JP2017072597A - 高いスペクトル感度を有するボロメータ - Google Patents

Abstract

【課題】高いスペクトル選択性を有し、従来技術の欠点を少なくとも一つを有しないボロメータ検出器を提供する。
【解決手段】入射電磁放射２００を熱に変換するための吸収メンブレン１１０と、吸収メンブレンにそこを通過した前記入射電磁放射の一部を反射するためのリフレクタ１２０と、を備えるボロメータ検出器１００において、吸収メンブレンとリフレクタとの間に位置し、関心波長λ_０で共振するネットワークを形成するために一連の指数ジャンプを有する非金属性層１３０を備え、ネットワークの平均ピッチＰはλ_０未満であり、吸収メンブレンとリフレクタとの間の光学的距離がλ_０／２の倍数と実質的に等しい。
【効果】本ボロメータ検出器は優れたスペクトル感度を有し、ガスセンサの生産に特段の関心を有する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ボロメータ検出器、即ち入射電磁放射のエネルギーを熱に変換する検出器であって、この放射の強度が温度変化に対応するような検出器に関連する。

ボロメータ検出器は、赤外、特に０．７μｍから３ｍｍの間に含まれる波長に位置する電磁放射を検出するのに特に適している。

特許出願ＦＲ−２９７７９３７の図１Ａに記述されたボロメータは従来技術から知られており、吸収体−サーミスタユニットを形成し、リフレクタ上にそこからλ_０／４の距離で吊るされたメンブレンを備え、λ_０はスペクトル検出バンドの中心波長である。

メンブレンは金属の薄層等の吸収要素を備え、それは入射電磁放射を吸収し、その温度はこの吸収に反応して上昇し、その温度測定要素は温度とともに抵抗が変化する。

リフレクタ及び吸収体−サーミスタユニットは一緒に１／４波長空洞を形成し、８〜１２μｍの範囲のスペクトルバンドにわたって、または３μｍ〜５μｍの範囲のスペクトルバンドにわたって、典型的には９０％の高い吸収を可能にする。

このボロメータの欠点は、それは高いスペクトル選択性を提供せず、数マイクロメートルのスペクトル幅にわたって全ての波長が吸収されることである。

この欠点を解消するために、本文書は、吸収体−サーミスタユニットを形成するメンブレン上に、金属−絶縁体−金属積層体（ＭＩＭ構造）を堆積することを提案する。積層体の少なくとも一つの横寸法は、上記広いスペクトルバンドに含まれる振動数の入射放射とのプラズモン共鳴を生み出すように決定される。

吸収性メンブレン上に堆積されたこれらの積層体の欠点は、積層体がメンブレンの熱質量を増やし、従って熱時定数を増やすことである。

ＦＲ−２９７７９３７

本発明の目的は、高いスペクトル選択性を有し、従来技術の欠点を少なくとも一つを有しないボロメータ検出器を提案することである。

特に、本発明の目的は、高いスペクトル選択性を有し、吸収体−サーミスタユニット単独の熱質量と同等な熱質量を有するボロメータ検出器を提案することである。

この目的は、少なくとも一つのピクセルを有するボロメータ検出器であって、各ピクセルが、
−入射電磁放射を熱に変換するのに適した吸収メンブレンと、
−そこを通過した入射電磁放射の一部を吸収メンブレンに反射するように設計されたリフレクタと、を備える、ボロメータ検出器で達成される。

本発明によると、このボロメータ検出器は以下の特徴を有する：
−少なくとも一つのピクセルは、構造層と呼ばれ、吸収メンブレン及びリフレクタの間に位置し、関心波長と呼ばれる波長であるλ_０で共鳴するネットワークを形成するために吸収メンブレンに平行な平面内に第一光学指数と第二光学指数の間に一連の指数ジャンプを有する、非金属性層を更に備え；
−ネットワークの平均ピッチは、上記関心波長未満であり；そして、
−吸収メンブレンとリフレクタとの光学的距離は、λ_０／２の倍数と実質的に等しい。

構造層は、非金属性であるので、入射電磁放射を熱へと変換しない。

構造層中で、各指数ジャンプは第一材料及び第二材料の間の界面によって構成される。

構造層は関心波長において共振ネットワークを形成する。それは、特に、ネットワークの平均ピッチが上記関心波長未満であるサブ波長と呼ばれるネットワークである。換言すれば、第一光学指数から第二光学指数への二つの連続する指数ジャンプ間の平均ギャップは、この関心波長未満である。

ネットワークがサブ波長であるので、その中で回折の現象は生じない。入射電磁放射の少なくとも一部分が吸収メンブレンを横断し、構造層に到達し、関心波長における共鳴現象が起きる。狭い電磁強度ピークがそのように形成され、関心波長が中心となる。

この強度ピークは吸収メンブレンの方向に、かつ／またはリフレクタの方向に発振され、リフレクタは吸収メンブレンにそれを送り戻す。

その後、この強度ピークは吸収メンブレンによって吸収され、その後、それは上記関心波長が中心の、吸収されたエネルギーの狭いピークを有する。このピークは、半分の高さにおいて１５０ｎｍ未満、または１００ｎｍ、５０ｎｍ、１０ｎｍ若しくは更に小さいまでのピーク幅を有するので、狭いと呼ばれる。

この第一現象に、吸収メンブレンとリフレクタとの間の光学的距離に関連した第二現象が加えられる。波長の関数として吸収メンブレンに吸収されたパワーの全体的なスペクトルは、これら二つの現象に依存する。

従来技術では、吸収メンブレンとリフレクタとの間の光学的距離はλ_０／４に等しく、波長λ_０を中心とする幅広いスペクトルバンドにわたって共振する空洞を形成する。

ここで、吸収メンブレンとリフレクタの間の光学的距離はλ_０／２の倍数と実質的に等しく、λ_０は関心波長である。従って、実質的にλ_０を中心とする幅広いスペクトルバンドについて、リフレクタ上の入射電磁放射はリフレクタによって反射された電磁放射と反対の位相である。結果的に、λ_０を実質的に中心とする幅広いスペクトルバンドについて、吸収メンブレンによって吸収されたエネルギーのスペクトルは幅広いバンドの谷（ｔｒｏｕｇｈ）を有する。この谷は、半分の高さで、５００ｎｍ超、または１μｍ超まで、または更に大きなピーク幅を有するので、ワイドバンドと呼ばれる。この谷は低い吸収に対応し、１００ｎｍ超、及び２００ｎｍ超、３００ｎｍ超またはそれ以上までのスペクトル幅にわたって２０％未満である。

波長の関数として吸収メンブレンに吸収されたパワーの全体的なスペクトルは、上述の通り、幅広いバンドの谷と、狭いピークの両方を有する。

従って、関心波長付近で、吸収メンブレンは、低吸収の領域によって両側を囲まれた狭い吸収ピークを有する。従って、幅広いバンドの谷に対応するスペクトルバンドにわたって、本発明に係るボロメータ検出器は高いスペクトル感度を有する。

特に、本発明に係るボロメータ検出器は、幅広いバンドの谷に対応するスペクトルバンドにわたって、２０超の線質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を有する。

この高いスペクトル選択性は、リフレクタと吸収メンブレンの間の光学的距離、及びその二つの間に位置された構造層の賢明な選択によって得られる。構造層は吸収メンブレン上に堆積されていない。結果として、それは吸収メンブレンの熱質量を増やさない。従って、本発明に係るボロメータ検出器は、導入部分で記述されたＭＩＭ構造を有するボロメータの熱時定数よりも小さな、非常に良好な熱時定数を有する。

更に、本発明に係るボロメータ検出器のピクセルの高いスペクトル選択性は、このピクセルの上流にスペクトルフィルタを置く必要なく得られる。

本発明に係る関心波長は、構造層の特徴の関数である。それ故、各ピクセルの上流にスペクトルフィルタを設けずに、同一の関心波長に両方とも感度が高いわけではない隣接する二つのピクセルを有するボロメータ検出器を作ることが可能である。

それ故、これによって第一ピクセルのスペクトルフィルタによってフィルタリングされた光放射が隣接するピクセルによって受け取られること（クロストークとして知られる現象）を回避する。

更に、本発明は、上流に配置されたフィルタによって各ピクセルのスペクトル選択性を更に改善することを可能にする。第一ピクセルのスペクトルフィルタによってフィルタリングされ、隣接するピクセルによって受けられた光放射は、各ピクセルの固有のスペクトル選択性のおかげで、上記隣接するピクセルの吸収メンブレンの加熱を生じない。

好ましくは、第一光学指数及び第二光学指数の差は、０．５より大きい。

ネットワークの平均ピッチはλ_０／２とλ_０の間に含まれてよく、λ_０は関心波長である。

共振ネットワークは、有利には、周期的なネットワークである。

変形例において、共振ネットワークは、基本パターンの平均形状に対するカバー率（ｃｏｖｅｒａｇｅ ｒａｔｅ）が９０％から９９％の間に含まれるような基本パターンの形状の変動を有する、疑似周期的ネットワークでよい。

共振ネットワークは、吸収メンブレンに平行な面の二つの次元に沿って広がる指数ジャンプを有してよい。

変形例において、共振ネットワークは、吸収メンブレンに平行な面の一つの次元に沿って広がる指数ジャンプを有してよい。

各指数ジャンプは、有利には、第一材料と第二材料の間の界面で構成され、上記材料の一つは真空または空気などのガスである。

好ましくは、構造層と吸収メンブレンの間のギャップはλ_０／２未満であり、λ_０は関心波長である。

構造層は、低指数層と呼ばれる非金属性層で被覆され、吸収メンブレンと空間をあけて分離されてよい。

本発明に係るボロメータ検出器は、有利には、複数のピクセルを有し、ピクセルが異なる関心波長の検出に適しているように、少なくとも二つのピクセルは基本パターンの平均形状が異なる。

有利な実施形態によると、各ピクセルは、このピクセルと関連付けられた構造層を覆い、対応する吸収メンブレンから空間をあけて分離された低指数層を有し、各低指数層は異なる厚さを有するピクセルと関連付けられる。

非金属性の中間層は、リフレクタと構造メンブレンの間に広がってよい。

本発明は、空洞内で電磁放射を発するように設計された赤外線源を備え、空洞が本発明に係るボロメータ検出器を含む、ガスセンサにも関連する。

本発明は、添付図面を参照しつつ、単に例示目的のために与えられ、決して限定的ではない実施形態の例の記述を読むことで、より良く理解されるだろう。

本発明に係るボロメータ検出器の第一実施形態を、二つの断面図に沿って、概略的に描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の第一実施形態を、二つの断面図に沿って、概略的に描写する図である。 図１Ａ及び図１Ｂのタイプのボロメータ検出器の吸収スペクトルを描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の第二実施形態を、二つの断面図に沿って、概略的に描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の第二実施形態を、二つの断面図に沿って、概略的に描写する図である。 図３Ａ及び図３Ｂのタイプのボロメータ検出器の吸収スペクトルを描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の構造層の異なる変形例を描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の構造層の異なる変形例を描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の構造層の異なる変形例を描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の第三実施形態を概略的に描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の第四実施形態を概略的に描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の構造層の二つの他の変形例を描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の構造層の二つの他の変形例を描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器の第五実施形態の二つのピクセルを概略的に描写する図である。 本発明に係るボロメータ検出器を含むガスセンサを概略的に描写する図である。

図１Ａは、本発明に係るボロメータ検出器１００の第一実施形態を描写する。

図の読みやすさのために、上記検出器の単一ピクセルのみが示されている。

各ピクセルは吸収メンブレン１１０及びリフレクタ１２０を備える。

吸収メンブレン１１０は、入射電磁放射のエネルギーを熱に変換するのに、特に０．７μｍと３ｍｍの間に含まれる波長の赤外放射（近赤外から遠赤外まで）に適した材料で構成される。吸収メンブレンは、３μｍと１２μｍの間に含まれる波長を熱に変換するのに特に適している。吸収メンブレンまたはボロメータ板は、金属、特に窒化チタン（ＴｉＮ）からなってよい。吸収メンブレンは、穴を有しないという意味で連続的であり、換言すれば、その形状は単に結合されている。

吸収メンブレン１１０は、示されていない温度測定要素と熱的に接触しており、それによって吸収メンブレンの加熱を測定することが可能となる。例えば、この温度測定要素は、吸収メンブレン上に直接堆積された、温度の関数として抵抗が大きく変動する材料の層である。この温度測定要素は、例えば、酸化バナジウムからなる。

リフレクタ１２０またはミラーは吸収メンブレンに面する反射表面で構成される。リフレクタ１２０は基板１２１上に堆積された反射処理で形成され得る。リフレクタは、吸収メンブレンが吸収性である波長に対して反射性である。それは、非常に薄い金属層、例えば厚さ５０ｎｍの銅またはアルミニウムの層で構成され得る。

リフレクタ１２０は、吸収メンブレン１１０と平行に、電磁放射２００を発する線源と反対側に広がる。

リフレクタ１２０及び吸収メンブレン１１０はボロメータ検出器の知られた要素であり、そのため、それらは本願では更に記述されない。

本発明に係るボロメータ検出器の少なくとも一つのピクセル、好ましくは全ては、高いスペクトル感度を有するために、以降記述される通り、追加的な特徴を有する。

構造層１３０と呼ばれる非金属性の層が、リフレクタ１２０と吸収メンブレン１１０の間に、これら二つの要素のそれぞれからある距離で挿入される。

吸収メンブレン１１０は、断熱性であり、示されていない支持手段によって、構造層１３０上に吊るされる。

特に、構造層と吸収メンブレンとの距離ｄ_２はλ_０／１０よりも大きく、ここでλ_０は、関心波長と呼ばれる、ボロメータ検出器のピクセルの吸収ピークの中心波長である。この波長についての更なる詳細は以下で与えられる。

距離ｄ_２は、構造層１３０の吸収性メンブレン側の上面から、吸収性メンブレン１１０の構造層側の下面まで測定される。

構造層１３０は、特に真空又は空気等のガスの層によって、吸収メンブレン１１０から断熱される。

圧力について精確ではないが、空気等のガスの層は、周囲の空気の圧力、即ち一般に１．０１３ｂａｒにおける層を示す。

本文を通して、真空は、１ｂａｒよりも厳密に低い圧力、例えば０．５ｂａｒ未満、５０ｍｂａｒ未満またはそれ未満の圧力を有する、空気等のガスの体積を示す。

ここに示す例では、この真空または空気等のガスの層は、距離ｄ_２に等しい厚さを有する。

構造層はリフレクタから更にある距離にある。

好ましくは、それは、リフレクタ側及び吸収メンブレン側で同一材料と直接物理接触する。

構造層１３０は、ここで、光学指数ｎ_２ｈを有する第一材料からなるネットワークで構成され、ネットワークの谷はｎ_２ｈよりも厳密に小さい光学指数ｎ_２ｂの材料で満たされている。

ここで、光学指数ｎ_２ｈの材料からなるネットワークの谷は真空で満たされている。変形例において、それらは空気などのガスによって、または別の固体材料によって満たされている。

好ましくは、指数ｎ_２ｈの材料からなるネットワークの谷の高さは構造層１３０の厚さ（軸（Ｏｚ）に沿った寸法と以降規定される）に等しい。ここで、構造層は厚さｈ_２＝３８０ｎｍを有する。

構造層１３０は、それぞれ指数ｎ_２ｈ、ｎ_２ｂの二つの織りあわされた単一材料のネットワークから構成されていると考えられてよく、指数ｎ_２ｂの材料は真空または空気などのガスまたは固体材料である。構造層は、その後、二材料ネットワークとみなされ得る。

換言すれば、構造層１３０は、低指数の媒質で構造化された高指数のメンブレンと、または、ｎ_２ｂ＜ｎ_２ｈであるように指数の相違を有する非金属性材料の交互で構成されたネットワーク（特に、以降で詳述されるように、ｎ_２ｂ＜ｎ_２ｈ−０．５）と考えられ得る。

本文を通して、光学指数は関心波長での屈折率を示す。

従って構造層１３０は光学指数ｎ_２ｈと光学指数ｎ_２ｂの間の一連の指数ジャンプによって規定される。これらの指数ジャンプは吸収アレイ１１０に平行な面内に広がっている。それ故、構造層はＢｒａｇｇネットワークタイプのネットワークを形成せず、吸収アレイと平行な面にわたって配置された構造化を有するネットワークを形成する。

本願で描写される実施例において、構造層１３０はアモルファスシリコンからなるネットワークで構成され、ネットワークの谷は真空で満たされる。従って、これによりｎ_２ｈ＝３．６及びｎ_２ｂ＝１が与えられる。

本発明の範囲を超えることなく、好ましくはｎ_２ｈ−ｎ_２ｂ＞０．５を、より一層好ましくはｎ_２ｈ−ｎ_２ｂ＞１を確認して、多くの変形例が実施され得る。更に、好ましくは、ｎ_２ｈ＞１．５と、更にはｎ_２ｈ＞３が確認される。

指数ｎ_２ｈの材料はアモルファスシリコンまたはゲルマニウムでよい。光学指数ｎ_２ｂの材料は、真空、空気等のガス、シリカ、硫化亜鉛、窒化物でよい。

構造層１３０は関心波長λ_０で共振するネットワークを形成する。

構造層１３０は共振構造であり、関心波長λ_０を中心とする強度ピークを有する電磁放射を、吸収メンブレン１３０及び／またはリフレクタに送る。このピークは狭く、半分の高さでピークの幅が、例えば５０ｎｍ未満である。この強度ピークは関心波長における共振と呼ばれる。

関心波長における共振は、吸収メンブレンに、直接的にまたはリフレクタ１２０を介して間接的に送り戻される。

構造層１３０または統合されたフィルタリング構造を示すために集中メンブレンという用語が使用され得る。

この共振は吸収性メンブレン１１０によって吸収される。この吸収はエバネッセント現象を実施し得る。

共振が吸収性メンブレン１１０によって可能な限り吸収されるために、上記に規定された厚さｄ_２はλ_０／２未満であることが好ましい。それから、これによってλ_０／１０＜ｄ_２＜λ_０／２が与えられる。本願に示された例では、ｄ_２＝２０００ｎｍである。

ここで構造層１３０は、ネットワークのピッチＰが関心波長λ_０未満であるように周期的な共振ネットワークを形成する。

特にλ_０／２＜Ｐ＜λ_０である。

それは更にとりわけ、二次（ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ）周期性を有するネットワークである。

図１Ａは平面（ｚＯｙ）に平行な面内の断面に沿ったボロメータ検出器のピクセルを示し、（Ｏｚ）は吸収性メンブレンの面に直交する軸であり、（Ｏｘｙｚ）は正規直交基準点である。

図１Ｂは構造層１３０を通過する面（ｘＯｙ）に平行な面内の断面図に沿ったこのピクセルを示す。

ここで描写された実施例において、構造層１３０は二つの次元に沿って（（Ｏｘ）及び（Ｏｙ）に沿って）周期性を有し、ピッチはこれら二つの次元に沿って同一である。

ここで構造層１３０は指数ｎ_２ｈの材料から構成されるパッド１３１で形成され、このパッドは空の隙間によって分離されている。

単位体積当たりの充填率が規定されてよく、構造層１３０中の指数ｎ_２ｈの材料によって占められた体積と、構造層１３０の合計体積との比率に対応する。パッドは四角形のベースを有するが、この四角形の幅ＬとネットワークのピッチＰとの比率に対応する単位長さ当たりの充填率がここではむしろ注目される。ここで単位長さ当たりの充填率は０．８５と等しい。

構造層１３０をリフレクタからある距離で維持するために、それは中間層１４０上に堆積され、それ自身はリフレクタ上に堆積される。中間層１４０は、特にパッド間の空間が真空又は空気などのガスで満たされる場合に、構造層１３０の機械的な維持を保証する。

中間層１４０は、一方の側でリフレクタ１２０と、他方の側で構造層１３０と、直接物理的に接触する。それは、好ましくは、少なくとも構造層１３０の範囲と等しい範囲を有する。

中間層１４０は固体材料からなる。ここでそれは指数ｎ_１＝２．２の、非金属性材料である硫化亜鉛（ＺｎＳ）からなる。変形例において、シリカ、窒化物からなってもよい（または、後述するように、真空若しくは空気などのガスで構成される）。

ここで厚さｈ_１＝６２０ｎｍを有する。

中間層１４０は、ｎ_２ｈ未満の指数ｎ_１の均一な層を形成し、好ましくはｎ_２ｈ−ｎ_１＞０．５であり、更により好ましくはｎ_２ｈ−ｎ_１＞１である。好ましくは、ｎ_１＜２である。

吸収性メンブレン１１０とリフレクタ１２０との間の光学的距離はλ_０／２の倍数と実質的に等しい。「実質的に」とは、λ_０／２の倍数の近傍で、λ_０／２のおよそ１５％の間、好ましくは１０％、更には５％に含まれることを意味すると解される。換言すれば、ボロメータ検出器の各ピクセルは、光学的厚さがＮ＊λ_０／２であり、Ｎが正の整数である空洞を形成する。

この光学的距離は、リフレクタ側の吸収性メンブレンの下面から、吸収性メンブレン側のリフレクタの上面まで測定される。

光学的距離は長さと光学指数、構造層１３０の軸（Ｏｚ）に沿って光学的距離が考慮される場合には特に平均光学指数、の積によって規定される

ここで、吸収性メンブレン１１０とリフレクタ１２０との間の光学的距離は、およそ以下のように規定される：
Ｄ１＝ｈ_１＊ｎ_１ ＋ ｈ_２＊［Ｆ＊ｎ_２ｈ＋（１−Ｆ）＊ｎ_２ｂ］ ＋ ｄ_２＊ｎ_ｇａｐ
式中、ｎ_ｇａｐは吸収性メンブレンと構造層との間に位置した空気または真空の層の指数であり、Ｆは上記に規定した単位体積当たりの充填率である。

上記に与えられた値では、Ｄ１＝４．４５μｍ≒λ_０が得られる。

発明の詳細な説明で説明した通り、この光学的距離は、構造層１３０の共振によって生じる狭い吸収ピークを除き、幅広いスペクトルバンドにわたって、λ_０近傍で実質的に吸収がゼロであることの原点である。

図２は図１Ａ及び１Ｂのボロメータ検出器のタイプのボロメータ検出器の吸収スペクトル２１、２２、２３を描写し、ボロメータ検出器は構造層１３０のピッチＰが異なるだけである。

ｘ軸はｎｍ単位の波長である。ｙ軸は正規化吸収率である。

予想通り、各スペクトルは、半分の高さでピークの幅が５０ｎｍ未満、例えば１０ｎｍの狭いピークを有し、吸収の谷は４．４５μｍ（＝Ｄ１）を中心としている。

吸収の谷は、半分の高さでピークの幅が１μｍ程度である（吸収の値における谷の幅は、吸収の谷のピーク−谷振幅の半分と等しい）。この吸収の谷は、第一近似として、導入部で記述した従来技術に係るボロメータ検出器の幅広いバンドの吸収ピークの補完に対応する。

動作中、ボロメータ検出器に入射する電磁放射２００は、この吸収の谷に含まれるスペクトル範囲を有する。例えば、この放射は幅広バンド源によって発振され、その発振バンドは吸収の谷に含まれる。変形例において、非常に幅広いバンド放射が発振され、その後、その透過バンドが吸収の谷内にあるスペクトルフィルタによってフィルタリングされる。

このように、ボロメータ検出器のピクセルは吸収ピークの波長において強度の変化を独自に検出し、近接する波長における吸収によって摂動を受けることがなく、それは実質的にゼロである。

吸収の谷に位置した狭いピークのおかげで、非常に高いスペクトル感度での検出がこのように得られる。

吸収スペクトル２１はＰ＝３７５０ｎｍに対応する。スペクトル２１の狭いピークは、４３５０ｎｍに等しい第一関心波長λ_０１を中心にしている。

光学的距離Ｄ１は、上に表現された条件を実際に検証し、特に：
Ｎ＝２で、Ｄ１＝Ｎ＊（λ_０１／２）−（λ_０１／２）＊４．６％である。

吸収スペクトル２２はＰ＝３９００ｎｍに対応する。スペクトル２２の狭いピークは、４４５０ｎｍに等しい第二関心波長λ_０２を中心にしている。

光学的距離Ｄ１は、上に表現された条件を実際に検証し、特に：
Ｎ＝２で、Ｄ１＝Ｎ＊（λ_０２／２）である。

吸収スペクトル２３はＰ＝４０５０ｎｍに対応する。スペクトル２３の狭いピークは、４５５０ｎｍに等しい第三関心波長λ_０３を中心にしている。

光学的距離Ｄ１は、上に表現された条件を実際に検証し、特に：
Ｎ＝２で、Ｄ１＝Ｎ＊（λ_０３／２）＋（λ_０３／２）＊４．４％である。

図２は、構造層１３０の特徴によって、狭い吸収ピークの特徴を適合させることが可能になるという事実を描写する。

特に、構造層を形成する共振ネットワークのピッチによって関心波長λ_０を規定することが可能になる。

従って、いくつかのピクセルを有するボロメータ検出器であって、いくつかのピクセルは本発明の特徴を有するが、全てが同一の関心波長と関連するわけではない、ボロメータ検出器を生産することができる。

特に、二つの隣接するピクセルは、各ピクセルが独自のスペクトルフィルタによって覆われることを必要とすることなく、それぞれ異なる関心波長に敏感であり得る。二つの異なるフィルタが隣接する二つのピクセル上に配置される場合に、フィルタのエッジでの光の回折にとりわけ起因して、クロストーク現象がこのように回避される。更に、本発明は、同時に二つの異なる波長を検出することを可能にする。

関心波長が異なる、異なるタイプのピクセルのアレイから構成され、基本パターンが各タイプのピクセルを少なくとも１つ備える周期的なレイアウトに従って広がる、ボロメータ検出器を生産することがとりわけ可能である。その後、このピクセルはピクセルのグループで広がり、各グループは基本パターンに対応する。

例えば、異なるタイプのピクセルはベイヤーアレイ（Ｂａｙｅｒ ａｒｒａｙ）に従って配置される。従って、必ずしも全てのタイプのピクセルが同数で存在する必要はなく、各タイプのピクセルの割合によって、特定の関心波長に多少の重みを与えることができるようになる。

これによってマルチスペクトル影像装置が生産され、複数のインターリーブされた画像を供給し、それぞれが特定の波長と関連し、組み合わされた画像は一緒にマルチスペクトル画像を形成する。そのような影像装置は夜の場面の画像を取得するのに適していることがある。

図２も、一つのピクセルから次までの関心波長の小さな変化について、光学的距離Ｄ１が１つのピクセルから次まで同じままでよいという事実を描写している。これらの小さな変化は、例えば３００ｎｍ未満、更には２００ｎｍ未満の変化である。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明に係るボロメータ検出器３００の第二実施形態を概略的に描写する。

図３Ａ及び３Ｂの参照番号は、図１Ａ及び１Ｂの参照番号に対応し、百の位の数字が３で置換されている。

ボロメータ検出器の第二実施形態は、構造層３３０が貫通孔のグリッドである点でのみ、第一実施形態と異なる。貫通孔はそれぞれ平面内（ｘＯｙ）に四角形の断面を有し、貫通孔は、ピッチＰの二次元の周期的なグリッドに係るこの面にわたって配置される。

単位長さ当たりの充填率は、ここでは０．２５と等しい。距離ｄ_２は、リフレクタ３２０と構造層３１０との間の光学的距離Ｄ１が常に４．４５μｍに等しいように調整される。

図４のグラフは図２のそれに対応する。

スペクトル４１は、ピッチＰ＝３４５０ｎｍに対応し、スペクトル４２は、ピッチＰ＝３６００ｎｍに対応し、スペクトル４３は、ピッチＰ＝３７５０ｎｍに対応する。

第一実施形態で得られた結果と同様の結果が得られ、狭いピークはいっそう薄い（半分の高さでピークの幅が僅か数ｎｍ、約５ｎｍ）。

図５Ａ〜５Ｃは本発明に係るボロメータ検出器の構造層の異なる変形例を描写する。

図５Ａでは、構造層は、四角形のグリッドに従って配置された、円形のベースを有する円筒状のパッドのネットワークから構成される。

単位長さ当たりの充填率は０．８５に等しく、距離Ｄ１は４．４５μｍに等しい。ピッチＰ＝３３００ｎｍ、Ｐ＝３４５０ｎｍ、及びＰ＝３６００ｎｍについて、半分の高さでのピークの幅が約５０ｎｍと幅広であることを除いて、図２のスペクトルのタイプの吸収スペクトルが得られた。

図５Ｂにおいて、構造層は貫通孔のグリッドからなる。貫通孔はそれぞれ平面内（ｘＯｙ）に円形の断面を有し、貫通孔は二次元の周期的なグリッドに係る面にわたって配置される。

単位長さ当たりの充填率は０．２５と等しく、距離Ｄ１は４．４５μｍと等しい。ピッチＰ＝３４５０ｎｍ、Ｐ＝３６００ｎｍ、及びＰ＝３７５０ｎｍについて、図３のスペクトルのタイプの吸収スペクトルが得られた。

図５Ｃにおいて、構造層は図１Ｂに描写されたタイプの、四角形のベースを有するパッドのネットワークから構成され、パッドは狭いブリッジによって二つずつ接続されている。

パッドは（Ｏｘ）に平行な行に沿って、そして（Ｏｘ）に平行な列に沿って配置される。それぞれの狭いブリッジは、二つの隣接するパッドの中心を接続する軸に沿って、（Ｏｘ）または（Ｏｙ）に平行に延在する。それぞれのパッドは、下に、上に、右に、そして左に位置した隣接するパッドに接続される（この隣りが存在する場合）。

狭い吸収ピークは構造層の特徴に依存する。上記に詳述した通り、ネットワークのピッチによって関心波長（ピークの中心波長）を調整することが可能となる。他のパラメータによっても、関心波長及び／またはピークのスペクトル幅を調整することが可能となる。これらのパラメータは、とりわけ、単位長さまたは単位体積当たりの充填率、パッドの断面、構造層の厚さ、パッドの形状等である。これらのパラメータは構造層によって形成されたネットワークの基本パターンの形状の特徴である。

例えば、円形のペースを有するパッドのネットワークは、四角形のペースを有するパッドのネットワークよりもスペクトル幅が大きな吸収ピークを有する。同様に、パッドのネットワークの単位長さ当たりの充填率によって、吸収ピークのスペクトル幅を調節することが可能になる。

図６は本発明に係るボロメータ検出器６００の第三実施形態を概略的に描写する。

図６の参照番号は図３Ａの参照番号に対応し、百の位の数字が６で置換されている。

ボロメータ検出器の第三実施形態は、構造層６３０が、リフレクタと直接物理的に接触することなくリフレクタ上に吊るされている点でのみ、第二実施形態と異なる。

構造層６３０を吊るされた状態で維持するために、ピラー６４１が構造層６３０及びリフレクタ６２０の間に配置される。

構造層６３０及びリフレクタ６２０は、それから空気または真空の層によって、高さｈ_１’だけ分離され、ここではｈ_１’＝６２０ｎｍである。

構造層が貫通孔のグリッドによって、または狭いブリッジによって一緒に接続されたパッドによって、または二つの織りあわされた単一材料のネットワークであって、各ネットワークが固体材料からなるネットワークによって形成される場合に、この実施形態は適している。

この実施形態は、構造層６３０の生産後に除去される犠牲層によって得られる。

それによって構造層のどちらの側にも対称性が確立され（それぞれの側に同じ材料）、関心波長において全吸収を得ることが可能になる。

図７は、本発明に係るボロメータ検出器７００の第四実施形態を概略的に描写する。

図７の参照番号は図３Ａの参照番号に対応し、百の位の数字が７で置換されている。

ボロメータ検出器の第四実施形態は、構造層７３０が低指数層７５０と呼ばれる非金属性層によって覆われているという点でのみ、第二実施形態と異なる。

この低指数層は構造層７３０と直接物理的に接触し、空気または真空の層によって吸収メンブレン７１０から分離される。

この低指数層７５０は、ｎ_３＜ｎ_２ｈの光学指数を有し、好ましくはｎ_２ｈ−ｎ_３＞０．５であり、更にはｎ_２ｈ−ｎ_３＞１である。

好ましくは、低指数層は中間層７４０と同じ材料で構成される。

それは中間層７４０と同じ厚さを更に有し得る。

低指数層７５０によって、固体材料からなる中間層上に構造層が堆積された場合に、構造層のどちらの側も対称を保つことが可能になる（それぞれの側に同じ材料）。そのような対称性によって、関心波長における全吸収を得ることが可能となる。

低指数層７５０によって構造層７３０を保護することも可能となる。

構造層が二つの織りあわされた単一材料のネットワークから構成され、各ネットワークが固体材料から構成される場合、それは特に適している。

それは真空又は空気の光学指数よりも大きな光学指数を有し、それによって、必要であれば、リフレクタ７２０と吸収メンブレン７１０との間の同一の光学的距離Ｄ１について、本発明に係るボロメータ検出器の合計の高さを減らすことが可能となる。

この低指数層の別の利点が以降に詳述される。

図８Ａ及び８Ｂは、本発明に係るボロメータ検出器の構造層の二つの別の変形例を描写する。

図８Ａでは、構造層８３０Ａは、単一方向にそって周期的な共振ネットワークを形成する。それはハッチングタイプのネットワークのネットワークである。

この変形例は、検出する電磁放射が偏光、特に直線偏光している場合に適している。

図８Ｂにおいて、構造層８３０Ｂは疑似周期的共振ネットワークを形成する。

疑似周期的ネットワークは、基本パターンが互いに対して僅かに変化する周期的ネットワークである。

それは、基本パターンの形状の変化、例えばパターンの合計幅の変化（ネットワークのピッチ）、単位長さまたは単位体積当たりの充填率の変化（例えばパッドの幅の変化）、及び／またはパッド若しくはグリッドを横断する穴の形状の変化を含む。

これらの変化は限られている。特に、基本パターンの平均形状に対する各基本パターンのカバー率は、９０％〜９９％に含まれ、更には９５％〜９９％に含まれる。

図８Ｂに描かれた例では、パッドは実質的に四角形のグリッドに従って配置されており、軸（Ｏｙ）に沿った二つのパッドの間の間隔は、パッドごとに僅かに変化している。（Ｏｙ）に沿ったネットワークピッチは、（Ｏｙ）に沿った平均ネットワークピッチに対して１％〜１０％に含まれる変化を有する。図の見やすさの理由のために、図８Ｂにおいて差が誇張されている。

図８Ｂにおいて、構造層は二次元に沿って疑似周期的ネットワークを形成する。

変形例において、構造層は（ハッチングごとに僅かな変化を有するハッチングタイプのネットワークの）一次元に沿って疑似周期的ネットワークを形成し得る。

疑似周期的ネットワークにおいて、吸収ピークは、例えば平均ネットワークピッチ、単位長さ当たりまたは単位体積当たりの平均充填率、パッドの平均形状等の、基本パターンの平均パラメータの関数である。

この吸収ピークは、基本パターン毎の、これらの平均パラメータについての標準偏差の関数でもある。この標準偏差が大きくなる程、吸収ピークはより幅広のスペクトル幅を有する。

例えば、平均ネットワークピッチによって関心波長を、そしてネットワークピッチについての標準偏差によって吸収ピークのスペクトル幅を、基本パターン毎に固定することが可能である。

従って、本発明に係る構造層は、（二次の周期性を有する）二つの次元に沿った周期的若しくは疑似周期的ネットワーク、または（一時の周期性を有する）一つの次元に沿った周期的若しくは疑似周期的ネットワークを形成し得る。

図９は、本発明に係るボロメータ検出器９００の第五実施形態の二つのピクセルを概略的に描写する。

各ピクセルは、第四実施形態のピクセルに対するその違いのためにのみ記述される。

図９の参照番号は図７の参照番号に対応し、百の位の数字が９で置換されている。

示された二つのピクセルは、複数のピクセルから構成されたマトリクスボロメータ検出器の二つのピクセルである。

このピクセルは、同一の基板９２１、同一のリフレクタ９２０、及び同一の中間層９４０を共有し、それぞれは、ピクセルのアレイの全範囲上に単一部品で形成されている。

変形例では、各ピクセルは異なるリフレクタを備える。

各ピクセルは、それぞれ、それ自身の吸収メンブレン９１０_１、９１０_２を有し、それ自身の構造層９３０_１、９３０_２をそれぞれ有する。

各構造層はそれぞれ、単位長さ当たりの充填率がそれぞれＬ_１／Ｐ、Ｌ_２／Ｐの共振ネットワークを形成する。

従って、二つの隣接するピクセルはそれぞれ、異なる関心波長λ_０１、λ_０２をそれぞれ検出するのに適している。

各構造層９３０_１、９３０_２はそれぞれ、対応する低指数層９５０_１、９５０_２で覆われている。

各低指数層のそれぞれの厚さｈ_３１、ｈ_３２は、各ピクセルにおいてリフレクタと吸収メンブレンの光学的距離が関心波長の半分の倍数と実質的に等しいように適合される。

特に、ｈ_３１は、左側のピクセルのこの光学的距離がλ_０１／２の倍数と実質的に等しいように適合され、ｈ_３２は、右側のピクセルのこの光学的距離がλ_０２／２の倍数と実質的に等しいように適合される。

このように低指数層はマルチスペクトルボロメータ検出器において、全ての吸収メンブレンが同一面内に位置し、全てのリフレクタが同一面内に位置し、各ピクセルにおいてリフレクタと吸収メンブレンとの光学的距離がこのピクセルに関連した関心波長に調整されることを可能にする。

この実施形態は、同じボロメータ検出器の複数のピクセルが２００ｎｍ超、更には３００ｎｍ超だけ異なる波長と関連する場合に特に適している。

本発明に係るボロメータ検出器は、検出器の各ピクセルがあるガス種に特有のスペクトル範囲にわたってのみ敏感であることを可能にしつつ、ガスの検出に特段の関心を有する（赤外での分光）。これによって優れた信号対ノイズ比を有するガスセンサを生産することができる。

図１０は、ガスが入ることを可能にするための開口１００２とともに提供された空洞１００１を備えるガスセンサ１０００を描写する。

黒体タイプの赤外線源１００３は、この空洞内で電磁放射２００を発振する。この線源は、特にその温度の関数である波長で赤外線放射を発振するので、黒体タイプと呼ばれる。特に、この線源は３μｍ〜５μｍの範囲のスペクトルバンドにわたって幅広いバンド放射を発振する。変形例では、それは８μｍ〜１２μｍの範囲のスペクトルバンドにわたって放射を発振する。例えば１μｍのスペクトル幅の狭いスペクトルバンドを選択するために、線源の出口にフィルタが配され得る。

本発明に係るボロメータ検出器１１００は、空洞内部に、赤外線源と面して配される。

空洞内で発された幅広いバンド放射のスペクトル範囲は、ボロメータ検出器の吸収の谷のスペクトル範囲に対応する。

赤外線源によって発振された電磁放射２００が、ガスで充填された空洞を横断する。

ガスは、半分の高さでピークの幅が一般に３００ｎｍ未満の狭いスペクトルバンドで吸収する。上記スペクトルバンドはガスの特徴である。従って、空洞１００１内で吸収されたスペクトルバンドを同定することによって、空洞内に存在する一以上のガスを同定することができる。

ボロメータ検出器は幾つかのピクセルを備え、それぞれが、異なる関心波長を中心とした吸収ピークに関連する。各関心波長は、ガスに特有の吸収の中心波長に対応する。

本発明に係るボロメータ検出器の高いスペクトル感度のおかげで、ガスは非常に信頼できる方法で同定され得り、相対的な信号の変化を測定することによって空洞１００１内部のガス濃度を精確な方法で決定することができる。

実質的にゼロ吸収領域に位置した狭い吸収ピークのおかげで、ボロメータ検出器のピクセルはガスの吸収スペクトルバンドでのみ吸収し、線源によって発振されてガスに吸収されなかった全ての波長による連続的なバックグラウンドを吸収しない。従って、このガスの濃度の関数としての信号の相対的な変化は、従来技術に係るボロメータよりもずっと強くなる。

またこの発明は、この発明が複数のガスの同時検出を可能にすることに特段の関心を有する。そうするために、ボロメータ検出器は幾つかのピクセル（またはピクセルのグループ）を有して生産され、それぞれが、ガスの一つにそれぞれ敏感である。従って、異なる濃度の異なるガスを簡単に検出することができる。従来技術のボロメータは、全てのガスに同時に敏感であり、ガスの濃度の異なる組み合わせがボロメータに同じ信号を与えるので、それぞれのガスの濃度に戻って機能することができない。

例えば影像装置、特に夜の光景の影像装置など、他の有利な使用が実行され得る。

Claims (14)

1. 少なくとも一つのピクセルを有するボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）であって、各ピクセルが、
   −入射電磁放射（２００）を熱に変換するのに適した吸収メンブレン（１１０；３１０；６１０；７１０；９１０_１；９１０_２）と、
   −前記吸収メンブレンに、そこを通過した前記入射電磁放射の一部を反射するように設計された、リフレクタ（１２０；３２０；６２０；７２０；９２０）と、を備え、
   −少なくとも一つのピクセルが、前記吸収メンブレンと前記リフレクタとの間に位置し、前記吸収メンブレンから断熱され、関心波長λ_０と呼ばれる波長で共振するネットワークを形成するために前記吸収メンブレンと平行な面内に第一光学指数と第二光学指数との間の一連の指数ジャンプを有する、構造層（１３０；３３０；６３０；７３０；９３０_１；９３０_２）と呼ばれる非金属性層を更に備え、
   −前記ネットワークの平均ピッチ（Ｐ）が、前記関心波長未満であり、
   −前記吸収メンブレンと前記リフレクタとの間の光学的距離が、λ_０／２の倍数と実質的に等しいことを特徴とする、ボロメータ検出器。
2. 前記第一光学指数と前記第二光学指数との差が、０．５より大きいことを特徴とする、請求項１に記載のボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）。
3. 前記ネットワークの平均ピッチ（Ｐ）が、λ_０／２とλ_０との間に含まれ、λ_０は前記関心波長であることを特徴とする、請求項１または２に記載のボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）。
4. 前記共振ネットワークが周期的ネットワークであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）。
5. 前記共振ネットワーク（８３０Ｂ）が、基本パターンの平均形状に対するカバー率が９０％と９９％の間に含まれるように基本パターンの形状の変化を有する、疑似周期的ネットワークであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のボロメータ検出器。
6. 前記共振ネットワークが、前記吸収メンブレンと平行な面の二つの次元に沿って配置された指数ジャンプを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）。
7. 前記共振ネットワーク（８３０Ａ）が、前記吸収メンブレンと平行な面の単一次元に沿って配置された指数ジャンプを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のボロメータ検出器。
8. それぞれの指数ジャンプが第一材料と第二材料との界面で構成され、前記材料の一つが真空または空気等のガスであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）。
9. 前記構造層と前記吸収メンブレンとの間のギャップ（ｄ_２）がλ_０／２未満であり、λ_０は前記関心波長であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）。
10. 前記構造層（７３０；９３０_１；９３０_２）が、低指数層（７５０；９５０_１；９５０_２）と呼ばれ、前記吸収メンブレンから空間をあけて分離された非金属性層で覆われていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（７００；９００）。
11. 複数のピクセルを有し、少なくとも二つのピクセルは、それらが異なった関心波長の検出に適しているように、それらの基本パターンの平均形状が異なることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（１００；３００；６００；７００；９００；１１００）。
12. それぞれのピクセルが、このピクセルと関連した前記構造層を覆い、対応する前記吸収メンブレンから空間をあけて分離された低指数層（９５０_１；９５０_２）を有し、前記低指数層（９５０_１；９５０_２）はそれぞれ異なる厚さを有するピクセルと関連づけられることを特徴とする、請求項１１に記載のボロメータ検出器（９００）。
13. 中間の非金属性層（１４０；３４０；７４０；９４０）が、前記リフレクタと前記構造メンブレンとの間に延在することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（１００；３００；７００；９００；１１００）。
14. 空洞（１００１）の内部で電磁放射（２００）を発振するように設計された赤外線源（１００３）を備え、前記空洞が、請求項１から１３のいずれか一項に記載のボロメータ検出器（１１００）を含むことを特徴とする、ガスセンサ（１０００）。

Images