RU2258207C1 - Bolometric resistive element - Google Patents

Bolometric resistive element Download PDF

Info

Publication number
RU2258207C1
RU2258207C1 RU2004100900/28A RU2004100900A RU2258207C1 RU 2258207 C1 RU2258207 C1 RU 2258207C1 RU 2004100900/28 A RU2004100900/28 A RU 2004100900/28A RU 2004100900 A RU2004100900 A RU 2004100900A RU 2258207 C1 RU2258207 C1 RU 2258207C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
layer
heat
bolometric
substrate
Prior art date
Application number
RU2004100900/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004100900A (en
Inventor
А.Н. Бажинов (RU)
А.Н. Бажинов
А.Г. Жуков (RU)
А.Г. Жуков
бов В.Н. Р (RU)
В.Н. Рябов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток"
Priority to RU2004100900/28A priority Critical patent/RU2258207C1/en
Publication of RU2004100900A publication Critical patent/RU2004100900A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2258207C1 publication Critical patent/RU2258207C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: thermo-sensitive layer of element is made of titanium nitride with thickness of 0,003-0,015 mcm. There is layer inside membrane above thermo-sensitive layer which is separated from it by dielectric layer of membrane. The layer absorbs IR-radiation. Onto face side of substrate the layer is made to reflect IR-radiation. Space between thermo-sensitive and absorbing layers provides electric isolation between layers and is determined by dielectric material of membrane.
EFFECT: improved sensitivity of bolometric element; reduced production cost; low noise.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике болометрических приемников инфракрасного (ИК) излучения, а именно к неохлаждаемым болометрическим резистивным элементам.The invention relates to techniques for bolometric receivers of infrared (IR) radiation, and in particular to uncooled bolometric resistive elements.

Действие болометрического резистивного элемента основано на изменении электрического сопротивления термочувствительного слоя, которое происходит при изменении его температуры под влиянием поглощенной энергии излучения [1].The action of the bolometric resistive element is based on a change in the electrical resistance of the heat-sensitive layer, which occurs when its temperature changes under the influence of the absorbed radiation energy [1].

Удельная обнаружительная способность рассчитывается по формулеThe specific detection ability is calculated by the formula

Figure 00000002
Figure 00000002

NEP - эквивалентная шуму мощность, определяемая по формулеNEP - equivalent noise power, determined by the formula

Figure 00000003
Figure 00000003

Vn - действующее напряжение шума,V n is the effective noise voltage,

Δf - эквивалентная шумовая полоса,Δf is the equivalent noise band,

Sв - чувствительность болометрического резистивного элемента, а чувствительность Sв болометрического резистивного элемента определяется какS in - the sensitivity of the bolometric resistive element, and the sensitivity of S in the bolometric resistive element is defined as

Figure 00000004
Figure 00000004

гдеWhere

IB - электрический ток, протекающий через термочувствительный слой,I B - electric current flowing through a heat-sensitive layer,

Rв - электрическое сопротивление термочувствительного слоя,R in - electrical resistance of the heat-sensitive layer,

η - коэффициент поглощения ИК-излучения,η is the absorption coefficient of infrared radiation,

G - коэффициент теплопроводности между мембраной, в которой распложен термочувствительный слой, и поддерживающей ее подложкой,G is the coefficient of thermal conductivity between the membrane in which the thermally sensitive layer is located, and the substrate supporting it,

β - температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС) термочувствительного слоя.β is the temperature coefficient of electrical resistance (TCS) of the heat-sensitive layer.

Здесь β дается какHere β is given as

Figure 00000005
Figure 00000005

Известен широкий спектр неохлаждаемых болометрических резистивных элементов, в которых в качестве термочувствительных слоев используют тонкие слои оксида ванадия, поликристаллического или аморфного кремния и металлического титана.A wide range of uncooled bolometric resistive elements is known in which thin layers of vanadium oxide, polycrystalline or amorphous silicon and titanium metal are used as heat-sensitive layers.

Известен болометрический резистивный элемент с термочувствительным слоем из оксида ванадия, который обеспечивает высокий температурный коэффициент электрического сопротивления 2-3%/°С [2].Known bolometric resistive element with a heat-sensitive layer of vanadium oxide, which provides a high temperature coefficient of electrical resistance of 2-3% / ° C [2].

Однако оксид ванадия имеет фазовый переход в области температур, присущей стандартным процессам обработки кремниевых пластин. Поэтому для создания болометрических резистивных элементов приходится применять специфические процессы обработки материалов, что значительно повышает стоимость изделий.However, vanadium oxide has a phase transition in the temperature range inherent in standard processes for processing silicon wafers. Therefore, to create bolometric resistive elements, one has to use specific material processing processes, which significantly increases the cost of products.

Известен болометрический резистивный элемент с термочувствительным слоем из поликристаллического кремния [3]. В этом случае обеспечивается высокий температурный коэффициент электрического сопротивления (1,25%/°С), а возможность использования стандартных процессов обработки кремниевых пластин позволяет иметь низкую стоимость изделий.Known bolometric resistive element with a thermosensitive layer of polycrystalline silicon [3]. In this case, a high temperature coefficient of electrical resistance (1.25% / ° C) is provided, and the possibility of using standard processing processes for silicon wafers allows you to have a low cost of products.

Однако повышенный уровень шумов, который обусловлен самим резистивным материалом, снижает удельную обнаружительную способность изделий.However, the increased noise level, which is caused by the resistive material itself, reduces the specific detection ability of the products.

Известен болометрический резистивный элемент с термочувствительным слоем из металлического титана [4 - прототип]. Болометрический резистивный элемент включает подложку из монокристаллического кремния, внутри которой выполнена схема считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки, и мембрану из диэлектрического материала - оксида кремния - толщиной 0,9 мкм, расположенную над лицевой стороной подложки с зазором, обеспечивающим тепловую изоляцию мембраны от подложки, при этом мембрана соединена со схемой считывания сигнала опорами, выполненными из электропроводящего материала - алюминия - и расположенными по диагонали мембраны, внутри мембраны расположен термочувствительный слой из резистивного материала - титана. Зазор под мембраной создается путем травления материала через щель в мембране.Known bolometric resistive element with a heat-sensitive layer of titanium metal [4 - prototype]. The bolometric resistive element includes a single-crystal silicon substrate, inside of which there is a signal reading circuit with an electrical output on the front side of the substrate, and a membrane of dielectric material - silicon oxide - 0.9 μm thick, located above the front side of the substrate with a gap that provides thermal insulation of the membrane from the substrate, while the membrane is connected to the signal reading circuit with supports made of electrically conductive material - aluminum - and located diagonally on the membranes Inside the membrane is heat-sensitive layer of a resistive material - titanium. The gap under the membrane is created by etching the material through a gap in the membrane.

Падающее на мембрану ИК-излучение поглощается мембраной, вследствие чего меняется температура мембраны, что приводит к изменению электрического сопротивления термочувствительного слоя, которое регистрируется схемой считывания сигнала.The infrared radiation incident on the membrane is absorbed by the membrane, as a result of which the temperature of the membrane changes, which leads to a change in the electrical resistance of the heat-sensitive layer, which is recorded by the signal reading circuit.

Низкий уровень шумов термочувствительного слоя из титана обеспечивает получение высокой обнаружительной способности изделий.The low noise level of the heat-sensitive layer of titanium provides high detection ability of the products.

Использование для изготовления стандартных процессов кремниевой технологии обеспечивает малый разброс электрического сопротивления болометрических резистивных элементов в болометрических линейках или матрицах и низкую их стоимость.The use of silicon technology for the manufacture of standard processes ensures a small dispersion of the electrical resistance of bolometric resistive elements in bolometric arrays or matrices and their low cost.

Однако металлический титан имеет низкий температурный коэффициент электрического сопротивления, равный 0,25%/°С, что обуславливает низкую чувствительность болометрического резистивного элемента.However, titanium metal has a low temperature coefficient of electrical resistance equal to 0.25% / ° C, which leads to a low sensitivity of the bolometric resistive element.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности болометрического резистивного элемента за счет увеличения температурного коэффициента электрического сопротивления термочувствительного слоя при сохранении высокой обнаружительной способности, малого разброса электрического сопротивления термочувствительного слоя и низкой стоимости изготовления.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the bolometric resistive element by increasing the temperature coefficient of the electrical resistance of the heat-sensitive layer while maintaining a high detection ability, a small dispersion of the electrical resistance of the heat-sensitive layer and low manufacturing cost.

Технический результат достигается тем, что в известном болометрическом резистивном элементе для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения, включающем подложку из монокристаллического кремния, внутри которой выполнена схема считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки, и мембрану из диэлектрического материала толщиной 0,1-1,1 мкм, расположенную над лицевой стороной подложки с зазором, обеспечивающим тепловую изоляцию мембраны от подложки, при этом мембрана соединена со схемой считывания сигнала опорами, выполненными из электропроводящего материала и расположенными по диагонали мембраны, внутри мембраны выполнен термочувствительный слой из резистивного материала, термочувствительный слой выполнен из нитрида титана толщиной 0,003...0,015 мкм.The technical result is achieved by the fact that in the known bolometric resistive element for uncooled infrared radiation detectors, including a single-crystal silicon substrate, inside which a signal sensing circuit is made with an electrical output on the front side of the substrate, and a membrane of a dielectric material with a thickness of 0.1-1.1 μm, located above the front side of the substrate with a gap providing thermal insulation of the membrane from the substrate, while the membrane is connected to the signal reading circuit of the supports and made of an electrically conductive material and located diagonally on the membrane, a thermosensitive layer of resistive material is made inside the membrane, a thermosensitive layer is made of titanium nitride with a thickness of 0.003 ... 0.015 μm.

Вариант болометрического резистивного элемента, в котором на лицевой стороне подложки выполнен слой, отражающий инфракрасное излучение, а внутри мембраны, над термочувствительным слоем и отделенный от него диэлектрическим слоем мембраны, выполнен слой, поглощающий инфракрасное излучение, при этом расстояние между термочувствительным и поглощающим слоями обеспечивает электрическую изоляцию между ними и определяется диэлектрическим материалом мембраны, а оптическое расстояние между слоями, отражающим и поглощающим инфракрасное излучение, равно 1/4 - длины волны поглощаемого излучения.An embodiment of a bolometric resistive element in which a layer reflecting infrared radiation is made on the front side of the substrate, and a layer that absorbs infrared radiation is made above the heat-sensitive layer and separated by a dielectric layer of the membrane inside the membrane, while the distance between the heat-sensitive and absorbing layers provides an electric the insulation between them is determined by the dielectric material of the membrane, and the optical distance between the layers, reflecting and absorbing infrared radiation chenie of 1/4 - the wavelength of the absorbed radiation.

Выполнение термочувствительного слоя из нитрида титана в сочетании со сверхмалой его толщиной 0,003-0,015 мкм и в сочетании с определенным порядком расположения слоев в структуре болометрического резистивного элемента, а именно, расположение термочувствительного резистивного слоя из нитрида титана в диэлектрическом материале мембраны формирует термочувствительный слой, обладающий структурой кристаллической решетки близкой к структуре кристаллической решетки поверхности. Свойства структуры кристаллической решетки поверхности иные, чем свойства объемного материала. В данном случае термочувствительный слой из нитрида титана обладает более высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления по сравнению со слоем объемного нитрида титана, который и обеспечивает повышение чувствительности болометрического резистивного элемента.The implementation of the heat-sensitive layer of titanium nitride in combination with its ultra-small thickness of 0.003-0.015 μm and in combination with a certain order of the layers in the structure of the bolometric resistive element, namely, the location of the heat-sensitive resistive layer of titanium nitride in the dielectric material of the membrane forms a heat-sensitive layer with the structure crystal lattice close to the structure of the crystal lattice surface. The structural properties of the crystal lattice of the surface are other than the properties of the bulk material. In this case, the heat-sensitive layer of titanium nitride has a higher temperature coefficient of electrical resistance compared to the layer of titanium bulk nitride, which provides an increase in the sensitivity of the bolometric resistive element.

Наличие слоя, поглощающего ИК-излучение, выполненного над термочувствительным слоем на расстоянии, которое определяется диэлектрическим материалом мембраны и обеспечивает электрическую изоляцию между ними, увеличивает коэффициент поглощения ИК-излучения болометрического резистивного элемента и тем самым увеличивает чувствительность болометрического резистивного элемента.The presence of a layer that absorbs infrared radiation, made over a heat-sensitive layer at a distance that is determined by the dielectric material of the membrane and provides electrical insulation between them, increases the absorption coefficient of infrared radiation of the bolometric resistive element and thereby increases the sensitivity of the bolometric resistive element.

Наличие слоя, отражающего ИК-излучение, выполненного на лицевой стороне подложки из монокристаллического кремния, увеличивает часть ИК-излучения, отраженного от лицевой поверхности подложки, и вновь направляет его на мембрану, которое поглощается ею, что дополнительно увеличивает поглощающую способность мембраны и тем самым коэффициент поглощения ИК-излучения болометрического резистивного элемента, а следовательно, увеличивает чувствительность болометрического резистивного элемента.The presence of a layer reflecting infrared radiation, made on the front side of the substrate of single-crystal silicon, increases part of the infrared radiation reflected from the front surface of the substrate, and again directs it to the membrane, which is absorbed by it, which further increases the absorption capacity of the membrane and thereby the coefficient absorption of infrared radiation of the bolometric resistive element, and therefore, increases the sensitivity of the bolometric resistive element.

Использование термочувствительного слоя из нитрида титана толщиной менее 0,003 мкм, что соответствует нескольким монослоям нитрида титана, недопустимо, так как при выполнении на мембране из диэлектрического материала с шероховатостью поверхности, равной нескольким монослоям, возникают разрывы термочувствительного слоя и вследствие этого происходит резкое увеличение разброса электрического сопротивления в болометрической матрице.The use of a heat-sensitive layer of titanium nitride with a thickness of less than 0.003 μm, which corresponds to several monolayers of titanium nitride, is unacceptable, since when a membrane with a surface roughness equal to several monolayers is broken, ruptures of the heat-sensitive layer occur and, as a result, there is a sharp increase in the spread of electrical resistance in the bolometric matrix.

Использование термочувствительного слоя толщиной более 0,015 мкм нецелесообразно, так как свойства термочувствительного слоя приближаются к свойствам объемного материала, а следовательно, резко уменьшается температурный коэффициент электрического сопротивления до значений -0,25...-0,30%/°С.The use of a heat-sensitive layer with a thickness of more than 0.015 μm is impractical, since the properties of the heat-sensitive layer approach the properties of the bulk material, and therefore, the temperature coefficient of electrical resistance sharply decreases to values of -0.25 ...- 0.30% / ° C.

Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 и Фиг.2The invention is illustrated by drawings: Figure 1 and Figure 2

На Фиг.1 дано схематическое изображение предлагаемого болометрического резистивного элемента, гдеFigure 1 is a schematic representation of the proposed bolometric resistive element, where

- подложка из монокристаллического кремния - 1,- a substrate of single-crystal silicon - 1,

- схема считывания сигнала - 2,- signal reading circuit - 2,

- мембрана из диэлектрического материала - 3,- a membrane made of dielectric material - 3,

- термочувствительный слой из титана - 4,- heat-sensitive layer of titanium - 4,

- зазор между мембраной и подложкой - 5,- the gap between the membrane and the substrate is 5,

- опоры из электропроводящего материала - 6,- supports of conductive material - 6,

- щель в мембране - 7.- the gap in the membrane is 7.

На Фиг.2 дано схематическое изображение варианта предлагаемого болометрического резистивного элемента, гдеFigure 2 is a schematic illustration of a variant of the proposed bolometric resistive element, where

- слой, отражающий ИК-излучение, - 8,- a layer reflecting infrared radiation, - 8,

- слой, поглощающий ИК-излучение, - 9.- a layer that absorbs infrared radiation, - 9.

Пример 1.Example 1

Выполнение предлагаемого болометрического резистивного элемента рассмотрено на примере изготовления матрицы болометрических элементов.The implementation of the proposed bolometric resistive element is considered on the example of manufacturing a matrix of bolometric elements.

Берут подложку из монокристаллического кремния - 1, например толщиной 300 мкм, и формируют в ней схему считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки - 2, применяя стандартные процессы изготовления кремниевых структур. Затем на лицевой стороне подложки выполняют слой, отражающий ИК-излучение - 8, напылением слоя молибдена с поверхностным сопротивлением 70 Ом и последующим формированием рисунка слоя методами фотолитографии и плазмохимического травления. Затем на лицевую сторону подложки напыляют слой кремния толщиной 2,5 мкм, для последующего формирования зазора между мембраной и подложкой - 5. Затем формируют часть мембраны, расположенную под термочувствительным слоем - 4, напылением слоя диэлектрического материала, например оксида кремния толщиной 0,5 мкм. Затем формируют термочувствительный слой - 4, напылением слоя из нитрида титана толщиной 0,010 мкм и последующим формированием рисунка слоя методами фотолитографии и плазмохимического травления. Затем формируют часть мембраны, расположенную над термочувствительным слоем напылением слоя оксида кремния толщиной 0,1 мкм. Далее формируют слой 9, поглощающий инфракрасное излучение, напылением молибдена с поверхностным сопротивлением 300 Ом и последующим формированием рисунка слоя методами фотолитографии и плазмохимического травления. Далее формируют часть мембраны, расположенную над слоем, поглощающим инфракрасное излучение, напылением слоя оксида кремния толщиной 0,5 мкм.They take a substrate of monocrystalline silicon - 1, for example, 300 microns thick, and form a signal reading circuit with an electric output on the front side of the substrate - 2, using standard processes for manufacturing silicon structures. Then, on the front side of the substrate, a layer is made that reflects IR radiation - 8, by sputtering a molybdenum layer with a surface resistance of 70 Ohms and then forming a layer pattern by photolithography and plasma-chemical etching. Then, a silicon layer 2.5 μm thick is sprayed onto the front side of the substrate, for the subsequent formation of a gap between the membrane and the substrate - 5. Then form the part of the membrane located under the heat-sensitive layer - 4, by spraying a layer of dielectric material, for example, silicon oxide 0.5 μm thick . Then a thermosensitive layer - 4 is formed by sputtering a layer of titanium nitride with a thickness of 0.010 μm and subsequent formation of a layer pattern by photolithography and plasma-chemical etching. Then form the part of the membrane located above the heat-sensitive layer by spraying a layer of silicon oxide with a thickness of 0.1 μm. Next, a layer 9 is formed that absorbs infrared radiation by sputtering molybdenum with a surface resistance of 300 Ohms and then forming a layer pattern by photolithography and plasma-chemical etching. Next, a part of the membrane is formed located above the infrared absorbing layer by sputtering a layer of silicon oxide with a thickness of 0.5 μm.

Далее формируют опоры 6. Для чего в мембране методами фотолитографии, плазмохимического и химического травления формируют отверстия под опоры и технологические отверстия 7. Напыляют алюминий толщиной 1 мкм и методами фотолитографии, плазмохимического и химического травления формируют рисунок опор. Через технологические отверстия 7 в мембране методом плазмохимического травления вытравливают кремний, расположенный между мембраной и отражающим слоем. В результате чего между мембраной и подложкой формируется зазор 5 толщиной 2,5 мкм.Further, supports 6 are formed. For this purpose, holes for supports and technological holes are formed in the membrane using photolithography, plasma-chemical and chemical etching methods. Aluminum is sprayed with a thickness of 1 μm and photolithography, plasma-chemical and chemical etching is used to form the supports pattern. Silicon located between the membrane and the reflective layer is etched through the technological holes 7 in the membrane by plasma-chemical etching. As a result, a gap 5 with a thickness of 2.5 μm is formed between the membrane and the substrate.

Пример 2-5.Example 2-5.

Изготавливают болометрический резистивный элемент как в примере 1, но с иной толщиной термочувствительного слоя из нитрида титана, как указанной в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящей за ее пределы (примеры 4-5).A bolometric resistive element is made as in example 1, but with a different thickness of the heat-sensitive layer of titanium nitride, both indicated in the claims (examples 2-3), and beyond (examples 4-5).

На полученных образцах измеряют температурный коэффициент электрического сопротивления.On the obtained samples measure the temperature coefficient of electrical resistance.

Полученные результаты измерений приведены в таблицеThe obtained measurement results are shown in the table

ТаблицаTable Номер п/пNumber p / p Толщина термочувствительного слоя из нитрида титана, мкмThe thickness of the heat-sensitive layer of titanium nitride, microns Результаты измеренийMeasurement results Температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя из нитрида титана, %/°СTemperature coefficient of electrical resistance of a thermosensitive titanium nitride layer,% / ° С Разброс электрического сопротивления термочувствительного слоя из нитрида титана в болометрической матрице, %The dispersion of the electrical resistance of the heat-sensitive layer of titanium nitride in the bolometric matrix,% 11 0,0100.010 -1,06-1.06 5%5% 22 0,0150.015 -1,00-1.00 5%5% 33 0,0030.003 -1,27-1.27 5%5% 44 0,0020.002 -1,27-1.27 20%20% 55 0,0200,020 -0,25-0.25 5%5%

Как видно из таблицы, болометрические резистивные элементы, выполненные по предложенной конструкции и с толщиной термочувствительного слоя из нитрида титана в пределах, указанных в формуле изобретения (примеры 1-3), имеют высокий температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя равный -1,00...-1,27%/°С, при малом разбросе электрического сопротивления термочувствительного слоя в болометрической матрице, равном не более 5%.As can be seen from the table, bolometric resistive elements made according to the proposed design and with a thickness of the heat-sensitive layer of titanium nitride within the limits specified in the claims (examples 1-3) have a high temperature coefficient of electrical resistance of the heat-sensitive layer equal to -1.00 .. .-1.27% / ° С, with a small dispersion of the electrical resistance of the heat-sensitive layer in the bolometric matrix, equal to not more than 5%.

Болометрические резистивные элементы, выполненные с толщиной термочувствительного слоя из нитрида титана, выходящей за пределы, указанные в формуле изобретения, имеют в случае (пример 4) высокий температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя, равный -1,27%/°С, но большой разброс электрического сопротивления термочувствительного слоя в болометрической матрице, равный 20%, а в случае (пример 5) имеют малый разброс электрического сопротивления термочувствительного слоя в болометрической матрице, равный не более 5%, но низкий температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя, равный - 0,25%/°С.Bolometric resistive elements made with a thickness of the thermally sensitive layer of titanium nitride, exceeding the limits specified in the claims, have in the case (example 4) a high temperature coefficient of electrical resistance of the thermally sensitive layer, equal to -1.27% / ° C, but a large spread the electrical resistance of the heat-sensitive layer in the bolometric matrix, equal to 20%, and in the case (example 5) have a small variation in the electrical resistance of the heat-sensitive layer in the bolometric matrix, not equal to more than 5%, but a low temperature coefficient of electrical resistance of the heat-sensitive layer, equal to 0.25% / ° C.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

ИК-излучение от источника излучения падает перпендикулярно на мембрану 3, часть которого поглощается мембраной, а часть проходит сквозь мембрану. При этом слой 9, поглощающий ИК-излучение, расположенный внутри мембраны, увеличивает поглощающие свойства мембраны. Часть ИК-излучения, прошедшая сквозь мембрану, попадает на слой 8, отражающий ИК-излучение, расположенный на лицевой поверхности подложки из монокристаллического кремния - 1, отражается от нее и снова попадает на мембрану и поглощается ею.Infrared radiation from the radiation source falls perpendicular to the membrane 3, part of which is absorbed by the membrane, and part passes through the membrane. In this case, the infrared absorbing layer 9 located inside the membrane increases the absorbing properties of the membrane. Part of the infrared radiation transmitted through the membrane enters the layer 8, which reflects infrared radiation, located on the front surface of a single-crystal silicon substrate 1, is reflected from it and again enters the membrane and is absorbed by it.

Вследствие поглощения мембраной ИК-излучения меняется температура мембраны, что приводит к изменению электрического сопротивления термочувствительного слоя, которое регистрируется схемой считывания сигнала - 2.Due to the absorption of infrared radiation by the membrane, the temperature of the membrane changes, which leads to a change in the electrical resistance of the heat-sensitive layer, which is recorded by the signal reading circuit - 2.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить чувствительность болометрического резистивного элемента за счет увеличения температурного коэффициента электрического сопротивления термочувствительного слоя при сохранении высокой обнаружительной способности, малого разброса электрического сопротивления термочувствительного слоя и низкой стоимости изготовления.Thus, the present invention will increase the sensitivity of the bolometric resistive element by increasing the temperature coefficient of the electrical resistance of the heat-sensitive layer while maintaining a high detection ability, a small dispersion of the electrical resistance of the heat-sensitive layer and low manufacturing cost.

Температурный коэффициент электрического сопротивления термочувствительного слоя увеличен с 0,25%/°С (прототип) до -1,00...-1,27%/°С (предлагаемое изобретение).The temperature coefficient of electrical resistance of the heat-sensitive layer is increased from 0.25% / ° C (prototype) to -1.00 ...- 1.27% / ° C (the present invention).

Предлагаемый болометрический резистивный элемент обеспечит создание многоэлементных приемников излучения в виде линеек и матриц фокальной плоскости с низкой стоимостью. Такие приемники позволят реализовать неохлаждаемые устройства ПК-диапазона - датчики для экологического мониторинга местности, тепловизоры с однокоординатным оптико-механическим сканированием для технической и медицинской диагностики и контроля объектов энергетики.The proposed bolometric resistive element will provide the creation of multi-element radiation detectors in the form of rulers and focal plane arrays with low cost. Such receivers will make it possible to implement uncooled PC-range devices - sensors for environmental monitoring of the area, thermal imagers with single-axis optical-mechanical scanning for technical and medical diagnostics and monitoring of energy facilities.

Источники информацииSources of information

1. Обзор. И.А.Хребтов., В.Г.Маляро. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники ИК-излучения, «Оптический журнал», том 64, №6, 1997 г., г. Москва.1. Review. I.A. Khrebtov., V.G. Malyaro. Uncooled thermal matrix receivers of infrared radiation, Optical Journal, Volume 64, No. 6, 1997, Moscow.

2. Н.Jerominek, F.Picard, N.R.Swart at el. Micromachined, uncooled, VO2-based IR bolometric arrays // Proc. of SPIE. - 1996. - V.2746. - p.60-71.2. H. Jerominek, F. Picard, NRSwart at el. Micromachined, uncooled, VO 2 -based IR bolometric arrays // Proc. of SPIE. - 1996. - V.2746. - p.60-71.

3. Masashi Ueno, Osamu Kaneda, Tomohiro Ishikawa e.a. / SPIE Vol.2552, p.636-643.3. Masashi Ueno, Osamu Kaneda, Tomohiro Ishikawa e.a. / SPIE Vol. 2552, p. 636-643.

4. Infrared Focal Plane Array Incorporating Silicon IC Process Compatible Bolometer / Akio Tanaka, Shouhei Matsumoto, Nanao Tsukamoto e.a. / IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1996, Vol.43, No.11, p.1844-1848.4. Infrared Focal Plane Array Incorporating Silicon IC Process Compatible Bolometer / Akio Tanaka, Shouhei Matsumoto, Nanao Tsukamoto e.a. / IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1996, Vol. 43, No.11, p. 1844-1848.

Claims (2)

1. Болометрический резистивный элемент для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения, включающий подложку из монокристаллического кремния, внутри которой выполнена схема считывания сигнала с электрическим выходом на лицевую сторону подложки и мембрану из диэлектрического материала, расположенную над лицевой стороной подложки с зазором, обеспечивающим тепловую изоляцию мембраны от подложки, при этом мембрана соединена со схемой считывания сигнала опорами, выполненными из электропроводящего материала и расположенными по диагонали мембраны, внутри мембраны выполнен термочувствительный слой из резистивного материала, отличающийся тем, что термочувствительный слой выполнен из нитрида титана толщиной 0,003...0,015 мкм.1. A bolometric resistive element for uncooled infrared radiation detectors, including a single-crystal silicon substrate, inside of which there is a signal reading circuit with an electrical output on the front side of the substrate and a membrane of dielectric material located above the front side of the substrate with a gap that provides thermal insulation of the membrane from the substrate while the membrane is connected to the signal reading circuit with supports made of electrically conductive material and arranged along onali membrane inside the membrane is made of heat-sensitive resistive material layer, characterized in that the heat-sensitive layer is made of titanium nitride thickness of 0.003 ... 0.015 um. 2. Болометрический резистивный элемент по п.1, отличающийся тем, что на лицевой стороне подложки выполнен слой, отражающий инфракрасное излучение, а внутри мембраны над термочувствительным слоем и отделенным от него диэлектрическим слоем мембраны выполнен слой, поглощающий инфракрасное излучение, при этом расстояние между термочувствительным и поглощающим слоями обеспечивает электрическую изоляцию между ними и определяется диэлектрическим материалом мембраны, а оптическое расстояние между слоями, отражающим и поглощающим инфракрасное излучение, равно 1/4 длины волны поглощаемого излучения.2. The bolometric resistive element according to claim 1, characterized in that the infrared reflecting layer is made on the front side of the substrate, and the infrared absorbing layer is made inside the membrane above the heat-sensitive layer and the membrane dielectric layer separated from it, the distance between the heat-sensitive and absorbing layers provides electrical isolation between them and is determined by the dielectric material of the membrane, and the optical distance between the layers, reflecting and absorbing infrared radiation, equal to 1/4 of the wavelength of the absorbed radiation.
RU2004100900/28A 2004-01-09 2004-01-09 Bolometric resistive element RU2258207C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004100900/28A RU2258207C1 (en) 2004-01-09 2004-01-09 Bolometric resistive element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004100900/28A RU2258207C1 (en) 2004-01-09 2004-01-09 Bolometric resistive element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004100900A RU2004100900A (en) 2005-07-20
RU2258207C1 true RU2258207C1 (en) 2005-08-10

Family

ID=35842116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004100900/28A RU2258207C1 (en) 2004-01-09 2004-01-09 Bolometric resistive element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2258207C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2468346C2 (en) * 2007-05-29 2012-11-27 Пайриос Лтд. Device having membrane structure for detecting thermal radiation, method for production and use thereof
RU2662025C2 (en) * 2008-10-07 2018-07-23 Юлис Electromagnetic radiation detector with micro-encapsulation, and device for detecting electromagnetic radiation using such detectors
RU2785895C1 (en) * 2022-03-21 2022-12-14 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Bolometer, heat sensor, thermal visor, bolometer operation method, heat sensor operation method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AKIO TANAKA E.A.Infrared Focal Plane Array Incorporating Silicon IC Process Compatible Bolometer. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES. 1996, vol.43, no.11, pp.1844-1848. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2468346C2 (en) * 2007-05-29 2012-11-27 Пайриос Лтд. Device having membrane structure for detecting thermal radiation, method for production and use thereof
RU2662025C2 (en) * 2008-10-07 2018-07-23 Юлис Electromagnetic radiation detector with micro-encapsulation, and device for detecting electromagnetic radiation using such detectors
RU2662025C9 (en) * 2008-10-07 2018-11-21 Юлис Electromagnetic radiation detector with micro-encapsulation, and device for detecting electromagnetic radiation using such detectors
RU2785895C1 (en) * 2022-03-21 2022-12-14 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Bolometer, heat sensor, thermal visor, bolometer operation method, heat sensor operation method
RU2790003C1 (en) * 2022-09-12 2023-02-14 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Bolometer, heat sensor, thermal visor, bolometer operation method, heat sensor operation method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004100900A (en) 2005-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4654622A (en) Monolithic integrated dual mode IR/mm-wave focal plane sensor
KR0135119B1 (en) Infrared detector
USRE36615E (en) Use of vanadium oxide in microbolometer sensors
JP5684487B2 (en) Bolometer detector for detecting electromagnetic radiation in the infrared to terahertz frequency band, and array detection apparatus having such a detector
EP1715315B1 (en) Bolometric detector, device for the detection of submillimetric and millimetric electromagnetic waves using said detector
KR101910573B1 (en) Infrared detector including broadband light absorber
US5021663A (en) Infrared detector
US6316770B1 (en) Thermal detector with bolometric effect amplification
US7288765B2 (en) Device for detecting infrared radiation with bolometric detectors
JP2856180B2 (en) Thermal type infrared detecting element and manufacturing method thereof
US7544942B2 (en) Thermal detector for electromagnetic radiation and infrared detection device using such detectors
JP2004527731A (en) High absorption broadband pixels for bolometer arrays
JP6180839B2 (en) Bolometer detector for electromagnetic radiation in the terahertz region and array detector including such a detector
US9261411B2 (en) Uncooled microbolometer detector and array for terahertz detection
CN101063630A (en) Infrared detector structure based on micro-bridge resonator and manufacturing method
JP2016070935A (en) Bolometric detector having mim structure of different dimensions
JP2756730B2 (en) Use of AB ▲ ×× in microbolometer sensor
Jerominek et al. Micromachined VO2-based uncooled IR bolometric detector arrays with integrated CMOS readout electronics
RU2258207C1 (en) Bolometric resistive element
CN110783354B (en) Terahertz signal detector and preparation method thereof
CN106672891A (en) Double-layer uncooled infrared detector structure and preparation method thereof
US6531699B1 (en) Heat detector with a limited angle of vision
Sesek et al. A microbolometer system for radiation detection in the THz frequency range with a resonating cavity fabricated in the CMOS technology
JP2000111396A (en) Infrared detecting element and its manufacture
US7633065B2 (en) Conduction structure for infrared microbolometer sensors

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20160225

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190110