ES2965453T3 - Detector de radiación electromagnética - Google Patents
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Abstract
Se describe un detector de radiación electromagnética (RL). El detector comprende: -una capa policristalina orientada (2) de material termoeléctrico, -un sustrato (1) superpuesto a la superficie superior de la capa policristalina orientada de modo que la superficie posterior (10) esté en contacto con la capa policristalina orientada, - primer y segundo electrodos espaciados entre sí y en contacto eléctrico con la capa policristalina orientada. El sustrato comprende al menos una capa cerámica y la capa policristalina orientada tiene una orientación cristalina en un ángulo comprendido entre 30 grados y 5 grados con respecto a una normal a la superficie superior del sustrato. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Detector de radiación electromagnética
Descripción
La presente invención se refiere a un detector de radiación electromagnética, en particular radiación láser.
Los detectores de radiación láser para detectar pulsos de alta energía (es decir, de 10-3 a 10 J) están representados principalmente por los calorímetros, las termopilas y los sensores piroeléctricos. Las termopilas se pueden subdividir, además, en dos categorías diferentes: dispositivos radiales y axiales.
Los calorímetros miden la potencia incidente sobre la superficie objetivo midiendo el diferencial de temperatura entre la entrada y la salida de un refrigerante líquido. Estos detectores experimentan el tiempo de respuesta más lento de todos los tipos de detectores antes mencionados, es decir, decenas de segundos.
Las termopilas radiales están representadas por discos térmicos, incluyendo el disco objetivo de la radiación un conjunto de termopares dispuestos en dos círculos concéntricos, a su vez concéntricos con el disco. Cuando se establece un gradiente térmico radialmente en el disco por medio de radiación láser que incide en el mismo, el conjunto de termopares genera una fuerza electromotriz (e.m.f) o voltaje representativo de la potencia de la radiación láser incidente. El tiempo de respuesta natural de este tipo de termopilas está entre aproximadamente 1 s y 60 s, dependiendo de su diseño. El tamaño y el tiempo de respuesta son dos inconvenientes importantes de estos tipos de medidores de potencia. Normalmente, el tamaño hace que resulte difícil encajar un cabezal de un medidor de potencia en un aparato láser para la medición de la potencia.
Por lo tanto, existe una necesidad de un cabezal de medidor de potencia láser económico que tenga un sumidero de calor que sea significativamente más pequeño que los sumideros de calor antes analizados de la técnica anterior, pero que siga teniendo la capacidad de medir potencia láser de onda continua (CW) relativamente alta con un tiempo de respuesta menor.
Las termopilas axiales son dispositivos de tipo Peltier, diseñados adoptando múltiples termopares interconectados eléctricamente, que pueden medir un flujo de calor axialmente en un sustrato adecuado. Este tipo de sensores que usan el efecto termoeléctrico convencional son una evolución de la termopila radial común. Este tipo de detectores puede ser de menor tamaño, en comparación con las termopilas radiales. No obstante, el diseño térmico de esta clase de sensores únicamente permite tiempos de respuesta naturales que en la actualidad son del orden de 0.1 a 1 s. Además, el diseño de múltiples termopares axiales implica normalmente una cobertura escasa del área activa del sensor.
Los sensores basados en el efecto piroeléctrico convierten un gradiente térmico en una señal eléctrica. Es decir, el cambio de polarización debido a un gradiente térmico da origen a un voltaje en el cristal. Por otro lado, combinan la alta sensibilidad (que puede ser de hasta 1000 V/W) con la posibilidad de personalizar su diseño para pulsos de alta energía, y frecuencias de repetición mayores (en la actualidad de hasta 200 kHz), en comparación con las termopilas y los calorímetros. No obstante, los sensores piroeléctricos están limitados actualmente por su incapacidad de medir radiación láser de onda continua (cw), debido a la corriente de fugas natural que se produce en el material activo. De hecho, el principio de funcionamiento de los materiales piroeléctricos, basado en la respuesta a cambios transitorios de temperatura, permite solamente mediciones de fuentes láser que van de las pulsadas a las de casi cw, pero no puramente cw, o de pulsos largos.
Una categoría relativamente más nueva y diferente de medidores de potencia queda definida por unos sensores que utilizan el efecto termoeléctrico transversal, y que presentan varias ventajas en comparación con los tipos analizados previamente.
Los sensores que utilizan el efecto del voltaje transversal inducido por láser (LITV) convierten también un gradiente térmico en una señal eléctrica. Se sabe que las películas delgadas de materiales adecuados (por ejemplo, Bi, Bi2Te3, al:ZnO, Sb), depositadas con un ángulo de desviación entre la fuente de evaporación y el sustrato, presentan una respuesta termoeléctrica transversal a la radiación láser. Es decir, si hay presencia de un gradiente térmico a lo largo de la dirección normal a la superficie de la película, se genera una respuesta termoeléctrica, longitudinalmente con respecto al plano de la superficie de la película. La intensidad de la señal eléctrica generada, obtenible a lo largo del plano longitudinal, tiene una dirección bien definida y es paralela a la proyección de los granos en ángulo del material activo de película delgada crecido en el sustrato, presentando un mínimo en la dirección perpendicular coplanaria.
La adopción del efecto de LITV tiene la ventaja intrínseca de presentar una buena eficiencia de conversión de una señal térmica en voltaje eléctrico, al tiempo que presenta tiempos de respuesta del orden de los nanosegundos. Además, la fabricación del dispositivo resulta más controlable ya que requiere menos etapas tecnológicas, resultando, por tanto, más económica y simplificada. Otra de las ventajas de los dispositivos basados en el LITV con respecto a los dispositivos termoeléctricos convencionales es la cobertura uniforme del área activa, en relación con un diseño basado en termopares dispuestos axialmente.
Por otra parte, el área activa de los sensores basados en el LITV no presenta limitaciones en cuanto al tamaño del área activa, mientras que la uniformidad de la deposición de la película activa se mantiene. Al mismo tiempo, un buen diseño reduce considerablemente el área en torno a la región de captación activa, con lo que se logran dimensiones laterales menores que en las termopilas radiales, cuando se comparan detectores con la misma área activa.
Aunque los sensores basados en el efecto del LITV son muy prometedores en el área tecnológica de la captación de energía/potencia de radiación láser, la desventaja del requisito de aleaciones complejas - compuestas normalmente por materiales tóxicos - plantea una limitación para la producción de la capa activa, como los sensores de los documentos US 2011/0024604 A1, US 2011/0291012 A1, US 2014/0091307 A1 o US 2014/0091304 A1.
Por otra parte, los procedimientos de fabricación divulgados por las patentes anteriores (US 2011/0024604 A1, US 2011/0291012 A1, US 2014/0091304 A1 y US 2014/0091307 A1) describen un crecimiento de tipo epitaxial de la capa termoeléctrica activa inclinada, con red casi ajustada, sobre el sustrato cristalino. Este planteamiento impone fuertes limitaciones con respecto a los materiales utilizables para la película activa y el sustrato, es decir, requiere pares de materiales con redes casi ajustadas, como evidencian claramente las imágenes de TEM del documento US 2011/0024604 A1, y tal como se sabe ampliamente a partir de la literatura técnica. Además, el documento US 2004/0102051 A1 describe formas de realización diferentes de procedimientos de fabricación sobre la base del uso de capas amortiguadoras semilla y estructuras inclinadas artificiales para forzar la deposición sobre el plano cristalino preferido del material termoeléctrico, limitándola a compuestos de los grupos V-VI.
De hecho, en las solicitudes de patente antes mencionadas, existe el requisito de o bien una configuración atómica determinada del sustrato (es decir, un material específico con un plano cristalográfico específico), o bien la presencia de una capa amortiguadora semilla adicional nuevamente con una configuración atómica determinada entre la capa activa y el sustrato. Dicha estructura atómica determinada de la capa amortiguadora semilla es necesaria para influir en un crecimiento de tipo epitaxial de una película altamente cristalina con un ángulo específico con respecto a la superficie del sustrato durante la deposición de la película activa, lo cual añade complejidad a la fabricación así como una etapa de procesamiento suplementaria y crítica.
En particular, el documento US 2011/0024604 A1 describe un procedimiento de crecimiento de películas inclinadas de CaxCoO2 en dos planos específicos del sustrato de AhO3, específicamente el plano n y el plano s, que generan ángulos de inclinación de los planos de CaxCoO2 de 62 ° y 70 ° respectivamente, con respecto a la superficie del sustrato.
El documento US 2011/0291012 A1 divulga diferentes formas de realización, mientras que el crecimiento de la capa termoeléctrica inclinada activa sigue dependiendo de la estructura atómica del sustrato. De hecho, el documento US 2011/0291012 A1 divulga que “el ángulo de inclinación a de los planos cristalinos 35 de la película delgada inclinada 32 se determina en función del ángulo de inclinación p de los planos de bajo índice 34 del sustrato inclinado 31, y a cumple a = p+0, donde 0 es de 0 a 10 grados”.
El documento US 2014/0091304 A1 divulga un procedimiento de fabricación de películas termoeléctricas inclinadas a partir de los grupos de cuprato de bario y disprosio (DyBa2Cu3O7-d), cobaltato de sodio y estroncio (Sr0.3Na0.2CoO2), y cobaltato de estroncio (Sr3Co4Og), que requieren una capa amortiguadora semilla intermedia de materiales, tales como óxido de magnesio (MgO), circonia estabilizada con itrio (YSZ) y óxido de cerio (CeO2). La capa amortiguadora semilla debe tener una estructura granular en columnas con un eje cristalino (eje c) inclinado con un ángulo a en la dirección delbyentre aproximadamente 10 grados y aproximadamente 45 grados, con respecto a una normal a la superficie del sustrato.
En el documento US 2004/0102051 A1, se adopta nuevamente una capa amortiguadora semilla para orientar los granos del material termoeléctrico activo con respecto a la superficie del sustrato. Además, el documento US 2004/0102051 A1 divulga el uso de materiales activos similares para fabricar su dispositivo, y no solamente requiere una capa amortiguadora semilla sino también un tratamiento adicional de recocido posterior a la deposición para orientar el eje c de la capa termoeléctrica en un ángulo adecuado. Esto último añade una complejidad adicional a la fabricación, reduciendo la robustez del proceso industrial total, en comparación con el procedimiento de fabricación adoptado por la presente invención.
Además, el documento US 2004/0102051 A1 divulga, en una forma de realización, el uso de estructuras en forma de tejas, sometidas a ataque químico, en la superficie de silicio del sustrato, que, a continuación, deben cubrirse con un óxido. A continuación, el sustrato se hace girar con el mismo ángulo de las estructuras con respecto a la fuente de evaporación, para obtener un crecimiento más rápido de granos verticales con respecto a las estructuras sometidas a ataque químico. Esos granos están, entonces, en ángulo con respecto a la superficie original del sustrato. Nuevamente, el procedimiento descrito añade complejidad adicional a la fabricación, reduciendo la robustez del proceso industrial total, en comparación con el procedimiento de fabricación adoptado por la presente invención.
El artículo “Enhanced thermoelectric properties of SnSe thin films grown by pulsed laser glancing-angle deposition” [“Propiedades termoeléctricas mejoradas de películas delgadas de SnSe crecidas mediante deposición con ángulo de incidencia con láser pulsado”]; de Chun Hung Suen et al; Journal of Materiomics, Vol. 3, n.° 4, páginas 293-298; ISSN 2352-8478; publicado en línea el 09.06.2017, divulga un dispositivo en el que una película delgada de SnSe, orientada, de nanopilares policristalinos, se deposita, mediante deposición con ángulo de incidencia (GLAD), en la superficie de un sustrato de silicio con una capa intermedia de SiO2 y en la cual se obtienen mediciones termoeléctricas para obtener, por ejemplo, el coeficiente de Seebeck del dispositivo.
Teniendo en cuenta el estado de la técnica, uno de los objetos de la presente es proporcionar un detector de radiación láser que sea diferente con respecto a la técnica anterior y que supere las desventajas de la técnica anterior a la que se ha hecho referencia, es decir, que no haga uso de ninguna capa amortiguadora semilla, que no requiera sustratos orientados altamente cristalinos y que no demande la formación de estructuras artificiales sobre la superficie del sustrato.
La invención se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto.
La presente invención describe un detector de radiación láser que es sencillo de producir, fiable y que se basa en el efecto del LITV para la medición de pulsos de alta energía de radiación láser directa. La fabricación de la capa activa consiste en una única etapa de fabricación y su uniformidad de respuesta por toda el área activa del sensor no varía dentro de un intervalo amplio de rugosidad del sustrato, determinando, así, una estabilidad robusta en el proceso.
El detector según la presente invención hace que aumente el tiempo de respuesta desde el régimen de nanosegundos típico de los sensores basados en el LITV a decenas de milisegundos, permitiendo la digitalización de la señal de voltaje de salida del sensor sin necesidad de una electrónica extremadamente rápida y cara.
Por otra parte, el detector según la presente invención muestra un alto umbral de daño a la radiación láser pulsada, con lo cual se permite la medición de pulsos láser altamente energéticos, es decir, pulsos láser con una energía superior a 10-3 julios con frecuencias de repetición relativamente bajas (por ejemplo, 10 a 100 Hz).
La distribución del detector según la presente invención depende de la fuente láser que se va a medir. Cambiando el grosor del sustrato se pueden adaptar tanto el tiempo de respuesta como el umbral de daño del sensor a la radiación láser, siendo el tiempo de respuesta inversamente proporcional al grosor del sustrato, mientras que el umbral de daño de la capa activa de captación es directamente proporcional al mismo. De esta manera, el sensor descrito por la presente invención tiene la capacidad de medir no solamente radiación láser que va de cw a pulsada, hasta cientos de Hz, sino también de funcionar en un intervalo amplio de densidades de potencia óptica de incidencia (106 a 1012 W/cm), dependiendo de la elección del material para el sustrato. Por otra parte, la naturaleza térmica del sensor permite la capacidad de trabajar en un espectro de banda ancha, desde UV a THz.
El detector según la presente invención comprende un sustrato de un material cerámico, en el que, para el material cerámico, se apunta a un material con alta conducción térmica (es decir, con una conductividad térmica comprendida entre 20 y 200 W/mK) y dieléctrico, con un punto de fusión elevado (superior a 1800 °C), por ejemplo, nitruro de aluminio (AlN) sinterizado, nitruro de silicio (Si3N4) sinterizado, carburo de silicio (SiC) sinterizado, nitruro de boro (BN) sinterizado, carburo de boro (B4C) sinterizado o alúmina (AhO3) sinterizada. No se requiere que el sustrato tenga una orientación de grano específica. Alternativamente, puede usarse un sustrato metálico, pasivado previamente mediante una capa policristalina delgada, dieléctrica, de cerámica provista de un buen coeficiente de conducción térmica (por ejemplo, AlN, Si3N4, SiC, BN, B4C, AhO3).
El sustrato actúa como objetivo de radiación láser incidente en la cara frontal y debe ser totalmente opaco a la radiación electromagnética incidente. Cuando el sustrato seleccionado resulta ópticamente transparente (es decir, AlN, AhO3), en la cara frontal debe añadirse una capa opaca adicional de absorción, de diferentes materiales (por ejemplo, SiC, Si3N4, recubrimientos compuestos de nanotubos de carbono o capas metálicas texturizadas negras) y grosores (0 a 10 pm). Es decir, la radiación electromagnética es totalmente absorbida por el sustrato - o dentro de la capa de absorción - y convertida en calor. Por lo tanto, solamente el flujo de calor, y no la radiación electromagnética, alcanza el material activo directamente, a diferencia del detector descrito en el documento US 2011/0291012 A1, en el que el sustrato es transparente específicamente a la radiación electromagnética.
La elección correcta del sustrato consiste en usar materiales seleccionados con un mayor umbral de daño ante la radiación electromagnética, con respecto al material activo usado, y una resistencia térmica baja total, es decir, el sustrato debe ser delgado con el fin de no reducir excesivamente la velocidad del sensor.
Para reducir la reflectividad, se puede adoptar una texturización por láser para potenciar el atrapamiento óptico de luz en la cara frontal del sustrato.
En la cara posterior del sustrato, se coloca una capa activa policristalina delgada de un material termoeléctrico seleccionado (por ejemplo, Bi, Bi2Te3, Al:ZnO, Sb) con una orientación del cristal en un ángulo de entre 30° y 55°, con un valor óptimo de 45°. El sustrato no está orientado como la capa activa policristalina delgada.
Una de las diferencias principales entre la presente patente y las invenciones previas consiste en que el elemento activo no es altamente cristalino sino que, en cambio, es altamente multicristalino. La adopción de la técnica de GLAD para fabricar la película activa del sensor permite el uso de sustratos sin una configuración atómica específica, tales como capas cerámicas sinterizadas sin la necesidad de depositar capas semilla con configuraciones atómicas específicas ni un procedimiento de lapeado caro para controlar su rugosidad superficial, lo cual añade robustez al procedimiento de fabricación industrial.
Formada debajo del material activo, se coloca una capa delgada de adherencia (< 20 nm) consistente en Ti entre el material activo y la capa de pasivación, compuesta por una película delgada de platino o paladio (80 a 100 nm). El material activo, así como las capas posteriores, deben adoptar la forma de tiras eléctricamente aisladas, adyacentes e íntimamente compactadas. Las tiras deben ser paralelas a la dirección de la proyección de los granos inclinados en el sustrato.
Una capa conductora metálica en contacto eléctrico con la capa activa está configurada para interconectar bien en serie o bien en paralelo los extremos de las tiras de la capa activa formando un chip sensor. Otra de las posibilidades consiste en adoptar una unión con cables para hacer entrar en contacto los extremos de las tiras de material activo con una PCB multicapa, externa, térmicamente aislada.
A continuación, el chip sensor se fija por su superficie posterior a un disipador de calor adecuado.
Breve descripción de los dibujos
Para entender mejor la presente invención, se describen a continuación algunas formas de realización de la misma, meramente a título de ejemplos no limitativos y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1a es una vista en sección transversal de un detector para radiación láser según una forma de realización de la presente invención en una primera etapa del procedimiento de fabricación del detector; la figura 1b es una vista en sección transversal de un detector para radiación láser según una forma de realización de la presente invención en una segunda etapa del procedimiento de fabricación del detector; la figura 1c es una vista en sección transversal de un detector para radiación láser según una forma de realización de la presente invención;
la figura 2 es una vista inferior de una disposición en serie de electrodos y una capa de sensor aplantillada para el detector de la figura 1c;
la figura 3 es una vista inferior de otra disposición en serie de electrodos y una capa de sensor aplantillada para el detector de la figura 1c.
En referencia a las figuras 1 a 3, se describe un detector de radiación láser según una forma de realización preferida de la presente invención.
El detector de radiación láser según la presente invención comprende un sustrato 1 que comprende una capa cerámica sin el requisito de una orientación de grano específica, es decir un material con una alta conducción térmica (superior a 100 W/mK) y dieléctrico con una temperatura de fusión elevada (superior a 1800 °C). El sustrato 1 puede estar constituido por la capa cerámica individual, preferentemente una capa cerámica sinterizada, por ejemplo, nitruro de aluminio (AlN) sinterizado, nitruro de silicio (Si3N4) sinterizado, carburo de silicio (SiC) sinterizado, nitruro de boro (BN) sinterizado, carburo de boro (B4C) sinterizado o alúmina (AhO3) sinterizada, o el sustrato puede comprender un sustrato metálico (que comprenda, por ejemplo, Al o Cu) que se haya pasivado eléctricamente de manera previa con una capa cerámica delgada no orientada, con un buen coeficiente de conducción térmica (por ejemplo, AlN, Si3N4, SiC, BN, B4C, AhO3). Preferentemente, el grosor del sustrato está comprendido en el intervalo entre 50 y 1000 pm; cambiando el grosor del sustrato, se pueden adaptar para una aplicación específica tanto el tiempo de respuesta como el umbral de daño del sensor ante radiación láser, siendo el tiempo de respuesta inversamente proporcional al grosor del sustrato, mientras que el umbral de daño de la capa activa de captación es directamente proporcional al mismo.
Preferentemente, la superficie superior 10 del sustrato 1 presenta una rugosidad Ra inferior a 2 pm.
En la superficie superior 10 del sustrato 1 en la figura 1a, se deposita una capa policristalina 2 con una orientación del cristal en un ángulo a, comprendido preferentemente entre 30 y 55 grados, con respecto a la normal A a la superficie superior 10 del sustrato 1. Es decir, la capa policristalina 2 presenta una estructura de grano en columnas con un eje cristalino P inclinado con el ángulo a con respecto al eje normal A. Preferentemente, la capa policristalina 2 se deposita con una orientación del cristal a 45 grados para obtener una deposición óptima.
La capa policristalina 2 representa la capa activa del detector de radiación láser y es necesario que la estructura cristalina orientada inclinada de la capa policristalina 2 proporcione el efecto termoeléctrico deseado. El sustrato no está orientado como la capa activa policristalina delgada.
La capa policristalina 2 se deposita en la superficie superior 10 del sustrato 1 y no se hace crecer por medio de un crecimiento epitaxial. Por este motivo, el material del sustrato 1 no requiere una orientación de grano específica, como en la técnica anterior, y el sustrato 1 puede estar constituido por la capa cerámica individual, preferentemente una capa cerámica sinterizada.
La capa policristalina 2 se puede depositar adoptando bien la técnica de deposición física en fase de vapor (PVD) o bien la deposición física en fase de vapor por haz de electrones (EBPVD) y colocando el sustrato 1 con el ángulo de desviación a con respecto a la fuente de evaporación, por medio de la técnica de deposición con ángulo de incidencia (GLAD) ampliamente conocida. Esta última forma una estructura de grano altamente multicristalina, inclinada, de la capa activa depositada. La técnica de GLAD está bien descrita en el Capítulo 13 -Glancing Angle Deposition,en Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Tercera Edición), editado por Peter M. Martin, William Andrew Publishing, Boston, 2010, páginas 621 a 678, ISBN 9780815520313, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00013-2. Para obtener la capa policristalina 2 con la orientación del cristal en el ángulo a, la presión parcial dentro de la cámara de deposición durante la evaporación debe estar en el intervalo de 10'3 a 10'7 mbares, la velocidad de deposición en el intervalo de 0.1 a 1000 nm/s y la temperatura del sustrato entre 293 y 500 K.
Preferentemente, la capa policristalina 2 se deposita con una orientación del cristal a 45 grados para obtener una deposición óptima. La capa policristalina 2 es una capa delgada; preferentemente, el grosor de la capa policristalina 2 está comprendido entre 0.3 pm y 10 pm, siendo este un intervalo adecuado para obtener una sensibilidad suficientemente alta combinada con un tiempo de restablecimiento rápido del gradiente térmico por la capa policristalina 2.
El material de la capa policristalina 2 es un material seleccionado de entre un grupo constituido por material termoeléctrico que comprende bismuto (Bi), telururo de bismuto (Bi2Te3), óxido de zinc dopado con aluminio (Al:ZnO) y antimonio (Sb). Preferentemente, el material que contiene bismuto se deposita sobre la superficie superior 10 del sustrato 1 mediante una técnica de evaporación térmica.
La rugosidad Ra de la superficie superior del sustrato 1 ayuda a la adherencia de la capa de material activo 2 al sustrato 1 evitando la delaminación y hace que aumente la reflexión difusa del detector.
Incluso se puede adoptar una rugosidad relativamente alta (> 0.6 pm) sin afectar a las propiedades termoeléctricas transversales de películas con un grosor inferior a 500 nm. De hecho, siempre que la orientación media de los granos inclinados permanezca inalterada, la respuesta del sensor permanece globalmente estable, utilizando un punto con un diámetro >> Ra.
En la superficie superior de la capa policristalina 2 se forma una capa de adherencia 3; preferentemente, la capa de adherencia 3 presenta un grosor inferior a 20 nm y consiste, preferentemente, en titanio.
En la superficie superior de la capa de adherencia 3 se deposita una capa de pasivación 4, preferentemente una capa de alta temperatura de fusión y altamente no reactiva; la capa de pasivación 4 presenta, preferentemente, un grosor que oscila entre 80 nm y 100 nm y consiste, preferentemente, en platino o paladio.
La capa de adherencia 3 está configurada para actuar como capa de adherencia entre la capa activa 2 y la capa de pasivación 4.
En una forma de realización no cubierta por la invención reivindicada según se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto, una capa conductora metálica de contacto 5 se deposita sobre la capa 2 o sobre la capa 4 en caso de que las capas 3 y 4 sean conductoras. La capa conductora metálica 5 está en contacto eléctrico con la capa policristalina 2.
La capa conductora metálica 5 se deposita de manera que forme dos contactos separados entre sí; los contactos de una sola tira representan los electrodos 6, 7. El campo eléctrico transversal entre los electrodos da como resultado un voltaje V(t).
En una forma de realización no cubierta por la invención reivindicada según se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto, el material de la capa conductora metálica 5 puede ser oro (Au), cobre (Cu), plata (Ag) o molibdeno (Mo). Alternativamente, según la invención tal como se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto, la capa 5 está realizada con el mismo material que la capa activa, para evitar efectos de termopar en las uniones entre la capa activa y la capa 5, que se suman en el caso de la interconexión en serie de las tiras, desplazando la línea basal de la señal de voltaje de salida del sensor. Es decir, la capa de contacto 5 puede ser bismuto (Bi), telururo de bismuto (Bi2Te3), óxido de zinc dopado con aluminio (Al:ZnO) o antimonio (Sb).
A continuación, al detector de la figura 1a se le da la vuelta de manera que la superficie posterior 11 del sustrato 1 se convierte en la superficie superior del sustrato 1, según se muestra en la figura 1b.
A continuación, el chip sensor se fija por su cara posterior, es decir la superficie 10 del sustrato 1, a un disipador de calor 60 adecuado utilizando una capa de adherencia térmicamente conductora y dieléctrica 40, tal como se muestra en la figura 3c.
El sustrato 1 actúa como absorbente de radiación láser incidente en la cara frontal. Cuando sea necesario, en la superficie 11 se puede depositar una capa de absorción adicional 9 de diferentes materiales (por ejemplo, SiC, Si3N4, nanotubos de carbono o capas metálicas texturizadas negras) y grosores (0.1 a 10 pm), cuando el sustrato seleccionado resulte ópticamente transparente a la radiación láser (por ejemplo, AlN, AhO3). Para reducir adicionalmente la reflectividad del sustrato ante la radiación electromagnética incidente, se puede llevar a cabo una texturización por láser para formar morfologías superficiales capaces de potenciar el atrapamiento óptico de la luz en la superficie 11 del sustrato. Por lo tanto, el sustrato 1 está realizado con un material que es opaco a la radiación electromagnética o está cubierto con la capa de absorción adicional 9 colocada en la superficie 11.
Capas delgadas de materiales adecuados (por ejemplo, Bi, Bi2Te3, Al:ZnO, Sb), depositadas con un ángulo de desviación entre la fuente de evaporación y el sustrato presentan una respuesta termoeléctrica transversal ante la radiación láser. Es decir, si hay presencia de un gradiente térmico a lo largo de la dirección normal a la superficie de la película, se genera una respuesta termoeléctrica longitudinalmente con respecto al plano de la superficie de película.
La intensidad de la señal eléctrica generada, obtenible a lo largo del plano longitudinal, presenta una dirección bien definida y es paralela a la proyección de los granos en ángulo de la película de material activo crecido sobre el sustratomostrando un mínimo en la dirección perpendicular coplanaria.
El sensor actúa como generador de fuerza electromotriz (e.m.f.) cuando se irradia con un láser de radiación RL. Su señal es proporcional al gradiente de temperatura formado entre la superficie externa de la película activa y su interfaz con el sustrato.
La respuesta del sensor se puede expresar con la fórmula:
V(t)<k>sen(2a) • (Sn — S±) • AT(t),
donde a,SH,S± y AT son, respectivamente, el ángulo de inclinación de los granos de la capa activa 2 con respecto a la dirección normal al plano del sustrato, el coeficiente de Seebeck en la dirección paralela a la proyección de los granos en ángulo de la capa activa 2 sobre la superficie de sustrato 10 de la figura 1a, el coeficiente de Seebeck perpendicular a la superficie de sustrato 10 y el gradiente de temperatura en la película.
Preferentemente, el detector según la invención se debe aplantillar obteniendo una única tira 100 o una pluralidad de tiras 100, preferentemente en forma de tiras eléctricamente aisladas y adyacentes, íntimamente compactadas, según se ilustra en las figuras 2 a 3.
Cada tira 100 tiene, preferentemente, una anchura W1 comprendida entre aproximadamente 0.5 y 30 mm y una longitud L1 en el intervalo comprendido entre 5 y 30 mm. Cada tira es paralela a la dirección de la proyección de los granos inclinados sobre el sustrato 1. El espacio W2 entre dos tiras adyacentes de una pluralidad de tiras debe ser lo menor posible, preferentemente comprendido entre 10 pm y 100 pm, para lograr la máxima cobertura relativa del sustrato por el material de captación. La capa metálica 5 se proporciona para formar los contactos en los extremos S1 y S2 de cada tira; los contactos están separados entre sí. El aislamiento de las tiras se puede llevar a cabo bien mediante ablación láser del detector en la figura 1 o bien mediante un enmascaramiento adecuado del sustrato 1 antes de la deposición de las capas 2 a 5. La formación de las tiras 100 sirve a dos motivos diferentes. En primer lugar, para una mejor captación de la señal eléctrica en los extremos de la tira. En segundo lugar, para adaptar la impedancia del sensor rápido según la invención con la electrónica que digitalizará la señal analógica originada en el sensor. Dados un área rectangular fija del material activo y un grosor de las películas depositadas, la densidad lateral de las tiras viene dictaminada por la impedancia eléctrica del dispositivo totalmente interconectado.
El diseño del circuito conductor se selecciona para optimizar la adaptación de impedancia con la electrónica usada para leer las señales de salida, obtenidas a partir de los electrodos 6 y 7.
Como se muestra en la figura 2, la capa metálica conductora 50 está dispuesta para interconectar en serie los extremos de las tiras de la capa activa 2. Considerando la figura 2, el primer extremo S1 de cada tira de la pluralidad de tiras 101...10n - dispuestas sucesivamente desde la primera tira 101 a la última tira 10n - es el extremo inferior. De forma análoga, el segundo extremo S2 de cada tira de la pluralidad de tiras es el extremo superior en la figura 2. El electrodo 6 se coloca en contacto con la capa policristalina 2 del primer extremo S1 de la primera tira 101 de la pluralidad de tiras. El electrodo 7 se coloca en contacto con la capa policristalina 2 del segundo extremo S2 de la última tira 10n de la pluralidad de tiras. El segundo extremo S2 de la primera tira 101 se coloca en contacto eléctrico, por medio de la capa conductora metálica 50, con el primer extremo S1 de la segunda tira 102 de la pluralidad de tiras, y así sucesivamente.
Como se muestra en la figura 3, la capa metálica conductora 50 está dispuesta para interconectar en serie los extremos de las tiras de la capa activa 2. No obstante, en este caso, a diferencia del detector en la figura 2, hay presencia de una pluralidad de tiras alternadas 201, 301...20n, 30n con orientaciones de grano opuestas. Es decir, las capas policristalinas orientadas de las tiras adyacentes (201, 301; 202, 302...20n, 30n) tienen orientaciones de grano opuestas. La orientación dual de los granos se obtiene llevando a cabo dos deposiciones subsiguientes del material activo. Con la primera etapa de deposición, se elaboran todas las tiras alternadas con una misma orientación de grano, enmascarando adecuadamente el sustrato 1 y, sucesivamente, adoptando bien la técnica de deposición física en fase de vapor (PVD) o bien la deposición física en fase de vapor con haz de electrones (EBPVD) y colocando el sustrato 1 con el ángulo de desviación a con respecto a la fuente de evaporación, por medio de la ampliamente conocida técnica de deposición con ángulo de incidencia (GLAD). La segunda deposición se lleva a cabo después de girar el sustrato 1180 grados en torno al eje, que surge del centro del sustrato y es perpendicular al plano de la superficie. Enmascarando el sustrato 1 de manera adecuada y, sucesivamente, adoptando bien la técnica de deposición física en fase de vapor (PVD) o bien la deposición física en fase de vapor por haz de electrones (EBPVD) y colocando el sustrato 1 con el ángulo de desviación a con respecto a la fuente de evaporación, por medio de la ampliamente conocida técnica de deposición con ángulo de incidencia (GLAD), se elaboran todas las tiras con orientación de grano opuestas, con respecto a las obtenidas durante la primera deposición.
Dicha pluralidad de tiras alternadas 201, 301...20n, 30n forman una sucesión de tiras alternadas 201, 301, 202, 302...20n, 30n. De esta manera, el electrodo 6 se coloca en contacto con la capa policristalina 4 del primer extremo S1 de la primera tira 201 de la pluralidad de tiras 201, 301...20n, 30n. El electrodo 7 se coloca en contacto con la capa policristalina 2 del segundo extremo S2 de la última tira 30n de la pluralidad de tiras 201, 301...20n, 30n. El segundo extremo S2 de la primera tira 201 se coloca en contacto eléctrico, por medio de la capa conductora metálica 50, con el primer extremo S1 adyacente de la primera tira 301 de la pluralidad de tiras 201, 301...20n, 30n en la parte inferior de la figura 3. El segundo extremo S2 de la tira 301 se coloca en contacto eléctrico, por medio de la capa conductora metálica 50, con el primer extremo adyacente de la tira 202 de la pluralidad de tiras 201, 301...20n, 30n en la parte superior de la figura 3, y así sucesivamente. La disposición del detector en la figura 3 permite un detector más compacto con respecto al detector de la figura 2.
Según una variante de la forma de realización de la presente invención, la superficie 10 del sustrato 1 se texturiza (es decir, mediante rayado láser). De esta manera, se obtiene una reducción de la reflectividad y una potenciación consecuente del atrapamiento óptico de la luz.
Según una variante del detector rápido de la invención, sobre la superficie superior 11 del sustrato 1 se deposita una capa de absorción adicional 9. Son materiales adecuados para esta capa SiC, Si3N4, AhO3, TiO, nanotubos de carbono o capas metálicas texturizadas negras. Preferentemente, el intervalo de grosor de esta capa oscila entre 0.1 y 20 pm, dependiendo del índice de refracción del material y de la región espectral de trabajo del sensor. El aumento de grosor hace que aumente el tiempo de respuesta del sensor, mientras que se incrementa su umbral de daño ante radiación láser.
Claims (14)
1. Detector de radiación electromagnética (RL), que comprende:
- un sustrato (1),
- una capa policristalina orientada (2) de material termoeléctrico que presenta una orientación del cristal con un ángulo comprendido entre 30 grados y 55 grados con respecto a una normal a la superficie superior del sustrato,
- superponiéndose la superficie posterior (10) del sustrato (1) sobre la capa policristalina orientada de manera que la superficie posterior (10) del sustrato está en contacto con la capa policristalina orientada, actuando el sustrato como objetivo de la radiación electromagnética incidente en la cara frontal, estando configurado el detector para absorber la radiación electromagnética incidente por medio bien del sustrato o bien de la combinación del sustrato y una capa de absorción (9) superpuesta sobre la superficie superior (11) del sustrato,
- un primer (6) y un segundo (7) electrodos separados entre sí y en contacto eléctrico con la capa policristalina orientada,
con lo cual dicha capa policristalina orientada está depositada en la superficie posterior (10) del sustrato mediante deposición con ángulo de incidencia (GLAD), con lo que o bien una capa cerámica forma la superficie posterior de dicho sustrato o bien el sustrato completo es una capa cerámica y dicha capa cerámica, en ambas alternativas, no presenta orientación del cristal, realizándose dichos primer (6) y segundo (7) electrodos con el mismo material de dicha capa policristalina orientada (2) de material termoeléctrico.
2. Detector según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho sustrato comprende una capa metálica que se ha pasivado eléctricamente de manera previa con una capa cerámica.
3. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende por lo menos una tira (100) formada por la capa policristalina orientada que se extiende entre el primer y el segundo electrodos.
4. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que comprende una pluralidad de tiras (101...10n-1, 10n), estando cada tira formada por la capa policristalina orientada, estando dichas tiras de la pluralidad de tiras separadas y siendo paralelas entre sí, estando dispuestas dichas tiras de la pluralidad de tiras de manera sucesiva desde una primera tira (101) a la tira n-ésima (10n), presentando cada tira de la pluralidad de tiras un primer extremo (S1) y un segundo extremo (S2), estando el primer electrodo (6) conectado al primer extremo (S1) de la primera tira (101) de la pluralidad de tiras y estando el segundo electrodo (7) conectado al segundo extremo (S2) de la tira n-ésima (10n) de la pluralidad de tiras, estando en contacto eléctrico el segundo extremo de cada tira de la pluralidad de tiras con el primer extremo de la tira sucesiva de la pluralidad de las tiras.
5. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que comprende una pluralidad de tiras (201, 301..20n, 30n), estando cada tira formada por la capa policristalina orientada pero presentando las capas policristalinas orientadas de las tiras adyacentes (201, 301; 202, 302...20n, 30n) unas orientaciones de grano opuestas, estando dichas tiras de la pluralidad de tiras separadas y siendo paralelas entre sí, estando dispuestas dichas tiras de la pluralidad de tiras de manera sucesiva desde una primera tira (201) a la tira n-ésima (30n) y presentando cada tira de la pluralidad de tiras un primer extremo (S1) y un segundo extremo (S2), estando el primer electrodo (6) conectado al primer extremo (S1) de la primera tira (201) de la pluralidad de tiras y estando el segundo electrodo conectado al segundo extremo de la tira n-ésima (30n) de la pluralidad de tiras, estando en contacto eléctrico el segundo extremo de cada tira de la pluralidad de tiras con el primer extremo de la tira sucesiva de la pluralidad de las tiras.
6. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la superficie posterior (10) del sustrato presenta una rugosidad inferior a 2 pm.
7. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una capa de pasivación (4) debajo de y en contacto con la capa policristalina orientada.
8. Detector según la reivindicación 7, caracterizado por que comprende una capa de adherencia (3) colocada entre la capa policristalina orientada y la capa de pasivación.
9. Detector según la reivindicación 7, caracterizado por que comprende una capa de absorción (9) superpuesta sobre la superficie superior (11) del sustrato.
10. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la superficie superior (11) del sustrato está texturizada.
11. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicha por lo menos una capa cerámica del sustrato está formada por un material seleccionado de entre el grupo de materiales constituido por nitruro de aluminio (AlN), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC), nitruro de boro (BN), carburo de boro (B4C) y alúmina (AhO3) sinterizados.
12. Detector según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicha capa policristalina orientada está formada por un material seleccionado de entre el grupo de materiales constituido por bismuto (Bi), telururo de bismuto (Bi2Te3), óxido de zinc dopado con aluminio (Al:ZnO) y antimonio (Sb).
13. Detector según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho sustrato está realizado con un material que es opaco a la radiación electromagnética.
14. Detector según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho sustrato es una capa cerámica sinterizada.
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