JP4448931B2 - スイッチを備えたアンテナを有するボロメータ検出器、及び、同ボロメータ検出器を備えたイメージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を集めるように設計され、電磁波の電力を発熱量に変換する抵抗型負荷により拡張された少なくとも一つのレシーバアンテナを備えているボロメータ検出器に関し、上記抵抗型負荷は、発生した発熱量に関連する温度上昇を検出する温度測定素子に接触しており、上記検出器は変調手段も備えている。

アンテナに基づくボロメータ検出器は、一般に、ミリメートル未満及びミリメートルの波長を受動的に検出することができるカメラ又はイメージシステムを実現するために使用される。この範囲の波長によって、暗闇、霧、雨又は煙中等の困難な状況下で物体を検出することが可能になる。例えば、仏国特許第２，７８８，１２９号明細書には、アンテナがミリメートル電磁波を検出するときに発熱量を形成する抵抗型負荷を備えているアンテナを有するボロメータ検出器が記載されており、抵抗型負荷は、アンテナの負荷抵抗器である。

この種類の検出器は、一般に、温度上昇を測定するように設計された温度測定素子の出力により大きな低周波数ノイズを生成する。生成された低周波数ノイズは、入射波における吸収変調を加えることによって制限することができる。検出された電気信号は、次いで、より高い周波数に変換され、これは、温度測定素子及び検出器からダウンラインに位置するシステム、例えば電子処理回路等を、ノイズの少ない周波数範囲において動作させるという結果をもたらす。

この変調を達成するために、イメージシステムの検出器により吸収された入射波を変調することができるチョッパを使用することが知られている。チョッパは、周期的な開口を有するホイールによって形成され、ホイールは、回転周波数が検出器の応答から変換された周波数であるモータによって駆動され、このように低周波数ノイズを制限する。しかしながら、これは、機械的振動を生成する、かさばる、モータの回転速度を変動させる等の多くの欠点を呈する。

本発明の目的は、低周波数ノイズを制限するように変調することができるアンテナに基づくボロメータ検出器を提供することであり、変調手段は小型で信頼できるものであり、振動のないものでなければならない。

本発明によると、この目的は、変調手段がアンテナと抵抗型負荷との間に位置するスイッチを備え、制御装置が予め設定されたスイッチング周波数においてスイッチを周期的に開閉させるという事実によって達成される。

本発明の発展によると、制御装置は、熱スイッチング手段を備えている。

本発明の別の特徴によると、熱スイッチング手段は、バイメタル効果熱アクチュエータを具備する。

好適な実施の形態によると、基板上に実現されたスイッチは、二つの端部を経由して基板に取り付けられ、基板に対して自然に凸状である変形可能素子と、変形可能素子上に位置し、スイッチが閉じているときにアンテナと抵抗型負荷との間に電気的に接触するように設計された導電スタッドとを備え、アンテナ及び抵抗型負荷は、上記基板上に実現される。

本発明のさらなる目的は、少なくとも一つのそのようなボロメータ検出器を備えているイメージ装置を提供することである。

ボロメータ検出器は、半導体分野に使用される技術によって達成される。これは、好ましくは、シリコン製の基板上に実現される。

他の利点及び特徴は、非限定的な例としてのみ与えられ、添付の図面に示される本発明の特定の実施の形態についての下記の説明からより明瞭に理解できるものとなる。

図１において、アンテナを備えたボロメータ検出器１は、点線によって表されており、電磁波を集めるように設計された少なくとも一つの平らな金属製レシーバアンテナを備えており、従って、検出された電磁力に対応する電気信号を形成する。アンテナ２は、電磁力を発熱量に変換する抵抗型負荷３に接続されている。アンテナ２から抵抗型負荷３へ流れる電流は、抵抗型負荷によって発せられる発熱量に対応するジュール効果によって、抵抗型負荷３の温度上昇を形成する。

抵抗型負荷３は温度測定素子４に接触し、発熱量が温度測定素子４に拡散することも可能にする。温度測定素子４は、好ましくはダイオードによって形成され、熱上昇による温度上昇を電流又は電圧の変動に変換するように設計される。従って、電磁波が検出されない場合には、基準電流が温度測定素子４を通過して流れ、基準電流は熱がないときには温度測定素子４の温度に対応する。

電磁波が検出されるときには、温度測定素子４は加熱され、それを通過して流れる電流は基準電流とは異なったものとなる。温度測定素子４に接続された電子処理回路５は、温度測定素子４を通過して流れる電流の変動、及び、従って温度測定素子４の熱上昇による温度変動を、検出し分析する。

ボロメータ検出器１は、アンテナ２と抵抗型負荷３との間に配設されたスイッチ６を備えている。制御手段は、予め設定されたスイッチング周波数においてスイッチ６を周期的に開閉させる。スイッチが閉じているときには、検出された電磁波によって生成された電流は、アンテナから抵抗型負荷へ流れる。制御手段は、いずれの公知の種類のものであってもよく、スイッチ手段を備えており、これは、例えば、静電気、熱又は電磁気であってもよく、且つ、電子処理回路５によって制御される（図１）。

スイッチ６を周期的に開閉することによって、電子処理回路５等の検出器からダウンラインに位置する装置によって受け取られる低周波数ノイズを制限するように、抵抗型負荷３へ伝達される電気信号を振幅に変調することを可能にする。スイッチのスイッチング周波数は、検出器による熱カットオフ周波数よりも低い。検出器の熱カットオフ周波数よりも高い周波数で発生する熱変動は、事実上、検出することができない。熱カットオフ周波数は比率Ｃ／Ｒに等しく、ここで、Ｃは温度測定素子の加熱容量であり、Ｒは抵抗型負荷の熱抵抗である。スイッチ６のスイッチング周波数は、好ましくは、数十から数百ヘルツ程度である。

図２に示される特定の実施の形態によると、シリコン基板（図２では図示せず）上に実現されたボロメータ検出器１は、図２では三角形である第１及び第２のレシーバアンテナ２ａ及び２ｂに対応する二つの対向する平坦な金属製素子を備えている。それらは、対称軸ｓ１に沿って、中空中央部分８の各側に配設される。

好ましくは金属から作製され、検出器の抵抗型負荷を構成する梁の形態のアーム１０は、軸ｓ１に沿って中空中央部分８上に懸架される。これは、第１のアンテナ２ａに直接接続された第１の端部と、スイッチ６によって第２のアンテナ２ｂに接続された第２の端部と、を備えている。電極７は、スイッチ６を電子処理回路５に接続し、これがスイッチ６を周期的に開閉させ、アンテナによって生成される電気信号を、それが抵抗型負荷へ入力される前に変調されるようにする。

ダイオード９は、中空中央部分８上でアーム１０に装着され、アーム１０によって構成される抵抗型負荷に熱接触する。従って、アーム１０が検出された波動に対応する電気信号を受け取るときに、これは加熱され、この熱上昇がダイオード９に伝達され、ダイオード９内に電流又は電圧の変動を発生させる。ダイオード９は、端子１１に接続されて、これを電子処理回路５に接続し、これが、熱上昇によって生成される電流又は電圧の変動を測定し分析する。

図３において、ボロメータ検出器１は、二つの部分１２ａ及び１２ｂに分割されたシリコン基板１２上に実現され、両部分は、レシーバアンテナを支持するように設計される。二つの部分１２ａ及び１２ｂは、中空中央部分８によって分離される。第１の部分１２ａは、酸化シリコンの第１の層１３によって全体的に覆われ、それ自体がエピタキシャルシリコンの第２の層１４によって覆われ、第１のアンテナ２ａは第２の層１４上に配設される。基板の第２の部分１２ｂは、第１の層１３及び第２の層１４によって覆われ、キャビティ１５が形成され、スイッチ６が配設される。第２のアンテナ２ｂは、第２の層１４上に配設され、スイッチ６に隣接する。スイッチ６は、従って、第２のアンテナ２ｂと中空中央部分８との間に配設される。

基板の二つの部分１２ａ及び１２ｂは、梁を形成するアーム１０によって接続され、中空中央部分８上にダイオード９を支持する。アーム１０の第１の自由端は、基板の第１の部分１２ａの第２の層１４と第１のアンテナ２ａとの間に配置され、一方、アーム１０の第２の自由端は、キャビティ１５の底部に位置するスイッチ６の第１の接続端子１８ａに接続される。第２のアンテナ２ｂも、キャビティ１５の底部に位置するスイッチ６の第２の接続端子１８ｂに接続され、そのため、第１及び第２の接続端子１８ａ及び１８ｂは、予め設定された幅の空間によって分離される。

スイッチ６は、二つの端部を経由して第１の層１３に取り付けられる変形可能素子１６を備えていることが好ましい。変形可能素子は、基板１２の平面に対して自然に凸状である。導電スタッド１７が、キャビティ１５と同一側の、変形可能素子１６の凸状部分に設けられている。スイッチング手段は、変形可能素子１６が自然な凸状形状に対応する第１の状態（図４）から第２の状態（図５）へ周期的に切り換わることを可能にする。変形可能素子１６の第２の状態は、導電スタッド１７が、接続端子１８ａと１８ｂとの間に電気的接触を形成することを可能にし、従って、第２のアンテナ２ｂと金属アーム１０との間に電気的接触を形成することを可能にする。接続端子１８ａと１８ｂとの間に構成される空間は、スタッド１７の幅より小さいか又はそれに等しい。

スイッチのスイッチングは、いずれの公知の種類の手段によっても達成することができる。バイメタル効果熱アクチュエータ、例えば仏国特許第２，８１８，７９５号明細書及び仏国特許第２，７７２，５１２号明細書に記載されたバイメタル効果熱アクチュエータを備えたマイクロ装置等は、例えば、スイッチを周期的に開閉させるように使用されることが可能である。図２において、電極７は、加熱素子を構成するコイルによって形成されている。

別の実施の形態によると、変形可能素子１６は磁性材料から作製され、コイルが基板１２上に配設され、電磁スイッチング手段によってスイッチの周期的な開閉を発生させるようにする。

別の代替実施形態において、スタッド１７は、第２のアンテナ２ｂの一部によって静電気的に引きつけられ得る。

上述の種類のスイッチを使用することによって、抵抗型負荷へ伝送される電気信号を変調することが可能になり、一方、同時に、ボロメータ検出器に統合されるという利点をもたらし、従って、それにより占有される容量を小さくすることができる。この種類のスイッチは機械的ではないため、検出器の操作を阻害する如何なる種類の振動をも発生させず、非常に信頼することができる。

スイッチは、ピクセルに固有な非常に低い周波数ノイズを制限することができ、オフセット電圧変動の調節を行うことができる。従って、この変動を排除するために光学シールドスクリーンを使用する必要はなく、これは、内蔵機械システムを排除するという利点をもたらす。

上述されたような、少なくとも一つのボロメータ検出器を備えているイメージ装置は、困難な状況下で物体を検出するという利点を有する一方、検出器によって生成される低周波数ノイズを制限する。イメージ装置は、ボロメータ検出器のマトリクスを備えたものとすることもできる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではない。数種類のボロメータ検出器を、それぞれのダイオードを並列に接続する方法で配置することができ、従って、イメージ装置において使用される検出器のマトリクスを形成することは、検出される波長の範囲を拡大することを可能にする。

本発明に係る検出器を示すブロック図である。 本発明に係る検出器の特定の実施の形態を示す図である。 本発明に係る検出器の断面図である。 図３に示す検出器のスイッチが開いているときの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 図３に示す検出器のスイッチが閉じているときの線Ａ−Ａに沿った断面図である。

符号の説明

１ ボロメータ検出器
２ アンテナ
２ａ 第１のアンテナ
２ｂ 第２のアンテナ
３ 抵抗型負荷
４ 温度測定素子
５ 電子処理回路
６ スイッチ
７ 電極
８ 中空中央部分
９ ダイオード
１０ アーム
１１ 端子
１２ シリコン基板
１２ａ 第１の部分
１２ｂ 第２の部分
１３ 第１の層
１４ 第２の層
１５ キャビティ
１６ 変形可能素子
１７ 導電スタッド
１８ａ 第１の接続端子
１８ｂ 第２の接続端子

Claims (11)

1. 電磁波を集めるように設計され、前記電磁波のエネルギーを発熱量に変換する抵抗型負荷により延在された少なくとも一つのレシーバアンテナを備えているボロメータ検出器であって、前記抵抗型負荷は、発生した発熱量に関連する温度上昇を検出する温度測定素子に接触しており、前記ボロメータ検出器は、前記レシーバアンテナから前記抵抗型負荷に送信される電気信号を変調する変調手段も備えている検出器において、前記変調手段は、前記レシーバアンテナと前記抵抗型負荷との間に位置するスイッチを備え、制御手段が予め設定されたスイッチング周波数において前記スイッチを周期的に開閉させ、
   前記スイッチが開いているときは、前記抵抗型負荷の一端はフローティング状態であることを特徴とするボロメータ検出器。
2. 前記制御手段は、静電気スイッチング手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ検出器。
3. 前記制御手段は、熱スイッチング手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ検出器。
4. 前記熱スイッチング手段は、バイメタル効果熱アクチュエータを備えていることを特徴とする請求項３に記載のボロメータ検出器。
5. 前記制御手段は、電磁スイッチング手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ検出器。
6. 基板上に実現された前記スイッチは、二つの端部を経由して前記基板に取り付けられて前記基板に対して自然に凸状である変形可能素子と、前記変形可能素子上に設けられ、前記スイッチが閉じているときに前記レシーバアンテナと前記抵抗型負荷との間に電気的に接触するように設計された導電スタッドとを備え、前記レシーバアンテナ及び前記抵抗型負荷は、前記基板上に実現されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のボロメータ検出器。
7. 前記電磁スイッチング手段は、前記基板上に配設されたコイルを備えていることを特徴とする請求項５に記載のボロメータ検出器。
8. 前記スイッチング周波数は、前記ボロメータ検出器の熱カットオフ周波数よりも低いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のボロメータ検出器。
9. 前記温度測定素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のボロメータ検出器。
10. 少なくとも一つのボロメータ検出器を備えているイメージ装置であって、前記ボロメータ検出器は、請求項１乃至９のいずれかに記載の検出器であることを特徴とするイメージ装置。
11. ボロメータ検出器のマトリクスを備えていることを特徴とする請求項１０に記載のイメージ装置。

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