TWI237418B - Array of sensors, sensor element and imaging arrangement - Google Patents

Description

1237418 五、發明說明（1) 發明背景 發明領域 本發明係有關一種適用於地表背景造影的毫米（mm)波 造影機，特別但是不排外的是有關一種被動式毫米（mm) 波造影機。藉由「被動式」指的是不需要以毫米輻射對 該背景進行照明。 相關技術說明 被動式毫米波造影術對諸如在機場及邊界跨越區內用 於偵測隱匿武器之類安全應用而言是一種有潛力的重要 技術。地表背景的被動式毫米波造影術也可用在飛機及 直昇機當作飛行及著陸的輔助。 對很多這類應用而言，被動式毫米（mm)波造影機必須是 能夠以可接受成本而在沒有過度笨重的設備下以小於0.5 °K的溫度解析度產生即時影像。因爲雜訊的考量，吾人 必需在重要時刻對每一個像素上的信號進行積分，以便在 需要用到極大數目之獨立偵測通路的情況達成可接受的性 肯g (例如以20赫的畫框速率得到由至少1 04個像素構成的 畫面），而習知毫米波造影機的標準狀態將會需要超過1 00 個偵測器。無論是否對影像進行電子式或機械式的掃瞄， 若想要得到具有有用溫度解析度的即時影像吾人都必需由 任意造影陣列提供相當大數目的獨立輸出，而這種極大數 目的輸出並不容易由電子掃瞄式陣列得到。此外，若在焦點 1237418 五、 發明說明 ( 2； ) 平 面 陣 列 中 使 用 了 外 差 偵 測器 y 則 必 須設置一機制以讀 取 極 大 陣 列 的 所 有 元 素 〇 用 於 天 文 被 動 式 毫 米 波 造影 術 的 偵 測策略係藉由低溫 超 導 穿 隊 隧 接 面 式 類 粒 子 混合 器 而 使 用外差偵測法。這 指 每 一 個 偵 測 器 上 都 供 應有 區 域 震 盪器的信號，此信 號 會 與 來 白 所 觀 測 到 之 天 文背 景 的 雜 訊信號混合而產生 落 在 非 常 低 之 中 間 頻 率 (IF)上的雜訊輸出。在天文學上 通 常 必 要 的 是 隔 離 出特 別窄 的 信 號 帶以便對該IF進行 光 譜 分 析 〇 由 V • P • Koshelets等人發表於 S up e rcond·，S c i. T echnol. 1 3 (2000)R532 -R69 標 題 爲 「積 體 式 超 導接收器 (Integrated S up e r c 0 11 d u c ti ng Rec e i' ，ers)」的論文中說明 了 一 種 適 用 於 光 譜 >firr 線 電 天文 及 大 氣 應用之超導接收器 陣 列 的 實 例 〇 與 外 差 偵 測 法有 關 的 複 雜度能夠由如第1 4 圖 所 示 的 電 路 計 量 出 0 若 將要 用 到 極 大數目的這類偵測 器 則 必 須 使 它 們 的 輸 出 接受 整 流 成 爲近乎直流（DC)狀 態 y 因 爲 讀 取 極 大 數 S 各 具有 數 十 億 赫（GHz)帶寬的信 號 是 不 切 實 際 的 〇 若 只 對 該信 號 進 行 整流，則該區域震 盪 器 的 振 幅 及 相 位 雜 訊 兩 者都 會 出 現 在輸出內，且可能 的 情 形 是 該 通 量 流 動 震 盪 器的 振 幅 雜 訊會比K 〇 s h e 1 e t s 等 人 所 硏 究 的 相 位 雜 訊 大 很多 〇 排 除 這種情形會在每一 個 像 素 上 需 要 更 爲 複 雜 的 電路 結 構 〇 在允許以極大數目 的 偵 測 器 爲 地 表 背 景 進 行 造影 模 式 下 的作業既不是 K( )s 1] l e 1 et s ;等人所強調的目 丨的也無注 -4- j用他們的電路以直 1237418 五、發明說明（3 ) 接方式達成。這些缺點係一般性地適用在各外差偵測策 略上’而不是只適用在Ko she lets等人的施行方法上。 反之’如同以下將要說明的，本發明使用的是直流（無線 電）偵測法，亦即其輸出基本上是一種會改變的DC信號 。這會有利於極大陣列之偵測器的製造及讀取作業。 與天文學相反的，地表背景不含任何吾人感興趣的窄 能帶光譜資訊，且其偵測通路只需要跨越具有低雜訊的 相當大帶寬進行信號積分。用於地表被動式毫米波造影 術的現有技術使用的是一串頂級半導體技術中的快速放 大器以放大來自地表背景的雜訊信號。然後再利用半導 體整流器直接偵測該信號。吾人所需要的放大器增益通 常是落在60分貝的等級上。以90十億赫或更高的頻率 成這個等級會需要很多增益階段而引致極高的成本、功 率浪費及複雜度。此外，依與新近毫米波造影器相關的 方式用到之即時掃描器的尺寸、成本及複雜度是主要的 缺點。 已知有數種相位陣列式天線的槪念，其中係藉由可調 頻元件操縱來自該天線的射束。K 〇 e p f已在美國專利申 請案第5 1 0 5 200號文件中給出一種這類槪念的實例。這 些陣列通常具有一種信號輸出以及有限的瞬時帶寬，且 無法快速地提供地表造影術所需要的大數目偵測通路及 很寬的帶寬。 發明之簡單說明 本發明提供了-種感知器陣列，係用於接收已聚焦的 1237418 五、發明說明（4) 地表毫米波影像並提供用以代表來自其上各信號之影像 的對應像素組’各感知器指的是天線輔合式高溫超導體 弱聯結器以便直接偵測入射的毫米波輻射。與各感知器 會作出一致反應的相位陣列不相像地，該陣列的每一個 感知器都能夠回應該已聚焦影像的單〜像素而提供對應 的輸出信號。實際上，各信號會傾向於在例如用於積分 、放大及其他需求的平行通路內接受初始處理，但是終 究常見的是將各平行通路信號轉換成具有已知形式的序 列信號。 由 S· F· Karmanenko 等人發表於 Supercond.，Sci. Technoh 1 3 (2000)273 -2 86 標題爲「以超導性 YBC〇 膜 爲基礎之天線耦合式微型輻射熱計的製造方法及雜訊性 質（Fabrication Process and Noise Properties of Antenna Coupled Microbolometers based on Superconducting Y B C O F i 1 m s )」的論文中說明了一種微型輻射熱計陣列 。本發明中各實施例具有表面結構的相似性，同時使用 類似的材料，但是這些裝置內的電流是到處垂直於結晶 學的c -軸。 此外，微型輻射熱計無法依像天線耦合式高溫超導體 弱聯結器的方式操作以便直接偵測入射的毫米波輻射， 而是仰賴因輻射而誘導的溫度變化以改變超導性材料的 阻抗特別是其電阻，且對將要証明的任何顯著阻抗變化 而言吾人必需使後者保持接近超導性臨界溫度Tc。反之 ，必要的是使該天線耦合式高溫超導體弱聯結器維持在 1237418 五、發明說明（5) 顯著地低於T c的溫度（例如至少低了 5 °c，甚至更佳的 是至少低了 1 0°C )上。直接偵測器及輻射熱計之作業模 式的淸楚區別是輻射熱計會給出大槪正比於其電流一電 壓特徵之一階微分的回應，而直接偵測器則會給出大槪 正比於其電流-電壓特徵之二階微分的回應。 本發明中各實施例係使用c-軸微型電橋（CAM)接面當 作感知器，且常見的是將這類感知器製作成階梯式CAM 接面或是跨越式CAM接面。第10圖中係與電流-電壓 特徵之一階微分及二階微分作比較將階梯式CAM接面 對1 〇〇十億赫輻射的回應表爲偏移的函數，其中係將其 量値的標度訂定成大槪對應到所量測的資料。二階微分 曲線的相似性是很淸楚的。吾人並不期望各曲線之間有 精確的一致性，因爲吾人期望的是與天線阻抗的匹配會 隨著偏移條件而改變。很明顯地，該階梯式CAM接面 係依像直接偵測器的方式而操作。 歐洲專利申請案第8 2 3 7 3 4 ( D ο 1· n i e r)號文件及國際專利 申請案第9 8/0 400 2 (Do niier)號文件中揭示了可能的替代 性偵測元件，其中設想的是結合複數個接面以提供輻射 的單-發射器/偵測器。各接面之間的相位閂鎖作用是 這類觀點之優點的中心議題。各接面之間的相位閂鎖作 用是一種只發生在出現足夠輻射功率時的非線性現象。 如是吾人能夠在製作毫米波輻射發射器時或是在外差偵 測策略中有利地使用相位閂鎖作用，但不是在直接偵測 法亦即非常適合高靈敏度地表毫米波造影機的唯一趨近 1237418 五、發明說明（6) 法中用到這種作用。 天線耦合式高溫超導體弱聯結器的高速率及非線性使 它們有潛力而十分適合用來當作直接偵測器。不過，他 們並未在此申請案認真地考量，因爲吾人熟知的是喬瑟 佛生（Jo sephson)混合器具有比似粒子混合器更差的雜訊 性能。然而，該雜訊會維持與來自用於地表造影機之環 境溫度策略的雜訊相當，因此直接偵測策略提供的是稍 微比用在地表應用上的似粒子混合器低的性能。同時藉 由使用直接偵測作業，吾人可以在掃瞄陣列內使用極大 數目的偵測器，以致能夠在即時造影機內達成極高的溫 度解析度（<<1K)。 這裡使用「地表」一詞代表設計成用以觀測地表背景 的造影機而與觀測天際是相對的。這種造影機可以例如 當作飛機或直昇機上用於對潛在著陸地點進行造影的著 陸輔助器。 該弱聯結器可包括約瑟生接面，特別是Η T S約瑟生穿 隧式接面。該弱聯結器可能包括微型電橋，特別是c-軸 微型電橋。該微型電橋可爲跨越式微型電橋或是階梯式 微型電橋。吾人應該注意的是此中所稱的某些用於製作 包含約瑟生接面之類微型電橋接面的技術，能夠製造出 其本性及機構仍具爭議性的阻擋層。爲求簡潔，文中將 它們全部稱作微型電橋。 較佳的是，各弱聯結器都是由高溫超導體材料製成的 ，例如RBa2Cu3〇x材料，其中R指的是釔或是稀土族元 1237418 五、 發明說明 ( 7； ) 素 〇 該 陣 列 係 yS、 圖 用 以 接 收 來 白 造 影 光 學 元 件 的 已 聚 隹 影 像 > 例 如 用 於 對 地 表 背 景 進 行 造 影 〇 該 造 影 光 學 元 件 可 包 括 在 感 知 器 陣 列 與 刖 七山 m 光 學 元 件 之 間 的 光 學 液 浸 透 鏡 配 置 〇 該 光 學 液 浸 透 鏡 配 置 可包 括 單 一 的 液 浸 透 鏡 (或是液浸 透 鏡 陣 列 — 例如 每 —^ 個 感 知 器 有 一 個 )° 該感知器陣列應 該 是 配 置 或牢牢 地 固 定 緊 鄰 或 接 觸 到 該 光 學 元 件 上 各 相 鄰 液 浸 透 鏡 之 間) 靈 ;較佳的是兩者之間的縫 :是 小於 0 • 01 波 長 〇 可 替 代 地 y 爲 了 減 少 該 液 浸 透 鏡 配 置 的 冷 卻 時 間 該 光 學 液 浸 透 鏡 係包 括含有 第 一 暖 性 高 光 學 功 率 透 鏡 元 件 和 第 二 冷性 透 m 元 件 的 雙 稱 透 鏡 以 便 提 供 液 浸 功 能 〇 此 例 中 > 只 需 要: 對: 設i 置有液浸功能的透鏡進行冷卻。 另 — 種 爲 該 液 浸 透 鏡 配 置 降 低 冷 卻 需 求 的 方 法 係 藉 由 熱 學 方 式 使 該 光 學 液 浸 透 鏡 配 置 白 該 偵 測 器 陣 列 上 解 耦 出 來 〇 吾 人 能 夠 設 計 出 落 在各 透 鏡 與 該 陣 列 之 間 的 窄 小 縫 隙 以 便 大 幅 減 小 各 透 鏡 與 該 偵 測 器 陣 列 之 間 的 熱 接 觸 y 而 仍 妖 J\ \\ 允 許 透 過 該 縫 隙 使 毫 米 波 輻 射 產 生 穿 隧 效 應 〇 於 是 在 該 液 浸 透 鏡 配 置 與 偵 測 器 陣 列 之 間 存在有 溫 度 差 > 以 致 不 須 要 使 該 透 鏡 配 置 冷 卻 到 各 偵 測 器 必 須 冷 卻 達 到 的 低 溫 〇 吾 人 能 夠 使 用 一 個 以 上 的 這 種 熱 中 斷 器 以 強 化 其 熱 學 解 耦 作 用 〇 根 據 本 發 明 的 造 影 機 可 包 括 — 個 以 上 的 液 浸 透 鏡 / 偵 測 器 陣 列 組 合 > 例 如 吾 人 能 夠 9- 在 不 同 的 頻 率 及 偏 極 性 下 1237418 五、發明說明（8) 操作不同的組合。可替代地，吾人可以使用一個以上的 這類組合以拓寬該造影機的觀測視野。 可以使接地平面落在與液浸透鏡遠隔之積體陣列的側 邊上以便改良該天線之主要向前突出部分的功率。 天線及相關天線耦合式高溫超導體弱聯結器的積體陣 列係依符合成本效益的方式藉由一種由磊晶成長法及圖 形製作法構成的方法所形成的。 圖式簡單說明 現在吾人將只參照各附圖藉由實例說明本發明。 第1圖係用以顯示一種根據本發明之毫米波造影機的 示意圖。 第2圖係用以顯示一種根據本發明第一實施例由四個 耦合於天線上之HTS跨越式c-軸微型電橋（CAM)約瑟生 接面構成之陣列積體電路設計的示意圖’其中該陣列適 合當作第1圖中毫米波造影機內的直接偵測器。 第3圖係用以顯示一種適合用在第2圖中電路設計內 之跨越式CAM結構的示意圖。 第4a到4f圖顯示的是用於第3圖中CAM之製造方法 的示意圖。 第5圖係用以顯示一種根據本發明第二實施例由八個 耦合於天線上之HTS階梯式CAM構成之陣列積體電路 設計的示意圖，其中該陣列適合當作第1圖中毫米波造 影機內的直接偵測器。 第6圖係用以顯示一種適合用在第5圖中電路設計內 -10- -----—. 1237418 五、發明說明（9) 之CAM結構的示意圖。 第7圖係用以顯示一種適合用在第1圖中造影機內之 熱中斷器型式的示意圖。 第8圖係用以顯示第1圖中造影機內透鏡及偵測器配 置之裝設作業的示意圖。 第9a和9b圖係用以顯示該陣列內各偵測器到第1圖 中造影機內所用電流供應器和低雜訊放大器上之電氣連 接結構的示意圖。 第1 0圖顯示的是一種階梯式C AM接面對1 〇 〇十億赫 輻射的回應。 較佳實施例的詳細說明 如第1圖所示之毫米波造影機係包含一用於對單一液 浸透鏡（2)之前方進行照明而例如由氧化鎂陶質物（MgO) 或是鋁陶質物製成的前端光學元件（未標示）。該液浸透 鏡係在受到前端光學元件照明的表面上含有抗反射塗層 (6)。諸如導電性泡棉之類吸收性材料（7)係落在該透鏡（2) 的側邊上以吸收在該透鏡（2)內受到反射或散射的絕大部 分輻射，以便使得在該透鏡（2)內部重複傳播的輻射量額 最小化。 較佳的是，爲了進行符合成本效益之製程的理由，而 與使用複數個液浸透鏡的情形相反地使用一個液浸透鏡 。該液浸媒體內部波長的減小意指能夠在給定基板面積 上封裝更多的偵測器。這同時意指能夠在物理定律容許 下依儘可能靠近的方式（大約間隔了 一個操作波長）封裝 -11- 1237418 五、發明說明（1〇) 落在該透鏡（2)之焦點平面上的直接偵測器陣列（4)，以 致能夠在單一基板上製作出數百個偵測器。使用單一液 浸透鏡（2)的缺點是必須對整個透鏡進行冷卻’這會引致 在能夠使用該造影機之前達數小時等級之非常長的冷卻 時間。至於可替代的是能夠使用一*液浸式雙透鏡以減少 其冷卻時間。 該透鏡及偵測器配置係收納於真空封套（5)內的雙平臺 式基福-麥蒙（GM)冷卻器內。、該液浸透鏡（2)係透過該 真空封套（5)內的視窗（9)受到前端光學元件的照明。該 視窗上有利地製作有各元件的圖案，此等元件會允許必 要的輻射透射而反射落在能帶外的輻射。該GM冷卻器 含有用於冷卻該透鏡（2)的第一冷平臺（1)以及用於冷卻 該偵測器陣列（4)的第二冷平臺（3)。該透鏡（2)會受到同 時用以形成部分透鏡冷卻用第一冷平臺且形成爲輻射遮 罩之透鏡支架（Π)的支撐。 可將具有如第7圖所示之型式的斷熱器（13)設置在該 透鏡（2)與偵測器陣列（4)之間。此例中，該斷熱器（13)包 括一在毫米波長上呈透明之玻璃構成而其介電常數類似 於該透鏡（2)之介電常數的平板（雖則它也能包括複數個 玻璃）以及其上製作有間歇式空間層（15)圖案的偵測器陣 歹IJ (4)。 該前端光學元件及液浸透鏡（2)的組合會在該偵測器陣 歹[J (4)上產生地表背景的影像。該偵測器陣列（4)係形成 於氧化鎂基板上，雖則吾人能夠使用具有較高折射率的 -12- 1237418 五、發明說明（11) 材料以便進一步減小其天線阻抗並增加各偵測器的強度。 基準面（8)可落在該偵測器陣列（4)後方。該基準面（8) 可能是由氧化鎂或鋁構成厚度大槪等於該造影機之操作 波長之1/4的平板且係以金（Au)塗覆在其遠離各偵測器 的表面上。對100十億赫的操作頻率及9.6的介電常數 而言，該基準面（8)的厚度爲例如25 0微米或是落在該區 域內。使用基準面（8)具有減小天線阻抗以及減小天線之 主要向前凸角寬度的效應。 該透鏡及偵測器配置的裝設作業係詳細顯示於第8圖 中。在這種較簡單的結構中，係以冷卻偵測器的相同冷 平臺直接使透鏡冷卻。液浸透鏡（2)係受到圓柱形冷卻用 套筒（17)的支撐且由透鏡夾（19)箝夾在定位上。偵測器 陣列（4)係形成於基板上面朝透鏡（2)的面上並藉由斷熱 器（13)使透鏡（2)與偵測器陣列（4)間隔開。基準面（8)係 位於該偵測器陣列後方。吾人係將透鏡組合支撐在一銅 冷卻板（23)亦即該GM冷卻器之第二平臺的冷卻頭上。 使用彈性銅辮（2 5)以冷卻該偵測器陣列並使該偵測器配 置向上偏移到與透鏡（2)接觸處。 第2圖中顯示的是一種適用於偵測器陣列（4)而由四個 偵測器元件構成之陣列的電路設計圖。實際上會在一吋 方形基板上使用其等級落在20x20個偵測器元件的陣列。 陣列中的每一個偵測器元件都包括有天線（l〇a-d)以及天 線耦合式HTS跨越型CAM喬瑟佛生接面（12a-d)。在第 2圖的設計中，各天線U〇a-d)指的是H-天線，亦即各包 -13- 1237418 五、發明說明（彳2) 括兩個以上達半操作波長距離間隔開且由具有適當阻抗 和長度之導線耦合在一起的偶極子天線（14a, 14b)。各 CAM接面（12a-d)係在其中心點上跨越此導線而作交叉式 連接。各偵測器元件上的超導性偏壓以及各讀出引線 (16a-h)係在相當低的阻抗點上連接到各天線（l〇a-d)上。 引線（1 6a-h)包括由在半操作波長間隔上交替配置之高及 低阻抗區段製成的低通濾波器以便使各天線（10a-d)上出 高阻抗。各偏壓引線（16a-h)係依垂直於各天線（10a-d)的 方式呈對齊以便使各天線（10a-d)上輻射圖案的微擾最小 化。 在如第2圖所示的配置中，每一個偵測元件都需要兩 個引線（16a-h)。可替代地在如第5圖所示的配置中，係 將單一之一個具有相當高數値的疊合電容器放在離開天 線大約半個操作波長（液浸媒體內）處以便使各偵測器元 件相互隔離且與其周遭環境隔離開，而允許使用共同電 極且因此節省了空間。 各偵測器元件中所用的各HTS跨越型CAM喬瑟佛生 接面（12a-d)係詳細顯示於第3圖中。接面（12)必需具有 極高的正常態電阻（RN)以及足夠高的臨界電流（以致在其 操作溫度T上其臨界電流Ic>>kT/ ¢) 〇，其中k指的是波 兹受吊數而指的是大槪爲2.χΙΟ·15韋伯的磁通量子） 。該接面的特徵頻率Fc = IcRN/ p g必須明顯地大於所偵 測到的頻率，較佳的是至少爲所偵測頻率的三倍。穿隧 性接面需要很低的電容以致其麥肯伯（McCumbeO參數c -14- 1237418 五、發明說明（13) 比1小很多。該麥肯伯參數係給定如下·· β c = 2 π IcRN2 C/ ψ 〇 ； 其中 Ic =臨界電流； Rn =接面正常電阻； C =電容；且 P 〇 =磁通量子。 且由於Rn必需是很大的，故C必需是很小的。 模擬顯示對具有阻擋層的弱聯結器而言對小電容的需 求更是特別明顯。對不具有阻擋層的弱聯結器而言低電 容是不具關鍵性的議題，因爲該阻擋層本身會引致電容 的緣故。據估計，具有阻擋層的弱聯結器必需含有小於 大約0.05平方微米的截面以便在具有此中說明型式的造 影機內運作良好。微型電橋弱聯結器也必需是具有很小 截面的，但是係爲了提供高電阻而不是爲了保持低電容。 這些性質可以在c-軸微型電橋（CAM)喬瑟佛生接面內 找到且所用特殊型式的CAM是一種如第3圖所示的跨 越式CAM。這種跨越式CAM的型式以及這種跨越式 CAM的製程可參見大英專利申請案第GB 2,2 8 8，094號 文件中的詳細說明，特別是與其中的第5圖有關。 於第3圖中，超導體元件YBCO含有YBa2Cu3 0 7(部位 1 8、20及22)的組成而具有相當高電阻的材料PBCO含 有PrBa2Cu3 07 (部位26)的組成。吾人也可以替代地使 用其他超導體及絕緣體，特別是可以使用新發現的 MgB2超導體。第3圖中配置相較於大英專利申請案第 G B 2，2 8 8，0 9 4號文件中第5圖配置的改良是，已改變其 -15- 1237418 五、發明說明（14) 接面（1 2 ) ‘的幾何形狀以致在兩個Y B C 0電極上不存在有 連續的a - b平面（參見第3圖中所插入的a - b - c軸）接合作 用（部位1 8,20)。這可在製作成頂部電極（18)圖案（如下 所述）時藉由某些過磨作用而達成且得到由YB C 0材料構 成用以形成微型電橋的短區段，其中電流必須完全沿著 c-軸方向流動。當以這種方式製作時，如第3圖所示之 接面指的是一種界面設計式接面。 爲了形成如第3圖所示之接面，係將由PrBa2Cu3〇7構 成的磊晶層（2 4)澱積於氧化鎂基板（2 8)上接著成長由 YBa2Cu3 0 7構成的磊晶層（20)。然後將層（20)和（24)製作 成如第4a(截面圖不)和4b(平面圖不）圖所不的軌道圖案 。如第4c圖所示將由PrBa2Cu3 07構成的磊晶層（26)澱 積於軌道（2 0 )上方，然後再使之平坦化以便如第4 d圖所 示露出該軌道（20)。在成長下一層之前對這個表面進行 的處理是形成該設計接面中的重點步驟。將由 YBa2Cu307構成的第二層（18)澱積於該層（26)上方，然後 製作成如第4c圖所示之圖案以形成跨越該軌道（20)的第 二軌道（1 8 )，如第4 f圖之平面圖所示。利用光刻法及離 子束硏磨法將頂層（18)製作成圖案。達到YBa2Cii3 0 7層 以下的過磨作用確保了各層之間的連接’其方式是使穿 過該設計界面的電流會優勢地沿著c-軸流動。 對當作直接偵測器之喬瑟佛生接面的模擬顯示出必需 使正常態電阻（RN)以及臨界電流-正常電阻的乘積（Ic 以幻結合有異常低的電容。若使用的是一種穿隧接面， 6 1237418 五、發明說明（15) 該最後要求指的是非常小的接面面積以及具有非常小之 寄生電容的接面技術。如第3圖所示且根據第4圖之方 法製成的幾何形狀會造成一種界面設計式接面。吾人可 以使用第4圖的方法製作出等級在0.01到0.04平方微 米的接面。 基底電極（20)和頂部電極（18)必需是很小而尺寸爲0.1 到0.2微米。吾人能夠方便地以硬式遮罩材料（例如碳） 以及電子束蝕刻法達成這樣的尺寸。所需要的層膜厚度 可能只有大約0.1微米，對初始基底層（24)而言可爲〇.2 微米。在處理結束時少於完全氧化的作用（可藉由退火達 成）會以減少臨界電流（Ic)的代價有助於增加正常電阻Rn 。由PBCO構成的基底層（24)會抑制能夠傳播到該 YBCO內之顆粒邊界的形成。當該基板爲氧化鎂時這是 必要的，但是對其他基板而言可能不是必要的。 由天線耦合式高溫超導體微型電橋喬瑟佛生接面施行 的高靈敏度直接偵測作業存在有兩項要求。最重要的要 求是該接面應該具有極高的正常電阻（rn)這大體而言反 應了必需符合該天線阻抗（通常是幾十歐姆）。第二項要 求是極大的臨界電流（Ic)-正常電阻（rn)的乘積Ic rn， 使得該接面的特徵頻率（fc)會比該造影機的必要操作頻 率高非常多。當操作頻率比該特徵頻率（fc)低很多時， 吾人可以將該喬瑟佛生接面當作非線性電阻器。然後藉 由該喬瑟佛生接面對入射信號進行整流以產生正比於該 接面之IV特徵亦即d2v/dl2且正比於該信號振幅的輸出 1237418 五、發明說明（16) 信號。隨著該接面的冷卻’該臨界亀流I c且因此其臨界 頻率fc會增大。因此，在較低的溫度下平方定律偵測作 用是該接面內的優勢效應。 每一個接面都會因爲定常電流供應以及由低雜訊放大 器讀出的電壓而偏移。有利的是使用一種低速反饋電路 以調整該偏移電流設定點，以致將跨越很多框架得到的 平均電壓設定爲其最佳値。這會爲各單獨偵測器性質上 的變量作出極大程度的補償。在某些應用中，該陣列將 會受到週期性校正，並將該操作點設定成部分的校正週 期。使該偵測器陣列經由一接合電線配置（3 〇)以及形成 於聚合物基板（2 9)上的薄膜金屬軌道（2 7)與該電流供應 及低雜訊放大器形成電氣連接，如第9a和9b圖所示。 在可將毫米波造影機建造成星形陣列時’可使用精巧 的遞色掃瞄器以提供經改良的空間解析度且能夠選擇性 地改良其偏極性或頻率多樣性。 依與第8圖相關方式說明如上的毫米波造影機配置將 費時數小時以冷卻到其操作溫度上。如第1到7圖所示 的配置中已將這個問題最小化，其中係使液浸透鏡（2)從 偵測器陣列上熱學解耦出來，以致能夠在該液浸透鏡（2) 仍然保持冷卻下使各偵測器冷卻到其操作溫度上。吾人 可以在將偵測器裝設於GM冷卻器之第二平臺內之下將 透鏡（2)裝設於具有相當大冷卻容量之該GM冷卻器的第 一平臺內。落在偵測器陣列（4)與透鏡（2)之間呈微米等 級的窄小縫隙便足以在不引致可觀測之光學耗損下產生 -18- 1237418 五、發明說明（17) 熱學解耦現象。 吾人能夠建造出落在該偵測器陣列（4)邊緣上的天線以 致能夠相對於該陣列平面的垂線以稍微傾斜的角度將它 們的主光束向外引導。對Η形一天線而言，這可藉由在 該Η-平面內使接面（12)的位置偏離Η的中心。 第5圖顯示的是一種由八個耦合於天線（44a-h)上之 HTS階梯式CAM(42a-h)構成之陣列且適用於第1圖之毫 米波造影機內當作直接偵測器元件的替代式積體電路設 計圖。實際上使用的是由20x20個偵測器元件構成的陣 列。該陣列內的每一個偵測器元件皆包括有天線（44a-h) 及天線耦合式HTS階梯式CAM (42a-h)。於第5圖中係 將天線（44a-d)設計成各Η形-天線，各Η形一天線皆包 括兩個以上達半操作波長距離間隔開且由具有適當阻抗 和長度之導線耦合在一起的偶極子天線。該階梯式接面 (42a-d)係形成爲在其中心點上跨越此導線。各偵測器元 件上的超導性偏壓以及各讀出引線（46a-j)係在相當低的 阻抗點上連接到各天線（44a-d)上。將疊合電容器（例如 4 8 a)設置於電路內離開天線大約半個操作波長處以便隔 離該天線並使各天線（44a-d)上出現高阻抗。各偏壓引線 (4 6a-h)係依將一半陣列拉到該偵測器陣歹ij (4)之某一側上 並將另一半陣列拉到該偵測器陣列（4)之另一側上的方式 達到節省空間的目的。 在第5圖的配置中，係將單--個具有相當高數値的 疊合電容器（例如4 8 a)放在離開天線大約半個操作波長 (液浸媒體內）處以便使各偵測器元件相互隔離且與其周 -19- 1237418 五、發明說明（18) 遭環境隔離開，而允許使用共同電極且因此節省了空間 。這種疊合電容器可能利用例如由金構成的薄膜當作頂 部電極而藉由旋轉塗覆之聚亞胺絕緣體薄層與各偏壓引 線間隔開。 該階梯式CAM的結構係詳細顯示於第6圖中。這種 型式的CAM的製造會比如第3圖所示之跨越式CAM的 製造容易得多。爲了製作如第6圖所示之階梯式 CAM(42)，吾人係將由PrBa2Cu307構成的磊晶層（34)澱 積於氧化鎂基板（3 8)上。利用碳三層遮罩處理法及離子 硏磨法在此緩衝層（3 4)內製作出沿著c-軸方向 (參見第6圖中的c-軸方向）高度小於3 00奈米的階梯圖 案。進一步將由PrBa2Cu307構成的磊晶層（36)澱積於該 緩衝層（34)上接著成長一層由丫832(：^3 07構成的磊晶超 導體（32)以及由PrBa2Cu3 07構成的第二磊晶層（40)。較 佳的是在不使晶圓曝露於大氣中的情形下一個接一個地 成長這三層（36，32，40)。落在超導體（32)下方的阻抗 性PrBa2Cu307層（34，36)會扮演著異構性緩衝層的角色 ，而落在超導體（32)上方的阻抗性PrBa2Cu307層（4〇)會 扮演著頂蓋層的角色。新近使用的是厚度爲60奈米的 超導體層（32)，但是這非爲最佳化的條件且可能使用至 少像20奈米那麼低的不同厚度範圍。有效階梯高度指 的是施行圖案製作而形成的階梯高度與超導性薄膜厚度 之間的差異。例如，施行圖案製作而形成的1 〇〇奈米階 梯高度以及超導性薄膜的60奈米厚度會留下40奈米的 有效階梯高度。 -20- 1237418 五、發明說明（19 ) 此中依與第6圖相關方式加以說明的方法學指的是一 種用以製作c-軸微型電橋的簡單方法。係將超導體薄膜 (較佳的是厚度落在0.00 5與0.3微米之間）成長於其高度 相當於或大於該薄膜厚度的階梯上方。該薄膜上到處（包 含該階梯）都具有相同的結晶學方位。在依與第6圖相關 方式加以說明的方法學中，階梯上所形成的顆粒邊界會 因爲藉由在異構性材料PrBa2Cn3 0 7內形成該階梯而受到 抑制。該超導體指的是一種三維但是呈各向異性的超導 體，其最弱的超導方向是垂直於基板的。跨越該階梯製 作成窄小軌道的圖案並在軌道跨越該階梯處形成一種c-軸微型電橋。這種微型電橋係由跨越該電橋的漩渦運動 加以操作，亦即指的是一種依與穿隧接面不同之方式運 作的機構。 在已成長了（34)到（40)等層之後，於超導體（32)內製作 成軌道（寬度小於2微米）圖案，使得各軌道會跨越該階 梯並在各階梯上形成各c-軸微型電橋。配置各軌道以便 將兩個具有傳輸線的導體連接在一起。該傳輸線則轉而 連接到該Η形-天線的懸臂上。若對所用蝕刻技術而言 不太要求接面寬度，則吾人能夠在單一製程中製作出所 有這類結構（軌道、傳輸線及天線）的圖案。窄小的階梯 式C A Μ會產生比寬大的階梯式C A Μ更好的性能，有利 的是在分開的蝕刻步驟中例如以電子束蝕刻法製作成窄 小軌道的圖案。 參考符號之說明 -21 - 1237418 五、發明說明（2〇) 1 .....第一冷平臺 2 .....液浸透鏡 3 .....第二冷平臺 4 .....直接偵測器陣列 5 .....真空封套 6 .....抗反射塗層 7 .....吸收性材料 8 .....基準面 9 .....視窗 I 0 a - d.....天線 II .....透鏡支架 12a-d.....天線耦合式HTS (高溫超導體）跨越型 CAM(c-軸微型電橋）喬瑟佛生接面 13.....斷熱器 1 4a, 1 4b.....偶極子天線 15.....間歇式空間層 16a-h.....讀出引線 17 .....圓柱形冷卻用套筒 18 .....頂部電極（磊晶層） 19 .....透鏡夾 20 .....基底電極（軌道） 22 .....Y B C〇材料 23 .....銅冷卻板 2 4.....初始基底層 -22- 1237418 五、發明說明（21) 25.....彈性銅辮 2 6.....晶晶層 27.....薄膜金屬軌道 2 8，3 8.....氧化鎂基板 29.....聚合物基板 3 〇.....接合電線 32.....超導體 34.....緩衝層 36.....電阻層 40.....第二聶晶層 42a-h.....高溫超導體階梯式c-軸微型電橋 44a-h.....天線 46a-j.....偏壓引線 48a.....重疊電容器 -23-

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第9 1 1 08383號「感知器陣列、感知器元件及造影配置」 專利案 （94年3月修正） 六、申請專利範圍 1 . 一種感知器陣列，用於接收已聚焦的地表毫米波影 像，其中各感知器指的是天線耦合式高溫超導體弱 聯結器，其中各天線耦合式高温超導體弱聯結器可 直接偵測入射的毫米波輻射，且各感知器係相互獨 立以藉此提供影像代表信號的對應像素組。 2 .如申請專利範圍第1項之感知器陣列，其中各弱聯 結器指的都是喬瑟佛生（Josephson)接面。 3 .如申請專利範圍第1項之感知器陣列，其中各弱聯 結器指的都是微型電橋。 4 .如申請專利範圍第3項之感知器陣列，其中各微型 電橋指的都是c -軸微型電橋。 5 .如申請專利範圍第4項之感知器陣列，其中各c -軸 微型電橋指的都是跨越式微型電橋。 6 .如申請專利範圍第4項之感知器陣列，其中各c -軸 微型電橋指的都是階梯式微型電橋。 7 .如申請專利範圍第2項之感知器陣列’其中該喬瑟 佛生接面具有一阻擋層（barrier)。 8 .如申請專利範圍第1至7項中任一項之感知器陣列 ，其中各弱聯結器都是由高溫超導體材料RBa2Cu3OX 製成，其中R指的是釔或是稀土族元素。 1237418 六、申請專利範圍 9 .如申請專利範圍第1至7項中任一項之感知器陣列 ，進一步包括用以使各感知器維持在實質上低於超 導性臨界溫度TC的機制。 1 〇 .如申請專利範圍第1至7項中任一項之感知器陣列 ，係藉由磊晶成長及圖案製作法的製程依一體方式 形成的。 1 1 .如申請專利範圍第1至7項中任一項之感知器陣列 ，進一步設置有用於使各感知器呈電氣偏移的機制 〇 i 2 .如申請專利範圍第1至7項中任一項之感知器陣列 ，進一步設置有用以依電氣方式從各感知器讀出各 信號的機制。 1 3 . —種感知器元件，包括如申請專利範圍第1至7項 中任一項之一感知器陣列以及一透鏡或透鏡陣列， 其中該感知器陣列係緊鄰或接觸該透鏡或透鏡陣列 〇 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之感知器元件，其中使基準 面落在該積體陣列’遠離該透鏡的一側上。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項之感知器元件，其中該光學 液浸透鏡配置會從該感知器陣列上熱解耦來° 1 6 . —種造影配置’包括如申請專利範圍第1到7項中 任一項之感知器陣列’及用以將毫米波影像聚焦於 該感知器陣列上的造影用光學元件’其中該造影用 1237418 六、申請專利範圍 光學元件指的是或包含一透鏡或透鏡陣列，其中該 感知器陣列會依緊鄰或接觸該透鏡或透鏡陣列的方 式配置或牢牢地固定其上，以致該透鏡或透鏡陣列 會扮演著液浸透鏡的角色。 1 7 ·如申請專利範圍第 1 6項之造影配置，其中該造影 用光學元件係包括具有鄰近但是與該透鏡或透鏡陣 列間隔開而相當暖之高光學功率透鏡元件的雙透鏡 ，且其上牢牢地固定有感知器陣列以便進行光學液 浸作用。 1 8 ·如申請專利範圍第 1 6項之造影配置，其中使一基 準面落在該積體陣列上遠離該液浸透鏡的一側上。 19.如申請專利範圍第 16項之造影配置，其中該光學 液浸透鏡配置會從該感知器陣列上熱解耦來。