WO2010094051A1 - Resonatorelement und resonator-pixel für mikrobolometer-sensor - Google Patents

Resonatorelement und resonator-pixel für mikrobolometer-sensor Download PDF

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metal layer
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Hubert BRÜCKL
Thomas Maier
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Ait Austrian Institute Of Technology Gmbh
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    • G01J5/0853—Optical arrangements having infrared absorbers other than the usual absorber layers deposited on infrared detectors like bolometers, wherein the heat propagation between the absorber and the detecting element occurs within a solid

Definitions

  • the invention relates to a resonator element according to the preamble of claim 1.
  • resonator elements are used in particular for the wavelength and polarization-dependent absorption and intensity measurement of electromagnetic radiation.
  • the invention uses layered resonator elements for this purpose, which are advantageously separated from one another in the lateral direction.
  • a direction or orientation which extends along the layers or parallel to the layers is referred to as lateral.
  • Such layers usually have layer thicknesses which are substantially smaller than the other dimensions.
  • the maximum lateral dimension of a layer is the maximum distance between two points in space encompassed by this layer. For example, for rectangular layers, the diagonal is the maximum lateral dimension, for circular layers the diameter is the maximum lateral dimension.
  • the object of the invention is to construct a resonator element as simply as possible, in which the lateral geometric dimensions of the individual resonator elements determine the wavelength at which the incident electromagnetic radiation is preferably absorbed. Of importance is a lateral delimitation or isolated arrangement of a plurality of such resonator elements, which are then thermally decoupled from each other. Other requirements of the invention are a compact design and the ability to tune the resonators to different wavelengths and polarizations.
  • the incident radiation is to be dissipated wavelength and polarization selective.
  • the aim is also the production of a multispectral and polarization-selective pixel sensor or pixel sensor array for imaging systems based on microbolometers.
  • Infrared detectors are known from the prior art, which are based either on an interaction between photons and electrons in the detector material, so exploit the internal photoelectric effect or based on the heating of the detector by absorbing the incident radiation, the latter are also referred to as thermal detectors.
  • Bolometers are thermal detectors in which the heating of the detector is converted into a signal via a temperature-sensitive resistor. The increase in temperature caused by absorption of radiation is inversely proportional to the heat conduction from the bolometers to their environment. In order to realize microbolometers with high sensitivity, a special structure is necessary, with the heat transfer from the through incident radiation heated parts of the bolometer to the environment is largely avoided.
  • Frequency-selective surfaces are known in the literature in which resonator elements are used for the frequency-dependent absorption of electromagnetic radiation (F. Sakran et al. Absorbing Frequency Selective Surface for the mm Wave Range, IEEE Trans. Ant. Prop., Vol , No. 8, pp. 2649-2655, and International Patent Application WO 2007/149121 A2).
  • the resonators described therein consist of a first metal layer in different geometric shapes, which lie on an insulating layer, which in turn is applied to a continuous metallic base plate. Due to the high thermal conductivity of metals, a continuous metallic layer represents a thermal short circuit.
  • the invention solves the problem with a resonator element of the type mentioned with the features of the characterizing part of claim 1.
  • novel resonator elements are characterized by two laterally structured metal layers, which are separated from one another by a likewise laterally structured dielectric.
  • the resonance of a resonator element described here which explicitly consists of two discrete opposite metal components, is independent of a base plate which is not necessary here.
  • These resonator elements are thermally decoupled from one another. As a result, the heat conduction in the lateral direction is prevented.
  • a lateral juxtaposition of several resonator elements thus also corresponds to the high demands on the thermal design of microbolometers.
  • resonator elements according to the invention are particularly suitable for producing multispectral sensor arrays for arbitrary imaging systems based on microbolometers.
  • an absorption wavelength it is possible to determine a geometry of a resonator element which has an optimum absorption characteristic for this particular predetermined wavelength.
  • the resonator elements have a very sharp absorption spectrum, have a very low mass and can be produced by standard methods of semiconductor technology.
  • a geometry of a resonator element can be determined which has an optimum absorption characteristic for this particular predetermined wavelength.
  • the resonator elements have a very sharp absorption spectrum, have a very low mass and can be produced by standard methods of semiconductor technology. Therefore, resonator elements according to the invention are particularly suitable for producing multispectral sensor arrays for arbitrary imaging systems based on microbolometers.
  • a polarization-selective thermal resonator element is achieved if the dimension of the first metal layer, in particular of all layers, after a first lateral direction a multiple, in particular four times to ten times, the dimension of the first metal layer, in particular all layers, normal to one in the first lateral direction normal corresponding second lateral direction corresponds.
  • a particularly simple structure and a simple production by means of semiconductor technology offer resonator elements, if at least the first metal layer has the shape of a circle or a square or if at least the first metal layer has the shape of an ellipse or a rectangle.
  • a particularly good resonance behavior is achieved if the layer thickness of the first and the second metal layer is in the range of 10 nm to 1 ⁇ m and / or if the layer thickness of the dielectric layer is in the range of 25 nm to 10 ⁇ m.
  • a particularly simple production and production of resonator pixels or resonator elements is achieved if the layer cross section of the first metal layer, the second metal layer and the dielectric layer is approximately the same in shape and size.
  • a particularly easy-to-implement form of integration of a plurality of resonator elements to increase the absorption effect offers a Resonatorpixel, in which, arranged in particular at mutual intervals, resonator elements are applied to the same side of a common carrier layer, and in or on the carrier layer, in particular arranged at mutual distances, resonator elements are applied to the same side of a common carrier layer, and in or on the carrier layer, in particular below the resonator, a temperature sensor is embedded or formed or the carrier layer is formed as a temperature sensor, a temperature sensor is embedded or formed or the carrier layer is designed as a temperature sensor.
  • a resonator pixel is particularly easy to produce if the carrier layer is formed with a, in particular temperature-sensitive, semiconductor.
  • Resonator pixels for the polarization-sensitive detection of electromagnetic currents are created by aligning the resonator elements in the same predetermined lateral direction.
  • a pixel sensor For imaging electromagnetic radiation, a pixel sensor is characterized in that the individual resonator pixels arranged in a raster are fixed and / or carried at a distance from a common carrier by means of their electrical leads and the space surrounding the resonator pixels is evacuated.
  • Fig. 1 shows a resonator element according to the invention.
  • Fig. 2 shows a resonator pixel according to the invention with terminals.
  • FIG. 3 shows a resonator pixel according to the invention with resonator elements which are aligned in the same predetermined lateral direction P.
  • FIG. 4 shows three resonator elements arranged on a common resonator pixel as well as the temperature distribution resulting from the irradiation in the carrier-near or lower region of the resonator elements.
  • Fig. 5 schematically shows the construction of a pixel sensor comprising a plurality of resonator elements.
  • Fig. 6 shows schematically the absorption behavior of circular resonator elements.
  • Fig. 7 shows schematically the absorption behavior of polarity-sensitive
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a resonator element according to the invention comprising a first conductive metal layer 11, a dielectric layer 12 and a second metal layer 13.
  • the height of such a resonator element 1 so that the thickness of the individual layers 11, 12, 13, lies in the range between a few 10 nm to about 10 ⁇ m.
  • the respective layer thicknesses of the two metal layers 1 1, 13 lie in the
  • the layer thickness of the dielectric layer is in the range of 25 nm up to 10 ⁇ m.
  • the thickness of the dielectric layer 12 is usually selected to be substantially greater, for example by a factor of 2 to 10, than the respective layer thickness of the two metal layers 11, 13.
  • the resonator element 1 is, as shown in FIG. 1, connected to a carrier layer 2 via the second metal layer 13.
  • this is advantageously achieved by applying or vapor-depositing the second metal layer 13 onto the carrier layer 2, in particular formed as a semiconductor.
  • a temperature sensor 3 is formed or embedded in the carrier layer 2, which absorbs the heat generated by the absorption of the radiated electromagnetic waves. The temperature change of the temperature sensor whose electrical characteristics, in particular its electrical resistance are changed. This resistance can thus be tapped via electrical connection lines 52 and fed to external processing.
  • the temperature sensor 3 is formed on the carrier layer 2, or that the entire carrier layer 2 from. temperature-sensitive material and thus is designed as a temperature sensor. This can be achieved, for example, in that the entire carrier layer 2 is formed by a temperature-sensitive semiconductor.
  • FIG. 4 shows schematically the temperature distribution in the region of the carrier layer 2 of a resonator pixel 5 comprising a multiplicity of resonator elements 1.
  • the temperature is lower and reaches, for example, the value T 3 .
  • the maximum lateral dimension corresponds to the diameter of the first metal layer 11 or of the entire resonator element 1
  • the resonator elements are constructed cylindrically or prismatically, that is to say that the layer cross section of the first metal layer 11, the second metal layer 13 and the dielectric layer 12 is approximately the same in shape and size.
  • the individual layers of the resonator element 1 increase in size in the direction of the second metal layer 13.
  • the resonator elements 1 are excited to vibrate by the magnetic component of an electromagnetic wave incident from above. By ohmic or dielectric losses in the single layers, the coupled energy is converted into heat, which leads to a local increase in temperature.
  • the absorption of the incident radiation is the more effective, the closer their frequency is at the natural vibration frequency of the resonator element 1.
  • the absorption of Resonator elements 1 is wavelength-dependent and has a maximum at the resonance wavelength.
  • the lateral dimensions of the resonator elements 1 are significantly smaller than the resonance wavelength ⁇ . With a defined layer structure, the resonance frequency ⁇ of such a resonator element 1 depends only on the lateral dimensions.
  • FIG. 6 shows the absorption spectrum of a resonator element 1 of diameter d1 with maximum absorption at the wavelength ⁇ 1. When the diameter is reduced to d2, the absorption maximum shifts to the shorter wavelength ⁇ 2.
  • suitable choice of the form e.g. rectangular, elliptical, linear, results in different resonance frequencies along different spatial directions. In this way, a polarization-dependent absorption can be realized. This is illustrated in FIG.
  • Incident radiation whose magnetic component B is polarized orthogonal to the long axis of the rectangle is preferably absorbed at the wavelength ⁇ 1 (above).
  • Light with a direction of polarization rotated by 90 ° (below) is not absorbed at this wavelength ⁇ 1 because the corresponding resonance is shifted to the shorter wavelength ⁇ 2.
  • Circular or square layer cross sections of the two metal layers 11, 13 prove to be advantageous for the polarization-neutral recording of electromagnetic radiation or rectangular or elliptical metal layers 11, 13 for polarization-sensitive recording of electromagnetic waves.
  • the dimension of the first metal layer 11, in particular also the second metal layer 13 and the dielectric layer 12, such that the dimension after a first lateral direction is a multiple of the dimension after one on the first lateral direction corresponds to normal second lateral direction.
  • the ratio of these two dimensions can be selected, for example, with 1: 4 to 1:10.
  • the surface of the first metal layer of the resonator corresponds to a rectangle with aspect ratio of 1: 4 to 1:10 or an ellipse with a major axis ratio of 1: 4 to 1:10.
  • FIG. 2 shows by way of example a possible arrangement with polarization-independent absorption in which fields are produced by rowing circular resonator elements.
  • FIG. 3 shows a further possible arrangement of rectangular resonator elements, which are arranged parallel to one another, wherein all resonator elements 1 are aligned in the same predetermined lateral direction P.
  • Such a pixel sensor comprises a number of resonator pixels 5 arranged in a raster, wherein the individual resonator pixels 5 are fixed at a distance from a common carrier 90 by means of their electrical supply and the space surrounding the resonator pixels 5 is evacuated, e.g. through a radiation-transparent housing.
  • a construction which is schematically described in FIG. 5, prevents two spaced resonator pixels 5 from interacting or interacting with one another, in particular by interacting or interacting by heat conduction.
  • the described resonator pixels 5 are also suitable for integration in thermally decoupled detectors, such as e.g. Microbolometer, suitable.
  • FIG. 5 schematically shows a pixel sensor comprising two adjacently arranged resonator pixels 5, which are connected via their connection lines 52 via the connections 51 to a common carrier 90.
  • this carrier 90 for example, an evaluation circuit for determining the individual intensities measured by the resonator pixels 5 is integrated.
  • Resonator pixels can be provided that the lateral dimensions of the second metal layer, optionally also the dielectric layer 12, the lateral
  • the resonator elements are thus arranged individually on a carrier and tuned to a predetermined wavelength according to their lateral dimension.
  • a rectangular resonator element can be tuned to two wavelengths, that is, to a wavelength predetermined by the longer lateral dimension and to another wavelength predetermined by the shorter lateral dimension.
  • the individual resonator elements do not touch each other and protrude at a predetermined mutual distance from their carrier.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Resonatorelement zur Absorption und/oder zur Umwandlung in Wärme von elektromagnetischen Wellen zumindest einer vorgegebenen Wellenlänge (?), insbesondere Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge von 2 µm bis 200 µm, gekennzeichnet durch - einen dreischichtigen Aufbau umfassend eine erste Metallschicht (11) und eine zweite Metallschicht (13) sowie eine zwischen den beiden Metallschichten (11, 13) liegende dielektrische Schicht (12), - wobei die maximale laterale Abmessung der Schichten (11, 12, 13) im Bereich zwischen einem Viertel und der Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge (?) liegt.

Description

RESONATORELEMENT UND RESONATOR-PIXEL FÜR MIKROBOLOMETER-SENSOR
Die Erfindung betrifft ein Resonatorelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Resonatorelemente werden insbesondere zur Wellenlängen- und polarisationsabhängigen Absorption und Intensitätsmessung elektromagnetischer Strahlung eingesetzt.
Die Erfindung verwendet hierfür schichtartig aufgebaute Resonatorelemente, die vorteilhafterweise in lateraler Richtung voneinander getrennt sind. Als lateral wird im Zusammenhang mit einem schichtartigen Aufbau eine Richtung oder Ausrichtung bezeichnet, welche entlang der Schichten oder parallel zu den Schichten verläuft. Derartige Schichten weisen üblicherweise Schichtdicken auf, die wesentlich kleiner sind als die übrigen Abmessungen.
Die maximale laterale Abmessung einer Schicht ist die maximale Entfernung zwischen zwei von dieser Schicht umfassten Raumpunkten. Bei rechteckigen Schichten ist beispielsweise die Diagonale die maximale laterale Abmessung, bei kreisförmigen Schichten ist der Durchmesser die maximale laterale Abmessung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, auf möglichst einfache Weise ein Resonatorelement aufzubauen, bei dem die lateralen geometrischen Abmessungen der einzelnen Resonatorelemente diejenige Wellenlänge bestimmen, bei der die einfallenden elektromagnetischen Strahlen vorzugsweise absorbiert werden. Von Bedeutung ist eine laterale Abgrenzung bzw. vereinzelte Anordnung mehrerer solcher Resonatorelemente, die sodann thermisch voneinander entkoppelt sind. Weitere Anforderungen an die Erfindung sind eine kompakte Bauart und die Möglichkeit, die Resonatoren auf unterschiedliche Wellenlängen und Polarisationen abzustimmen. Die einfallende Strahlung soll wellenlängen- und polarisationsselektiv dissipiert werden. Ziel ist ferner die Herstellung eines multispektralen und polarisationsselektiven Pixelsensors bzw. Pixelsensorarrays für bildgebende Systeme auf der Basis von Mikrobolometern.
Aus dem Stand der Technik sind Infrarotdetektoren bekannt, die entweder auf einer Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen im Detektormaterial basieren, also den inneren Photoeffekt ausnutzen oder auf der Erwärmung des Detektors durch Absorption der einfallenden Strahlung basieren, letztere werden auch als thermische Detektoren bezeichnet. Bolometer sind thermische Detektoren, bei denen die Erwärmung des Detektors über einen temperaturempfindlichen Widerstand in ein Signal umgesetzt wird. Die durch Absorption von Strahlung hervorgerufene Temperaturerhöhung ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitung von den Bolometern in ihre Umgebung. Um Mikrobolometer mit hoher Empfindlichkeit zu realisieren, ist ein spezieller Aufbau notwendig, mit dem Wärmetransport von den durch einfallende Strahlung erwärmten Teilen der Bolometer zur Umgebung weitgehend vermieden wird.
In der Fachliteratur sind frequenzselektive Oberflächen bekannt, in denen Resonatorelemente zur frequenzabhängigen Absorption elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden (F.Sakran et al. „Absorbing Frequency-Selective-Surface for the mm- Wave Range, IEEE Trans. Ant. Prop., Vol. 56, No. 8, pp. 2649-2655, und International Patent Application WO 2007/149121 A2). Die dort beschriebenen Resonatoren bestehen aus einer ersten Metallschicht in unterschiedlichen geometrischen Formen, die auf einer isolierenden Schicht liegen, welche wiederum auf einer durchgehenden metallischen Basisplatte aufgebracht ist. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit von Metallen stellt eine durchgehende metallische Schicht einen thermischen Kurzschluss dar. Der Einsatz solcher frequenzselektiver Oberflächen in Mikrobolometern hat eine deutliche Vergrösserung der Wärmeleitung zur Folge, und damit einhergehend eine deutliche Verringerung der Empfindlichkeit der Bolometer. Eine solche Basisplatte kann durch die in dieser Erfindungsmeldung beschriebenen Resonatorelemente vermieden werden.
Die Erfindung löst die Aufgabe bei einem Resonatorelement der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1.
Diese neuartigen Resonatorelemente sind gekennzeichnet durch zwei lateral strukturierte Metallschichten, die durch ein ebenfalls lateral strukturiertes Dielektrikum voneinander getrennt sind. Die Resonanz eines hier beschriebenen Resonatorelementes, welches explizit aus zwei diskreten gegenüberliegenden Metallkomponenten besteht, ist unabhängig von einer Basisplatte, welche hier nicht notwendig ist. Diese Resonatorelemente sind voneinenander thermisch entkoppelt. Dadurch wird die Wärmeleitung in lateraler Richtung unterbunden. Eine laterale Aneinanderreihung mehrerer Resonatorelemente entspricht somit auch den hohen Anforderungen an das thermische Design von Mikrobolometern.
Erfindungsgemäß besteht der wesentliche Vorteil, dass durch den neuartigen Aufbau der Resonatorelemente, insbesondere durch den Wegfall einer durchgehenden Basisplatte Wärmeleitung in lateraler Richtung unterbunden wird. Die Effizienz der Wärmeübertragung an einen darunterliegenden thermischen Sensor wird dadurch gesteigert. Daher eignen sich erfindungsgemäße Resonatorelemente insbesondere zur Herstellung multispektraler Sensorarrays für beliebige bildgebende Systeme auf Basis von Mikrobolometern. Bei Vorgabe einer Absorptionswellenlänge kann eine Geometrie eines Resonatorelements bestimmt werden, die für diese spezielle vorgegebene Wellenlänge eine optimale Absorptionscharakteristik aufweist. Die Resonatorelemente weisen ein sehr scharfes Absorptionsspektrum auf, haben eine sehr geringe Masse und sind mit Standardmethoden der Halbleitertechnologie herstellbar. Erfindungsgemäß besteht der wesentliche Vorteil, dass bei Vorgabe einer Wellenlänge eine Geometrie eines Resonatorelements bestimmt werden kann, die für diese spezielle vorgegebene Wellenlänge eine optimale Absorptionscharakteristik aufweist. Die Resonatorelemente weisen ein sehr scharfes Absorptionsspektrum auf, haben eine sehr geringe Masse und sind mit Standardmethoden der Halbleitertechnologie herstellbar. Daher eignen sich erfindungsgemäße Resonatorelemente insbesondere zur Herstellung multispektraler Sensorarrays für beliebige bildgebende Systeme auf Basis von Mikrobolometern. Ein polarisationsselektives thermisches Resonatorelement wird erreicht, wenn die Abmessung der ersten Metallschicht, insbesondere aller Schichten, nach einer ersten lateralen Richtung einem Vielfachen, insbesondere dem Vierfachen bis Zehnfachen, der Abmessung der ersten Metallschicht, insbesondere aller Schichten, nach einer auf die erste laterale Richtung normal stehenden zweiten lateralen Richtung entspricht. Einen besonders einfachen Aufbau sowie eine einfache Fertigung mittels Halbleitertechnologie bieten Resonatorelemente, wenn zumindest die erste Metallschicht die Form eines Kreises oder eines Quadrats aufweist oder wenn zumindest die erste Metallschicht die Form einer Ellipse oder eines Rechtecks aufweist.
Ein besonders gutes Resonanzverhalten wird erreicht, wenn die Schichtdicke der ersten und der zweiten Metallschicht im Bereich von 10nm bis zu 1μm liegt und/oder wenn die Schichtdicke der dielektrischen Schicht im Bereich von 25nm bis 10μm liegt.
Eine besonders einfache Fertigung und Herstellung von Resonator-Pixeln bzw. Resonatorelementen wird erreicht, wenn der Schichtquerschnitt der ersten Metallschicht, der zweiten Metallschicht sowie der dielektrischen Schicht annähernd gleich in Form und Größe ist. Eine besonders einfach zu realisierende Form der Integration einer Vielzahl von Resonatorelementen zur Erhöhung des Absorptionseffekts bietet ein Resonatorpixel, bei dem die, insbesondere in gegenseitigen Abständen angeordneten, Resonatorelemente auf derselben Seite einer gemeinsamen Trägerschicht aufgebracht sind, und in oder auf der Trägerschicht, die, insbesondere in gegenseitigen Abständen angeordneten, Resonatorelemente auf derselben Seite einer gemeinsamen Trägerschicht aufgebracht sind, und in oder auf der Trägerschicht, insbesondere unterhalb des Resonatorelementes, ein Temperatursensor eingebettet oder ausgebildet ist oder die Trägerschicht als Temperatursensor ausgebildet ist, ein Temperatursensor eingebettet oder ausgebildet ist oder die Trägerschicht als Temperatursensor ausgebildet ist. Besonders einfach herzustellen ist ein Resonatorpixel, wenn die Trägerschicht mit einem, insbesondere temperatursensitiven, Halbleiter gebildet ist. - A -
Resonator-Pixel zur polarisationssensitiven Detektion elektromagnetischer Strählen werden erstellt, indem die Resonatorelemente nach derselben vorgegebenen lateralen Richtung hin ausgerichtet sind.
Zur bildgebenden Erfassung elektromagnetischer Strahlen ist ein Pixelsensor dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen in einem Raster angeordneten Resonator-Pixel mittels ihrer elektrischen Zuleitungen gegenüber einem gemeinsamen Träger beabstandet festgelegt und/oder getragen sind und der die Resonator-Pixel umgebende Raum evakuiert ist.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorelement. Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorpixel mit Anschlüssen.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorpixel mit Resonatorelementen, die nach derselben vorgegebenen lateralen Richtung P hin ausgerichtet sind.
Fig. 4 zeigt drei auf einem gemeinsamen Resonatorpixel angeordnete Resonatorelemente sowie die durch die Bestrahlung entstehende Temperaturverteilung im trägernahen bzw. unteren Bereich der Resonatorelemente.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines Pixelsensors umfassend eine Vielzahl von Resonatorelementen.
Fig. 6 zeigt schematisch das Absorptionsverhalten von kreisförmigen Resonatorelementen. Fig. 7 zeigt schematisch das Absorptionsverhalten von polaritätssensitiven
Resonatorelementen.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Resonatorelements umfassend eine erste leitfähige Metallschicht 11 , eine dielektrische Schicht 12 sowie eine zweite Metallschicht 13. Die Höhe eines derartigen Resonatorelements 1 , damit auch die Dicke der einzelnen Schichten 11 , 12, 13, liegt im Bereich zwischen einigen 10 nm bis zu etwa 10 μm. Die jeweiligen Schichtdicken der beiden Metallschichten 1 1 , 13 liegen dabei im
Bereich von 10 nm bis zu 1 μm. Die Schichtdicke der dielektrischen Schicht liegt im Bereich von 25 nm bis zu 10 μm. Üblicherweise wird die Dicke der dielektrischen Schicht 12 wesentlich größer, etwa um einen Faktor 2 bis 10 größer, als die jeweiligen Schichtdicke der beiden Metallschichten 11 , 13 gewählt.
Das Resonatorelement 1 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, über die zweite Metallschicht 13 mit einer Trägerschicht 2 verbunden. Fertigungstechnisch wird dies vorteilhafterweise dadurch erzielt, dass die zweite Metallschicht 13 auf die, insbesondere als Halbleiter ausgebildete, Trägerschicht 2 aufgebracht oder aufgedampft wird. Gemäß Fig. 1 ist in der Trägerschicht 2 ein Temperatursensor 3 ausgebildet bzw. eingebettet, welcher die durch die Absorption der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen entstandene Wärme aufnimmt. Durch die Temperaturänderung des Temperatursensors werden dessen elektrische Kenngrößen, insbesondere dessen elektrischer Widerstand verändert. Dieser Widerstand kann somit über elektrische Verbindungsleitungen 52 abgegriffen und einer externen Verarbeitung zugeführt werden.
Alternativ bestehen die Möglichkeiten, dass der Temperatursensor 3 auf der Trägerschicht 2 ausgebildet ist, oder dass die gesamte Trägerschicht 2 aus . temperaturempfindlichem Material besteht und somit als Temperatursensor ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die gesamte Trägerschicht 2 durch einen temperatursensitiven Halbleiter gebildet ist.
Mittels relativ einfacher Produktionsprozesse ist die Integration einer Vielzahl von Resonatorelementen 1 auf der Trägerschicht 2 möglich. Fig. 4 zeigt schematisch die Temperaturverteilung im Bereich der Trägerschicht 2 eines Resonatorpixels 5 umfassend eine Vielzahl von Resonatorelementen 1. Durch die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen auf die einzelnen Resonatorelemente 1 bilden sich im Bereich unter den einzelnen Resonatorelementen 1 Bereiche mit erhöhter Temperatur aus. Am größten ist die Temperaturerhöhung unmittelbar unterhalb bzw. im Zentrum der Resonatorelemente 1. In Fig. 4 ist schematisch die Temperaturverteilung im Bereich der Trägerschicht 2 mittels ISO-Temperaturlinien dargestellt. Die größte dargestellte Temperatur T1 wird unmittelbar unterhalb der Resonatorelemente 1 erreicht.
Im unteren Bereich der Trägerschicht 2 ist die Temperatur geringer und erreicht beispielsweise den Wert T3. Die lateralen Abmessungen des Resonatorelements 1 , insbesondere die lateralen
Abmessungen der ersten Metallschicht 11 , bestimmen wesentlich die Absorptionscharakteristik des Resonatorelements 1. Wird beispielsweise ein kreisförmiger Umfang der ersten Metallschicht bzw. des gesamten Resonatorelements 1 gewählt, so entspricht die maximale laterale Abmessung dem Durchmesser der ersten Metallschicht 11 bzw. des gesamten Resonatorelements 1. Üblicherweise werden die Resonatorelemente zylindrisch oder prismenförmig aufgebaut, das heißt, dass der Schichtquerschnitt der ersten Metallschicht 11 , der zweiten Metallschicht 13 sowie der dielektrischen Schicht 12 annähernd gleich in Form und Größe ist. Fertigungsbedingt sind jedoch stets Abweichungen von der idealen Zylinder- oder Prismenform zu erwarten, insbesondere nehmen die einzelnen Schichten des Resonatorelements 1 in Richtung der zweiten Metallschicht 13 ihrer Größe nach zu.
Die Resonatorelemente 1 werden durch die magnetische Komponente einer von oben einfallenden elektromagnetischen Welle zu Schwingungen angeregt. Durch Ohm'sche oder dielektrische Verluste in den Einzelschichten wird die eingekoppelte Energie in Wärme umgewandelt, was zu einer lokalen Erhöhung der Temperatur führt. Die Absorption der einfallenden Strahlung erfolgt um so effektiver, je näher ihre Frequenz bei der Eigenschwingungsfrequenz des Resonatorelements 1 liegt. Die Absorption der Resonatorelemente 1 ist wellenlängenabhängig und weist ein Maximum bei der Resonanzwellenlänge auf.
Die lateralen Abmessungen der Resonatorelemente 1 sind deutlich kleiner als die Resonanzwellenlänge λ. Bei festgelegtem Schichtaufbau ist die Resonanzfrequenz λ eines solchen Resonatorelements 1 nur von den lateralen Abmessungen abhängig. Dies ist schematisch in Fig. 6 für zylindrische Resonatorelemente 1 zu sehen, Im oberen Teil ist das Absorptionsspektrum eines Resonatorelements 1 des Durchmessers d1 mit maximaler Absorption bei der Wellenlänge λ1 dargestellt. Bei einer Verkleinerung der Durchmessers auf d2 verschiebt sich das Absorptionsmaximum zur kürzeren Wellenlänge λ2. Durch geeignete Wahl der Form, z.B. rechteckig, elliptisch, linienförmig, ergeben sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen entlang unterschiedlicher Raumrichtungen. Auf diese Art kann eine polarisationsabhängige Absorption realisiert werden. Dies ist in Fig. 7 exemplarisch für ein rechteckiges Resonatorelement 1 mit den Seitenlängen bzw. lateralen Abmessungen w1 und w2 dargestellt. Einfallende Strahlung, deren magnetische Komponente B orthogonal zur langen Achse des Rechtecks polarisiert ist, wird bevorzugt bei der Wellenlänge λ1 absorbiert (oben). Licht mit einer um 90° gedrehten Polarisationsrichtung (unten) wird bei dieser Wellenlänge λ1 nicht absorbiert, da die entsprechende Resonanz zu der kürzeren Wellenlänge λ2 verschoben ist.
Vorteilhaft erweisen sich kreisförmige oder quadratische Schichtquerschnitte der beiden Metallschichten 11 , 13 zur polarisationsneutralen Aufnahme elektromagnetischer Strahlungen bzw. rechteckige oder ellipsenförmige Metallschichten 11 , 13 zur polarisationssensitiven Aufnahme von elektromagnetischen Wellen.
Bei derartigen polarisationssensitiven Resonatorelementen 1 ist es besonders vorteilhaft, die Abmessung der ersten Metallschicht 11 , insbesondere auch der zweite Metallschicht 13 sowie der dielektrischen Schicht 12, so zu gestalten, dass die Abmessung nach einer ersten lateralen Richtung einem Vielfachen der Abmessung nach einer auf die erste laterale Richtung normal stehenden zweiten lateralen Richtung entspricht. Das Verhältnis dieser beiden Abmessungen kann beispielsweise mit 1:4 bis 1:10 gewählt werden. Somit entspricht die Oberfläche der ersten Metallschicht des Resonatorelements einem Rechteck mit Längenverhältnis von 1 :4 bis 1 :10 oder einer Ellipse mit einem Hauptachsenverhältnis von 1 :4 bis 1 :10.
Mit Hilfe von geeigneten Strukturierungsmethoden können durch Aneinanderreihen einer Vielzahl von gleich aufgebauten und gleich ausgerichteten Einzelresonatoren in Form eines Arrays grossere Flächen auf einem Substrat abgedeckt werden. Es können auch Felder erzeugt werden, die bevorzugt bei unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Polarisationen absorbieren. Fig. 2 zeigt exemplarisch eine mögliche Anordnung, mit polarisationsunabhängiger Absorption, bei der durch Aneinanderreihen kreisförmiger Resonatorelemente Felder hergestellt werden. Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Anordnung rechteckiger Resonatorelemente, die zueinander parallel angeordnet sind, wobei alle Resonatorelemente 1 nach derselben vorgegebenen lateralen Richtung P hin ausgerichtet sind.
Von besonderem Vorteil ist die Integration einer Vielzahl von Resonatorpixeln 1 in einen Pixelsensor. Ein derartiger Pixelsensor umfasst eine Anzahl von in einem Raster angeordneten Resonatorpixeln 5, wobei die einzelnen Resonatorpixel 5 mittels ihrer elektrischen Zuleitung gegenüber einem gemeinsamen Träger 90 beabstandet festgelegt sind und der die Resonatorpixel 5 umgebende Raum evakuiert ist, z.B. durch ein strahlungsdurchlässiges Gehäuse. Ein derartiger Aufbau, der in Fig. 5 schematisch beschrieben ist, verhindert, dass zwei beabstandete Resonatorpixel 5 miteinander wechselwirken oder interagieren, insbesondere durch Wärmeleitung wechselwirken oder interagieren. Somit ist es möglich, auf benachbarten Resonatorpixeln 5 unterschiedlich ausgeformte Resonatorelemente 1 aufzubringen und somit elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlängen oder Polarisationsrichtungen zu detektieren. Aufgrund ihrer geringen Masse sind die beschriebenen Resonatorpixel 5 auch für die Integration in thermisch entkoppelte Detektoren, wie z.B. Mikrobolometer, geeignet.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Pixelsensor umfassend zwei nebeneinander angeordnete Resonatorpixel 5, die über ihre Verbindungsleitungen 52 über die Anschlüsse 51 mit einem gemeinsamen Träger 90 verbunden sind. In diesem Träger 90 ist beispielsweise eine Auswerteschaltung zur Ermittlung der einzelnen von den Resonatorpixeln 5 gemessenen Intensitäten integriert.
Je nach Größe und Abmessungen der Resonatorelemente gegenüber den
Resonatorpixeln kann vorgesehen werden, dass die lateralen Abmessungen der zweiten Metallschicht, gegebenenfalls auch der dielektrischen Schicht 12, die lateralen
Abmessungen der ersten Metallschicht 11 um zumindest das Doppelte übersteigen. Als
Abmessung wird hierbei insbesondere die maximale laterale Abmessung verstanden.
Die Resonatorelemente sind somit vereinzelt auf einem Träger angeordnet und entsprechend ihrer lateralen Abmessung auf eine vorgegebene Wellenlänge abgestimmt. Ein rechteckiges Resonatorelement kann auf zwei Wellenlängen abgestimmt werden, das heißt auf eine durch die längere laterale Abmessung vorgegebene Wellenlänge und auf eine andere durch die kürzer laterale Abmessung vorgegebene Wellenlänge.
Die einzelnen Resonatorelemente berühren einander nicht und ragen in vorgegebenem gegenseitigen Abstand von ihrem Träger auf.

Claims

Patentansprüche
1. Resonatorelement zur Absorption und/oder zur Umwandlung in Wärme von elektromagnetischen Wellen zumindest einer vorgegebenen Wellenlänge (λ), insbesondere Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge von 2μm bis 200μm, gekennzeichnet durch
- einen dreischichtigen Aufbau umfassend eine erste Metallschicht (11) und eine zweite Metallschicht (13) sowie eine zwischen den beiden Metallschichten (11 , 13) liegende dielektrische Schicht (12),
- wobei die maximale laterale Abmessung der Schichten (11 , 12, 13) im Bereich zwischen einem Viertel und der Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge (λ) liegt.
2. Resonatorelement gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung aller Schichten (11 , 12, 13) nach einer ersten lateralen Richtung einem Vielfachen, insbesondere dem Vierfachen bis Zehnfachen, der Abmessung aller Schichten (11 , 12, 13), nach einer auf die erste laterale Richtung normal stehenden zweiten lateralen Richtung entspricht.
3. Resonatorelement gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Metallschicht (11) die Form eines Kreises oder eines Quadrats aufweist.
4. Resonatorelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Metallschicht (11) die Form einer Ellipse oder eines Rechtecks aufweist.
5. Resonatorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der ersten und der zweiten Metallschicht (11 , 13) im Bereich von 10nm bis zu 1 μm liegt und/oder dass die Schichtdicke der dielektrischen Schicht (12) im Bereich von 25nm bis 10μm liegt.
6. Resonatorelement gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtquerschnitt der ersten Metallschicht (11), der zweiten Metallschicht (13) sowie der dielektrischen Schicht (12) annähernd gleich in Form und Größe ist.
7. Resonator-Pixel gekennzeichnet durch eine Anzahl von Resonatorelementen (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei - die, insbesondere in gegenseitigen Abständen angeordneten, Resonatorelemente (1) auf derselben Seite einer gemeinsamen Trägerschicht (2) aufgebracht sind, und - in oder auf der Trägerschicht (2), insbesondere unterhalb des Resonatorelementes (1), ein Temperatursensor (3) eingebettet oder ausgebildet ist oder die Trägerschicht (2) als Temperatursensor (3) ausgebildet ist.
8. Resonator-Pixel gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) mit einem, insbesondere temperatursensitiven, Halbleiter gebildet ist.
9. Resonator-Pixel gemäß Anspruch 7 oder 8 umfassend Resonatorelemente gemäß einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorelemente (1) nach derselben vorgegebenen lateralen Richtung (P) hin ausgerichtet sind.
10. Pixelsensor gekennzeichnet durch eine Anzahl von in einem Raster angeordneten Resonator-Pixeln (5) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die einzelnen Resonator- Pixel (5) mittels ihrer elektrischen Zuleitungen (52) gegenüber einem gemeinsamen Träger (90) beabstandet festgelegt und/oder getragen sind und der die Resonator-Pixel (5) umgebende Raum evakuiert ist.
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