專利名稱：用于微測(cè)輻射熱計(jì)傳感器的諧振器元件和諧振器像素的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的諧振器元件。這樣的諧振器元件尤其是用于電磁輻射的波長(zhǎng)相關(guān)的和極化相關(guān)的吸收和強(qiáng)度測(cè)量。本發(fā)明為此使用層狀構(gòu)造的諧振器元件，這些諧振器元件有利地在橫向方向上彼此分離。與層狀結(jié)構(gòu)相關(guān)地，沿著層或者平行于層走向的方向或者取向被稱作橫向。這樣的層通常具有顯著小于其余尺寸的層厚度。層的最大橫向尺寸是在該層所包括的兩個(gè)空間點(diǎn)之間的最大距離。在矩形層的情況下，例如對(duì)角線是最大橫向尺寸，在圓形層的情況下，直徑為最大橫向尺寸。本發(fā)明的任務(wù)在于，以盡可能簡(jiǎn)單的方式構(gòu)造諧振器元件，其中各個(gè)諧振器元件的橫向幾何尺寸確定入射的電磁輻射優(yōu)選地被吸收的那些波長(zhǎng)。重要的是多個(gè)隨后在熱學(xué)上彼此去耦的這種諧振器元件的橫向定界或隔離的布局。對(duì)本發(fā)明的其他要求是緊湊的結(jié)構(gòu)方式和使諧振器與不同的波長(zhǎng)和極化協(xié)調(diào)的可能性。入射的輻射應(yīng)波長(zhǎng)選擇性地 (selektiv)和極化選擇性地被散開(kāi)。此外，目的是基于微測(cè)輻射熱計(jì)制造成像系統(tǒng)的多光譜的和極化選擇性的像素傳感器或像素傳感器陣列。在現(xiàn)有技術(shù)中公知了如下紅外探測(cè)器所述紅外探測(cè)器或者基于在探測(cè)器材料中的光子和電子之間的相互作用、即利用了內(nèi)部光效應(yīng)，或者基于探測(cè)器的由于入射輻射的吸收而引起的加熱，后者也稱作熱探測(cè)器。測(cè)輻射熱儀是熱探測(cè)器，其中探測(cè)器的加熱通過(guò)溫度敏感的電阻被轉(zhuǎn)換成信號(hào)。通過(guò)吸收輻射引起的溫度升高與從測(cè)輻射熱儀到其環(huán)境中的熱傳導(dǎo)成反比。為了實(shí)現(xiàn)具有高靈敏度的微測(cè)輻射熱儀，需要特定的結(jié)構(gòu)，利用該特定的結(jié)構(gòu)在很大程度上避免測(cè)輻射熱儀的從通過(guò)入射的輻射被加熱的部分到環(huán)境的熱量傳遞。在專業(yè)文獻(xiàn)中公開(kāi)了頻率選擇性的表面，在這些頻率選擇性的表面中采用諧振器元件來(lái)與頻率相關(guān)地吸收電磁輻射(F. Sakran等人的“Absorbing Frequency-Selective Surface for the mm-ffave Range，，，IEEE Trans. Ant. Prop.,第 56 卷，第 8 期，第 2649-2655頁(yè)和國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2007/149121 A2)。在那里所描述的諧振器由不同幾何形狀的第一金屬層構(gòu)成，這些幾何形狀在又被涂敷在連續(xù)的金屬底板上的絕緣層上。由于金屬的高導(dǎo)熱性，連續(xù)的金屬層為熱短路。將這種頻率選擇性的表面用于微測(cè)輻射熱儀中導(dǎo)致熱傳導(dǎo)的明顯增大，并且隨之而來(lái)地導(dǎo)致測(cè)輻射熱儀的靈敏度明顯降低。這種底板可以通過(guò)在本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容中描述的諧振器元件來(lái)避免。本發(fā)明在具有權(quán)利要求1的特征部分的特征的開(kāi)頭所述類型的諧振器元件方面解決該任務(wù)。新型的諧振器元件的特征在于兩個(gè)橫向結(jié)構(gòu)化的金屬層，這兩個(gè)金屬層通過(guò)同樣橫向結(jié)構(gòu)化的電介質(zhì)彼此分離。此處所描述的諧振器元件的諧振與底板無(wú)關(guān)，該諧振器元件明確地由兩個(gè)分立的對(duì)置的金屬部件構(gòu)成，該底板在此并不是必需的。諧振器元件在熱學(xué)上彼此被去耦。由此，熱傳導(dǎo)在橫向方向上被阻止。多個(gè)諧振器元件的橫向接連排列因此也符合對(duì)微測(cè)輻射熱儀的熱設(shè)計(jì)的高要求。
根據(jù)本發(fā)明，存在顯著優(yōu)點(diǎn)通過(guò)諧振器元件的新型結(jié)構(gòu)、尤其是通過(guò)去掉連續(xù)的底板來(lái)阻止在橫向方向上的熱傳導(dǎo)。到在其下的熱傳感器的熱傳輸?shù)男视纱颂岣?。因而，根?jù)本發(fā)明的諧振器元件尤其是適用于基于微測(cè)輻射熱儀制造用于任意成像系統(tǒng)的多光譜傳感器陣列。在預(yù)給定吸收波長(zhǎng)的情況下，可以確定諧振器元件的如下幾何結(jié)構(gòu)所述幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于特定的預(yù)先給定的波長(zhǎng)具有最優(yōu)的吸收特征。諧振器元件具有非常尖的吸收光譜，具有非常小的質(zhì)量并且可以利用半導(dǎo)體工藝的標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)制造。 根據(jù)本發(fā)明，存在如下顯著優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)給定波長(zhǎng)的情況下，可以確定諧振器元件的如下幾何結(jié)構(gòu)所述幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于特定的預(yù)先給定的波長(zhǎng)具有最優(yōu)的吸收特征。諧振器元件具有非常尖的吸收光譜，具有非常小的質(zhì)量并且可以利用半導(dǎo)體工藝的標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)制造。因而，根據(jù)本發(fā)明的諧振器元件尤其是適用于基于微測(cè)輻射熱儀制造用于任意成像系統(tǒng)的多光譜傳感器陣列。當(dāng)?shù)谝唤饘賹?尤其是所有層)的朝著第一橫向方向的尺寸對(duì)應(yīng)于第一金屬層(尤其是所有層)的朝著與第一橫向方向垂直的第二橫向方向的尺寸的多倍、尤其是四倍至十倍時(shí)，實(shí)現(xiàn)了極化選擇性的熱諧振器元件。當(dāng)至少第一金屬層具有圓形或者正方形的形狀時(shí)或者當(dāng)至少第一金屬層具有橢圓形或者矩形的形狀時(shí)，借助半導(dǎo)體工藝的特別簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)單的加工提供了諧振器元件。當(dāng)?shù)谝缓偷诙饘賹拥膶雍穸仍贗Onm直至1 μ m的范圍中時(shí)和/或當(dāng)介電層的層厚度在25nm至10 μ m的范圍中時(shí)，實(shí)現(xiàn)了特別好的諧振特性。當(dāng)?shù)谝唤饘賹印⒌诙饘賹右约敖殡妼拥膶訖M截面在形狀和大小方面近似相等時(shí)，實(shí)現(xiàn)了諧振器像素(Resonatorpixel) 或諧振器元件的特別簡(jiǎn)單的加工和制造。用于升高吸收效果的要特別簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)的、多個(gè)諧振器元件的集成形式提供了如下諧振器像素在所述諧振器像素中，尤其是相互間隔地來(lái)布置的諧振器元件被涂敷在共同的支承層(Traegerschicht)的相同側(cè)上，并且在該支承層中或者在該支承層上，尤其是相互間隔地來(lái)布置的諧振器元件被涂敷在共同的支承層的相同側(cè)上，并且在該支承層中或者在該支承上，尤其是在諧振器元件下方嵌入或者構(gòu)造溫度傳感器，或者支承層被構(gòu)造為溫度傳感器，嵌入或者構(gòu)造溫度傳感器，或者支承層被構(gòu)造為溫度傳感器。當(dāng)支承層利用(尤其是溫度敏感的)半導(dǎo)體形成時(shí)，可特別簡(jiǎn)單地制造諧振器像
ο用于極化敏感地檢測(cè)電磁輻射的諧振器像素通過(guò)將諧振器元件朝向相同的預(yù)先給定的橫向方向來(lái)取向而被制成。為了對(duì)電磁輻射進(jìn)行成像檢測(cè)，像素傳感器的特征在于，各個(gè)布置成柵格的諧振器像素借助其電引線相對(duì)于共同的支承體間隔開(kāi)地被安置和/或被支承，并且圍繞諧振器像素的空間被抽成真空。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的諧振器元件。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有端子的諧振器像素。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有如下諧振器元件的諧振器像素所述諧振器元件朝向相同的預(yù)先給定的橫向方向P被取向。
圖4示出了布置在共同的諧振器像素上的三個(gè)諧振器元件以及通過(guò)照射形成的在諧振器元件的支承體附近的或下部的區(qū)域中的溫度分布。圖5示意性地示出了包括多個(gè)諧振器元件的像素傳感器的結(jié)構(gòu)。

圖6示意性地示出了圓形的諧振器元件的吸收特性。圖7示意性地示出了極性敏感的諧振器元件的吸收特性。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的諧振器元件的結(jié)構(gòu)，該諧振器元件包括第一導(dǎo)電金屬層11、介電層12以及第二金屬層13。這樣的諧振器元件1的高度(由此也是各個(gè)層 11、12、13的厚度)在數(shù)十納米直至大約10 μ m之間的范圍中。兩個(gè)金屬層11、13的相應(yīng)的層厚度在此在IOnm直至Iym的范圍中。介電層的層厚度在25nm直至10 μ m的范圍中。通常，介電層12的厚度比兩個(gè)金屬層11、13的相應(yīng)層厚度顯著更大地被選擇，例如被選擇為兩個(gè)金屬層11、13的相應(yīng)層厚度的2至10倍。如圖1中所示，諧振器元件1通過(guò)第二金屬層13與支承層2連接。在加工技術(shù)上， 這有利地通過(guò)如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)第二金屬層13被涂敷到或者被氣相沉積到(尤其是構(gòu)造為半導(dǎo)體的)支承層2上。根據(jù)圖1，在支承層2中構(gòu)造或嵌入溫度傳感器3，該溫度傳感器3 接收通過(guò)吸收射入的電磁波而形成的熱。通過(guò)溫度傳感器的溫度變化，改變溫度傳感器的電特性參數(shù)、尤其是溫度傳感器的電阻。該電阻因此可以通過(guò)電連接線路52來(lái)截取并且被輸送給外部處理裝置?？商鎿Q地，存在如下可能性溫度傳感器3被構(gòu)造在支承層2上，或者整個(gè)支承層 2由溫度靈敏的材料構(gòu)成并且因此被構(gòu)造為溫度傳感器。這例如可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn) 整個(gè)支承層2通過(guò)溫度敏感的半導(dǎo)體形成。借助相對(duì)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)過(guò)程可以將多個(gè)諧振器元件1集成在支承層2上。圖4示意性地示出了在諧振器像素5的支承層2的區(qū)域中的溫度分布，該諧振器像素5包括多個(gè)諧振器元件1。通過(guò)將電磁波射入到各個(gè)諧振器元件1上，在各個(gè)諧振器元件1之下的區(qū)域中構(gòu)造具有升高的溫度的區(qū)域。緊靠諧振器元件1下方或在諧振器元件1 的中心中，溫度升高最大。在圖4中示意性地借助ISO溫度線示出了在支承層2的區(qū)域中的溫度分布。所示出的最大溫度T1緊靠諧振器元件1下方達(dá)到。在支承層2的下部區(qū)域中，溫度較小并且例如達(dá)到值T3。諧振器元件1的橫向尺寸、尤其是第一金屬層11的橫向尺寸基本上確定了諧振器元件1的吸收特征。例如，如果選擇第一金屬層或整個(gè)諧振器元件1的圓形周長(zhǎng)，則最大橫向尺寸對(duì)應(yīng)于第一金屬層11或整個(gè)諧振器元件1的直徑。通常，諧振器元件圓柱形地或棱柱形地被構(gòu)造，也就是說(shuō)，第一金屬層11、第二金屬層13以及介電層12的層橫截面在形狀和大小方面近似相等。然而受制于加工，預(yù)期始終有與理想的圓柱形狀或者棱柱形狀的偏差，尤其是諧振器元件1的各個(gè)層朝向第二金屬層13根據(jù)其大小而增加。諧振器元件1通過(guò)由上面入射的電磁波的磁性分量被激勵(lì)成振蕩。通過(guò)在單個(gè)層中的歐姆的或者介電的損耗將耦合輸入的能量轉(zhuǎn)換成熱，這導(dǎo)致溫度的局部升高。入射的輻射的頻率越靠近諧振器元件1的固有振動(dòng)頻率，則入射的輻射的吸收越有效。諧振器元件1的吸收與波長(zhǎng)相關(guān)并且在諧振波長(zhǎng)的情況下具有最大值。
諧振器元件1的橫向尺寸明顯小于諧振波長(zhǎng)λ。在確定的層結(jié)構(gòu)的情況下，這種諧振器元件1的諧振頻率λ僅僅與橫向尺寸有關(guān)。這示意性地可以在針對(duì)圓柱形諧振器元件1的圖6中看到。在上部分中示出了在波長(zhǎng)λ 1的情況下具有最大吸收的直徑為dl 的諧振器元件1的吸收光譜。在直徑減小到d2時(shí)，吸收最大值移位到較短的波長(zhǎng)λ 2。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇形狀、例如矩形、橢圓形、線形，得到了沿著不同的空間方向的不同的諧振頻率。以這種方式可以實(shí)現(xiàn)極化相關(guān)的吸收。這在圖7中示例性地針對(duì)矩形的諧振器元件1示出，該諧振器元件1具有邊長(zhǎng)或橫向尺寸wl和《2。入射的輻射優(yōu)選地在波長(zhǎng) λ 1處被吸收(上部)，其中該入射的輻射的磁性分量S與矩形的長(zhǎng)軸正交地被極化。具有轉(zhuǎn)動(dòng)90°的極化方向的光(下部)在波長(zhǎng)λ 1處未被吸收，因?yàn)橄鄬?duì)應(yīng)的諧振被移位到更短的波長(zhǎng)入2。證明為有利的是兩個(gè)金屬層11、13的圓形或者正方形的層橫截面，用于極化中性地接收電磁輻射，或矩形的或者橢圓形的金屬層11、13用于極化敏感地接收電磁波。在這樣的極化敏感的諧振器元件1的情況下，特別有利的是，第一金屬層11、尤其也是第二金屬層13以及介電層12的尺寸被構(gòu)造為使得朝著第一橫向方向的尺寸對(duì)應(yīng)于朝著垂直于第一橫向方向的第二橫向方向的尺寸的多倍。兩個(gè)尺寸的比例如可以被選擇為 1:4到1:10。因此，諧振器元件的第一金屬層的表面對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)度比為1:4到1:10的矩形或者主軸比為1:4到1:10的橢圓形。借助合適的結(jié)構(gòu)化方法可以通過(guò)將多個(gè)相同構(gòu)造的并且相同取向的單個(gè)諧振器接連排列成陣列形式來(lái)覆蓋襯底上的較大的面。也可以產(chǎn)生如下場(chǎng)這些場(chǎng)優(yōu)選地在不同的波長(zhǎng)和/或極化的情況下來(lái)吸收。圖2示例性地示出了具有極化無(wú)關(guān)的吸收的可能的布局，其中通過(guò)將圓形的諧振器元件接連排列來(lái)制造場(chǎng)。圖3示出了矩形的諧振器元件的另一可能的布局，所述諧振器元件彼此平行地布置，其中所有諧振器元件1朝向相同的預(yù)先給定的橫向方向P來(lái)取向。特別有利的是，將多個(gè)諧振器像素1集成到一個(gè)像素傳感器中。這樣的像素傳感器包括多個(gè)布置成柵格的諧振器像素5，其中各個(gè)諧振器像素5借助其電引線相對(duì)于共同的支承體90間隔開(kāi)地被安置，并且包圍諧振器像素5的空間被抽成真空，例如通過(guò)透射輻射的(strahlungsdurchlaessig)殼體來(lái)進(jìn)行。這樣的在圖5中示意性描述的結(jié)構(gòu)防止了兩個(gè)間隔開(kāi)的諧振器像素5彼此相互作用或者相互影響，尤其是通過(guò)熱傳導(dǎo)相互作用或相互影響。因此可能的是，將不同成形的諧振器元件1涂敷在相鄰的諧振器像素5上，并且因此檢測(cè)不同波長(zhǎng)或者極化方向的電磁波。由于其小的質(zhì)量，所描述的諧振器像素5也適于集成到在熱學(xué)上被去耦的探測(cè)器、譬如微測(cè)輻射熱計(jì)中。圖5示意性地示出了包括兩個(gè)并排布置的諧振器像素5的像素傳感器，這兩個(gè)諧振器像素5通過(guò)其連接線路52經(jīng)由端子51與共同的支承體90連接。在該支承體90中例如集成有用于確定各個(gè)由諧振器像素5測(cè)量的強(qiáng)度的分析電路。根據(jù)諧振器元件相對(duì)于諧振器像素的大小和尺寸可以設(shè)置，第二金屬層(必要時(shí)也為介電層12)的橫向尺寸超過(guò)第一金屬層11的橫向尺寸至少兩倍。在這種情況下尤其是將最大橫向尺寸理解為尺寸。諧振器元件因此被隔離地布置在支承體上，并且根據(jù)其橫向尺寸與預(yù)先給定的波長(zhǎng)相協(xié)調(diào)。矩形的諧振器元件可以與兩個(gè)波長(zhǎng)相協(xié)調(diào)，也就是說(shuō)與通過(guò)較長(zhǎng)的橫向尺寸預(yù)先給定的波長(zhǎng)和與其他通過(guò)較短的橫向尺寸預(yù)先給定的波長(zhǎng)相協(xié)調(diào)。
各個(gè)諧振器元件彼此沒(méi)有接觸并且以預(yù)先給定的相互間距從其支承體突出。
權(quán)利要求
1.一種用于將至少一個(gè)預(yù)先給定的波長(zhǎng)(λ )的電磁波、尤其是波長(zhǎng)為2 μ m到200 μ m 的紅外輻射吸收和/或轉(zhuǎn)換成熱的諧振器元件，其特征在于，-三層結(jié)構(gòu)，所述三層結(jié)構(gòu)包括第一金屬層(11)和第二金屬層(13)以及在兩個(gè)金屬層(11，13)之間的介電層(12)，-其中層(11，12，13)的最大橫向尺寸在預(yù)先給定的波長(zhǎng)(λ )的四分之一到一半之間的范圍中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器元件，其特征在于，所有層(11，12，13)的朝著第一橫向方向的尺寸對(duì)應(yīng)于所有層(11，12，13)的朝著垂直于第一橫向方向的第二橫向方向的尺寸的多倍、尤其是四倍到十倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器元件，其特征在于，至少第一金屬層(11)具有圓形或者正方形的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的諧振器元件，其特征在于，至少第一金屬層(11)具有橢圓形或者矩形的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的諧振器元件，其特征在于，第一和第二金屬層(11， 13)的層厚度在IOnm到1 μ m的范圍中和/或介電層(12)的層厚度在25nm到IOym的范圍中。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的諧振器元件，其特征在于，第一金屬層(11)、第二金屬層(13)以及介電層(12)的層橫截面在形狀和大小方面近似相等。
7.一種諧振器像素，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的多個(gè)諧振器元件(1)，其中-尤其是相互間隔地布置的諧振器元件(1)被涂敷在共同的支承層(2)的相同側(cè)上，以及-在支承層(2 )中或者在支承層(2 )上，尤其是在諧振器元件(1)下方嵌入或者構(gòu)造溫度傳感器(3 )，或者支承層(2 )被構(gòu)造為溫度傳感器(3 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的諧振器像素，其特征在于，支承層(2)利用半導(dǎo)體、尤其是溫度敏感的半導(dǎo)體來(lái)形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的諧振器像素，其包括根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的諧振器元件，其特征在于，諧振器元件(1)朝向相同的預(yù)先給定的橫向方向(P )來(lái)取向。
10.像素傳感器，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的多個(gè)布置成柵格的諧振器像素(5)，其中各個(gè)諧振器像素(5)借助電引線(52)相對(duì)于共同的支承體(90)間隔開(kāi)地被安置和/或被支承，并且包圍諧振器像素(5)的空間被抽成真空。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將至少一個(gè)預(yù)先給定的波長(zhǎng)(λ)的電磁波、尤其是波長(zhǎng)為2μm到200μm的紅外輻射吸收和/或轉(zhuǎn)換成熱的諧振器元件，其特征在于，三層結(jié)構(gòu)，所述三層結(jié)構(gòu)包括第一金屬層(11)和第二金屬層(13)以及在這兩個(gè)金屬層(11，13)之間的介電層(12)，其中這些層(11，12，13)的最大橫向尺寸在預(yù)先給定的波長(zhǎng)(λ)的四分之一到一半之間的范圍中。
文檔編號(hào)G01J5/08GK102405400SQ201080008518
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者布呂克爾 H., 邁爾 T. 申請(qǐng)人:奧地利科技研究所有限責(zé)任公司