DE102008018504A1

DE102008018504A1 - sensor arrangement

Info

Publication number: DE102008018504A1
Application number: DE102008018504A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Bousak; Andreas Prof. Dr. Offenhäusser; Helmut Prof. Dr. Schmitz
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-10-15
Also published as: EP2265913A1; WO2009124644A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer (2), die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, wobei die Messkammer (2) eine durch ein Fenster (3) verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkammerwandung als flexible Membran (M) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer (2) enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran (M) eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest auf der der Messkammer (2) gegenüberliegenden Seite der Membran (M) eine Druckentlastungskammer (7) gebildet ist, welche mit der Messkammer (2) in Fluidverbindung steht.The invention relates to a sensor arrangement for detecting electromagnetic radiation whose wavelength is in or near the infrared range, comprising at least one measuring chamber (2) which can be filled with a selectively absorbing the radiation to be measured fluid, wherein the measuring chamber (2) by a Window (3) has a sealed inlet opening for the radiation and a part of the measuring chamber wall as a flexible membrane (M) is designed such that it is deformed in a volume change of the fluid contained in the measuring chamber (2) due to the absorption of the incoming radiation, and the membrane (M) is associated with a measuring device to detect the deformation, which is characterized in that at least on the measuring chamber (2) opposite side of the membrane (M) a pressure relief chamber (7) is formed, which with the measuring chamber (2 ) is in fluid communication.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Infrarot-Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer, die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, wobei die Messkammer eine durch ein Fenster verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkammerwandung als flexible Membran derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen.The The present invention relates to an infrared sensor arrangement for detecting electromagnetic Radiation whose wavelength in or near the infrared region, with at least one measuring chamber, the with a fluid selectively absorbing the radiation to be measured fillable is, wherein the measuring chamber closed by a window entrance opening for the radiation and a part of the measuring chamber wall as a flexible membrane is designed such that it changes in volume of the fluid contained in the measuring chamber due to the absorption the incoming radiation is deformed, and wherein the membrane a measuring device is assigned to detect the deformation.

Die Larven des schwarzen Kiefernprachtkäfers der Gattung Melanophila acuminata, von denen es weltweit ungefähr ein dutzend Arten gibt, können sich nur im Holz von frischen verbrannten Bäumen entwickeln. Die Elterngeneration ist deshalb darauf angewiesen, Waldbrände möglichst schnell zu orten, um dort unter der Rinde der frisch verbrannten Bäume ihre Eier abzulegen. Zur Ortung der Waldbrände besitzt der Käfer zwei rechts und links an jeder Körperseite angeordneten Grubenorgane, in denen sich dicht gepackt etwa 70 Infrarot (IR) Sensillien befinden, die sehr empfindlich IR-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 2 und 4 μm detektieren können. Im Rahmen der Entwicklung bionischer Infrarotsensoren gehen die Bestrebungen dahin, Prototypen zu entwickeln, die sich das fotomechanische Funktionsprinzip der Käfer zur Detektion von IR-Strahlung zu Nutze machen.The Larvae of the Black Pied Beetle of the genus Melanophila acuminata, of which there are about a dozen species worldwide, can develop only in the wood of fresh burnt trees. The parent generation is therefore dependent on locating forest fires as quickly as possible in order to to lay their eggs under the bark of freshly burnt trees. to Locating the forest fires owns the beetle two right and left on each side of the body arranged pit organs, in which densely packed about 70 infrared (IR) Sensillens are located, which are very sensitive to IR radiation in the wavelength range between 2 and 4 μm can detect. As part of the development of bionic infrared sensors go the Efforts to develop prototypes that are the photomechanical Working principle of the beetles to use for the detection of IR radiation.

Die Basis für solche biologischen IR-Sensoren bilden sogenannte Golay-Sensoren, deren Funktion schon seit langem bekannt ist. Diese Sensoren besitzen eine Messkammer (Zelle), die mit einem insbesondere gasförmigen Fluid gefüllt ist, welches IR-Strahlung absorbiert. Die Vorderseite der gasbefüllten Zelle bildet eine durch ein Fenster verschlossene Eintrittsöffnung für die IR-Strahlung, und die Rückseite der Zelle ist durch eine flexible Membran verschlossen. Im Betrieb wird die in die Zelle eintretende IR-Strahlung durch das dort vorhandene Gas absorbiert und dabei erhitzt, so dass sich das Gas ausdehnt und die Membran gewölbt wird. Die Wölbung wird dann optisch oder alternativ kapazitiv oder mit einem Tunnelkontakt erfasst und ausgewertet.The base for such biological IR sensors form so-called Golay sensors, whose function has been known for a long time. These sensors own a measuring chamber (cell) with a particular gaseous fluid filled is, which absorbs IR radiation. The front of the gas-filled cell forms a closed by a window inlet opening for the IR radiation, and the back the cell is closed by a flexible membrane. Operational is the entering into the cell IR radiation through the existing there Gas is absorbed and heated, so that the gas expands and the membrane arched becomes. The vault is then optically or alternatively capacitive or with a tunnel contact recorded and evaluated.

Bisher bekannte mikrosturkturierte Golay-Sensoren, die auf kapazitiver Basis arbeiten, werden durchgehend auf der Basis eines Silizium-Wafers gefertigt, bei dem durch Ätzverfahren wie zum Beispiel ein anisotrops, nasschemisches Ätzverfahren mit KOH die Messkammer als Kavität hergestellt und der Boden der Zelle zum Beispiel durch Goldbeschichtung eine Platte des Kondensators bildet. Die andere Platte des Kondensators wird durch ein zum Beispiel mit Aluminium beschichtetes oder entsprechend strukturiertes Glassubstrat gebildet, das mit dem Silizium-Wafer durch anodisches Bonden verbunden wird. Mit einem weiteren Bond-Prozess wird dann durch ein Fenster mit möglichst geringer IR-Absorption die Messkammer im Silizium-Wafer geschlossen.So far known mikrosturkturierte Golay sensors on capacitive Working basis, are based continuously on the basis of a silicon wafer made by etching by such as an anisotropic, wet-chemical etching with KOH the measuring chamber as a cavity and the bottom of the cell, for example, by gold plating forms a plate of the capacitor. The other plate of the capacitor is coated by, for example, aluminum or equivalent structured glass substrate formed with the silicon wafer connected by anodic bonding. With another bonding process is then passed through a window with the lowest possible IR absorption closed the measuring chamber in the silicon wafer.

Wesentlich für eine gute Funktionsweise der Golay-Sensoren ist, dass sich die Temperatur in der Messkammer durch die eintretende IR-Strahlung möglichst stark erhöht. Insofern hängt die Messempfindlichkeit der Golay-Sensoren in direktem Maß ab von dem Absorptionskoeffizienten der Zellenfüllung. Je größer dieser Absorptionskoeffizient ist, desto aktiver wird die einfallende IR-Strahlung in einen Temperaturanstieg der Zellenfüllung und damit zu einem Druckanstieg und einer damit verbundenen Änderung der Kapazität des Kondensators umgesetzt. Bei einer Zellentiefe von 0,5 mm und einer Gasfüllung werden nur wenige Prozent der IR-Strahlung absorbiert. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik unterschied liche Maßnahmen getroffen, um die Absorption zu verbessern. Zum einen ist bekannt, eine IR-absorbierende Folie aus Metall oder Kunststoff in die Zelle zu integrieren, die dann die absorbierte Energie durch Wärmeleitung an das Gas weitergibt. In ähnlicher Weise werden die Zellenwände mit IR-Strahlung-absorbierenden Schichten versehen. Alternativ werden hochreflektierende Zellenwände eingesetzt, die eine mehrfache IR-Reflektion und damit eine verbesserte Absorption im Gas bewirken. Diese Maßnahmen sind bei mikrostrukturierten IR-Sensoren jedoch sehr aufwendig, weshalb nach Alternativen gesucht wird.Essential for one good functioning of the Golay sensors is that the temperature in the measuring chamber through the incoming IR radiation as possible greatly increased. In that respect depends the measuring sensitivity of the Golay sensors in a direct measure from the absorption coefficient of cell filling. The bigger this one Absorption coefficient is the more active is the incident IR radiation in one Temperature increase of cell filling and thus an increase in pressure and an associated change the capacity implemented the capacitor. At a cell depth of 0.5 mm and a gas filling Only a few percent of the IR radiation is absorbed. For this Reason different measures are taken in the prior art, to improve the absorption. First, it is known, an IR-absorbing Foil of metal or plastic to integrate into the cell, the then the absorbed energy passes through heat conduction to the gas. In similar Way become the cell walls provided with IR radiation-absorbing layers. Alternatively highly reflective cell walls used a multiple IR reflection and thus improved Effect absorption in the gas. These measures are microstructured IR sensors, however, very expensive, so searched for alternatives becomes.

Weiterhin gehen die Bestrebungen dahin, die Empfindlichkeit der ungekühlten IR-Sensoren zu erhöhen. Diese wird im Wesentlichen beeinflusst durch das Temperaturrauschen und das Photonenrauschen, die jeweils nur durch eine Kühlung des Sensors reduziert werden können. Hinzu kommt das Rauschen des Ausleseverfahrens, das bei einer kapazitiven Auswertung in der gleichen Größenordnung liegen kann wie das Temperaturrauschen. Gegenmaßnahmen sind im Stand der Technik bisher nicht bekannt.Farther The efforts go to the sensitivity of the uncooled IR sensors to increase. This is essentially influenced by the temperature noise and the photon noise, each only by cooling the Sensors can be reduced. Added to this is the noise of the readout method, which in the case of a capacitive Evaluation in the same order of magnitude can be like the temperature noise. Countermeasures are in the art not known yet.

Schließlich besteht ein Problem der Golay-Sensoren darin, dass sie im Gegensatz zu Halbleitersensoren empfindlich auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagieren und daher bei konstanter Temperatur betrieben werden müssen. Konkret beträgt die Temperaturerhöhung in der Messkammer einige mK bis etwa 100 mK und ist damit immer deutlich niedriger als die Temperaturänderungen der Umgebung. Die Unterdrückung der Störungen aus der Umgebungstemperaturänderung wird im Stand der Technik durch künstliche Lecks von der Messkammer in die Umgebung erreicht. Dabei wird die Lecköffnung so bemessen, dass seine Zeitkonstante wesentlich größer ist als die Zeitkonstante bei der Aufheizung der Zelle, beispielsweise einige Minuten im Vergleich zu einigen Millisekunden, und damit der während des Aufheizprozesses über das Leck abfließende Massenstrom zu vernachlässigen ist.Finally, a problem with the Golay sensors is that, in contrast to semiconductor sensors, they are sensitive to changes in ambient temperature and therefore have to be operated at a constant temperature. Specifically, the temperature increase in the measuring chamber is a few mK to about 100 mK and is thus always significantly lower than the temperature changes in the environment. The suppression of disturbances from the ambient temperature change is achieved in the prior art by artificial leaks from the measuring chamber into the environment. In this case, the leak opening is dimensioned so that its time constant is substantially greater than the time constant during the heating of the cell, for example a few minutes compared to a few milliseconds, and thus the mass flow flowing out through the leak during the heating process is negligible.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art in der Weise weiterzubilden, dass sie eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und für mikrostrukturierte Anordnungen geeignet sind.task The invention is now a sensor arrangement of the aforementioned To develop the kind in the way that they have a high sensitivity and for microstructured arrangements are suitable.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest auf der der Messkammer gegenüberliegenden Seite der Membran eine Druckentlastungskammer gebildet ist, welche mit der Messkammer in Fluidverbindung steht. Durch diese Maßnahme wird ein Druckausgleich zwischen der Druckentlastungskammer und der Messkammer hergestellt und damit gewährleistet, dass langsame Druckänderungen in der Messkammer beispielsweise aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur nicht zu Verformungen an der Membran führen. Dabei muss allerdings gewährleistet bleiben, dass schnelle Temperaturänderungen aufgrund der Absorption von IR-Strahlung doch zu einem Druckaufbau in der Messkammer und damit zu einer messbaren Verformung der Membran führen.These Task is inventively characterized solved, that at least on the opposite side of the measuring chamber of the membrane a pressure relief chamber is formed, which communicates with the measuring chamber is in fluid communication. By this measure, a pressure equalization established between the pressure relief chamber and the measuring chamber and thus ensuring that slow pressure changes in the measuring chamber, for example due to changes in the ambient temperature do not lead to deformations on the membrane. It must, however guaranteed stay that fast temperature changes due to absorption of IR radiation but to a pressure build-up in the measuring chamber and thus lead to a measurable deformation of the membrane.

Wenn die Messkammer mit einem gasförmigen Fluid gefüllt ist, kann die Messkammer mit der Druckentlastungskammer durch Perforationsöffnungen in der an der Membran anliegenden Platte des Kondensators und der Membran realisiert sein. Dabei muss allerdings durch die Geometrie der Perforation, d. h. die Lochanzahl und die Lochdurchmesser, sichergestellt werden, dass die Zeitkonstante τ_Gas bzw. τ_Wasser des Druckausgleichs viel größer ist als die Zeitkonstante τ_Zelle des Druckaufbaus in der Zelle durch eine IR-Einstrahlung.When the measuring chamber is filled with a gaseous fluid, the measuring chamber with the pressure relief chamber can be realized through perforation openings in the plate of the capacitor and the membrane adjacent to the membrane. However, it must be ensured by the geometry of the perforation, ie the number of holes and the hole diameter that the time constant τ _gas or τ _water pressure equalization is much greater than the time constant τ _{cell of} the pressure build-up in the cell by an IR radiation.

Die Zeitkonstante für den Druckausgleich bei einer Gasfüllung ergibt sich bei zu vernachlässigende Dichteänderungen (Δρ/ρ ≅ 0) aus der Gleichung

und für eine Wasserfüllung, bei der jetzt auch das Dielektrikum im Kondensator Wasser ist, aus der Gleichung

mit η: Viskosität des Fluids, L_L: Länge einer Perforationsbohrung, hier gleich Dicke der Kondensatorplatte, V_Z: Zellenvolumen, V_R: Entlastungsvolumen, β: Kompressibilitätskoeffizient Wasser, N_L: Anzahl der Perforationsbohrungen, R_L: Radius der Perforationsbohrungen, P_O: Gasdruck in der Zelle.The time constant for the pressure compensation in the case of a gas filling results from negligible density changes (Δρ / ρ ≅ 0) from the equation

and for a water filling, where now also the dielectric in the condenser is water, from the equation

with η: viscosity of the fluid, L _L : length of a perforation hole, here equal thickness of the capacitor plate, V _Z : cell volume, V _R : unloading volume, β: compressibility coefficient water, N _L : number of perforation holes, R _L : radius of the perforation holes, P _O : gas pressure in the cell.

Die Zeitkonstante für die Aufheizung einer kreisförmigen Zelle durch eine IR-Einstrahlung kann für ein sehr gut wärmeleitendes Material wie Silizium näherungsweise ermittelt werden aus

mit ρ: Dichte Fluid, c_ρ: Wärmekapazität Fluid, λ: Wärmeleitfähigkeit Fluid, R_Z: Zellenradius.The time constant for the heating of a circular cell by an IR radiation can be approximately determined for a very good heat conducting material such as silicon

with ρ: density fluid, c _ρ : heat capacity fluid, λ: thermal conductivity fluid, R _Z : cell radius.

Für eine mit Xenon gefüllte Zelle mit einem Durchmesser von 0,75 mm ergibt sich eine Zeitkonstante von τ_Zelle = 3,6 ms. Die Zeitkonstante des Druckausgleichs τ_Gas sollte etwa 100-fach größer sein als τ_Zelle, damit die Messung des IR-Signals nicht durch einen spürbaren Gasverlust bis zum Erreichen der stationären Temperatur in der Zelle verfälscht wird.For a cell filled with xenon with a diameter of 0.75 mm results in a time constant of τ _cell = 3.6 ms. The time constant of the pressure compensation τ _gas should be about 100 times greater than τ _cell , so that the measurement of the IR signal is not distorted by a noticeable loss of gas until reaching the stationary temperature in the cell.

Bei einer Perforation von 25 Löchern mit einem Durchmesser D_L von 0,6 μm (Dicke Kondensatorplatte L_L = 1,5 μm) nur zum Volumen V_R zwischen den Kondensatorplatten ergibt sich nur eine Zeitkonstante τ_Gas = 1,9 ms, d. h. der Druckausgleich erfolgt sofort bei der Aufheizung und es gibt keinen Messeffekt mehr. Eine Steigerung der Zeitkonstante durch weniger Löcher ist unzweckmäßig, da sonst der Effekt der Reduzierung des Kondensatorrauschens verloren geht. Eine Verringerung des Durchmessers der Perforationslöcher ist ebenfalls problematisch, da jetzt schon ein Aspektverhältnis L_L/D_L = 2,5 erreicht wird und die Herstellung von Löchern mit größeren Aspektverhältnissen immer schwieriger wird. Als einzige realistische Maßnahme verbleibt nur die Vergrößerung des Volumens V_R. Bei V_R = V_Z ergibt sich ein τ_Gas = 480 ms, maximal lässt sich in diesem Beispiel mit V_R >> V_Z ein τ_Gas = 950 ms erreichen. Auf diesem Weg kann die Forderung τ_Gas >> τ_Zelle erreicht werden. Die Reduzierung des Kondensator-Rauschens für diese Perforation verbessert die spezifische Detektivität D* im Vergleich zum Kondensator ohne Perforation um etwa 45%. Der effektivste Weg zur Verbesserung dieses Resultats ist die Herstellung von Perforationslöchern mit größerem Aspektverhältnis.With a perforation of 25 holes with a diameter D _L of 0.6 microns (thickness of the condenser plate L _L = 1.5 microns) only to the volume V _R between the capacitor plates results only a time constant τ _Gas = 1.9 ms, ie the Pressure equalization takes place immediately during heating and there is no more measuring effect. A Increasing the time constant through fewer holes is impractical, otherwise the effect of reducing the condenser noise will be lost. A reduction in the diameter of the perforation holes is also problematic, since an aspect ratio L _L / D _L = 2.5 is already achieved and the production of holes with larger aspect ratios becomes increasingly difficult. The only realistic measure remains only the increase in the volume V _R. At V _R = V _Z , a τ _gas = 480 ms results, with a maximum of τ _gas = 950 ms being achievable in this example with V _R >> V _Z. In this way, the requirement τ _gas >> τ _cell can be achieved. The reduction of the condenser noise for this perforation improves the specific detectivity D * by about 45% compared to the capacitor without perforation. The most effective way to improve this result is to produce perforation holes with a larger aspect ratio.

Das Diagramm gemäß 13 zeigt den Einfluss der Perforation einer Kondensatorplatte auf das Rauschen bei einer gasgefüllten Zelle. Aus diesem Diagramm wird deutlich, dass durch eine geeignete Wahl der Anzahl von Perforationslöchern und des Lochdurchmessers das Rauschen eines Kondensators deutlich reduziert werden kann.The diagram according to 13 shows the influence of the perforation of a capacitor plate on the noise in a gas-filled cell. From this diagram, it is clear that by a suitable choice of the number of perforation holes and the hole diameter, the noise of a capacitor can be significantly reduced.

Wenn die Messkammer mit einem flüssigen Fluid wie beispielsweise Wasser gefüllt ist, ist die Auslegung problematischer, da bei gleicher Zellengeometrie die Zeitkonstante bei Wasserfüllung deutlich größer im Vergleich zur Gasfüllung ist, weshalb zur Reduzierung der Zeitkonstante τ_Zelle der Zellenradius reduziert werden sollte. Für einen Zellendurchmesser von z. B. 0,5 mm ergibt sich eine Zeitkonstante von τ_Zelle = 74 ms. Selbst mit nur einem Perforationsloch mit der Geometrie wie oben und V_R >> V_Z ergibt sich τ_Wasser = 21 ms, d. h. für eine Wasserfüllung ergibt sich keine Lösung wegen τ_Zelle > τ_Wasser.If the measuring chamber is filled with a liquid fluid such as water, the interpretation is more problematic, since at the same cell geometry, the time constant for water filling is significantly greater compared to the gas filling, so the _cell radius should be reduced to reduce the time constant τ _cell . For a cell diameter of z. B. 0.5 mm results in a time constant of τ _cell = 74 ms. Even with only one perforation hole with the geometry as above and V _R >> V _Z , τ _water = 21 ms, ie for a water filling there is no solution because of τ _cell > τ _water .

Um bei einer Wasserfüllung eine Druckentlastung für lansame Druckänderungen zu realisieren, muss die Kanallänge deutlich erhöht werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Druckentlastungskammer mit der Messkammer im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch einen Kanal verbunden ist, welcher die Druckkammer umgibt und an seinem einen Ende in die Druckkammer und an seinem anderen Ende in die Druckentlastungskammer mündet. Bei dieser Ausführungsform sind die Druckentlastungskammer und die Messkammer also nicht durch Perforation in der Kondensatorplatte, sondern durch einen Entlastungskanal, der um die Messkammer herumgeführt ist, verbunden. Aufgrund dieser verlängerten Kanallänge können akzeptable Zeitkonstanten τ_Wasser erreicht werden. Bei einem Kanaldurchmesser von 2 μm ergibt sich beispielsweise schon bei einer Kanallänge von 4 mm noch eine akzeptable Zeitkonstante τ_Wasser von 460 ms. Die Messeinrichtung kann in üblicher Weise kapazitiv, optisch oder auch piezoelektrisch arbeiten. Im Falle einer kapazitiven Messeinrichtung ist die Druckentlastungskammer zumindest im Bereich zwischen den Kondensatorplatten ausgebildet. Diese können als Beschichtungen an der von der Messkammer weg weisenden Seite der Membran und beispielsweise einer Basisplatte ausgebildet sein. Der Kanal kann beispielsweise spiralförmig oder mäanderförmig ausgebildet sein.In order to realize a pressure relief for slow pressure changes in a water filling, the channel length must be increased significantly. For this purpose, it is provided that the pressure relief chamber is connected to the measuring chamber in the case of using a liquid fluid through a channel which surrounds the pressure chamber and opens at its one end into the pressure chamber and at its other end into the pressure relief chamber. In this embodiment, the pressure relief chamber and the measuring chamber are thus not connected by perforation in the capacitor plate, but by a discharge channel, which is guided around the measuring chamber. Due to this extended channel length, acceptable time constants τ of _water can be achieved. With a channel diameter of 2 μm, for example, even with a channel length of 4 mm, an acceptable time constant τ _water of 460 ms results. The measuring device can work capacitively, optically or piezoelectrically in the usual way. In the case of a capacitive measuring device, the pressure relief chamber is formed at least in the region between the capacitor plates. These may be formed as coatings on the side facing away from the measuring chamber side of the membrane and, for example, a base plate. The channel may be formed, for example, spiral or meandering.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckentlastungskammer eine Druckentlastungsöffnung zur Umgebung hin aufweist, die im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch eine flexible Folie abgedeckt ist. Damit kann zusätzlich noch ein Druckausgleich zur Umgebung stattfinden.In Further development of the invention is provided that the pressure relief chamber a pressure relief opening towards the environment, in the case of using a liquid fluid covered by a flexible film. This can additionally pressure equalization to the environment take place.

Wenn mehrere Messkammern vorgesehen sind, stellt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Druckentlastungskammer für jede Messkammer ein abgeschlossens Volumen dar. Damit sind die Sensoranordnungen unabhängig voneinander und können getrennt voneinander ausgewertet werden.If a plurality of measuring chambers are provided, according to one embodiment invention of the pressure relief chamber for each measuring chamber a completed Volume dar. Thus, the sensor arrangements are independent of each other and can be evaluated separately from each other.

In an sich bekannter Weise kann die wenigstens eine Messkammer von einer in ein Substrat – insbesondere in einen Silizium-Wafer – eingebrachten Kavität gebildet sein, die einseitig auf der die Eintrittsöffnung aufweisende aktive Seite von einer Fensterplatte bedeckt ist. Dabei kann die Membran den Boden der Ausnehmung bilden.In known per se, the at least one measuring chamber of one into a substrate - in particular in a silicon wafer - introduced cavity be formed, which on one side on the inlet opening having active side is covered by a window plate. It can the Membrane form the bottom of the recess.

Wenn in dem Substrat mehrere Messkammern ausgebildet sind, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in den Wandbereichen zwischen den Messkammern zusätzlich Isolationsaussparungen vorgesehen sind. Dieser Ausgestaltung, die im Übrigen auch unabhängig von einer Fluidverbindung zwischen der Messkammer und einer Druckentlastungskammer verwirklicht sein kann, liegt die Überlegung zugrunde, dass die Verbesserung der Wärmeisolierung der Zelle in einem Silizium-Wafer durch eine Freistellung der Zellenwände erreicht werden kann.If in the substrate a plurality of measuring chambers are formed, is in accordance with a preferred embodiment the invention provides that in the wall areas between the Measuring chambers additionally Isolation recesses are provided. This embodiment, the Furthermore also independent from a fluid communication between the metering chamber and a pressure relief chamber be based on the idea that the Improvement of thermal insulation the cell in a silicon wafer can be achieved by an exemption of the cell walls.

Durch die verbesserte Isolierung der Zellen steigt das mittlere Temperaturniveau bei einer IR-Absorption im Vergleich zu einer geringer isolierten Zelle an. Die höhere Temperatur bewirkt einen höheren Druck in der Zelle und damit eine höhere Kapazitätsänderung.By the improved isolation of the cells increases the mean temperature level at an IR absorption compared to a lower isolated one Cell on. The higher one Temperature causes a higher Pressure in the cell and thus a higher capacity change.

Der Einfluss der Zellengeometrie und der Stoffwerte auf das mittlere Temperaturniveau in der Zelle kann unter der Voraussetzung einer zu vernachlässigenden Wärmeleitung in axialer Richtung für den stationären Zustand beschrieben werden durch die Gleichung

wobei T₀: Umgebungstemperatur, q''': absorbierte IR-Strahlung pro Volumeneinheit, λ₁, λ₁: Wärmeleitfähigkeit des Gases in der Zelle und des Wandmaterials; α: Wärmekoeffizient an der Außenwand.The influence of the cell geometry and the material values on the average temperature level in the cell can be described under the assumption of a negligible heat conduction in the axial direction for the stationary state by the equation

wherein T ₀ : ambient temperature, q ''': absorbed IR radiation per unit volume, λ ₁ , λ ₁ : thermal conductivity of the gas in the cell and the wall material; α: Thermal coefficient on the outside wall.

Die Temperaturen können der 14 entnommen werden, die ein Diagramm zeigt, das dem Temperaturverlauf in einer isolierten Zelle darstellt.The temperatures can be 14 which shows a diagram representing the temperature profile in an isolated cell.

Ohne Isolierung durch Freistellung der Wendung ergibt sich das folgende mittlere Temperaturniveau für λ₁ << λ₂, wie bei einem Silizium-Wafer

Without insulation by exemption of the turn results in the following average temperature level for λ ₁ << λ ₂ , as in a silicon wafer

Der Temperaturverlauf ist in 15 dargestellt.The temperature profile is in 15 shown.

Schließlich wird auf die 16 verwiesen. Dieses Diagramm zeigt im Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des übermittelten Temperaturprofils in der Zelle zwischen einer Zelle mit Isolierspalt (oben) und eine Zelle ohne Isolierspalt für den stationären Zustand (unten), wobei die Zelle mit einem Kohlendioxid als IR-Strahlung absorbierendes Gas versehen ist. Randdaten sind zu nennen:
R₁ = 0,5 mm, R₂ = 2 mm; λ₁(CO₂) = 0,0164 W/mK, λ₂ (Silizium) = 148 W/mK, α = 40 W/m²K, q''' = 20 KW/m³ entsprechend IR-Leistungsdichte von 10 W/m² und einer Zellentiefe von 0,5 mm bei vollständiger Absorption.Finally, on the 16 directed. This graph shows a comparison of a radial temperature profile and the transmitted temperature profile in the cell between a cell with insulating gap (top) and a cell without insulating gap for the stationary state (bottom), wherein the cell is provided with a carbon dioxide as IR radiation absorbing gas , Edge data can be mentioned:
R ₁ = 0.5 mm, R ₂ = 2 mm; λ ₁ (CO ₂ ) = 0.0164 W / mK, λ ₂ (silicon) = 148 W / mK, α = 40 W / m ² K, q '''= 20 KW / m ³ corresponding to IR power density of 10 W / m ² and a cell depth of 0.5 mm with complete absorption.

Bei der Herstellung der Messkammern bzw. Zellenvolumina mit einem Bosch-Prozess oder anderen Äzprozessen können beispielsweise gleichzeitig radiale Ringspalte um die Zelle hergestellt werden, so dass freistehende Zellwände entstehen. Alternativ zum Ringspalt kann auch das gesamte Material zwischen den Wänden entfernt werden. Zur einfachen Herstellung in Silizium durch Äzprozesse sollte die Breite des Ringspalts etwa der Ringspalttiefe entsprechen. Bei der gesamten Freistellung der Zellenwände kann der minimale Abstand der Zellenwände wegen des verbesserten Abtransports der Reaktionsprodukte reduziert werden.at the production of the measuring chambers or cell volumes with a Bosch process or other Äzprozessen can For example, simultaneously radial annular gaps are made around the cell so that freestanding cell walls arise. Alternative to Annular gap can also remove all the material between the walls become. For easy production in silicon by Äzprozesse the width of the annular gap should correspond approximately to the annular gap depth. In the total exemption of the cell walls, the minimum distance the cell walls reduced due to the improved removal of the reaction products become.

Die Dicke der Zellenwände sollte möglichst gering sein, um den Wärmeabfluss zu dem verbleibenden Silizium-Boden zu reduzieren. Die minimale Zellenwanddicke ergibt sich aus der Stabilität der Zellenwände und der notwendigen Fläche zum Aufbonden des IR-durchlässigen Fensters.The Thickness of the cell walls should be possible be low to the heat flow to reduce the remaining silicon soil. The minimum Cell wall thickness results from the stability of the cell walls and the necessary area for bonding the IR-permeable Window.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Silizium mit 148 W/mK führt zu einer geringen Isolierwirkung der Wand selbst. Durch ein Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit kann die Wand neben der Isolierwirkung des Spaltes selbst noch zur Isolation beitragen. Entsprechend können die Messkammer von Röhrchen aus einem wärmeisolierenden Mate rial wie beispielsweise Glas (Pyrex) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,13 W/mK und Polymethylacrylat (PMMA) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,19 W/mK ausgebildet sein, die auf einen Silizium-Wafer, in welchem die Membranen ausgebildet sind, beispielsweise durch Bonden oder Kleben fixiert sind. In diesem Fall kann das IR-Strahlungdurchlässige Fenster an den Röhrchen ebenfalls festgeklebt werden.The high thermal conductivity of silicon with 148 W / mK leads to a small insulating effect of the wall itself. By a material with poorer thermal conductivity can the wall next to the insulating effect of the gap itself still to Contribute to isolation. Accordingly, the measuring chamber can be made from tubes a heat-insulating Mate rial such as glass (Pyrex) with a thermal conductivity of 1.13 W / mK and polymethyl acrylate (PMMA) with a thermal conductivity 0.19 W / mK formed on a silicon wafer, in which the membranes are formed, for example by bonding or gluing are fixed. In this case, the IR radiation permeable window at the tube also be stuck.

Auch in diesem Fall können die Röhrchen beabstandet voneinander angeordnet sein, um Isolationsräume zu bilden, die zur Steigerung der Stabilität mit einem Wärme isolierenden Material wie beispielsweise einem Klebstoff gefüllt sein können.Also in this case you can the tubes spaced from each other to form isolation spaces, to increase stability with a heat be filled with insulating material such as an adhesive can.

Die 17 zeigt einen Vergleich des radialen Temperaturprofils in des gemittelten Temperaturprofil in einer Zelle mit Isolierspalt für die verschiedenen Wandwerkstoffe, wenn die Zellen mit Kohlendioxid gefüllt sind und die 18 zeigt den Vergleich, wenn die Zellen mit Wasser gefüllt sind. Die Diagramme zeigen beispielsweise die verbesserte Isolierwirkung der Wand für die Werkstoffe Glas und Polymethylacrylat.The 17 FIG. 12 shows a comparison of the radial temperature profile in the averaged temperature profile in an insulating gap cell for the various wall materials when the cells are filled with carbon dioxide and the 18 shows the comparison when the cells are filled with water. The diagrams show, for example, the improved insulating effect of the wall for the materials glass and polymethyl acrylate.

Die Röhrchen können auch kreisrund ausgebildet und in Linienkontakt zueinander angeordnet sein. In diesem Fall bilden sie ein Röhrchenbündel, das eine hohe Stabilität besitzt. Wenn dessen Zwischenräume ebenfalls mit einem Klebstoff gefüllt werden, kann das Glasbündel bei diesem Gießprozess auch gleichzeitig verklebt werden. Die Anordnung der Röhrchen als sich berührendes Bündel hat den Vorteil, dass die Röhrchen gemeinsam gehandhabt und an dem Trägersubstrat, d. h. dem Silizium-Wafer festgeklebt werden können, wobei das Bündel nur an zwei Stellen positioniert zu werden braucht, um eine genaue Ausrichtung zu erhalten.The tubes may also be formed circular and arranged in line contact with each other. In In this case, they form a tube bundle which has a high stability. If its spaces are also filled with an adhesive, the glass bundle can be glued at the same time in this casting process. The arrangement of the tubes as a contacting bundle has the advantage that the tubes can be handled together and adhered to the carrier substrate, ie the silicon wafer, whereby the bundle only needs to be positioned in two places in order to achieve a precise alignment.

Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen können die Isolationsräume auch mit einem IR-Strahlung absorbierenden Material gefüllt sein. Da sich dieses beim Auftreffen von IR-Strahlung erwärmt, wird im Wesentlichen verhindert, dass aus den Zellen Wärme in ungewollter Weise abgeführt werden kann.at all the above-described embodiments can the isolation rooms also be filled with an IR-absorbing material. As this heats up when IR radiation hits, it will Essentially, it prevents heat from turning into unwanted cells Way dissipated can be.

Gemäß einer weiteren Maßnahme der vorliegenden Erfindung, die unabhängig von der beanspruchten Verbindung der Druckentlastungskammer und der Messkammer und auch der beanspruchten Isolation der Messkammern durch entsprechende Isolationsaussparungen zwischen den Messkammern und/oder der Ausbildung der Messkammern in Röhrchen aus einem wärmeisolierenden Material vorgesehen sein kann, besteht darin, in die wenigstens eine Messkammer zusätzlich wenigstens ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material einzubringen.According to one further action of the present invention which are independent of the claimed Connection of the pressure relief chamber and the measuring chamber and also the claimed isolation of the measuring chambers by appropriate Insulation gaps between the measuring chambers and / or the training the measuring chambers in tubes from a heat-insulating Material can be provided, is in the at least a measuring chamber in addition to introduce at least one infrared radiation absorbing material.

Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, durch das zusätzliche IR-Strahlung absorbierende Material den Absorptionskoeffizienten der Zelle für Infrarotstrahlung zu erhöhen mit der Folge, dass ein höheres Maß an IR-Strahlung absorbiert wird und damit eine stärke Temperaturerhöhung stattfindet. Geeignete Materialien sind Kunststoffe wie beispielsweise Polymere, die sehr hohe Absorptionskoeffizienten aufweisen. Wenn man von einer Wellenlänge von 3 μm der IR-Strahlung ausgeht, ergeben sich Absorptionskoeffizienten verschiedener Polymere zwischen 20 und 240 l/cm. Für eine Absorption von 99% der IR-Strahlung dieser Wellenlänge müsste die Dicke des Polymers etwa 0,2 bis 2 mm betragen.Of the Invention is thus the consideration underlying, by the additional IR radiation absorbing material has the absorption coefficient the cell for To increase infrared radiation with the result that a higher Measure IR radiation absorbed and thus a strength temperature increase takes place. Suitable materials are plastics such as Polymers that have very high absorption coefficients. If one of a wavelength of 3 μm emanating from the IR radiation, resulting absorption coefficients of various Polymers between 20 and 240 l / cm. For an absorption of 99% of IR radiation of this wavelength should the thickness of the polymer is about 0.2 to 2 mm.

Um eine große Oberfläche zu erreichen, können die Polymere als Einzelpartikel oder als insbesondere schwamm- bzw. netzartige Strukturen in die Zelle eingebracht sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass dünne Polymerfäden oder Poylmerfasern vorgesehen sind, die beispielsweise eine Länge von 10 bis 15 μm besitzen können. Diese Polymerfäden können zu zylinder- oder kugelförmigen Absorptionskörpern locker aufgewickelt sein, die auf passende Länge geschnitten automatisch in die Zellen eingesetzt werden können. Durch Variation des Polymerwerkstoffs, des Fadendurchmessers und der Wickeldichte können bezüglich Absorption und Wärmekapazität angepasste Absorptionskörper hergestellt werden. Die oft auch als Engelshaar bezeichneten Polymerfäden entstehen als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Granulatherstellung und brauchen daher nicht separat hergestellt zu werden.Around a big surface to reach the polymers as individual particles or as in particular sponge or mesh-like structures are introduced into the cell. According to one preferred embodiment is provided that thin polymer threads or Poylmerfasern are provided, for example, a length of 10 to 15 μm can own. These polymer threads can to cylinder or spherical absorption bodies be wrapped loosely, cut to the appropriate length automatically can be used in the cells. By variation of the polymer material, the thread diameter and the winding density can be adjusted in terms of absorption and heat capacity absorbent body getting produced. Often referred to as angel hair polymer threads arise as unwanted By-product in granule production and therefore do not need to be manufactured separately.

Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, dünne Polymerfäden oder Polymerfasern auf einem Polymerfilm aufzubringen. Falls die Herstellung des Films und der Fasern in den benötigten Dimensionen möglich ist, können durch Aufwickeln dieses Films auch zylinderförmige Absorptionskörper hergestellt werden.alternative this is possible thin polymer threads or Apply polymer fibers on a polymer film. If the production the film and the fibers in the required dimensions is possible through Winding up this film also produced cylindrical absorbent bodies become.

Alternativ oder zusätzlich können Absorptionskörper in Form von Hohlkörpern mit einer Hülle aus Kunststoff vorgesehen sein, wobei der Hohlraum der Absorptionskörper mit Gas gefüllt ist. Dieser Ausgestaltungsform liegt die Überlegung zugrunde, einen Polymerkörper zu schaffen, der als Absorptionskörper wirkt und gleichzeitig noch die Kompensation von langsamen Temperatur- bzw. Druckänderungen übernimmt.alternative or additionally can absorbent body in the form of hollow bodies with a shell be provided from plastic, wherein the cavity of the absorption body with Gas filled is. This embodiment is based on the idea of a polymer body create that as absorption body At the same time, the compensation of slow temperature or pressure changes.

Thermoplaste wie z. B. Polyethylen zeigen oberhalb der Glastemperatur (Übergang vom spröden in den elastischen Bereich) ein viskoelastisches Verhalten, bei dem das reversible Verformungsverhalten durch eine zeitabhängige und eine zeitunabhängige Komponente repräsentiert wird. Dieses Verhalten wird in die Rheologie durch das Kelvin-Voigt-Modell beschrieben, bei dem ein Federelemnt und ein viskoses Dämpfungselement parallel geschaltet werden. Bei einer plötzlichen Belastung kann das Federelement nicht gestaucht werden, so dass Dämpfungselement zunächst keine Verformung zeigt. Mit zunehmender Zeit wird das Dämpfungselement jedoch verformt und die Feder gespannt, so dass ein stationärer Verformungszustand erreicht wird.thermoplastics such as B. polyethylene show above the glass transition temperature (transition from the brittle in the elastic region) a viscoelastic behavior, at the reversible deformation behavior by a time-dependent and a time independent Component represents becomes. This behavior is described in the rheology by the Kelvin-Voigt model, in which a Federelemnt and a viscous damping element connected in parallel become. In a sudden Strain, the spring element can not be compressed, so that damping element first shows no deformation. With time, the damping element becomes however deformed and the spring stretched, leaving a stationary state of deformation is reached.

Nach der Entlastung wird die Feder entspannt, wobei wieder das Dämpfungsglied die Verformung zeitabhängig verzögert. Nach ausreichender Zeit wird wieder der Anfangszustand erreicht. Damit hat man ein Modell mit einer reversiblen, zeitabhängigen Verformung. Bei der richtigen Wahl der Parameter verformt sich das Element bei einer kurzzeitigen Stoßbelastug nicht, kann aber langsame Belastungen reversibel kompensieren.To the discharge is the spring relaxed, again the attenuator the deformation time-dependent delayed. After a sufficient time, the initial state is reached again. So you have a model with a reversible, time-dependent deformation. The right choice of parameters will deform the element a momentary impact load not, but can compensate for slow loads reversibly.

Eine z. B. ballförmige Struktur, bei der die Hülle aus z. B. Polyethylen besteht und der Hohlraum mit Gas gefüllt ist, wäre ein Beispiel für ein Kelvin-Voigt-Modell, da die Hülle das Dämpfungsglied und der Gasraum die Feder darstellt. Die Forderung, dass die Betriebstemperatur über der Glastemperatur der Polyethylenhülle liegen muss, kann durch die Wahl des Chlorgehalts im Polyethylen in einem ausreichend großen Temperaturbereich eingestellt werden, z. B. kann eine Glastemperatur von weniger als 0°C erreicht werde. Mögliche Ausführungsbeispiel wären z. B. gasgefüllte Mikrokügelchen aus Polymer (Durchmesser ca. 10–100 μm) oder ein Körper aus Polymerschaum. Die Wahl der Dämpfungseigenschaften könnte abgestimmt auf de Anwendungsfall durch den Polymerwerkstoff, die Wanddicke der Hüllen und weiterer geometrischer Merkmale erfolgen.A z. B. ball-shaped structure in which the shell of z. As polyethylene is made and the cavity is filled with gas, would be an example of a Kelvin-Voigt model, since the shell of the attenuator and the gas room represents the spring. The requirement that the operating temperature must be above the glass transition temperature of the polyethylene sheath, can be adjusted by the choice of the chlorine content in the polyethylene in a sufficiently large temperature range, for. For example, a glass transition temperature of less than 0 ° C can be achieved. Possible embodiment would be z. B. gas-filled microspheres of polymer (diameter about 10-100 microns) or a body made of polymer foam. The choice of damping properties could be adjusted to the application by the polymer material, the wall thickness of the sheaths and other geometric features.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindungen wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die vorliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigtRegarding Further advantageous embodiments of the invention will be on the dependent claims as well as the following description of embodiments under Be access referred to the present drawing. In the drawing shows

1 im Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Verwendung eines flüssigen Absorptionsfluids, 1 in a longitudinal section through an embodiment of a sensor arrangement for the detection of electromagnetic radiation according to the present invention for the use of a liquid absorption fluid,

2 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 1, 2 the sensor array in section AA 1 .

3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Verwendung mit einem gasförmigen Absorptionsfluid im Längsschnitt, 3 a further embodiment of a sensor arrangement according to the invention for use with a gaseous absorption fluid in longitudinal section,

4 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 3, 4 the sensor array in section AA 3 .

5 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung für die Verwendung eines gasförmigen Absorptionsfluids, 5 in a longitudinal section a second embodiment of a sensor arrangement for the use of a gaseous absorption fluid,

6 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 5, 6 the sensor array in section AA 5 .

7 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung für die Verwendung mit einem gasförmigen Absorptionsfluid im Längsschnitt, 7 A third embodiment of a sensor arrangement according to the invention for use with a gaseous absorption fluid in longitudinal section,

8 eine Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit voneinander isolierten Messkammern bzw. Zellen im Längsschnitt, 8th a sensor arrangement for the detection of electromagnetic radiation with measuring chambers or cells isolated from each other in longitudinal section,

9 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 8, 9 the sensor array in section AA 8th .

10 eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung mit voneinander beabstandeten Messkammern im Längsschnitt, 10 a second embodiment of a sensor arrangement with spaced measuring chambers in longitudinal section,

11 die Sensoranordnung aus 10 mit verfüllten Zwischenräumen, 11 the sensor arrangement 10 with filled gaps,

12 ein Rohrbündel für die Verwendung in einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, 12 a tube bundle for use in a sensor assembly according to the present invention,

13 ein Diagramm, das den Einfluss der Perforation einer Kondensatorplatte auf das Rauschen einer mit Gas gefüllten Zelle zeigt, 13 a diagram showing the influence of the perforation of a capacitor plate on the noise of a gas-filled cell,

14 ein Diagramm, das dem Temperaturverlauf in einer isolierten Zelle zeigt, 14 a diagram showing the temperature profile in an isolated cell,

15 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf in einer nicht isolierten Zelle zeigt, 15 a diagram showing the temperature profile in a non-isolated cell,

16 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in einer Zelle zwischen einer Zelle mit Isolierspalt und einer Zelle ohne Isolierspalt für den stationären Zustand zeigt, 16 a diagram showing the comparison of a radial temperature profile and the averaged temperature profile in a cell between a cell with insulating gap and a cell without insulating gap for the steady state,

17 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in der Zelle mit Isolierspalt für den Wandwerkstoff Silizium, Glas (Pyrex) und Kunststoff (PMMA) für den stationären Zustand bei Zellenfüllung Kohlendioxid zeigt und 17 a diagram showing the comparison of a radial temperature profile and the averaged temperature profile in the cell with insulating gap for the wall material silicon, glass (Pyrex) and plastic (PMMA) for the stationary state in cell filling carbon dioxide and

18 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in einer Zelle mit Isolierspalt für die Wandwerkstoffe Silizium, Glas (Pyrex) und Kunststoff (PMMA) für den stationären Zustand bei Zellenfüllung Wasser zeigt. 18 a diagram showing the comparison of a radial temperature profile and the averaged Tem perature profile in a cell with insulating gap for the wall materials silicon, glass (pyrex) and plastic (PMMA) for the stationary state in cell filling water shows.

In der 1 ist eine Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt – im folgenden IR-Strahlung genannt – dargestellt. Eine solche Sensoranordnung in Mikrostruktur ist insbesondere für den Einsatz in Nachtsichtgeräten beispielsweise für Automobile oder Flugzeuge geeignet. Auch können sie bei der Überwachung von industriellen Produktionsprozessen, beim Feuerwehreinsatz, bei medizinischen und tiermedizinischen Diagnostiken sowie bei der Minensuche in Nachtsichtgeräten für militärische und zivile Einsätze verwendet werden. Die Sensoranordnung umfasst ein Substrat 1, das hier von einem Silizium-Wafer gebildet ist. In dem Substrat 1 sind eine Vielzahl von Messkammern 2 oder Zellen vorgesehen, die als Durchgangsöffnungen in das Siliziummaterial eingeätzt sind.In the 1 is a sensor arrangement according to the present invention for the detection of electromagnetic radiation whose wavelength is in or near the infrared region - hereinafter referred to as IR radiation - shown. Such a sensor arrangement in microstructure is particularly suitable for use in night vision devices, for example for automobiles or aircraft. They can also be used to monitor industrial production processes, fire service operations, medical and veterinary diagnostics, and mine detection in military and civilian night vision equipment. The sensor arrangement comprises a substrate 1 which is formed here by a silicon wafer. In the substrate 1 are a variety of measuring chambers 2 or cells are etched, which are etched as through holes in the silicon material.

Auf der Oberseite des Substrats 1 ist eine Fensterplatte 3 aus einem IR-Strahlung-durchlässigen Material wie beispielsweise Pyrex durch Kleben oder Bonden befestigt, welche die obenseitigen Eintrittsöffnungen der Zellen 2 abdeckt.On top of the substrate 1 is a window plate 3 attached from an IR radiation-transmissive material such as Pyrex by gluing or bonding, which the top-side inlet openings of the cells 2 covers.

An ihrer Unterseite sind die Zellen 2 durch einen dünnen SiliziumWafer 4 verschlossen, welcher an der Unterseite des Substrats 2 befestigt ist und eine verformbare Membran M bildet. Jeder Zelle 2 ist ein Kondensator 5 zugeordnet, dessen obere Kondensatorplatte 5a in Form einer Beschichtung an dem Silizium-Wafer 4 unterhalb der Zelle 2 vorgesehen ist und dessen untere Kondensatorplatte 5b an einer Basisplatte 6 angebracht ist.At the bottom are the cells 2 through a thin silicon wafer 4 closed, which at the bottom of the substrate 2 is fixed and forms a deformable membrane M. Every cell 2 is a capacitor 5 assigned to the upper capacitor plate 5a in the form of a coating on the silicon wafer 4 below the cell 2 is provided and the lower capacitor plate 5b on a base plate 6 is appropriate.

Zwischen dem dünnen Silizium-Wafer 4 und der Basisplatte 6 wird ein durchgehender Raum gebildet, der eine Druckentlastungskammer 7 bildet. Die Druckentlastungskammer 7 ist mit den Messkammern 2 jeweils durch einen Verbindungskanal 8 verbunden. Dieser ist in dem Silizium-Wafer 4 und einer zwischen diesem und dem Substrat 2 vorgesehenen Zwischenplatte 9 spiralförmig ausgebildet und mündet einerseits in die Zelle 2 und andererseits in die Druckentlastungskammer 7. Der Verbindungskanal 8 kann beispielsweise auch mäanderförmig ausgebildet sein. Durch die Kanäle 8 wird erreicht, dass in der Druckentlastungskammer 7 sowie den Zellen 2 ein Druckausgleich zwischen den Kammern 2, 7 stattfinden kann. Der Querschnittfläche und -länge der Kanäle 8 sind dabei so bestimmt, dass langsame Druckänderungen in der Messkammer 2, wie sie beispielsweise bei Änderungen in der Umgebungstemperatur auftreten, ausgeglichen werden, jedoch bei schnellen Druckänderungen, wie sie beim Eintreten von IR-Strahlung in die Messer 2 auftreten, ein solcher Druckausgleich jedoch nicht stattfinden kann, so dass sich die Membran M verformt. Des weiteren ist in der Basisplatte 6 eine Druckentlastungsöffnung 10 zur Umgebung hin vorgesehen, so dass sich in der Messkammer 2 sowie der Druckentlastungskammer 7 etwa Umgebungsdruck einstellt. An der Unterseite der Basisplatte 6 ist eine Folie 11 vorgesehen, welche die Druckentlastungsöffnung verschließt, so dass aus der Druckentlastungskammer 7 kein Wasser austreten kann.Between the thin silicon wafer 4 and the base plate 6 a continuous space is formed, which is a pressure relief chamber 7 forms. The pressure relief chamber 7 is with the measuring chambers 2 each through a connecting channel 8th connected. This is in the silicon wafer 4 and one between this and the substrate 2 provided intermediate plate 9 formed spirally and opens on the one hand into the cell 2 and on the other hand into the pressure relief chamber 7 , The connection channel 8th For example, it can also be meander-shaped. Through the channels 8th that is achieved in the pressure relief chamber 7 as well as the cells 2 a pressure balance between the chambers 2 . 7 can take place. The cross-sectional area and length of the channels 8th are determined so that slow pressure changes in the measuring chamber 2 , as they occur, for example, changes in ambient temperature, are compensated, but with rapid pressure changes, such as the onset of IR radiation in the knife 2 However, such pressure equalization can not take place, so that the membrane M deformed. Furthermore, in the base plate 6 a pressure relief opening 10 provided to the environment, so that in the measuring chamber 2 and the pressure relief chamber 7 about ambient pressure sets. At the bottom of the base plate 6 is a foil 11 provided, which closes the pressure relief opening, so that from the pressure relief chamber 7 no water can escape.

In den 3 und 4 ist eine alternative Ausführung einer Sensoranordnung dargestellt. Diese besteht, wie die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform, aus einem Substrat 1 in der Form eines Silizium-Wafers, in welchem Messkammern 2 bzw. Zellen ausgebildet sind. Wie in der 3 erkennbar ist, werden die Messkammern 2 von zur Bodenseite hin noch verschlossene Ausnehmungen in dem Substrat 1 gebildet, wobei der beim Herstellen der Ausnehmungen bleibende Boden eine dünne Membran M bildet.In the 3 and 4 an alternative embodiment of a sensor arrangement is shown. This consists, as in the 1 and 2 illustrated embodiment, from a substrate 1 in the form of a silicon wafer, in which measuring chambers 2 or cells are formed. Like in the 3 is recognizable, the measuring chambers 2 from the bottom side still closed recesses in the substrate 1 formed, wherein the remaining in producing the recesses bottom forms a thin membrane M.

An der Oberseite des Substrats 2 ist auch hier eine Fensterplatte 3 vorgesehen, welche die offenen Oberseiten der Messkammern 2 verschließt, und an der Unterseite des Substrats 2 sind Kondensatoren 5 vorgesehen, wobei je weils die obere Platte 5a der Kondensatoren an der Unterseite einer Membran M und die untere Platte 5b des Kondensators auf der Basisplatte 6 ausgebildet sind.At the top of the substrate 2 is also a window plate here 3 provided, which the open tops of the measuring chambers 2 closes, and at the bottom of the substrate 2 are capacitors 5 provided, depending Weil the upper plate 5a the capacitors at the bottom of a membrane M and the bottom plate 5b of the capacitor on the base plate 6 are formed.

Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird zwischen der Basisplatte 6 und dem Substrat 1 eine Druckentlastungskammer 7 gebildet, die durch eine Druckentlastungsöffnung 10 in der Basisplatte 6 mit der Umgebung verbunden ist. Die Druckentlastungskammer 7 ist des weiteren mit den Messkammern 2 verbunden, und zwar hier durch Perforationsöffnungen 12, welche die oberen Platten 5a der Kondensatoren 5a sowie die Membranen M durchsetzen. Auch bei dieser Ausführungsform sind die Perforationsöffnungen 12 so bemessen, dass ein Druckausgleich zwischen den Messkammern 2 und der Druckentlastungskammer 7 bei langsamen Druckänderungen stattfindet, nicht jedoch schnelle Druckänderungen aufgrund von eintretender IR-Strahlung ausgeglichen werden.As in the previously described embodiment, between the base plate 6 and the substrate 1 a pressure relief chamber 7 formed by a pressure relief opening 10 in the base plate 6 connected to the environment. The pressure relief chamber 7 is further with the measuring chambers 2 connected, here through perforations 12 which are the upper plates 5a of the capacitors 5a as well as the membranes M. Also in this embodiment, the perforation openings 12 such that a pressure balance between the measuring chambers 2 and the pressure relief chamber 7 occurs at slow pressure changes, but not compensated for rapid pressure changes due to incoming IR radiation.

Die in den 5 und 6 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung entspricht der zuvor anhand der 3 und 4 beschriebenen Ausführungsform mit der Maßgabe, dass hier jeder Messkammer 2 eine eigene Druckentlastungskammer 7 zugeordnet ist. Hierzu ist zwischen der Basisplatte 6 und dem Substrat 1 eine Zwischenplatte 13 vorgesehen, in welcher den Messkammern 2 zugeordnete, kreisförmige Hohlräume ausgebildet sind. Aufgrund dieser Anordnung sind die Messkammern 2 und zugehörigen Druckentlastungskammern 7 voneinander un abhängig. Außerdem sind die Druckentlastungskammern 7 auch nicht zur Umgebung hin geöffnet, so dass die Messkammern 2 und zugehörigen Druckentlastungskammern 7 abgeschlossene Systeme darstellen.The in the 5 and 6 illustrated embodiment of a Sensoranord invention tion corresponds to that previously based on the 3 and 4 described embodiment with the proviso that here each measuring chamber 2 a separate pressure relief chamber 7 assigned. This is between the base plate 6 and the substrate 1 an intermediate plate 13 provided, in which the measuring chambers 2 assigned, circular cavities are formed. Due to this arrangement, the measuring chambers 2 and associated pressure relief chambers 7 independent from each other. In addition, the pressure relief chambers 7 also not open to the environment, so that the measuring chambers 2 and associated pressure relief chambers 7 represent completed systems.

Die in der 7 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung entspricht der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsform mit dem einzigen Unterschied, dass die Druckentlastungskammern 7 ein größeres Volumen besitzen. Hierzu wird eine Basisplatte 6 größerer Dicke verwendet, in welcher um die untere Kondensatorplatte 5b herum ringförmige Ausnehmungen 14 ausgebildet sind.The in the 7 illustrated embodiment of a sensor arrangement according to the invention corresponds to the in the 5 and 6 illustrated embodiment with the only difference that the pressure relief chambers 7 have a larger volume. This is a base plate 6 larger thickness used in which around the lower capacitor plate 5b around annular recesses 14 are formed.

Bei sämtlichen vorbeschriebenen Sensoranordnungen sind die Messkammern 2 mit einem gasförmigen oder flüssigen Fluid gefüllt, welches IR-Strahlung absorbiert. Wenn IR-Strahlung durch die Fensterplatte 3 in die Messkammern 2 eintritt, wird diese Strahlung entsprechend zumindest teilweise absorbiert mit der Folge, dass sich die Temperatur des Fluids erhöht und sich dieses ausdehnt. Aufgrund der Ausdehnung wird die Membran M und damit die obere Kondensatorplatte 5a verformt, so dass sich die Kapazität des Kondensators 5 ändert. Diese Änderung wird erfasst und ausgewertet.In all the above-described sensor arrangements, the measuring chambers 2 filled with a gaseous or liquid fluid which absorbs IR radiation. When IR radiation through the window plate 3 into the measuring chambers 2 Accordingly, this radiation is at least partially absorbed, with the result that the temperature of the fluid increases and expands. Due to the expansion, the membrane M and thus the upper capacitor plate 5a deformed, so that the capacitance of the capacitor 5 changes. This change is recorded and evaluated.

Die Messkammern 2 und die Druckentlastungskammer(n) 7 sind miteinander verbunden, so dass Druckunterschiede zwischen den Kammern 2, 7 aufgrund von langsamen Druckän derungen in einer der Kammern 2, 7 beispielsweise aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur ausgeglichen werden und sich die obere Kondensatorplatte 5a aufgrund von solchen langsamen Temperaturänderungen nicht verformt.The measuring chambers 2 and the pressure relief chamber (s) 7 are interconnected so that pressure differences between the chambers 2 . 7 due to slow Druckän changes in one of the chambers 2 . 7 for example due to changes in ambient temperature and the upper capacitor plate 5a not deformed due to such slow temperature changes.

In den 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung dargestellt. Diese umfasst ein Substrat 1, in welchem Messkammern 2 als zur Substratoberseite hin offene und zur Substratunterseite hin verschlossene Ausnehmungen eingebracht sind. Dabei sind die Böden der Messkammern 2 als dünnwandige Membranen M ausgebildet.In the 8th and 9 a further embodiment of a sensor arrangement for the detection of electromagnetic radiation is shown. This includes a substrate 1 in which measuring chambers 2 are introduced as the substrate upper side open and closed to the substrate bottom recesses. Here are the bottoms of the measuring chambers 2 formed as thin-walled membranes M.

Unterhalb des Substrats 1 ist eine Basisplatte 6 angeordnet, die mit der Substratunterseite durch eine Zwischenplatte 15 verbunden ist. In der Zwischenplatte 15 sind kreisförmige Aussparungen vorgesehen, so dass zwischen dem Substrat 1 und der Basisplatte 6 im Bereich der Messkammern kreisförmige Hohlräume 17 gebildet werden. In diesen Hohlräumen 17 sind Kondensatoren 5 untergebracht, wobei die obere Kondensatorplatte 5a als Beschichtung an der Unterseite der Membran M vorgesehen ist und die untere Kondensatorplatte 5b an der Basisplatte 6 fixiert ist. Die Hohlräume 17 können als Druckentlastungsräume ausgebildet sein, welche mit den Messkammern 2 in zuvor beschriebener Weise verbunden sind, müssen dies aber nicht.Below the substrate 1 is a base plate 6 arranged with the substrate base through an intermediate plate 15 connected is. In the intermediate plate 15 Circular recesses are provided so that between the substrate 1 and the base plate 6 in the area of the measuring chambers circular cavities 17 be formed. In these cavities 17 are capacitors 5 housed, with the upper capacitor plate 5a is provided as a coating on the underside of the membrane M and the lower capacitor plate 5b on the base plate 6 is fixed. The cavities 17 can be designed as pressure relief spaces, which with the measuring chambers 2 but not necessarily connected in the manner described above.

Die offenen Oberseiten der Messkammern 2 sind durch eine für Infrarotstrahlung durchlässige Fensterscheibe 3 verschlossen, die an der Oberseite des Substrats 2 angebracht, insbesondere festgeklebt oder gebondet ist.The open tops of the measuring chambers 2 are through a window permeable to infrared radiation window 3 closed at the top of the substrate 2 attached, in particular glued or bonded.

Wie die 8 und 9 deutlich erkennen lassen, werden die Zellen der Messkammern 2 nur von dünnen Wänden 18 begrenzt, während die herumliegenden Bereiche unter Bildung von Isolationsraum 19 weggeätzt sind. Durch diese Isolationsspalte 19 werden Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert.As the 8th and 9 clearly indicate the cells of the measuring chambers 2 only thin walls 18 limited, while the surrounding areas under formation of insulation space 19 are etched away. Through this isolation column 19 Heat losses are reduced by heat conduction.

Die in 10 dargestellte Ausführungsform entspricht der in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsform mit der Maßgabe, dass die Messkammern 2 durch Röhrchen 20 aus einem wärmeisolierenden Material wie beispielsweise Glas (Pyrex) gebildet sind, die auf dem hier als dünne Platte ausgebildeten Substrat 1 fixiert, beispielsweise festgeklebt oder festgebondet sind. Durch die Verwendung eines wärmeisolierenden Materials können Wärmeverluste aus dem Inneren der Messkammern 2 noch effektiver verhindert werden.In the 10 illustrated embodiment corresponds to the in the 8th and 9 illustrated embodiment with the proviso that the measuring chambers 2 through tubes 20 are formed of a heat-insulating material such as glass (Pyrex), which on the here formed as a thin plate substrate 1 fixed, for example, glued or festgebondet. By using a heat-insulating material, heat losses from the inside of the measuring chambers 2 be prevented even more effectively.

Die 11 zeigt weiter die Sensoranordnung aus 10, wobei die zwischen den Röhrchen 20 gebildeten Isolationsräume 19 mit einem Klebstoff 22 aus einem wärmeisolierenden Material gefüllt sind. Der Klebstoff gibt der Anordnung zusätzlichen Halt. Außerdem kann beim Eingießen des Klebstoffs in die Zwischenräume gleichzeitig eine Fi xierung der Röhrchen 20 an dem Substrat 2 erreicht werden. Der Klebstoff kann auch aus einem IR-Strahlung absorbierenden Material bestehen. In diesem Fall erwärmt sich der Klebstoff 22 bei einfallender IR-Strahlung, wodurch einer Wärmeabfuhr aus den Messkammern 2 entgegengewirkt wird.The 11 further shows the sensor arrangement 10 taking the between the tubes 20 formed isolation rooms 19 with an adhesive 22 are filled from a heat-insulating material. The adhesive gives the arrangement additional support. In addition, at the same time a Fi xierung the tube when pouring the adhesive into the interstices 20 on the substrate 2 be achieved. The adhesive may also consist of an IR radiation absorbing material. In this case, the adhesive heats up 22 with incident IR radiation, whereby a heat dissipation from the measuring chambers 2 counteracted.

Die 12 zeigt noch eine Anordnung der Glasröhrchen 20, die hier einen kreisrunden Querschnitt besitzen, und einander unter Bildung von Linienkontakten berühren. In dieser Anordnung sind die Glasröhrchen 20 miteinander verklebt, so dass sie ein Bündel bilden, welches gemeinsam an einem Substrat 2 positioniert und fixiert werden kann. Der Linienkontakt lässt dabei kaum einen Wärmeübergang von einem Röhrchen 20 zum anderen zu.The 12 shows another arrangement of the glass tubes 20 , which here have a circular cross-section, and touch each other to form line contacts. In this arrangement are the glass tubes 20 glued together so that they form a bundle, which together on a substrate 2 can be positioned and fixed. The line contact leaves hardly any heat transfer from a tube 20 to another.

Claims

Sensor arrangement for detecting electromagnetic radiation whose wavelength lies in or near the infrared range, with at least one measuring chamber ( 2 ) which can be filled with a fluid which selectively absorbs the radiation to be measured, the measuring chamber ( 2 ) one through a window ( 3 ) has a sealed inlet opening for the radiation and a part of the measuring chamber wall is designed as a flexible membrane (M) in such a way that, in the event of a change in volume of the chamber in the measuring chamber ( 2 ) is deformed due to the absorption of the incoming radiation, and wherein the membrane (M) is associated with a measuring device to detect the deformation, characterized in that at least on the measuring chamber ( 2 ) opposite side of the membrane (M) a pressure relief chamber ( 7 ) formed with the measuring chamber ( 2 ) is in fluid communication.

Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the pressure relief chamber ( 7 ) with the measuring chamber ( 2 ) in the case of using a liquid fluid through a particular spiral channel ( 8th ), which connects the measuring chamber ( 2 ) and at its one end into the measuring chamber ( 2 ) and at its other end into the pressure relief chamber ( 7 ) opens.

Sensor arrangement according to Claim 1, characterized in that a plate resting against the membrane (M) ( 5a ) of the capacitor ( 5 ) and the membrane (M) are perforated to the measuring chamber ( 2 ) and the pressure relief chamber ( 7 ) connect to.

Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure relief chamber ( 7 ) a pressure relief opening ( 10 ) towards the environment.

Sensor arrangement according to claim 4, characterized in that the pressure relief opening ( 10 ) in the case of using a liquid fluid through a flexible film ( 11 ) is covered.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure relief chamber ( 7 ) for each measuring chamber ( 2 ) represents a closed volume.

Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device is a capacitor ( 5 ) and the pressure relief chamber ( 7 ) at least in the region between the Kodensatorplatten ( 5a . 5b ) is trained.

Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one measuring chamber ( 2 ) from one to a substrate ( 1 ), in particular with the formation of the membrane (M), introduced cavity formed on one side on the inlet side having the active side of a window pane ( 3 ) is covered.

Sensor arrangement according to claim 8, characterized in that in the substrate ( 1 ) several measuring chambers ( 2 ) are formed, wherein in the wall regions between the measuring chambers ( 2 ) Isolation rooms ( 19 ) are provided.

Sensor arrangement according to claim 9, characterized in that the isolation spaces ( 19 ) are filled with an IR radiation absorbing material or a heat insulating material.

Sensor arrangement according to one of claims 8 to 10, characterized in that the substrate ( 2 ) is a silicon wafer, glass wafer or plastic wafer.

Sensor arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring chambers ( 2 ) of tubes ( 20 ) are formed of a heat-insulating material, which on a wafer ( 2 ) are fixed in particular of silicon, glass or plastic, in which the membranes (M) are formed.

Sensor arrangement according to claim 12, characterized in that the tubes ( 20 ) made of glass be stand.

Sensor arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that the tubes ( 20 ) are spaced from each other.

Sensor arrangement according to one of claims 12 to 14, characterized in that the tubes ( 20 ) are formed round and arranged in line contact with each other.

Sensor arrangement according to claim 14 or 15, characterized in that the isolation spaces ( 19 ) between the tubes ( 20 ) with an adhesive ( 22 ) are filled.

Sensor arrangement according to claim 16, characterized in that the adhesive ( 22 ) consists of an IR radiation absorbing material.

Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in the at least one measuring chamber ( 2 ) In addition, at least one infrared radiation absorbing material is introduced.

Sensor arrangement according to Claim 16, characterized that the IR radiation absorbing material is a plastic and especially a polymer.

Sensor arrangement according to claim 18 or 19, characterized characterized in that the IR radiation absorbing material in Form of a coating applied to the side wall of the measuring chamber is.

Sensor arrangement according to claim 20, characterized that the absorber layer has a sponge or net-like structure has.

Sensor arrangement according to claim 18 or 19, characterized characterized in that the IR radiation absorbing material in Form of thin polymer threads or polymer fibers.

Sensor arrangement according to claim 2, characterized that polymer threads to cylindrical or spherical absorption bodies loosely wound up.

Sensor arrangement according to claim 22 or 23, characterized marked that thin Polymer threads or Polymer fibers are applied to a polymer film.

Sensor arrangement according to one of claims 18 to 24, characterized in that absorption body as a hollow body with a shell are provided of plastic and the cavity of the absorption body with Gas filled is.