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1PARIS -22 septembre 2005
Développement Concerté de
Matrices de Bolomètres
Philippe Camus
Pour la collaboration DCMB
2PARIS -22 septembre 2005
• Objectifs
• contexte scientifique• évolution des technologies
• Organisation
• Moyens mis en place
• Objectifs de la R&T Cnes 2005
3PARIS -22 septembre 2005
Labo TachesCSNSM Couches thermométriques (semicon, supra)
IEF Architecture bolométrique, Réalisation SQUIDs
LPSC Antennes, MPI
LISIF/LERMA/APC Antennes, traitement GHz-THz, ampli SiGe
CRTBT/LAOG Multiplexage haute impédance, cryogénie, MPI
LPN Réalisation HEMTs
IAS Tests supra
APC Tests échantillons supra, réalisation SQUIDs (avec IEF), multiplexage SQUIDs
CESR Etude CEB
Site internet : http://crtbt.grenoble.cnrs.fr/astro/dcmb_pub
4PARIS -22 septembre 2005
COBE (1989) T=(2.728±0.004)K
∆T/T≈10-5 à 7°
Singularité: Big-Bang
Univers transparent
Surface de dernière diffusion
Univers opaque (diffusion Thomson)
WMAP (2002)
5PARIS -22 septembre 2005
• Détecteur thermique– Système macroscopique– Mesure de l’échauffement
résultant de l’absorption du rayonnement
– Thermomètre = élément résistif
• Meilleur détecteur large bande dans la gamme 200µm-3mm
6PARIS -22 septembre 2005
Exemple de réalisation de bolomètres individuels• Bolomètre « Spiderweb » (Caltech-
JPL)– Absorbeur en toile d’araignée
(Si3N4)
• e~1µm, l~5µm, maille~100µm• Métalisation Au
– Thermomètre Ge NTD
• Polarisation Sensitive Bolometer (PSB)– 2 bolomètres dans 1 module– Métallisation dans une direction
~2
L1 thermistor
Dual Analyzer (PSBs)
L2 thermistor
Détecteurs Planck-HFI
7PARIS -22 septembre 2005
1E-18
1E-17
1E-16
1E-15
0,1 1
T (K)
NE
P (
W/K
^1
/2)
1 : Si3N4 - poutres 2 : Si3N4 - poutres3 : Si3N4 - membrane4 : Si3N4 - membranes5 : Si - poutres6 : Si - poutres
Performances des bolomètres composites
24 TGkNEP Bph
1) Données Sider Web, 8 poutres de Si3N4 1mmX4mX1m2) Leivo (APL, 72 (11), 1998) : 4 poutres Si3N4 100mX25mX200nm3) Leivo (id) : membrane pleine de 0.4mmX0.4mmX200nm4) Membrane CSNSM (NIMA 444 (2000) 419-422) : Si3N4 5mmX5mmX100nm5) LETI [30] : 4 poutres Si 0.7mmX5.9mX5m6) LETI [30] : 4 poutres texturées Si 0.7mmX4.7mX5m
NEP 2 4kBT 2Gd 4kB TPél 1
L2
5mm
LETI
Olimpo
SpiderWeb
8PARIS -22 septembre 2005
Mesures des modes B
• Expériences possibles:
• Erreurs de mesure des modes B:
• Requiert– Beaucoup de détecteurs– Long temps d’intégration
• Expériences sol et satellite
• SAMPAN ( 20000 détecteurs )
Expérience fcielTemps
d'observation Sensibilité
par détecteur NBolos
Sol (antarctique)
0,01 6 mois 300Ks^0.5 1000
Ballon 0,01 1 jour / 10 jours
100Ks^0.5 1000
Satellite 1 une année 100Ks^0.5 1000 (4)
r=0.1
9PARIS -22 septembre 2005
Structure bolométrique
- composite classique
- antenne
Senseur TES- Senseur (Csnsm)- Squid (APC/Csnsm/IEF)- Electronique(APC/CESR)
Senseur Haute Impédance- Senseur (Csnsm)- MUX Hemt (LPN)- Electronique (Crtbt)
Caractérisation
- Réponse fréquence/polarisation
- Optique
Conception antennes HFSS (LPSC)
Martin-Puplett (Crtbt/LPSC)
Croystat optique à dilution- Diabolo (CRTBT)- Caméra IRAM 30m (CRTBT)- Symbol (IAS)
Microfabrication (IEF-MINERVE)Couches minces (Csnsm)Nanofab (Crtbt)HEMT (LPN)
Olimpo IRAM
10PARIS -22 septembre 2005
Moyens mis en place
• Fabrication des structures isolantes– Gravure humide (Nanofab)– Gravure profonde (IEF/Minerve)
• Calcul EM (LPSC/Grenoble) + mesure
• Evaporation NbSi (Csnsm)
• Electronique froide (Hemt-QPC) (LPN)
• Filiaire supra (couches + squid + ampli SiGe)
11PARIS -22 septembre 2005
Structure classique
NbSi 100X400me = 100 nm
Matrice Olimpo
23 pixels, membranes de 3 mmNEP < 5.10-16 W/Hz1/2@300mK
20x10-3
15
10
5
0
V
20x10-9
151050
A
Bolo @296mK Bolo @300-310mK Bolo @350mK Membrane @293mK Membrane @342mK
12PARIS -22 septembre 2005
• Gravure du NbSi
• Réalisation / gravure profonde pour membranes
• Isolation antennes / thermomètres avec SiN / SiO2
Matrice de bolomètres à antennes
13PARIS -22 septembre 2005
Calculs EM ( HFSS )
Collaboration DCMB - d’après O.Guillaudin (LPSC)
• conception antennes large bande• optimisation du shunt dissipatif• sélectivité à la polarisation• validation expérimentale
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Thermomètre
• Caractérisation:
• Semi-conducteur: A # -5-10– Si implanté– Ge NTD (Haller-Beeman)– Couches minces Nb/Si (CSNSM)
• Supraconducteur: A#100 1000– Ti
• Tc≈400mK– Mo/Cu, Mo/Au…
• Variation de Tc: effet de proximité– Couches minces Nb/Si (CSNSM)
A T
R
dR
dT
Ti 1.5mmX1.5mmX40nmA=1000
15PARIS -22 septembre 2005
15PARIS -22 septembre 2005
Nano-switches pour multiplexage Y.JIN et al. http://www.LPN.cnrs.fr
Nano-switches : issus de la rechercher en physique mésoscopiquebénéficient du transport d’e- balistiques et de la réduction quantique de bruit
Réalisés du LPN : 2DEG (gaz d’électrons 2D) + NanofabricationTempérature de fonctionnement : testée jusqu’à 38mKCapacité du contrôle : Roff / Ron > 107 (variation de la tension de commande 0,25V)Capacitance d’entrée estimée : ~1fFÀ court terme : réduire le courant de fuite < 0,1pA et réaliser 200 switches
13 switches montés dans un boîtier céramique
Détail du switch avec une configuration de QPC
(Quantum Point Contact)Caractéristique électrique à 4,2K
16PARIS -22 septembre 2005
16PARIS -22 septembre 2005
Cryo-transistors à ultra faible puissance dissipée et à ultra bas bruitY.JIN et al. http://www.LPN.cnrs.fr
HEMTs pseudomorphiques du LPN en régime diffusif, mesurés à 4,2K- niveau du bruit 0,3nV/√Hz à 100kHz- puissance dissipée 0,25mW- capacitance d’entrée ~40pF
Spectre de bruit à 4,2K
À moyen terme :Cryo-transistors à ultra faible puissance dissipée et à ultra bas bruit
Transistor balistique
(quasimentsans pièges et
sans collisions)
Réductions :
puissance dissipée
bruits
4,2K
Nouveau développementHEMTs à très haute mobilité d’e- du LPNen régime balistique, mesurés à 4,2K- 1ère démonstration du gain en tension >1- puissance dissipée 0,6nW
I-V à 4,2K
17PARIS -22 septembre 2005
Lecture basse impédance: SQUID
• Réalisation de SQUID DC– IEF/CSNSM/APC
• Objectif: implantation a proximité des bolomètres
18PARIS -22 septembre 2005
Amplificateur 4K pour SQUID à base de transistor SiGe
• Collaboration avec le LISIF (D. Prêle)
• Transistor bipolaire SiGe– Amplification en tension– grande bande passante– Adapté aux basses impédances– Caractéristiques de bruit adaptées au
Squid
• (Prêle et al., 2005, soumis a IEEE)
• En cours de caractérisation
19PARIS -22 septembre 2005
Objectifs R&T Cnes 2005 ( juin 2006 )
• Démonstration performances d’une matrice Olimpo (23 pixels)
• Caractérisation de la conception des matrices de bolomètres à antennes (204 pixels)
• MUX matrice 204 pixels• Optimisation HEMT QPC, évaluation de la fiabilité en
environnement spatial• Proposition de concepts de détecteurs pour la mission
SAMPAN