FI119158B - Bolometrielementti, bolometrikenno, bolometrikamera ja menetelmä - Google Patents

Description

119158

Bolometrielementti, bolometrikenno, bolometrikamera ja menetelmä

Keksintö liittyy bolometreihin. Erityisesti keksintö liittyy bolometrisiin sensorielementteihin ja kennoihin, jotka käsittävät useita bolometrielementtejä yksi- tai kaksidimensionaalisessa matrii-5 sissa sekä bolometrikameroihin, jotka käsittävät tällaisen kennon. Keksintö liittyy myös mene telmään bolometrisen kennon lukemiseksi.

Bolometrit ja mikrokalorimetrit perustuvat säteilevän tehon, sähkömagneettisen kvantin, hiukkasen energian tai hiukkasvirtaan liittyvän tehon mittaamiseen mittaamalla anturin elektroni-10 kaasun tai hilan lämpötilan nousu. Lämpötilan nousu havaitaan bolometrisissä elementeissä anturielementin sähkofysikaalisten ominaisuuksien muutoksena. Suprajohtavuutta voidaan käyttää bolometrin tai mikrokalorimetrin toteuttamiseen mm. biasoimalla suprajohtava elementti hyvin lähelle transitiolämpötilaa. Tällaisia suprajohtavia bolometrejä kutsutaan transi-tioreunabolometreiksi (transition edge superconductiong (TES) bolometer). Transitiolämpöti-15 lan yläpuolella toimittaessa vastus riippuu erittäin voimakkaasti lämpötilasta j a vastaavasti transitiolämpötilan alapuolella toimittaessa induktanssi riippuu lämpötilasta.

Suprajohtavia transistioreunabolometrejä hyödyntäen voidaan valmistaa erittäin herkkiä ja . *: *. laajakaistaisia säteilevän tehon ilmaisimia. Niitä voidaan soveltaa röntgenalueella yksittäisen . * * *. 20 kvantin energian mittaamiseen, optisen tehon tai energiakvantin mittaamiseen tai etenkin mil- • · · ....: limetri- ja alimillimetrialueella laajakaistaisena tehoilmaisimena.

* · * · * • · · *»· · |·. ( Perinteinen suprajohtava bolometrielementti on rakenteeltaan hyvin yksinkertainen, joten yk- ; * * *. sittäisen ilmaisimen valmistaminen on suhteellisen helppoa ja myös kokonainen kenno useine • · · 25 elementteineen voidaan valmistaa kohtuullisen helposti. Yksittäinen elementti näet sisältää ·*·,. ainoastaan anturin (antennin) ja yksinkertaisimmillaan lyhyen lämpöeristetyn johtimen. Supra- • * * *; j ohtavien bolometrien ongelmaksi on muodostunut sen heikon ulostulosignaalin mittaaminen t · · / . ilman kohinan lisäystä. Perinteisesti suprajohtavat transitioreunabolometrit on jännitebiasoitu, • ·« > I.. * j olioin negatiivinen terminen takaisinkytkentä pienentää ulostulevaa virtaa. Käytettäessä bo- * * *" 30 lometriä tai mikrokalorimetria kamerasovellutuksissa, eli käytettäessä useita anturielementtejä • · · * ·: ·' sisältävää kaksidimensionaalista kennoa, keskeiseksi ongelmaksi muodostuu erillisten ele- • · 2 119158 menttien lukeminen ilman että signaalikohinasuhde heikkenee. Toisaalta elektroniikka ja joh-dotus tulevat hyvin monimutkaiseksi.

Tunnetaan myös järjestelyjä, joissa bolometri asetetaan ensin positiiviseen termiseen takaisin-5 kytkentään signaalin vahvistamiseksi. Järjestelmä stabiloidaan pakottamalla huoneenlämpötilassa olevalla vahvistimella bolometri jännitebiasoiduksi ja sitä kautta koko järjestelmä voidaan stabiloida. Vaadittava elektroniikka on suhteellisen yksinkertaista ja sopii käytettäväksi, jos mitattavien elementtien määrä on luokkaa 100 tai vähemmän. Jos taas elementtien määrä on suuri, esimerkiksi 100 x 100 (mitä voidaan pitää eräänä edellytyksenä tehokkaalle milli-10 metrikameralle), on tarvittavien johtimien määrän takia lähes mahdotonta tuoda jokaiseen elementtiin erillinen huoneenlämpötilavahvistin. Toki johtimien määrän pienentyminen on toivottavaa myös pienemmillä pikselimäärillä.

Yksi tunnettu bolometrijärjestely on kuvattu julkaisussa J.S. Penttilä, H. Sipola, P. Helistä, and 15 Heikki Seppä, "low noise readout of superconducting bolometers based on electrothermal feedback", Superconducting Science and Technology 19, 319-322 (2006). Jäqestelyä on havainnollistettu tunnettua tekniikkaa edustavassa kuviossa 1.

Yllä mainittu ongelma voidaan kiertää multipleksausta hyödyntäen. Kennoon voidaan asettaa .**·. 20 erillisiä kytkimiä ja lukea jokainen pikseli erikseen ns. aikamultipleksausta hyödyntäen. H- ««· •;. · Ϊ maisimien ja näiden antoihin kytkettävien vahvistimien vaadittava signaali-kohinasuhde sekä • ·*. vaadittava suodatus (näytteenottotaajuuden oltava suurempi kuin suodatuksen aikavakio) te- ·♦· · •\# kevät aikamultipleksauksesta kuitenkin haasteellisen. Erityisesti ongelmaksi muodostuu kyt- kimien tehonkulutus sekä niiden aiheuttamat transientit, mikä näkyy kohinatason huomattava- ·»· 25 na nousuna. Esim. FET-kytkimissä hilan ja kanavan jännitteen muuttaminen purkaa hilan ka- • * ·.. pasitanssiin varautuneen varauksen kanavaan ja sitä kautta mitattavaan piiriin.

* * · • · • · ··· # . On tunnettua myös syöttää eri elementtejä eri taajuudella ja havainnoida eri taajuisia signaale- • ♦ · '..f' ja yhtä j ohdinta pitkin huoneenlämpötilassa sekoittimia hyödyntäen, eli ns, taaj uusmultiplek- • « ’" 30 sauksen avulla. Taajuusmultipleksaus johtaa kuitenkin monimutkaiseen elektroniikkaan, sillä * * » ’···' kohinan laskostuminen j oudutaan estämään tuomalla suodatin jokaiseen yksittäiseen pikseliin.

• Φ 3 119158

Keksinnön tarkoituksena on ratkaista ainakin joitain yllä kuvattuja ongelmia ja tuoda esille uudenlainen herkkä aikamultipleksaukseen soveltuva bolometri sekä vastaavasti uusi paremman signaali-kohinasuhteen mahdollistava bolometrin lukumenetelmä.

5

Lisäksi keksinnön tarkoituksena on saada aikaan tunnettuihin ratkaisuihin nähden herkempi bolometrikenno sekä uusi bolometrikamera.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että signaalin luennassa hyödynnetään bolometrin teho-10 vahvistusta. Toisin sanoen bolometria käytetään paitsi säteilyn ilmaisimena, myös vahvistimena. Tämä saadaan keksinnön mukaan aikaan kytkemällä kaksi bolometria peräkkäin siten, että ensimmäisen bolometrin termoresistiivinen osa on biasoitavissa jännitteen avulla toisen bolometrin lämmitysvastuksen kautta. Kyseessä ei siis ole puhdas jännitebias, vaan esitettyä järjestelyä kutsutaan jatkossa lyhyemmin ns. vastusbiasoinniksi.

15

Keksinnön periaatetta kuvastavan toisen ajattelumallin mukaan keksinnössä hyödynnetään bolometrijärjestelyä, jossa fysikaalista ilmiötä (yl. säteily) havainnoidaan sen tuottaman ensimmäisen lämpövaikutuksen seka tämän lämpövaikutuksen mittaamisessa syntyvän toisen .,, lämpövaikutuksen avulla. Ehdotetussa bolometrikytkennässä siis otetaan talteen ensimmäisen • * t 20 bolometrin luennassa syntyvä sekundäärinen lämpö talteen toisen bolometrin lämpökapasitee- • · ’ * · '1 tin avulla siten, että lämpötilan nousu toisessa bolometrissä ajaa bolometrielementin tehoa • · , . vahvistavaan moodiin.

• · · * · • •a · · • · a ·« *.,, Olemme havainneet, että tällainen bolometrielementti soveltuu erityisesti käytettäväksi useita • · • · * * * 25 bolometrielementtej ä käsittävissä bolometrikennoissa, j oita luetaan aikamultipleksauksen ,, avulla. Tällöin toista bolometriä hyödynnetään kytkimenä.

• · • ·* • · · • · * ·

Niinpä keksinnön mukainen bolometrielementti käsittää ensimmäisen bolometrin, jossa on en- • · *. ’ *: simmäinen lämmitysvastus elementtiin kohdistuneen säteilyn havaitsemiseksi ja ensimmäiseen • · * :... * 30 bolometriin liitetyt johteet elementtiin kohdistuneen säteilyn ilmaisemiseksi sähköisesti. Keksin- ; ; *; non mukaan elementti käsittää lisäksi toisen bolometrin, jossa on toinen lämmitysvastus, jolloin ··· •: · · · ensimmäinen ja toinen bolometri on kytketty sähköisesti toisiinsa siten, että ensimmäisen bolo- 4 119158 metrin lämmitysvastus on biasoitavissa jännitteen avulla toisen bolometrin lämmitysvastuksen kautta havaitun säteilytehon vahvistamiseksi kytkennän avulla.

Keksinnön mukainen bolometrikenno käsittää useita bolometrielementtejä sijoitettuna yksi- tai 5 kaksiulotteiseksi matriisiksi sekä johteet bolometrielementteihin kohdistuneen säteilyn ilmaisemiseksi sähköisesti kustakin bolometrielementistä. Kukin bolometrielemetti käsittää ensimmäisen bolometrin, jossa on ensimmäinen lämmitysvastus elementtiin kohdistuneen säteilyn havaitsemiseksi ja toisen bolometrin, jossa on toinen lämmitysvastus, jolloin kussakin bolometriele-mentissä ensimmäinen ja toinen bolometri on kytketty toisiinsa sähköisesti siten, että ensimmäi-10 sen bolometrin lämmitysvastus on biasoitavissa jännitteen avulla toisen bolometrin lämmitys- vastuksen kautta kussakin bolometrielementissä havaitun säteilytehon vahvistamiseksi kytkennän avulla. Näin toteutettu kenno on luettavissa siten, että toinen bolometri toimii kytkimenä elementtien ja niihin liitetyn aikamultipleksauspiiristön välillä. Kytkintä ohjataan aina bolometrin tyypistä riippuen säätelemällä toisen bolometrin lämpötilaa tai sen yli vaikuttavaa 15 jännitettä.

Keksinnön mukainen bolometrikamera käsittää yllä kuvatun kaltaisen bolometrikennon.

. 1: ·, Keksinnön mukaisessa menetelmässä luetaan yllä kuvatun kaltaista bolometrikennoa aikamul- • · · 1 . 1 · 1. 20 tipleksauksen avulla siten, että biasjännitteen avulla vahvistettu signaali luetaan useita sarak- • · · .... j keitä kerrallaan virtavahvistimien avulla elementeittäin lukujohteiden kautta samanaikaisesti.

: . 1. Luettava elementti kultakin sarakkeelta valitaan riveittäin aikamultipleksaamalla käyttämällä »·· · elementtien toisia bolometrejä kytkiminä, jotka avataan ja suljetaan yksitellen riviin kohdistetun .' · 1. valintavirran tai valintajännitteen avulla.

··· 25 ί1. Keksinnön mukaisesti ensimmäinen bolometri toimii samaan aikaan sekä ilmaisevana että • ·· • · 1 1 ‘. vahvistavana elimenä. Vastaavasti toinen bolometri toimii multipleksattaessa samaan aikaan ··· , sekä ilmaisevana että kytkevänä elimenä. Aina asiayhteydestä riippuen ensimmäistä bolomet- 5 119158 kohinan laskostumista elementin annossa. Niinpä sitä voidaan kutsua myös integroivaksi bo-lometriksi tai kytkinbolometriksi. Vastaavia sovellutuksia kuvataan tarkemmin myöhemmin.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle bolometrille on tunnusomaista se, mitä on 5 sanottu patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle kennolle, kameralle ja menetelmälle on puolestaan tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimusten 9,20 ja 24 tunnusmerkkiosissa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Mikrotasolla keksintö on erittäin energiate-10 hokas, sillä luennassa syntyvä lämpötilan nousu hyödynnetään tehovahvistuksen saamiseksi kytkennästä. Olemme näet havainneet, että keksinnön mukaisen vastusbiasoinnin avulla voidaan maksimoida ensimmäisen bolometrin tuottama tehovahvistus ja sitä kautta signaali-kohinasuhde, erityisesti kun useita tällaisia vastusbiasoituja elementtejä käsittävää kennoa luetaan aikamultipleksauksen avulla. Vastusbiasointi aiheuttaa sen, että lämpötilan nousu kas-15 vattaa bolometrin vastusta, joka puolestaan pienentää sähköistä lämmitystä. Järjestelmä on siis negatiivisesti takaisinkytkettyjä tästä johtuen stabiili.

Keksinnön mukaisen vastusbiasoinnin avulla saavutettava negatiivinen takaisinkytkentä on (·..( edullinen, koska se mahdollistaa suuren lukemiseen käytetyn tehon ilman, että järjestelmä • · · (· ··, 20 muuttuu epästabiiliksi, ja lisäksi kasvattaa dynaamista aluetta. Keksinnön avulla on mahdollis- • · tii); ta toteuttaa ilmaisin, jonka herkkyys rajoittuu oleellisesti ilmaisimen fononikohinaan (ja her- • « ♦ . , kimmillään j opa mitattavasta kohteesta tulevaan fononikohinaan), kuten myöhemmin tarkem- • · · • · t · • ·. min selitetään. Tämä johtuu siitä, että esillä olevassa rakenteessa biasjännitteen avulla toteutet- • ·· . · · ·, tu multipleksaus ei tuo oleellisesti uutta kohinaa signaaliin. Niinpä voidaan valmistaa hyvin • · «·« 25 herkkä bolometrinen kuvantamisinstrumentti (-kamera), joka on kuitenkin toiminnaltaan pas- • ·. siivinen, eli ei edellytä ulkoisen säteilyteholähteen käyttöä.

• · · • · • · • · • · · / t Erityisesti keksintö mahdollistaa kuvaelementdmäärältään suuren anturin valmistamisen bo- • · · lometrisiä kuvantamislaitteita ja -sovelluksia varten. Anturin koko voidaan kuitenkin pitää • · * · 30 pienenä ja pinta-alahyötysuhde hyvänä (tiheä matriisi), sillä esillä oleva uusi kytkentä yksin- *.:. * kertaistaa tarvittavaa lukuelektroniikkaa huomattavasti moniin tunnettuihin ratkaisuihin näh- « • · 6 119158 den. Niinpä kennon alasta on käytettävissä suurempi ala ilmaisuun kuin aikaisemmin. Myös kennon valmistusprosessia voidaan yksinkertaistaa, kuten myöhemmin tarkemmin selostetaan. Lopputuotteena voi olla satoja pikseleitä kahdessa ortogonaalisessa suunnassa käsittävä kenno. Erityisen edullinen keksinnön mukainen ratkaisu on sen yksinkertaisen rakenteen ansiosta 5 kennoissa, joiden pikselimäärä on vähintään 100 x 100 ja jopa vähintään 400 x 400, esimerkiksi 640 x 480.

Koska bolometristä saadaan tehovahvistusta, bolometri voidaan mitoittaa siten, että sen aikavakio on riittävän pitkä.

10

Bolometrillä tarkoitamme tässä dokumentissa välinettä, jonka absorboima lämpöteho on mitattavissa välineen sähköisen vastuksen muutoksen havainnoimisen kautta (lämmitysvastus eli termoresistiviteetti). Bolometri voi käsittää erillisen säteilyn absorberin ja termometrin (yleisesti termokomponentin) (ns. komposiittibolometri) tai vaihtoehtoisesti termometrinen osa voi 15 toimia samalla myös absorberina. Lämpöteho voi olla havainnoitavan säteilyn (erit. ensimmäinen bolometri) tai esimerkiksi sähkövirran (erit. toinen bolometri) tuottamaa. Havainnoitava säteily voi olla aallonpituudeltaan hyvinkin vaihteleva, joskin herkimmät bolometrit toimivat alimillimetrialueella (tyypillisimmin λ = noin 200 pm - noin 1 mm). Säteilyksi katsomme t · ·. t tässä yhteydessä myös hiukkassäteilyn.

• · · .·**. 20 • · Tämän keksinnön yhteydessä käytetään edullisimmin suprajohteisiin perustuvia bolometrejä, • # ; t<( tyypillisimmin voimakasta lämpötila/resistanssi-transitiota ilmentäviä bolometrejä, kuten • · · ·*· · TES-bolometreja (Transition Edge Sensor), suprajohtavia lankabolometrejä (hot-spot bolomet- * ·♦ ,···, rejä), ja/tai SIN-liitoksen (Superconductor - Insulator - Normal metal) avulla muodostettuja • · 25 bolometrejä. Näiden vastus riippuu jyrkästi lämpötilasta. Näiden yhteyteen voi olla järjestetty i*. myös erillisiä lämmitysvastuksia haluttujen lämpötilariippuvien kytkentöjen aikaansaamiseksi • · .···. aikamultipleksausta varten. Supratransitioon perustuvien bolometrien lisäksi myös muita tun- ···* .* φ nettuja ja vielä tuntemattomia lämpötila/resistanssi-transitiota ilmentäviä bolometrejä voidaan « * · hyödyntää. Tämä tulee kyseeseen etenkin tehovahvistusta korkeissa lämpötiloissa tuottavan • » 7 30 bolometrikytkennän aikaansaamiseksi.

• · · • · ··· • · 119158 7

Ensimmäisenä bolometrinä käytetään edullisimmin transitioreunabolometriä, mutta myös SIN-liitospohjaista bolometriä voidaan käyttää. Molemmissa tapauksissa myös toisena bolometrinä voidaan käyttää transitioreunabolometriä tai SIN-liitosta. Kaksi edullista toteutusta kuvataan tarkemmin myöhemmin. Tämäntyyppinen bolometrielementti jäähdytetään käytettäessä sen 5 ensimmäisen bolometrin transitiolämpötilan tuntumaan.

Erityisesti on edullista, jos ensimmäisen ja toisen bolometrin vastukset ovat käyttölämpötilassa samaa suuruusluokkaa tai toisen bolometrin vastusarvo on hieman, esimerkiksi 0,01 - 50 %, ensimmäisen bolometrin vastusta pienempi. Tällä varmistetaan se, että ensimmäinen bo-10 lometri on joka tilanteessa stabiili, mutta sen tehovahvistus on kuitenkin riittävä. Karkeasti voidaan arvioida, että esimerkiksi noin 20 % pienemmällä toisen bolometrin vastuksella saadaan tehovahvistuskertoimeksi noin 6.

Keksinnön ja sen sovellutusmuotojen mukaiset bolometrit soveltuvat käytettäväksi mm. kau-15 kokartoituksessa, planeettojen ja ilmakehän tutkimuksessa, aurinkotutkimuksessa, turvatarkastuksissa (mm. piilotettujen aseiden, biologisten ja kemiallisten aseiden havaitseminen), maamiinojen tunnistamisessa, sekä muiden kohteiden etsimisessä lämpösäteilyn avulla, sekä lääketieteessä (mm. ihosyövän havaitseminen).

··· * · · • ♦ · 20 Seuraavaksi keksinnön sovellutusmuotoja tarkastellaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla • · oheisiin piirustuksiin, joissa • · • ' · • · · * · I" Kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaisen bolometrikytkennän, ·· [·. ·# Kuvio 2 esittää suprajohteen lämpötila-resistanssikäyrän, • · 25 Kuvio 3 esittää kaaviokuvan aikamultiplekseristä, jossa molemmat bolometrit perustuvat sup-ratransitioon, *·*·* ,···. Kuvio 4 esittää kuvioon 3 liittyvän esimerkinomaisen multipleksaussekvenssin, • · • * · . *t Kuvio 5 esittää tyypillisen SIN-liitoksen virta-jännite-ominaiskäyrän, * · ";, * Kuvio 6 esittää kaaviokuvan aikamultiplekseristä, jossa toisessa bolometrissä lämpötila mitä- • · *"* 30 taan SIN-liitosta hyödyntäen, ja • · • · · · • · « • · · s 119158

Kuviot 7a ja 7b esittävät esimerkinomaisen bolometriantennikytkennän päällyskuvantona ja perspektiivikuvantona ja kahdessa eri mittakaavassa, vastaavasti.

Esillä oleva keksintö mahdollistaa usean tason sovellutuksia ja jatkokehitelmiä, joista alla on 5 lyhyesti lueteltu ja myöhemmin tarkemmin kuvattu tärkeimmät: 1. Yksittäinen bolometrielementti, josta on mahdollista saada tehovahvistusta vastus-biasoinnin avulla herkemmän anturirakenne-elementin valmistamiseksi käytettäväksi eri sovelluksissa.

2. Viivamainen (yksidimensionaalinen) bolometrikenno erityisiin kuvantamissovelluk- 10 siin.

3. Kaksidimensionaalinen bolometrikenno kamerasovelluksiin.

4. Toiminnallinen bolometrikamera.

5. Aikamultipleksaus yksinkertaisella multipleksauselektroniikalla hyödyntäen bolomet-rielementin tehonvahvistusluonnetta ja kytkinominaisuutta. Aikamultipleksausta voi- 13 daan soveltaa sekä yksi- että kaksiulotteisiin bolometrikennoihin.

Tässä kuvattujen keksinnön sovellutusmuotojen oleellinen ajatus perustuu bolometrin teho-vahvistuksen hyödyntämiseen. Tämä tarkoittaa sitä, että bolometrielementtiä ei käytetä perin-,.. teiseen tapaan vain ilmaisimena vaan sitä käytetään myös vahvistimena kahden bolometrin • * t * · · 20 sarjaankytkennän ja näiden yli järjestettävän biasjännitteen avulla. Keksinnön mukaan saadaan ♦ t • · • *'. siis aikaan termoresistiivinen monielementtidetektori, joka soveltuu aikatason multipleksauk- • i . . seen ilman että se olennaisesti tuottaa yksittäisen elementin efektiivistä kohinaa, mikä on pe- • · · j" * rinteisillä tavoilla toteutettuna ollut hankalaa erityisesti tiheiden kennojen tapauksessa.

* ·· • * * * • · 25 Keksinnön yhden sovellutusmuodon mukaisesti hyödynnetään suprajohtavia reunatransitiobo- t»t*t lometrien ominaisuuksia haluttuun tavoitteeseen pääsemiseksi. Kuviossa 1 on esitetty supra- * * * johteen lämpötila-resistanssikäyrä. Käyrä perustuu siihen olettamukseen, että sähköinen teho ·* ei oleellisesti lämmitä suprajohdetta resistiivisellä alueella toimittaessa. Jos elementti on läm- • · f ••j · pöeristetty ja se biasoidaan virralla, sekä lämpötila-resistanssikäyrä että virta-jännitekäyrä • · *;·* 30 muuttuvat hystereettisiksi. Tämä johtuu siitä, että lisääntynyt virta nostaa bolometrin lämpöti- • · • *·· laa, joka puolestaan kasvattaa resistanssia ja tehonkulutus kasvaa. Tapahtuu ns. positiivinen ··· • · • · • · · 9 119158 takaisinkytkentä ja järjestelmä muuttuu epästabiiliksi. Keksinnön mukainen vastuksen yli jän-nitebiasoitu (eli vastusbiasoitu) kaksoisbolometrikytkentä tekee järjestelmästä negatiivisesti takaisinkytketyn ja siten stabiilin. Niinpä se mahdollistaa suuren tehon käyttämisen bolometrin lukemiseen.

5

Alla kuvataan yksityiskohtaisesti kaksi tapaa toteuttaa bolometrin tehovahvistukseen pohjautuva ratkaisu. Näistä ensimmäisessä molemmat bolometrit perustuvat supratransitioon ja toisessa ensimmäinen perustuu supratransitioon, mutta toisessa lämpötilan nousu mitataan SIN-liitosta hyödyntäen (SIN = Superconductor - Insulator - Normal metal). Ensimmäinen bolo-10 metri suunnitellaan tuottamaan tehovahvistusta ja sen perään laitetaan toinen joko suprajohtavaan transitioon tai SIN-liitokseen perustuva bolometri.

Suprajohtavan transition tapauksessa multipleksaus perustuu siihen, että vain se bolometri, joka on teholla saatu transition yläpuolelle tulee luetuksi ja sen mittausvirta kulkee suprajohta-15 vasti muiden elementtien läpi. Toisin sanoen termokomponentin suprajohde on käyttölämpötilassa suprajohtavassa tilassa, kun biasjännite on kytketty pois, mutta saatettavissa resistiivi-seen tilaan esilämmityksen, eli biasjännitteen kytkemisen ja multipleksattaessa kytkettävän bolometria kuumentavan valintavirran avulla.

«·· • · · *·* 20 Toisaalta SIN-liitosta käytettäessä luettavan bolometrin yli asetetaan jännite, jolloin sen virta * · *···* on voimakkaasti lämpötilariippuva ja muut samaan vahvistimeen kytketyt bolometrit ovat jän- nitteettömiä ja ne eivät synnyttä mitattavaa signaalia. Tämä johtuu siitä, että SIN-liitos saate- • · · ··· : taan jännitteellä lähelle sen kiellettyä vyötä, mikä mahdollistaa virran syntymisen liitoksen yli ♦ · • '* säteilyn indusoimana.

: 25

Kuviossa 3 on esitetty kaaviokuva multiplekseristä, jossa molemmat bolometrit 301,302 pe- • · " rustuvat suprajohtavaan transitioon. Ensimmäisen bolometrin 301 anto on kytketty toisessa • · ’ · · · * bolometrissä 301 olevaan vastukseen 312 siten että niiden vastukset 311,312 ovat samaa luok- • m ·/·· kaa tai toista bolometria kuumentavan vastuksen 312 arvo on hiukan ensimmäisen bolometrin • · · *...· 30 vastusta 311 pienempi. Tällä varmistetaan se, että ensimmäinen bolometri 301 on joka tilan- . teessä stabiili mutta sen tehovahvistus on kuitenkin riittävän suuri. Tehoa vahvistava vakio- • · · biasjännite kytketään biasjohteesta 330, jolloin se vaikuttaa yli sarjavastusten 311 ja 312.

119158 ίο

Niinpä elementin (tässä matriisin elementti i j) vastaanottama säteilyteho Pjj vahvistuu kertoimella G.

Kuvion 3 mukaista piiriä multipleksattaessa lukujännitebias 340 asetetaan ensin nollaan, jol-5 loin kaikki bolometrit kytkeytyvät suprajohtavaan tilaan. Haluttu rivi 380a, 380b,... 380n aktivoidaan lämmittämällä yhtä riviä virtabiaksella 350. Kun lukujännitebias 340 kytketään päälle, ainoastaan esilämmitetty rivi ajautuu resistiiviseen moodiin ja sarakkeiden 390a, 390b, ... 390n virtavahvistimien 320a, 320b,... 320n ulostulot ovat verrannollisia luettavien bolo-metrien vastusarvoon ja sitä kautta lämpötilaan. Koska tällaisessa kytkennässä ensimmäisessä 10 bolometrissä 301 on tehovahvistusta ja toisessa bolometrissä 302 edullisimmin pitkä aikavakio, luenta voidaan suorittaa kohinaa lisäämättä. Toista bolometriä 302 voidaan käyttää multi-pleksauksessa kytkimenä siten, että luettavat elementit (sarakkeet) biasoidaan transitiolämpöti-laan, kun muut Saijassa (rivissä) olevat elementit biasoidaan siten, että ne ovat suprajohtavia. Kuviossa 4 on havainnollistettu esimerkinomaisesti kuvion 3 mukaisen piirin lukemisessa käy-15 tettävää lukusekvenssiä.

Kuten yllä on kuvattu, rivin 380a, 380b,... 380n valinta saadaan aikaan tyypillisimmin sähköisesti bolometriin termisessä yhteydessä olevalla erillisellä iämmittimellä (vastuksella). Myös säteilylämpöä voidaan käyttää. Lämpöherkän kytkimen ohjaaminen lämmöllä kuitenkin • · · .···, 20 voi lisätä transientteja ja siten lopullisen jäijestelmän kohinaa jonkin verran. Lämpökohinan välttämiseksi rivinvalintatransitio voidaan saada aikaan myös magneettikentällä. Tällöin on • · • .·, oleellista saada aikaan riittävän suuri magneettikenttä, jotta rivin 380a, 380b,... 380n valinta • · ♦ ·♦· 1 onnistuu. Tällainen sovellutus voidaan toteuttaa muodostamalla bolometri vähintään kaksi • ·♦ » , · · ·. suprajohtavaa silmukkaa käsittävänä rakenteena (ensiö- ja toisiosilmukat), jolloin magneetti- · · 25 kentän kytkeytymistä rakenteeseen voidaan parantaa.

• · • · · • · 1 . · 1 ·

Seuraavaksi kuvataan yksityiskohtaisemmin SIN-liitokseen perustuvan toisen bolometrin ··· . 1. käyttö. SIN-liitoksessa virta riippuu epälineaarisesti jännitteestä ja se on herkkä lämpötilalle, • · ♦ koska kvasipartikkelien tunneloitumistodennäköisyys riippuu voimakkaasti lämpötilasta. Jos • · 30 liitosta säteilytetään suprajohteen kiellettyä vyötä suuremmalla taajuudella, sen toiminta muut- • · • ·· · · • • · • f ·

II

119158 tuu siten, että kuumat elektronit tunneloituvat liitoksen yli, mitä voidaan hyödyntää keksinnön mukaisen multipleksauksen aikaansaamiseksi.

Kuviossa 6 on esitetty kennoratkaisu, jossa ensimmäinen bolometri 601 (esimerkiksi transitio-5 reunabolometri) lämmittää toista bolometriä 602, jossa lämpötila edelleen mitataan SIN- liitosta hyödyntäen. Kaikki ilmaisinbolometrit 601 ovat vakiojännitebiasoituja toisen bolomet-rin 602 lämmitysvastuksen kautta (vastusbiasointi). Biasointi voidaan tehdä tasa- tai vaihtojännitteellä. Olemme yllättäen havainneet, että erityisesti tällaisella SIN-liitoksiin perustuvalla rakenteella ja menetelmällä saadaan luettua suuri määrä kuvaelementtejä ilman että multiplek-10 saus sinällään oleellisesti lisäisi kohinaa.

Kuviossa 5 on esitetty tyypillisen SIN-liitoksen virta-jännite- ominaiskäyrä. Suprajohteen kielletystä vyöstä johtuen, normaalielektronit eivät pääse tunneloitumaan liitoksen yli. Kuitenkin jos jännite on riittävän suuri, jopa nollalämpötilassa biasointi mahdollistaa tunneloitumisen.

15 Niinpä, jälleen kuvioon 6 viitaten, jos bias 630 on hiukan tätä rajaa pienempi, lämpötilan nou su lisää elektronien energiaa ja mahdollistaa tunneloitumisen. Lopputuloksena SIN-liitos on erittäin herkkä lämpöanturi kun sen yli oleva biasjännite 630 on hyvin lähellä kiellettyä vyötä vastaavaa energiaa. Sama jännite voidaan asettaa jokaisen elementin yli, koska tarvittava bias ... ei riipu yksittäisen SIN-liitoksen ominaisuuksista. Toisaalta, kun jännitebias 630 asetetaan • · · • · · I., 20 nollaksi (tai pieneksi), SIN-liitoksen dynaaminen vastus tulee hyvin suureksi ja virta ei riipu • · • · *", jännitteestä. Tämä mahdollistaa multipleksauksen siten, että "toimimattomat" liitokset voivat • · . . olla mittauksen kohteena olevien liitosten rinnalla ilman että ne lisäävät merkittävästi kohinaa i * · * * * luentaan.

• · • ·· ··· • · • · 25 Erityisesti olemme havainneet, että SIN-liitoksen tunnelivastuksen Rsn on edullista olla riittä-. . vän suuri tai vaihtoehtoisesti useita liitoksia voidaan asettaa sarjaan. Tällöin nollabiaksen alla 9 m · .···, olevat bolometrit eivät ole herkkiä lämpötilamuutoksille, mikä mahdollistaa SIN-liitoksen • # •t käyttämisen aikamultipleksauksessa erittäin pienikohinaisena kytkimenä. Toisin sanoen niiden • · · bolometrielementtien SIN-liitokset, joita ei lueta, eivät lämmitä piiriä, joten tämän sovellu- * · **,*·* 30 tusmuodon avulla voidaan oleellisesti vähentää kytkintransitioiden merkitystä multipleksatta- • · : ’·· essa. Erityisesti parannusta saavutetaan perinteisiin mekaanisiin kytkimiin ja FET-kytkimiin, • · · · • · ··· 119158 12 mutta myös ylempänä esitettyyn sähköiseen lämmitykseen perustuvaan kaksoistransitioreuna-bolometrisovellukseen nähden.

Lähellä SIN-liitoksen kynnysjännitettä kohina määräytyy raekohinasta (shot noise) tai fo-5 nonikohinasta (fonon noise), kun taas nollabiaksella kohina määräytyy fluktuaatio- dissipaatioteoreeman mukaisesti dynaamisesta vastuksesta. Olemme yllättäen myös todenneet, että SIN-liitoksen lämpötilaherkkyys on riittävä siihen, että raekohina ei rajoita sen resoluutiota käytettäessä liitosta esillä olevassa ratkaisussa aikamultipleksauskytkimenä toisena bolo-metrin ominaisuudessa.

1°

Voidaan osoittaa, että terminen kohina nollabiaksella on ainakin 2exp(-A/kBTsN) kertaa pienempi kuin jännitteellisessä tapauksessa, kun Δ on suprajohteen kielletty vyö, kB on Boltzman-nin vakio ja Tsn on liitoksen lämpötila. Edullisen sovellutusmuodon mukaan yhtä vahvistinta kohden kennossa onkin korkeintaan exp(-A/kBTsN)/2 rinnakkaista SIN-liitosta, jolloin inaktiivi-15 set liitokset eivät luennassa lisää kohinaa merkittävästi. Tässä ei ole huomioitu liitoksissa mahdollisesti esiintyvää vuotovirtaa, joka voi lisätä yksittäisten liitosten aiheuttamaa kohinaa hieman. Teoriassa esillä olevan ratkaisun kohinataso saa noustakin jonkin verran verrattuna perinteisiin aikamultipleksauspiireihin, sillä signaalikin on suurempi ensimmäisen bolometrin . ·: ·. tehovahvistuksen hyödyntämisen takia.

• * · 20 * * ···

Erityisesti inaktiivisten liitosten vuotovirta on hyväksyttävää silloin, jos aktiivinen liitoksen • · i kohina määräytyy fononikohinasta, jolloin kokonaiskohina pysyy helpommin riittävän piene- ·· « nä. Voidaan osoittaa, että fononikohinan S(fononi) suhde raekohinaan S(raekohina) on :***· (Ri^ji/2R)sqrt(nkBTA/2e2), jossa Rtsinon terminen vastus, R liitosvastus ja Tliitoksen lämpöti- ··· 25 la. Esimerkiksi jos T= 5 K, fononikohina on määräävä tekijä ehdon Rtsin > 2500R K/W täyt-ϊ V: tyessä. Tämä on suhteellisen helppo saavuttaa, jos liitosvastus pidetään suhteellisen alhaisena.

Liitosvastus sovitetetaan kuitenkin edullisesti niin suureksi kuin mahdollista siten, että liitok- ··· : sen sovittaminen huoneen lämpötilassa olevaan vahvistimeen helpottuu. Toisaalta, tennistä ··· · j***: vastusta ei haluta kasvattaa liikaa, koska tällöin sähköinen teho ensimmäisestä bolometristä 30 voi lämmittää vastuksen liian korkeaan lämpötilaan.

• * · 13 119158

Mikäli käytettävän SIN-liitoksen dynaaminen vastus lähellä kynnysjännitettä on hyvin pieni, voidaan liitoksia asettaa sarjaan dynaamisen impedanssin nostamiseksi. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää termistä takaisinkytkentää tai se voidaan biasoida hiukan kynnysjännitteen alapuolelle liitoksen impedanssi tason nostamiseksi. Erityisesti näitä vaihtoehtoja voidaan käyttää, 5 jos yksittäisen liitoksen dominoiva kohinan lähde on fononikohina tai ensimmäisen bolometrin tehovahvistus on suuri.

Edelleen, SIN-liitosten 1/f kohinaa voidaan eliminoida myös siten, että vaihtojännite kytketään lyhyeksi aikaa pois SIN-liitosten toimintapisteen kalibroimiseksi. SIN-liitosten lukeminen 10 tapahtuu yksinkertaisesti kytkemällä yhteen riviin jännite liitosten yli kaikkien muiden liitosri-vien ollessa jännitteettömiä. Niinpä näiden virtavahvistimien anto on suoraan verrannollinen kunkin SIN-liitoksen lämpötilaan.

On huomattava, että myös SIN-liitoksessa voi esiintyä terminen takaisinkytkentä transitioreu-15 nabolometrin tapaan, jos käytetty teho ja terminen vastus suhteessa ympäristöön ovat riittävän suuret. Niinpä ensimmäisenä bolometrinä voidaan joissain järjestelyissä käyttää SIN-liitosta transitioreunabolometrin sijaan.

. ·: ·, TES- ja SIN-bolometrien suprajohteina voidaan käyttää matalan tai korkean lämpötilan supra- * , * · ·. 20 johteita. Jos pystytään kehittämään korkeisiin lämpötiloihin riittävän hyvän herkkyyden • · »·« .,..; omaavia bolometrejä, ja integroivana bolometrinä käytetään esim. diodia, voidaan toteuttaa • · : .*, keksinnön mukainen bolometrikenno ja multipleksaus myös korkeimpiin lämpötiloihin, jopa • · · • · · · : ·, huoneen lämpötilaan. Tällöin kuvantaminen kohdistetaan edullisesti korkeimmille taajuuksil- • · * . · · ·, le, kuten näkyvän valon alueelle esimerkiksi pimeänäkölaitteita ajatellen.

• · · * 25 ; ·, Parhaan luennan aikaansaamiseksi ensimmäinen bolometri optimoidaan terahertsialueen te- * * * . * * *, honsovituksen sekä termisen isolaation mielessä. Erityisesti terahertsialueen avaruustutkimus- • · • · · . , ta varten kennon herkkyyttä voidaan lisätä jäähdyttämällä se alle 1 K:n lämpötilaan.

• · · • · · • · • · · • · • * *.** 30 Seuraavaksi tarkastellaan lähemmin keksinnön mukaista aikamultipleksausta yllä kuvattujen « kennorakenteiden (kuviot 3 ja 6) tapauksessa. Kennot muodostetaan yleensä kaksidimensio- • · 14 119158 naalisten ortogonaalisten hilojen muotoon, siten, että niissä on rivejä 380x, 680x ja sarakkeita 390x, 690x (x = a ..'. n). Kuhunkin sarakkeeseen 380x, 390x liittyy lukujohde 324,624, joka on kytketty vahvistimeen 320x, 620x. Kuhunkin riviin taas liittyy rivinvalintajohde 354, 674, joka kulkee oleellisesti lukujohteeseen 324,624 nähden kohtisuorassa linjassa elementiltä 5 elementille. Niinpä pienikohinainen aikamultipleksaus saavutetaan tässä kuvatulla tavalla niin, että toinen bolometri 302, 602 kytketään ensimmäiseen bolometriin 301,601 ja lukupiiristöön siten, että sitä voidaan käyttää ilmaisimena ja kytkimenä samalla kertaa. Esimerkkitapauksissa hyödynnetään biasjännitteen ja valintavirran (TES) tai valintajännitteen (SIN) aikaansaamaa toisten bolometrien lämpötilan (TES) tai jännitetilan (SIN) nousua. Niinpä TES-bolometri kytketään 10 rivinvalintajohteeseen 354, 674 yleensä sarjaan ja SIN-bolometrit rinnan. Alan asiantuntija ym märtää, että sama periaate on sovellettavissa myös muissa keksinnön puitteissa ajateltavissa olevissa rakenteissa, joissa toisessa bolometrissä on havaittavissa sähköterminen transitio jolloin sitä voidaan käyttää sähköisesti, magneettisesti tai säteilyn avulla ohjattavana kytkimenä. Supratransition voimakkuuden ja alennetusta lämpötilasta johtuvan matalan kohinatason takia 15 suprajohdepohjaiset bolometrit ovat kuitenkin tällä hetkellä edullisimpia. Verrattuna erillisillä kytkimillä toteutettuun multiplekseriin, joka lisää huomattavasti tehonkulutusta ja kytkintran-sitioiden kautta kohinaa, esillä oleva menetelmä ja piiristö on tässä suhteessa huomattavasti edullisempi.

:T: Tarkemmin sanottuna, jos toiset bolometrit ovat tyypiltään transitioreunabolometreja tai sentapai- :**[: 20 siä, niiden lämmitysvastukset on riveittäin kytketty Saijaan, jolloin luettavat elementit valitaan “1 lämmittämällä kyseisen rivin transitioreunabolometrejä valintavirran avulla siten, että ne siirtyvät • « |fj j suprajohtavasta tilasta resistiiviseen tilaan, jolloin vastaaviin elementteihin kohdistunut säteily on ·· • *·· ilmaistavissa vahvistimien avulla ainoastaan näin valituista elementeistä.

··· • · • ♦ • m

Jos taas toinen bolometri käsittää SIN-liitoksen tai sentapaisen, nämä on riveittäin kytketty rivin- , V. 25 valintajohteeseen rinnan, jolloin luettavat elementit valitaan saattamalla niiden SIN-liitokset lä- ♦ · · • · .···. helle niiden kiellettyä vyötä valintajännitteen avulla siten, että vastaaviin elementteihin kohdistu- • · ··« , ·. nut säteily on ilmaistavissa vahvistimien avulla ainoastaan näin valituista elementeistä.

• · * • · ♦ «·· · • · • · *Γ Yhteenvedonomaisesti voidaan sanoa, että yllä kuvatulla tavalla toisen bolometrin termokom- t· • · t ** 30 ponentin transitiopistettä (transitioaluetta) voidaan hyödyntää paitsi kytkemällä se termisesti 1·« • ♦ • % ··· 119158 15 toiseen lämmitysvastukseen jolloin sen lämpötila on säädettävissä toisen lämmitysvastuksen läpi kulkevan virran avulla, myös siten, että sen herkkyys havainnoitavalle säteilylle riippuu bolometrin yli vaikuttavasta lämmittävästä virrasta (TES-bolometri) tai jännitteestä (SIN-bolometri). Yleisesti sanottuna molemmissa kuvatuissa sovellutusmuodoissa kennon luennassa 5 hyödynnetään biasjännitteen ja valintavirran (/-säteilyn/-magnettikentän) (TES) tai valintajännit-teen (SIN) aikaansaamaa toisten bolometrien energiatilan, eli lämpötilan (magneettikentän) (TES) tai jännitteen (SIN), nousua.

Esillä oleva kytkentä saa aikaan sen, että signaali voidaan tehokkaasti vahvistaa ennen multi-10 pleksausta ja lisäksi yksittäisen elementin signaali voidaan efektiivisesti alipäästösuodattaa näytteenottotaajuuden ollessa suurempi kuin suodattimen rajataajuus. Aikamultipleksauspiirin jälkeen signaalia voidaan vahvistaa pienikohinaisella vahvistimella. Tällaisen vahvistimen efektiivinen kohina ottoon redusoituna (siis huomioiden elementin tai sen jälkeen asetetun vahvistimen vahvistus) on pienempi kuin neliöjuuri yhden elementin mittausajan suhteesta 15 koko mittausaikaan kertaa kohina toisen bolometrin annossa.

Yhden sovellutusmuodon mukaan toisena bolometrinä käytetään sellaista bolometriä, jonka terminen aikavakio on pitkä. Tähän pääsemiseksi toisen bolometrin aikavakio asetetaan sen tt< termistä massaa hyödyntäen riittävän pitkäksi. Tällä saavutetaan se etu, että toisen bolometrin S S 1 |M 20 aikavakio toimii kytkennässä integraattorin tavoin ja siten estää kohinan laskostumisen, mikä • 1 ***, osaltaan parantaa saavutettavaa signaali-kohina-suhdetta.

• · • · • · e * · · "1 1 Erityisesti esillä oleva ratkaisu soveltuu kennoihin, joissa on ainakin 50, tyypillisesti ainakin • · • ·· 100 rinnakkaista aikamultipleksauksen avulla luettavaa pikseliä / vahvistin. Olemme osoitta- • · 25 neet, että edes sadan vastusbiasoidun ja SIN-kytkimeen perustuvan bolometrin rinnakkainen kytkentä ei lisää merkittävästi kohinaa piirin ulostulossa. Niinpä ratkaisu mahdollistaa täydel- • « · tMφ lisen aikarajoitteiseen multipleksaukseen perustuvan kameran, jonka resoluutio rajoittuu pel- *·1 käsiään ilmaisinbolornetrin fononikohinaan, valmistamisen.

• · » · · • · · ··1 · · · e *·;2 3 30 Useita bolometrielementtejä sisältävä kennorakenne toteutetaan edullisimmin yhdelle yhtenäi- ·» • 1·· selle alustalle, yleensä tunnettuja mikrotyöstötekniikoita käyttämällä. Tällaisessa alustassa on 2 ·»» • t • 1 3 16 119158 tyypillisesti yksi tai kaksi normaalimetallikerrosta ja ainakin yksi suprajohtava kerros. Niinpä koko kenno, jossa voi siis olla tuhansia bolometriantenneja ja siten tuhansia kuvaelementtejä, voidaan työstää esimerkiksi kasvattamalla yhdelle puolijohdealustalle, esimerkiksi piikiekolle. Niinpä mitään erillisiä komponentteja ei välttämättä tarvitse lisätä kameraelementtiin, vaan 5 ilmaisinelektroniikka ja lukuelektroniikka, jopa vahvistuselektroniikka, voidaan toteuttaa samalle alustalle hyvin tiheänä rakenteena, eli siten, että antennit sijaitsevat hyvin lähellä toisiaan. Silti signaalin ilmaisuun on käytettävissä hyvin suuri pinta-ala, mikä on edullista kennon herkkyyden kannalta. On huomattava, että toiminnallinen kennorakenne saadaan aikaan kuvatulla tavalla ilman mikromekaanisia kytkimiä tai erillisiä IC-komponentteja. Suprajohteista 10 ram. niobium soveltuu bolometrin yhdeksi valmistusaineeksi hyvin.

Edullisen sovellutusmuodon mukaan yllä kuvatulla tavalla muodostettu rakenne etsataan tai muuten lämpöeristetään bolometrien ja elementtien välisen termisen isolaation saavuttamiseksi. Kamerassa kennorakenne myös edullisesti eristetään ympäristöstä termisesti.

15

Kuvioissa 7a ja 7b on esitetty kahdessa eri mittakaavassa ja perspektiivissä perinteinen bolo-metriantenni 710 ja suprajohtava lankabolometri 720. Lankabolometri 720 on termisesti isoloitu alustastaan ilmaraon avulla. Kuten alan asiantuntuja ymmärtää yllä olevan kuvauksen .,. perusteella, esitetty antenni- ja ilmaisinrakenne sopii sovellettuna myös esillä olevan keksin- • · · 20 non ja sen sovellutusmuotojen mukaisen elementin pohjaksi.

• · *·· • · . . Valmis kenno liitetään sähköisesti tarvittavaan ohjauselektroniikkaan ja/tai muuhun elektro- φ · · J” * nilkkaan, kuten alan asiantuntija ymmärtää. Lisäksi tarvitaan yleensä kennoa jäähdyttävää • · · ’... kiyogeniikkaa, sekä erityisesti kamerasovelluksessa myös kennon ilmaisinpinnan kohteen · 25 välistä millimetrioptiikkaa sekä kuvankäsittelyelektroniikkaa ja/tai-ohjelmistoja. Näiden to- .. teuttamiseksi voidaan käyttää jo tunnettuja tai nimenomaisesti tätä tarkoitusta varten kehitetty- • · ♦ *... ja teknisiä ratkaisuja, kuten alan asiantuntija ymmärtää.

* · • · · • · * · · " Keksintö mahdollistaa valmistaa suhteellisen edullisesti tuhansia pikseleitä sisältävän erittäin • · * • · '·*·* 30 herkän näkyvän valon, terahertsi- tai gigahertsialueen, eli (ali)millimetri- tai infrapuna-alueen !f!,! (sisältäen lähi-, keski- ja kaukoinfrapuna-alueen) kameran yksittäisten fotonien tai hiukkasten • t 119158 17 energian mittaamiseksi. Erityisesti keksintö soveltuu herkkyytensä takia passiivisiin kamera-sovelluksiin Joille on tarvetta esimerkiksi turvatarkastuksissa haitallisten aineiden ja esineiden ilmaisinvälineenä. Bolometrikameran yksi tärkeä sovellutus onkin sen käyttäminen esimerkiksi aseiden ja räjähteiden tunnistamiseen esimerkiksi henkilöistä jopa vaatteiden läpi. Niinpä 5 sen käyttökohteina ovat esimerkiksi lentokentät, tullit, satamat yms.

«·1 2 3 • · · » · » ··· • · 1 ·»· • · • · • « t • · t ·» m ·· • · • 1 · • · · • · • · ··· • a • « · • · · • · ··· • · • · · · • 1 • · · • 1 ··· · • · · • · • · *· • · • ·· 1· 2 • 1 • 1 3

Claims (29)

1. Bolometrielementti, joka käsittää ensimmäisen bolometrin (301,601), jossa on ensimmäinen lämmitysvastus (311, 5 611) elementtiin kohdistuneen säteilytehon havaitsemiseksi, ja ensimmäiseen bolometriin liitetyt johteet elementtiin kohdistuneen säteilytehon ilmaisemiseksi sähköisesti, tunnettu siitä, että elementti käsittää lisäksi - toisen bolometrin (302,602), jossa on toinen lämmitysvastus (312,612), 10 jolloin ensimmäinen (301,601) ja toinen bolometri (302,602) on kytketty sähköisesti toi siinsa siten, että ensimmäisen bolometrin lämmitysvastus (311,611) on biasoitavissa jännitteen avulla toisen bolometrin lämmitysvastuksen (312,612) kautta havaitun säteilytehon vahvistamiseksi kytkennän avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen bolometrielementti, tunnettu siitä, että ensimmäinen 15 bolometri (301,601) on supratransitiota hyödyntävä bolometri, edullisesti transitioreu- nabolometri tai SIN-liitos -bolometri.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen bolometrielementti, tunnettu siitä, että toinen bolometri (302, 602) käsittää sähkötermisen transitiopisteen omaavan termokomponen- .1··. tin, edullisesti suprajohdepohjaisen teimokomponentin, joka on termisesti kytketty toi- <·· 20 seen lämmitysvastukseen termokomponentin lämpötilan säätämiseksi toisen lämmitys- : vastuksen (312,612) tehon avulla. • · 1 ··· t

· • · · " 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen bolometrielementti, tunnettu siitä, että termokompo- • *···1 nentti on käyttölämpötilassa johtavassa tilassa, kun biasjännite on pieni tai kytketty pois, j a saatettavissa resistiiviseen tilaan ainakin osin biasj ännitteen kytkemisen avulla. • · • 1· •

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen bolometrielementti, tunnettu siitä, että ; toinen bolometri (302,602) on transitioreunabolometri. • 1· • · ··· • « * · « · • · · • · · ··· · 19 119158

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen bolometrielementti, tunnettu siitä, että toinen bolometri (302,602) on SlN-liitos-bolometri (suprajohde - eriste - normaali metalli).

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen bolometrielementti, tunnettu siitä, että 5 ensimmäinen (311,611) ja toinen lämmitysvastus (312,612) ovat käyttölämpötilassa samaa suuruusluokkaa, toisen lämmitysvastuksen (312,612) ollessa edullisesti hieman, tyypillisesti noin 0,01 - 50 %, ensimmäistä lämmitysvastusta (311,611) pienempi.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen bolometrielementti, tunnettu siitä, että toisen bolometrin (302,602) terminen aikavakio käyttölämpötilassa on riittävän pitkä 10 estämään kohinan laskostuminen kytkennässä.

9. Bolometrikenno, joka käsittää useita bolometrielementtejä sijoitettuna yksi- tai kaksiulotteiseksi matriisiksi sekä johteet bolometrielementteihin kohdistuneen säteilytehon ilmaisemiseksi sähköisesti kustakin bolometrielementistä, jolloin kukin bolometrielementti käsittää ensimmäisen bolometrin (301,601), jossa on ensimmäinen lämmitysvas- 15 tus (311,611) elementtiin kohdistuneen säteilytehon havaitsemiseksi, tunnettu siitä, että kukin bolometrielementti käsittää lisäksi toisen bolometrin (302,602), jossa on toinen lämmitysvastus (312,612), jolloin kussakin bolometrielementissä ensimmäinen (301, ··· V * 601) ja toinen bolometri (302,602) on kytketty toisiinsa sähköisesti siten, että ensimmäi- *·* *...* sen bolometrin (301,601) lämmitysvastus (311,611) on biasoitavissa jännitteen avulla **’* 20 toisen bolometrin (302,602) lämmitysvastuksen (312,612) kautta havaitun säteilytehon * · : vahvistamiseksi kytkennän avulla. aa • · a aa * .

* * *. 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen bolometrikenno, tu nnettu siitä, että kukin bolomet- aa 77 • •t rielementti on jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen. • a • a

: 11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että se käsittää • a **"* 25 johteet (330,630) saman biasjännitteen johtamiseksi kuhunkinbolometrielementtiin. • a a a a • aa a a ,*··.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 9-11 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että bolo- a a a a a ·. metrielementit on järjestetty matriisiksi riveihin (380a ... 380n, 680a .. .680n) ja sarakkei- a a a ***** siin (390a ... 390n, 690a .. .690n), jolloin kukin sarake on yhdistetty tai yhdistettävissä a a 119158 20 lukujohteen (324,624) kautta virtavahvistimeen (320,620) siten, että sarakkeen kaikki bolometrielementit ovat luettavissa tämän virtavahvistimen (320,620) avulla.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että kukin rivi (380a ... 380n, 680a ...680n) käsittää rivinvalintajohteen (354,674) ja kunkin bolometriele- 5 mentin toinen bolometri (302,602) omaa sähkötermisen transitiopisteen, ollen edullisesti suprajohdepohjainen, jolloin toiset bolometrit (302,602) on liitetty rivinvalintajohteeseen (354,674) siten, että ne toimivat lämpötilaherkkinä kytkiminä.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että kunkin bo-lometrielementin toinen bolometri (302) on reunatransitiobolometri tai sentapainen ja ku- 10 kin rivi (380a ... 380n) sisältää rivinvalintajohteen (354), jonka kautta kyseinen rivi on valittavissa virran avulla vahvistimella (320) lukua varten esilämmittämällä rivin toisia bolometrejä (302).

15. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että kunkin bo-lometrielementin toinen bolometri (602) käsittää SIN-liitoksen tai sentapaisen ja kukin ri- 15 vi (680a .. .680n) sisältää rivinvalintajohteen (674), jonka kautta kyseinen rivi on valitta vissa jännitteen avulla vahvistimella (620a ... 620n) lukua varten siten, että SIN-Iiitos tuodaan lähelle sen kiellettyä vyötä, jolloin virtavahvistimen (620a... 620n) anto on ver- ·1#1 V 1 rannollinen SIN-liitoksen lämpötilaan. ··· • e * · ··»

16. Patenttivaatimuksen 14 tai 15 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että se on ele- Ϊ 20 menteittäin luettavissa mainittujen virtavahvistimien ja rivinvalintajohteiden avulla käyt- ·2 3 · täen aikamultipleksointia.

··« • · *** 17. Jonkin patenttivaatimuksen 9-16 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että se on . . valmistettu yhtenäiselle alustalle, joka käsittää ainakin yhden suprajohdekerroksen ja ai- • · · t » φ I,; nakin yhden, edullisesti kaksi, metallikerrosta. • · " • · • M • .1. 25 18. Patenttivaatimuksen 16 tai 17 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että bolomet- ··# · . 1 1 1. rielementit on termisesti isoloitu toisistaan alustalla esimerkiksi etsaamalla. • · • · • 1· M * · 2 • · 3 21 119158

18 119158

19. Jonkin patenttivaatimuksen 9-18 mukainen bolometrikenno, tunnettu siitä, että bolo-metrielementtien määrä kennolla on ainakin 1 x 50, tyypillisesti ainakin 50 x 50, edullisesti vähintään 100 x 100.

20. Bolometrikamera, tunnettu siitä, että se käsittää jonkin patenttivaatimuksen 9-19 mu- 5 kaisen bolometrikennon.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen bolometrikamera, tunnettu siitä, että se bolometriken-no käsittää sähkötermisen transitiopisteen käsittäviä bolometrielementtejä ja kamera edelleen käsittää kryogeeniset välineet bolometrikennon jäähdyttämiseksi alle sen sisältämien bolometrielementtien transitiolämpötilan,

22. Patenttivaatimuksen 20 tai 21 mukainen bolometrikamera, tunnettu siitä, että se käsittää ohjaus- ja lukupiiristön bolometrikennon lukemiseksi aikamultipleksauksen avulla.

23. Jonkin patenttivaatimuksen 20 - 22 mukainen bolometrikamera, tunnettu siitä, että se käsittää millimetri- tai alimillimetriaaltoalueen optiset välineet kameran ulkopuolelta johdetun säteilykuvion johtamiseksi edelleen bolometrikennon elementeille säteilykuvion 15 ilmaisemiseksi bolometrikennon avulla.

, *: ·. 24. Menetelmä jonkin patenttivaatimuksen 9-19 mukaisen bolometrikennon lukemiseksi ai- • * » . · · ·. kamultipleksauksen avulla, jolloin bolometrikennon bolometrielementit on jäljestetty useita rivejä (380a... 380n,680a ...680n) ja useita sarakkeita (390a ... 390n,690a • · : .·, ...690n) käsittäväksi matriisiksi, jossa kukin rivi käsittää rivinvalintajohteen (354,374) ja • · · ♦ · · · :·. 20 kukin sarake vahvistimeen kytketyn lukujohteen (342,624), tunnettu siitä, että biasjän- • · . · · ·. nitteen ollessa päälle kytkettynä kukin sarake luetaan elementeittäin lukujohteiden kautta • * · samanaikaisesti viiran avulla siten, että elementtejä multipleksataan ajassa riveittäin käyt- : ·. tämällä elementtien toisia bolometrejä (302,602) kytkiminä, jotka avataan ja suljetaan • .*··. yksitellen riviin kohdistetun valintavirran tai valintajännitteen avulla. «·· • · •‘.'•I 25

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään toisia bolo- ·· · • m. # ϊ metrejä (302,602), jotka omaavat sähkötermisen transitiopisteen, ollen edullisesti supra- . . *. johdepohjaisia, käsittäen tyypillisesti transitioreunabolometrih tai SIN-liitoksen, jolloin ·«» ....; luennassa hyödynnetään biasjännitteen ja valintavirran (350) tai valintajännitteen (670) ✓ . 22 119158 aikaansaamaa toisten bolometrien (320) energiatilan, tyypillisesti lämpötilan tai jännitteen, vastaavasti, nousua.

26. Patenttivaatimuksen 24 tai 25 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kunkin elementin toinen bolometri (302) käsittää transitioreunabolometrin tai sentapaisen, joiden lämmitys-5 vastukset (312) on riveittäin kytketty sarjaan, jolloin luettavat elementit valitaan lämmit tämällä kyseisen rivin transitioreunabolometrejä valintavirran avulla siten, että ne siirtyvät suprajohtavasta tilasta resistiiviseen tilaan, jolloin vastaaviin ensimmäisiin bolometieihin (301) kohdistunut esivahvistettu säteily teho on ilmaistavissa vahvistimien (320) avulla valituista elementeistä.

27. Patenttivaatimuksen 24 tai 25 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kunkin elementin toinen bolometri (602) käsittää SIN-Iiitaksen, jotka on riveittäin kytketty rinnan, jolloin luettavat elementit valitaan saattamalla niiden SIN-liitokset lähelle niiden kiellettyä vyötä valintajännitteen avulla siten, että vastaaviin ensimmäisiin bolometreihin kohdistunut esivahvistettu säteilyteho on ilmaistavissa vahvistimien (620) avulla valituista elementeistä.

28. Jonkin patenttivaatimuksen 24 - 27 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään toisia bolometrielementtejä, joiden termiset aikavakiot ovat pitkiä kohinan laskostumisen välttämiseksi. *«♦ • * * • · a a .

* * *. 29. Jonkin patenttivaatimuksen 24 - 28 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään aaa •;: vahvistimia (420,620), joiden efektiivinen kohina ottoon redusoituna on pienempi kuin • .’· 20 neliöjuuri yhden elementin mittausajan suhteesta koko mittausaikaan kertaa kohina toisen • a* a • bolometrin annossa. • a * · a · a a aaa a a a · a · · a aaa a * a · a · · a a · a a · « a* a a a a a a a a a a a a a a a a a • a a a a a a a a 23 119158