专利名称：用于微测辐射热计传感器的谐振器元件和谐振器像素的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的谐振器元件。这样的谐振器元件尤其是用于电磁辐射的波长相关的和极化相关的吸收和强度测量。本发明为此使用层状构造的谐振器元件，这些谐振器元件有利地在横向方向上彼此分离。与层状结构相关地，沿着层或者平行于层走向的方向或者取向被称作横向。这样的层通常具有显著小于其余尺寸的层厚度。层的最大横向尺寸是在该层所包括的两个空间点之间的最大距离。在矩形层的情况下，例如对角线是最大横向尺寸，在圆形层的情况下，直径为最大横向尺寸。本发明的任务在于，以尽可能简单的方式构造谐振器元件，其中各个谐振器元件的横向几何尺寸确定入射的电磁辐射优选地被吸收的那些波长。重要的是多个随后在热学上彼此去耦的这种谐振器元件的横向定界或隔离的布局。对本发明的其他要求是紧凑的结构方式和使谐振器与不同的波长和极化协调的可能性。入射的辐射应波长选择性地 (selektiv)和极化选择性地被散开。此外，目的是基于微测辐射热计制造成像系统的多光谱的和极化选择性的像素传感器或像素传感器阵列。在现有技术中公知了如下红外探测器所述红外探测器或者基于在探测器材料中的光子和电子之间的相互作用、即利用了内部光效应，或者基于探测器的由于入射辐射的吸收而引起的加热，后者也称作热探测器。测辐射热仪是热探测器，其中探测器的加热通过温度敏感的电阻被转换成信号。通过吸收辐射引起的温度升高与从测辐射热仪到其环境中的热传导成反比。为了实现具有高灵敏度的微测辐射热仪，需要特定的结构，利用该特定的结构在很大程度上避免测辐射热仪的从通过入射的辐射被加热的部分到环境的热量传递。在专业文献中公开了频率选择性的表面，在这些频率选择性的表面中采用谐振器元件来与频率相关地吸收电磁辐射(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页和国际专利申请WO 2007/149121 A2)。在那里所描述的谐振器由不同几何形状的第一金属层构成，这些几何形状在又被涂敷在连续的金属底板上的绝缘层上。由于金属的高导热性，连续的金属层为热短路。将这种频率选择性的表面用于微测辐射热仪中导致热传导的明显增大，并且随之而来地导致测辐射热仪的灵敏度明显降低。这种底板可以通过在本发明公开内容中描述的谐振器元件来避免。本发明在具有权利要求1的特征部分的特征的开头所述类型的谐振器元件方面解决该任务。新型的谐振器元件的特征在于两个横向结构化的金属层，这两个金属层通过同样横向结构化的电介质彼此分离。此处所描述的谐振器元件的谐振与底板无关，该谐振器元件明确地由两个分立的对置的金属部件构成，该底板在此并不是必需的。谐振器元件在热学上彼此被去耦。由此，热传导在横向方向上被阻止。多个谐振器元件的横向接连排列因此也符合对微测辐射热仪的热设计的高要求。
根据本发明，存在显著优点通过谐振器元件的新型结构、尤其是通过去掉连续的底板来阻止在横向方向上的热传导。到在其下的热传感器的热传输的效率由此提高。因而，根据本发明的谐振器元件尤其是适用于基于微测辐射热仪制造用于任意成像系统的多光谱传感器阵列。在预给定吸收波长的情况下，可以确定谐振器元件的如下几何结构所述几何结构对于特定的预先给定的波长具有最优的吸收特征。谐振器元件具有非常尖的吸收光谱，具有非常小的质量并且可以利用半导体工艺的标准方法来制造。 根据本发明，存在如下显著优点，在预给定波长的情况下，可以确定谐振器元件的如下几何结构所述几何结构对于特定的预先给定的波长具有最优的吸收特征。谐振器元件具有非常尖的吸收光谱，具有非常小的质量并且可以利用半导体工艺的标准方法来制造。因而，根据本发明的谐振器元件尤其是适用于基于微测辐射热仪制造用于任意成像系统的多光谱传感器阵列。当第一金属层(尤其是所有层)的朝着第一横向方向的尺寸对应于第一金属层(尤其是所有层)的朝着与第一横向方向垂直的第二横向方向的尺寸的多倍、尤其是四倍至十倍时，实现了极化选择性的热谐振器元件。当至少第一金属层具有圆形或者正方形的形状时或者当至少第一金属层具有椭圆形或者矩形的形状时，借助半导体工艺的特别简单的结构以及简单的加工提供了谐振器元件。当第一和第二金属层的层厚度在IOnm直至1 μ m的范围中时和/或当介电层的层厚度在25nm至10 μ m的范围中时，实现了特别好的谐振特性。当第一金属层、第二金属层以及介电层的层横截面在形状和大小方面近似相等时，实现了谐振器像素(Resonatorpixel) 或谐振器元件的特别简单的加工和制造。用于升高吸收效果的要特别简单地实现的、多个谐振器元件的集成形式提供了如下谐振器像素在所述谐振器像素中，尤其是相互间隔地来布置的谐振器元件被涂敷在共同的支承层(Traegerschicht)的相同侧上，并且在该支承层中或者在该支承层上，尤其是相互间隔地来布置的谐振器元件被涂敷在共同的支承层的相同侧上，并且在该支承层中或者在该支承上，尤其是在谐振器元件下方嵌入或者构造温度传感器，或者支承层被构造为温度传感器，嵌入或者构造温度传感器，或者支承层被构造为温度传感器。当支承层利用(尤其是温度敏感的)半导体形成时，可特别简单地制造谐振器像
ο用于极化敏感地检测电磁辐射的谐振器像素通过将谐振器元件朝向相同的预先给定的横向方向来取向而被制成。为了对电磁辐射进行成像检测，像素传感器的特征在于，各个布置成栅格的谐振器像素借助其电引线相对于共同的支承体间隔开地被安置和/或被支承，并且围绕谐振器像素的空间被抽成真空。
图1示出了根据本发明的谐振器元件。图2示出了根据本发明的具有端子的谐振器像素。图3示出了根据本发明的带有如下谐振器元件的谐振器像素所述谐振器元件朝向相同的预先给定的横向方向P被取向。
图4示出了布置在共同的谐振器像素上的三个谐振器元件以及通过照射形成的在谐振器元件的支承体附近的或下部的区域中的温度分布。图5示意性地示出了包括多个谐振器元件的像素传感器的结构。
图6示意性地示出了圆形的谐振器元件的吸收特性。图7示意性地示出了极性敏感的谐振器元件的吸收特性。
具体实施例方式图1示意性地示出了根据本发明的谐振器元件的结构，该谐振器元件包括第一导电金属层11、介电层12以及第二金属层13。这样的谐振器元件1的高度(由此也是各个层 11、12、13的厚度)在数十纳米直至大约10 μ m之间的范围中。两个金属层11、13的相应的层厚度在此在IOnm直至Iym的范围中。介电层的层厚度在25nm直至10 μ m的范围中。通常，介电层12的厚度比两个金属层11、13的相应层厚度显著更大地被选择，例如被选择为两个金属层11、13的相应层厚度的2至10倍。如图1中所示，谐振器元件1通过第二金属层13与支承层2连接。在加工技术上， 这有利地通过如下方式来实现第二金属层13被涂敷到或者被气相沉积到(尤其是构造为半导体的)支承层2上。根据图1，在支承层2中构造或嵌入温度传感器3，该温度传感器3 接收通过吸收射入的电磁波而形成的热。通过温度传感器的温度变化，改变温度传感器的电特性参数、尤其是温度传感器的电阻。该电阻因此可以通过电连接线路52来截取并且被输送给外部处理装置。可替换地，存在如下可能性温度传感器3被构造在支承层2上，或者整个支承层 2由温度灵敏的材料构成并且因此被构造为温度传感器。这例如可以通过如下方式实现 整个支承层2通过温度敏感的半导体形成。借助相对简单的生产过程可以将多个谐振器元件1集成在支承层2上。图4示意性地示出了在谐振器像素5的支承层2的区域中的温度分布，该谐振器像素5包括多个谐振器元件1。通过将电磁波射入到各个谐振器元件1上，在各个谐振器元件1之下的区域中构造具有升高的温度的区域。紧靠谐振器元件1下方或在谐振器元件1 的中心中，温度升高最大。在图4中示意性地借助ISO温度线示出了在支承层2的区域中的温度分布。所示出的最大温度T1紧靠谐振器元件1下方达到。在支承层2的下部区域中，温度较小并且例如达到值T3。谐振器元件1的横向尺寸、尤其是第一金属层11的横向尺寸基本上确定了谐振器元件1的吸收特征。例如，如果选择第一金属层或整个谐振器元件1的圆形周长，则最大横向尺寸对应于第一金属层11或整个谐振器元件1的直径。通常，谐振器元件圆柱形地或棱柱形地被构造，也就是说，第一金属层11、第二金属层13以及介电层12的层横截面在形状和大小方面近似相等。然而受制于加工，预期始终有与理想的圆柱形状或者棱柱形状的偏差，尤其是谐振器元件1的各个层朝向第二金属层13根据其大小而增加。谐振器元件1通过由上面入射的电磁波的磁性分量被激励成振荡。通过在单个层中的欧姆的或者介电的损耗将耦合输入的能量转换成热，这导致温度的局部升高。入射的辐射的频率越靠近谐振器元件1的固有振动频率，则入射的辐射的吸收越有效。谐振器元件1的吸收与波长相关并且在谐振波长的情况下具有最大值。
谐振器元件1的横向尺寸明显小于谐振波长λ。在确定的层结构的情况下，这种谐振器元件1的谐振频率λ仅仅与横向尺寸有关。这示意性地可以在针对圆柱形谐振器元件1的图6中看到。在上部分中示出了在波长λ 1的情况下具有最大吸收的直径为dl 的谐振器元件1的吸收光谱。在直径减小到d2时，吸收最大值移位到较短的波长λ 2。通过适当地选择形状、例如矩形、椭圆形、线形，得到了沿着不同的空间方向的不同的谐振频率。以这种方式可以实现极化相关的吸收。这在图7中示例性地针对矩形的谐振器元件1示出，该谐振器元件1具有边长或横向尺寸wl和《2。入射的辐射优选地在波长 λ 1处被吸收(上部)，其中该入射的辐射的磁性分量S与矩形的长轴正交地被极化。具有转动90°的极化方向的光(下部)在波长λ 1处未被吸收，因为相对应的谐振被移位到更短的波长入2。证明为有利的是两个金属层11、13的圆形或者正方形的层横截面，用于极化中性地接收电磁辐射，或矩形的或者椭圆形的金属层11、13用于极化敏感地接收电磁波。在这样的极化敏感的谐振器元件1的情况下，特别有利的是，第一金属层11、尤其也是第二金属层13以及介电层12的尺寸被构造为使得朝着第一横向方向的尺寸对应于朝着垂直于第一横向方向的第二横向方向的尺寸的多倍。两个尺寸的比例如可以被选择为 1:4到1:10。因此，谐振器元件的第一金属层的表面对应于长度比为1:4到1:10的矩形或者主轴比为1:4到1:10的椭圆形。借助合适的结构化方法可以通过将多个相同构造的并且相同取向的单个谐振器接连排列成阵列形式来覆盖衬底上的较大的面。也可以产生如下场这些场优选地在不同的波长和/或极化的情况下来吸收。图2示例性地示出了具有极化无关的吸收的可能的布局，其中通过将圆形的谐振器元件接连排列来制造场。图3示出了矩形的谐振器元件的另一可能的布局，所述谐振器元件彼此平行地布置，其中所有谐振器元件1朝向相同的预先给定的横向方向P来取向。特别有利的是，将多个谐振器像素1集成到一个像素传感器中。这样的像素传感器包括多个布置成栅格的谐振器像素5，其中各个谐振器像素5借助其电引线相对于共同的支承体90间隔开地被安置，并且包围谐振器像素5的空间被抽成真空，例如通过透射辐射的(strahlungsdurchlaessig)壳体来进行。这样的在图5中示意性描述的结构防止了两个间隔开的谐振器像素5彼此相互作用或者相互影响，尤其是通过热传导相互作用或相互影响。因此可能的是，将不同成形的谐振器元件1涂敷在相邻的谐振器像素5上，并且因此检测不同波长或者极化方向的电磁波。由于其小的质量，所描述的谐振器像素5也适于集成到在热学上被去耦的探测器、譬如微测辐射热计中。图5示意性地示出了包括两个并排布置的谐振器像素5的像素传感器，这两个谐振器像素5通过其连接线路52经由端子51与共同的支承体90连接。在该支承体90中例如集成有用于确定各个由谐振器像素5测量的强度的分析电路。根据谐振器元件相对于谐振器像素的大小和尺寸可以设置，第二金属层(必要时也为介电层12)的横向尺寸超过第一金属层11的横向尺寸至少两倍。在这种情况下尤其是将最大横向尺寸理解为尺寸。谐振器元件因此被隔离地布置在支承体上，并且根据其横向尺寸与预先给定的波长相协调。矩形的谐振器元件可以与两个波长相协调，也就是说与通过较长的横向尺寸预先给定的波长和与其他通过较短的横向尺寸预先给定的波长相协调。
各个谐振器元件彼此没有接触并且以预先给定的相互间距从其支承体突出。
权利要求
1.一种用于将至少一个预先给定的波长(λ )的电磁波、尤其是波长为2 μ m到200 μ m 的红外辐射吸收和/或转换成热的谐振器元件，其特征在于，-三层结构，所述三层结构包括第一金属层(11)和第二金属层(13)以及在两个金属层(11，13)之间的介电层(12)，-其中层(11，12，13)的最大横向尺寸在预先给定的波长(λ )的四分之一到一半之间的范围中。
2.根据权利要求1所述的谐振器元件，其特征在于，所有层(11，12，13)的朝着第一横向方向的尺寸对应于所有层(11，12，13)的朝着垂直于第一横向方向的第二横向方向的尺寸的多倍、尤其是四倍到十倍。
3.根据权利要求1所述的谐振器元件，其特征在于，至少第一金属层(11)具有圆形或者正方形的形状。
4.根据权利要求2所述的谐振器元件，其特征在于，至少第一金属层(11)具有椭圆形或者矩形的形状。
5.根据权利要求1至4之一所述的谐振器元件，其特征在于，第一和第二金属层(11， 13)的层厚度在IOnm到1 μ m的范围中和/或介电层(12)的层厚度在25nm到IOym的范围中。
6.根据上述权利要求之一所述的谐振器元件，其特征在于，第一金属层(11)、第二金属层(13)以及介电层(12)的层横截面在形状和大小方面近似相等。
7.一种谐振器像素，其特征在于根据权利要求1至6之一所述的多个谐振器元件(1)，其中-尤其是相互间隔地布置的谐振器元件(1)被涂敷在共同的支承层(2)的相同侧上，以及-在支承层(2 )中或者在支承层(2 )上，尤其是在谐振器元件(1)下方嵌入或者构造温度传感器(3 )，或者支承层(2 )被构造为温度传感器(3 )。
8.根据权利要求7所述的谐振器像素，其特征在于，支承层(2)利用半导体、尤其是温度敏感的半导体来形成。
9.根据权利要求7或8所述的谐振器像素，其包括根据权利要求2或4所述的谐振器元件，其特征在于，谐振器元件(1)朝向相同的预先给定的横向方向(P )来取向。
10.像素传感器，其特征在于根据权利要求7至9之一所述的多个布置成栅格的谐振器像素(5)，其中各个谐振器像素(5)借助电引线(52)相对于共同的支承体(90)间隔开地被安置和/或被支承，并且包围谐振器像素(5)的空间被抽成真空。
全文摘要
本发明涉及一种用于将至少一个预先给定的波长(λ)的电磁波、尤其是波长为2μm到200μm的红外辐射吸收和/或转换成热的谐振器元件，其特征在于，三层结构，所述三层结构包括第一金属层(11)和第二金属层(13)以及在这两个金属层(11，13)之间的介电层(12)，其中这些层(11，12，13)的最大横向尺寸在预先给定的波长(λ)的四分之一到一半之间的范围中。
文档编号G01J5/08GK102405400SQ201080008518
公开日2012年4月4日 申请日期2010年2月17日 优先权日2009年2月20日
发明者布吕克尔 H., 迈尔 T. 申请人:奥地利科技研究所有限责任公司