II» lyyn kuuluu myös kvasioptinen järjestelmä 804 sähkömagneettisen säteilyn johta-

* I

‘ · · · * 25 miseksi tarkasteltavasta kohteesta kuvantamismatriisiin 800.

> · _.!. _ Tyhjösäiliön 801 sisällä vallitsevan paineen tarkalla arvolla ei ole suurta merkitystä, » · · ; . koska pääsyy tyhjön käyttämiseen antennikytkettyjen mikrobolometrien ympärillä ‘ · ‘: on vain pyrkimys hyvään termiseen eristykseen. Mitä parempi tyhjö, sitä parempi terminen eristys ja sitä pienempi fononikohinavirta. Jäähdyttämällä kuvantamismat- 13 114658 riisi 4,2 K:n tasolle voidaan saada aikaan suhteellisen hyvä tyhjö, sillä 4,2 K:n lämpötilassa kaikki muut kaasut paitsi helium ovat jäätyneet tyhjösäiliön sisäseinämiin ja vain helium voi esiintyä kaasumaisessa olomuodossa. Tyhjösäiliöstä voidaan tehdä riittävän tiivis suhteellisen helposti tavanomaisin tekniikoin.

5 Kvasioptisen järjestelmän 804 suhteen on huomattava, että tuleva säteily usein kytkeytyy antennikytkettyihin mikrobolometreihin substraatin läpi, koska antennin sijainti suuren dielektrisyysvakion omaavan alustan (kuten pii) päällä aiheuttaa sen, että antennin suuntakuvio on merkittävästi suuntautunut alustaan. Alustan resistiivi-syyden on oltava suuri alustaan absorboitumisen minimoimiseksi. Siksi kvasiopti-10 nen linssi tyypillisesti sijoitetaan alusta-ilma (tai alusta-tyhjö) -rajapintaan alustan vastakkaisella puolella. Tämä estää nk. alustamoodien syntymisen. Olisi ainakin teoreettisesti mahdollista valmistaa antenni ja bolometri itsekantavan, nitridoitua piitä anisotrooppisesti syövyttämällä aikaansaadun nitridi-ikkunan päälle, ja sijoittaa sopiva heijastin tai aaltoputkielementti ikkunan taakse. Itse ikkunamateriaali 15 voitaisiin syövyttää pois alueilta, joilla ei ole metallointeja, muodostaen näin itsekantavan antennin ja ilmasillan yhdistelmä. On kuitenkin valitettavasti hyvin todennäköistä, että liiallinen jännitys katkaisisi ilmasillan nitridin syövytysvaiheessa.

SQUID-virtaesivahvistimien lähdöt on kytketty lukumultipleksointijärjestelyyn 805, joka kykenee lukemaan lähtösignaalin (virranmittausarvon) erikseen kultakin esi-20 vahvistimelta ja johtamaan näin saadut lukemat yleiseen ohjausyksikköön 806. Jot-: : kin lukumultipleksointijärjestelyn 805 osat voivat jopa sijaita kryostaatissa 802, * . : varsinkin jos nämä osat on integroitu yhteiseen rakennekokonaisuuteen kuvantamis- ;; matriisin 800 kanssa. Ohjausyksiköltä 806 saadaan lisäksi ohjauskomennot biasjän- ..,,: nitteen ohjausyksikölle 807, joka on järjestetty ohjaamaan säädettävää biasjännite- . . : 25 lähdettä 808, joka muodostaa säädettävän biasjännitteen, joka on sama kaikille ku- vantamismatriisin 800 antennikytketyille mikrobolometreille. Lisäksi lämpömittarin 803 lähdöstä on kytkentä ohjausyksikölle 806 ajantasaisen tiedon toimittamiseksi viimemainitulle kryostaatissa 802 vallitsevasta lämpötilasta.

• ·

Ohjausyksikkö 806 on järjestetty keräämään mittausarvolukemia, joita se saa luku- * * · .:. 30 multipleksointijärjestelyltä 805, sekä järjestämään tämän tiedon digitaalisiksi kuvik- '*·’ si, jotka se voi tallentaa tallennusvälineisiin 809 ja/tai esittää näyttövälineillä 810.

Käyttäjä voi kontrolloida ohjausyksikön 806 toimintaa siihen kytketyn käyttöliitty- : : män 811 kautta.

> · ’ ' Keksinnön mukaisessa kuvantamisjärjestelyssä on monista syistä erittäin edullista 35 käyttää SQUID-virtaesivahvistimia (tai yleisemmin: toiminnassaan suprajohtavuutta i 14 114658 hyödyntäviä vähäkohinaisia esivahvistimia). Ensinnäkin on suhteellisen yksinkertaista integroida tällaiset esivahvistimet yhteiseen rakenteeseen antennikytkettyjen mikrobolometrien kanssa joko valmistamalla ne suoraan samalle puolijohdealustalle mikrobolometrien kanssa tai kiinnittämällä sopivia erillisesti valmistettuja esivah-5 vistinsiruja tällaiselle puolijohdealustalle. Toiseksi, edellä mainitusta seuraa, että on mahdollista tarkasti sovittaa mikrobolometrien ja vahvistimien ominaisuudet toisiinsa kohinan ja häviöiden minimoimiseksi. Kolmanneksi, toiminnassaan suprajohtavuutta hyödyntävien vähäkohinaisten esivahvistimien tehohäviöt ovat hyvin pienet, mikä merkitsee, että ne eivät todennäköisesti aiheuta liialliseen lämmöntuottoon 10 liittyviä ongelmia kryostaatissa.

Kun biasjännite kuvantamismatriisin kullekin antennikytketylle mikrobolometrille on sama, SQUID-virtaesivahvistimilta saadut virtalukemat kertovat suoraan kuvan data-arvot, so. eri pikselien kohdalla ilmaistut suhteelliset säteilyvoimakkuudet. Ohjausyksikössä on tyypillisesti biasjännitteen korjausrutiineja, jotka säätävät biasjän-15 nitteen arvoa dynaamisesti siten, että kuvantamismatriisin dynamiikka-aluetta hyödynnetään tehokkaimmin suhteessa ilmaistavan säteilyn hetkelliseen kokonaisvoi-makkuuteen.

Pikselimäärän (eli mikrobolometri-esivahvistinparien määrän) alaraja on yksi, jossa tapauksessa kuvantamisjärjestely on vain yksinkertainen säteilyvoimakkuuden il-20 maisin, jota voidaan käyttää kuvantamiseen vain jos se sisältää välineet säteilyn ; : : vastaanottosuunnan valitsemiseksi ja vaihtamiseksi. Pikselien määrällä ei ole teo- ; : : reettista ylärajaa, mutta käytännössä ylärajan asettaa se seikka, että puolijohdekiek-

II» I

;‘. koja on vain tietyn kokoisia ja kukin mikrobolometri-esivahvistinpari vaatii tietyn ,,,,: rajallisen tilan puolijohdekiekon pinnalta.

: 25 Edellä esitettyjen keksinnön suoritusmuotojen ei tule katsoa asettavan rajoituksia oheisten patenttivaatimusten sovellettavuudelle. Esimerkiksi, vaikka edellä käsiteltiin vain nk. lift-off-prosessia menetelmänä alustan kuvioimiseksi, alan ammatti-I ‘ · ’: miehelle on selvää, että myös sopivaa märkäsyövytystä voidaan käyttää. Samoin on mahdollista vaihdella antennikytkettyjen mikrobolometrien ja niihin liittyvien 30 SQUID-esivahvistimien suhteita: edellä oletettiin, että kullakin mikrobolometrillä • · ’··*] on oma SQUID-esivahvistimensa ja että SQUID-esivahvistimien lähdöt on multi- • · * * · pleksoitu, mutta vaihtoehtoisesti voidaan toimia myös siten, että usea antennikytket- : ’ · *: ty mikrobolometri multipleksoidaan käyttämään yhtä SQUID-esivahvistinta. Viime- ; * · t j mainitun kaltainen multipleksointi voidaan toteuttaa esimerkiksi sopivien lämpökyt- • · 35 kimien avulla.

Claims (18)

114658

1. Antennikytketty mikrobolometrirakenne, johon kuuluu: - alusta (301), - alustaan tuettu antenni (102, 103), ja 5 -antenniin kytketty lämpöherkkä elin (101, 305), joka on järjestetty muuttaman lämmöksi antenniin indusoituja sähkövirtoja; jossa sekä antenni (102, 103) että lämpöherkkä elin (101, 305) koostuvat materiaalista, joka on altis siirtymään suprajohtavaan tilaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella, 10 tunnettu siitä, että lämpöherkkä elin (101, 305) on tuettu etäisyyden päähän alustasta (301), jolloin lämpöherkän elimen (101, 305) ja alustan (301) pinnan väliin jää tyhjä tila (306).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tunnettu siitä, että antenni (102, 103) ja lämpöherkkä elin (101, 305) ovat osia yhtenäi- 15 sessä materiaalikerroksessa (304), joka on altis siirtymään suprajohtavaan tilaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tunnettu siitä, että mainittu yhtenäinen kerros (304) on oleellisesti tasomainen ja an-tennikytkettyyn mikrobolometrirakenteeseen kuuluu alustan (301) ja mainitun yhte- . 20 näisen kerroksen (304) välinen välikerros (302, 303), jossa on aukko (306) lämpö- ; herkän elimen (101, 305) ja alustan (301) välissä.

.· 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tun- •j nettu siitä, että alusta (301) koostuu korkearesistiivisestä piistä, antenni (102, 103) : ja lämpöherkkä elin (101, 305) koostuvat niobista (304) ja mainittu välikerros (302, •, 25 303) koostuu piinitridistä.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tun-: , ·' nettu siitä, että antenniin kuuluu kaksi antennihaaraa (102, 103) ja että lämpöherkkä elin (101, 305) on mainitut kaksi antennihaaraa (102, 103) toisiinsa yhdistävä silta.

. ‘ 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tun- ’: 30 nettu siitä, että .';1. - mainitut kaksi antennihaaraa (102, 103) ovat logaritmisia kierukoita, joilla kulla- , ·. ; kin on sisempi pää ja ulompi pää, - lämpöherkkä elin (101, 305) kytkee mainittujen logaritmisten kierukoiden sisem-mät päät toisiinsa, ja 114658 - antennikytkettyyn mikrobolometrirakenteeseen kuuluu lisäksi kaksi kytkentätäplää (104, 105) sähköisten kytkentöjen muodostamiseksi antenniin, joista kahdesta kyt-kentätäplästä (104, 105) kumpikin on kytketty yhden logaritmisen kierukan ulompaan päähän.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tun nettu siitä, että siihen kuuluu antenniin (102, 103) kytketty SQUID-virtaesivahvis-tin (603) antennin ja lämpöherkän elimen läpi kulkevien sähkövirtojen mittaamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tun-10 nettu siitä, että mainittu SQUID-virtaesivahvistin (603) on integroitu samalle alustalle (301) kuin antenni (102, 103).

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen antennikytketty mikrobolometrirakenne, tunnettu siitä, että mainittu SQUID-virtaesivahvistin (603) sijaitsee erillisellä sirulla, joka on kiinnitetty samalle alustalle (301) kuin antenni (102, 103).

10. Bolometrinen kuvantamisjärjestely, johon kuuluu: - antennikytketty mikrobolometri, joka sisältää - alustan (301), alustaan tuetun antennin (102, 103) ja antenniin kytketyn lämpöherkän elimen (101, 305), joka on järjestetty muuttaman lämmöksi antenniin indusoitu- . ja sähkövirtoja, joista sekä antenni (102, 103) että lämpöherkkä elin (101, 305) 20 koostuvat materiaalista, joka on altis siirtymään suprajohtavaan tilaan tietyn kriitti- : sen lämpötilan alapuolella, * tunnettu siitä, että ’1 "·' - lämpöherkkä elin (101, 305) on tuettu etäisyyden päähän alustasta (301), jolloin •, ’ i lämpöherkän elimen (101, 305) ja alustan (301) pinnan väliin jää tyhjä tila (306), ja 25. bolometriseen kuvantamisjärjestelyyn kuuluu tyhjösäiliö (801) antennikytketyn mikrobolometrin sulkemiseksi tyhjöön sekä kryostaatti (802) antennikytketyn mik-;1. ’. robolometrin pitämiseksi kriittisen lämpötilan alapuolella. i · t • I

'>>' 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen bolometrinen kuvantamisjärjestely, tunnet- tu siitä, että siihen kuuluu antennikytkettyyn mikrobolometriin (601) kytketty 30 SQUID-virtaesivahvistin (603) antennin (102, 103) ja lämpöherkän elimen (101, 305) läpi kulkevien sähkövirtojen mittaamiseksi. ! » t • » t » * 1 » * » t 1 » 114658

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen bolometrinen kuvantamisjärjestely, tunnettu siitä, että siihen kuuluu: - kuvantamismatriisi (800), jossa on lukuisia toisiinsa liittyvien antennikytkettyjen mikrobolometrien ja SQUID-virtaesivahvistimien muodostamia pareja siten, että 5 kukin kuvantamismatriisin (800) antennikytketty mikrobolometri/SQUID-virtaesi-vahvistinpari muodostavat yhden pikselin sellaisen data-arvon muodostamiseksi, joka kuvaa pikselin sijainnissa ilmaistun sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta, - lukumultipleksointivälineet (805) kuvantamismatriisin (800) pikselien data-arvojen selektiiviseksi lukemiseksi, ja 10. ohjausvälineet (806) luettujen data-arvojen muuntamiseksi kuviksi, jotka esittävät ilmaistun sähkömagneettisen säteilyn jakautumista kuvantamismatriisissa.

13. Patenttivaatimuksen 11 mukainen bolometrinen kuvantamisjärjestely, tunnettu siitä, että siihen kuuluu: - kuvantamismatriisi (800), jossa on lukuisia antennikytkettyjä mikrobolometrejä si-15 ten, että kukin kuvantamismatriisin (800) antennikytketty mikrobolometri muodostaa yhden pikselin sellaisen data-arvon muodostamiseksi, joka kuvaa pikselin sijainnissa ilmaistun sähkömagneettisen säteilyn voimakkuutta, - kuvantamismatriisissa (800) SQUID-virtaesivahvistin ja - multipleksointivälineet kuvantamismatriisin (800) pikselilähtöjen selektiiviseksi 20 kytkemiseksi SQUID-virtaesivahvistimelle, - lukuvälineet kuvantamismatriisin (800) pikselien data-arvojen selektiiviseksi lukemiseksi SQUID-esivahvistimen kautta, ja : - ohjausvälineet (806) luettujen data-arvojen muuntamiseksi kuviksi, jotka esittävät ilmaistun sähkömagneettisen säteilyn jakautumista kuvantamismatriisissa. } 25

14. Menetelmä antennikytketyn mikrobolometrirakenteen valmistamiseksi, johon ." ·. menetelmään kuuluvat vaiheet, joissa: - järjestetään rakenteelle alusta (401), ja ... - muodostetaan (402, 403, 404, 405) sellaisesta materiaalista, joka on altis siirty- ',,; mään suprajohtavaan tilaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella, alustalle antenni •; * ’ 30 ja siihen kytketty lämpöherkkä elin; tunnettu siitä, että siihen kuuluu vaihe, jossa poistetaan (406) materiaalia alustan ja : · · · lämpöherkän elimen välistä, jolloin lämpöherkän elimen ja alustan pinnan väliin jää tyhjä aukko. 1 * · * * · : _ ’.: 15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 35. vaiheessa, jossa järjestetään rakenteelle alusta (401), järjestetään alustaksi nitridoi- tu korkearesistiivisestä piistä valmistettu kiekko, 114658 - vaiheessa, jossa muodostetaan (402, 403, 404, 405) alustalle antenni ja lämpö-herkkä elin, käytetään litografista prosessia kuvioiden synnyttämiseksi materiaalista, joka on altis siirtymään suprajohtavaan tilaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella, mainitun kiekon nitridoidulle tasopinnalle siten, että antenni ja lämpöherkkä 5 elin ovat sellaisten kuvioiden osia, ja - vaiheessa, jossa poistetaan (406) materiaalia alustan ja lämpöherkän elimen välistä, syövytetään pois nitridiä mainitun korkearesistiivisen piin ja mainitun lämpöherkän elimen välistä.

15 SQUID-virtaesivahvistimen kytkemiseksi siihen sellaisten välineiden toteuttamisek si, joilla mitataan antennin ja lämpöherkän elimen läpi virtaavia sähkövirtoja.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa 10 litografisessa prosessissa lisäksi muodostetaan SQUID-virtaesivahvistin samalle kiekolle sellaisten välineiden toteuttamiseksi, joilla mitataan antennin ja lämpöherkän elimen läpi virtaavia sähkövirtoja.

17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa litografisessa prosessissa lisäksi muodostetaan samalle kiekolle kytkentävälineet

18. Menetelmä sähkömagneettisen säteilyn ilmaisemiseksi antennikytketyllä mik-robolometrillä, johon kuuluu antenni (102, 103) ja antenniin kytketty lämpöherkkä elin (101, 305), joka on järjestetty muuttaman lämmöksi antenniin indusoituja säh- 20 kövirtoja, joista sekä antenni että lämpöherkkä elin koostuvat materiaalista, joka on altis siirtymään suprajohtavaan tilaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella, johon ’ menetelmään kuuluvat vaiheet, joissa: . - biasoidaan antennikytketty mikrobolometri biasjännitteellä (808), . . - ilmaistaan antennikytketyn mikrobolometrin läpi kulkevan sähkövirran määrä ja ; _ · 25 - päätellään, mikä osa ilmaistusta sähkövirran määrästä johtui antennin vastaanot- ’ 1 1' tamasta sähkömagneettisesta säteilystä; tunnettu siitä, että vaiheessa, jossa biasoidaan antennikytketty mikrobolometri, ναι V Iitaan biasjännite (808) siten, että biasoinnin synnyttämä sähkövirta antennikytketyn : t t: mikrobolometrin läpi ja vastaanotetun säteilyn synnyttämä sähkövirta antennikytke- ,1·. 30 tyn mikrobolometrin läpi yhdessä lämmittävät lämpöherkkää elintä (101, 305) riit- ‘ ’ |. tävästi, jotta osa siitä pysyy normaalissa ohmisessa johtavuustilassa. • < » * t · • · · 1 ft 114658 Patenttikrav