RU2792925C1

RU2792925C1 - Bolometric receiver of terahertz radiation

Info

Publication number: RU2792925C1
Application number: RU2022114580A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Павлов; Александр Александрович Дудин; Дмитрий Владимирович Щеглов; Михаил Алексеевич Демьяненко; Ольга Ивановна Семенова; Сергей Владимирович Родякин; Дмитрий Александрович Насимов; Сергей Васильевич Ситников; Дмитрий Игоревич Рогило; Людмила Ивановна Федина; Александр Леонидович Асеев; Александр Васильевич Латышев
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2023-03-28

Abstract

FIELD: radiation receivers.

SUBSTANCE: invention relates to the field of radiation receivers and relates to a bolometric radiation receiver in the terahertz range. The radiation receiver contains a housing in which a substrate with a reading circuit is placed, connected to a matrix of microbolometric receivers forming pixels, which performs the function of an input window that passes the registered radiation to the microbolometers. Thermally sensitive membranes of microbolometric receivers are placed at a distance relative to the substrate with a readout circuit more than 10 times less than the wavelength of the detected radiation and are formed by a system of layers, including a thermally sensitive element and a radiation absorber. A broadband absorber is placed opposite the array of microbolometric receivers.

EFFECT: ensuring the absence of areas of low, close to zero, sensitivity of the bolometric receiver in the wavelength range from 30 µm to 1 mm.

9 cl, 5 dwg

Description

Техническое решение относится к полупроводниковым приборам, в частности, к приборам, детектирующим терагерцовое излучение, и может быть использовано при создании болометрических приемников, чувствительных в терагерцовой (ТГц) области спектра, для различных приложений, включая безопасность, спектроскопию, медицину, коммуникацию и космос.The technical solution relates to semiconductor devices, in particular, to devices that detect terahertz radiation, and can be used to create bolometric receivers sensitive in the terahertz (THz) region of the spectrum for various applications, including security, spectroscopy, medicine, communications and space.

Известен болометрический приемник терагерцового излучения (патент US 7557349 на изобретение, публикация - 07.07.2009). Указанный приемник содержит: подложку со схемой считывания; матрицу микроболометров, связанную с подложкой, при этом каждый из микроболометров, образуя пиксель, выполнен в составе расположенной напротив указанной подложки термочувствительной мембраны, электрически связанной со схемой считывания; поддерживающей части, установленной на указанной подложке для позиционирования с зазором относительно подложки указанной термочувствительной мембраны, которая сформирована системой слоев, включающей термочувствительный элемент и поглотитель излучения, выполненный с возможностью падения на него регистрируемого излучения; отражатель, выполненный для каждого микроболометра, сформированный в виде слоя на поверхности указанной подложки и расположенный напротив термочувствительной мембраны с возможностью образования оптического резонатора между отражателем и термочувствительной мембраной; электропроводящие шины, соединяющие схему считывания и термочувствительный элемент; диэлектрический элемент в форме сплошной пластины, расположенный относительно матрицы микроболометров с зазором, величина которого кратна половине длины волны детектируемого излучения, с возможностью формирования дополнительного оптического резонатора, между диэлектрическим элементом и термочувствительной мембраной. Диэлектрический элемент, например, может быть выполнен на основе пластины высокоомного оптического кремния, просветленной с внешней стороны - со стороны падения на нее регистрируемого излучения. Слоевое сопротивление поглотителя излучения с целью достижения максимального коэффициента поглощения выбрано с учетом длины волны детектируемого излучения и величины расстояния между отражателем и поглотителем излучения.Known bolometric receiver terahertz radiation (patent US 7557349 for the invention, publication - 07.07.2009). The specified receiver contains: a substrate with a reading circuit; a matrix of microbolometers associated with the substrate, wherein each of the microbolometers, forming a pixel, is made as part of a temperature-sensitive membrane located opposite the specified substrate, electrically connected to the readout circuit; a supporting part installed on the specified substrate for positioning with a gap relative to the substrate of the specified temperature-sensitive membrane, which is formed by a system of layers, including a temperature-sensitive element and a radiation absorber, configured to fall on it registered radiation; a reflector made for each microbolometer, formed as a layer on the surface of said substrate and located opposite the temperature-sensitive membrane with the possibility of forming an optical resonator between the reflector and the temperature-sensitive membrane; electrically conductive tires connecting the reading circuit and the temperature-sensitive element; a dielectric element in the form of a solid plate located relative to the matrix of microbolometers with a gap, the value of which is a multiple of half the wavelength of the detected radiation, with the possibility of forming an additional optical resonator, between the dielectric element and the temperature-sensitive membrane. The dielectric element, for example, can be made on the basis of a plate of high-resistance optical silicon, coated from the outside - from the side of incidence of the recorded radiation on it. The sheet resistance of the radiation absorber in order to achieve the maximum absorption coefficient is chosen taking into account the wavelength of the detected radiation and the distance between the reflector and the radiation absorber.

Известно, что полное поглощение терагерцового излучения микроболометром в случае отсутствия диэлектрического элемента в форме сплошной пластины, расположенного относительно матрицы микроболометров с зазором, в частности, на длине волны λ=100 мкм, может быть достигнуто при величине зазора между поглотителем излучения и отражателем, равным λ/4=25 мкм, и при величине слоевого сопротивления поглотителя излучения, равной 377 Ом/квадрат. Зазоры в микроболометре величиной 25 мкм на практике трудно реализуемы и требуют дополнительной разработки технологии. Традиционная, хорошо отработанная, технология изготовления микроболометров для инфракрасного диапазона обеспечивает высокий процент выхода годных приемников излучения при величине зазора между поглотителем излучения и отражателем, составляющей от 1,5 до 2,5 мкм. Ориентация на применение традиционной технологии в микроболометрических приемниках ТГц диапазона, с обеспечением в микроболометре величины зазора указанного порядка, гарантирует высокий процент выхода годных изделий и их низкую себестоимость. С другой стороны, как показано в приведенном документе, при величине зазора, равной 2,5 мкм, при отсутствии дополнительного диэлектрического элемента в форме сплошной пластины максимальный коэффициент поглощения в микроболометре на длине волны λ=100 мкм может составлять около 30%, что достигается за счет понижения слоевого сопротивления поглотителя излучения до 50 Ом/квадрат. В целях повышения коэффициента поглощения в конструкцию устройства введен дополнительный конструктивный элемент - диэлектрический элемент в форме сплошной пластины, в результате чего сформирован дополнительный оптический резонатор за счет зазора между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины и термочувствительной мембраной микроболометра. Данная мера, как показано в опубликованной статье (Oda N., Sano M., Sonoda K., Yoneyama H., Kurashina S., Miyoshi M., Sasaki T., Hosako I., Sekine N., Sudou T., Ohkubo S. Development of Terahertz Focal Plane Arrays and Handy Camera // Proc. SPIE. 2011. Vol. 8012. P. 80121B) посредством проведенных расчетов зависимости коэффициента поглощения от расстояния между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины и поглотителем излучения микроболометра, может приводить к увеличению поглощения до 70 % или более, если ширина дополнительного оптического резонатора (величина зазора между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины и термочувствительной мембраной микроболометра) равна половине длины волны регистрируемого излучения.It is known that the complete absorption of terahertz radiation by a microbolometer in the absence of a dielectric element in the form of a solid plate located relative to the matrix of microbolometers with a gap, in particular, at a wavelength of λ=100 μm, can be achieved with a gap between the radiation absorber and the reflector equal to λ /4=25 μm, and when the value of the layer resistance of the radiation absorber, equal to 377 Ohm/square. Gaps in a microbolometer with a size of 25 μm are difficult to implement in practice and require additional development of technology. The traditional, well-established technology for manufacturing microbolometers for the infrared range provides a high percentage of the output of suitable radiation receivers with a gap between the radiation absorber and the reflector, which is from 1.5 to 2.5 μm. Orientation to the use of traditional technology in microbolometric receivers of the THz range, with the provision of a gap of the specified order in the microbolometer, guarantees a high percentage of yield of suitable products and their low cost. On the other hand, as shown in the above document, with a gap of 2.5 µm, in the absence of an additional dielectric element in the form of a solid plate, the maximum absorption coefficient in the microbolometer at a wavelength of λ=100 µm can be about 30%, which is achieved in by lowering the layer resistance of the radiation absorber to 50 Ohm/square. In order to increase the absorption coefficient, an additional structural element is introduced into the design of the device - a dielectric element in the form of a solid plate, as a result of which an additional optical resonator is formed due to the gap between the dielectric element in the form of a solid plate and the thermosensitive membrane of the microbolometer. This measure as shown in a published article (Oda N., Sano M., Sonoda K., Yoneyama H., Kurashina S., Miyoshi M., Sasaki T., Hosako I., Sekine N., Sudou T., Ohkubo S. Development of Terahertz Focal Plane Arrays and Handy Camera // Proc. SPIE. 2011. Vol. 8012. P. 80121B) through the calculations of the dependence of the absorption coefficient on the distance between the dielectric element in the form of a solid plate and the radiation absorber of the microbolometer, can lead to an increase in absorption to 70% or more if the width of the additional optical resonator (the gap between the dielectric element in the form of a solid plate and the thermosensitive membrane of the microbolometer) is equal to half the wavelength of the detected radiation.

Тем не менее, кардинальным недостатком рассматриваемого аналога является то, что вышеописанный болометрический приемник терагерцового излучения является узкополосным. Как можно показать расчетами спектральных зависимостей коэффициента поглощения (Демьяненко М.А., «Эффективные широкополосные приемники терагерцового излучения на основе болометров с тонким металлическим поглотителем», Журнал технической физики, 2018, том 88, выпуск 1, с.с. 121-126), при величине зазора между диэлектрическим элементом в форме сплошной пластины (который может выполнять функцию входного окна приемника, просветленного с внешней стороны) и поглотителем излучения, равном 50 мкм, наличие дополнительного резонатора приводит к повышению коэффициента поглощения вблизи волновых чисел k=1/λ≈100 см^-1 (что соответствует длинам волн излучения λ≈100 мкм) до 60-90 %, но при этом поглощение становится селективным (ширина пика поглощения на его полувысоте равна 40 см^-1). Таким образом, для устройства, предназначенного для детектирования широкополосного излучения с достижением нижеуказанного технического результата, конструкция, раскрытая в указанном патентном документе, не применима.However, the cardinal disadvantage of the analogue under consideration is that the above-described bolometric receiver of terahertz radiation is narrow-band. How can it be shown by calculations of the spectral dependences of the absorption coefficient (Demyanenko M.A., "Effective broadband receivers of terahertz radiation based on bolometers with a thin metal absorber", Journal of Technical Physics, 2018, volume 88, issue 1, pp. 121-126) , with a gap between the dielectric element in the form of a solid plate (which can serve as the input window of the receiver, coated from the outside) and the radiation absorber, equal to 50 μm, the presence of an additional resonator leads to an increase in the absorption coefficient near the wave numbers k = 1/λ≈ 100 cm ^-1 (which corresponds to radiation wavelengths λ≈100 μm) to 60-90%, but in this case the absorption becomes selective (the width of the absorption peak at its half-height is 40 cm ^-1 ). Thus, for a device designed to detect broadband radiation with the achievement of the following technical result, the design disclosed in the said patent document is not applicable.

В качестве ближайшего аналога принят болометрический приемник терагерцового излучения (Демьяненко М.А., «Эффективные широкополосные приемники терагерцового излучения на основе болометров с тонким металлическим поглотителем», Журнал технической физики, 2018, том 88, выпуск 1, с.с. 121-126). Указанный приемник содержит подложку со схемой считывания, связанную с подложкой со схемой считывания матрицу установленных с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой электрически связанных со схемой считывания микроболометров, образующих пиксели, при этом подложка со схемой считывания выполнена с возможностью реализации функции входного окна, с подачей излучения через окно и зазор на микроболометры для регистрации. Также приемник содержит выходное окно, при этом матрица микроболометров расположена между входным и выходным окнами. Выходное окно выполнено с зазором относительно матрицы микроболометров с возможностью образования дополнительного резонатора, функционирующего вследствие отражения излучения от выходного окна и от матрицы микроболометров, связанных с подложкой со схемой считывания. На поверхности выходного окна, обращенной к матрице микроболометров, может быть выполнен отражатель, повышающий эффективность дополнительного резонатора. На внешней поверхности входного окна может быть сформировано однослойное или многослойное просветляющее покрытие.A bolometric receiver of terahertz radiation was adopted as the closest analogue (Demyanenko M.A., “Effective broadband receivers of terahertz radiation based on bolometers with a thin metal absorber”, Journal of Technical Physics, 2018, volume 88, issue 1, pp. 121-126 ). Said receiver comprises a substrate with a reading circuit, connected to the substrate with a reading circuit, a matrix of microbolometers, which form pixels, installed with a gap between the thermosensitive membrane and the substrate, electrically connected to the reading circuit, while the substrate with the reading circuit is configured to implement the function of the input window, with the supply of radiation through the window and gap to microbolometers for registration. Also, the receiver contains an output window, while the array of microbolometers is located between the input and output windows. The output window is made with a gap relative to the array of microbolometers with the possibility of forming an additional resonator, which functions due to the reflection of radiation from the output window and from the array of microbolometers connected to the substrate with the readout circuit. On the surface of the output window facing the array of microbolometers, a reflector can be made to increase the efficiency of the additional resonator. On the outer surface of the input window, a single-layer or multi-layer antireflection coating can be formed.

Ближайшим аналогом не решается техническая проблема улучшения рабочих характеристик болометрического приемника, в частности, получения широкополосного болометрического приемника, характеризующегося диапазоном регистрируемых длин волн от 30 мкм до 1 мм, коэффициентом поглощения терагерцового излучения близким к максимально возможному, с матрицей микроболометров, выполняемой по традиционной технологии, с ограниченной (не превышающей 1,5-2,5 мкм) величиной зазора между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания, c которой связана термочувствительная мембрана.The closest analogue does not solve the technical problem of improving the performance of a bolometric receiver, in particular, obtaining a broadband bolometric receiver, characterized by a range of recorded wavelengths from 30 μm to 1 mm, an absorption coefficient of terahertz radiation close to the maximum possible, with a matrix of microbolometers, performed according to traditional technology, with a limited (not exceeding 1.5-2.5 µm) gap between the thermosensitive membrane of the microbolometer and the substrate with the reading circuit, to which the thermosensitive membrane is connected.

Конструкция приемника не обеспечивает гарантированного отсутствия областей малой, близкой к нулю, чувствительности болометрического приемника в диапазоне длин волн от 30 мкм до 1 мм.The design of the receiver does not guarantee the absence of areas of low, close to zero, sensitivity of the bolometric receiver in the wavelength range from 30 µm to 1 mm.

Спектральные зависимости коэффициента поглощения от волнового числа k показывают, что при определенных значениях расстояния между микроболометрами и отражателем, расположенным на поверхности выходного окна напротив матрицы микроболометров, могут быть глубокие минимумы коэффициента поглощения, обусловленные деструктивной интерференцией (снижающей коэффициент поглощения излучения за счет сложения электрических полей в противофазе) падающей и отраженной от отражателя электромагнитных волн. Например, при зазоре между микроболометрами и идеальным отражателем, равным 80 мкм, наблюдаются глубокие минимумы, соответствующие значениям волнового числа k: 0 см^-1; 62 см^-1; 125 см^-1; 187 см^-1; 250 см^-1 (см. Фиг. 1). Уменьшение зазора между микроболометрами и отражателем до 40 мкм, как видно из сравнения кривой 1 в случае зазора 40 мкм и кривой 2 в случае зазора 80 мкм, представленных на Фиг. 1, приводит к уменьшению количества минимумов (минимумы наблюдаются при k, равном: 0 см^-1; 125 см^-1 и 250 см^-1), при этом коэффициент поглощения на длинах волн близких к 1000 мкм (значение k близко к 10 см^-1) понижается с 0,6 до 0,4. При дальнейшем уменьшении величины зазора между микроболометрами и отражателем до 25 и 15 мкм, как указано в выше упомянутой статье, минимумы наблюдается при k=0 см^-1, k=200 см^-1 и k=0 см^-1, k=333 см^-1, соответственно, при этом коэффициент поглощения на длинах волн близких к 1000 мкм (значение k близко к 10 см^-1) понижается до значений близких к 0,25 или менее. Если отражатель на выходном окне не установлен или его функцию выполняет керамическое основание вакуумного корпуса, расположенное напротив входного окна, и соответствующий коэффициент отражения значительно меньше, чем единица, например, равен 0,46, то минимумы коэффициента поглощения на его спектральной зависимости, как продемонстрировано кривой 3 в случае отсутствия просветляющего покрытия на входном окне и кривой 4 в случае наличия просветляющего покрытия (см. Фиг. 2), становятся менее глубокими, чем в случае коэффициента отражения близкого к единице (см. Фиг. 1), однако остаются все-таки достаточно глубокими, не приемлемыми для широкополосного приемника.The spectral dependences of the absorption coefficient on the wave number k show that at certain distances between the microbolometers and the reflector located on the surface of the output window opposite the array of microbolometers, there can be deep minima of the absorption coefficient due to destructive interference (reducing the absorption coefficient of radiation due to the addition of electric fields in antiphase) incident and reflected from the reflector of electromagnetic waves. For example, when the gap between the microbolometers and the ideal reflector is 80 µm, deep minima are observed corresponding to the values of the wave number k : 0 cm ^-1 ; 62 cm ^-1 ; 125 cm ^-1 ; 187 cm ^-1 ; 250 cm ^-1 (see Fig. 1). The decrease in the gap between the microbolometers and the reflector to 40 µm, as can be seen from the comparison of curve 1 in the case of a gap of 40 µm and curve 2 in the case of a gap of 80 µm, shown in Fig. 1 leads to a decrease in the number of minima (minima are observed at k equal to: 0 cm ^-1 ; 125 cm ^-1 and 250 cm ^-1 ), while the absorption coefficient at wavelengths close to 1000 μm (the value of k is close to 10 cm ^{- 1} ) decreases from 0.6 to 0.4. With a further decrease in the gap between the microbolometers and the reflector to 25 and 15 μm, as indicated in the above article, the minima are observed at k = 0 cm ^-1 , k = 200 cm ^-1 and k = 0 cm ^-1 , k = 333 cm ^-1 , respectively, while the absorption coefficient at wavelengths close to 1000 μm (value of k close to 10 cm ^-1 ) is reduced to values close to 0.25 or less. If the reflector is not installed on the exit window, or its function is performed by the ceramic base of the vacuum case, located opposite the entrance window, and the corresponding reflection coefficient is much less than unity, for example, 0.46, then the minima of the absorption coefficient on its spectral dependence, as shown by the curve 3 in the absence of an antireflection coating on the input window and curve 4 in the case of an antireflection coating (see Fig. 2), become less deep than in the case of a reflection coefficient close to unity (see Fig. 1), but still remain deep enough, not acceptable for a wideband receiver.

Снижение величины поглощения на некоторых частотах, как указано в вышеупомянутой статье, дополнительно обусловлено ухудшением качества просветляющего покрытия на краях полос просветления.The decrease in the absorption value at some frequencies, as indicated in the above article, is additionally due to the deterioration of the quality of the antireflection coating at the edges of the antireflection bands.

Разработка болометрического приемника излучения терагерцового диапазона направлена на решение технической проблемы улучшения рабочих характеристик болометрического приемника и создания широкополосного болометрического приемника (с диапазоном регистрируемых длин волн от 30 мкм до 1 мм), обладающего коэффициентом поглощения терагерцового излучения близким к максимально возможному при применении традиционной технологии и использовании традиционных материалов для изготовления микроболометров, в частности, ограниченной (не превышающей 2,5 мкм) величине зазора между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания, с которой связана указанная мембрана, за счет достигаемого технического результата.The development of a bolometric receiver for terahertz radiation is aimed at solving the technical problem of improving the performance of a bolometric receiver and creating a broadband bolometric receiver (with a range of recorded wavelengths from 30 μm to 1 mm), which has an absorption coefficient of terahertz radiation close to the maximum possible when using traditional technology and using traditional materials for the manufacture of microbolometers, in particular, a limited (not exceeding 2.5 μm) gap between the thermosensitive membrane of the microbolometer and the substrate with the reading circuit, with which the specified membrane is connected, due to the achieved technical result.

Техническим результатом является гарантированное достижение отсутствия областей малой, близкой к нулю, чувствительности болометрического приемника в диапазоне длин волн от 30 мкм до 1 мм.The technical result is a guaranteed achievement of the absence of areas of low, close to zero, sensitivity of the bolometric receiver in the wavelength range from 30 μm to 1 mm.

Технический результат достигается тем, что болометрический приемник излучения терагерцового диапазона содержит корпус, в котором размещена подложка со схемой считывания, соединенная с матрицей микроболометрических приемников, образующих пиксели, выполняющая функцию входного окна, пропускающего регистрируемое излучение на микроболометры, термочувствительные мембраны микроболометрических приемников размещены на расстоянии относительно подложки со схемой считывания более чем в 10 раз меньшем длины волны регистрируемого излучения, и сформированы системой слоев, включающих термочувствительный элемент и поглотитель излучения, напротив матрицы микроболометрических приемников размещен широкополосный поглотитель.The technical result is achieved by the fact that the bolometric radiation receiver of the terahertz range contains a housing in which a substrate with a reading circuit is placed, connected to a matrix of microbolometric receivers forming pixels, which performs the function of an input window that passes the detected radiation to the microbolometers, the temperature-sensitive membranes of the microbolometric receivers are placed at a distance relative to substrates with a reading scheme more than 10 times smaller than the wavelength of the detected radiation, and are formed by a system of layers, including a temperature-sensitive element and a radiation absorber, a broadband absorber is placed opposite the array of microbolometric receivers.

В частном случае выполнения изобретения болометрический широкополосный поглотитель выполнен на внутренней стороне основания корпуса. В частном случае выполнения изобретения болометрический пширокополосный поглотитель расположен с обеспечением теплоизоляции от матрицы микроболометрических приемников. Широкополосный поглотитель может быть выполнен в виде слоя золотой черни или в виде слоя, образованного массивом вертикально ориентированных углеродных нанотрубок толщиной не менее 50 мкм. Если широкополосный поглотитель выполнен в виде сплошного слоя, образованного массивом вертикально ориентированных углеродных трубок, то внешний диаметр нанотрубок от 5 до 13 нм.In a particular case of the invention, the bolometric broadband absorber is made on the inside of the housing base. In a particular case of the invention, the bolometric broadband absorber is located to provide thermal insulation from the array of microbolometric receivers. The broadband absorber can be made in the form of a layer of gold black or in the form of a layer formed by an array of vertically oriented carbon nanotubes with a thickness of at least 50 μm. If the broadband absorber is made in the form of a continuous layer formed by an array of vertically oriented carbon tubes, then the outer diameter of the nanotubes is from 5 to 13 nm.

В частном случае выполнения изобретения болометрический подложка со схемой считывания выполнена из высокоомного кремния, а схема считывания сконфигурирована с возможностью расположения ее элементов в межпиксельном пространстве матрицы микроболометрических приемников.In a particular case of the invention, the bolometric substrate with the readout circuit is made of high-resistance silicon, and the readout circuit is configured to locate its elements in the interpixel space of the array of microbolometric receivers.

Болометрический приемник излучения может быть оснащен дополнительно фокусирующей линзой из высокоомного кремния, соединенной с подложкой со схемой считывания. Подложка со схемой считывания может быть снабжена просветляющим покрытием с внешней стороны.The bolometric radiation detector can be equipped with an additional focusing lens made of high-resistance silicon connected to the substrate with the readout circuit. The substrate with the reading circuit can be provided with an antireflection coating on the outside.

Болометрический приемник согласно изобретению содержит подложку со схемой считывания, связанную с подложкой со схемой считывания матрицу установленных с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой электрически связанных со схемой считывания микроболометров, образующих пиксели, при этом подложка со схемой считывания выполнена с возможностью реализации функции входного окна, с подачей излучения через окно и зазор на микроболометры для регистрации, при этом в приемнике выполнен корпус с указанным входным окном, в корпусе напротив матрицы микроболометров с возможностью теплоизоляции от микроболометров реализован широкополосный поглотитель. В приемнике выполнен корпус с возможностью его герметизации. В приемнике пропускающее регистрируемое излучение входное окно, функция которого реализована подложкой со схемой считывания, с которой связана матрица микроболометров, с возможностью подачи излучения на микроболометры для регистрации, получено тем, что использована подложка из высокоомного кремния, а схема считывания сконфигурирована с возможностью расположения ее элементов в межпиксельном пространстве, обеспечивая беспрепятственный доступ регистрируемого излучения для поглощения микроболометрами.The bolometric receiver according to the invention comprises a substrate with a reading circuit, connected to the substrate with a reading circuit, a matrix of microbolometers, which form pixels, installed with a gap between the thermosensitive membrane and the substrate, electrically connected to the reading circuit, wherein the substrate with the reading circuit is configured to implement the function of an input window, with by supplying radiation through the window and the gap to the microbolometers for registration, while the receiver has a housing with the specified input window, in the housing opposite the matrix of microbolometers with the possibility of thermal insulation from microbolometers, a broadband absorber is implemented. The receiver has a housing with the possibility of its sealing. In the receiver, the input window that transmits the registered radiation, the function of which is implemented by a substrate with a reading circuit, to which the array of microbolometers is connected, with the possibility of supplying radiation to the microbolometers for registration, is obtained by using a high-resistance silicon substrate, and the reading circuit is configured with the possibility of arranging its elements in the interpixel space, providing unhindered access of the registered radiation for absorption by microbolometers.

В приемнике в корпусе напротив матрицы микроболометров с возможностью теплоизоляции от микроболометров реализован широкополосный поглотитель, выполненный в виде слоя золотой черни или в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, расположенного в пространстве между матрицей микроболометров и выполненным напротив входного окна основанием корпуса, с зазором относительно матрицы микроболометров для обеспечения теплоизоляции.In the receiver in the housing opposite the matrix of microbolometers with the possibility of thermal insulation from microbolometers, a broadband absorber is implemented, made in the form of a layer of gold black or in the form of a layer formed by an array of carbon nanotubes, located in the space between the matrix of microbolometers and the base of the housing, made opposite the entrance window, with a gap relative to the matrix microbolometers to provide thermal insulation.

В приемнике широкополосный поглотитель в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, реализован массивом углеродных нанотрубок, образующим слой, с пространственной ориентацией нанотрубок, характеризующейся расположением осей цилиндрических нанотрубок перпендикулярно плоскостям, задающим толщину слоя, образуемого массивом углеродных нанотрубок, указанный слой выполнен толщиной 50 мкм или более, внешний диаметр нанотрубок равен от 5 до 13 нм, удельное сопротивление вдоль слоя равно от 0,02 до 4 Ом⋅см, плотность слоя равна от 20 до 30 мг/см³, включая значения указанных интервалов, при этом толщина широкополосного поглотителя согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции.In the receiver, a broadband absorber in the form of a layer formed by an array of carbon nanotubes is implemented by an array of carbon nanotubes that forms a layer with a spatial orientation of nanotubes characterized by the arrangement of the axes of cylindrical nanotubes perpendicular to the planes that sets the thickness of the layer formed by an array of carbon nanotubes, the specified layer is made with a thickness of 50 μm or more, the outer diameter of the nanotubes is from 5 to 13 nm, the resistivity along the layer is from 0.02 to 4 Ohm⋅cm, the layer density is from 20 to 30 mg/cm ³ , including the values of the indicated intervals, while the thickness of the broadband absorber is consistent subject to the presence of the specified gap to ensure thermal insulation.

В приемнике широкополосный поглотитель в виде слоя золотой черни, реализован массивом высокопористого материала, образованного случайно организованными наноцепями, состоящими из наночастиц золота разного размера, указанный слой выполнен толщиной 50 мкм или более, удельное сопротивление равно от 0,02 до 4 Ом⋅см, диаметр наночастиц золота равен от 5 до 30 нм, плотность слоя равна от 65 до 200 мг/см³, включая значения указанных интервалов, при этом толщина широкополосного поглотителя согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции.In the receiver, a broadband absorber in the form of a layer of gold black is implemented by an array of highly porous material formed by randomly organized nanochains consisting of gold nanoparticles of different sizes, this layer is made 50 µm thick or more, the resistivity is from 0.02 to 4 Ohm⋅cm, the diameter gold nanoparticles is from 5 to 30 nm, the layer density is from 65 to 200 mg/cm ³ , including the values of the indicated intervals, while the thickness of the broadband absorber is consistent with the condition of the presence of the specified gap to provide thermal insulation.

В приемнике в связанной с подложкой со схемой считывания матрице установленных с зазором относительно подложки электрически связанных со схемой считывания микроболометров каждый из микроболометров выполнен в составе расположенной напротив указанной подложки термочувствительной мембраны, поддерживающей части, установленной на указанной подложке для позиционирования с зазором относительно подложки указанной термочувствительной мембраны, которая сформирована системой слоев, включающей термочувствительный элемент, электрически связанный электропроводящими шинами со схемой считывания, и поглотитель излучения, выполненный с возможностью поглощения регистрируемого излучения после его прохождения последовательно через подложку со схемой считывания, выполняющую функцию входного окна, и зазор.In the receiver, in a matrix connected to the substrate with a reading circuit, electrically connected with the reading circuit, each of the microbolometers is installed with a gap relative to the substrate, and each of the microbolometers is made as part of a temperature-sensitive membrane located opposite the specified substrate, the supporting part installed on the specified substrate for positioning with a gap relative to the substrate of the specified temperature-sensitive membrane , which is formed by a system of layers, including a temperature-sensitive element electrically connected by electrically conductive tires with a reading circuit, and a radiation absorber configured to absorb the detected radiation after it passes sequentially through the substrate with the reading circuit, which acts as an input window, and a gap.

В приемнике снаружи корпуса с входным окном состыкована фокусирующая линза из высокоомного кремния.A focusing lens made of high-resistance silicon is docked in the receiver outside the housing with the input window.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The essence of the invention is illustrated by the following description and the attached figures.

На Фиг. 1 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения, выполненного с использованием совпадающей с ближайшим аналогом конструктивной реализации и содержащего вакуумный корпус, основание которого, расположенное напротив входного окна, изготовлено из металла и его коэффициент отражения близок к единице, а микроболометры реализованы с зазором между термочувствительной мембраной и входным окном - подложкой со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя излучения в термочувствительной мембране, равным 100 Ом/квадрат, с величиной зазора между термочувствительной мембраной каждого из микроболометров и основанием изготовленного из металла вакуумного корпуса, расположенным напротив входного окна, равной 40 мкм или 80 мкм, с подложкой со схемой считывания, выполненной из высокоомного оптического кремния и снабженной трехслойным просветляющим покрытием с ее внешней стороны: показатели преломления n просветляющих слоев равны, соответственно, 2,5; 1,84 и 1,36, уменьшаясь с удалением от подложки, а их толщины заданы соотношением 40/n мкм, где: 1 - кривая в случае зазора 40 мкм; 2 - кривая в случае зазора 80 мкм.On FIG. Figure 1 shows the spectral dependences of the absorption coefficient of a broadband bolometric terahertz radiation receiver, made using the same design as the closest analogue and containing a vacuum case, the base of which, located opposite the input window, is made of metal and its reflection coefficient is close to unity, and the microbolometers are implemented with a gap between the temperature-sensitive membrane and the input window - the substrate with a reading scheme of 2 μm, with a layer resistance of the radiation absorber layer in the temperature-sensitive membrane, equal to 100 Ohm/square, with a gap between the temperature-sensitive membrane of each of the microbolometers and the base of the vacuum housing made of metal, located opposite the input window, equal to 40 μm or 80 μm, with a substrate with a reading circuit made of high-resistance optical silicon and provided with a three-layer antireflection coating on its outer side: the refractive indices of n antireflection layers are, respectively, 2.5; 1.84 and 1.36, decreasing with distance from the substrate, and their thicknesses are given by the ratio 40/ n µm, where: 1 - curve in the case of a gap of 40 µm; 2 - curve in the case of a gap of 80 μm.

На Фиг. 2 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения, выполненного с использованием совпадающей с ближайшим аналогом конструктивной реализации и содержащего вакуумный корпус, основание которого, расположенное напротив входного окна, выполнено из керамики и его коэффициент отражения равен 0,46, а микроболометры реализованы с зазором между термочувствительной мембраной и входным окном - подложкой со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя в термочувствительной мембране, равным 100 Ом/квадрат, с величиной зазора между термочувствительной мембраной каждого из микроболометров и основанием изготовленного из металла вакуумного корпуса, расположенным напротив входного окна, равной 40 мкм, с подложкой со схемой считывания, выполненной из высокоомного оптического кремния без просветляющего с ее внешней стороны покрытия или снабженной трехслойным просветляющим покрытием с ее внешней стороны: показатели преломления n просветляющих слоев равны, соответственно, 2,5; 1,84 и 1,36, уменьшаясь с удалением от подложки, а их толщины заданы соотношением 40/n мкм, где: 3 - кривая в случае отсутствия просветляющего покрытия; 4 - кривая в случае наличия просветляющего покрытия.On FIG. Figure 2 shows the spectral dependences of the absorption coefficient of a broadband bolometric receiver of terahertz radiation, made using the same design as the closest analogue and containing a vacuum case, the base of which, located opposite the input window, is made of ceramic and its reflection coefficient is 0.46, and the microbolometers are implemented with with a gap between the thermosensitive membrane and the input window - substrate with a reading circuit equal to 2 μm, with a layer resistance of the absorber layer in the thermosensitive membrane equal to 100 Ohm/square, with the gap between the thermosensitive membrane of each of the microbolometers and the base of the vacuum case made of metal, located opposite the input window, equal to 40 μm, with a substrate with a reading circuit made of high-resistance optical silicon without an antireflection coating on its outer side or equipped with a three-layer antireflection coating on its outer side: the refractive indices of n antireflection layers are, respectively, 2.5; 1.84 and 1.36, decreasing with distance from the substrate, and their thicknesses are given by the ratio 40 /n μm, where: 3 - curve in the absence of an antireflection coating; 4 - curve in the case of an antireflection coating.

На Фиг. 3 схематически представлена конструкция предлагаемого болометрического приемника излучения терагерцового диапазона.On FIG. 3 schematically shows the design of the proposed bolometric receiver of radiation in the terahertz range.

На Фиг. 4 схематически показан принцип конструктивного построения болометрического приемника - традиционного типа а и инвертированного типа б, где: d - термочувствительный элемент; a - поглотитель излучения; l - поддерживающая часть; r - отражатель; w1 - подложка со схемой считывания; w2 - входное окно болометрического приемника традиционного типа; w3 - выходное окно болометрического приемника инвертированного типа; AR - антиотражающее покрытие (просветляющее покрытие); g1 - зазор между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания; g2 - зазор между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа; g3 - зазор между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа.On FIG. 4 schematically shows the principle of constructive construction of a bolometric receiver - traditional type a and inverted type b , where: d - temperature-sensitive element; a - radiation absorber; l - supporting part; r - reflector; w 1 - substrate with a reading circuit; w 2 - input window of the bolometric receiver of the traditional type; w 3 - output window of the bolometric receiver of the inverted type; AR - anti-reflective coating (AR coating); g 1 - gap between the thermosensitive membrane and the substrate with the reading circuit; g 2 - the gap between the microbolometer and the input window of the bolometric receiver of the traditional type; g 3 - gap between the microbolometer and the output window of the inverted bolometric receiver.

На Фиг. 5 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения предлагаемого широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения инвертированного типа, в котором основание вакуумируемого и герметизированного корпуса, расположенное напротив входного окна снабжено широкополосным поглотителем в виде слоя золотой черни или в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, обладающим коэффициентом отражения регистрируемого излучения близким к нулю, а микроболометры матрицы реализованы с зазором термочувствительной мембраны относительно входного окна - подложки со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя излучения в термочувствительной мембране 100 Ом/квадрат, с зазором между термочувствительной мембраной и широкополосным поглотителем, выполненным на основании корпуса, расположенном напротив матрицы микроболометров, равным 40 мкм, с подложкой со схемой считывания, выполненной в виде подложки высокоомного оптического кремния без просветляющего покрытия с внешней стороны или с просветляющим покрытием с ее внешней стороны, содержащим три просветляющих слоя, с показателями преломления n просветляющих слоев, равными 2,5, 1,84 и 1,36, с уменьшением указанных значений по мере удаления слоя от подложки, с их толщинами, заданными соотношением 40/n мкм или соотношением (40/n)⋅1,25^m мкм с m=0, 1, 2 с большим значением m, соответствующим большему значению n, где: 10 - кривая в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением 40/n мкм; 11 - кривая в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением (40/n)⋅1,25^m мкм с m=0, 1, 2 с большим значением m, соответствующим большему значению n; 12 - кривая в случае отсутствия просветляющего покрытия.On FIG. Figure 5 shows the spectral dependences of the absorption coefficient of the proposed broadband bolometric receiver of inverted terahertz radiation, in which the base of the evacuated and sealed housing, located opposite the input window, is equipped with a broadband absorber in the form of a layer of gold black or in the form of a layer formed by an array of carbon nanotubes, which has a reflection coefficient of the detected radiation close to zero, and the matrix microbolometers are implemented with a gap of the thermosensitive membrane relative to the input window - the substrate with a reading circuit equal to 2 μm, with a layer resistance of the radiation absorber layer in the thermosensitive membrane of 100 Ohm/square, with a gap between the thermosensitive membrane and the broadband absorber, made on the base of the case, located opposite the array of microbolometers, equal to 40 μm, with a substrate with a reading circuit made in the form of a high-resistance optical silicon substrate without an antireflection coating on the outside or with an antireflection coating on its outside, containing three antireflection layers, with refractive indices of n antireflection layers equal to 2.5, 1.84 and 1.36, with a decrease in these values as the layer moves away from the substrate, with their thicknesses given by the ratio 40 /n µm or the ratio (40 /n )⋅1.25 ^m µm s m =0, 1, 2 with a larger value of m corresponding to a larger value of n, where: 10 - curve in the case of an antireflection coating with a layer thickness given by the ratio 40 /n μm; 11 - curve in the case of an anti-reflection coating with a layer thickness given by the ratio (40 /n ) × 1.25 ^m μm with m = 0, 1, 2 with a larger value of m corresponding to a larger value of n; 12 - curve in the absence of an antireflection coating.

В предлагаемом болометрическом приемнике излучения терагерцового диапазона, используемом болометрический приемник инвертированного типа (см. Фиг. 3), достижение технического результата и решение технической проблемы обеспечивается следующим образом.In the proposed bolometric receiver of the terahertz range, used bolometric receiver inverted type (see Fig. 3), the achievement of the technical result and the solution of the technical problem is provided as follows.

Болометрические структуры инвертированного типа отличаются от традиционных болометрических структур тем, что в первом случае регистрируемое излучение падает на микроболометры через подложку, с которой они связаны, которая выполняет функцию входного окна, а во втором - с обратной стороны - со стороны прилегающего к микроболометрам вакуумного зазора, расположенного между подвешенными над указанной подложкой микроболометрами и установленным на некотором расстоянии от них входным окном (Фиг. 4).Bolometric structures of the inverted type differ from traditional bolometric structures in that in the first case, the detected radiation falls on the microbolometers through the substrate with which they are connected, which acts as an input window, and in the second case, from the reverse side, from the side of the vacuum gap adjacent to the microbolometers, located between the microbolometers suspended above the indicated substrate and the input window installed at some distance from them (Fig. 4).

В случае болометрического приемника традиционного типа (Фиг. 4а), выполненного с использованием конструктивной реализации, совпадающей с раскрытой в описании к патенту US 7557349, каждый микроболометр выполнен с термочувствительным элементом d в виде слоя и слоем поглотителя излучения а, являющимися слоями термочувствительной мембраны, с расположением термочувствительной мембраны на подложке w1 с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания g1 (высота подвески термочувствительной мембраны относительно подложки со схемой считывания), обычно составляющим от 1,5 до 2,5 мкм. На обращенной к термочувствительной мембране поверхности подложки со схемой считывания w1 выполнен отражатель r (Фиг. 4а). В таком болометрическом приемнике регистрируемое излучение подается на микроболометр через входное окно болометрического приемника традиционного типа w2, расположенное на некотором расстоянии от микроболометра (зазор между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа g2), и падает на слой поглотителя излучения а.In the case of a traditional type bolometric receiver (Fig. 4 a ), made using a constructive implementation coinciding with that disclosed in the description of US 7557349, each microbolometer is made with a thermally sensitive element d in the form of a layer and a radiation absorber layer a , which are layers of a thermally sensitive membrane, with the location of the temperature-sensitive membrane on the substrate w 1 with a gap between the temperature-sensitive membrane and the substrate with the reading circuit g 1 (the height of the suspension of the temperature-sensitive membrane relative to the substrate with the reading circuit), usually ranging from 1.5 to 2.5 μm. A reflector r is made on the surface of the substrate facing the thermosensitive membrane with the reading scheme w 1 (Fig. 4a ). In such a bolometric receiver, the detected radiation is fed to the microbolometer through the input window of the conventional type bolometric receiver w2 , located at some distance from the microbolometer (the gap between the microbolometer and the input window of the traditional type bolometric receiver g2 ), and falls on the radiation absorber layer a .

В случае болометрического приемника инвертированного типа (Фиг. 4б), выполненного с использованием совпадающей с ближайшим аналогом конструктивной реализации, также каждый микроболометр выполнен с термочувствительным элементом в виде слоя d и слоем поглотителя излучения а, являющимися слоями термочувствительной мембраны. Расположение термочувствительной мембраны в этом случае реализовано на подложке со схемой считывания w1, выполняющей функцию входного окна, с зазором между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания g1 (высота подвески термочувствительной мембраны относительно подложки со схемой считывания). На обращенной к термочувствительной мембране поверхности выходного окна болометрического приемника инвертированного типа w3 может быть выполнен отражатель r (Фиг. 4б). В таком болометрическом приемнике регистрируемое излучение подается на микроболометр посредством подложки со схемой считывания w1, выполняющей функцию входного окна, расположенном на расстоянии от микроболометра, равном зазору между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания g1, и падает на термочувствительный слой термочувствительной мембраны d, поглощается слоем поглотителя излучения а. Реализация пропускающего регистрируемое излучение входного окна в виде подложки со схемой считывания, с которой связана матрица микроболометров, с возможностью подачи излучения на микроболометры для регистрации через подложку, характерна для болометрического приемника инвертированного типа (Демьяненко М.А., «Эффективные широкополосные приемники терагерцового излучения на основе болометров с тонким металлическим поглотителем», Журнал технической физики, 2018, том 88, выпуск 1, с.с. 121-126).In the case of an inverted bolometric receiver (Fig. 4b), made using a design implementation that coincides with the closest analogue, and each microbolometer is also made with a temperature-sensitive element in the form of a layerd and a layer of radiation absorberA, which are layers of a thermosensitive membrane. The location of the temperature-sensitive membrane in this case is implemented on a substrate with a reading circuitw1, acting as an entrance window, with a gap between the temperature-sensitive membrane and the substrate with a reading circuitg1 (height of the temperature-sensitive membrane suspension relative to the substrate with the reading circuit). On the surface of the output window of the inverted bolometric receiver facing the thermosensitive membranew3 reflector can be mader (Fig. 4b). In such a bolometric receiver, the detected radiation is fed to the microbolometer by means of a substrate with a reading circuitw1, acting as an entrance window located at a distance from the microbolometer equal to the gap between the thermosensitive membrane and the substrate with the reading circuitg1, and falls on the heat-sensitive layer of the heat-sensitive membraned, absorbed radiation absorber layerA. The implementation of the input window that transmits the registered radiation in the form of a substrate with a reading circuit, to which the array of microbolometers is connected, with the possibility of supplying radiation to microbolometers for registration through the substrate, is typical for an inverted bolometric receiver (Demyanenko M.A., “Efficient broadband receivers of terahertz radiation on basis of bolometers with a thin metal absorber”, Journal of Technical Physics, 2018, volume 88, issue 1, pp. 121-126).

На входном окне болометрического приемника традиционного типа w2 и подложке со схемой считывания w1, являющейся входным окном болометрического приемника инвертированного типа, может быть выполнено антиотражающее (просветляющее) покрытие AR (Фиг. 4) со стороны падения регистрируемого излучения (с внешней стороны).On the input window of a traditional type bolometric receiver w 2 and the substrate with a reading circuit w 1, which is the input window of an inverted type bolometric receiver, an antireflection (reflection) coating AR (Fig. 4) can be made from the side of incidence of the detected radiation (from the outside).

В случае болометрического приемника инвертированного типа (Фиг. 4б) при отсутствии отражателя r и выходного окна болометрического приемника инвертированного типа w3 при падении излучения со стороны непросветленной подложки со схемой считывания w1 с заметно большей диэлектрической проницаемостью по сравнению с вакуумом (в частности равной 3,4, что соответствует подложке, выполненной из высокоомного кремния) достигается более высокий коэффициент поглощения терагерцового излучения с длинами волн более 40 мкм по сравнению со случаем болометрического приемника традиционного типа (Фиг. 4а), у которого отсутствует отражатель r на подложке со схемой считывания w1, изготовленной из высокоомного оптического кремния, а входное окно болометрического приемника традиционного типа w2 идеально просветлено или отсутствует. При этом в болометрах как традиционного типа, так и инвертированного типа, в области низких частот (в диапазоне волнового числа k от 0 до 150 см^-1) реализуется поглощение, слабо зависящее от частоты, при условии, что высота подвески болометров над подложкой со схемой считывания w1 в обоих случаях составляет 2 мкм.In the case of an inverted bolometric receiver (Fig. 4b), in the absence of a reflector r and an output window of an inverted bolometric receiver w 3, when radiation is incident from the side of an uncoated substrate with a readout scheme w 1 with a noticeably higher dielectric constant compared to vacuum (in particular, equal to 3 4, which corresponds to a substrate made of high-resistance silicon), a higher absorption coefficient of terahertz radiation with wavelengths of more than 40 μm is achieved compared to the case of a traditional bolometric receiver (Fig. 4a ), which has no reflector r on the substrate with a readout circuit w 1, made of high-resistance optical silicon, and the entrance window of the traditional bolometric receiver w 2 is ideally coated or absent. In this case, in bolometers of both the traditional type and the inverted type, in the low-frequency region (in the range of wave number k from 0 to 150 cm ^-1 ), absorption is realized that depends weakly on frequency, provided that the height of the suspension of the bolometers above the substrate with the circuit readout w 1 in both cases is 2 µm.

В случае болометрического приемника традиционного типа поглощение нормально падающего излучения с длиной волны λ будет близким к единице при наличии отражателя r и при условии, что величина зазора между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания g1 равна λ/4, а слоевое сопротивление поглотителя равно импедансу вакуума (377 Ом/квадрат), что является трудно реализуемым, поскольку используемая, хорошо отработанная, технология обеспечивает высоту подвески термочувствительной мембраны микроболометра над подложкой со схемой считывания w1, с которой он связан, равную 1,5-2,5 мкм.In the case of a traditional bolometric receiver, the absorption of normally incident radiation with wavelength λ will be close to unity in the presence of a reflector r and provided that the gap between the thermosensitive membrane and the substrate with the readout circuit g 1 is equal to λ/4, and the sheet resistance of the absorber is equal to the impedance vacuum (377 Ohm/square), which is difficult to implement, since the technology used, well developed, provides the height of the suspension of the thermosensitive membrane of the microbolometer above the substrate with the reading circuit w 1, with which it is connected, equal to 1.5-2.5 μm.

Для болометрического приемника инвертированного типа (Фиг. 4б) с дополнительным резонатором, образованным зазором между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа g3, то есть, между слоем поглотителя излучения a и отражателем r на выходном окне болометрического приемника инвертированного типа w3, в вышеуказанной статье показано, что поглощение нормально падающего излучения с длиной волны λ порядка 100 мкм будет близким к единице при условии равенства четверти длины волны λ/4 величине зазора между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа g3, а слоевого сопротивления поглотителя излучения - импедансу просветленной подложки со схемой считывания w1. В случае болометрического приемника инвертированного типа указанные величины зазора между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа g3, в частности 25 мкм, легко достигаемы путем установки выходного окна болометрического приемника инвертированного типа w3 с отражателем r на требуемом расстоянии от термочувствительной мембраны. Кроме того, если в случае традиционной конструкции (Фиг. 4а) независимо от наличия или отсутствия отражателя r в определенном диапазоне длин волн, соответствующих, например, диапазону волнового числа k от 0 до 300 см^-1, коэффициент поглощения возрастает с увеличением высоты подвески термочувствительной мембраны над подложкой со схемой считывания, то в случае инвертированной конструкции (Фиг. 4б) коэффициент поглощения возрастает с понижением высоты подвески термочувствительной мембраны над подложкой со схемой считывания. В фокусе обстоятельства, что увеличение высоты подвески микроболометра над подложкой со схемой считывания, с которой он связан, технологически затруднительно, этот факт является существенным аргументом в пользу применения инвертированной конструкции болометра, в которой оптимальная высота подвески термочувствительной мембраны над подложкой со схемой считывания, с которой связан микроболометр (величина g1), такая же, как в хорошо отработанной технологии (1,5-2,5 мкм).For an inverted bolometric receiver (Fig. 4b) with an additional resonator formed by a gap between the microbolometer and the output window of the inverted bolometric receiver g 3, that is, between the radiation absorber layer a and the reflector r on the output window of the inverted bolometric receiver w 3, in The above article shows that the absorption of normally incident radiation with a wavelength λ of the order of 100 μm will be close to unity, provided that a quarter of the wavelength λ/4 is equal to the gap between the microbolometer and the output window of the inverted bolometric receiver g 3, and the layer resistance of the radiation absorber is equal to the impedance an anti-reflective substrate with a readout scheme w 1. In the case of an inverted bolometric receiver, the indicated gaps between the microbolometer and the output window of the inverted bolometric receiver g 3, in particular 25 μm, can be easily achieved by setting the output window of the inverted bolometric receiver w 3 with reflector r to the required distance from the temperature sensitive membrane. In addition, if in the case of a traditional design (Fig. 4 a ), regardless of the presence or absence of a reflector r in a certain wavelength range corresponding, for example, to a range of wave number k from 0 to 300 cm ^-1 , the absorption coefficient increases with increasing suspension height temperature-sensitive membrane above the substrate with a reading circuit, then in the case of an inverted design (Fig. 4b), the absorption coefficient increases with a decrease in the height of the suspension of the temperature-sensitive membrane above the substrate with a reading circuit. In the focus of the circumstance that it is technologically difficult to increase the height of the microbolometer suspension above the substrate with the reading circuit with which it is connected, this fact is a significant argument in favor of using the inverted bolometer design, in which the optimal height of the suspension of the temperature-sensitive membrane above the substrate with the reading circuit, with which connected microbolometer (value g 1), the same as in well-established technology (1.5-2.5 μm).

При наличии отражателя r как в традиционной (Фиг. 4а), так и в инвертированной конструкции (Фиг. 4б), коэффициент поглощения по мере понижения волнового числа k (увеличения длины волны λ) стремиться к нулю. Причина этого заключается в том, что на отражателе r происходит образование узла электромагнитной волны, в результате чего, электрическое поле в области слоя поглотителя излучения а, который расположен на малом, по сравнению с длиной волны λ, расстоянии h от отражателя r, оказывается пропорциональным произведению k⋅h. В результате коэффициент поглощения стремится к нулю по мере понижения волнового числа k, при этом оставаясь тем больше, чем больше расстояние h от отражателя r до поглотителя излучения а (Фиг. 1). Образование узла электромагнитной волны на поглотителе в результате деструктивной интерференции падающей и отраженной волн происходит также и при больших значениях k, удовлетворяющих условию 2k⋅h=m, где m - натуральное число, и проявляется в виде периодических минимумов на спектральной зависимости коэффициента поглощения. При этом большему значению h соответствует меньший период минимумов и, следовательно, их большее количество в заданном спектральном диапазоне (Фиг. 1). Это не позволяет путем выбора величины расстояния h от отражателя r до слоя поглотителя излучения а решить, одновременно, проблему повышения коэффициента поглощения на длинах волнах близких к 1000 мкм и устранения глубоких минимумов в спектральной зависимости коэффициента поглощения во всем диапазоне регистрируемых длин волн от 30 мкм до 1 мм.In the presence of a reflector r both in the traditional (Fig. 4 a ) and in the inverted design (Fig. 4 b ), the absorption coefficient tends to zero as the wave number k decreases (wavelength λ increases). The reason for this is that an electromagnetic wave node is formed on the reflector r , as a result of which, the electric field in the region of the radiation absorber layer a , which is located at a small distance h from the reflector r , compared to the wavelength λ, turns out to be proportional to the product k⋅h . As a result, the absorption coefficient tends to zero as the wave number k decreases, while remaining the greater, the greater the distance h from the reflector r to the radiation absorber a (Fig. 1). The formation of an electromagnetic wave node on the absorber as a result of destructive interference of the incident and reflected waves also occurs at large values of k, satisfying the condition 2 k ⋅ h=m , where m is a natural number, and manifests itself in the form of periodic minima on the spectral dependence of the absorption coefficient. In this case, a larger value of h corresponds to a shorter period of minima and, consequently, a greater number of them in a given spectral range (Fig. 1). This does not allow, by choosing the value of the distance h from the reflector r to the layer of the radiation absorber , to simultaneously solve the problem of increasing the absorption coefficient at wavelengths close to 1000 μm and eliminating deep minima in the spectral dependence of the absorption coefficient over the entire range of recorded wavelengths from 30 μm to 1 mm.

Известные меры, направленные на достижение высокого коэффициента поглощения, включают следующее. Так, в отношении традиционной конструкции болометрического приемника с дополнительным резонатором, сформированным за счет зазора между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа g2 (Фиг. 4а), для обеспечения повышения коэффициента поглощения для требуемой длины волны используют просветление внешней стороны входного окна. При этом зазор между микроболометром и входным окном болометрического приемника традиционного типа g2 должен быть кратен половине этой длины волны. Кроме того, прибегают к повышению зазора между термочувствительной мембраной и подложкой со схемой считывания до 5,7 мкм или более. Указанные меры обеспечивают достижение коэффициента поглощения для требуемой длины волны практически до единицы. Однако при этом поглощение становится селективным с характерными глубокими минимумами на кривой зависимости коэффициента поглощения от волнового числа, достигающими значений, практически близких к нулю, что препятствует детектированию широкополосного излучения.Known measures to achieve a high absorbance include the following. So, in relation to the traditional design of the bolometric receiver with an additional resonator formed due to the gap between the microbolometer and the input window of the bolometric receiver of the traditional type g 2 (Fig. 4a ), to ensure an increase in the absorption coefficient for the required wavelength, the outer side of the input window is coated. In this case, the gap between the microbolometer and the input window of a traditional type bolometric receiver g 2 must be a multiple of half this wavelength. In addition, it is resorted to increasing the gap between the temperature-sensitive membrane and the substrate with the reading circuit to 5.7 μm or more. These measures ensure the achievement of the absorption coefficient for the required wavelength to almost unity. However, in this case, absorption becomes selective with characteristic deep minima in the dependence of the absorption coefficient on the wave number, reaching values almost close to zero, which prevents the detection of broadband radiation.

В отношении инвертированной конструкции болометрического приемника те же самые меры - просветление и дополнительный резонатор (сформированный за счет зазора между микроболометром и выходным окном болометрического приемника инвертированного типа g3 (см. Фиг. 4б) - приводят к дополнительному повышению коэффициента поглощения. Возможно также достижение коэффициента поглощения со значением, приближающимся к единице. По сравнению с традиционной конструкцией болометрического приемника для поглощения характерна более широкая полоса. Тем не менее, рассмотренными в указанной выше статье средствами не удается получить поглощения без характерных глубоких минимумов на кривой зависимости значения коэффициента поглощения от волнового числа, и обеспечить требуемую широкополосность болометрического приемника.With regard to the inverted design of the bolometric receiver, the same measures - enlightenment and an additional resonator (formed due to the gap between the microbolometer and the output window of the bolometric receiver of the inverted type g 3 (see Fig. 4b) - lead to an additional increase in the absorption coefficient. It is also possible to achieve the coefficient absorption with a value approaching 1. Compared to the traditional design of a bolometric receiver, absorption has a wider bandwidth. and provide the required bandwidth of the bolometric receiver.

Применение в предлагаемом техническом решении конструкции болометрического приемника инвертированного типа является первым шагом, который позволяет обеспечить достижение высокого коэффициента поглощения регистрируемого излучения в широкой спектральной области от 30 до 1000 мкм с матрицей микроболометров, выполняемой по традиционной технологии, с обеспечением ограниченной (не превышающей 1,5-2,5 мкм) величиной зазора между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания, с которой связана термочувствительная мембрана, не привнося дополнительных технологических трудностей и, следовательно, содействуя получению высокого процента выхода годных приемников излучения, что невозможно в случае традиционной конфигурации болометрического приемника. Для достижения отсутствия областей малой, близкой к нулю, чувствительности болометрического приемника в диапазоне длин волн от 30 мкм до 1 мм, то есть устранения в указанном диапазоне характерных глубоких минимумов на кривой зависимости значения коэффициента поглощения от волнового числа, напротив матрицы микроболометров вместо отражателя r (см. Фиг. 4б) располагают широкополосный поглотитель (см. Фиг. 3).The use of an inverted bolometric receiver design in the proposed technical solution is the first step that makes it possible to achieve a high absorption coefficient of the detected radiation in a wide spectral region from 30 to 1000 μm with a microbolometer array made according to traditional technology, with a limited (not exceeding 1.5 -2.5 µm) gap between the thermosensitive membrane of the microbolometer and the substrate with the reading circuit to which the thermosensitive membrane is connected, without introducing additional technological difficulties and, therefore, facilitating a high percentage of yield of suitable radiation detectors, which is impossible in the case of the traditional configuration of the bolometric receiver . To achieve the absence of areas of low, close to zero, sensitivity of the bolometric receiver in the wavelength range from 30 μm to 1 mm, that is, to eliminate the characteristic deep minima in the indicated range on the curve of the dependence of the absorption coefficient on the wave number, opposite the microbolometer matrix instead of the reflector r ( see Fig. 4b) have a broadband absorber (see Fig. 3).

В общем, предлагаемый терагерцовый болометрический приемник содержит: подложку со схемой считывания 1, матрицу микроболометров 2, корпус 3, широкополосный поглотитель 4 (см. Фиг. 3).In general, the proposed terahertz bolometric receiver contains: a substrate with a reading circuit 1, an array of microbolometers 2, a housing 3, a broadband absorber 4 (see Fig. 3).

Широкополосный поглотитель 4 выполняют на основании корпуса, расположенном напротив подложки со схемой считывания 1, выполняющей функцию входного окна, с зазором относительно матрицы микроболометров для обеспечения теплоизоляции, как показано на Фиг. 3.The broadband absorber 4 is made on the base of the housing, located opposite the substrate with the reading circuit 1, which acts as an entrance window, with a gap relative to the microbolometer array to provide thermal insulation, as shown in Fig. 3.

Выполнение в предлагаемом болометрическом приемнике широкополосного поглотителя 4 на внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2 приводит к поглощению падающего на него излучения, тем самым устраняется явление деструктивной интерференции и значительное понижение коэффициента поглощения излучения на длинах волн, для которых при отражении излучения от выполненного напротив входного окна отражателя r в болометрическом приемнике терагерцового излучения, соответствующего по конструктивной реализации ближайшему аналогу (см. Фиг. 4б), могло происходить ослабление поглощения в поглотителе излучения термочувствительной мембраны за счет сложения электрических полей в противофазе. Оставшиеся незначительные, относительно мелкие, минимумы на спектральной зависимости коэффициента поглощения - кривая 10 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением 40/n мкм, и кривая 11 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением (40/n)⋅1,25^m мкм с m=0, 1, 2 с большим значением m, соответствующим большему значению n, обусловлены качеством просветляющего покрытия (см. Фиг. 5). В случае отсутствия просветляющего покрытия спектральная зависимость коэффициента поглощения является монотонной - кривая 12 в случае отсутствия просветляющего покрытия (см. Фиг. 5).The implementation in the proposed bolometric receiver of a broadband absorber 4 on the inner surface of the base of the housing 3 opposite the matrix of microbolometers 2 leads to the absorption of radiation incident on it, thereby eliminating the phenomenon of destructive interference and a significant decrease in the absorption coefficient of radiation at wavelengths for which, when radiation is reflected from the opposite reflector input window r in the bolometric receiver of terahertz radiation, which corresponds in design to the closest analogue (see Fig. 4b), absorption could be weakened in the radiation absorber of the thermosensitive membrane due to the addition of electric fields in antiphase. The remaining insignificant, relatively small, minima on the spectral dependence of the absorption coefficient - curve 10 in the case of an antireflection coating with a layer thickness specified by the ratio 40 /n μm, and curve 11 in the case of an antireflection coating with a layer thickness specified by the ratio (40 /n )⋅1 .25 ^m µm with m =0, 1, 2 with a larger value of m, corresponding to a larger value of n, due to the quality of the antireflection coating (see Fig. 5). In the absence of an antireflection coating, the spectral dependence of the absorption coefficient is monotonic - curve 12 in the absence of an antireflection coating (see Fig. 5).

Из вышеприведенного следует вывод, что использование инвертированной конструкции болометрического приемника и замена отражателя r на широкополосный поглотитель, выполненный на внутренней поверхности основания вакуумного корпуса, гарантированно обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.It follows from the above that the use of the inverted design of the bolometric receiver and the replacement of the reflector r with a broadband absorber, made on the inner surface of the base of the vacuum housing, is guaranteed to achieve the above technical result.

Корпус 3 выполнен с пропускающим регистрируемое излучение входным окном, функция которого реализована подложкой со схемой считывания 1. С подложкой со схемой считывания 1 связана матрица микроболометров 2 с возможностью подачи излучения через подложку со схемой считывания 1 на микроболометры для регистрации. Электрически связанные со схемой считывания микроболометры, образующие пиксели, установлены с зазором между термочувствительной мембраной микроболометра и подложкой со схемой считывания 1. Величина зазора составляет, в частности, от 1,5 до 2,5 мкм, но может и отличаться от значений указанного диапазона. На внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2 выполнен с возможностью теплоизоляции от микроболометров широкополосный поглотитель 4, чем надежно гарантируется достижение условия отсутствия увеличения теплоемкости болометрического приемника и, следовательно, понижения быстродействия болометрического приемника.The housing 3 is made with an input window that transmits the detected radiation, the function of which is implemented by a substrate with a reading circuit 1. An array of microbolometers 2 is connected to the substrate with a reading circuit 1 with the possibility of supplying radiation through the substrate with a reading circuit 1 to the microbolometers for registration. The pixel-forming microbolometers electrically connected to the readout circuit are installed with a gap between the thermosensitive membrane of the microbolometer and the substrate with the readout circuit 1. The gap value is, in particular, from 1.5 to 2.5 μm, but may differ from the values of the specified range. On the inner surface of the base of the housing 3, opposite the array of microbolometers 2, a broadband absorber 4 is made with the possibility of thermal insulation from microbolometers 4, which reliably guarantees the achievement of the condition of no increase in the heat capacity of the bolometric receiver and, consequently, a decrease in the performance of the bolometric receiver.

Корпус 3 выполнен с возможностью его герметизации. Он может быть вакуумирован или заполнен рабочим газом.Housing 3 is made with the possibility of its sealing. It can be evacuated or filled with working gas.

В частном случае реализации предлагаемый терагерцовый болометрический приемник кроме вышеуказаного содержит дополнительный конструктивный элемент - фокусирующую линзу 5 (см. Фиг. 3). Фокусирующая линза 5 выполнена из высокоомного кремния. Снаружи корпуса 3 фокусирующая линза 5 состыкована с входным окном, функция которого реализована подложкой со схемой считывания 1. Наличие фокусирующей линзы 5 из высокоомного кремния, плотно (без зазора) состыкованной с входным окном, позволяет обеспечить достижение высокого пространственного разрешения при регистрации излучения с длиной волны от 30 мкм до 1 мм, с увеличением разрешения в 3,4 раза, что является дополнительным к указанному техническому результату преимуществом предлагаемого болометрического приемника. Указанное преимущество обеспечивается тем, что длина волны излучения в кремнии понижается в n раз, где n - показатель преломления кремния, равный 3,4, а микроболометры расположены в области ближнего поля от поверхности кремния.In a particular case of implementation, the proposed terahertz bolometric receiver, in addition to the above, contains an additional structural element - a focusing lens 5 (see Fig. 3). The focusing lens 5 is made of high-resistance silicon. Outside housing 3, the focusing lens 5 is docked with the input window, the function of which is implemented by the substrate with the reading circuit 1. The presence of a focusing lens 5 made of high-resistance silicon, tightly (without a gap) docked with the input window, makes it possible to achieve high spatial resolution when detecting radiation with a wavelength from 30 μm to 1 mm, with a resolution increase of 3.4 times, which is an additional advantage of the proposed bolometric receiver to the specified technical result. This advantage is provided by the fact that the wavelength of radiation in silicon is reduced by n times, where n is the refractive index of silicon, equal to 3.4, and the microbolometers are located in the near field from the silicon surface.

Наличие излучения, отраженного от отражателя или от внутренней поверхности основания корпуса, расположенной напротив входного окна, при построении инфракрасного или терагерцового изображения с помощью линзы или объектива, в ближайшем аналоге приводит к размытию изображения по причине отражения прошедших через какой-либо пиксель наклонных лучей от отражающей поверхности и попадания отраженных лучей на соседние пиксели и, следовательно, к появлению паразитных сигналов на соседних пикселях, что ухудшает пространственное разрешение матричного болометрического приемника.The presence of radiation reflected from a reflector or from the inner surface of the base of the housing, located opposite the input window, when constructing an infrared or terahertz image using a lens or objective, in the closest analogue leads to blurring of the image due to the reflection of the oblique rays transmitted through any pixel from the reflecting surface and hitting the reflected rays on neighboring pixels and, consequently, to the appearance of spurious signals on neighboring pixels, which degrades the spatial resolution of the matrix bolometric receiver.

Отсутствие отраженного излучения от поверхности, расположенной напротив входного окна, в результате применения поглотителя, установленного на внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2, приводит к отсутствию паразитных сигналов на соседних пикселях и, следовательно, к повышению пространственного разрешения матричного микроболометрического приемника. Таким образом, за счет наличия конструктивных элементов - фокусирующей линзы 5 и поглотителя 4, установленного на внутренней поверхности основания корпуса 3 напротив матрицы микроболометров 2, обеспечивается дополнительное к указанному техническому результату преимущество технического характера предлагаемого болометрического приемника, а именно повышение пространственного разрешения.The absence of reflected radiation from the surface located opposite the input window, as a result of the use of an absorber mounted on the inner surface of the base of the housing 3 opposite the array of microbolometers 2, leads to the absence of spurious signals on neighboring pixels and, consequently, to an increase in the spatial resolution of the matrix microbolometric receiver. Thus, due to the presence of structural elements - a focusing lens 5 and an absorber 4 installed on the inner surface of the base of the housing 3 opposite the array of microbolometers 2, an additional advantage of the technical nature of the proposed bolometric receiver is provided to the specified technical result, namely, an increase in spatial resolution.

Детализируя выполнение предлагаемого болометрического приемника терагерцового диапазона, приведем также следующие его особенности.Detailing the implementation of the proposed bolometric receiver in the terahertz range, we also present the following features.

Так, пропускающее регистрируемое излучение входное окно, функция которого реализована подложкой со схемой считывания 1, с которой связана матрица микроболометров 2, с возможностью подачи излучения на электрически связанные со схемой считывания микроболометры для регистрации, получено тем, что использована подложка из высокоомного кремния, а схема считывания сконфигурирована с возможностью расположения ее элементов в межпиксельном пространстве, обеспечивая беспрепятственный доступ регистрируемого излучения для поглощения поглотителем излучения термочувствительной мембраны.Thus, the input window that transmits the registered radiation, the function of which is implemented by a substrate with a reading circuit 1, to which an array of microbolometers 2 is connected, with the possibility of supplying radiation to microbolometers electrically connected to the reading circuit for registration, is obtained by using a high-resistance silicon substrate, and the circuit readout is configured with the possibility of arranging its elements in the interpixel space, providing unhindered access of the registered radiation for absorption by the heat-sensitive membrane radiation absorber.

В корпусе 3 напротив матрицы микроболометров 2 широкополосный поглотитель 4 выполнен в виде слоя золотой черни (C. Proulx, F. Williamson, M. Allard, G. Baldenberger, D. Gay, S. Garcia-Blanco, P. Côté, L. Martin., C. Larouche, S. Ilias, T. Pope, M. Caldwell, K. Ward, J. Delderfield. The EarthCARE broadband radiometer detectors // Proc. SPIE, 2009, Vol. 7453, P. 74530S) или в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок (C. S. Yung, N. A. Tomlin, C. Straatsma, J. Rutkowski, E. C. Richard, D. M. Harber, J. H. Lehman, M. S. Stephens. BABAR: black array of broadband absolute radiometers for far infrared sensing // Proc. SPIE, 2019, Vol. 10980, P. 109800F). Широкополосный поглотитель 4 реализован с возможностью теплоизоляции от микроболометров - без увеличения теплоемкости приемника. Он расположен в пространстве между матрицей микроболометров 2 и выполненным напротив входного окна основанием корпуса 3, с зазором относительно матрицы микроболометров 2. Зазор сформирован для обеспечения теплоизоляции, чем надежно гарантируется достижение условия отсутствия увеличения теплоемкости болометрического приемника и, следовательно, понижения быстродействия болометрического приемника, в результате установки в корпусе 3 широкополосного поглотителя 4. Зазором устраняется возможность возникновения контакта и теплопередачи между микроболометрами и широкополосным поглотителем 4.In the housing 3, opposite the array of microbolometers 2, the broadband absorber 4 is made in the form of a layer of gold black (C. Proulx, F. Williamson, M. Allard, G. Baldenberger, D. Gay, S. Garcia-Blanco, P. Côté, L. Martin ., C. Larouche, S. Ilias, T. Pope, M. Caldwell, K. Ward, J. Delderfield, The EarthCARE broadband radiometer detectors, Proc. SPIE, 2009, Vol. 7453, P. 74530S) or as layer formed by an array of carbon nanotubes (CS Yung, NA Tomlin, C. Straatsma, J. Rutkowski, EC Richard, DM Harber, JH Lehman, MS Stephens . BABAR: black array of broadband absolute radiometers for far infrared sensing // Proc. SPIE , 2019, Vol. 10980, P. 109800F). Broadband absorber 4 is implemented with the possibility of thermal insulation from microbolometers - without increasing the heat capacity of the receiver. It is located in the space between the matrix of microbolometers 2 and the base of the body 3 made opposite the entrance window, with a gap relative to the matrix of microbolometers 2. The gap is formed to provide thermal insulation, which reliably guarantees the achievement of the condition of no increase in the heat capacity of the bolometric receiver and, consequently, a decrease in the performance of the bolometric receiver, in as a result of the installation of a broadband absorber 4 in the housing 3. The gap eliminates the possibility of contact and heat transfer between the microbolometers and the broadband absorber 4.

Известно, что для поглощения терагерцового излучения используют в качестве поглотителей: антенны, нагруженные на резистивную нагрузку; мета-материалы или частотно-селективные поверхности; тонкие металлические поглотители, характеризующиеся слоевым сопротивлением от 40 до 377 Ом/квадрат в зависимости от расстояния между поглотителем и отражателем; слои золотой черни; поглотители на основе углеродных наноматериалов, в частности, углеродных нанотрубок, в том числе в виде массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (ВОУНТ). В отношении всех приведенных здесь вариантов реализации поглотителей на практике показана возможность достижения практически полного поглощения терагерцового излучения. При этом первые три типа поглотителей вследствие влияния интерференции характеризуются в разной степени селективной частотной зависимостью поглощения. Последние два типа поглотителей позволяют получать широкополосные приемники.It is known that for the absorption of terahertz radiation, the following absorbers are used: antennas loaded with a resistive load; meta-materials or frequency-selective surfaces; thin metal absorbers, characterized by sheet resistance from 40 to 377 Ohm/square, depending on the distance between the absorber and the reflector; layers of gold niello; absorbers based on carbon nanomaterials, in particular, carbon nanotubes, including arrays of vertically oriented carbon nanotubes (VACNTs). With regard to all the embodiments of absorbers presented here, in practice, the possibility of achieving almost complete absorption of terahertz radiation is shown. In this case, the first three types of absorbers, due to the influence of interference, are characterized to varying degrees by the selective frequency dependence of absorption. The last two types of absorbers make it possible to obtain broadband receivers.

При выполнении широкополосного поглотителя в виде слоя золотой черни, слой реализован массивом высокопористого материала, образованного случайно организованными наноцепями, состоящими из наночастиц золота разного размера. Получение слоя золотой черни в виде массива золотой черни может быть осуществлено на установке термического распыления чистого золота в среде азота при температуре, близкой к комнатной. При этом формируют массив высокопористого материала, образованного случайно организованными наноцепями, состоящими из наночастиц золота разного размера, характеризующийся удельным сопротивлением от 0,02 до 4 Ом⋅см, диаметром наночастиц золота от 5 до 30 нм, плотностью от 65 до 200 мг/см³, включая значения указанных интервалов (Panjwani D.R. Characterization of gold black and its application in un-cooled infrared detectors: Ph.D. dissertation. University of Central Florida, 2015. 143 p.). В предлагаемом приемнике указанный слой золотой черни выполнен толщиной 50 мкм или более. При этом толщина широкополосного поглотителя согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции. Формирование слоя золотой черни может быть выполнено непосредственно на основании корпуса 3, расположенном напротив входного окна, или на другой подложке, например, кремниевой, с последующей ее установкой на основание корпуса 3, расположенное напротив входного окна.When a broadband absorber is made in the form of a layer of gold black, the layer is implemented as an array of highly porous material formed by randomly organized nanochains consisting of gold nanoparticles of different sizes. Obtaining a layer of gold niello in the form of an array of gold niello can be carried out on the installation of thermal spraying of pure gold in a nitrogen atmosphere at a temperature close to room temperature. At the same time, an array of highly porous material is formed, formed by randomly organized nanochains, consisting of gold nanoparticles of different sizes, characterized by resistivity from 0.02 to 4 Ohm⋅cm, diameter of gold nanoparticles from 5 to 30 nm, density from 65 to 200 mg/cm³, including the values of the specified intervals (Panjwani D.R.Characterization of gold black and its application in un-cooled infrared detectors: Ph.D. dissertation. University of Central Florida, 2015. 143 p.). In the proposed receiver, the specified layer of gold black is made with a thickness of 50 microns or more. At the same time, the thickness of the broadband absorber is consistent with the condition of the presence of the specified gap to provide thermal insulation. The formation of the layer of gold ink can be performed directly on the base of the body 3, located opposite the entrance window, or on another substrate, for example, silicon, with its subsequent installation on the base of the body 3, located opposite the entrance window.

В случае реализации широкополосного поглотителя 4 в виде слоя, образованного массивом углеродных нанотрубок, с пространственной ориентацией нанотрубок, характеризующейся расположением осей цилиндрических нанотрубок перпендикулярно плоскостям, задающими толщину слоя, образуемого массивом углеродных нанотрубок. То есть, массив углеродных нанотрубок, образующий слой, в виде которого выполнен широкополосный поглотитель 4, является массивом выращенных на подложке вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (ВОУНТ), сформированных многостенными. Преимущество многостенных ВОУНТ заключается в возможности, благодаря наличию нескольких графеновых слоев, проведения различных химических модификаций и воздействий с сохранением целостности структуры трубок и электропроводности. Для синтеза массива ВОУНТ используют каталитическое химическое осаждение из газовой фазы. Этот метод позволяет гибко управлять протеканием реакции за счет выбора состава и размеров зародышей катализатора, прекурсора углерода, температуры синтеза, скорости потоков реагентов. В предлагаемом приемнике указанный слой выполнен толщиной 50 мкм или более. Диаметр полученных нанотрубок варьируется в диапазоне от 5 до 13 нм. Формирование массива ВОУНТ может быть выполнено непосредственно на основании корпуса 3, расположенном напротив входного окна, или на другой подложке, например кремниевой, с последующей ее установкой на основание корпуса 3, расположенное напротив входного окна, или с переносом массива ВОУНТ на другую подложку или основание корпуса 3, например, посредством адгезионной ленты Revalpha с сохранением его структуры и последующим размещением указанной подложки в корпусе 3 при монтаже болометрического приемника.In the case of implementation of a broadband absorber 4 in the form of a layer formed by an array of carbon nanotubes, with a spatial orientation of nanotubes, characterized by the location of the axes of cylindrical nanotubes perpendicular to the planes that specify the thickness of the layer formed by an array of carbon nanotubes. That is, the array of carbon nanotubes forming the layer in the form of which the broadband absorber 4 is made is an array of vertically oriented carbon nanotubes (VACNTs) grown on a substrate, formed multi-walled. The advantage of multi-walled VA CNTs lies in the possibility, due to the presence of several graphene layers, of carrying out various chemical modifications and effects while maintaining the integrity of the tube structure and electrical conductivity. For the synthesis of an array of VA CNTs, catalytic chemical vapor deposition is used. This method makes it possible to flexibly control the course of the reaction by choosing the composition and size of the catalyst nuclei, the carbon precursor, the synthesis temperature, and the reactant flow rate. In the proposed receiver, the specified layer is made with a thickness of 50 microns or more. The diameter of the obtained nanotubes varies from 5 to 13 nm. The formation of the VACN array can be performed directly on the base of the housing 3, located opposite the input window, or on another substrate, such as silicon, with its subsequent installation on the base of the housing 3, located opposite the input window, or by transferring the VACN array to another substrate or the base of the housing 3, for example, by means of the Revalpha adhesive tape with the preservation of its structure and subsequent placement of the specified substrate in the housing 3 during the mounting of the bolometric receiver.

При этом толщина широкополосного поглотителя 4 согласована с условием наличия указанного зазора для обеспечения теплоизоляции.The thickness of the broadband absorber 4 is consistent with the condition of the presence of the specified gap to provide thermal insulation.

Следует отметить, что применение в приемнике широкополосного поглотителя, установленного на основании корпуса напротив матрицы микроболометров, не привносит дополнительных технологических трудностей при изготовлении микроболометров, поскольку они наносятся на основание корпуса, а не на микроболометр и не требуют разделения на отдельные пиксели.It should be noted that the use of a broadband absorber in the receiver, mounted on the base of the housing opposite the array of microbolometers, does not introduce additional technological difficulties in the manufacture of microbolometers, since they are deposited on the base of the housing, and not on the microbolometer and do not require separation into individual pixels.

Далее, относительно матрицы микроболометров 2, связанной с подложкой со схемой считывания 1 (Фиг. 3). Микроболометры своими термочувствительными мембранами установлены с зазором относительно указанной подложки, являющейся входным окном. При этом каждый из электрически связанных со схемой считывания микроболометров выполнен в составе расположенной напротив указанной подложки термочувствительной мембраны и поддерживающей ее части. Поддерживающая часть установлена на указанной подложке с возможностью позиционирования с требуемым зазором относительно подложки термочувствительной мембраны. Термочувствительная мембрана сформирована системой слоев, включающей термочувствительный элемент и поглотитель излучения. Термочувствительный элемент связан электропроводящими шинами, выполненными в составе поддерживающей части, со схемой считывания. Поглотитель излучения выполнен с возможностью поглощения регистрируемого излучения после прохождения его последовательно через подложку со схемой считывания, выполняющую функцию входного окна, и зазор.Further, with respect to the array of microbolometers 2 associated with the substrate with the reading circuit 1 (Fig. 3). Microbolometers with their thermosensitive membranes are installed with a gap relative to the specified substrate, which is the input window. In this case, each of the microbolometers electrically connected to the reading circuit is made as part of a thermosensitive membrane located opposite the specified substrate and its supporting part. The supporting part is installed on the specified substrate with the possibility of positioning with the required clearance relative to the substrate of the thermosensitive membrane. The thermosensitive membrane is formed by a system of layers, including a thermosensitive element and a radiation absorber. The temperature-sensitive element is connected by electrically conductive tires, made as part of the supporting part, with the reading circuit. The radiation absorber is configured to absorb the detected radiation after passing it sequentially through the substrate with the readout circuit, which performs the function of the input window, and the gap.

Подложка со схемой считывания 1 выполнена из высокоомного кремния и может быть снабжена на внешней ее поверхности (снаружи корпуса 3) однослойным или многослойным просветляющим покрытием.The substrate with reading circuit 1 is made of high-resistance silicon and can be provided on its outer surface (outside housing 3) with a single-layer or multi-layer antireflection coating.

Предлагаемый болометрический приемник излучения терагерцового диапазона функционирует следующим образом. Терагерцовое излучение, падающее на болометрический приемник (Фиг. 3), проходит через фокусирующую линзу 5, подложку со схемой считывания 1, являющуюся входным окном герметизируемого корпуса 3, и падает на матрицу микроболометров 2, поглощаясь большей частью поглотителем излучения термочувствительной мембраны. Непоглощенная часть излучения, прошедшая поглотитель излучения микроболометра, падает на широкополосный поглотитель 4 и поглощается в нем. Поскольку в герметизируемом корпусе 3 напротив выходного окна отсутствует отражатель, вместо него выполнен широкополосный поглотитель 4, то отражения непоглощенной части излучения, прошедшей через поглотитель излучения микроболометра, и поданной вновь на поглотитель излучения микроболометра для поглощения, не происходит, тем самым устраняется явление деструктивной интерференции и понижения коэффициента поглощения на длинах волн излучения, для которых при их отражении от отражателя могло происходить ослабление поглощения за счет сложения электрических полей в противофазе. Поглощенное излучение поглотителем термочувствительной мембраны нагревает указанный поглотитель излучения, который находясь в тепловом контакте с термочувствительным элементом, в свою очередь нагревает его, что приводит к изменению сопротивления термочувствительного элемента и к появлению измеряемого сигнала, который передается электропроводящим шинам на схему считывания. Матрица микроболометров 2 при поступлении сигналов от каждого из микроболометров, являющихся пикселями, на схему считывания обеспечивает формирование изображения. При работе приемника достигается возможность широкополосной регистрации излучения терагерцового диапазона, что демонстрирует спектральная зависимость коэффициента поглощения, рассчитанная для предлагаемого широкополосного болометрического приемника терагерцового излучения инвертированного типа, в котором герметизируемый корпус снабжен широкополосным поглотителем в виде слоя, образованного массивом, выполненным из золотой черни или углеродных нанотрубок, расположенным на основании корпуса напротив входного окна, а микроболометры матрицы реализованы с зазором термочувствительной мембраны относительно входного окна - подложки со схемой считывания, равным 2 мкм, со слоевым сопротивлением слоя поглотителя излучения термочувствительной мембраны равным 100 Ом/квадрат. Небольшие минимумы в спектральной зависимости коэффициента поглощения (см. Фиг. 5), наблюдаемые для кривой 10 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением 40/n мкм, и кривой 11 в случае просветляющего покрытия с толщиной слоев, задаваемых соотношением (40/n)⋅1,25^m мкм с m=0, 1, 2, с большим значением m, соответствующим большему значению n, обусловлены только качеством просветляющего покрытия входного окна или фокусирующей линзы 5. Кроме того, как демонстрирует показанная на Фиг. 5 кривая 12 в случае отсутствия просветляющего покрытия, спектральная зависимость коэффициента поглощения монотонна.The proposed bolometric receiver of radiation in the terahertz range operates as follows. The terahertz radiation incident on the bolometric receiver (Fig. 3) passes through the focusing lens 5, the substrate with the reading circuit 1, which is the entrance window of the sealed housing 3, and falls on the microbolometer array 2, being mostly absorbed by the radiation absorber of the thermosensitive membrane. The unabsorbed part of the radiation that has passed the radiation absorber of the microbolometer falls on the broadband absorber 4 and is absorbed in it. Since there is no reflector in the sealed housing 3 opposite the exit window, instead of it a broadband absorber 4 is made, then the reflection of the unabsorbed part of the radiation that has passed through the absorber of the microbolometer radiation and fed again to the absorber of the microbolometer radiation for absorption does not occur, thereby eliminating the phenomenon of destructive interference and a decrease in the absorption coefficient at radiation wavelengths, for which, upon their reflection from the reflector, absorption could be weakened due to the addition of electric fields in antiphase. Absorbed radiation by the heat-sensitive membrane absorber heats the specified radiation absorber, which, being in thermal contact with the heat-sensitive element, in turn heats it, which leads to a change in the resistance of the heat-sensitive element and to the appearance of a measured signal that is transmitted to the electrically conductive tires to the reading circuit. The matrix of microbolometers 2 upon receipt of signals from each of the microbolometers, which are pixels, to the reading circuit provides image formation. During operation of the receiver, the possibility of broadband registration of terahertz radiation is achieved, which demonstrates the spectral dependence of the absorption coefficient calculated for the proposed broadband bolometric receiver of inverted terahertz radiation, in which the sealed housing is equipped with a broadband absorber in the form of a layer formed by an array made of gold black or carbon nanotubes located on the base of the housing opposite the input window, and the matrix microbolometers are implemented with a gap of the thermosensitive membrane relative to the input window - substrate with a reading circuit equal to 2 μm, with a layer resistance of the radiation absorber layer of the thermosensitive membrane equal to 100 Ohm/square. Small minima in the spectral dependence of the absorption coefficient (see Fig. 5), observed for curve 10 in the case of an antireflection coating with a layer thickness specified by the ratio 40 /n μm, and curve 11 in the case of an antireflection coating with a layer thickness specified by the ratio (40 / n )⋅1.25 ^m µm with m =0, 1, 2, with a larger value of m corresponding to a larger value of n , are due only to the quality of the antireflection coating of the entrance window or focusing lens 5. In addition, as shown in FIG. 5 curve 12 in the absence of an antireflection coating, the spectral dependence of the absorption coefficient is monotonic.

Claims

1. Bolometric radiation receiver of the terahertz range, containing a housing in which a substrate with a reading circuit is placed, connected to a matrix of microbolometric receivers forming pixels, which performs the function of an input window that transmits the detected radiation to microbolometers, thermosensitive membranes of microbolometric receivers are placed at a distance relative to the substrate with the circuit readings more than 10 times smaller than the wavelength of the detected radiation, and are formed by a system of layers, including a temperature-sensitive element and a radiation absorber, a broadband absorber is placed opposite the array of microbolometric receivers.

2. Bolometric terahertz radiation receiver according to claim 1, characterized in that the broadband absorber is made on the inside of the housing base.

3. Bolometric receiver of radiation in the terahertz range according to claim 1, characterized in that the broadband absorber is located with thermal insulation from the matrix of microbolometric receivers.

4. The terahertz bolometric radiation receiver according to claim 1, characterized in that the substrate with the reading circuit is made of high-resistance silicon, and the reading circuit is configured to locate its elements in the interpixel space of the array of microbolometric receivers.

5. Bolometric terahertz radiation receiver according to claim 1, characterized in that the broadband absorber is made in the form of a layer of gold black or in the form of a layer formed by an array of vertically oriented carbon nanotubes.

6. Bolometric receiver of terahertz radiation according to claim 5, characterized in that the broadband absorber is made with a thickness of at least 50 microns.

7. Bolometric receiver of terahertz radiation according to claim 5, characterized in that the broadband absorber is made in the form of a continuous layer formed by an array of vertically oriented carbon tubes with an outer diameter of nanotubes from 5 to 13 nm.

8. Bolometric receiver of terahertz radiation according to claim 1, characterized in that it additionally contains a focusing lens made of high-resistance silicon connected to a substrate with a readout circuit.

9. Bolometric receiver of terahertz radiation according to claim 1, characterized in that the substrate with the reading circuit is provided with an antireflection coating on the outside.