(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路を備える半導体基板と、
前記半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジであって、マイクロブリッジ検出器において放射線の入射により抵抗変化を起こす活性領域を含むマイクロブリッジと、
前記マイクロブリッジの連続部であり、前記マイクロブリッジと前記半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するように前記半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持する、熱及び電気伝導性の下方伸延脚部であって、前記活性領域と前記半導体基板の前記集積回路とを電気的に接続する下方伸延脚部と、
前記活性領域よりも大きい画素収集領域へ放射線が入射されると前記活性領域に前記入射放射線を収集する手段と、
を備え、
前記活性領域が、吸収領域と透過性窓とが交互に配置されるようにパターン加工されているマイクロブリッジ検出器。
【請求項２】
交互に配置された前記吸収領域が、温度応答性抵抗材料の層を含んでいる請求項１に記載のマイクロブリッジ検出器。
【請求項３】
交互に配置された前記吸収領域が、吸収材料の層を含んでいる請求項１に記載のマイクロブリッジ検出器。
【請求項４】
前記活性領域が、直線状吸収領域と直線状透過性窓とが交互になるようにパターン加工されている請求項１に記載のマイクロブリッジ検出器。
【請求項５】
前記活性領域が、グリッド構造を形成するように、透過性窓により分散配置された吸収素子が行列状にパターン加工され、各列および各行の前記吸収素子が温度応答性抵抗材料および吸収材料の少なくともいずれか一方を有している請求項１に記載のマイクロブリッジ検出器。
【請求項６】
集積回路を備える半導体基板と、
前記半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジであって、マイクロブリッジ検出器において放射線の入射により抵抗変化を起こす活性領域を含むマイクロブリッジと、
前記マイクロブリッジの連続部であり、前記マイクロブリッジと前記半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するように前記半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持する、熱及び電気伝導性の下方伸延脚部であって、前記活性領域と前記半導体基板の前記集積回路とを電気的に接続する下方伸延脚部と、
前記活性領域よりも大きい画素収集領域へ放射線が入射されると前記活性領域に前記入射放射線を収集する手段と、
を備え、
前記収集する手段が、前記マイクロブリッジと前記半導体基板との間に配置された、傾斜壁を有する集結器であって、前記活性領域へ向かうように入射放射線を反射して検出の吸収感度を増大させる集結器を含み、
前記集結器は、前記マイクロブリッジを通って前記活性領域に向けて送られた入射放射線を集結するように機能する実質的に先端を切ったホルンアンテナであるマイクロブリッジ検出器。
【請求項７】
集積回路を備える半導体基板と、
前記半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジであって、マイクロブリッジ検出器において放射線の入射により抵抗変化を起こす活性領域を含むマイクロブリッジと、
前記マイクロブリッジの連続部であり、前記マイクロブリッジと前記半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するように前記半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持する、熱及び電気伝導性の下方伸延脚部であって、前記活性領域と前記半導体基板の前記集積回路とを電気的に接続する下方伸延脚部と、
前記活性領域よりも大きい画素収集領域へ放射線が入射されると前記活性領域に前記入射放射線を収集する手段と、
を備え、
前記活性領域の一辺の長さが半波長範囲であり、前記画素収集領域の一辺の長さが、動作範囲波長の１〜２波長の範囲であるマイクロブリッジ検出器。
【発明の詳細な説明】
本出願は、１９９５年１２月４日に出願された「Ａｎｔｅｎｎａ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｉｃｒｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」と題する先に出願された仮出願番号第６０／００７，９０９号の利点を主張するものである。
発明の背景
１．発明の分野
本発明は非冷却赤外マイクロ検出器一般に関し、特に、本発明は、マイクロブリッジ構造を有する熱検出器に関し、このマイクロブリッジ構造において、ボロメータ検出器の画素赤外放射収集領域がマイクロブリッジ構造上の活性領域よりも大きい熱検出器に関する。
２．関連技術の説明
赤外線（ＩＲ）検出器の分野では、シリコン基板を含む第１の面の上方に配置された第２の面にマイクロブリッジを有する２レベルボロメータ放射検出器が用いられるのは公知である。例えば、米国特許第５，２８６，９７６号（以下「９７６号特許」と呼ぶ）および第５，３００，９１５号（以下「９１５号特許」と呼ぶ）は、図１に示すような２レベル赤外線ボロメータ検出装置１０を開示している。ボロメータとは、入射する電磁エネルギーを吸収し、吸収した入射電磁エネルギーを熱に変換することによって動作する電磁放射検出器である。９７６号特許および９１５号特許に開示されているボロメータ検出器は、高架マイクロブリッジ検出器レベル１１と、下方レベル１２とを有している。下方レベル１２は、上面１４に集積回路（ＩＣ）１５の部品が形成された半導体基板１３を含んでおり、ＩＣの製造には従来のシリコンＩＣ製造技術が使用されている。ＩＣの部品は、ＩＣを汚染から保護する窒化ケイ素の保護層１６で被覆されている。高架マイクロブリッジ検出器レベル１１は、窒化ケイ素層２０、抵抗層２１、窒化ケイ素層２０および抵抗層２１の上に配置された窒化ケイ素層２２、ならびに、窒化ケイ素層２２の上に配置されたＩＲ吸収層２３を含んでいる。製造工程において設けられた、下方に向かって延びている窒化ケイ素層２０′および２２′は、高架マイクロブリッジ検出器レベル１１についての傾斜した支持脚となる。
９１５号特許および９７６号特許はまた、反射性材料の薄膜層１８を下方レベル１２に設けることができ、これにより高架マイクロブリッジ検出器レベル１１と下方レベル１２との間に空洞２６を設けることができることを開示している。反射層１８と上方マイクロブリッジ検出レベル１１との間の垂直距離ｄは、層２０、２１、２２および２３を通過する入射エネルギーが層１８によって上向きに反射させられるとともに、上方マイクロブリッジ検出レベル１１に最初に入射するＩＲエネルギーと構造的に干渉特性を有するように選択される。特に、９１５号特許および９７６号特許は、反射されるエネルギーの位相が上方マイクロブリッジ検出レベルへの入射ＩＲエネルギーの位相と一致するように、距離ｄを実質的に検出装置の動作の波長バンドの波長の４分の１になるように選択することを開示している。さらに、９１５号特許および９７６号特許は、高架マイクロブリッジ検出レベル１１が入射ＩＲエネルギーの検出器を含んでおり、検出器の活性領域（図示せず）をＩＲ吸収層２３および抵抗層２１が構成するということを開示している。
当該技術分野で公知であるように、図１のボロメータ検出装置１０の感度は、所望の動作波長バンドにおける装置の活性領域を構成する各材料の吸光係数、空洞構造２６を含む検出器の物理的構造、マイクロブリッジ構造によって与えられる活性領域の熱隔離などをはじめとする多くの要因の関数である。図１では、空洞２６およびマイクロブリッジ構造は、検出器の活性領域を周囲にあるもの、たとえば集積回路１５から分離しており、活性領域が半導体基板１３の上面１４に配置された場合に得られるよりも高い分離を得ている。また、図１のマイクロブリッジ構造は、検出器が高架マイクロブリッジ検出レベルに配置され、バスライン、集積回路の部品などが下方レベル１２に配置されているので、単一レベルボロメータ検出装置が基板１３の中に配置されている場合よりも大きな充填率を可能とする。本明細書において、充填率は、検出器の活性領域である画素領域の割合として定義されることが理解されよう。また、画素領域とは、ボロメータ検出装置１０を含む区域、言い換えるならば、高架マイクロブリッジ検出器レベル１１および下方レベル１２のＩＣ回路の一方または両方を含む基板１３面内の区域であることが理解されよう。言い換えるならば、画素充填率とは、活性領域を画素領域で割ったものである。さらに、ボロメータ検出器１０の画素収集領域とは、検出装置がエネルギーを吸収する範囲の区域、言い換えるならば、検出装置が入射エネルギーに応答する範囲の区域であることが理解されよう。
第９１５号特許は、ボロメータ検出装置の充填率を最大限にし、ひいてはボロメータ検出器１０の感度を増大させるために、高架マイクロブリッジ検出レベル１１の活性領域を最大限にすることを開示している。つまり、第９１５号特許は、活性領域を上層マイクロブリッジレベル１１に配置することによってボロメータ検出装置の分離を強めることおよび活性領域のサイズを最大限にすることにより、検出装置１０の感度を増大させることを開示している。加えて、第９７６号特許は、動作バンドでの入射ＩＲ放射の吸収を最大限にするため、所望の動作波長バンドでピーク吸収を達成するようにすべての層２０、２１、２２、２３の厚さｔおよび上層レベル１１と反射層１８との間の距離ｄを選択することを開示している。より詳細には、層２０〜２３の厚さｔは、マイクロブリッジレベル１１の熱量を最適化して所望の動作波長バンドでピーク吸収を達成するように選択され、距離ｄは、活性領域で最初は吸収されず層１８から反射されるエネルギーと、最初に上層マイクロブリッジレベル１１に入射するＩＲエネルギーとの間で構造的干渉を達成するように選択される。
関連技術の検出装置１０に伴う一つの問題は、画素収集領域が実質的に検出装置の活性領域と同じであることである。例えば、活性領域は、１辺の長さが約５０ミクロンの最小正方形領域（約２ミル×２ミル）となるように製造されてよい。しかしながら、画素領域を減少させることにより、例えば、１〜２波長の範囲の長さ（８〜１２μｍの範囲の波長動作範囲に対して１辺０．５〜１ミルに相当する）の辺を有する画素領域とすることにより、高解像度検出装置を提供することが必要とされている。さらに、大型検出装置の感度および時定数を維持する必要があるとともに、小型検出装置の感度および時定数は劣化させられるべきではない。言い換えると、従来の検出装置の感度および時定数を維持しつつ、より狭い画素領域またはより小さい画素サイズを有する検出装置を提供することが必要とされている。解像度を上げる一つの方法は、検出器の活性領域を小さくすることである。検出装置の時定数（ｔｃ）は、検出器の熱容量を熱コンダクタンスで割ったものに等しいことが知られている。つまり、検出装置１０の活性領域が縮小されるにつれて、熱容量が小さくなり、それにつれて時定数が小さくなる。従って、検出装置の時定数と、活性領域のサイズまたは検出器の解像度との間にはトレードオフ関係が存在する。特に、活性領域（例えば、抵抗層２１のエリア）のサイズを小さくすると、時定数が小さくなるということになる。よって、検出装置の熱容量の減少をオフセットし且つ検出装置の時定数を維持するために、検出装置の熱コンダクタンスを増大させる必要がある。
さらに、検出装置１０の活性領域のサイズを小さくすると、より少ない入射エネルギーがより小さい活性領域で吸収されるようになる。なぜなら、小さい活性領域に入射するエネルギーは、大きな活性領域があった装置の一部分にはもはや吸収されないからである。これにより、検出装置の感度が減少することになる。つまり、検出装置の感度と、活性領域のサイズまたは検出器の解像度との間にはトレードオフ関係が存在する。従って、活性領域のサイズを減少させつつ、従来の検出装置の感度および時定数を維持する必要がある。
検出器アレイから遠く離れた景色または画像を検出器アレイ上に合焦させて検出器アレイの画素収集領域を効率的に増加させるために、検出器アレイの上方にレンズシステムを配置することが試みられている。例えば、米国特許第４，７５４，１３９号（以下、「１３９号特許」と呼ぶ）は、複数の検出器と、検出器アレイと遠くの画像または景色との間に配置された放射集結器とを含むＩＲ焦点面アレイを開示している。放射集結器のアレイは、遠くにある画像または景色を検出器アレイ上に合焦させるために用いられ、検出器平面上に実質的なデッドスペースを生じることなく検出器を広く離隔させることを意図的に可能としている。
しかしながら、１３９号特許に示されているようなレンズシステムの問題点は、１３９号特許に示されているような構造を製造するのが非常に困難なことである。例えば、レンズは構造を複雑にし且つ装置のコストを増やす。従って、製造プロセスを複雑にすることなく且つ実質的なコスト増加をきたすことなく、検出層の画素収集領域を増加させ、画素収集領域を検出装置の活性領域の範囲よりも大きくすることができる構造を製造できることが必要とされている。より詳細には、活性領域によって吸収されない入射エネルギーを活性領域に戻して集結することが必要とされている。
発明の概要
従って、本発明の目的は、従来のマイクロブリッジ検出器構造を改良することである。また、本発明の目的は、大きな活性領域の検出器の吸収感度および熱的時定数を維持しつつ、縮小された活性領域を有するマイクロブリッジ検出器構造を提供することである。さらに、本発明の目的は、入射エネルギーを縮小された活性領域に集結する一体型集結器を有するマイクロブリッジ検出器構造を提供することである。
本発明の一つの観点によると、マイクロブリッジ検出器には、マイクロブリッジ検出器の画素収集領域よりも小さい活性領域が設けられている。マイクロブリッジ検出器は、集積回路を備える半導体基板と、この半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジとを含んでいる。マイクロブリッジは、検出器の活性領域よりも大きい画素収集領域を有する活性領域を含んでいる。加えるに、マイクロブリッジ検出器は、マイクロブリッジと半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するように、マイクロブリッジとつながっており、且つ、半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持する、熱及び電気伝導性の下方伸延脚部であって、活性領域と半導体基板の集積回路とを電気的に接続する下方伸延脚部を含んでいる。
本発明の一実施の形態では、吸収領域と透過性窓とが交互になるように活性領域がパターン加工されている。本発明の別の実施の形態では、活性領域が、マイクロブリッジの実質的な中心部に配置された実質的に矩形の領域であり、下方伸延脚部は、活性領域の周りに螺旋状に巻かれてアンテナのように機能することによって、入射電磁放射を吸収し且つ入射電磁放射を活性領域と接続する。本発明のさらに別の実施の形態では、マイクロブリッジと半導体基板との間に傾斜壁を有する集結器が配置されている。集結器は、最初に活性領域で吸収されなかった入射放射を活性領域に向けて戻すように反射する。
このような構成によって、マイクロブリッジ検出器には、大きな活性領域を有する検出装置の感度および熱的時定数を維持しつつ、マイクロブリッジ検出器の活性領域よりも大きい画素収集領域が設けられる。特に、このような構成により、マイクロブリッジ検出器は、例えば、入射放射の動作波長の０．５〜２波長の範囲の画素解像度で製造され得る。例えば、一辺の長さが入射放射の３波長よりも大きい活性領域を有するマイクロブリッジ検出器は、大きな活性領域の装置のものと同等の光吸収感度を維持している。それに加え、このような構成により、マイクロブリッジ検出装置には、既存の製造技術を用いてマイクロブリッジと半導体基板との間に配置された集結器が形成される。従って、製造プロセスを複雑にすることなく追加コストを要することもなくマイクロブリッジ検出器を製造できる。
本発明の別の観点によると、マイクロブリッジ検出器は、集積回路を備える半導体基板と、この半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジとを含んでいる。マイクロブリッジは活性領域を含んでいる。加えるに、マイクロブリッジ検出器は、マイクロブリッジと半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するように、マイクロブリッジとつながっており、且つ、半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持する、熱及び電気伝導性の下方伸延脚部であって、活性領域と半導体基板の集積回路とを電気的に接続する下方伸延脚部を含んでいる。さらに、マイクロブリッジ検出器は、検出器の活性領域よりも大きいマイクロブリッジ検出器の収集領域において入射放射を収集するための手段を含んでいる。
本発明の一実施の形態では、収集するための手段は、吸収領域と透過性窓とが交互になるようにパターン加工された活性領域を含んでいる。本発明の別の実施の形態では、活性領域は実質的に矩形の領域であり、マイクロブリッジレベルの実質的な中心部に配置されている。また、収集するための手段は、下方伸延脚部を含んでおり、下方伸延脚部は、活性領域の周りに螺旋状に巻かれており、アンテナのように機能することによって、入射電磁放射を吸収し、入射電磁放射を活性領域と接続する。本発明のさらに別の実施の形態では、収集する手段が傾斜壁を有する集結器を含んでおり、集結器は、マイクロブリッジレベルと半導体基板との間に配置されて、最初に活性領域で吸収されなかった入射放射を活性領域に向けて戻すように反射する。
また、このような構成により、マイクロブリッジ検出器には画素領域が設けられており、この画素領域はマクロブリッジ検出器の活性領域よりも大きいが、大きな活性領域を有する装置の光感度および熱的時定数を維持している。特に、このような構成でマイクロブリッジ検出器が製造されることができ、たとえば、ある決められた画像解像度でマイクロブリッジ検出器を製造することができる。ある決められた画像解像度とは、たとえば、入射放射の動作波長の０．５〜２波長の範囲の画素解像度である。このとき、マイクロブリッジ検出器は、たとえば、一辺の長さが入射放射の３波長よりも大きい活性領域を有するマイクロブリッジ検出器のような大きな活性領域をもつ装置の光吸収感度と同様の光吸収感度を維持している。加えるに、このような構成により、マイクロブリッジ検出装置には、既存の製造技術を用いてマイクロブリッジと半導体基板との間に配置された傾斜壁を有する集結器が形成され、従って、製造プロセスを複雑にすることなく、且つ、追加コストを要することなく製造できる。
本発明の別の観点によると、マイクロブリッジ検出器は、集積回路を備える半導体基板と、この半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジとを含んでいる。マイクロブリッジは、吸収領域と透過性窓とが交互になるようにパターン加工されて、活性領域よりも大きいマイクロブリッジ検出器の画素収集領域をもたらす活性領域を含んでいる。加えるに、マイクロブリッジ検出器は、熱及び電気伝導性の下方伸延脚部を含んでおり、下方伸延脚部はマイクロブリッジの連続部であり、マイクロブリッジと半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するように半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持している。さらに、下方伸延脚部は活性領域と半導体基板の集積回路とを電気的に接続する。
本発明の別の観点によると、マイクロブリッジ検出器は、集積回路を備える半導体基板と、この半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジとを含んでいる。マイクロブリッジは、マイクロブリッジの実質的な中心部に配置された実質的に矩形の活性領域を含んでいる。加えるに、マイクロブリッジ検出器は、熱及び電気伝導性の下方伸延脚部を含んでおり、下方伸延脚部はマイクロブリッジと半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するように活性領域の周りに螺旋状に巻かれており、半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持している。さらに、マイクロブリッジ検出器は、活性領域と半導体基板の集積回路とを接続する下方伸延脚部内に含まれている導電性経路を含んでいる。導電性経路は、アンテナのように機能することによって、入射放射を吸収し且つ入射放射を活性領域と接続する。さらに、導電性経路は、入射放射に応答した活性領域の温度変化を示す信号を半導体基板の集積回路に接続する。
本発明の別の観点によると、マイクロブリッジ検出器は、集積回路を備える半導体基板と、この半導体基板の上方に配置されたマイクロブリッジとを含んでいる。マイクロブリッジは活性領域を含んでいる。加えるに、マイクロブリッジ検出器は傾斜壁を有する集結器を含んでおり、集結器は、マイクロブリッジと半導体基板との間に配置され、最初に活性領域で吸収されなかった入射放射を活性領域に向けて戻すように反射して、マイクロブリッジ検出器の活性領域よりも大きい画素収集領域を生成する。さらに、マイクロブリッジ検出器は熱及び電気伝導性の下方伸延脚部を含んでおり、下方伸延脚部は、マイクロブリッジの連続部であり、マイクロブリッジと半導体基板との間に熱隔離ギャップが存在するよう半導体基板の上方にマイクロブリッジを支持している。さらに、下方伸延脚部は活性領域と半導体基板の集積回路とを電気的に接続する。
本発明の別の観点では、マイクロブリッジ検出器を形成する方法が、半導体基板上に第１の絶縁層を積層する工程と、前記第１の絶縁層をエッチングし、前記第１の絶縁層内に傾斜側壁を形成する工程と、前記第１の絶縁層をマスクしてエッチングすることにより、前記第１の絶縁層を通って前記半導体基板上のコンタクトパッドまでのコンタクトホールを形成する工程と、前記第１の絶縁層の前記傾斜側壁上および前記コンタクトホール内の前記第１の絶縁層を貫いて薄膜金属層を積層し、反射性集結器と前記反射性集結器を前記コンタクトパッドに接続する金属結線とを形成する工程を含んでいる。この方法は、さらに、前記薄膜金属層上に犠牲層を積層し、前記反射性集結器を実質的に充たすとともに実質的に平坦な表面を形成する工程と、前記平坦な表面上に支持層を積層する工程と、前記支持層上に高ＴＣＲの抵抗材料を積層する工程と、前記抵抗材料をマスクしてエッチングすることにより、前記マイクロブリッジ検出器の活性領域を形成する工程とを含んでいる。この方法は、さらに、前記支持層をマスクして前記支持層および前記犠牲層をエッチングすることにより、前記支持層および前記犠牲層を通って前記反射性集結器に達するコンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール内の前記支持層および前記犠牲層を貫いて第２の薄膜金属層を積層する工程と、前記第２の金属層をマスクしてエッチングすることにより、前記反射性集結器と前記活性領域との間に導電性経路を形成する工程とを含んでいる。さらに、この方法は、前記抵抗層および前記支持層をマスクしてエッチングすることにより、前記マイクロブリッジ検出器の前記活性領域を形成するとともに、前記活性領域の外側の前記犠牲層を露出させる工程と、前記犠牲層を溶融し、前記半導体基板上に配置された前記活性領域を有するマイクロブリッジレベルを含むマイクロブリッジ検出器構造を形成する工程であって、前記マイクロブリッジが前記マイクロブリッジ検出器の前記活性領域よりも大きい画素収集領域を有するような工程とを含んでいる。
本発明の別の観点のイメージングシステムは、電磁信号を受信し、前記電磁信号を合焦させ、その合焦信号を焦点面アレイに出力する光学素子を含んでいる。焦点面アレイは複数の検出装置を含んでおり、各検出装置がマイクロブリッジ検出器の活性領域よりも大きい画素収集領域を有しており、各検出装置が合焦信号を感知信号に変換しさらに前記感知信号を出力することによって、複数の感知信号を焦点面アレイプロセッサに供給する。焦点面アレイプロセッサは、複数の感知信号を受信し、前記複数の感知信号を処理して前記複数の感知信号間のすべてのゲインおよびすべてのオフセットエラーを修正し、複数の処理済み信号を表示プロセッサに出力する。表示プロセッサは、前記複数の処理済み信号を受信し、前記複数の処理済み信号を表示装置に出力するのに適した表示信号に変換する。表示装置は、前記表示信号を受信し、前記電磁信号を発する風景または物体の画像を表示するために前記表示信号を表示する。
イメージングシステムの実施の形態によると、イメージングシステムは、ヘルメット搭載イメージングシステム、ゴーグル搭載イメージングシステム、単眼システム、双眼システム、武器照準器、カムコーダ、顕微鏡、放射計および分光計のいずれかであってよい。
【図面の簡単な説明】
以下の詳細な説明を以下の図面と併せて参照すると、本発明の他の目的および特徴が明確になる。図面は例を示すだけのものであり、本発明の範囲を定義しようとするものではないことが理解されよう。
以下の図面から、前記およびその他の目的および利点がより十分に認識されるであろう。
図１は、従来の高架マイクロブリッジ検出レベルを有する２レベル検出装置を示し、
図２は、本発明による検出装置の一実施の形態の側面図であり、
図３は、図２の検出装置のマイクロブリッジレベルの平面図であり、
図４は、図２〜３の検出装置のさまざまな製造工程を示す図であり、
図５ａは、本発明の別の実施の形態による検出装置の斜視図であり、
図５ｂは、図５ａの検出装置の断面図であり、
図６ａは、本発明の別の実施の形態によるマイクロブリッジレベルの平面図であり、
図６ｂは、図６ａの検出装置の断面図であり、
図７は、本発明の別の実施の形態によるマイクロブリッジレベルの平面図であり、
図８ａは、本発明の別の実施の形態によるマイクロブリッジレベルの平面図であり、
図８ｂは、図８ａの検出装置の断面図であり、
図９は、本発明による図２〜８ａに示された検出装置の実施の形態のいずれかを利用した検出装置アレイの斜視図であり、
図１０は、本発明のイメージングシステムのブロック図を示し、
図１１ａ、１１ｂおよび１１ｃは、図１０のイメージングシステムの頭部装着実施の形態のヘルメット搭載設計およびゴーグル搭載設計をそれぞれ示し、
図１２は、図１１ａおよび１１ｂおよび１１ｃの頭部装着イメージングシステムのブロック図を示し、
図１３ａ、１３ｂおよび１３ｃは、図１０のイメージングシステムの別の実施の形態である手持ち式イメージングシステムを示しており、特に、図１３ａが単眼システムを示し、図１３ｂ〜１３ｃが双眼システムを示し、
図１４ａおよび１４ｂは、図１０のイメージングシステムの別の実施の形態である武器照準器を示しており、特に、図１４ａが武器照準器の平面図を示し、図１４ｂが武器照準器のブロック図を示し、
図１５ａおよび１５ｂは、図１０のイメージングシステムの別の実施の形態であるカメラ／レコーダ（カムコーダ）を示しており、特に、図１５ａがカムコーダの断面図を示し、図１５ｂがカムコーダのブロック図を示し、
図１６ａおよび１６ｂは、図１０のイメージングシステムの別の実施の形態である顕微鏡を示しており、特に、図１６ａが顕微鏡の側面図であり、図１６ｂが顕微鏡の動作ブロック図であり、
図１７ａおよび１７ｂは、図１０のイメージングシステムの別の実施の形態である放射計／分光計システムを示しており、特に、図１７ａが結像放射計／分光計の断面図を示し、図１７ｂが結像放射計／分光計のブロック図を示す。
詳細な説明
図２は、本発明による検出装置１００の第１の実施の形態の側面図である。本明細書において、検出装置は、例えば検出された電磁信号の結果として、感知素子内での感知された温度変化に反応して電気信号を供給する感知素子を含むすべてのデバイスを意味しているものと理解されよう。検出装置は、例えば、ボロメータ検出器、光子検出器、強誘電体検出器、ダイオード検出器などであってよい。また、感知素子は、例えば温度、応力などの物理パラメータを測定するすべての構造を意味していると理解されよう。なお、図１の部材と同様の部材は同様の符号で示されている。
図１に関して上述したように、本発明の検出装置１００は、高架マイクロブリッジ検出レベル１１と下方レベル１２とを有している。本発明において、マイクロブリッジは何らかの面の上方に浮架されたすべての構造を意味していると理解されよう。下方レベル１２は、その上部に集積回路１５要素が製造された半導体基板１３を含んでいる。例えばダイオード、ＦＥＴ、バスライン、接続線、コンタクトパッドなどの多数の要素が通常の製造技術を用いて製造され且つこれらの要素の製造が意図されたものであることが理解されよう。特に、参考に組み込まれる１９９５年８月３０日に出願された係属中の米国特許出願０８／５２１，２６６号に開示されているような検出器または検出器アレイの電子的読み出し回路を、半導体基板１３に配置することができ且つそれが意図されている。
図１に関して説明したように、図１に開示されたような活性領域の大きい関連技術の検出装置の吸収感度および熱的時定数を維持しつつ、検出装置の活性領域のサイズを減少させることが必要とされている。式（１）を参照すると、検出器の時定数（ｔｃ）は、検出装置の熱容量（Ｃ）を検出装置の熱コンダクタンス（Ｇ）で割ったものに等しいことが当業者には公知である。
（１）      ｔｃ＝Ｃ／Ｇ
検出装置の熱容量は、検出装置の活性領域のサイズに比例し、熱コンダクタンスは、マイクロブリッジレベル１１の活性領域と下方レベル１２の基板とを接続する伝導性脚部（図３の３８、４０参照）の長さ（ｌ）に比例する。言い換えると、検出装置の活性領域が小さくなるにつれて、熱容量は減少しそして時定数ｔｃも低下する。さらに、上述したように、活性領域のサイズが小さくなると、検出装置の吸収感度が低下する。つまり、検出装置の熱的時定数および感度のそれぞれと、検出装置の活性領域のサイズとの間にはトレードオフ関係がある。従って、本発明の検出装置は、活性領域が大きい検出装置の熱的時定数および感度を維持しつつ、検出装置の活性領域のサイズを減少させようとするものである。
本発明の検出装置は、活性領域が大きい検出装置の熱的時定数を維持するという上述の目的を、検出装置の熱コンダクタンス（Ｇ）を低下させること、言い換えると、活性領域が大きい検出装置の所望の時定数を維持するために検出装置の熱的隔離／抵抗を増加させることにより達成する。特に、マイクロブリッジレベルの活性領域と半導体基板とを接続する伝導性脚部の長さｌは、所望の時定数を維持するために、活性領域のサイズの減少に反比例して増加させられる。例えば、本発明の好適な実施の形態によると、時定数は、８〜１２μｍの動作範囲波長バンドでは５〜２０ミリ秒の範囲である。
さらに、上記した大きな活性領域の装置の感度を維持するという目的は、マイクロブリッジ検出器の活性領域よりも大きいマイクロブリッジ検出器の画素収集領域を生成する構造とすることにより達成される。ある実施の形態では、本発明の検出装置には、活性領域の大きな装置の光学的感度を維持しつつ、活性領域の小さい検出装置への入射エネルギー吸収を高める反射性集結器が備えられている。
より詳細には、図２に示された本発明の実施の形態によると、本発明は、マイクロブリッジレベル１１と下方レベル１２との間に反射性集結器３４のあるマイクロブリッジ構造１１を有する検出装置１００を備えることにより、吸収感度を犠牲にすることなしに活性領域を削減するという問題を解決している。反射性集結器は、活性領域３２により最初に検出されなかった活性領域からの入射ＩＲ放射を集結する。好ましくは、反射性集結器３４は、約１〜２波長（８〜１２μｍの範囲の光学波長範囲について０．５〜１ミルに相当する）の範囲の辺ｌ１を有する画素収集領域を有しており、活性領域は、約１／２波長（８〜１２μｍの範囲の光学波長範囲について約０．２ミルに相当する）の範囲の辺ｌ２を有している。光学収集器３４は、活性領域の領域よりも大きい検出装置の画素収集領域を生成するように機能する。
さらに、図２〜３に示された本発明の実施の形態によると、本発明は、サイズを縮小された活性領域３２を有するが、熱的時定数を維持するために熱抵抗または隔離を増加させた検出装置１００のことである。熱抵抗または隔離の増加、言い換えると、熱コンダクタンスの減少は、活性領域のサイズ減少から生じる熱容量の減少を埋め合わせるために伝導性脚部３９、４０の長さｌを増加させることにより達成される。好ましくは、所望の動作範囲での熱的時定数を維持するために、伝導性脚部の長さは実質的に等しい長さｌにされている。図２の検出器の好適な実施の形態では、熱的時定数は５〜２０ミリ秒の範囲である。
再度図１を参照すると、本明細書においては、画素収集領域は、検出装置に入射したエネルギーを検出装置が収集する領域として定義されることが理解されるであろう。また、活性領域は、ＩＲ吸収層２３および抵抗層２１のいずれか一方または両方を含む総ての領域として定義されることが理解されるであろう。さらに、画素領域は、ボロメータ検出装置１０を含む領域、言い換えると、上層マイクロブリッジレベル１１および下方レベル１２のＩＣ回路１５のいずれか一方または両方を含む基板１３の平面内の領域であることが理解されよう。さらに、充填率は、検出器の活性領域を含む画素領域の割合であることが理解されるであろう。
図３は、図２の検出装置の高架マイクロ検出器レベルの平面図である。この図面は、活性領域３２と金属結線３８および４０との接続を示すために、活性領域が透明であるかのように示されている。好適な実施の形態では、金属結線は、活性領域の各辺３９、４１において活性領域の上面に接続されている。しかしながら、活性領域のいかなる部分への接続も可能であってそれも意図されていることが理解されるであろう。
上述したように、活性領域は抵抗層を含んでおり、またＩＲ吸収層を含むこともできる。活性領域は入射ＩＲ放射を吸収し、吸収されたＩＲ放射を熱に変換する。この結果としての活性領域の温度変化は、温度変化の関数である活性領域の抵抗の変化を測定することにより感知される。
図２を参照すると、集結器３４は、上方マイクロブリッジ１１と集結器３４の底部との間が距離ｄとなるような形状であり、集結器３４全体の形状は、最初に活性領域３２に吸収されず集結器３４で反射されたエネルギーと活性領域３２に最初に入射したエネルギーとが構造的に干渉特性をもたらすようにされる。マイクロブリッジレベル１１の光学特性は、適切な光学的および電気的特性を持つ材料を適切に選択することにより達成されることが理解されよう。特に、層４２は、入射ＩＲ放射をほとんど反射せずそのかなりの割合を集結器３４側に投下するように選択され、集結器３４は入射ＩＲ放射を活性領域３２に集結し、画素収集領域の増大がもたらされる。金属結線３８および４０は、活性領域３２の各辺３９および４１に接続されており、検出信号を下方レベル１２の集積回路１５に与える。検出信号は、感知された活性領域３２の抵抗の変化に対応している。金属結線３８および４０は、集結器３４の下方傾斜壁４６が下方レベル１２方向に向けてつながり、且つ、下方レベル上に配置されるパッド４３および４４と電気的に接続されるように構成され且つ配置されている。
上述したように、本発明の検出装置１００は、脚部３８および４０の熱コンダクタンスを低下させることによって、活性領域のサイズの低下にもかかわらず熱的時定数を５〜２０ｍｓの範囲に維持している。脚部の熱コンダクタンスは、以下の式で決定される。
（２）      Ｇ＝（Ｋ）（ｗ）×（ｔ）／ｌ
ここで、Ｇは検出装置１００の熱コンダクタンスであり、Ｋはマイクロブリッジレベルと基板との間に伝導性脚部３８、４０を設けるために用いられる材料の熱伝導率であり、ｗは脚部の幅であり、ｔは脚部を形成する材料の厚さであり、ｌは活性領域３２と基板１３上のコンタクトパッドとの間の脚部の長さである。これら寸法の検出装置を製造するために、脚部の幅ｗおよび厚さｔは、通常製造技術および上方マイクロブリッジレベル１１を支持することができるという要請によって制限される或るサイズに製造される。従って、検出器のコンダクタンスは、脚部の幅を狭くすることまたは脚部の厚みを減少させることによっては、好ましい時定数を達成するのに必要とされる値にまで低下させることができない。なぜなら、脚部の幅や厚みの寸法は製造技術により制限されるためである。
幅（ｗ）および厚み（ｔ）の寸法は製造技術で制限され且つ熱コンダクタンスはマイクロブリッジレベルと基板１３との間の脚部３８、４０の長さ（ｌ）に反比例するので、本発明によると、脚部の長さｌが増大させられて熱的時定数が所望の動作範囲に維持される。しかしながら、脚部の長さ（ｌ）を増大させるには、所望の熱コンダクタンスを達成し且つ熱的時定数を維持すべく脚部の長さ（ｌ）を適切に増大させることができる十分なスペース３６を、マイクロブリッジレベル１１とレベル１２との間に設ける必要がある。図２〜３に示された本発明の実施の形態によると、本発明では活性領域を削減することによって空いたスペースを利用している。特に、脚部３８、４０は活性領域の周りに巻き込まれ、適切な長さｌとなって所望の時定数を達成している。
図２〜３の検出装置１００は、マイクロブリッジレベル１１と基板レベル１２との間に反射性集結器３４が設けられるという付加的な利点を伴って、既存のマイクロブリッジ製造技術を用いて製造される。より具体的には、図４を参照すると、標準的なＩＣプロセスを用いて、基板１３の表面１４に集積回路１５が製造されている。ＩＣ１５および下方レベル１２上には、例えばシリコン窒化物のような絶縁物１６の層が積層されている。そして、集結器３４の形状が、絶縁層１６または絶縁層１６の上面上に積層された付加された絶縁層（図示せず）内に形成される。集結器３４の傾斜側壁４６は、絶縁物の標準的な傾斜ドライエッチング技術を用いて形成され得る。後で詳述するように、集結器の形状および深さｄは、製造される空洞構造および検出装置構造の詳細に依存している。
そして、反射性集結器３４の表面３５は、集結器上に積層される犠牲層１８０を取り去るための後のエッチングステップによってエッチングされない、例えばシリコン窒化物のような第２の絶縁層１７０によって保護される。例えば犠牲層は、例えばリン酸塩ガラスまたは非ドープガラスのような簡単に溶けるいずれかの材料であってよい。そして、第２の絶縁層をマスクし且つ基板レベル１２（図３参照）の各コンタクトパッド４３、４４にまで、言い換えると集積回路１５にまで第１および第２の絶縁層にコンタクト開口をエッチングすることによって、少なくとも１つのコンタクト開口１９０が第２の絶縁層１７０に設けられる。しかる後、例えば白金または金の金属フィルムのような反射性材料２００の薄膜層が第２の絶縁層上に積層され、集結器３４の反射性表面が形成されるとともに電気的集結器３４からＩＣ１５のコンタクトパッド４３、４４への電気的接続がなされる。互いに電気的に分離された複数の検出装置１００が設けられるように、反射性材料の薄膜層は画素領域の外側では取り去られることが理解されるであろう。
しかる後、非ドープガラス、リン酸塩ガラス、シリコンダイオードまたは他の容易に溶ける材料からなる犠牲層１８０が集結器の反射性表面２００上に積層され、集結器を充たすとともに実質的に平坦な表面２１０が形成される。溶解性材料で充たされた集結器は、もし所望であれば、反射性集結器の薄膜金属上に積層された保護膜の第３の層（図示せず）を含むことができることが理解されるであろう。上述したように、反射性集結器３４の最下点とマイクロブリッジレベル１１との間の深さｄは、集結器３４で反射された入射電磁放射がマイクロブリッジレベル１１、より詳細には活性領域３２（図２〜３参照）に向かって反射され且つ活性領域３２に入射した電磁放射と構造的干渉特性を有するように設けられる。本発明の集結器３４の利益は、検出装置１００の感度が増すと、検出装置の活性領域３２の領域よりも大きな画素収集領域が与えられることである。さらに、集結器３４の別の利益は、集結器３４がないときに起こるよりも広い波長範囲にわたって吸収が達成されることである。
そして、実質的に平坦なマイクロブリッジ表面１１上に、活性領域３２のさまざまな層が積層される。特に、例えばシリコン窒化物のような第１の支持層２０が、マイクロブリッジレベル１１の実質的に平坦な表面上に積層される。しかる後、例えばバナジウム酸化物のような、大きな抵抗熱係数（ＴＣＲ）を有する抵抗膜層２１が、第１の支持層上に積層されて活性領域３２が形成される。そして、抵抗膜層はマスクされ、活性領域３２のパターンにエッチングされ活性領域３２の外側の抵抗膜がエッチングで取り去られる。もし検出装置１００の吸収効率を増加させることが必要であれば、例えばシリコン窒化物または薄い金属のような薄膜吸収層２３が選択的に抵抗膜層上に積層されてよい。
大きなＴＣＲの抵抗膜層２１と集結器３４の反射性金属層２００との間の結線３８、４０は、所定パターンのマスクをして、マイクロブリッジレベル１１の第１の支持層２０および犠牲層１８０を通って下方の集結器３４の反射性材料２００までのコンタクトをエッチングすることにより形成される。しかる後、結線金属層（図示せず）が積層され、所定パターンのマスクがされ、抵抗膜層と反射性層との間に電気的コンタクト３８、４０が形成されるようにエッチングされる。なお、必要ではないものの、結線金属層を保護するために、保護膜材料の層が結線金属層上に積層されてもよい。
次に、吸収層２３、抵抗膜層２１および第１の支持層２０がマスクされ、活性領域３２の形状が定義される。そして、活性領域の外側領域は反射性集結器３４を充たす犠牲層１８０までエッチングされ、実質的に犠牲層が露出する。その後、活性領域３２が集結器３４上に浮架され且つ下方基板レベル１２から熱的に分離されつつ金属結線３８、４０によって基板レベル１２と電気的に接続されるように、活性領域の層および反射層へ金属の結線を除去しないで犠牲層を除去する特定のエッチング工程を用いて犠牲層が溶融される。
本発明の図２〜３の実施の形態の利点は、通常の製造技術を用いて、活性領域３２と基板レベル１２との間に集結器３４を形成できることであることが理解されよう。さらに、図２〜３の実施の形態の別の利点は、活性領域３２の抵抗膜層２１と基板レベル１２の集積回路１５とを接続する金属結線３８、４０を金属結線を設けるための反射性集結器の外側のスペースを用いる必要なく形成できることであることが理解されよう。
また、本発明によると、集結器３４の幾何学的デザインは集結器３４の全体的効果と比較すると重要ではないことが理解されよう。例えば、完全な放物反射器ではない集結器３４でも、興味ある所望の動作波長バンドでは実質的に放物反射器のように機能する。図２〜３の実施の形態に示されているように、集結器３４は例えば先端を切ったホルンアンテナ形状に曲げられてよい。しかしながら、最初に活性領域３２に吸収されないエネルギーを活性領域３２に集結するように機能して活性領域の範囲よりも大きな光学的収集領域を生成する当業者の知っているすべての形状は、本発明の範囲内であってかかる変形は意図されていることが理解されよう。その一つの例は放物反射器である。別の例が、本発明による検出装置の別の実施の形態の斜視図および断面図である図５ａ〜５ｂに図示されている。
図５ａ〜５ｂにおいて、同様の部材は同様の符号で示されている。図５ａ〜５ｂの実施の形態では、光学的集結器３４′は図２〜３の曲面構造と異なり平坦構造である。図５ａ〜５ｂの実施の形態は、支持層４２および活性領域３２を支持する隔離絶縁器具４８を含んでいる。図示されてはいないものの、図５ａ〜５ｂの実施の形態は、図２〜３に関して上述したように、半導体基板１３および関連する集積回路１５を含んでいてもよいことが理解されるであろう。他の点では、図５ａ〜５ｂの実施の形態は、図２〜３に関して上述したのと同様に動作する。特に、光学的集結器３４′は入射エネルギーを活性領域３２上に集結し、活性領域３２の領域よりも大きい光学的収集領域を生成する。光学的集結器３４′は、反射したエネルギーが集結器３４′のすべての部分から活性領域３２に同時に到着し且つ集結器３４′が最初に活性領域３２に入射したエネルギーを発展的に加えるように、集結器３４′に入射したエネルギーを集結器の本体内で遅延させつつ光学的集結器３４′の端部でエネルギーを即時に反射する。
図５ａ〜５ｂの検出装置構造１００′を製造するには、反射性層１８（図１参照）が図５ａ〜５ｂに示されているのと同様のパターンとなるようにパターン形成されるという付加的な利点を伴って、９７６号特許および９１５号特許に開示されているような既存の製造技術が用いられる。
本発明の図２〜５ａ〜５ｂの実施の形態の利点は、検出装置が、増加した画素収集領域を維持しつつ、例えば一辺の長さが動作波長範囲の半波長範囲であるサイズが削減され解像度が増加した活性領域を有していることである。加えるに、上記実施の形態の別の利点は、大きな活性領域をもつ装置と同等の光吸収感度および熱的時定数を有していることである（例えば、８〜１４μｍの範囲のエネルギーについて一辺の長さが３波長よりも大きい活性領域を有する）。本発明の好適な実施の形態においては、図２〜５ａ、５ｂの検出装置には、活性領域の一辺の長さが半波長範囲であることを維持しつつ、一辺の長さが１〜２波長の範囲である活性領域を有する装置と同等な光学的収集領域が設けられている。加えるに、図２〜４の実施の形態では、活性領域に空けられたスペースは、熱的時定数を５から２０ｍｓの所望の動作範囲に維持するために、金属結線３８および４０の長さを増加させるために用いられる。従って、図２〜５ａ、５ｂの実施の形態は、活性領域の大きな装置の光吸収感度および熱的時定数を維持しつつ、画素解像度サイズをより小さくすることを達成している。
本発明の別の観点では、検出装置には、関連技術の装置の感度および時定数を維持しつつ、図１に示されたような関連技術の検出装置と比べて充填率が小さい活性領域が設けられている。特に、本発明のこの観点によると、検出装置の全体の充填率は減少するものの画素収集領域による入射エネルギーの吸収が維持されるように、吸収層２３および高ＴＣＲの抵抗層２１のいずれか一方または両方がパターン加工される。
図６ａおよび６ｂは、本発明による、小さくなった充填率を有する検出装置のマイクロブリッジレベルの平面図および断面図をそれぞれ示している。図６ａの実施の形態５０において、活性領域５２は、交互に配置された導電領域５４（吸収素子）および透過性窓５６を含むようにパターン加工されている。特に、図６ａおよび６ｂの実施の形態では、複数の直線状光吸収素子５４が複数の透過性窓５６の間に配置されている。直線状吸収素子５４は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きな材料の抵抗層を備えている。さらに、直線状吸収素子は、吸収材料の層を含んでもよいことが理解されるであろう。また、吸収材料は、高ＴＣＲ材料の上に形成されるか、高ＴＣＲ材料層の間に配置されるか、または、高ＴＣＲ材料の下に配置されてよく、これらの変形は意図されたものであることが理解されるであろう。透過性窓５６の幅ｗは、検出装置５０に入射する放射の波長の所望動作範囲波長よりも実質的に小さくなるように選択される。幅ｗを適切に選択すると、吸収素子５４による吸収は、図１に開示されたような固体活性領域と実質的に等しくなる。従って、本発明の利点は、例えば図１の関連技術のようなより大きな充填率の活性領域をもつ検出器の感度を維持しつつ、充填率がより低い活性領域が設けられることである。さらに、本発明の別の利点は、活性領域が、検出装置の活性領域よりも大きな画素収集領域をもつことである。
図６ｂを参照すると、反射性層１８と上方レベル１１との間の垂直距離ｄが描かれている。上方レベル１１は、複数の吸収素子５４と複数の透過性窓５６を備えている。垂直距離ｄは、層１８から反射した入射エネルギーが上方の吸収素子５４に向けて反射され、且つ、例えば８〜１４μｍの好適な波長範囲においてほとんどの吸収がなされる干渉特性を有するように、好ましくは波長の１／４である。より詳細には、距離ｄは、トータルの経路長が半波長となって反射エネルギーと入射エネルギーとの構造的な和を達成するために、好ましくは波長の１／４である。図６ａおよび６ｂには具体的に図示されていないけれども、図６ａ〜６ｂの活性領域は、図１〜５のいずれかに図示された検出装置の基礎として用いることができ、それが意図されていることが理解されるであろう。
図６ａ〜６ｂに開示された実施の形態の一つの欠点は、吸収素子５４の長手方向に直線偏光されることである。これに対して、図７は、本発明の別の実施の形態による検出装置６１のマイクロブリッジレベルの平面図を示している。本実施の形態では、活性領域６２は、複数の透過性窓６８の間に配置された垂直吸収素子６４および水平吸収素子６６を含んでおり、グリッド構造を形成している。本発明のこの実施の形態の利点は、それが偏光されないということである。上述したように、伝導性リード線７０および７２は、マイクロブリッジレベルに配置された活性領域を支持し、また、活性領域からの感知信号を基板レベルに接続する。図７のマイクロブリッジレベル６１の一実施の形態では、垂直吸収素子６４および水平吸収素子６６は、高ＴＣＲ材料の抵抗層を備えている。しかしながら、垂直吸収素子６４および水平吸収素子６６のいずれか一方または両方は吸収材料の層を含んでもよいことが理解されよう。さらに、垂直吸収素子および水平吸収素子のいずれか一方または両方は、吸収層、高ＴＣＲ材料の層、または吸収層と高ＴＣＲ材料層の両方を含んでもよく、こういった偏光が意図されていることが理解されよう。図７のアクティブ素子の動作および利益は、これ以外は図６のアクティブ素子のものと同様である。特に、アクティブ素子は、固体活性領域の感度を維持しつつ削減された充填率を有しており、検出装置の活性領域よりも大きい画素収集領域を供給する。加えるに、図７の実施の形態の別の利益は、入射エネルギー収集に関して偏光されないことである。
図８ａを参照すると、本発明のさらに別の実施の形態による検出装置のマイクロブリッジレベル７４の平面図が示されている。特に、マイクロブリッジレベル７４は、実質的にマイクロブリッジレベル７４の中央に配置された活性領域７６と、伝導性リード線７８および８０とを含んでいる。活性領域７６は、図１の関連技術の活性領域に比べてサイズの縮小された、例えば一辺の長さが半波長の範囲の四角形の領域であって、高ＴＣＲの抵抗材料の層を含んでいる。また、活性領域は、上述したように、吸収層を含んでいてもよいことが理解されよう。さらに、伝導性リード線７８および８０は、導電層と高ＴＣＲ材料の抵抗層とを備えている。また、リード線７８、８０は、吸収材料の層を含んでいてもよい。本発明のこの実施の形態によると、活性領域７６および脚部７８、８０が一緒になって装置の効果的な活性領域を生成する。特に、脚部７８および８０は螺旋形状にパターン加工されてアンテナとして機能し、螺旋状伝導性リード線７８および８０に入射するエネルギーがマイクロブリッジレベル７４の中心部の活性領域に結びつけられる。また、脚部７８および８０は、活性領域７６の感知された温度変化を反映した検出信号を下方レベル１２と結びつけるように働く。つまり、伝導性脚部７８および８０は、図８ａおよび８ｂの実施の形態では２つの目的を有している。
上述したように、この実施の形態の利益は、図１に示されたような関連技術の装置の全活性領域と比較したとき、関連技術の装置の感度を維持しつつ、四角形の領域７６および脚部７８、８０を含む全活性領域が、縮小された充填率を有しているということである。さらに、別の利益は、装置が活性領域よりも大きい画素収集領域を有しているということである。
図８ｂは、図８ａのマイクロブリッジ検出装置の側面図を示している。マイクロブリッジレベル７４と反射器１８との間の垂直距離ｄは、反射性層１８に入射するすべての放射をマイクロブリッジレベル７４に向けて反射するため、および、例えば８〜１４μｍの好適な波長範囲においてほとんどの吸収がなされる干渉特性を有するように、好ましくは１／４波長である。特に、距離ｄは、実質的に装置の動作範囲波長の１／４波長であることが好ましい。
図６ａ、６ｂ〜８ａ、８ｂの検出装置を製造するには、高ＴＣＲ材料の抵抗層および吸収層の少なくとも１つがマスクおよびエッチングされて図６ａ、６ｂ〜８ａ、８ｂのそれぞれに開示されているような活性領域をパターン形成するという点を除いて、９７６号特許および９１５号特許に開示されているような既存の製造技術が用いられる。
上述の説明は個々の検出装置に関してなされたものであるが、本発明はアレイアセンブリ、特に複数の検出装置がｘおよびｙ方向にあって焦点面アレイを形成するアレイにも適用される。特に、図９は、マイクロブリッジ検出装置８４の焦平面アレイ１０２の斜視図を示している。また、上述した図２〜８ｂに示されたすべてのマイクロブリッジ検出装置が図９のアレイに用いられることが理解されよう。本発明の一実施の形態では、ｘ方向に沿った列に３２７個の検出装置が配置されておりｙ方向に沿った行に２４５個の検出器が配置されているアレイが、半導体基板上に設けられており、各検出器または画素装置は一辺で約４６ミクロンの領域に及んでいる。半導体アレイは８〜１４μｍのＩＲ波長範囲にわたって動作し、少なくとも８０％のＩＲ感度を有している。
本発明の非冷却焦点面アレイ１０２は、図１０のブロック図に示すようなイメージングシステム１０４に使用することができることが理解されよう。図１０のイメージングシステムでは、光学部品１０６に入射する二つの動作波長バンドの電磁放射、たとえば波長範囲８〜１４μｍおよび３〜５μｍの赤外線放射が光学部品、たとえばレンズによって焦点を合わされ、合焦された電磁信号を出力１０７に提供する。合焦された電磁信号は非冷却焦平焦点面面アレイ１０２に結像される。焦点面アレイが、合焦された電磁信号を複数の感知信号に変換し、これらの信号が媒体１０９を介して焦点面アレイプロセッサ１０８に出力される。焦点面アレイプロセッサ１０８は、たとえば、複数の感知信号をデジタル化して複数の処理済み信号を提供し、その複数の処理済み信号を、焦点面アレイの複数の検出装置の間のゲイン差または他の不均一さに関して調節することにより、複数の感知信号を処理する。そして、複数の処理済み信号が媒体１１１を介して表示プロセッサ１１０に出力される。表示プロセッサは、複数の処理済み信号を再度フォーマットして、表示装置１１２に表示するのに適したフォーマットの複数の表示信号にし、媒体１１３を介して表示信号を表示装置に出力する。表示プロセッサは、当業者に公知である処理済み信号のすべての表示処理、たとえば、表示信号への再フォーマット処理、不良画素データを除去する処理、焦点調節処理、記号および／または他の情報を表示信号に付加する処理、明るさおよび／またはコントラストを調節する処理などをも実行することができることが理解されよう。制御装置１１４が、表示プロセッサの自動および／または手動の制御を提供して、たとえば明るさ、コントラスト、記号の付加などの種々の表示パラメータの自動および／または手動の調節を可能にする。イメージングシステムは、電池、ＡＣ電源またはＤＣ電源のいずれか一つを含むことができる電源電子部品１１６によって給電される。
図１０のイメージングシステムは、通常、システムの操作者が見る像の二次元リアルタイム表示を提供する。たとえば、本発明のイメージングシステムの好ましい実施の態様では、非冷却焦点面アレイ１０２は、対象の外線（ＩＲ）波長バンドの少なくとも一つで動作するように設計されている。このシステムによると、操作者は、通常は人の目で見ることができないような条件の下で物体および／または景色の熱サインを見ることができる。たとえば、イメージングシステムは、夜間に、放射物質降下条件の無い昼間に、煙の存在で、または悪化した天候条件で使用することができる。
本発明の焦点面アレイを使用することができる熱型イメージングシステムの一例は、図１１ａ〜１１ｃに示す頭部装着イメージングシステム１２０である。図１１ａは頭部装着イメージングシステムのヘルメット搭載設計を示し、図１１ｂは頭部装着イメージングシステムのゴーグル設計を示し、図１１ｃはイメージングシステム自体の拡大図を示す。
図１２は、図１１ａ〜１１ｃの頭部装着イメージングシステムのブロック図を示す。図１０に示すイメージングシステムと同様の部品は、同様な参照符号によって示され、それらの部品の説明はここでは繰り返さないことが理解されよう。図１２の頭部装着イメージングシステムでは、電磁信号が光学部品１０６によって焦点面アレイ１０２に合焦される。焦点面アレイ１０２は、焦点面アレイプロセッサ１０８に含まれる温度安定化回路１２４によって温度安定化される。焦点面アレイ１０２は、合焦信号を感知信号に変換し、複数の感知信号を焦点面アレイプロセッサ１０８に出力する。焦点面アレイプロセッサは、前置増幅アナログ・デジタル変換器１２６によって複数の感知信号それぞれを増幅およびデジタル化し、複数の処理済み信号を表示プロセッサ１１０に出力する。焦点面アレイプロセッサはまた、複数の処理済み信号を処理して、複数の処理済み信号の間に何らかのオフセットまたはゲインの差があるならばそれを修正して、不良信号データを除去するプログラム可能な論理素子１２８を含んでいる。表示プロセッサは、修正済み信号を再フォーマットし、修正済み信号をデジタル・アナログ変換器１３０によってアナログ信号に変換して、アナログ信号が表示装置に適したフォーマットになるようにする。そして、表示装置ドライバ１３２がアナログ信号をユーザに表示するために表示装置１１２に出力する。
上で論じたように、制御装置１１４は、表示プロセッサの自動および／または手動の制御を提供して、種々の表示パラメータの自動および／または手動の調節を提供する。頭部装着システムの制御装置は、制御パネル中のスイッチ類１１５と、マイクロプロセッサ１１７とを含む。加えて、電源電子部品１１６は、電池１１９または外部電源１２１へのコネクタと、電源状態回路１２３とを含む。さらに、表示プロセッサ１１０は、複数の処理済み信号を表示信号にフォーマットし直し、表示装置上に記号を提供するための記号生成器１２５を含む。
頭部装着システム１２０の好ましい実施の態様では、焦点面アレイ１０２は、少なくとも一つのＩＲ波長バンド、たとえば８〜１４μｍの範囲で動作する。加えて、表示装置１１２は、システムユーザにとって単眼表示装置または両眼表示装置のいずれであってもよく、制御装置１１４を用いて調節することができる。好ましい実施の態様では、焦点面アレイプロセッサ１０８および表示装置１１２は、ヘルメットの中または顔面装着ゴーグルの中に搭載される。加えて、表示プロセッサ１１０、制御装置１１４および電源１１６は、ベストに装着することができるユニットに搭載される。しかし、当業者に公知である変形、たとえば上記それぞれをヘルメットまたはゴーグルに搭載する形態が考慮され、本発明の範囲に入るものとみなされる。
頭部装着イメージングシステムの利点は、それが、サイズ、重量および電力消費を減少させた独立型の携帯式ユニットであることにある。具体的には、焦点面アレイは、従来技術の装置に求められるような冷却または機械的スキャナもしくはチョッパを要しない。加えて、頭部装着システムは、暗闇でも動作することができ、昼間には、イメージ増倍管を使用する従来技術の装置とは対照的に、放射物質降下なしで動作することができ、煙を透視するなどができる。さらに、ボロメータ検出装置および焦点面アレイに関して上記に論じた理由から、頭部装着システムは、従来技術の装置に比べて改善された信頼性および感度を有する。
本発明の焦点面アレイを使用するイメージングシステムのもう一つの例は、図１３ａ、１３ｂおよび１３ｃに示すような手持ち式イメージングシステムである。手持ち式イメージングシステムは、図１３ａに示すような単眼システム１３４であることもできるし、図１３ｂおよび１３ｃに示すような双眼システム１３６であることもできる。図１０のイメージングシステムに類似する部品は、同じ参照符号がつけられており、それらの要素の説明は繰り返さないことが理解されよう。図１３ａの単眼システムは、ＩＲ光学部品１０６の前方に配置された光学フィルタ１２２を有するウィンドウ１２７と、入射する電磁放射をＩＲ光学部品に合焦させる合焦リング１２９とを有している。加えて、表示装置１１２は、ＣＲＴまたはＦＰＤ１３３と組み合わさって作用して表示を提供するアイピース１３１を含む。アイピース表示装置１１２はまた、当業者には公知であるように、視度調節１３５および合焦ノブ１３７を有している。図１３ａ、１３ｂおよび１３ｃの手持ち式イメージングシステムの好ましい実施の態様では、電源電子部品１１６は電池であり、焦点面アレイは、少なくとも一つのＩＲ波長範囲で動作して、暗闇でも昼間の光の下でも使用することができ、煙をも透視することができる長距離ＩＲ望遠鏡または双眼鏡を提供する。加えて、長距離望遠鏡および双眼鏡は、増大した信頼性および感度を提供しながらも、サイズ、重量および電力消費を減少させた独立型ユニットである。
本発明の焦点面アレイ１０２を使用することができるイメージングシステムのさらなる例は、図１４ａ〜１４ｂに示すような武器照準器１４０である。図１４ａは、本発明の武器照準器の平面図を示し、図１４ｂは、図１４ａの武器照準器のブロック図を示す。図１０のイメージングシステムと同様の部品は、同様の参照符号によって示されており、それらの要素の説明は繰り返さないことが理解されよう。武器照準器はまた、レンズ１０６を覆うカバー１３９と、レンズ１０６からの合焦信号の焦点を焦点面アレイ１０２上に調節するための合焦リング１２９と、コンパス１４１と、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）アンテナ１４３とを含む。表示プロセッサ１１０は、ＧＰＳ信号およびコンパス情報を処理するためのさらなる電子部品を含む。図１４ａ〜１４ｂの武器照準器の好ましい実施の態様では、光学レンズ１０６はフィルタをさらに含み、電源電子部品１１６は電池であり、表示装置１１２はアイピース、ＣＲＴもしくはＦＰＤ１３３および焦点調節ノブ１３５を含む。焦点面アレイの好ましい実施の態様は、少なくとも一つの所望の対象ＩＲ波長バンドで動作して、暗闇を透視し、煙を透視するように使用することができ、昼間でも使用することができるなどの長距離武器照準器、たとえばライフル銃のマウントを提供する。加えて、本発明の武器照準器１４０は、増加した信頼性および感度を提供しながらも、サイズ、重量および電力消費を減少させた独立型ユニットである。
本発明の焦点面アレイを使用することができるさらに別のイメージングシステムは、図１５ａ〜１５ｂに示すようなミニチュアカメラ／レコーダ（以下「カムコーダ」と呼ぶ）である。図１５ａはカムコーダの断面図を示し、図１５ｂはカムコーダのブロック図である。図１０のイメージングシステムに類似する部品は、同じ参照符号によって示されており、それらの要素の説明は繰り返さないことが理解されよう。カムコーダは、信号を適当な記録媒体１５４上に記録するためのレコーダ１５２を含む。記録媒体は、当業者に公知であるいかなる記録媒体、たとえばＶＨＳ、８ｍｍまたはＢＥＴＡフォーマットの磁気記録テープであってもよいことが理解されよう。カムコーダの好ましい実施の態様では、表示装置１１２は、ビューファインダ１４５およびＣＲＴもしくはＦＰＤ１３３を含む。加えて、好ましい実施の態様では、電源電子部品１１６は充電式電池パックであり、制御装置１１４は、記録媒体を巻き戻し、早送りし、再生するための制御ノブ１４７および電子部品を含む。さらに、好ましい実施の態様では、焦点面アレイ１０２は、少なくとも一つの対象のＩＲ波長バンドで使用して、夜間でも昼間でも使用することができ、煙または荒れた天候を透視するなどの長距離カムコーダを提供する。加えて、図１５のカムコーダは、サイズ、重量および電力消費を減少させ、また、信頼性および感度が増大した独立型ユニットである。
本発明の焦点面アレイを使用することができるイメージングシステムのさらに別の実施の形態は、図１６ａ〜１６ｂに示すような顕微鏡１６０である。図１６ａは顕微鏡の側面図であり、図１６ｂは顕微鏡のブロック図である。図１０のイメージングシステムに類似する部品は、同じ参照符号によって示されており、それらの要素の説明は繰り返さないことが理解されよう。顕微鏡は、当業者には公知であるように、位置調節装置１５５を有する顕微鏡ベース１５３と、光源１４９によってバックライト照射される標本または集積回路マスク１５１とを含む。図１６ａ〜１６ｂの顕微鏡の好ましい実施の態様では、表示装置１１２はＣＲＴまたはＦＰＤ１３３を含み、制御装置１１４は手動制御ノブ１４７を含み、光学部品１０６は正面の鏡１５７を含む。加えて、好ましい実施の態様では、焦点面アレイは、複数の対象ＩＲ波長バンド、たとえば３〜５μｍ、８〜１２μｍで使用することもできるし、フィルタ１５９を用いて可視光線範囲で使用して、マルチスペクトル像を顕微鏡に提供することもできる。
さらに、本発明の焦点面アレイを使用することができるもう一つのイメージングシステムは、図１７ａ〜１７ｂに示すようなイメージング放射計／分光計である。図１７ａはイメージング放射計／分光計１７０の断面図を示し、図１７ｂはイメージング放射計／分光計のブロック図を示す。図１０のイメージングシステムに類似する部品は、同じ参照符号によって示されており、それらの要素の説明は繰り返さないことが理解されよう。イメージング放射計／分光計では、レンズ１０６は、分光計を提供するために使用されるスペクトル分割レンズ１７２および放射計を提供するために使用される結像レンズ１７４のいずれか一方であってよい。イメージング放射計は、放射計が合焦された場面の温度を測定するのに使用され、分光計は、場面によって発されるエネルギーまたは出力を、その場面が電磁信号を発しているところの波長の関数として測定するのに使用される。
放射計／分光計はまた、スペクトル分割レンズ１７２および結像レンズ１７４のいずれかを取り付けるためのレンズマウント１６１と、放射計／分光計を三脚に取り付けるための三脚マウント１６３とを含む。放射計／分光計の好ましい実施の態様では、表示装置１１２はＣＲＴまたはＦＰＤを含み、制御装置１１４は手動制御ノブ１４７を含み、電源電子部品は充電式電池１６４および１１０ボルトＡＣコネクタ１６５を含む。加えて、焦点面アレイは、少なくとも一つの対象のＩＲ波長バンドで使用して、夜間に使用することもでき、昼間に放射物質降下なしで使用することもでき、煙を透視し、荒れた天候を透視することができる長距離放射計／分光計を提供する。さらに、放射計／分光計は、増大した信頼性および感度を有しながらも、サイズ、重量および電力消費を減少させた独立型ユニットである。
本発明の特定の実施の態様をいくつか説明したが、当業者にとって、種々の変形、修正および改良が容易に思いつくであろう。そのような変形、修正および改良は本開示の一部とみなされ、本発明の範囲および観点に入るものとみなされる。したがって、前記説明は例を示すものに過ぎず、本発明は、以下の請求の範囲およびその同等物のみによって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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