BE1008927A3

BE1008927A3 - Stralingsgevoelige detector.

Info

Publication number: BE1008927A3
Application number: BE9401046A
Authority: BE
Original assignee: Imec Inter Uni Micro Electr
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 1996-10-01
Also published as: EP0716293A1; US5623147A

Abstract

Een inrichting voor het detecteren van stralingen, bijvoorbeeld infrarode straling, welke een gevoelige arm omvat die over ten minste een deel van zijn lengte uit bimetaal bestaat. Een einde van deze arm is met een stralingsabsorberend membraan verbonden.

Description

8TRALING8GEVOELIGE DETECTOR Deze uitvinding heeft betrekking op een stralingsgevoelige detector steunende op het bimetaaleffect, en op een werkwijze die voordelig is voor het gebruik van een dergelijke detector.

Het bimetaal effect is gekend. Het maakt gebruik van het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten van twee onderscheiden bimetaalbladen, waarbij genoemd verschil een verplaatsingskracht veroorzaakt die veranderlijk is als functie van de temperatuur. Dit effect werd reeds toegepast voor de meting van temperaturen. Uit US-A-3466449 is eveneens een thermisch relais gekend dat twee bimetaalbladen omvat. Korter bij ons werd het bimetaal effect ook nog voorgesteld in de spectrometrie (cf. J. L. Gimzewski et al : Observation of a chemical reaction using a micromechanical sensor, Chem. Phys.

Letters, Vol. 217, No. 5,6, January 28,1994). Het bimetaaleffect werd tot nu toe echter nooit toegepast voor het detecteren van stralingen.

Onderhavige uitvinding past het bimetaaleffect toe voor het detecteren van stralingen. Tot dit doel stelt deze een stralingsgevoelige detector voor zoals bepaald in de conclusies. Een bijzondere toepassing van de detector volgens de uitvinding is de infrarode beelddetectie.

Niet alleen laat de detector volgens de uitvinding het detecteren van stralingen toe met een sterke gevoeligheid, maar de detector volgens de uitvinding heeft het

EMI2.1
voordeel worden door het aanwenden van zogenaamde vervaardigd te kunnengieln en van de LIGA werkwijze.

Een verder doel van de uitvinding bestaat erin en werkwijze voor te stellen voor het detecteren van de stralingen door het gebruik van de detector volgens de uitvinding en de eigenschappen hiervan te benutten.

Hiernavolgend wordt de uitvinding op een meer gedetailleerde wijze uiteengezet middels de hierbij gevoegde tekeningen.

Figuur l is een zijaanzicht van een uitvoeringsvoorbeeld van de detector volgens de uitvinding.

Figuur 2 stelt een perpectief aanzicht voor van de detector volgens figuur 1.

Figuren 3 t. e. m. 9 stellen een voordelige werkwijze voor voor het vervaardigen van een detector volgens de uitvinding.

Figuur 10 stelt op schematische wijze een uitvoering- voorbeeld voor dat gerealiseerd is door het gebruik van de werkwijze LIGA.

De stralingagevoelige detector zoals voorgesteld in figuren l en 2 omvat een drager 1, dat bijvoorbeeld uitgevoerd is onder de vorm van een rechthoekig kader waarbinnen een thermisch gelsoleerd membraan 2 is voorzien, waaraan een stralingsabsorberende laag 3 gekoppeld is. Het membraan 2 draagt een metallische arm 4, die zich overhangend uitstrekt. Het vaste uiteinde van de arm 4 is met een elektrisch contact 5 verbonden. Tan minste een gedeelte van de arm draagt een metaallaag 6 die samengesteld is uit een metaal dat verschillend is van dat van de arm 4 om een bimetaal arm te vormen.

De drager l draagt ook een netaalarm 7 die zieh overhanged uitstrekt nagenoeg evenwijdig met de arm 4. Het vast uiteinde van de arm 7 is verbonden met een elektrisch contact 8.

In het in figuur l voorgestelde voorbeeld draagt ten minste een gedeelte van de arm 7 aan metaal laag 9 die uit een metaal is samengesteld dat verschillend is van dat van de arm 7 om aldus eveneens een bimetaal arm te vormen. Nochtans zou de referentiearm ook gewoon metallisch kunnen zijn, zoals man verder zal zien. Maar indien beide armen 4 en 7 uit bimetaal zijn, dienen zij identisch te zijn.

De arm 4 dient als gevoelige arm terwijl da arm 7 als referentiearm dient. Wanneer infrarode stralingen de absorptielaag 3 bereiken, vormt deze de stralingsenergie om in warmte en de gevoelige arm 4 ondergaat een vervorming onder invloed van het bimetaaleffect. Enkel de arm 4 ondergaat da invloed van de warmte die door de invallende stralingen is voortgebracht terwijl de referentiearm 7 onbeweeglijk blijft.

Onder invloed van de stralingen nadert het vrije uiteinde van de gevoelige arm 4 het vrije uiteinde van de referentiearm 7 zodanig dat de elektrische capaciteit tussen deze beide vrije uiteinden verandert in functie van de geabsorbeerde energie. Aldus is de maat van capaciteitvariatie maatgevend voor da intensiteit van de invallende stralingen. Voor zover dat beide armen uit bimetaal en identisch zijn, induceert iedere temperatuurverandering te wijten aan de omgeving daarentegen een beweging die identisch is voor beide armen en brengt bijgevolg geen capaciteitsverandering mee.

Om een grote detectiegevoeligheid te verzekeren moeten beide metalen die voor ieder bimetaalarm zijn gebruikt,

een zo verschillend mogelijke thermische uitzettingscoëfficiënt bezitten, een zo nabij mogelijk modulus van Young en de armen moeten zo lang en dun mogelijk zijn.

Proeven hebben aangetoond dat een bimetaal met een lengte van 1 mm en een breedte van een tiental microns een beweging van 1 gm/K aan zijn vrij uiteinde kan teweegbrengen.

De detectie van de beweging van de gevoelige arm door de meting van de capaciteitsverandering heeft het voordeel dat deze meting geen elektronische ruis produceert die de performanties van de detector zou kunnen aantasten.

Het is wel te verstaan dat de detectie van de beweging van de gevoelige arm op andere manieren kan worden uitgevoerd, bijvoorbeeld : door het variëren van een tunnel stroom tussen een punt bevestigd aan het uiteinde van de gevoelige arm en een vaste electrode, door piëzo-elektrisch of resistief effect van een element neergelegd op het uiteinde van de gevoelige arm.

De detector volgens de uitvinding leent zich uitstekend tot het vervaardigen door oppervlakte micromachiningtechnologieën of van de werkwijze LIGA die de lithografie-en electrolytische bekledingstechnieken combineert. Een voorbeeld van een dergelijke werkwijze voor het vervaardigen van de detector volgens de uitvinding is voorgesteld door figuren 3 t/m 9.

Op een siliciumsubstraat 11 wordt een laag 12, bijvoorbeeld SiN, neergelegd die als thermisch isolerend membraan moet dienen (figuur 3). Na neerslag van deze laag worden er gaten 20 geëtst, om een goede thermische isolatie toe te laten na de selectieve etsing van het

substraat die later zal worden uitgevoerd. Op do laag 12 wordt vervolgens een zogenaamde sacrificial laag 13 neergelegd,bijvoorbeeldsiliciumoxydesio2 (fig.4).

Dan wordt een metaallaag 14 neergelegd die moet horen tot de gevoelige arm (fig. 5). Op de metaallaag 14 wordt vervolgens de tweede metaallaag 15 neergelegd om het eerste bimetaal te vormen, an zijn elektrisch contact, an vervolgens wordt een twee4- sacrificial laag 16 noergalagd (f ig. 6). Daarna wordt do metaallaag 17 neergelegd die tot de referentiearm oet horen, en vervolgens de tweede metaallaag 18 om hat referentiebi- metaal te vormen en daarna zijn elektrisch contact (fig. 7).

De sacrificial lagen worden vervolgens geest (fig. 8), waarna het substraat 11 selectief t ge. tat wordt vanaf zijn uitwendig oppervlak tot het membraan 12, en vervolgens wordt op het achteroppervlak een absorptielaag 19 neergelegd (fig. 9).

Een elektronische terugkoppelingsschakeling kan op voordelige wijze op het substraat 11 worden voorzien v66r het vormingaprocea om de capaciteit tussen de vrija uiteinden van de armen 4 en 7 constant te houden.

Een elektrisch veld wordt tussen genoemde uiteinden van beide armen aangelegd en de terugkoppelingschakeling (met 10 voorgesteld in fig. 2) wijzigt het elektrisch veld in functie van de straling om de capaciteit constant te houden. De meting van de variatie van het aangelegd elektrisch veld is aldus maatgevend voor de intensiteit van de invallende stralingen.

Om de detectiegevoeligheid te versterken, zouden de elektroden die de capaciteit vormen, kunnen worden gerealiseerd als "geïnterdigiteerde" vingers. Het lichaam van de elektroden draagt uitspringende delen die zieh tussen elkaar afwisselend uitstrekken.

De detector volgens de uitvinding kan worden gereali- seerd in verschillende uitvoeringsvorman, Zoals eerder reeds vermeld, kan enkel de gevoelige arm uit bimetaal zijn samengesteld, terwijl het referentie element gewoon metallisch is. Het referentie element kan dan onbeweeglijk zijn an aan de drager worden bevestigd waar- aan ook het vast uiteinde van de gevoelige arm bevestigd iso Fig. 10 stelt een perspectief aanzicht voor van en stralingsgevoelige detector qereali... rd door de LIGA technologie. De blokken 21 en 22 zijn aan een drager bevestigd door do basis 23. De metallische armen 24 en 25 met blokken 21, respectievelijk 22 verbonden, zijn bedekt met een laag 26, resp. 27 die uit een van de armen verschillend metaal is samengesteld.

Het vrije uiteinde van de arm 24 draagt een blok 28 bedekt met een laag 29 die is samengesteld uit een straling- sorberende stof. Wanneer stralingen het blok 29 bestraalt, buigt de arm 24 meer dan de arm 25. De vrije uiteinden van de armen 24 an 25 vormen een oapaciteit. De vervorming van de armen onder invloed van stralingen geeft aanleiding tot een capaciteitsverandering tussen de vrije uiteinden van de armen. Deze variatie van do elektrische capaciteit kan worden gemeten door 66n of ander der veelvuldige van de vakman gekende meetachake- lingen voor de capaciteitsmeting.

Zo de bimetallische eigenschappen tot gevolg hebben dat de armen zich vervormen door van alkaar uiteen te gaan in functie van de invallende stralingen kan een terugkoppelingsschakeling worden gebruikt om de capaciteit tussen de vrije uiteinden van de armen constant te houden. Door een elektrisch potentiaal tussen de armen aan te leggen, zijn deze onderling aangetrokken en de capaciteitsverandering te wijten aan invallende stra-

lingen is uitgebalanceerd. Indien de armen nagenoeg onbeweeglijk gehouden kunnen worden, kan da terugkoppelingspanning worden gebruikt als meetsignaal dat maatgevend is voor het niveau van de invallende stralingen.

In hat geval dat het elektrisch potentiaal Mn uitwij- king van de armen veroorzaakt in functie van de invallende stralingen, kan een verdere metaalplaat worden toegevoegd op hat tegenoverliggend oppervlak van da arm 24 om een elektrostatische aantrekking in tegenover- gestelde zin toe te laten an ertoe strekken de armen onbeweeglijk te houden.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot da hiervoor beschreven uitvoeringsvorm en dat modificatias eraan nogelijk zijn zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

CONCLUS8 1. Stralingsgevoelige detector bestaande uit : een houder (1) met een stralingsabsorberend membraan (3) bevestigd eraan, een metalen referentie element (7) welk aan de houder (l) bevestigd is, een gevoelige arm (4) welke over ten minste een deel van zijn lengte uit bimetaal bestaat, waarbij een einde ervan met het stralingsabsorberende membraan (3) verbonden is en waarbij het vrije uiteinde ervan tegenover genoemd referentie element gelegen is, zodanig dat wanneer het stralingsabsorberende membraan (3) door straling ia bestraald, genoemde gevoelige ars (4) opgewarmd wordt en beweegt tgv.

het bimetaal ef- feet, waarbij de elektrische capaciteit tu ten de vrije uiteinde van de gevoelige arm (4) en het referentie element (7) gewijzigd wordt met de bestralinqsintensi- teit.
2. Stralingsgevoelige detector volgens concluise 1, met het kenmerk dat het referentie element (9) door hat uiteinde van een arm (7) is gevormd, welke arm zieh praktisch parallel met genoemde gevoslige arm (3) uitstrekt.
3. Stralingsgevoelige detector volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de referentie arm (7) ten minste deels uit bimetaal bestaat gelijk aan het bimetaal gebruikt voor de gevoelige arm (4).
4. Stralingsgevoelige detector volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het stralingsabsorberende membraan (3) uit een laag bestaat, welke op een thermisch isolderend membraan (2) neergezet wordt. <Desc/Clms Page number 9>
5. Stralingsgevoelige detector volgens een der conclusies 2 t/m 4, met het kenmerk dat de gevoelige arm (24) aan het vrije einde ervan een uitspringend element (28) draagt, welk met een stralingsabsorberende laag (29) bedekt wordt.
6. Stralingsgevoelige detector volgens een der conclusies 2 t/m 4, met het kenmerk dat de gevoelige arm (4) een langwerpig element draagt, welk zich op een kleine afstand langs een tweede langwerpig element uitstrekt, dat aan het vrije einde van genoemde referentie arm (7) wordt gedragen.
7. Stralingsgevoelige detector volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de gevoelige arm (3) en het referentie element (9) met elektrische contacten (4,8) verbonden zijn.
8. Stralingsgevoelige detector volgens conclusie 7, met het kenmerk dat een elektronische terugkoppelingscircuit tussen beide elektrische contacten verbonden is, zodanig dat de elektrische capaciteit tussen de gevoelige arm en het referentie element constant gehouden kan worden.
9. Stralingsgevoelige detector volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat hij uit een halfgeleider substraat wordt gemaakt.
10. Werkwijze voor het vervaardigen van een straling- gevoelige detector volgens een der voorgaande conclusies, gekenmerkt door de volgende stappen : (a) kiezen van een halfgeleider substraat, (b) depositie van een thermisch isolerende laag, (c) depositie van een sacrificial laag, <Desc/Clms Page number 10> (d) metaal-depositie van de eerste metaallaag behorende tot de gevoelige arm, (e) depositie van de tweede metaallaag behorende tot de gevoelige arm en van het eerste elektrische contact, (f) depositie van een tweede sacrificial laag, (g) depositie van de eerste metaallaag behorende tot de referentie arm, (h) depositie van de tweede metalen laag behorende tot de referentie arm en van het tweede elektrische oontact, (i)

selectief graveren van het halfgeleider substraat tot aan genoemde thermisch isolerende laag, (j) graveren (etching) van de sacrificial laag, (k) depositie van een stralingsabsorberende laag op de thermisch isolerende laag.
11. Gebruik van een stralinq8gevoelige detector volgens een der conclusies 1 t/m 9, daardoor gekenmerkt dat een elektrisch veld tussen de gevoelige arm en het referen- tie element wordt aangelegd en geregeld zodanig dat de elektrische capaciteit ertussen constant blijft terwijl het stralingsabsorberende membraan door een straling is bestraald.
12. Infraroodgevoelige detector volgens een der conclusies 1 t/m 9.