DE60314804T2

DE60314804T2 - Supraleitendes, antennengekoppeltes, einen Hot-Spot aufweisendes Mikrobolometer, dessen Herstellungsverfahren und Gebrauch sowie ein bolometrisches Abbildungssystem

Info

Publication number: DE60314804T2
Application number: DE60314804T
Authority: DE
Inventors: Arttu Luukanen
Original assignee: Oxford Instruments Analytical Oy
Current assignee: Oxford Instruments Analytical Oy
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: EP1369673A3; FI20021058A7; FI114658B; US7078695B2; DE60314804D1; EP1369673B1; FI20021058A0; ATE366916T1; ES2288591T3; US20030222217A1; EP1369673A2

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Technologie von antennengekoppelten Mikrobolometern. Insbesondere betrifft die Erfindung eine vorteilhafte Struktur eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers, wo das Messelement hergestellt wird aus einem supraleitenden Material. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung solch eines Mikrobolometers zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung.
Ein Bolometer ist im Allgemeinen ein Strahlungsdetektor, wo ankommende elektromagnetische Strahlung hervorruft, dass die Temperatur eines Detektorelements sich auf eine Art und Weise ändert, die gemessen werden kann und umgewandelt werden kann in ein elektrisches Ausgangssignal. Mikrobolometer sind ein spezielles Beispiel von Bolometern mit den gemeinsamen Merkmalen, dass sie klein in der Größe sind und auf einem flachen Halbleitersubstrat fabriziert werden, unter Verwendung von im Wesentlichen den gleichen Miniaturisierungslithographietechniken, die zur Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet werden. Ein Antennengekoppelter-Mikrobolometer besteht aus einer lithographisch hergestellten Antenne, die gekoppelt wird mit einem wärmeempfindlichen Element, das in der Impedanz angepasst ist zu der Antenne und Antennenströme abführt, und so als Antennenende agiert. Falls die Antenne zwei Antennenzweige umfasst, ist das wärmeempfindliche Element ein enges Halsstück oder Isthmus, das bzw. der die Antennenzweige miteinander verbindet. Ein Hitzebad wird bereitgestellt zum Halten des gesamten Antennengekoppelten-Mikrobolometers auf einer konstanten Temperatur, so dass idealer Weise alle Veränderungen der Temperatur in dem wärmeempfindlichen Element aufgrund von zeitvariierenden Strömen hervorgerufen werden, die induziert werden in der Antenne durch empfangene elektromagnetische Strahlung. Die Strahlungsfrequenzen, die zu detektieren sind mit den Antennengekoppelten-Mikrobolometern sind typischerweise zwischen mehreren zehn GHz und mehreren zehn THz. Signalfrequenzen, das heißt, die Rate einer Änderung des Signals, das zu detektieren ist, sind typischerweise im Audiobereich.
Ein Hauptmerkmal der Qualität eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers ist sein Rauschequivalenzleistungs-(NEP = Noise Equivalent Power)-Maß, das die Empfindlichkeit des Geräts beschreibt, das heißt, seine Fähigkeit zwischen einem tatsächlich empfangenen Signal und Rauschen zu unterscheiden. In einer idealen Situation wird die NEP dominiert durch sogenanntes Phononen-Rauschen, das aus Energiefluktuationen zwischen dem wärmeempfindlichen Element und dem Hitzebad herrührt. Um solch einer idealen Situation nahe zu kommen (der absolute Wert von), sollte das Ansprechverhalten des Bolometers groß genug sein. Diese Bedingung ist schwer zu erreichen mit den herkömmlichen Metallbolometern, weil die absolute Temperatur des Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR = Temperature Coefficient of Ressistance) zu klein ist für Metalle. Halbleiter weisen typischerweise einen TCR auf, dessen absoluter Wert größer ist, aber dann ist es wieder schwierig, Halbleiter an eine nützliche Antenne anzupassen, die typischerweise eine Impedanz in der Größenordnung von 100 Ohm aufweisen. Eine weit akzeptierte Lösung ist es, einen Supraleiterfilm zu verwenden, der betrieben wird bei einem Übergang von normalem Metall zu Supraleiter, als das wärmeempfindliche Element.
Eine Veröffentlichung von J.P. Rice, E.N. Grossman, D.A. Rudman: "Antenna-coupled high T_c air-bridge microbolometer on silicon", Applied Physics Letters 65(6):773–775, 1994 is bekannt und offenbart einen Antennengekoppelten-Mikrobolometer mit NEP = 9·10^-12 W/√Hz bei einer Badtemperatur von 87,4 K. Jedoch hat sich gezeigt, dass die Herstellung von Luft-Brücken der in dieser Veröffentlichung gezeigten Art schwer ist. Zusätzlich braucht, eine Herstellung eines Mikrobolometers aus einem Supraleiterfilm, der eine hohe kritische Temperatur aufweist (sogenannte Hoch-T_c-Supraleiter), gewöhnlich die Verwendung einer Pufferschicht, wie zum Beispiel YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkonium), zwischen dem Supraleiterfilm und dem Substrat. Dies erhöht die Wärmeempfindlichkeit zwischen den Materialien, was ein Nachteil ist. Zusätzliche aus hoch-T_c-supraleitenden Filmen hergestellte Mikrobolometer sind bekannt dafür, dass sie an exzessiven Mengen von sogenanntem 1/f-Rauschen leiden, was eine Verwendung eines separaten optischen Choppers vor dem Bolometer benötigt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennengekoppelte-Mikrobolometerstruktur bereitzustellen, die es ermöglicht, dass ein geringes NEP-Maß erreicht wird, und die leicht herzustellen ist. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung solch einer Antennengekoppelten-Mikrobolometerstruktur bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zur Verwendung eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen. Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine bolometrische Abbildungsanordnung bereitzustellen.
Die Aufgaben, die die Mikrobolometerstruktur betreffen, werden gelöst durch Erstellen eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers, wo das wärmeempfindliche Element eine dünne Brücke eines herkömmlichen gering-T_c-supraleitenden Materials ist, bevorzugt Niobium, gelegt über ein Halbleitersubstrat und getrennt davon durch eine Vakuumlücke. Die Aufgaben, die das Verfahren zur Herstellung einer Mikrobolometerstruktur betreffen, werden gelöst durch Bedecken eines Halbleitersubstrats mit einer sakrifizilen bzw. zu opfernde Schicht, Mustern einer Oberfläche der sakrifizilen Schicht mit einem herkömmlichen niedrig-T_c-supraleitenden Material, vorzugsweise Niobium, und Entfernen der sakrifizilen Schicht bzw. Opferschicht von unter einer dünnen Brücke des herkömmlichen niedrig-T_c-supraleitenden Materials, was die Brücke über ein Halbleitersubstrat hängen lässt und getrennt wird davon durch eine leere Lücke.
Die Aufgaben, die das Verfahren zur Verwendung eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers betreffen, werden erfüllt bzw. gelöst durch Verwenden eines Mikrobolometers, wo das wärmeempfindliche Element eine dünne Brücke eines herkömmlichen niedrig-T_c-supraleitenden Materials ist, bevorzugt Niobium, das über ein Halbleitersubstrat überspannt wird und getrennt ist davon durch eine Vakuumlücke, und Vorspannen der Brücke, so dass während eines Betriebs ein Teil der Mitte der Brücke seine Supraleitfähigkeit verliert.
Die Aufgaben betreffend der Abbildungsanordnung werden gelöst unter Verwendung von Antennengekoppelten-Mikrobolometern der gewünschten Art in einer Abbildungsanordnung.
Eine Mikrobolometerstruktur gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale, die vorgetragen werden, in dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs, der auf eine Mikrobolometerstruktur gerichtet ist.
Eine mikrobolometrische Abbildungsanordnung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale, die vorgetragen werden in dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs, der auf solch eine Anordnung gerichtet ist.
Ein Verfahren zur Verwendung eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers für ein Detektieren einer elektromagnetischen Strahlung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale, die vorgetragen werden in dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs, der auf ein solches Verfahren gerichtet ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der sogenannte Hotspot-Effekt oder Hotspot-Mode ist ein Phänomen, das als solches bekannt ist. Es bedeutet, dass ein Teil, aber nur ein Teil, eines Supraleiters seine Supraleitfähigkeit verliert, und anfängt, wie ein normaler ohmscher Leiter sich zu verhalten. Um das "Hotspot"-Teil bleibt der Rest des Supraleiters in einem supraleitenden Zustand. Der Hotspot-Effekt wurde verwendet in Heiß-Elektronen-Bolometer-Mischern, wie es aus der Veröffentlichung bekannt ist von D. Wilms Floet, E. Miedema, T.M. Kalpwijk: "Hotspot mixing: A framework for heterodyne mixing in superconducting hot-electron bolometers", Applied Physics Letters, 74(3):433–435, 1999.
Gemäß der Erfindung wird der Hotspot-Effekt in einem Antennengekoppelten-Mikrobolometer derart verwendet, dass ein Hotspot-Teil auftritt in der Mitte der engen Brücke, was das wärmeempfindliche Element zwischen zwei Antennenzweigen darstellt. Eine konstante Vorspannung ist der am vorteilhafteste Weg eines Vorspannens des Antennengekoppelten-Mikrobolometers, um die Bedingungen zu erreichen, die für ein Auftreten des Hotspot-Effekts bevorzugt sind. Spannungsvorspannen hat speziell den vorteilhaften Effekt eines Erzeugens von stabilen Vorspannbedingungen, das heißt, einer negativen Rückkopplungssituation: wobei bei einem Spannungsvorspannen die vorspannbezogene Leistungsdissipation innerhalb des ohmschen Leiterbereichs proportional ist zu dem quadrierten Vorspannungswert, geteilt durch den Widerstand des ohmschen Leiterbereichs. In anderen Worten verringert sich, wenn der Widerstand des ohmschen Leiterbereichs sich erhöht, die vorspannungsbezogene Leistungsdissipation. Falls ein Stromvorspannen verwendet wurde, würde die Rückkopplung positiv sein: wobei bei einem Stromvorspannen die vorspannbezogene Leistungsdissipation innerhalb des ohmschen Leiterbereichs proportional ist zu dem quadrierten Vorspannstromwert mal dem Widerstand des ohmschen Leiterbereichs.
Verwenden des Hotspot-Effekts auf die oben beschriebene Art und Weise benötigt eine sehr effektive Wärmeisolierung zwischen dem wärmeempfindlichen Element und dem Substrat, das den Antennengekoppelten-Mikrobolometer unterstützt. Gemäß der Erfindung wird der benötigte Grad an thermischer Isolierung erreicht durch Verwenden einer sogenannten Luftbrücke als wärmeempfindliches Element. Dies bedeutet, dass ein enges Halsstück oder Isthmus des supraleitenden Materials bzw. Supraleitermaterials, das die Antennenzweige miteinander verbindet, nur unterstützt wird an seinem Ende, und über eine Lücke gespannt wird, wo ein leerer Raum es von dem Substrat trennt.
Eine vorteilhafte Art und Weise eines Herstellens einer Luftbrücke involviert ein Verwenden einer sogenannten sakrifizilen Schicht auf dem tatsächlichen Substrat-Wafer. Die sakrifizile Schicht besteht aus einem Material, das selektiv entfernt werden kann, beispielsweise in einem Ätzprozess. Ein Abdeckmittel bzw. Resist wird verteilt über die sakrifizile Schicht und gemustert, nachdem eine Schicht eines supraleitenden Materials hergestellt wird auf dem gemusterten abdeckmittelbedeckten Werkstück. Ein Abhebeprozess wird verwendet zum Entfernen von überflüssigem Abdeckmittel, was nur die n Halbleitermuster auf der sakrifizilen Schicht lässt. Ein Teil des supraleitenden Musters ist das enge Halsstück, das die Luftbrücke darstellt. Das Werkstück wird dann zu einem Ätzprozess bzw. Etch-Prozess geführt, der die sakrifizile Schicht wegnimmt von unbedeckten Bereichen und auch eine Unterätzung an den Kanten des Halbleitermusters erstellt. Das enge Halsstück ist eng genug, um einer Unterätzung zu erlauben, den ganzen Weg durch das sakrifizile Material unter ihm hindurchzureichen, was ein leeren Raum zwischen dem engen Halsstück des supraleitenden Materials und dem Substrat lässt.
Die neuen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung betrachtet werden, werden insbesondere dargelegt in den anhängenden Ansprüchen. Die Erfindung selbst wird jedoch sowohl für ihre Konstruktion und ihr Verfahren des Betriebs, zusammen mit zusätzlichen Aufgaben und Vorteilen derselben, am Besten Verstanden aus der folgenden Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen, wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
1 stellt schematisch einen Antennengekoppelten-Mikrobolometer mit zwei Antennenzweigen dar,
2 stellt ein Beispiel eines physikalischen Erscheinungsbild der Mikrobolometerkomponenten dar, die in 1 gezeigt sind,
3 stellt das Erscheinungsbild einer leeren Lücke zwischen einem wärmeempfindlichen Element und der Substratfläche dar,
4 stellt schematisch ein Herstellungsverfahren dar,
5 stellt gewisse Konzepte, die benötigt werden in der theoretischen Analyse der Mikrobolometerleistungsfähigkeit dar,
6 stellt eine Messverbindung dar, die verwendet werden kann zum Testen eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers,
7 stellt ein Diagramm eines Stromansprechverhaltens gegenüber dem Luft-Brücken-Widerstand in einem Antennengekoppelten-Mikrobolometer dar, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
8 stellt eine bolometrische Abbildungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, die in dieser Patentanmeldung präsentiert werden, sind nicht so zu interpretieren, dass sie Begrenzungen auf die Anwendbarkeit der anhängenden Ansprüche legen. Das Verb "umfassen" wird in dieser Patentanmeldung als eine offene Begrenzung verwendet, die nicht die Existenz von unerwähnten Merkmalen ausschließt. Die in den abhängigen Ansprüchen vorgetragenen Merkmale sind miteinander frei kombinierbar, falls nicht anderweitig explizit erwähnt.
1 stellt das allgemeine strukturelle Prinzip eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers mit zwei Antennenzweigen dar. Ein wärmeempfindliches Element 101 verbindet die Antennenzweige 102 und 103 miteinander. Das wärmeempfindliche Element 101 muss impedanzangepasst sein zu den Antennenzweigen 102 und 103, um Reflektionsverluste an den Schnittstellen zwischen ihm und den Antennenzweigen zu verhindern. Die Verbindungen 104 und 105, die hier gezeigt sind an den entgegengesetzten Enden der Antennenzweige 102 und 103, vervollständigen die Kette der Elemente, die in ein Hitzebad 106 gesenkt werden, um sie auf einer konstanten (oder mindestens schwach variierenden) Temperatur zu halten. Wenn der Antennengekoppelte-Mikrobolometer elektromagnetischer Strahlung einer passenden Wellenlänge ausgesetzt wird, wird ein zeitvariierender elektrischer Strom induziert, der zwischen den Antennenzweigen 102 und 103 durch das wärmeempfindliche Element 101 fließt. Es sei angenommen, dass das wärmeempfindliche Element 101 einen elektrischen Widerstand aufweist, und ein elektrischer Strom, der hindurchfließt, eine Erhöhung in seiner Temperatur hervorruft. Durch Überwachen der Änderungen der lokalen Temperatur des wärmeempfindlichen Elements 101, ist es möglich, die Intensität der elektromagnetischen Strahlung abzuleiten, die den Antennengekoppelten-Mikrobolometer trifft.
2 stellt ein Beispiel des physikalischen Erscheinungsbilds der Elemente 101, 102, 103, 104 und 105 dar. Das wärmeempfindliche Element 101 ist ein enges Halsstück oder Isthmus, das die inneren Enden der Antennenzweige 102 und 103 zusammen verbindet, die die entgegengesetzten Zweige einer logarithmischen Spiralantenne sind. Die äußeren Enden der Antennenzweige 102 und 103 schreiten fort als Kopplungs-Pads bzw. Kopplungsanschlussflecken 104 bzw. 105 zum Verbinden der Antenne mit einer Vorspann- und Ausleseschaltung. Das Impedanzanpassen zwischen dem engen Halsstück oder Isthmus 101 und den inneren Enden der Antennenzweige 102 und 103 wird erreicht auf eine bekannt Art und Weise, durch richtiges Dimensionieren der Bereiche, wo jeder Einwärtsspiralantennenzweig das entsprechende Ende des engen Halsstücks oder Isthmus 101 trifft. Die gesamte in 2 gezeigte Struktur ist aus einer einzelnen kontinuierlichen Platte aus niedrig-T_c-supraleitendem Material hergestellt, bevorzugt Niobium, auf einer ebenen bzw. flachen Oberfläche eines Substrats, das nicht speziell in 2 gezeigt ist. Es sollte bemerkt werden, dass eine logarithmische Spiralantenne nicht die einzige Wahl für die Grundform oder Art der Antenne ist; und auf andere bekannte Bolometerantennenarten, wie zum Beispiel eine Zweischlitzantenne oder irgendeine andere lithographisch hergestellte Antenne, verwendet werden können. Eine logarithmische Spiralantenne hat den Vorteil, dass sie ein sehr breites Betriebsfrequenzband und eine reelle (nicht komplexe) Eingangsimpedanz hat.
Alles in der Antenne, außer dem Teil des wärmeempfindlichen Elements, wo die Antennenströme abgeführt werden, sollte so verlustlos wie möglich gemacht werden. In dem Fall einer Einzelschicht-Nb-Antenne bedeutet dies, dass Betriebsfrequenzen (die zu detektierenden Strahlungsfrequenzen unter der Lückenfrequenz von Nb bleiben sollte, was in der Größenordnung von 700 GHz ist. Falls höhere Frequenzen zu detektieren sind, wird eine zusätzliche geringwiderstandsfähige Metallschicht benötigt, wie zum Beispiel Gold. Als solche ist der Gegenstand eines effizienten Koppelns von elektromagnetischer Strahlung mit einer lithographisch hergestellten Mikrobolometerantenne vorher bekannt und deshalb außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Es wurde beispielsweise in den Veröffentlichungen behandelt vn M.E. MacDonald, E.N. Grossman: "Niobium micrombolometers for far-infrared detection", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 43(4):893–896, April 1995; und E.N. Grossman, J.E. Sauvageau, D.G. McDonald: "Lithographic spiral antennas at short wavelengths", Applied Physics Letters, 59(25):3225–3227, Dezember 1991.
Die beispielhaften Größen der in 2 gezeigten Struktur sind derart, dass die Länge und Breite des engen Halsstücks oder Isthmus 101 15 μm bzw. 1 μm sind, und die Gesamtbreite über das doppelte Spiralmuster ohne die Kopplungs-Pads 104 und 105 in der Größenordnung von 300 μm ist.
3 zeigt einen Teilquerschnitt durch eine Antennengekoppelte-Mikrobolometerstruktur, ähnlich dem von 2, der das Erscheinungsbild des zentralen Bereichs zeigt. Ein Substrat 301 agiert als eine Unterstützung für die gesamte Struktur. Das Substrat 301 ist typischerweise ein Halbleiter-Wafer, beispielsweise ein hochwiderstandsfähiger Si-Wafer. Auf einer flachen Oberfläche des Substrats 301 gibt es eine sakrifizile Schicht, von der Teile 302 und 303 gezeigt sind in 3. Dies sind die Teile der sakrifizilen Schicht, die direkt unter den inneren Enden der Antennenzweige sind. Das Material der sakrifizilen Schicht ist etwas, das passend ist zur Herstellung Unterätzungen durch Ätzen. Ein Beispiel des sakrifizilen Schichtmaterials ist Si₃N₄. Auf der Oberseite der sakrifizilen Schicht gibt es eine Schicht 304 eines niedrig-T_c-supraleitenden Materials, bevorzugt Niobium, aus dem Muster, wie die in 2 gezeigten, produziert wurden. Als ein Teil des Musters gibt es das enge Halsteil oder Isthmus 305. Zwischen dem engen Halsteil oder Isthmus und dem Substrat 301 wurde die sakrifizile Schicht komplett weggelöst, was dort zu einer Lücke 306 führt. Das enge Haltsteil oder Isthmus 205 stellt daher eine Luftbrücke dar. Eine typische Höhe der Lücke 306, das heißt, die kürzeste Trennung zwischen der Substratoberfläche und der Luftbrücke, ist in der Größenordnung von 2 μm (Mikrometer).
4 stellt einen vorteilhaften Prozess zur Herstellung einer antennengekoppelten Mikrobolometerstruktur gemäß der Erfindung dar. Der Prozess startet bei Schritt 401, wo ein Substrat bedeckt wird mit einer sakrifizilen bzw. zu opfernden Schicht. Ein typisches Substrat ist ein nitridisierter Hochwiderstandsfähigkeits-Si-Wafer, wobei das Nitrid eine nominelle Dicke von 1 μm hat und als die sakrifizile Schicht agiert. Bei Schritt 402 wird die Oberfläche der sakrifizilen Schicht bedeckt mit einem Abdeckmittel. Die Art des Abdeckmittels sollte gemäß dem lithographischen Verfahren, das zu verwenden ist, gewählt werden. In diesem beispielhaften Prozess verwenden wir Elektronenstrahllithographie, was bedeutet, dass beispielsweise ein Doppelschicht-PMMA-MAA/MAA-Elektronenabdeckmittel verwendet werden kann, wobei PMMA-MAA ein Kopolymer von Methylmethacrylat und Methacryl-Säure ist, und MAA eine Methacryl-Säure ist. Beispielhafte Dicken des Abdeckmittels sind 350 nm (Nanometer) für die untere (PMMA-MAA) Schicht und 300 nm für die obere (MAA) Schicht. Falls ein anderes lithographisches Verfahren, wie optische Lithographie verwendet wurde, sollten die Abdeckmittel und Abdeckmittelschichtdicken demgemäß ausgewählt werden.
Bei Schritt 403 wird das Abdeckmittel in einem Elektronenstrahlprozess gemustert, um die Muster zu erhalten, die notwendig sind für die Antennenzweige, die Luftbrücke und die Heizer. Nach dem Mustern wird bei Schritt 404, eine Schicht eines niedrig-T_c-supraleitenden Materials, bevorzugt Niobium, auf die gemusterte Oberfläche gelegt. Typische Prozessparameter für Nb-Evaporation bei einem UHV-(Ultra-Hochvakuum)-Elektronenkanoneevaporator sind ein Grunddruck von 10^-9 Torr und eine Rate von 3 Å/s. Die Dicke der Nb-Schicht ist typischerweise in der Größenordnung von 100 nm. Bei dem Abhebeschritt 405 werden überschüssiges Abdeckmittel und die ungewollten Nb-Reste weggewaschen in einem Lösungsmittel, was nur das benötigte Nb-Muster auf der Oberfläche der sakrifizilen Schlicht lässt.
Der Zweck des Ätzschritts 406 ist es, die sakrifizile Schicht von unbedeckten Bereichen, sowie von unter dem Halsstück oder Isthmus wegzuätzen, der die Antennenzweige miteinander verbindet. In dem beispielhaften Prozess wird ein Trockenätzen mit einer Mischung von CF₄ und O₂ Gasen vorgeschlagen bei einem relativ hohen Druck von 50 mTorr, um ein isotropes Ätzen der sakrifizilen Schicht zu erreichen. Durch Hinauszögern des Ätzprozesses, ist es möglich, selbst ein wenig von dem Substratmaterial, falls benötigt wegzuätzen, sobald die sakrifizile Schicht vollständig auf den exponierten Bereichen weggelöst wurde.
Wir werden nun ein theoretisches Modell für den Betrieb einer Luftbrücke der oben beschriebenen Art beschreiben, wobei ein zentrales Teil von dieser in einem normalen ohmschen leitfähigen Zustand ist, während die Enden der Luftbrücke in einem supraleitenden Zustand sind. 5 zeigt eine schematische Darstellung solch einer Situation. Die gesamte Länge der Luftbrücke ist l, und symmetrisch um den Mittelpunkt derselben ist ein normaler Zustandsbereich, wobei die Länge von diesem l_n ist. Eine gute Annahme ist, dass ein Hitzefluss nur in die x-Richtung (die longitudinale Richtung der Luftbrücke) betrachtet werden muss. Die Gleichungen, die den Hitzefluss durch die Luftbrücke beschreiben, sind
wobei

κ_N die Wärmeleitfähigkeit für Materialien im Normalzustand ist,
T die Temperatur ist,
x die Dimension in der x-Richtung ist,
V die Vorspannung über die Luftbrücke ist,
ρ die Widerstandsfähigkeit des Materials in dem normalen Zustand ist,
l_n die Länge des normalen Zustandsbereichs ist,
P_opt die optische Leistung ist, die an die Antenne gekoppelt ist,
w die Breite der Luftbrücke ist,
t die Zeit ist und
κ_S die Wärmeleitfähigkeit für Material in dem supraleitenden Zustand ist.

Der Normalzustandsbereich der Luftbrücke ist der einzige Ort, wo eine Dissipation stattfindet, was beides beinhaltet, sowohl Dissipation von optischer Leistung und ohmsche Dissipation aufgrund der Vorspannung. So dass diese Annahme zutrifft, müssen wir annehmen, dass die Frequenz der ankommenden Strahlung unter der Lückenfrequenz des supraleitenden Materials ist. Randbedingungen entstehen aus den Tatsachen, dass bei den Enden der Luftbrücke die Temperatur gleich einer Konstante (die Temperatur T₀ des Hitzebades) sein muss, und bei den Schnittstellen zwischen dem Normalzustandsbereich und den supraleitenden Bereichen, die ihn umgeben, muss die erste Ableitung von T im Hinblick auf x kontinuierlich sein. Zusätzlich ist es vernünftig, anzunehmen, dass der lokale Extremwert von T in der Mitte des Normalzustandbereichs auftreten muss.
Unter den Testbedingungen ist die Antenne im Dunkeln, das heißt, keine optische Leistung ist involviert. Jedoch ist selbst in einer optischen Messung die optische Leistung in einer Größenordnung von mehreren zehn Picowatts, während die vorspannungsbezogene Leistung mehrere zehn Nanowatt beträgt, das heißt, die optische Leistung ist vernachlässigbar klein. Mathematisch ist P_opt/wtl_n << V²/ρl_n ², so dass wir eine Lösung für einen stationären Strom I als eine Funktion der Vorspannung V schreiben können als
wobei T_c die kritische Temperatur des Supraleitermaterials ist, T₀ die Temperatur des Hitzebads ist und die anderen Symbole sind die gleichen wie in den Formeln (1) und (2). Hier beschreibt der zweite Ausdruck auf der rechten Seite das ohmsche Verhalten des Widerstands-(Normalzustand)-Teils der Luftbrücke, und der erste Ausdruck gibt den Effekt der Elektrowärmerückkopplung. Wenn die Spannung V klein ist, ist die Vorspanndissipation konstant und gleich zu 4κ_S(T_c – T₀)wt/l.
6 zeigt eine Testmessanordnung zum Messen des Stroms und der Spannungskennlinien einer Luftbrücke, die das wärmeempfindliche Element in einem Antennengekoppelten-Mikrobolometer gemäß der Erfindung darstellt. Der Mikrobolometer 601 befindet sich in einem Vakuumcontainer 602 zusammen mit einem SQUID-(supraleitenden Quantenindifferenzgerät)-Stromvorverstärker 603, der zusätzlich eingeschlossen ist in eine Abschirmung 604, die aus einem supraleitenden Material hergestellt ist, wie zum Beispiel Niobium. Der Vakuumcontainer 602 wird in flüssiges Helium eingetaucht, um ein Hitzebade 605 bereitzustellen, die Temperatur von diesem kann mit einem Thermometer 606 überwacht werden. Eine kontrollierbare Vorspannungsquelle 607, in Reihe geschaltet mit einem strombegrenzenden Widerstand 608, wird verwendet zum Bereitstellen einer Vorspannung an den Mikrobolometer 601, so dass ein Shunt-Widerstand 609 parallel verbunden wird mit dem Mikrobolometer 601. Eine Vorspannsteuereinheit 610 kann die Ausgangsspannung der Vorspannquelle 607 derart abstimmen, dass gewünschte Vorspannwerte über den Mikrobolometer 601 erhalten werden. Durchstimmen oder Abstimmen ist idealer Weise stufenlos, obwohl eine digital gesteuerte Vorspannung auch verwendet werden kann, falls die Abstimmschritte klein genug sind, in der Größenordnung von Mikrovolts. Ein beispielhafter Widerstandswert für sowohl den in Reihe geschalteten Widerstand 608 und den Shunt-Widerstand 609 ist 1,2 kΩ, und eine beispielhafte Maximalausgangsspannung der Vorspannquelle 607 ist 18 V.
Während einer beispielhaften Testmessung wird die Vorspannung zuerst hoch genug gesetzt, so dass die gesamte Luftbrücke in dem Mikrobolometer in dem normalen Zustand ist. Die Vorspannung wird allmählich verringert, bis ein negativer Differenzialwiderstand gesehen wird, der kennzeichnet, dass eine Verringerung in der Vorspannung die Länge des Normalzustandbereichs bei der Mitte der Luftbrücke verkürzt hat. Die Vorspannung kann ferner verringert werden, bis der Widerstand der Luftbrücke vergleichbar wird mit dem Widerstand des Shunt-Resistors 609 bzw. Nebenschlusswiderstands 609. Zu diesem Zeitpunkt wird die Vorspannbedingung unstabil und geht auf eine Stromvorspannung zu, und die gesamte Luftbrücke fällt in einen supraleitenden Zustand. Ein anderer Messlauf kann ausgeführt werden nach einem Erhöhen des Stroms durch die Luftbrücke wieder hoch genug über den kritischen Strom, so dass die gesamte Länge der Luftbrücke wieder in den normalen Zustand geht.
Messungen, wie die, die oben beschrieben wurden, resultieren in einer Anzahl von Strom-gegen-Spannung-Ergebnissen. Wir können annehmen, dass alle anderen Parameter in Gleichung (3) konstant sind, und schätzen die κ_S und ρ-Werte durch mathematisches Fitten der Ergebnisse mit der durch Gleichung (3) definierten Kurve. Eine Berechnung wurde als Teil der Entwicklung der vorliegenden Erfindung ausgeführt, was κ_S = 1,44 W/Km ergibt, was mehr als eine Größenordnung kleiner ist als für Niobium im Normalzustand.
Aus der Veröffentlichung R.C. Jones: "The general theory of bolometer performance", J. Opt. Soc. Am., 43(1):1–14, 1953 ist es bekannt, dass für jeden widerstandsfähigen Bolometer, das elektrische Ansprechverhalten berechnet werden kann aus der I-V Kurve unter Verwendung des Differentials bzw. der Ableitung Z=dV/dI und eine Vorspannungspunktwiderstandsfähigkeit R=V/I. Der die negative Elektrowärmerückkopplung (ETF) beschreibende Parameter in dem Bolometer ist die Schleifenverstärkung, die gegeben ist durch L = β(Z – R)/(Z + R). Er kann berechnet werden aus der Gleichung (3), was führt zu L = 4βκ_Sρ(T_c – T₀)/V². Hier beschreibt β = (R – R_S)/(R + R_S) den Einfluss der Spannungsquellenimpedanz auf die ETF. Die Schleifenverstärkung hängt tatsächlich von der Frequenz ab, aber diese Abhängigkeit kann vernachlässigt werden, falls angenommen wird, dass das Geräteansprechsverhalten viel schneller ist als ein typisches Signal. In dem Kontext der vorliegenden Erfindung haben wir angenommen, dass die Wärmezeitkonstante des Antennengekoppelten-Mikrobolometers in der Größenordnung von Mikrosekunden ist, was schnell genug ist, falls des zu detektierende Signal innerhalb des Bereichs der Audiofrequenzen ist. Eine allgemeine Behandlung eines spannungsvorgespannten Bolometers führt zu einem Ergebnis für das Stromansprechverhalten S_l
was gegen einen Wert von -1/V geht, wenn L groß ist.
7 zeigt eine genäherte graphische Darstellung des Stromansprechverhaltens eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als eine Funktion des Widerstands der Luftbrücke. Die Kurve 701 wurde berechnet aus dem Fit zwischen der Messung I-V-Kennlinien und Gleichung (3). Der interessanteste Bereich ist der, wo der Vorspannwiderstand der Luftbrücke direkt angepasst wird an eine lithographische Antenne. Beispielsweise wird bei einem Vorspannwiderstandswert 75 Ω die Luftbrücke perfekt der Impedanz einer logarithmischen Spiralantenne auf Si angepasst, und ein Stromansprechverhalten ist ungefähr -450 A/W. Von einer Doppelschlitz-Antenne ist bekannt, dass sie sogar eine niedrigere Impedanz aufweist, so würde unter Verwendung solch einer Antenne anstatt der logarithmischen Spiralantenne es erlaubt sein, einen sogar noch größeren absoluten Wert des Stromansprechverhaltens zu erhalten.
Das in 6 gezeigte Messkoppeln kann verwendet werden zum Erforschen der Rauscheigenschaften der Kombination eines Antennengekoppelten-Mikrobolometers und eines SQUID-Stromvorverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Ausgabe des SQUID-Stromvorverstärkers 603 wird dann mit einem Spektrumsanalysator gekoppelt und der Mikrobolometer 601 wird hintereinander folgend bei verschiedenen Punkten auf der I-V-Kurve vorgespannt. In solch einer Anordnung empfängt der Spektrumsanalysator eine Kombination von unkorrelierten Beiträgen von Zufallsfluktuationen von Hitze, die ausgetauscht wird zwischen dem Normalzustandsbereich der Luftbrücke und der Hitzesenke, Johnson-Rauschen des Widerstandsteils und Rauschen von dem SQUID. Der erste von diesen ist der Phonon-Rauschstrom, der gemäß einer Veröffentlichung von J.C. Mather: "Bolometer noise: non-equilibrium theory", Applied Optics, 21(6):1125–1129, März 1982, gegeben ist durch
wobei γ=0,46 den Effekt des Temperaturgradienten in der Brücke zu dem Phononen-Rauschen beschreibt, und G die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Luftbrücke und dem Hitzebad ist, ausgedrückt in Watts pro Kelvin. Unter Betrachtung von ETF ist der Johnson-Rauschstrom gegeben durch
Der SQUID hat ein Stromrauschen i_n, das bekannt ist aus den Spezifikationen des SQUID und fast durchweg konstant über den interessierenden Bereich der I-V-Kurve ist, die Luftbrückenwiderstandswerte unter 100Ω darstellt. Das quadrierte Gesamt-NEP der gesamten Kombination ist gegeben durch
Gleichungen (5), (6) und (7), sowie gemessenes oder geschätztes Stromrauschen des SQUID kann verwendet werden zum Zusammensetzen einer theoretischen Vorhersage der Rauscheigenschaften. Eine praktische Messung wurde ausgeführt als Teil der Entwicklungsarbeit der vorliegenden Erfindung, wobei die Rauschspektraldichte bei 10 kHz überwacht wurde, was gut unter dem Knie der geschätzten Wärmegrenzfrequenz von 1 MHz ist. Einige beispielhafte Gesamt-NEP-Werte von der praktischen Messung sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Die Gesamt-NEP-Werte, die erhalten werden aus praktischen Messungen, stimmen sonst mit der theoretischen Vorhersage überein, aber bei sehr kleinen Vorspannungswerten unter 0,9 mV, wo der Widerstand der Luftbrücke geringer ist als ungefähr 25Ω, sind die gemessenen Werte einige zehn Prozent größer als vorhergesagt. Alles in Allem bleiben die gemessenen NEP-Werte auf einem Niveau eines fünfzigsten Teils zu denen, die typisch sind für die Antennengekoppelten-Mikrobolometer des Stands der Technik, die den Erfindern bekannt sind. Ein besseres Rauschanpassen mit der SQUID-Auslesung könnte die NEP selbst weiter verringern. Die Geometrie der Luftbrücke und ihre Verbindung mit der Antenne könnte auch optimiert werden, um die geometrische Induktivität des Geräts zu verringern, und die Wärmeisolierung noch weiter zu verbessern.
8 stellt eine Abbildungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Das wichtigste Elemente für den Zweck eines Detektierens einer elektromagnetischen Strahlung und Umwandlung derselben in ein Bild, ist ein Abbildungs-Array 800, der eine Vielzahl von Antennengekoppelten-Mikrobolometern und ihre im Zusammenhang stehenden SQUID-Stromvorverstärker umfasst. Jedes Mikrobolometer-Vorverstärkerpaar stellt ein Pixel in dem Abbildungs-Array 800 dar. Um eine Vakuumisolierung der Luftbrücken der Antennengekoppelten-Mikrobolometer zu erreichen, umfasst das Abbildungs-Array 800 einen Vakuumcontainer 801 zur Unterstützung einer Vakuumumgebung, um die Antennengekoppelten-Mikrobolometer. Zusätzlich wird, um eine Supraleitfähigkeit zu erreichen, der Abbildungs-Array 800 eingeschlossen in einem Kryostat 802, der angeordnet ist, um den Abbildungs-Array 800 auf einer passenden geringen konstanten Temperatur, wie 4,2K, zu halten. Die Temperatur ist am vorteilhaftesten kontinuierlich überwacht mit einem Thermometer 803. Die Abbildungsanordnung umfasst auch ein quasi optisches System 804 zum Leiten von elektronischer Strahlung von einem zu prüfenden Objekt auf den Abbildungs-Array 800.
Der exakte Druckwert innerhalb des Vakuumcontainers 801 ist nicht von größter Wichtigkeit, weil der Hauptgrund zur Verwendung eines Vakuums um die Antennengekoppelten-Mikrobolometer nur das Ziel ist, eine gute Wärmeisolierung zu erreichen. Je besser das Vakuum, desto besser ist die Wärmeisolierung und so geringer der Phononen-Rauschstrom. Kühlen des Abbildungs-Arrays auf den Stand von 4,2 K dient tatsächlich dazu, ein relativ gutes Vakuum bereitzustellen, weil bei 4,2 K alle anderen Gase, außer Helium, gefroren sind an den inneren Wänden des Vakuumcontainers und nur Helium in Gasform auftreten kann. Der Vakuumcontainer kann dicht genug relativ leicht hergestellt werden unter Verwendung von herkömmlichen Mitteln.
Hinsichtlich des quasi optischen Systems 804 sollte bemerkt werden, dass die Antennengekoppelten-Mikrobolometer frequenzgekoppelt sind mit der ankommenden Strahlung durch das Substrat, weil die Tatsache, dass die Antenne sich auf einem Substrat mit einer hohen dielektrischen Konstante (wie zum Beispiel Si) befindet, hervorruft, dass das Richtungsmuster der Antenne stark in das Substrat gerichtet ist. Die Widerstandsfähigkeit des Substrats muss hoch sein, um die Absorption innerhalb des Substrats zu minimieren. Die quasi optische Linse wird daher typischerweise bei der Substrat-Luft-(oder Substrat-Vakuum)-Schnittstelle auf der entgegengesetzten Seite des Substrats platziert. Dort verhindert sie die Erzeugung von sogenannten Substratmoden. Es würde mindestens theoretisch möglich sein, die Antenne und den Bolometer auf selbstunterstützenden Nitrid-Fenster herzustellen, die erhalten werden würden durch ein isotropes Ätzen von nitridisierten Silizium, und einen passenden Reflektor oder Wellenleiterelement hinter den Fenstern zu platzieren. Das Fenstermaterial selbst könnte weggeätzt werden aus den Bereichen, wo keine Metallisierung existiert, was eine selbstunterstützende Antenne-Luftbrückenkombination existieren lässt. Jedoch ist es leider sehr wahrscheinlich, dass exzessive Spannung die Luftbrücke bei dem Schritt eines Wegätzen des Nitrids zerstören würde.
Die Ausgaben der SQUID-Stromvorverstärker werden gekoppelt mit einer Auslese-Multiplex-Anordnung 805, die in der Lage ist, ein Ausgangssignal (einen Strommesswert) von jedem Vorverstärker getrennt auszulesen und die Lesungen, die so erhalten werden, in eine allgemeine Steuereinheit 806 zu führen. Einige Teile der Auslese-Multiplex-Anordnung 805 können sich selbst innerhalb des Kryostats 802 befinden, speziell falls solche Teile integriert wurden in eine allgemeine strukturelle Entität mit dem Abbildungs-Array 800. Die Steuereinheit 806 stellt auch Steuerbefehle an eine Vorspannungssteuereinheit 807 bereit, die angeordnet ist, eine durchstimmbare Vorspannungsquelle 808 anzutreiben, die die durchstimmbare Vorspannung erzeugt, die die gleiche ist für alle Antennengekoppelten-Mikrobolometer in der Abbildungs-Anordnung 800. Es gibt auch ein Koppeln von einem Ausgang des Thermometers 803 mit der Steuereinheit 806 zum Versorgen der letzteren mit aktueller Dateninformation über die momentane Temperatur innerhalb des Kryostats 802.
Die Steuereinheit 806 ist angeordnet zum Sammeln der Messwertlesungen, die erhalten werden durch die Auslese-Multiplex-Anordnung 805 und zum Anordnen dieser Information in digitalen Bildern, die gespeichert werden können in einer Speichereinrichtung 809 und/oder angezeigt werden auf einer Anzeigeeinrichtung 810. Ein Benutzer kann den Betrieb der Steuereinheit 806 durch eine Benutzereingangsschnittstelle 811, die damit gekoppelt ist, steuern.
Es ist sehr vorteilhaft, SQUID-Stromvorverstärker (oder im allgemeinen, Niedrig-Rausch-Vorverstärker, die Supraleitfähigkeit in ihrem Betrieb verwenden) in einer Abbildungsanordnung gemäß der Erfindung für mehrere Gründe zu verwenden. Erstens ist es relativ einfach, solche Vorverstärker in eine gemeinsame Struktur mit den Antennengekoppelten-Mikrobolometern zu integrieren, entweder durch Herstellen derselben direkt auf dem gleichen Halbleitersubstrat mit den Bolometern oder durch passendes Verbinden getrennt hergestellter Vorverstärker-Chips auf solch einem Halbleitersubstrat. Zweitens ist es möglich, als Folge des Oberen, die Eigenschaften der Mikrobolometer und Verstärker akkurat miteinander abzustimmen, um Rauschen und Verluste zu minimieren. Drittens, führen Niedrig-Rausch-Vorverstärker, die Supraleitfähigkeit in ihrem Betrieb verwenden, sehr geringe Leistung durch sich selbst ab, was bedeutet, dass sie wahrscheinlich nicht Probleme hervorrufen, die in Bezug stehen zu einer exzessiven Hitzeerzeugung innerhalb des Kryostats.
Wenn die Vorspannung bzw. Bias-Voltage für jeden Antennengekoppelten-Mikrobolometer innerhalb des Abbildungs-Arrays die gleiche ist, zeigen die Stromlesungen von den SQUID-Stromvorverstärkern direkt die Bilddatenwerte, das heißt, die relativen Intensitäten der Strahlung, die bei verschiedenen Pixeln detektiert wird. Die Steuereinheit umfasst typischerweise automatische Vorspannungsadaptionsroutinen, die dynamisch den Vorspannungswert so abstimmen, dass der dynamische Bereich des Abbildungs-Arrays sehr effizient verwendet wird hinsichtlich der gegenwärtig Gesamtintensität der zu detektierenden Strahlung.
Die ultimative untere Grenz für die Anzahl der Pixel (das heißt, die Anzahl der Mikrobolometer-Vorverstärkerpaare) ist Eins, wobei in diesem Fall die Abbildungsanordnung nur ein einzelner Strahlungsintensitätsdetektor ist, der nur zur Bildgebung verwendet werden kann, falls er Einrichtungen zum Auswählen und Ändern der Richtung aus der Strahlung empfangen wird, umfasst. Es gibt keine theoretische obere Grenze für die Anzahl der Pixel, aber in der Praxis kommt eine obere Grenze daher, dass die Halbleiter-Wafer nur in gewissen Größen vorkommen, und jedes Mikrobolometer-Vorverstärkerteil einen gewissen finiten Raum auf der Oberfläche des Halbleiter-Wafers in Anspruch nimmt.
Die spezifischen Ausführungsformen der Erfindung, die oben diskutiert wurden, sollten nicht betrachtet werden als limitierend auf die Anwendung der anhängenden Ansprüche. Beispielsweise ist dem Fachmann klar, dass, selbst wenn nur ein Abhebeprozess oben beschrieben wurde, als Mittel zum Mustern eines Substrats, auch passende Nass-Ätz-Prozesse verwendet werden können. Ähnlich ist es möglich, die Beziehungen zwischen Antennengekoppelten-Mikrobolometern und dem im Zusammenhang stehenden SQUID-Vorverstärkern zu variieren: oben wurde angenommen, dass jeder Mikrobolometer seinen eigenen SQUID-Vorverstärker hat und die Ausgaben der SQUID-Vorverstärker gemultiplext werden, aber es kann auch ein alternativer Ansatz betrachtet werden, wo mehrere Antennengekoppelte-Mikrobolometer gemultiplext werden, um einen einzelnen SQUID-Vorverstärker zu verwenden. Multiplexen der zuletzt erwähnten Art kann erreicht werden durch beispielsweise die Verwendung von passenden Wärmeschaltern.

Claims

Eine bolometrische Abbildungsanordnung, umfassend: – einen antennengekoppelten Mikrobolometer, umfassend ein Substrat (301), eine Antenne (102, 103), unterstützt durch das Substrat und ein wärmeempfindliches Element (101, 305), verbunden mit der Antenne und angeordnet zum Abführen elektrischer Ströme, die in der Antenne induziert werden, wobei sowohl die Antenne (102, 103) und das wärmeempfindliche Element (101, 305) Supraleitermaterial umfassen, – eine Unterstützungseinrichtung zum Unterstützen des wärmeempfindlichen Elements (101, 305) mit einem Abstand von dem Substrat (301), wobei eine freie Lücke (306) zwischen dem wärmeempfindlichen Element (101, 305) und einer Oberfläche des Substrats (301) gelassen wird, und – einen Vakuumbehälter (801) zum Einschließen des antennengekoppelten Mikrobolometers in einer Vakuumumgebung und ein Kryostat (802), um den antennengekoppelten Mikrobolometer bei der kritischen Temperatur zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass die bolometrische Abbildungsanordnung Vorspanneinrichtungen (607, 608, 609, 610, 806, 807, 808) umfasst, die ausgebildet sind zum Vorspannen des wärmeempfindlichen Elements (101, 305) in einen Zustand, in dem ein Hotspot-Teil in der Mitte des wärmeempfindlichen Elements in einem normalen ohmschen leitenden Zustand ist.
Eine bolometrische Abbildungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen SQUID-Stromvorverstärker (603) umfasst, der gekoppelt ist mit dem antennengekoppelten Mikrobolometer (601) zum Messen von elektrischen Strömen, die durch die Antenne (102, 103) und das wärmeempfindliche Element (101, 305) fließen.
Eine bolometrische Abbildungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: – eine Abbildungsanordnung bzw. Abbildungs-Array (800) mit einer Vielzahl von miteinander im Zusammenhang stehenden antennengekoppelten Mikrobolometer- und SQUID-Stromvorverstärker-Paaren, so dass jedes antennengekoppelte Mikrobolometer- und SQUID-Stromvorverstärker-Paar innerhalb des Abbildungs-Arrays (800) ein Pixel darstellt zum Produzieren eines Datenwerts, der repräsentativ ist für eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung, die detektiert wird an dem Ort des Pixels, – eine Auslesemultiplexeinrichtung (805) zum selektiven Lesen von Datenwerten von den Pixeln in dem Abbildungs-Array (800), und – eine Steuereinrichtung (806) zum Umwandeln von gelesenen Datenwerten in Abbildungen, die die Verteilung der detektierten elektromagnetischen Strahlung über den Abbildungs-Array repräsentieren.
Eine bolometrische Abbildungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: – ein Abbildungs-Array (800) mit einer Vielzahl von antennengekoppelten Mikrobolometern, so dass jeder antennengekoppelte Mikrobolometer innerhalb des Abbildungs-Arrays (800) ein Pixel darstellt, zum Produzieren eines Datenwerts der repräsentativ ist für eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung, die detektiert wird an dem Ort des Pixels, – innerhalb des Abbildungs-Arrays (800) einen SQUID-Stromvorverstärker und – eine Multiplexeinrichtung zum selektiven Koppeln von Ausgaben von Pixeln in dem Abbildungs-Array (800) in den SQUID-Stromvorverstärker, – eine Ausleseeinrichtung zum selektiven Lesen von Datenwerten von Pixeln in dem Abbildungs-Arrary (800) durch den SQUID-Vorverstärker, und – eine Steuereinrichtung (806) zum Umwandeln von ausgelesenen Datenwerten in Abbildungen, die die Verteilung der detektierten elektromagnetischen Strahlung über den Abbildungs-Array repräsentieren.
Ein Verfahren zum Detektieren von elektrischmagnetischer Strahlung mit einem antennengekoppelten Mikrobolometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das Verfahren die Schritte umfassend: – Vorspannen des antennengekoppelten Mikrobolometers mit einer Vorspannung (808), – Detektieren einer Menge von elektrischem Strom, der durch den antennengekoppelten Mikrobolometer fließt, und – Deduzieren, welcher Teil der detektierten Menge an elektrischem Strom aufgrund der elektromagnetischen Strahlung, empfangen durch die Antenne, hervorgerufen wurde; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt eines Vorspannens des antennengekoppelten Mikrobolometers Auswählen der Vorspannung (808) so umfasst, dass der vorspannungsinduzierte elektrische Strom durch den antennengekoppelten Mikrobolometer und der empfangene Strahlung-induzierte elektrische Strom durch den antennengekoppelten Mikrobolometer zusammen das wärmeempfindliche Element (101, 305) genug aufwärmen, um bei einem Hotspot-Teil in der Mitte des wärmeempfindlichen Elements hervorzurufen, dass es in einem normalen ohmschen leitenden Zustand bleibt.