БОЛОМЕТР ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
HIGH-SENSITIVITY BOLOMETER

Изобретение относится к датчикам лучистой энергии, к таким устройствам в которых в лучистая энергия поглощается, преобразуясь в тепловую, которая и измеряется.
Существует множество различных методов и устройств для измерения интенсивности лучистой энергии в разных диапазонах частот. Наиболее чувствительными датчиками в широком диапазоне частот являются болометры. Они широко используются в разных областях техники, поэтому разработано много их разновидностей, но все они используют преобразование лучистой энергии в тепло.
2
В ряде случаев размеры болометров имеют решающее значение. В астрономии используются болометры с площадью чувствительного элемента до 0,01 мм. Это необходимо для измерения интенсивности излучения в разных диапазонах спектра (с использованием спектрометра) в разных точках изображения сильно удаленных объектов, например, в разных точках изображения галактики. Матрица из микроболометров может служить для получения изображений в инфракрасном диапазоне спектра. Разрешение изображения напрямую зависит от размеров каждого элемента матрицы. Но поскольку с уменьшением размера измерительной ячейки количество фотонов, падающих на нее, уменьшается, она должна обладать повышенной чувствительностью.
Сейчас в основном используются болометры на основе тонкопленочных терморезисторов [1]. При нагревании любого проводящего материала его сопротивление изменяется, что и используется для регистрации и измерения интенсивности излучения. Чувствительность таких терморезистивных болометров ограничена тепловыми шумами Джонсона, которые возникают в любом резисторе при протекании тока.
Тонкопленочный терморезистор не может поглотить все падающие на него фотоны, поэтому для увеличения его чувствительности используют различные дополнительные поглощающие излучение покрытия [2]. Это увеличивает его чувствительность в 2-3 раза.
Чтобы терморезистор нагревался излучением сильнее, уменьшают отвод тепла от него на подложку, для чего его располагают на мембране или подвешивают его на опорах, оставляя воздушный промежуток между ним и подложкой [3]. Это увеличивает чувствительность болометра в 1,5-2 раза.
Поскольку болометры в основном работают при комнатной температуре, которая может изменяться и влиять на результаты измерений, применяют метод измерения разницы показаний двух идентичных измерительных ячеек, одна из которых закрыта от излучения [4]. Это повышает стабильность измерений, но не повышает чувствительность.
Наиболее чувствительными являются болометры, использующие разные коэффициенты теплового расширения различных материалов [5]. Двухслойная пластина, состоящая из материалов с разными коэффициентами теплового расширения, изгибается при нагревании. Величину ее отклонения можно измерять оптическими или электрическими методами, которые не зависят от шумов Джонсона и имеют высокую чувствительность. Но для астрономических целей нужны болометры с очень малыми размерами, а это ограничивает величину изгиба двухслойной пластины и не позволяет полностью реализовать преимущества конструкции такого типа.
Простейший болометр такого типа имеет двухслойную пластину, у которой один из слоев - металл с нанесенным на него поглощающим слоем. Одним концом эта пластина закреплена на опоре, второй ее конец висит в воздухе на небольшом расстоянии от подложки. Недостатком такой конструкции является то, что расстояние свободного конца пластины от подложки зависит от температуры окружающей среды и от процесса формирования двух ее слоев. При напылении или осаждении слоев из-за разных коэффициентов теплового расширения материалов в образованной структуре возникают напряжения. Когда удаляется жертвенный слой под двухслойной пластиной, чтобы один ее конец оказался висящим в воздухе, эти напряжения изгибают ее с трудно воспроизводимым результатом. Поэтому чувствительность такого болометра и точность его измерений сильно зависят от условий изготовления и температуры окружающей среды.
Повысить стабильность и точность измерений позволяет устройство, описанное в [6]. В нем опорное положение двухслойной пластины-кантилевера фиксируется моментом замыкания электрической цепи наконечником кантилевера, который касается электрода, расположенного на поверхности подложки. Воздействие излучения отклоняет кантилевер от этого положения, а дополнительное воздействие нагревательным или пьезоэлектрическим элементом возвращает его в прежнее положение. Величина воздействия характеризует интенсивность излучения. Недостатками этого устройства являются сложность его изготовления и ненадежность. При попадании на область контакта микропылинок, капелек аэрозолей, образовании тонких пленок конденсата контакт может нарушаться, что приведет к сбою в его работе.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению техническим решением является устройство, описанное в [7]. В одном из вариантов его реализации предлагается на двухслойную пластину-кантилевер и электрод, расположенный на подложке, подавать постоянное напряжение для приведения кантилевера в исходное опорное положение, а емкость между ними измерять на переменном токе. При этом фактически измеряется реактивное сопротивление конденсатора, которое не создает тепловых шумов Джонсона, поэтому его изменение может быть измерено с более высокой точностью.
Задачей данного изобретения является увеличение чувствительности болометра.
Поставленная задача решается в устройстве, включающем двухслойную пластину-кантилевер из материалов с разными коэффициентами теплового расширения (один из которых является проводником), покрытую сверху поглощающим излучение слоем, расположенную над подложкой, и электрод, расположенный на подложке под ним, а также дополнительный внешний электрод, окружающий кантилевер и служащий для определения его опорного положения. Кантилевер делается в форме меандра и может отклоняться электрическим полем, создаваемым постоянным напряжением между ним и электродом на подложке. Опорное положение определяется максимальным значением емкости между кантилевером и внешним электродом в отсутствие падающего на него излучения. При этом кантилевер располагается параллельно электроду на подложке. После определения опорного положения постоянное напряжение не изменяется. Интенсивность излучения измеряется по изменению емкости между кантилевером и электродом на подложке в результате отклонения кантилевера от опорного положения под действием излучения.
При формировании матрицы из таких болометров опорное положение кантилевера может определяться только по одной закрытой от излучения ячейке. На все остальные ячейки подается такое же постоянное напряжение. Дополнительные электроды остальных ячеек остаются не подключенными к измерительным цепям или могут отсутствовать.
Отличительными признаками изобретения являются использование дополнительного электрода для установки кантилевера в опорное положение и форма кантилевера в виде меандра.
Данная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что чувствительность болометра повышается и не зависит от условий проведения процессов при его изготовлении и температуры окружающей среды. Нелинейность зависимости емкости ячейки от величины отклонения кантилевера остается постоянной, поэтому может быть устранена аппаратными методами, что позволяет сделать более точными измерения интенсивности излучения. Форма кантилевера в виде меандра позволяет увеличить его длину, не увеличивая существенно площадь ячейки. Это увеличивает его чувствительность. Кроме того, отсутствие дополнительных устройств для пьезоэлектрического или теплового воздействия на кантилевер упрощает его изготовление.
На фиг. 1 схематично представлено сечение болометра, где: 1-подложка, 2 - электрод на подложке, 3 - диэлектрический слой, 4 - нижний слой кантилевера, 5 - верхний слой кантилевера, 6 - поглощающий излучение слой, 7 - внешний электрод.
На фиг. 2 показан вид сверху на реальную измерительную ячейку, где 7 - внешний электрод, 8 - кантилевер, 9 - зазор, 10 - контур нижнего электрода и контактной площадки к нему, 11 - контактное окно к внешнему электроду, 12 - контактное окно к кантилеверу, 13 - контактное окно к нижнему электроду.
Работает болометр следующим образом. При отсутствии излучения, падающего на кантилевер, измеряется емкость между кантилевером и внешним электродом. Одновременно с этим между кантилевером и электродом на подложке подается плавно изменяющееся напряжение от отрицательного до положительного значения. Фиксируется момент, когда емкость проходит через максимальное значение. С этого момента амплитуда изменения напряжения уменьшается. Определяется точное значение напряжения, при котором емкость максимальна. Это напряжение уставляется постоянно на все время измерений при данной температуре окружающей среды. При этом напряжении на переменном токе измеряется емкость между кантилевером и электродом на подложке. При падении излучения на кантилевер, оно нагревает поглощающий слой и кантилевер, который изгибается, приближаясь к нижнему электроду. Емкость между кантилевером и электродом на подложке изменяется. Разность значений емкости до падения излучения на кантилевер и во время падения служит для оценки интенсивности излучения.
Пример конкретной реализации.
2
2
2
2
2
На кремниевой пластине, покрытой слоем нитрида кремния (0,2 мкм), напылением хрома (0,2 мкм) и последующим его травлением через маску формируется электрод в форме круга с контактной площадкой. Наружный радиус круга больше наружного радиуса кантилевера на 2-3 мкм, чтобы кантилевер и кромка внешнего электрода были на одном уровне. Затем сверху осаждается слой нитрида кремния (0,2 мкм) и слой SiO (0,2 мкм), на него при комнатной температуре последовательно напыляются слои хрома (1 мкм) и серебра (1 мкм). Пластина подвергается кипячению в растворе тиосульфата натрия до образования на поверхности серебра черного поглощающего излучение слоя сульфида серебра. С помощью системы с фокусированным ионным пучком, управляемой компьютером, над нижним электродом вытравливаются (распыляются ионами галлия) слои сульфида серебра, серебра и хрома до слоя SiO, формируя рисунок внешнего электрода и кантилевера с контактной площадкой, а также контактного окна над площадкой нижнего электрода. Травление производится ионами галлия до врезания в слой SiO. В этой же установке производится травление слоя сульфида серебра до серебра в области контактных площадок кантилевера и внешнего электрода для формирования контактных окон к ним. Полученная структура подвергается травлению в растворе плавиковой кислоты до вытравливания SiO под кантилевером. Время травления не должно быть избыточным, чтобы под внешним электродом частично остался слой SiO. В установке реактивного ионного травления производится удаление слоя нитрида кремния над контактной площадкой к нижнему электроду (без использования дополнительной маски).
2
-13
Для кантилевера, показанного на фиг. 2, при его ширине 6 мкм, зазоре 0,5 мкм его длина по средней линии составит 360 мкм. Площадь его равна 3140 мкм. При толщине слоя нитрида кремния 0,2 мкм и воздушного зазора 0,2 мкм емкость между кантилевером в опорном положении и нижним электродом будет определяться суммой последовательно соединенных двух емкостей. Одна емкость - с диэлектриком из нитрида кремния, другая - с воздушным зазором. Эта сумма равна 1,2⋅10 Ф.
-13
-13
-16
-3
Согласно формуле из теоретической механики, при изменении температуры на 0,1 градуса радиус изгиба кантилевера с такими параметрами составит 1,06 м. При этом отклонение конца кантилевера составит 61 нм. В среднем отклонение кантилевера будет 30,5 нм. При уменьшении расстояния между кантилевером и нижним электродом на 30,5 нм изменится только вторая емкость. Суммарная емкость увеличится до 1,4⋅10 Ф. Изменение емкости будет равно 0,2⋅10 Ф. При точности измерения малых емкостей равной 1⋅10 Ф можно фиксировать изменение температуры до 0,5⋅10 градуса.
2
-15
-16
Оценим точность установки кантилевера в опорное положение. При опорном положении кантилевера площадь его поверхности, находящейся напротив внешнего электрода равна длине внешней границы кантилевера, умноженной на его толщину 192×2=384 мкм. При зазоре между электродами 0,5 мкм емкость между ними 6,8⋅10 Ф. При точности измерения малых емкостей 1⋅10 Ф погрешность определения положения кантилевера равна 1,5%.
2
Площадь такой измерительной ячейки равна 0,003 мм, что в 3,3 раза меньше используемых сейчас в астрономии.
-8
-5
Для сравнения определим предельную чувствительность терморезистивного болометра, которая ограничена тепловыми колебаниями потенциала на резисторе. Они не зависят от величины тока и согласно формуле Найквиста пропорциональны √(RT). При комнатной температуре для резистора 1 Ом они составляют 7,7⋅10 В. Чтобы тонкопленочный резистор малой ширины заметно не нагревался, ток через него не должен превышать 10 мкА. Тогда падение напряжения на нем будет 1⋅10 В. Из-за тепловых колебаний потенциала на резисторе, которые в этом случае составляют 0,77% от его номинала заметить изменения потенциала менее 0,77% невозможно. Но у наиболее чувствительных к температуре полупроводниковых терморезисторов изменение сопротивления и потенциала, составляет не более 4,2% на градус. Поэтому такой терморезистор может фиксировать изменение температуры только более 0,18 градуса. Чувствительность заявляемого болометра в 360 раз выше. При ограниченных размерах измерительной ячейки повысить чувствительность терморезистора удается только охлаждением его до криогенных температур, что существенно усложняет его использование.
Предложенная конструкция болометра позволяет существенно повысить его чувствительность без увеличения площади измерительной ячейки и охлаждения до низких температур, что недостижимо в известных конструкциях. Кроме того, она позволяет полностью компенсировать влияние температуры окружающей среды и условий его изготовления, что делает возможным получение хорошо воспроизводимых результатов измерений. Конструкция болометра намного проще в изготовлении, чем другие известные конструкции, наиболее близкие по возможностям. Последовательность изготовления такого болометра подробно описана в примере конкретной реализации. При его изготовлении используются стандартные приемы. При массовом производстве изготовление болометра может выполняться на промышленном оборудовании, используемом в производстве микросхем.
Источники информации:
1. Патент CN 207456611
2. Патент US 2019123214
3. Патент WO 2019040933
4. Патент KR 101833365
5. Патент US 5844238
6. Патент US 2017203955
7. Патент US 6420706 - прототип.