SE466570B - Termisk detektor av det slag som omfattar en uppsaettning av diskreta detektorelement - Google Patents

Description

466 570 2 fört med både ett detektorelement av identisk storlek utan (XAC), eller en hybridsammansättning med ett detektorelement med samma storlek som XAC-enheten, under förutsättning att den termiska kapacitansen för XAC-enheten plus detektorstrukturen understiger den för ovanstående detektorelement (för båda fallen). under antagande att den termiska ledningsprocessen ej själv är begränsande.

Vid den tidigare kända strukturen (fig. 1) sker värmelednings- vägen via ett tunt metallskikt (ej visat) med hög termisk led- ningsförmåga (t.ex. ett metallskikt av Al, Cu, Ag eller Au) som är pålagt på en av de böjliga polymerfilmer 7 och 9 som uppbär detektorelementet 1, Den tidigare kända strukturen är lämpad för termiska detektorer med relativt stor steglängd och mellanprestanda, ehuru prestanda är väsentligt förbättrade jämfört med den ekvivalenta detektorn utan XAC. Emellertid medför den tidigare kända strukturen problem vid de minsta detektorsteglängderna och där största grad av termisk isole- ring mellan varandra intilliggande element och mellan detektor och omgivning (t.ex. utläsningskretsen på kiselbricka vid en termisk detektor av kiselhybridtyp) erfordras. eftersom en konflikt mellan motstående krav då uppstår mellan den termiska strålningsinsamlingen och den termiska isoleringen. Dessa problem uppstår på grund av att vid den tidigare kända struk- turen XAC-absorbatorn 3 och det termiska överföringsskiktet 5 båda är placerade på och i kontakt med polymerbärfilmen 7, som, samtidigt som den ger mekanisk helhet åt strukturen, även utgör en dominerande termisk förbindelse mellan elementen l och eventuella intilliggande värmesänke-strukturer. Graden av termisk isolering vid den tidigare kända strukturen och om- fattningen av termisk överhörning styres av det inbördes av- ståndet mellan kanterna på kollektorstrukturen 3, snarare än genom det inbördes separationsavståndet mellan kanterna hos de varandra intilliggande detektorerna l.

Uppfinningen Föreliggande uppfinning är avsedd att ge förbättrad isolering 'Y 10 15 20 25 30 a 466 570 och förbättrad uppsamlingseffektivitet, särskilt vid anord- ningar med liten steglängd, dvs. av storleksordningen 50um eller mindre.

I enlighet med föreliggande uppfinning är anordnade en termisk detektor av det slag som har en uppsättning av diskreta detek- torelement, vardera uppburet av ett gemensamt bärskikt, och där vart och ett är anordnat i termisk kontakt med en mot- svarande kollektor, vari ingår strålningsabsorberande mate- rial. samt arean för varje kollektor är större än arean för motsvarande detektorelement, och som kännetecknas av att kon- takten mellan varje kollektor och bärskiktet är begränsad till ett omrâde som ligger väsentligen inom och förskjutet i för- hållande till kollektorns kantomkrets.

För optimal uppsamlingseffektivitet föredrages att åtskillna- den kant till kant mellan varandra intilliggande kollektorer har en dimension understigande strålningens våglängd.

Kollektorn kan vara bildad av metallsvart, infrarödabsorberan- de material, t.ex. platinasvart.

Kontaktarean för varje kollektor kan vara avpassad till arean för varje motsvarande element eller alternativt ha större area.

Kort figurbeskrivning De tillhörande ritningarna visar: Fig. 1 visar en tvärsnittsvy av en termisk detektor. som har en kollektorstruktur av utsträckt area, i enlighet med en känd konstruktion.

Fig. 2 visar en tvärsnittsvy av en termisk detektor. som inne- fattar en kollektorstruktur med utsträckt area i enlighet med en konstruktion, som är modifierad i enlighet med föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 35 466 570 4 Fig. 3(a) och (b) visar en tvärsnittsvy resp. en planvy av mellansteg vid tillverkningen av en detektor sådan som visas i fig. 4(a) och 4(b) nedan.

Pig. 4(a) och (b) visar i tvärsnitt resp. i planvy en detek- tor, konstruerad i enlighet med uppfinningen.

Fig. 5 visar i tvärsnitt en detektor i enlighet med en alter- nativ konstruktion, liggande uppfinning. likaså konstruerad i enlighet med före- Beskrivning av föredragna utföringsexempel På det att uppfinningen skall bättre förstås kommer nu ut- föringsexempel därav att beskrivas, såsom icke-begränsande exempel. med hänvisning till de ovannämnda ritningarna.

Det föreligger för närvarande intresse av att åstadkomma goda detektoregenskaper vid små steglängder (50um steglängd). som närmar sig den fundamentala gränsen för termiska detektorer.

Denna gräns bestämmes av bruset på grund av termiska fluktua- tioner i detektorn. i sin tur bestämt av den totala termiska ledningsförmågan från ett element GH samt effektiviteten n för strålningsuppsamling och -absorption. i enlighet med ut- trycket: 2 1 CRT så 1 n2 där K är Boltzmann-konstanten och T den absoluta temperaturen.

I praktiken är värdena för GH och n samvarierande. och en optimal detektorarea existerar för den bästa kombinationen av termisk isolering och uppsamlingseffektiviteten vid en konven- tionell detektorstruktur, där elementarean är samma som absor- batorarean. Man kan betrakta en termisk detektor med steg- längden 50um, sådan som den hinnmonterade uppsättningsstruk- tur som visas heldraget i fig. 4(a). Det är möjligt att visa att den optimala elementdiametern är approximativt 30um vid Ekvivalent termiskt fluktuationsbrus = 10 15 20 25 s 466 570 ett detektorelement som är 5-Bum tjockt, åtskilt från sin granne genom en 20um bred polymerbärfilm 7 av submikron- tjocklek. En dylik struktur, som beräknats ge ett GH om luv _ K"l, skulle ha en uppsamlings- och absorptionseffek- tivitet n om omkring 0,35. Eftersom den fundamentala gränsen för brusekvívalenta effekten är mera känslig för n än för GH. erfordras en förbättring av n utan minskning av GH för att uppnå den brusekvívalenta effekten av intresse vid bestämda optiska förhållanden. Genom att öka elementstorleken eller lägga till en XAC i enlighet med tidigare kända kon- struktioner och sålunda minska den reella eller effektiva elementseparationen får man snabbt en ökning av den totala termiska ledningsförmågan och försämrar den ekvivalenta brus- effekten. Någon ökning i effektivt n kan åstadkommas genom att använda en känd XAC-struktur, där detektorelementets stor- lek minskas (exempelvis till 20um diameter) under upprätt- hållande av en XAC-struktur av 30um diameter. Emellertid är det önskvärt att åstadkomma en XAC-struktur. som möjliggör, uppsamling av strålning över en area, som är större än arean för det ursprungliga detektorelement som användes ensamt eller i kombination med en tidigare känd XAC. Den nya konstruktion med utsträckt area för en XAC 3 med platinasvart, som visas i fig. 2, medför en dylik struktur.

XAC-enheten med platinasvart (PB-XAC) är en självbärande absorberande struktur 3 med låg termisk kapacitans. som sträcker sig bortom begränsningen för själva detektorelementet l och sålunda verkar som en XAC-struktur. Den väsentliga punkt som är att notera är att strukturen 3 är självbärande och vid sin omkrets är fysiskt separerad från polymerbärfilmen 7 som mekaniskt och termiskt håller ihop detektorelementen l. Sålun- da försämras ej den termiska isoleringen mellan elementen l.

Absorbatorerna 3 med platinasvart kan åstadkommas genom elektropåläggning på en guld- (eller platina-) metalliserad yta (fig. 3) ur en vattenhaltig elektrolyt innehållande klor- platinasyra och ett blysalt. som verkar så att man åstadkommer en kraftigt dunliknande, dendritisk kristalltillväxt i det 10 15 20 25 30 466 570 6 pâlagda skiktet. Därvid kan man styra elektrolytsammansättnin- gen, temperaturen, strömdensiteten och pâläggningstiden för att åstadkomma en struktur med låg densitet av dendritiskt svart, 5-7um i vertikal höjd, med en massa per enhetsarea om omkring 0,6 mg/cmz (en densitet om ~ 5 % av den teore- tiska). En dylik struktur representerar en mycket liten ter- misk massa och är en mycket effektiv bredbandig absorbator, med en effektivitet som närmar sig 100 % inom bandet 8-l4um (för en 300k svartkropp vid l km avstånd, för ett enkelt ytbe- handlat (bloomed) germaniumfönster.

Platinadendriterna, som är bildade genom en nukleations- och tillväxtprocess, är elektriskt och termiskt anslutna till det elektrolytiska elektrodskiktet 7. Platinasvart. pålagt i av- gränsade öppningar pâ en kontinuerlig guldfilm (avgränsad exempelvis genom användning av fotoresist) eller på en mönst- rad guldfilm, uppvisar signifikant kanttillväxt. Vid riktiga svartpâläggníngsförhâllanden kommer höjden vid en kant att närma sig 1,5 gånger densamma på en plan yta, och det svarta sträcker sig också utanför kanten för öppningarna med ett omfång, som är approximativt lika med dess tjocklek (elektro- lysprocessen är i stor utsträckning isotropisk till sin natur). Detta fenomen kan styras och utnyttjas för att åstad- komma en svartkropp med utsträckt area, som är väl termiskt ansluten till den area, på vilken den elektrolyserats, såsom visas i fig. 4(a) och (b).

Vid tillverkningen av denna struktur förlägges först guldareor í mönster enligt fig. 3(b) för att åstadkomma en serie av guldelektroder ll, sammanlänkade med smala remsor l3 av guld.

Ett skikt av lämpligt fotoresistmaterial pâlägges genom rota- tionsbeläggníng, samt mönstras så att det täcker de anslutande remsorna 13, under det att guldelektroderna ll lämnas fria.

Detta mönstrade polymerskikt 15 flödes-värmebehandlas för att ge en rundad “vals“-profil för att styra topografin för PB-XAC-strukturen (fig. 3(a)). Ett eventuellt andra polymer- barriärskikt 17 kan pâlâggas och avgränsas vid mitten av varje polymervall för att hindra kortslutning mellan varandra in- 10 15 20 25 35 570 tilliggande svartareor 3. PB-XAC-skiktet pålägges sedan för att ge strukturen enligt fig. 4(a). Polymerskikten borttages, och de tunna anslutningsremsorna 13 av guld nedetsas för att ge en metallremsa 13' med högre resistivitet.

Kantförlängningar vid sådana svartstrukturer om upp till lOum per kant kan uppnås genom dylika processer för accep- tabla svarttjocklekar. PB-XAC-strukturen är sålunda tillämpbar vid termiska detektorstrukturer, där elementsteget bara är en liten multipel av l0um och/eller där det inbördes gapet mellan element ligger inom intervallet 10-30um. Sålunda kan exempelvis PB-XAC-strukturer definieras på 30um kvadratiska guldelektroduppsättningar med en steglängd om 50um (elek- trodgap 20um), med en kantförlängning om 6-8um per kant, dvs. ett gap mellan varandra intilliggande PB-XAC-absorbatorer om mellan 8 och dnm. En 7um kantförlängning kan på basis av en enkel geometrisk areaberäkning förväntas absorbera nära 80 % av strålningen på en bildpunkt (jämför med 0,35 enligt vad som nämnts ovan). Mätningar på provstrukturer har visat en total reflektans om ll-12 % i bandet 8-l4nm, vilket indike- rar en absorbans som ligger nära 90 %. Detta är resultatet av att man definierar gapet mellan varandra intilliggande element så att det ligger vid eller under våglängden för infallande strålning. Sålunda kan PB-XAC-strukturen erbjuda nära 90 % absorption för bíldpunktsstrålningen vid 50um steglängd utan försämring av den termiska isoleringen.

PB-XAC-strukturen kan även kombineras med en XAC-struktur 3" i enlighet med tidigare känd konstruktionsprincip. så att man får en sammansatt XAC-struktur som ytterligare ökar det ter- miska detektorsvaret, upp till en gräns, som begränsas av den termiska belastningseffekten av det tillagda kollektor- och termiska överföringsskiktet. En dylik struktur visas i fig. 5 där det framgår att endast en del av den utsträckta arean för kollektorn 3 är frilagd från bärsklktet 7.

I

Claims (5)

10 15 20 25 Patentkrav

1. Termisk detektor av det slag som omfattar en uppsättning av diskreta detektorelement (1), där vart och ett av dessa är uppburna av ett gemensamt bärskikt (7), och vilka samtliga står i termisk kontakt med var sin kollektor (3) av strål- ningsabsorberande material, där arean för varje kollektor (3) är större än arean för motsvarande detektorelement (1), k ä n n e t e c k n a d av att kontakten mellan varje kol- lektor (3) och bärskiktet (7) är begränsad till en area, som ligger väsentligen inom och förskjuten från kollektorns (3) omkretskant.

2. Termisk detektor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att separationen kant-till-kant mellan varandra intillig- gande kollektorer (3) är av en dimension understigande strål- ningens våglängd.

3. Termisk detektor enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c kan a d av att kollektorn (3) är bildad av ett metall- svart, infrarödabsorberande material, exempelvis platina- svart.

4. Termisk detektor i enlighet med något av krav 1-3, k ä n n e t e c k n a d av att den nämnda kollektorn (3) är gjord medelst en elektropåläggningsprocess.

5. Termisk detektor enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att den nämnda påläggningsprocessen är så utförd att be- läggningen har en dendritisk struktur med låg densitet. n»