JP6180839B2 - テラヘルツ領域での電磁放射のボロメータ検出器およびそのような検出器を含むアレイ検出装置 - Google Patents

Description

本開示は、テラヘルツ領域での電磁放射の検出を目的とする、アンテナを備えたボロメータ検出器の分野に関する。

テラヘルツ領域での、すなわち、約１００ギガヘルツから約１０テラヘルツの間に含まれる周波数範囲での検出について、本発明の限定されない応用は、次のことに関連する。
・医療診断であって、テラヘルツ領域での検出が、Ｘ線または超音波のどちらによっても提供されない、解剖学的構造詳細およびその中で生じる化学反応へのアクセスを提供する。
・軍事分野および航空安全保障であって、例えば、識別を可能にする対ステルスレーダーまたは高分解能レーダーの形成をともなう。
・大気汚染の調査および検出であって、サブミリ波観測が、大気化学に関連する重要な情報を効果的に提供し、従って例えば遠赤外線で強い吸収ストライプを有するので従来技術によって容易に検出できない三酸化窒素などの大気汚染物質の比類なき追跡を可能にする。
・化学種の識別であって、例えば、ある爆発物および毒性産物、果物の熟成から生じるある化合物または工業用燃焼から生じるある化合物もまたなどの多くの複雑な化学成分が、テラヘルツ領域で確実に検出できる十分に一義的な識別特徴を有する。
・分子または原子現象の分析であって、テラヘルツ分光法が、光励起、光解離、および溶媒和などのメカニズムに関連する新しい情報を得ることを可能にする。分子間相互作用（例えば、分子または水素結合の振動状態）の分析、凝縮相系の分析、ペプチドおよびタンパク質などの巨大分子での動的プロセスの分析、またはテラヘルツ放射に基づく技法を使ったポリマーの配向の観測もまた同じである。
・例えばそれらの移動度、超高速キャリアの動力学、およびキャリア−フォノン相互作用を非破壊決定するための半導体、超伝導体（ｓｕｐｒａｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ポリマー、セラミック、有機材料、ならびに多孔質材料などの材料の特性の調査。さらに、テラヘルツ領域では、プラスチック、紙および布地などの材料は、透明であり、金属は、完全反射体であり、水は、高い吸収能を有する。それ故に、この領域での検出は特に、例えば包装した製品の検査にまたは製造プロセスのリアルタイムその場制御に適している。
・広帯域通信であって、地上レベルでならびに衛星間での、常により高いデータ速度のための競争が、今では数百ギガヘルツに達し、もうすぐ数テラヘルツに達する周波数で動作するシステムの開発を引き起こす。

抵抗ボロメータ検出器は通常、赤外線領域での入射放射のパワーを測定する。このために、抵抗ボロメータ検出器は、光の流れを熱の流れに変換する吸収抵抗ボロメータ素子を含み、その熱の流れは、基準温度に対して前記素子の温度上昇を引き起こす。そのような温度増加は次いで、吸収素子の電気抵抗の変化を引き起こし、吸収素子を横切る電圧または電流の変化を引き起こす。そのような電気的変化は、センサーによって配送される信号を形成する。

しかしながら、ボロメータ素子の温度は通常、その環境に、特に電子読出し回路を含む基板の温度に大きく依存する。その環境からの吸収素子の感度をできる限り抑制し、従って検出器感度を高めるために、ボロメータ素子は一般に、基板から熱的に絶縁される。

図１は、この断熱原理を例示する赤外線検出のための基本的な最新技術の抵抗ボロメータ検出器１０の簡略化した斜視図である。通常「ボロメータ」と呼ばれ、ここでは懸架された膜の形での、そのような基本的検出器は従来、基本的検出器の一次元または二次元アレイの一部である。

ボロメータ１０は、２つの導電性固定ネイル１６を介して基板−支持部１４の上に懸架された、入射放射を吸収する薄い膜１２を含み、その膜は、２つの断熱アーム１８によってそのネイルに固定される。膜１２は通常、膜１２の機械的剛性を確保する、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＺｎＳまたはその他などの電気絶縁層、ならびにその絶縁層上に堆積された金属の電気相互接続層を含む。

抵抗測温材料の薄層２０がさらに、金属相互接続層上の膜１２の中央に堆積され、特に軽いもしくは強い抵抗性で、ｐもしくはｎ型のポリシリコンもしくはアモルファスシリコン、または半導体相で合成された酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５、ＶＯ_２）などの半導体材料の層が、堆積される。

最後に、基板−支持部１４は、通常「読出し回路」として周知の、シリコンウェハー上に統合された電子回路を含む。読出し回路は、一方では、測温素子２０を刺激し、読み出すための素子を含み、他方では、アレイ検出器に存在する異なる測温素子から生じる信号を直列化することを可能にする多重化部品を含む。

動作時には、膜１２は、入射電磁放射の影響下で熱くなり、発生した熱パワーは、測温材料層２０に伝達される。周期的に、基板１４に配置された読出し回路は、ネイル１６にバイアス電圧を印加することによって膜１２にバイアスをかけ、測温素子２０を通って流れる電流を集めて、その抵抗の変化を、従って前記変化を引き起こした入射放射を推定する。

そのような検出器の構造および動作は、従来通りであることから、それらは、簡潔さのために、さらに詳細に説明されない。しかしながら、膜１２は、断熱機能に加えて、３つの主な機能、すなわち、放射を受け取るためのアンテナ機能、受け取った電磁パワーを熱パワーに変換する機能、および発生した熱パワーを測温測定する機能を果たすことに留意すべきである。膜がアンテナとして使用されるとき、膜１２の寸法はそれに応じて、測定しようとする放射の波長と同じ程度の大きさであるように選択される。

現在、テラヘルツ領域では、波長は、１ミリメートルに達することもあり、従って、そのことは、同じ程度の大きさの膜を必要とする。しかしながら、そのような寸法については、膜の熱質量、機械的保持、および放射損失が、結局は検出器効率に悪影響を及ぼすほどに問題である。

それによって、そのような周波数範囲については、放射受取り機能は、他の機能から切り離される。それ故に、受取り機能は、平面アンテナによって行われ、電磁パワーを熱パワーに変換する機能は、アンテナの抵抗負荷によって確保される。抵抗負荷の寸法は従来、最適変換を得るために、アンテナの形状およびアンテナを支持する層の性質に依存するインピーダンス整合条件を満たす。抵抗負荷はさらに、発生した熱パワーの測定のために測温部品と熱的に接触している。アセンブリはその結果、アンテナを備えたボロメータを形成する。

そのような構成では、測温素子は、アンテナから独立しており、そのサイズはもはや、入射波長に依存せず、むしろ目標とされる応用、例えばアクティブイメージングまたはパッシブイメージングの要件に従って、検出器の固有性能（感度、信号対雑音比など）を決定する要因に依存する。

さらに、ほとんどの場合、入射電磁放射は、偏向しておらず、その結果単一アンテナによるその受取りは、電磁パワーをすべて獲得することができない。しかしながら、非偏向放射は、２つの直交方向に線形に偏向した２つの成分の重ね合わせと考えられてもよく、これらの成分のそれぞれは、波エネルギーの半分を輸送する。それ自体周知のように、入射電磁放射を獲得するための効率的な方法は、２つの交差したボウタイ型アンテナを使用することである。ボウタイ型アンテナは、例えば、Ｒ． ＰＥＲＥＺの論文、「Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａ ｌ’ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅｏｒｉｑｕｅ ｅｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅ ｄｅ ｒａｄａｒｇｒａｍｍｅｓ ＧＰＲ： ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｄｅｓ ａｎｔｅｎｎｅｓ： ａｐｐｏｒｔｓ ｄ’ｕｎｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｓｔａｔｉｑｕｅ」、博士論文、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ ｄｅ Ｌｉｍｏｇｅｓ、２００５年で論じられ、それは、次のサイト、
http://www.unilim.fr/theses/2005/sciences/2005limo0053/perez_r.pdf
で閲覧できる。

文書米国特許第６３２９６５５号は、ミリメートル領域で動作し、図２および３での簡略化した上面図および横断面図でそれぞれ示される２つの交差したボウタイ型アンテナ３２、３４を提供される、アンテナを備えたボロメータ３０を述べる。

ボロメータ３０の原理は、基板−支持部３６上に配置されたアンテナ３２、３４と、懸架された膜４０中に配置され、その上に堆積された測温素子４２を有する抵抗負荷３８との間で行われる容量結合に依存する（図３）。

アンテナ３２、３４の中央に配置された正方形の層の形を取る抵抗負荷３８は、実際アンテナに対向する表面を有し、従ってアンテナとともに静電容量を形成する。それ故に、アンテナ３２、３４によって検出された放射は、容量結合によって負荷３８に伝達される。

伝達された放射の影響下で、負荷３８は、熱くなり、このようにして発生した熱を測温素子４２に伝達し、その測温素子は次に、熱くなり、その電気抵抗が変更される。

基板の上に測温素子を懸架するという事実は、測温素子が入射放射の影響下で電気抵抗変化を受けることを可能にするが、しかしながら、そのような変化は、わずかなままである。実際、図１の基本的ボロメータ検出器との関連において、３００°Ｋでは、観測シーンの１Ｋだけの変化は、約０．０４％だけの測温層２０の電気抵抗の相対変化を引き起こす。実際、この素子の電気抵抗の値の大部分は、主に膜の直接的環境によって決定づけられる。特に、基板は、ネイル１６およびアーム１８を通る熱伝導を介して膜１２の温度に影響を与え、ネイル１６およびアーム１８は、層２０の電気抵抗の値の約７０％を設定する。さらに、基板および検出器のパッケージなどの、膜の周囲の要素もまた、３００°Ｋの周囲温度について層２０の電気抵抗の値の約２０％を設定する熱放射を放出する。最良の場合で、電気抵抗の値の１０％未満、より一般的には電気抵抗の値の１％未満が、入射放射によって設定される。測温材料層２０の電気抵抗の大部分が、観測シーンとは無関係の要素によって設定されることから、具体策がない場合には、検出器読出し動力学（ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｒｅａｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）はそれ故に、非常に制限され、そのことは、そのような検出器の使用を非常に困難にする。

この問題を克服するために、基本的ボロメータ検出器は、膜の測温素子の読出しから生じる信号の無用な部分を取り除くことを目的とする、補償またはスキミング構造と関連付けられる。

図４は、そのようなスキミング構造を含む最新技術の赤外線ボロメータ検出器２００の電気回路図である。検出器２００は、単位検出素子２０４、または「画素」の二次元アレイ２０２を含み、それぞれは、その端子の１つで定電圧「Ｖ_ＤＥＴ」に接続され、もう一方の端子でゲート制御電圧「Ｇ_ＤＥＴ」を用いてボロメータ２０６を横切る電圧を設定するバイアス用ＭＯＳトランジスタ２０８に接続される、基板の上に懸架された膜の形の感知ボロメータ２０６、例えば図１で例示するボロメータを含む。画素２０４はまた、ＭＯＳトランジスタ２０８とアレイ２０２の各列に提供されるノード「Ａ」との間に接続され、制御信号「ＳＥＬＥＣＴ」によって駆動される選択スイッチ２１０も含み、ボロメータ２０６を画素２０４の読出しのために選択することを可能にする。通常「網膜」と呼ばれる、懸架された膜の二次元アセンブリは、狭いパッケージ中に検出すべき赤外線放射に対して透明な窓と一直線にかつ光学システム（図示されず）の焦点面に置かれる。トランジスタ２０８およびスイッチ２１０は通常、ボロメータ２０６の膜の影響下の基板の中に形成される。

検出器２００はまた、アレイ２０２の各列の下部に、電熱的観点からは画素２０４のボロメータ２０６と同一であり、観測すべきシーンから生じる入射放射を感知しないようにされた基準ボロメータ２１４を含むスキミング構造２１２も含む。基準ボロメータ２１４は例えば、アレイ２０２の感知ボロメータ２０６の懸架された膜と同一で、スクリーン２１６を用いて検出すべき放射を感知しないようにされた、懸架された膜を含み、その場合には、基準ボロメータ２１４の測温素子の電気抵抗は、感知ボロメータ２０６が入射放射に起因して受ける電気抵抗変化によって感知ボロメータ２０６の測温素子の電気抵抗と異なる。しかしながら、コモンモードの観点から最適なこの種の構造は、製造するのが困難でかつ高価である。変形形態として、ボロメータ２１４は、ボロメータ２０６の膜の懸架された部分を形成するスタックと同一のスタックを含み、従って、本質的に断熱アーム１８を含む断熱システムがなく、基板の上部および／または側部に直接形成された、ボロメータ２０６の懸架された膜を含む。この場合には、ボロメータ２１４の電気抵抗は本質的に、基板温度によって決定づけられ、ボロメータ２１４は、基板に対して「熱平衡化される」と言える。ボロメータ２１４は、その端子の１つで定電圧「Ｖ_ＳＫＩＭ」に接続され、スキミング構造２１２はさらに、ゲート制御電圧「Ｇ_ＳＫＩＭ」を用いてボロメータ２１４を横切る電圧を設定し、ボロメータ２１４のもう一方の端子とノード「Ａ」との間に接続されるバイアス用ＭＯＳトランジスタ２１８を含む。

検出器２００はまた、アレイ２０２の各列の下部に、例えば増幅器２２２および増幅器２２２の反転入力と出力との間に接続されるコンデンサ２２４を含むＣＴＩＡ型（「容量性トランスインピーダンス増幅器」）の積分器２２０も含む。積分器２２０の反転端子および非反転端子はさらに、ノード「Ａ」および定電圧「ＶＢＵＳ」にそれぞれ接続される。信号「ＲＡＺ」によって駆動されるスイッチ２２６もまた、それの放電のためにコンデンサ２２４と並列に提供される。ＣＴＩＡ２２０の出力は最終的に、例えば多重化モードでＣＴＩＡの電圧「Ｖｏｕｔ」を配送するためにそれぞれのサンプルホールド装置２２８に接続される。

最後に、検出器２００は、前述の異なるスイッチを制御する管理ユニット２３０を含む。動作時には、アレイ２０２は、各行ごとに読み出される。アレイ２２０の一行を読み出すためには、画素２０４のその行のスイッチ２１０が、オンにされ、他の行のスイッチ２１０が、オフにされる。スイッチ２２６をオンにし、続いてそれらをオフにすることによって達成される、列の下部でのＣＴＩＡコンデンサの放電段階の後に、図５で示すような回路がそれ故に、読み出される行の各画素について得られる。電流「Ｉｏｐ」は、ＭＯＳトランジスタ２０８によるその電圧バイアスの影響下で画素のボロメータ２０６を流れ、電流「Ｉｓ」は、ＭＯＳトランジスタ２１８によるその電圧バイアスの影響下でスキミング構造のボロメータ２１４を流れる。結果として生じる電流差は、所定の積分時間「Ｔｉｎｔ」の間ＣＴＩＡ２２０によって積分される。電流「Ｉｏｐ」の無用な部分は、この無用な部分を再現するために特別に発生させた電流「Ｉｓ」によって少なくとも部分的に補償されるので、ＣＴＩＡ２２０の出力電圧「Ｖｏｕｔ」はそれ故に、検出すべき入射放射によって引き起こされるボロメータ２０６の抵抗変化の測定結果である。

今しがた述べたスキミング構造は、赤外線検出で満足のいく結果を提供するが、テラヘルツ検出へのその応用は、満足のいくものでない。

前述のように、最新技術の赤外線検出器のスキミング構造の基準ボロメータは、シーンから生じる赤外線放射への感度を必然的に抑制される。実際、感知ボロメータを通って流れる電流の無用な部分だけが、再現されるべきであり、従って、この応用では検出すべき赤外線放射に対応する、前記電流の有用な部分は、補償すべきでない。

しかしながら、テラヘルツ検出との関連では、赤外線放射は、その高い強度に起因して無視できない影響を有する妨害要素になり、赤外線放射はほとんどの場合、テラヘルツ放射の強度よりも数桁分大きい強度を有する。それ故に、テラヘルツ放射を検出するためには、赤外線放射を「処理する」ことが、必要である。

しかしながら、もし赤外線検出器の構造に似た、すなわち、シーンから生じる放射への感度を抑制されるスキミング構造が、テラヘルツ検出器に提供されるならば、スキミング構造はまた、赤外線放射への感度も抑制され、その結果スキミング構造は、この放射に対応する無用な部分を再現しない。無用な部分が、再現されないので、この無用な部分はそれ故に、感知ボロメータを通って流れる電流で補償されない。今は、前述のように、赤外線放射が、テラヘルツ放射よりも数桁分大きいことから、テラヘルツ放射に対応する感知ボロメータの電流の有用な部分はそれ故に、赤外線放射に対応する電流の無用な部分に「覆い隠される」。それ故に、このようにして得られる検出器はしたがって最終的に、テラヘルツ放射への非常に低い感度を有する。

さらに、シーンから生じる放射への感度を抑制されないスキミング構造は、テラヘルツ放射に対応する有用な部分を再現することになり、その有用な部分は、感知ボロメータの電流で補償されることになるので、そのような構造は、想定されなくてもよい。

米国特許第６３２９６５５号

Ｒ． ＰＥＲＥＺ、「Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａ ｌ’ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅｏｒｉｑｕｅ ｅｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅ ｄｅ ｒａｄａｒｇｒａｍｍｅｓ ＧＰＲ： ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｄｅｓ ａｎｔｅｎｎｅｓ： ａｐｐｏｒｔｓ ｄ’ｕｎｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｓｔａｔｉｑｕｅ」、博士論文、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ ｄｅ Ｌｉｍｏｇｅｓ、２００５年

本発明は、テラヘルツボロメータ検出器において、観測シーンから生じる赤外線放射に対応するこれらの信号の無用な部分を含む、検出器の感知ボロメータによって発生する信号の無用な部分を効果的に補償する回路を提供することを目的とする。

このために、本発明は、
・テラヘルツ電磁放射を集めるための少なくとも１つのアンテナと、
・導電性支持部および断熱アームによって基板の上に懸架されたマイクロブリッジであって、
・アンテナが集める電磁パワーを熱パワーに変換するためにアンテナに結合された抵抗負荷、および
・抵抗負荷が発生させる熱パワーの影響下で熱くなるように抵抗負荷に結合された抵抗ボロメータ素子を含む、マイクロブリッジと、
・ボロメータ素子に電気的にバイアスをかけ、前記素子の電気抵抗に応じて電気信号を発生させるために支持部および断熱アームを介してボロメータ素子に電気的に接続されたバイアス回路とを含む、少なくとも１つの基本的ボロメータ検出器を含む、テラヘルツ領域での電磁放射を検出するための装置を目的とする。

本発明によると、検出装置はさらに、
・スキミング回路であって、
・導電性支持部および断熱アームによって基板の上に懸架され、抵抗ボロメータ素子を含むマイクロブリッジであって、スキミング回路のマイクロブリッジが、電気抵抗、熱時定数、および赤外線検出の観点から基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジと実質的に同一である、マイクロブリッジと、
・マイクロブリッジに対向する基板上に形成された反射金属層であって、マイクロブリッジを反射層から分離する距離が、テラヘルツ放射の波長についてマイクロブリッジのレベルで相殺的干渉を得るように選択される、反射金属層と、
・スキミング回路に電気的にバイアスをかけ、前記素子の電気抵抗に応じて電気信号を発生させるためにスキミング回路のマイクロブリッジに電気的に接続されたバイアス回路とを含む、スキミング回路、
ならびに
・基本的検出器およびスキミング回路が発生させる電気信号間の差を測定するために基本的検出器およびスキミング回路に結合できる読出し回路を含む。

言い換えれば、本発明によるテラヘルツ検出器は、各基本的ボロメータ検出器と関連し、基本的検出器の感知ボロメータと同じ割合だけ基板の熱的影響を少なくとも受け、基本的ボロメータ検出器によって発生する信号から差し引かれるコモンモード信号、例えば電圧バイアスとの関連ではコモンモード電流の形でこの影響を表すように設計されたマイクロブリッジの形の基準ボロメータを含むスキミング構造を含む。

そのとき、基準ボロメータは、入射赤外線放射を感知して前記放射に対応する無用な部分を再現するように設計される。例えば、基準ボロメータは、基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジの懸架された部分と同一の懸架された部分を有するマイクロブリッジを含み、基準ボロメータは、入射放射を遮るためのスクリーンを含まない。

しかしながら、基準ボロメータは、テラヘルツ放射についてマイクロブリッジにまたはその近くに集中した相殺的干渉縞を形成することによって検出すべきテラヘルツ放射を感知しないようにされる。実際、金属層での反射が、入射放射と反射放射との間で−１８０°の位相シフトを、従って干渉縞の発生を引き起こすことは、周知である。マイクロブリッジを相殺的干渉縞中に置くためにマイクロブリッジと反射層との間の適切な距離を選択することによって、基準ボロメータのマイクロブリッジによるテラヘルツ放射の吸収はそれ故に、実質的に最小限にされる。検出すべきテラヘルツ放射は、基準ボロメータによって吸収されないまたは非常にわずかに吸収されるので、基本的検出器によって発生する信号の有用な部分はそれ故に、赤外線放射に対応する無用な部分と反対に、スキミング構造から生じる信号の引き算の後も実質的に変わらないままである。

一実施形態によると、スキミング回路は、対応するマイクロブリッジが基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジへの入射放射の少なくとも一部を受け取るように配置される。

一実施形態によると、スキミング回路のマイクロブリッジは、基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジの構造と同一の構造を有し、そのことは、感知ボロメータのコモンモード信号にできる限り近いコモンモード信号を発生させることを可能にする。

一実施形態によると、スキミング回路のマイクロブリッジは、スキミング回路のマイクロブリッジが抵抗負荷を含まないという点においてだけ基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジの構造と異なる構造を有する。変形形態として、スキミング回路のマイクロブリッジは、スキミング回路のマイクロブリッジが、短絡回路にアセンブルされた抵抗負荷を含むという点においてだけ基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジの構造と異なる構造を有する。

抵抗負荷がないことまたは抵抗負荷の短絡は、基準ボロメータの電熱特性を感知ボロメータの電熱特性に対して変更するけれども、しかしながら、そのような変更は通常、製造技術の不確実性によって引き起こされる電熱特性のばらつきよりも重要でない。しかしながら、抵抗負荷がないことまたは抵抗負荷の短絡は、パッチアンテナ挙動から生じる可能性のある共振を排除することを可能にする。パッチ構造は例えば、アンテナの金属表面と反射面との間の何もない空間によって形成される。この構造は、ボロメータ検出領域の外側に位置する周波数でそれ自体の共振モードを有する。しかしながら、これらの共振によって誘起される電流は、アンテナの抵抗負荷でエネルギーを消散させる能力があり、従ってボロメータブリッジの加熱に関与する。スキミングボロメータに特有のそのような吸収現象はそれ故に、その基準機能を低下させることもある。従って、これらの負荷を抑制するまたは短絡させることによってこれらの影響を防止することが、有利である。

一実施形態によると、スキミング回路のマイクロブリッジを反射層から分離する距離は、テラヘルツ放射の波長の１０分の１よりも小さい。それによって、マイクロブリッジは、第１の相殺的干渉縞中に配置される。

例えば、テラヘルツ放射を感知するボロメータは、図２および３に関して述べたボロメータであり、スキミング構造は、１０マイクロメートルよりも短い距離で基板３６上に堆積された金属層の上に懸架された膜４０と同一で、入射放射に対して特定の保護物を備えないマイクロブリッジを含む。

一実施形態によると、基本的ボロメータ検出器は、電磁放射を集めることを目的とする、第１および第２の交差したボウタイ型アンテナを含み、
− 第１のアンテナは、マイクロブリッジの外側に配置されかつ抵抗負荷と容量結合され、
− 第２のアンテナは、抵抗負荷と抵抗結合してマイクロブリッジに配置される。

それによって、アンテナは、マイクロブリッジと基板との間の何もない空間によって互いに分離され、その結果特に材料を介して、アンテナ間に弱い結合がある。

感知ボロメータの電熱特性にできる限り近い電熱特性を得るために、基準ボロメータはそれ故に、第２のアンテナを、従ってテラヘルツ放射を感知するアンテナを含むマイクロブリッジを含む。マイクロブリッジを、従って第２のアンテナを相殺的干渉縞中に置くという事実はそれ故に、前記アンテナのテラヘルツ検出を効果的に「無効にする」ことを可能にする。

有利には、基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジの抵抗負荷は、金属膜を含み、基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジは、マイクロブリッジと容量結合し、従って第１のアンテナと金属膜との間のインピーダンス整合を達成するように金属膜上に第１のアンテナに対向して配置されるフィンを含む。好ましくは、フィンは、第１のアンテナの中央部分に似た形を取る。特に、フィンは、電気絶縁体で覆われ、ボロメータ素子は、前記絶縁体上に少なくとも部分的に配置され、金属膜と少なくとも部分的に接触する。言い換えれば、フィンは、第１のアンテナとの最適インピーダンス整合を果たすように、寸法、形状および材料の観点から設計され、このことは、第２のアンテナから独立している。マイクロブリッジのレベルで生じる相殺的干渉は、おそらくはフィンによって行われるテラヘルツ検出をさらに「無効にする」ことを可能にすることに留意すべきである。

有利には、基本的ボロメータ検出器のマイクロブリッジの抵抗負荷は、金属膜を含み、第２のアンテナは、この金属膜上に少なくとも部分的に配置される。言い換えれば、抵抗膜はここでは、第２のアンテナによって受け取られた電磁パワーについて変換機能を果たし、このことは、フィンおよび第１のアンテナから独立している。

有利には、第１のアンテナは、基板上に配置される。

有利には、装置は、基本的ボロメータ検出器の一次元または二次元アレイ、および前記アレイの各列と関連するスキミング回路を含む。

有利には、反射金属層は、スキミング回路のマイクロブリッジの投影表面積以上の表面積を有する。

本発明は、添付の図面に関連する例としてだけ提供される次の説明を読むことでより良く理解されることになり、その図面では同じ参照数字は、同じまたは同様の要素を示す。

すでに上で述べた、最新技術の基本的ボロメータ検出器の簡略化した斜視図である。 すでに上で述べた、最新技術によるアンテナを備えたボロメータ検出器の簡略化した上面図である。 すでに上で述べた、最新技術によるアンテナを備えたボロメータ検出器の簡略化した横断面図である。 すでに上で述べた、最新技術の赤外線ボロメータ検出器の電気回路図である。 スキミング構造を用いた図４の検出器の感知ボロメータの読出しを例示する電気回路図である。 本発明による検出器の構造に含まれるテラヘルツ感知ボロメータの簡略化した斜視図である。 図６の面ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った、図６の感知ボロメータの横断面図である。 図６の面ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った、図６の感知ボロメータの横断面図である。 図６の感知ボロメータの構造に含まれるインピーダンス整合フィンを例示する簡略化した上面図である。 本発明によるスキミング構造に含まれる基準ボロメータの簡略化した斜視図である。 図１０の面ＸＩ−ＸＩに沿った、図１０の基準ボロメータの横断面図である。 図１０の面ＸＩＩ−ＸＩＩに沿った、図１０の基準ボロメータの横断面図である。 図６〜８の感知ボロメータの吸収効率の曲線である。 図１０〜１２の基準ボロメータの吸収効率の曲線である。

本発明によるテラヘルツボロメータ検出器が、今から述べられることになる。そのような検出器は、１００ギガヘルツから１０テラヘルツの間の周波数範囲内にあり、観測シーンから生じるテラヘルツ放射を検出することを目的とする。

本発明による検出器は、入射放射を検出する感知ボロメータのアレイおよび感知ボロメータによって発生する信号の無用な部分を補償するスキミング構造を含む。例えば、本発明による検出器は、図４および５との関連で述べた検出器と同一の電気的アーキテクチャを有し、本発明による検出器は、感知ボロメータの構造および基準ボロメータの構造によって図４および５での赤外線ボロメータ検出器２００と異なる。

特に、本発明によるテラヘルツボロメータ検出器は、図６〜８で例示するなどのテラヘルツ放射を検出するように設計された感知ボロメータを含む。

図６では、テラヘルツ領域を感知するボロメータ５０は、その上に堆積され、導電性材料でできた第１の平面ボウタイ型アンテナ５４を有する絶縁基板５２、ならびに２つの導電性固定ネイル５８によって基板５２の上に懸架されたマイクロブリッジ５６を含む。

マイクロブリッジ５６は、中央部分６０ならびに中央部分６０を固定ネイル５８に接続し、第１のアンテナ５４の主軸（Ｖ−Ｖ）に垂直な２つの断熱アーム６２から形成される。

マイクロブリッジ５６は、第１の電気絶縁層６４、ならびに絶縁層６４上に堆積された導電層６６、より具体的には、例えばＴｉ、ＴｉＮ、Ｐｔ、ＮｉＣｒまたはその他でできた金属膜を含む。絶縁層６４および薄膜６６はそれぞれ、０．００５から０．０５マイクロメートルの間に及ぶ厚さを有する。好ましくは、金属膜６６のシート抵抗は、１００Ω／スクエアから５００Ω／スクエアの間に及び、アーム６２が最適な電気抵抗および熱抵抗を有するように選択される。

導電性材料でできており、第１のアンテナ５４と交差し、断熱アーム６２に平行な主軸（ＶＩ−ＶＩ）を有する第２のボウタイ型アンテナ６８がさらに、マイクロブリッジ５６の導電層６６上に形成され、中央部分６０の両側に延びる。それ故に、第２のボウタイ型アンテナ６８は、導電層６６に抵抗結合される。アンテナ５４および６８は、例えば０．１から０．５マイクロメートルの間に及ぶ厚さを有する、アルミニウム、タングステンシリサイド、チタン、またはその他などの導電性材料でできている。

アンテナ５４、６８と同じ材料でできており、０．１から０．５マイクロメートルの間に及ぶ厚さを有するフィン７０、７２、７４もまた、第１のボウタイ型アンテナ５４に対向する表面を備えた導電層６６上に提供される。それ故に、フィン７０、７２、７４は、アンテナ５４と容量結合され、さらに後で詳細に説明されることになる方法でアンテナ５４とインピーダンス整合を果たすように選択される。

より具体的には、アンテナ５４およびマイクロブリッジ５６を分離する距離ｅは、機械的保持の理由のため０．５から５マイクロメートルの間に及び、好ましくは２マイクロメートルに等しい。距離ｅは、基板５２上に堆積された第１のアンテナ５４とフィン７０、７２、７４との間で高性能容量結合を行うように選択される。この厚さは好ましくは、断熱を提供するためのマイクロブリッジ５６の機械的保持と両立しながら、できる限り小さく選択される。

フィン７０、７２、７４、ならびに中央部分６０に配置された第２のボウタイ型アンテナ６８の部分は、それらを電気的に絶縁するために絶縁層７６で覆われ、導電層６６の一部分は、露出したままである。層７６は、例えば０．００５から０．１マイクロメートルの間に及ぶ厚さの、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＺｎＳ、またはその他の層から形成される。

測温材料の層７８がさらに、絶縁層７６によって露出して残された導電層６６の部分のレベルで導電層６６と接触して絶縁層７６上に堆積される。測温素子７８を形成する材料は例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ａ−Ｓｉ：Ｈ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈなどのアモルファスもしくは多結晶半導体、金属材料、または酸化バナジウムもしくは磁鉄鉱酸化物もまたである。この材料は、非ゼロの抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有すべきである。言い換えれば、この材料は、温度に従って変化する抵抗を有する。

最後に、基板５２は、検出器の動作波長範囲で低い吸収係数を有する絶縁層８０、および反射体８２を含み、層８０および反射体８２は、関心のある周波数範囲でアンテナ５４、６８のための共振空洞を形成する。検出器の読出し回路を含む機能層８４は最終的に、反射体８２の下に提供される。

検出器の空洞８０、８２は、例えばアルミニウム層などの、読出し回路８４上に配置された反射体８２、および検出器動作波長範囲で最も低い可能性のある吸収係数を有する絶縁材料の層８０から形成される。例えば、層８０は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５−ＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３、Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３またはそれらの混合物でできている。

特に、層８０は、値、
Ｅ ＝ λ／（４ｎ）
に設定される、１０から５００マイクロメートルに及ぶ厚さＥを有し、ただし、
・λは、検出器動作範囲の波長、例えばこの範囲の中心波長であり、
・εが、層８０を形成する材料の誘電体誘電率であるとして、

共振空洞は、検出すべきテラヘルツ放射についてこのようにして得られる。

層８０はさらに、読出し回路８４および測温素子７８を電気的に接続するために、例えば固定ネイル５８の続きで、電気的接続部によって横断される。例えば、接続部は、タングステン、アルミニウム、または銅などの金属でできている。

図９は、第１および第２のボウタイ型アンテナ５４、６８、ならびにフィン７０、７２、７４を上面図で概略的に例示する。図から分かるように、長方形の第１の中央フィン７２は、ボウタイ型アンテナ５４の２つのウイング１００、１０２にまたがり、２つの横方向のフィン７０、７４は、第１のアンテナ５４の部分１００、１０２に対向してそれぞれ位置する。好ましくは、横方向のフィン７０、７４は、実質的にアンテナ５４の一部分と同一の形状およびサイズを有する。フィンは、対向するアンテナの台形状と同等の台形状を有する。その表面積は有利には、インピーダンス整合に必要な静電容量Ｃに対応する。最適なインピーダンス整合が、このようにして得られる。

さらに、フィン７０、７２、７４間および第２のアンテナ６８の部分間に位置する導電層６６の部分によって画定される、アンテナの抵抗負荷は、減少した表面積を有する。この表面積が減少することで、第１近似として抵抗負荷のサイズに比例する、本発明による検出器の赤外線放射との結合もまた、それ故に減少する。

さらに、アンテナ５４、６８およびフィンの長さ、ならびにそれらの開き角θは、検出器帯域幅を増加させるまたは減少させるように選択される。

今しがた述べた感知ボロメータに適合される、本発明によるスキミング構造の基準ボロメータについて、今から述べることにする。

前述のように、基準ボロメータは、
ａ） 感知ボロメータと同じ外乱、および特に周囲の要素、特に基板の温度の影響、ならびに検出すべき放射以外の入射放射、特に赤外線放射の影響を実質的に受けることと、
ｂ） そのような外乱に直面したときに熱的観点から感知ボロメータと実質的に同等に、または少なくとも極めて同様に振る舞うことと、
ｃ） 電気的観点から感知ボロメータと実質的に同じ方法で、または少なくとも極めて同様にそのような外乱を表すこととの機能を有する。

このために、図１０から１２で例示する第１の実施形態では、本発明による基準ボロメータ１２０は、次のことを別にすれば、図６から８で例示する感知ボロメータ５０と同一であり、すなわち、
・感知ボロメータ５０の第１のアンテナ５４は、マイクロブリッジ５６に入射する放射を１８０°の位相シフトをともなって反射し、マイクロブリッジ５６を横断する層１２２と、有利にはマイクロブリッジ５６の下かつその周りで絶縁基板５２上に堆積される金属層と置き換えられる。有利には、その層は、アンテナ５４と同じ材料でできており、好ましくは感知ボロメータのアンテナ５４の厚さと同一の厚さを有する。金属層１２２の寸法は、マイクロブリッジ５６の投影表面積に少なくとも等しいように選択される。
・金属層１２２とマイクロブリッジ５６との間の距離ｅは、基準ボロメータ１２０のマイクロブリッジ５６を、層１２２に入射する放射と検出すべきテラヘルツ領域の波長について前記層によって位相シフトをともなって反射される放射との間の相殺的干渉縞中に置く。前述のように、感知ボロメータ５０のマイクロブリッジ５６と第１のアンテナ５４との間の距離ｅは有利には、基板５２からの断熱もまた可能にしながら、アンテナ５４とフィン７０、７２、７４との間で最適容量結合を有するためにできる限り小さいように選択される。例えば、感知ボロメータ５０についての距離ｅは、０．５から５マイクロメートルの間に及ぶ。これらの値が、１ミリメートルの１０分の１よりも大きいテラヘルツ波長よりもはるかに小さいことから、基準ボロメータ１２０の距離ｅは有利には、感知ボロメータ５０の距離ｅに等しく、基準ボロメータのマイクロブリッジ５６はそれ故に、相殺的干渉領域中に位置する。それによって、基準ボロメータ１２０は、反射層１２２によって感知ボロメータ５０と異なるだけであり、従って同じ製造ステップを使用することによって感知ボロメータ５０と一緒に製造できる。

図１３および１４はそれぞれ、２ＴＨｚから３ＴＨｚの間で最適動作するように設計されたアクティブ感知ボロメータ５０の吸収効率および前述などの基準ボロメータ１２０の吸収効率を示す。頭字語「ＣＤ」は、直接結合、すなわち抵抗結合を示し、頭字語「ＣＣ」は、容量結合を示す。観測できるように、基準ボロメータ１２０の吸収は、２ＴＨｚから３ＴＨｚの間の考察される周波数範囲で１％を越えない。それ故に、基準ボロメータ１２０は、赤外線放射を感知しながら、感知ボロメータ５０によって検出されるテラヘルツ放射への感度を抑制される。

第２の実施形態によると、基準ボロメータは、抵抗負荷６６が省略されるという点で基準ボロメータ１２０と異なる。

第３の実施形態によると、基準ボロメータは、抵抗負荷が短絡されるという点で基準ボロメータ１２０と異なる。それ故に、抵抗負荷６６がないことまたは抵抗負荷６６の短絡は、第１の実施形態に比べて赤外線吸収の観点から実質的に同一の結果を提供しながら、アクティブ検出器動作範囲の外側で、パッチアンテナ挙動から生じる可能性のある共振を排除することを可能にする。

今しがた述べた実施形態は、感知ボロメータに対してごく少数の差を有する基準ボロメータを提供するという利点を有し、そのことは特に、同じ製造技法を用いてこれらのボロメータを一緒に製造することを可能にする。もちろん、基準ボロメータは、より大きく感知ボロメータと異なってもよい。例えば、基準ボロメータは有利には、共振空洞８０、８２を有さなくてもよい。

同様に、感知ボロメータ５０の動作範囲の外側の寄生放射源を排除するために光ファイバーを導入することは、常に可能である。

特定の形態の感知ボロメータ５０を含むテラヘルツ検出器が、述べられた。もちろん、本発明はまた、基準ボロメータの対応する変更を行うという条件で他の種類の感知ボロメータにも適用され、そのことは、当業者の能力内である。

１０ ボロメータ検出器、ボロメータ
１２ 膜
１４ 基板−支持部
１６ 固定ネイル
１８ 断熱アーム
２０ 測温材料層、測温素子、測温層
３０ ボロメータ
３２ ボウタイ型アンテナ
３４ ボウタイ型アンテナ
３６ 基板−支持部
３８ 抵抗負荷
４０ 膜
４２ 測温素子
５０ 感知ボロメータ
５２ 基板
５４ 第１のボウタイ型アンテナ
５６ マイクロブリッジ
５８ 固定ネイル
６０ マイクロブリッジの中央部分
６２ 断熱アーム
６４ 絶縁層
６６ 導電層、金属膜
６８ 第２のボウタイ型アンテナ
７０ フィン
７２ フィン
７４ フィン
７６ 絶縁層
７８ 測温材料層、測温素子
８０ 絶縁層
８２ 反射体
８４ 機能層、読出し回路
１００ 第１のボウタイ型アンテナのウイング
１０２ 第１のボウタイ型アンテナのウイング
１２０ 基準ボロメータ
１２２ 反射層、金属層
２００ 赤外線ボロメータ検出器
２０２ 二次元アレイ
２０４ 単位検出素子、画素
２０６ 感知ボロメータ
２０８ ＭＯＳトランジスタ
２１０ 選択スイッチ
２１２ スキミング構造
２１４ 基準ボロメータ
２１６ スクリーン
２１８ ＭＯＳトランジスタ
２２０ 積分器、ＣＴＩＡ（容量性トランスインピーダンス増幅器）
２２２ 増幅器
２２４ コンデンサ
２２６ スイッチ
２２８ サンプルホールド装置
２３０ 管理ユニット

Claims (12)

1. ・テラヘルツ電磁放射を集めるための少なくとも１つのアンテナ（５４、６８）と、
   ・導電性支持部および断熱アーム（５８、６２）によって基板（５２）の上に懸架されたマイクロブリッジ（５６）であって、
   ・前記アンテナ（５４、６８）が集める電磁パワーを熱パワーに変換するために前記アンテナ（５４、６８）に結合された抵抗負荷（６６）、および
   ・前記抵抗負荷（６６）が発生させる前記熱パワーの影響下で熱くなるように前記抵抗負荷（６６）に結合された抵抗ボロメータ素子（７８）を含む、マイクロブリッジ（５６）と、
   ・前記ボロメータ素子に電気的にバイアスをかけ、前記素子の電気抵抗に応じて電気信号を発生させるために前記支持部および断熱アーム（５８、６２）を介して前記ボロメータ素子（７８）に電気的に接続されたバイアス回路（２０８）とを含む、少なくとも１つの基本的ボロメータ検出器（５０、２０４）を含む、テラヘルツ領域での電磁放射を検出するための装置（２００）において、
   検出装置（２００）はさらに、
   ・スキミング回路（１２０、２１２）であって、
   ・導電性支持部および断熱アーム（５８、６２）によって前記基板の上に懸架され、抵抗ボロメータ素子を含むマイクロブリッジ（５６）であって、スキミング回路の前記マイクロブリッジが、電気抵抗、熱時定数、および赤外線検出の観点から前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジと実質的に同一である、マイクロブリッジ（５６）と、
   ・前記スキミング回路の前記マイクロブリッジ（５６）に対向する前記基板上に形成された反射金属層（１２２）であって、前記スキミング回路の前記マイクロブリッジ（５６）を前記反射層（１２２）から分離する距離が、テラヘルツ放射の波長について前記マイクロブリッジのレベルで相殺的干渉を得るように選択される、反射金属層（１２２）と、
   ・前記スキミング回路に電気的にバイアスをかけ、前記素子の電気抵抗に応じて電気信号を発生させるために前記スキミング回路（１２０、２１２）の前記マイクロブリッジに電気的に接続されたバイアス回路（２１８）とを含む、スキミング回路（１２０、２１２）、ならびに
   ・前記基本的検出器および前記スキミング回路が発生させる前記電気信号間の差を測定するために前記基本的検出器および前記スキミング回路に結合できる読出し回路（２２０）を含むことを特徴とする、検出装置（２００）。
2. 前記スキミング回路（１２０、２１２）は、前記対応するマイクロブリッジが前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジへの入射放射の少なくとも一部を受け取るように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の検出装置（２００）。
3. 前記スキミング回路（１２０、２１２）の前記マイクロブリッジは、前記基本的ボロメータ検出器（５０、２０４）の前記マイクロブリッジの構造と同一の構造を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の検出装置（２００）。
4. 前記スキミング回路（１２０、２１２）の前記マイクロブリッジは、前記スキミング回路の前記マイクロブリッジが抵抗負荷を含まないという点においてまたは前記スキミング回路の前記マイクロブリッジが、短絡回路にアセンブルされた抵抗負荷を含むという点においてだけ前記基本的ボロメータ検出器（５０、２０４）の前記マイクロブリッジの構造と異なる構造を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の検出装置（２００）。
5. 前記スキミング回路の前記マイクロブリッジを前記反射層から分離する距離ｅは、テラヘルツ放射の波長の１０分の１よりも小さいことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の検出装置（２００）。
6. 前記基本的ボロメータ検出器は、電磁放射を集めることを目的とする、第１および第２の交差したボウタイ型アンテナ（５４、６８）を含むこと、前記第１のアンテナ（５４）は、前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジ（５６）の外側に配置され、前記抵抗負荷（６６）と容量結合されること、ならびに前記第２のアンテナ（６８）は、前記抵抗負荷（６６）と抵抗結合して前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジ（５６）に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の検出装置（２００）。
7. 前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジの前記抵抗負荷（６６）は、金属膜を含むこと、および前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジは、前記金属膜上に前記第１のアンテナに対向して配置され、前記第１のアンテナと前記金属膜との間のインピーダンス整合を達成するように前記第１のアンテナと容量結合しているフィン（７０、７２、７４）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の検出装置（２００）。
8. 前記フィン（７０、７２、７４）は、電気絶縁体（７６）で覆われ、前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジの測温素子は、前記絶縁体上に少なくとも部分的に配置され、前記金属膜と少なくとも部分的に接触していることを特徴とする、請求項７に記載の検出装置（２００）。
9. 前記基本的ボロメータ検出器の前記マイクロブリッジの前記抵抗負荷は、金属膜（６６）を含むこと、および前記第２のアンテナは、この金属膜上に少なくとも部分的に配置されることを特徴とする、請求項６、７、または８に記載の検出装置（２００）。
10. 前記第１のアンテナ（５４）は、前記基板（５２）上に配置されることを特徴とする、請求項６から９のいずれかに記載の検出装置（２００）。
11. 検出装置（２００）は、基本的ボロメータ検出器の一次元または二次元アレイを含むこと、および検出装置（２００）は、前記アレイの各列と関連するスキミング回路を含むことを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の検出装置（２００）。
12. 前記反射金属層（１２２）は、前記スキミング回路の前記マイクロブリッジの投影表面積以上の表面積を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の検出装置（２００）。