Sensor bolométrico resistivo
Campo de la técnica
La presente invención concierne en general al campo de los bolómetros. En particular la invención se refiere a un sensor bolométrico, resistivo, basado en superconductores de alta temperatura.
Antecedentes de la invención
Los bolómetros son detectores de radiación electromagnética que emplean un sensor que se calienta cuando absorbe dicha radiación. El aumento de temperatura deriva en un cambio de la resistencia eléctrica del sensor y ello es empleado para inferir la radiación que ha recibido. El esquema de funcionamiento de un bolómetro es resumido en las Figs. 1 y 2.
Las principales ventajas de los bolómetros frente a otros sensores de radiación (como por ejemplo los basados en el efecto fotoeléctrico, los fotodiodos, los fototransistores, o los sensores CCD y CMOS) son: mayor rango espectral, mayor rapidez y más sensibilidad a radiaciones muy débiles.
Los principales tipos de sensores para bolómetros que existen actualmente son:
a) sensores semiconductores - son los más usados, sobre todo VxOy (habitualmente V2O5) . Requieren un baño térmico, pero no criogénico. Ahora bien, a menudo se operan a temperaturas criogénicas si la radiación a medir es tan débil como para requerir evitar el ruido por ruido propio "self-noise" (detección de fuego militar amigo, etc.) o en ciertos entornos especiales (satélites, por ejemplo) .
b) sensores LTS-TES, o sensores superconductores de baja temperatura - emplean superconductores como Al o Ti, que a causa de su pequeño valor de temperatura crítica Tc precisan criogenia basada en He líquido (LHe, temperatura de ebullición 4.2K a presión ambiental) . Se emplean principalmente en algunas aplicaciones para astrofísica y donde se requiere una sensibilidad altísima, por la extrema debilidad de la radiación a medir. De hecho, suelen operarse a temperaturas incluso mucho menores que 4.2K (aproximadamente 10 mK) para así eliminar el self-noise térmico que influiría en dichas aplicaciones.
c) sensores HTS-TES, o sensores superconductores de alta temperatura - emplean superconductores de temperatura crítica igual o superior a 77K, con lo que precisan criogenia pero es suficiente la basada en Nitrógeno líquido (LN2) , mucho más simple (y económica) que la basada en LHe. Los sensores HTS-TES propuestos hasta ahora emplean el nivel de dopaje óptimo (es decir, la composición química que maximiza su temperatura crítica; por ejemplo, en el compuesto más utilizado, YBa2Cu3O (7-5) , se emplea dopaje nominal 5=0.07 que se corresponde con Tc~90K) . Entonces las inhomogeneidades espaciales de temperatura crítica asociadas a pequeñas variaciones del valor local del dopaje son despreciables (pues la pendiente de la dependencia Tc (5) es nula al operarse en un máximo de dicha curva) .
Si bien los sensores HTS-TES existentes (o propuestos hasta ahora) presentan alguna ventaja respecto a las demás opciones (LTS-TES y semiconductores) , sus desventajas respecto a ellos hacen que su uso sea actualmente muy escaso. Las principales ventajas y desventajas se resumen en la tabla 1 siguiente:
Tabla 1. Parámetros operativos de los principales sensores bolométricos existentes. Las cantidades corresponden a un mismo microbolómetro con parámetros típicos comunes, variándose sólo el material usado como sensor (en particular, dimensiones 6pmx6pmx100nm, y suponemos que la refrigeración se realiza por contacto directo con el filme y el sustrato) .
Con respecto a los sensores LTS-TES, los HTS-TES tienen una refrigeración más económica (LN2 vs LHe) y una potencia de saturación (la máxima radiación incidente medible) muy superior, pero ello viene acompañado de una sensibilidad (según su factor TCR, definido como la pendiente que tiene la curva R (T) en la región lineal de temperaturas onde opera el bolómetro) unos dos órdenes de magnitud inferior. Además, la criogenia precisa una estabilidad AT de menos de 1K, que puede ser difícil de obtener con LN2 (la criogenia LHe, mucho más cara y compleja, es también mucho más estable) .
Con respecto a los sensores semiconductores, los más usados, si bien los sensores HTS-TES existentes presentan una sensibilidad TCR unas 50 veces superior, tienen las desventajas de precisar una refrigeración más cara y complicada (LN2 estabilizada con AT de menos de 1K, frente a refrigeración no criogénica) y de saturarse mucho antes (siendo su potencia de saturación un orden de magnitud menor que para los sensores semiconductores) .
Exposición de la invención
Con el fin de eliminar algunas de las desventajas de los sensores HTS-TES frente a los sensores semiconductores, en particular, aumentar la potencia de saturación hasta hacerla comparable con las de los sensores semiconductores, y también relajar los requisitos de estabilidad del baño criogénico, haciéndolo con ello menos complejo, la presente invención proporciona un sensor bolométrico resistivo que al igual que los bolómetros del estado de la técnica comprende una película delgada basada en un sensor superconductor de alta temperatura que se calienta cuando absorbe radiación electromagnética, variando una resistencia eléctrica del sensor bolométrico; y unos medios para medir dicha variación de la resistencia eléctrica e inferir la cantidad de radiación absorbida.
A diferencia de las propuestas conocidas, en el sensor bolométrico propuesto la citada película delgada incluye una o más regiones con un nivel de dopaje no óptimo, de modo que no maximiza su temperatura crítica Tc superconductora.
Según la presente invención, particularmente, la película delgada tiene un espesor comprendido entre 50 y 400 nanómetros, preferiblemente de 100 nanómetros, y un área del orden de los micrómetros.
En un ejemplo de realización, la película delgada es de una perovskita superconductora de alta temperatura tal como: YBa2Cu3O693 dopado con O; YBa2Cu3O693 dopado con Zn; La1.84Sr0.16CuO4 dopado con Sr; La184Sr016CuO4 dopado con O; Bi2Sr2CaCu2O8+x dopado con Pb; Bi2Sr2CaCu2O8+x dopado con O; o HgBa2CaCu2O621 dopado con O.
En un ejemplo de realización, la citada película delgada comprende una única región de dopaje nominal a lo largo de toda su superficie. Dicha región, única, tiene un valor nominal omogéneo pero no óptimo, presentando por ello variaciones aleatorias de la temperatura crítica superconductora en la escala nanométrica.
Alternativamente, en otro ejemplo de realización, la citada película delgada comprende diferentes regiones de dopaje nominal a lo largo de toda su superficie, incluyendo regiones no óptimas o regiones no óptimas y óptimas. Las diferentes regiones de dopaje pueden estar dispuestas formando diferentes distribuciones de dopaje nominal, destacando las siguientes posibilidades: con variación constante, variación cuasi-exponencial, variación cuasi-exponencial discretizada.
El sensor bolométrico propuesto optimiza el límite de saturación a través del ensanchamiento de la región lineal de la transición, manteniendo una sensibilidad TCR del mismo orden de magnitud (o incluso aumentándolo) . La temperatura operativa se mantiene en los valores correspondientes a la refrigeración con LN2, pero se aumenta el rango de tolerancia para la estabilización térmica, con lo que la criogenia necesaria tendrá un coste menor al de los bolómetros HTS-TES existentes hasta ahora.
Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras características y ventajas se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización, meramente ilustrativa y no limitativa, con referencia a los dibujos que la acompañan, en los que:
La Fig. 1 ilustra un esquema explicativo del funcionamiento de un bolómetro resistivo según se conoce en el estado de la técnica. En la figura superior se muestra el set up básico de funcionamiento, compuesto por la radiación incidente 10, la (s) lente (s) focalizadora (s) 5 y un array de microbolómetros 21 con el baño térmico 13. La figura inferior es un zoom 22 a un microbolómetro, para ilustrar las partes que lo conforman, es decir un enlace térmico 12, cables eléctricos para realizar la medida 11 y una película delgada 23.
La Fig. 2 representa los principios operacionales de los bolómetros resistivos. La figura superior (A) representa la fase de excitación, cuando la radiación incidente calienta el bolómetro, y varía su resistividad. A su vez se muestran las diferentes zonas de la curva de resistencia del bolómetro en la parte superior derecha. En la figura inferior (B) se muestra la fase de relajación, cuando ya no hay radiación incidente y el bolómetro vuelve a su estado térmico inicial.
La Fig. 3 ilustra los resultados de la simulación por elementos finitos para microbolómetros con una sola zona de dopaje nominal, los cuatro dopajes nominales descritos en la tabla 2 (círculos, cuadrados, rombos y triángulos) y las estimaciones obtenidas por medio de la teoría de medio efectivo para los mismos dopajes nominales (líneas negras) . Además se muestra la anchura de la región lineal, que es la región operativa de cada bolómetro. Para comparación con los resultados obtenibles utilizando el estado de la técnica existente, también se muestran los resultados con una zona de dopaje nominal óptima (caso p=0.155)
La Fig. 4 es un esquema representativo del sensor bolométrico propuesto suponiendo ahora varias zonas de dopaje nominal p, tales que p (x) presente una variación lineal a lo largo de la coordenada longitudinal x. A la izquierda se representa el dopaje nominal frente a la coordenada longitudinal. La figura es una representación 2D de la distribución nominal de dopajes con una escala de grises representada por la barra superior derecha. A su vez se representa la distribución gaussiana aleatoria intrínseca de dopaje local p (x, y) en la parte inferior derecha.
La Fig. 5 es una representación de la resistencia frente a la temperatura para el sensor bolométrico propuesto en la Fig. 4. La línea representa la estimación obtenida por medio de la teoría de medio efectivo, y los círculos representan los cálculos realizados por elementos finitos. A su vez se muestra la anchura AT de la zona lineal del bolómetro.
La Fig. 6 es un esquema representativo del sensor bolométrico propuesto suponiendo ahora varias zonas de dopaje nominal p tales que p (x) sigan una función exponencial para la función dx/dp (corresponde a la ecuación (3) ) . A la izquierda se representa el dopaje nominal frente a la coordenada longitudinal. La figura es una representación 2D de la distribución nominal de dopajes con una escala de grises representada por la barra superior derecha. A su vez se representa la distribución gaussiana aleatoria intrínseca de dopaje local p (x, y) en la parte inferior derecha.
La Fig. 7 es una representación de la resistencia frente a la temperatura para el sensor bolométrico propuesto en la Fig. 6. La línea representa la estimación obtenida por medio efectivo, y los círculos representan los cálculos realizados por elementos finitos. A su vez se muestra la anchura de la zona lineal del bolómetro.
La Fig. 8 es un esquema representativo del sensor bolométrico propuesto suponiendo varias zonas de p, siguiendo una distribución exponencial de la función dx/dp pero ahora discretizada con dopajes nominales p=0.136, 0.141, 0.145 y 0.160. A la izquierda se representa el dopaje nominal frente a la coordenada longitudinal. La figura es una representación 2D de la distribución nominal de dopajes con una escala de grises epresentada por la barra superior derecha. A su vez se representa la distribución gaussiana aleatoria intrínseca de dopaje local p (x, y) en la parte inferior derecha.
La Fig. 9 es una representación de la resistencia frente a la temperatura para el sensor bolométrico propuesto en la Fig.8. La línea representa la estimación obtenida por medio efectivo, y los círculos representan los cálculos realizados por elementos finitos. A su vez se muestra la anchura de la zona lineal del bolómetro.
Descripción detallada de la invención y de unos ejemplos de realización
La presente invención proporciona un sensor bolométrico 22, resistivo, es decir, un detector térmico de radiación electromagnética, que incluye una película delgada 23 basada en superconductores de alta temperatura. La película delgada 23, dependiendo del ejemplo de realización, puede incluir una o más regiones con un nivel de dopaje no óptimo.
En un ejemplo de realización, el sensor bolométrico 22 puede estar basado en superconductores de alta temperatura con dopaje no óptimo y valor nominal homogéneo en toda la superficie de la película delgada 23, lo cual conlleva una distribución espacial aleatoria Gaussiana para los dopajes y temperatura crítica Tc locales.
En otro ejemplo de realización, el sensor bolométrico 22 puede estar basado en superconductores de alta temperatura con una distribución regular en el espacio (patroneado) del dopaje nominal y consiguientemente una distribución espacial de la temperatura crítica que es la suma de dos contribuciones: una regular (siguiendo el patroneado de dopaje nominal) más otra aleatoria Gaussiana (correspondiendo a las diferencias entre dopaje local y nominal para dopajes nominales no óptimos) .
En aún otro ejemplo de realización, el sensor bolométrico 22 puede estar basado en superconductores de alta temperatura con una distribución regular en el espacio (patroneado) de la temperatura crítica local mediante procedimientos como variación del espesor de la película delgada u otros que no impliquen una distribución aleatoria adicional de la temperatura crítica.
Preferiblemente, el sensor bolométrico 22 propuesto comprende una película delgada 23 de espesor 100nm y área 6pmx6pm, en donde el material HTS es YBa2Cu3O7.5 (abreviadamente YBCO) . De cualquier modo debe notarse que otros materiales también podrían utilizarse, por ejemplo: La184Sr016CuO4 dopado con Sr; La184Sr016CuO4 dopado con O; Bi2Sr2CaCu2O8+x dopado con Pb; Bi2Sr2CaCu2O8+x dopado con O; o HgBa2CaCu2O6.21 dopado con O.
Asimismo, la superficie del sensor bolométrico 22 puede considerarse dividida en pequeños dominios de aproximadamente 30nmx30nm, cada uno con un único dopaje y temperatura crítica locales, p (x, y) y Tc (x, y) . A cada monodominio se le asigna un valor de dopaje local p (x, y) resultante de la suma del dopaje nominal p (x) y las variaciones aleatorias nanométricas correspondientes a dicho valor nominal. Destacar que en todos los ejemplos de realización ilustrados, se consideran dopajes nominales variando solo en una dirección, más una distribución aleatoria Gaussiana. Ello deriva en el valor p (x, y) , y con ello Tc (x, y) , de cada monodominio.
Así, el comportamiento eléctrico global del sensor bolométrico 22 resulta del comportamiento como malla de resistores del conjunto de monodominios. Esto equivale a una red de 200x200 elementos, que es representable mediante ecuaciones de malla eléctricas de 40001 variables (los detalles de estas ecuaciones, que son no lineales en el caso superconductor, pueden encontrarse en J.C. Verde et al, IEEE Trans. Appl. Supercond.
26 (2016) 8800204; estas ecuaciones son resueltas, para cada temperatura, en el superconductor paralelo LBTS-epsilon lbts.esc.es/epsilon) .
Adicionalmente, es posible realizar una estimación del comportamiento global del sensor bolométrico 22 mediante la aproximación conocida como "medio efectivo", resumida en J. Maza et al. Phys. Rev. B 43, (1991) 10560. Los resultados serán sólo una aproximación básica, pero computacionalmente rápida y constituyen un test de confirmación de los resultados cualitativos.
A continuación se detallarán diferentes ejemplos de realización según el dopaje incluido en la película delgada 23.
HTS-TES con y (x) uniforme:
Con referencia ahora a la Fig. 3 y a la tabla 2, en las mismas se muestran los resultados obtenidos para un valor único del dopaje nominal p en todo el sensor bolométrico 22 propuesto (El valor p=0.155 se corresponde con el dopaje óptimo, es decir el tradicionalmente usado para sensores HTS-TES, y se muestra sólo como referencia para comparar con el estado anterior de la técnica) . Se observa en la Fig. 3 que a medida que el dopaje nominal disminuye la transición se hace más ancha.
Tabla 2. Parámetros operativos logrables con la presente invención con dopajes nominales uniformes (el valor p=0.155 corresponde al estado anterior de la técnica) . Las cantidades corresponden a un mismo sensor bolométrico con parámetros típicos comunes como en la tabla 1, variándose sólo el material usado como sensor.
HTS-TES con gradiente constante de p (x)
En la Fig. 4 se puede observar el esquema asociado al sensor bolométrico 22 con unp (x) que tiene una variación lineal con la coordenada longitudinal de la película delgada 23, es decir:
p (x ) = E r z E i x + Pi ( !)
Siendo pi y pf los valores inicial y final de dopaje, y L la longitud de la película delgada 23. Entonces, en este caso todos los dopajes nominales comprendidos entre los valores inicial y final, pi y pf, se encuentran con igual peso relativo, W (p ) , en la composición de la muestra, siendo en este caso W (p ) el valor:
w (p) = i
P f - P i
En la Fig. 5 y la tabla 3 se muestran los resultados obtenidos. Como puede observarse, en este primer ejemplo con p (x) variable los resultados los resultados TCR y AT no mejoran los obtenidos para bolómetros HTS-TES con un dopaje nominal uniforme no óptimo. En concreto, tanto la sensibilidad TCR como la anchura de la zona lineal, AT, son mayores para casos en los que el HTS-TES está formado por una película delgada 23 con un dopaje nominal no óptimo. La implementación sí sería útil, en cambio, en el caso de que se admitiesen zonas operativas no lineales, ya que el ancho en temperatura de la transición tomaría un valor muy ampliado, ATnoliñ 15K.
Tabla 3. Parámetros operativos logrables con la presente invención con una variación lineal del dopaje nominal (x) a lo largo de su coordenada longitudinal. Las cantidades corresponden a un mismo sensor bolométrico con parámetros típicos comunes como en las tabla 1.
HTS-TES con una distribución exponencial continúa de p (x)
En este caso, se utiliza una distribución exponencial de la función w (p) , la fracción del sensor que posee un dopaje nominal p, como sigue:
--- 1 dx rPl~P\
w (P ) = Td = CexP ( ^
Donde C es una constante que viene dada por:
1/Vo
exv (- V-i-- --- P - ) /\
Vo J
Esta distribución se corresponde con la siguiente distribución p (x) :
exv (-^ - ) ) }
En la Fig. 6 se observa el esquema asociado a esta distribución de dopajes nominales tomando como valores numéricos pi=0.135, pf=0.161 y p0=0.007. Por otro lado en la Fig. 7 y abla 4 se muestran los resultados obtenidos, que como puede verse son netamente mejores que con las distribuciones más simples testadas anteriormente, tanto en lo relativo a la sensibilidad TCR como en el ensanchamiento de la zona lineal y en la potencia máxima medible.
Tabla 4. Parámetros operativos logrables con la presente invención con una distribución exponencial de la función w" (p ) . Las cantidades corresponden a un mismo sensor bolométrico con parámetros típicos comunes como en la tabla 1.
HTS-TES con una distribución exponencial discretizada dep (x)
Si bien la distribución exponencial continua testada anteriormente proporciona excelentes resultados, podría objetarse que su realización práctica puede ser difícil, por implicar un muy avanzado (aunque no imposible) grado de precisión en las técnicas de estructuración de los materiales HTS. Motivados por ese argumento, en el sensor bolométrico propuesto 22 también se han testado distribuciones de dopaje p (x) consistentes en pasos discretos de diversos tamaños, en vez de variaciones continuas.
En la Fig. 8 se muestra un ejemplo de tal distribución a pasos. En este caso particular, se aplican cuatro dopajes nominales, p (x) = 0.136, 0141, 0.145 y 0.160, cada uno con un peso del 2.6%, 10.2%, 30.8% y 56.4% de la muestra, coherentes con una dependencia exponencial con p proporcional a una exponencial
vv = Cexp (P-)
po
Con p0 = 0.007 y C=1.523x108.
En la Fig. 9 y en la tabla 5 se muestran asimismo los resultados obtenidos para dicha distribución. Como puede observarse, no sólo consigue igualarse la calidad del sensor obtenida para el caso continuo, sino que se mejoran las características del sensor bolométrico propuesto 22.
Tabla 5. Parámetros operativos logrables con la presente invención con una distribución exponencial de la función w" (p) discretizada con dopajes nominales p (x) = 0.136, 0141, 0.145 y 0.160. Las cantidades corresponden a un mismo sensor bolométrico con parámetros típicos comunes como en la tabla 1.
El alcance de la presente invención está definido en las reivindicaciones adjuntas.