CN104246457B - 具有高填充水平的热电堆红外线传感器结构 - Google Patents
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Abstract
具有高填充水平的热电堆红外线传感器结构。填充有介质(15)的外壳中的具有高填充水平的热电堆红外线传感器结构由承载基板(11)构成，所述承载基板(11)具有至外部的电连接件(28,28’)并且用光学组件(13)进行密封，其中，对所述外壳中的所述承载基板(11)施加传感器芯片(14)，所述芯片具有多个热电传感器元件结构(16)，所述多个热电传感器元件结构(16)的所谓的“热接触件”(10)位于跨过具有良好导热性的硅承载体(24)中的各个腔体(9)伸展的单独的薄膜(3)上，其中，“冷接触件”(25)位于所述硅承载体(24)上或者所述硅承载体(24)的附近。
Description
技术领域
本发明涉及一种填充有介质的外壳内的具有高填充水平的热电堆红外线传感器结构，该热电堆红外线传感器结构由底板(baseplate)构成，所述底板具有到外部的电连接件并且通过光学组件进行密封，并且其中，在所述外壳内的所述底板上施加传感器芯片，所述芯片承载多个热电传感器元件结构，所述多个热电传感器元件结构中的所谓的“热接触件”位于跨过具有良好导热性的硅承载体内的各个腔体伸展的单独的薄膜上，其中，“冷接触件”位于所述硅承载体上或者所述硅承载体附近。
背景技术
红外线热电堆传感器阵列是公知的，其能够使用硅微加工技术被制造成不同的品种。在这种情况下，具有使用薄膜技术布置在其上的热电偶的薄膜通常位于每个传感器单元的中心。所述薄膜位于底层硅基板内的腔体的上方。
热电偶具有所谓的“热”接触件和“冷”接触件，其中，“热”接触件位于薄膜的中心部分，即吸收器区域上，而“冷”接触件被放置在硅基板(像素)的边缘上。包含吸收器的薄膜的中心部分和用作散热器(heat sink)的硅基板的边缘经由薄的网状物(梁)彼此相连。
大部分的红外线辐射的吸收发生在薄膜的中心区域内。所述区域明显小于像素的尺寸(尤其在高密度的阵列中)。
这具有两个主要的缺点，由于对像素的红外线辐射(IR辐射)的一部分没有被使用，因此可达到的分辨率下降。
其次，其图像穿过光学系统入射到像素的在中心区域之外的边缘区域上的小的热斑点(待检测的或待测量的物体或人)未做出足够的信号贡献并且被“忽略”了。
下面参照EP 2 348 294或US 2003/0054179 A1给出了针对现有技术中的热电堆阵列的这种解决方案的描述。这涉及了具有辐射入口光学系统的外壳内的热IR传感器和中心薄膜上的具有热电偶的芯片，该中心薄膜在具有良好导热性的框架状承载体的上方伸展。此处，缺点在于有吸收性的中心区域显著小于像素的总面积。能够通过常规的电路生产工艺构造出的多层辐射检测器层位于薄膜上。此处，一个主要缺点是：由于半导体电路堆叠的多层结构的原因，可能仅有70％的吸收率。
载体基板在传感器结构的下方被掏空了，这是通过湿化学蚀刻方法(表面微加工)来实现的，从而产生了斜壁。
如果热传感器在高真空下不工作，那么传感器外壳内的残余气体的或者填充气体的导热性会降低吸收器区域上的“热接触件”和散热器(载体基板)上的“冷接触件”之间可达到的温差。
如果所吸收的IR辐射产生了较小的温差，则传感器单元可达到的灵敏度也降低。
Kanno,T.等(NEC公司)：B.Andersen(Ed.)中的“Uncooled focal plane arrayhaving 128×128 thermopile detector elements”(具有128×128个热电堆检测器元件的非制冷焦平面阵列)，红外线技术，Proc.SPIE 2269，Vol.XX，San Diego，1994年7月，450-459页，详细说明了一种单片热电堆传感器阵列，其中，利用表面微加工技术使用牺牲层来制造传感器元件。
再次，具有吸收层的中心部分比像素的尺寸小很多。传感器结构和散热器之间的距离明显小于基板厚度本身。该解决方案仅针对传感器芯片被封装在高真空密封的外壳内的情况具有相对良好的分辨率。在低残余气体压力下使用划算的外壳构造，或者使用填充气体，均无法实现足够高的灵敏度。
EP 693 29 708 T2或者EP 0 599 364 B1关注于一种用于红外线辐射传感器的生产方法，在该方法中，通过使用真空外壳或者填充有具有仅轻微的导热性的气体的外壳来提高灵敏度。
辐射传感器具有湿式蚀刻的、倾斜蚀刻的凹壁。在底板和基板之间存在通风间隙，该通风间隙优选地起到均衡薄膜上面的区域和薄膜下面的区域之间的压力均衡的作用。这里，吸收器区域同样地明显小于像素的尺寸。
HORIBA产品信息：“8×8 element thermopile Imager”(8×8元件的热电堆成像仪)；在2002年9月26日的Tech Jam International中，详细说明了一种使用体硅微加工技术制造的单块热电堆传感器阵列。64个元件位于具有8×8mm尺寸的芯片上，每个元件使用湿式蚀刻技术通过硅壁热分隔开。芯片的技术上决定的尺寸导致相对高的生产成本，并且再次成为了划算的、批量生产的应用的障碍。
在上述两种解决方案中，填充因素尤为欠佳。
除了这些热电堆解决方案外，还存在关于低成本红外线阵列的解决方案。
“A surface micromachined thermopile detector array with aninterference-based absorber”(具有基于干扰的吸收器的表面微加工的热电堆检测器阵列)，J.Micromech.Microeng.21(2011)8pp，描述了一种使用表面硅微加工的热电堆检测器阵列。除了热电堆的产品外，所述出版物主要关注于一种由一层位于另一层上的四层(SiC/Ti/SiC/Al)构成的CMOS兼容的基于干扰的吸收器。这种层堆叠表面上吸收了1-5μm范围内的波长。然而，这些波长对于与人或物体检测有关的应用不是非常有用。此外，描述了生产工艺中的问题。尤其，在硅氮化物层的去除过程中出现了残留物，这些残留物能够形成非透明的膜，并且在最坏的情况下能够导致结构的毁坏。
Skidmore等：“Pixel Structure having an umbrella type absorber with oneor more recesses or channels sized to increase radiation absorption”(包含具有尺寸设置为增强辐射吸收的一个或更多个凹部或通道的伞型吸收器的像素结构)US 2009/014017 A1描述了一种具有所谓的伞型吸收器的像素结构。描述了由辐射热测定器和基板构成的像素结构。辐射热测定器包括具有意在增大电阻和吸收率的多个孔或通道的换能器。此外，凹部或通道具有将红外线辐射的在其它方面被反射的那些部分定向至吸收器内的作用。所述凹部还降低了辐射热测定器的热质量。然而，因此需要更多的处理步骤并且生产过程变得更加昂贵。
伞型吸收器位于辐射热测定器的上面。然而，考虑到所述辐射热测定器的构造，真空封装是必需的；此外，辐射热测定器通常需要温度稳定器或者遮板或者其它复杂的校正方法，以便补偿敏感材料的大的漂移。
最重要的是，对于可靠应用，真空封装是复杂且昂贵的。换能器能够由钒氧化物(VOX)、钛氧化物(TiOX)、非晶硅或者具有良好耐温特性的其它材料构成。
所描述的这些结构都不允许构造出无需在真空下管理的、具有高填充水平的划算的热电堆阵列。
在所有已描述的热电堆红外线阵列传感器单元中，吸收器区域比像素区域要小。这限制了每个像素所能获得的最大的信号部分，并且增大了错误测量的风险。
能够尤其通过在像素上被结构化的多个串联的热电偶来增大热电堆像素的信号电压。为了利用低的制造成本，必须使用标准CMOS工艺，其中，热电偶彼此并排。如果增加梁上的热电偶的数量，那么不可避免地要加宽梁，并且同时包含吸收器区域的中心区域变得甚至更小，然而，这反过来减少了每个像素所吸收的红外线辐射能的量，并且因此甚至进一步地损害了填充水平。
发明内容
本发明的目标是详细说明一种热电堆红外线阵列传感器(传感器单元)，该热电堆红外线阵列传感器结合小芯片尺寸具有高的热分辨率以及特别高的填充水平。该传感器意在优选地工作在气体处于正常压力或者下降的压力下，并且意在针对处于超高真空下的外壳密封无需复杂的技术就可划算地批量生产。
本发明涉及一种红外线(硅)芯片，该芯片使用硅微加工来进行生产，并且具有位于薄膜上的第二平面中的收集器式的IR吸收器(在下文中称为辐射收集器)。因此实现了特别高的填充水平。
该红外线芯片是热电堆传感器，但是诸如热释型红外线传感器这样的其它类型的红外线传感器也是可以的。
薄膜的其上布置有热接触件的中心部分通过连接网状物被连接至硅壁。
连接网状物的侧部通过狭缝与薄膜的中心部分以及硅承载体分隔开。因此增大了薄膜的中心部分、连接网状物和硅承载体之间的热阻。热电偶位于所述连接网状物上，并且将热接触件和冷接触件彼此连接。
根据本发明，辐射收集器构造在每个单独的薄膜上面的至少一个导热的底部或支柱上被构造出，该底部或支柱机械地支撑辐射收集器。薄膜跨越硅承载体内的腔体。不同形式和类型的构造内的多个支柱和多个辐射收集器也是可能的。存在一个或更多个支柱，以便承载辐射收集器并且以便确保从辐射收集器到具有热接触件的底层薄膜的热传递。
腔体从硅承载体的正面或背面驱入，并且在后一种情况下，腔体优选地设置有垂直的或几乎垂直的侧壁。原则上，具有倾斜的基板壁的布置也是可能的，尽管对可达到的灵敏度的损害接下来是可接受的。
此外，薄膜或腔体具有正方形的、矩形的、多边形的或圆形的形状。在本发明的延续中，辐射收集器构造由一个或更多个辐射收集器和一个或更多个支柱构成，所述支柱承载所述辐射收集器，并且将辐射收集器区域热连接至下面的薄膜的中心部分和“热接触件”。优选地，辐射收集器和支柱由相同的材料组成并且在相同工艺中被生产出，其结果是生产成本非常低。
在本发明的进一步的具体配置中，一个或更多个薄的连接网状物被布置在相邻的辐射收集器或者辐射收集器构造之间，并且增强了辐射收集器的或者辐射收集器构造的机械稳定性。然而，应当注意的是确保连接网状物不引起相邻的辐射收集器之间的可感知的温度均衡，这将导致热串扰并且因此导致辐射检测的变质。
在这种情况下，支柱的形状随着收集器的类型而变化。由于牺牲层技术的使用，支柱能够具有圆柱体的形状。其它几何的、平行六面体的和圆形的形状或者管形的横截面也是可能的。一种可能的类型的构造是圆形的，其中，支柱位于辐射收集器下方的圆形路径上并且支撑该辐射收集器。具有椭圆形的、矩形的、平行四边形的或梯形的几何形状的支柱位于辐射收集器的下方也是可能的。
支柱的宽度必须保证针对机械稳定性的安全支撑。由于整体三维构造的机械上的脆弱性以及实现经由周围区域的尽可能少的热流动，因此必须确保辐射收集器和周围的拓扑结构之间具有足够大的距离，以便避免任何接触的风险。虽然这极大地增加了外壳密封的成本，但是如果介质(气体)处于非常低的压力(真空)下，则收集器区域和下面的薄膜之间的该距离也可以变化。
还能够存在具有用于首先增强机械稳定性并且其次还增大从辐射收集器至热接触件的热流动的几何形状和类型的构造的多个支柱和辐射收集器。
能够改变支柱和辐射收集器的数量，以便能够确保最大的机械稳定性以及流至热接触件的热量最大。
例如，还为了确保与相邻的拓扑结构之间的充分距离以便通过接触或者经由气体不会发生热交换，支柱的厚度能够用变化的厚度来实施。
薄膜在每种情况下经由窄且薄的网状物被连接至硅承载体，其中，具有功能层的热电偶在整个网状物上被引导，并且将薄膜的中心区域上的“热接触件”连接至硅承载体上的“冷接触件”。
例如通过蚀刻来制造因此从至少一根梁(网状物)悬吊下来的薄膜的中心部分。出于此目的，通过蚀刻从硅承载体的背面来驱入凹陷(腔体)，以便将正面上的薄膜露出。在这种情况下，能够采用湿蚀刻工艺和等离子蚀刻工艺。由于能够获得垂直的或几乎垂直的壁，因此等离子蚀刻工艺能够实现比产生斜壁的湿蚀刻工艺明显高的集成度。
优选地，在CMOS工艺期间出现的一层位于另一层上的两个或更多个多晶硅层位于连接网状物上。这些多晶硅层被结构化，以便在CMOS工艺中制造热电偶。少于20个(优选地，少于10个)的热电偶位于每个连接网状物上，以便降低梁的导热性并且产生最大的可能的信号。热电偶的数量往上受到薄膜的中心部分的最小尺寸的限制。所述中心部分必须至少足够大以容纳热接触件和用于固定辐射收集器的支柱。
两层中的一层是负传导的(n-conducting)，并且另一层是正传导的(p-conducting)。连接网状物被布置在薄膜的中心部分的周围，这些网状物通过狭缝进行热去耦。梁的一种可能的形式是蜿蜒状的；从而显著地增强了信号。该版本的进一步的优势是整个构造内的应力下降。缺点是由于许多长的双多晶硅所导致的电阻的增大，这增大了热噪声(约翰逊噪声)。然而，这与具有低导热率的气体是对立的，该气体具有比氮气/空气更低的导热率。从吸收器区域经由蜿蜒的狭缝的热传导或者从辐射收集器朝着散热器硅的热传导通过具有较低导热率的气体得以逐渐地降到最小。
在本发明的延续中，辐射收集器具有近似于下面的硅承载体内的腔体的尺寸。
辐射收集器还能够延伸超出所述腔体(9)的边缘。
本发明的一种独特的配置其特征在于，辐射收集器在边缘区域内具有台阶或突起，或/和下面的层在硅承载体上面的边缘区域内具有引入的凹陷。
另选地，辐射收集器还能够在边缘区域变薄。
辐射收集器具有导热率高和热容量低的特点。此外，辐射收集器必须在入射辐射方向上具有低反射率。这防止了入射IR辐射在收集器的表面处被发射并且因此无法渗入传感器的这种情况。一种可能的途径在于使用具有柱状结构的材料。
该被吸收的热量随后经由收集器和支柱被传送至薄膜上的热接触件。
辐射收集器还能够是由机械稳定的层构成的多层系统，这些机械稳定的层不一定是吸收性强的。为了增强机械稳定性，能够由至少两种不同的材料构造出辐射收集器。为了增大其吸收性，辐射收集器作为多层系统包含充分地吸收红外线的一个或更多个附加层。该多层系统应当在机械方面进行应力补偿，以便防止较大的弯曲以及因此与薄膜机械接触。
为了吸收被透射并且从下面被反射回的红外线辐射，辐射收集器能够在底面上包括吸收性强的层。
还可以用薄的吸收层覆盖辐射收集器。
此外，辐射收集器能够设置有具有良好导热性的合金，以便增大流向热接触件的热。
辐射收集器还能够具有结构化的表面，所述结构化的表面具有用于增大吸收器区域的尖构造以及位于所述尖构造之间的用于降低时间常数的自由区域。
进一步的可能性是具有反射壁和位于蜂窝底部上的红外线吸收层的辐射收集器的蜂窝状的多层构造。未垂直入射的并且在侧壁处向下反射的热辐射能够因此被额外地捕获到。
辐射收集器和相邻的拓扑结构之间的距离必须满足甚至在辐射收集器因热载荷而膨胀和/或变形的情况下的高温-应力载荷的情形，在任何情况下都不允许出现与周围的拓扑结构相接触。为了增强构造的稳定性，这些距离能够变得明显更大。更大的距离还减少了辐射收集器的外部区域和Si边缘区域之间的换气。
能够通过在硅微加工中的本身公知的释放工艺来将具有支柱的辐射收集器露出。辐射收集器不一定由CMOS兼容的材料组成。在通过辐射收集器传送的情况下吸收热辐射的红外线辐射吸收材料能够位于下面的薄膜上。薄膜的中心区域上的甚至不是吸收性很强的材料也是可能的，由此，红外线辐射的一部分被再次反射回来。辐射随后在辐射收集器的底面上或者在辐射收集器内被吸收。
能够通过适当的微机械去除工艺将辐射收集器并入到驱入到CMOS层的凹陷中。
集成到凹陷内的辐射收集器于是能够至少与薄膜的底层中心部分一样宽。理想地，IR辐射收集器的尺寸最大与像素的尺寸相同，并且相距凹陷边缘的所需的距离理想地意在被塑造成使得从IR收集器至散热器产生最小可能的寄生热流。
辐射收集器能够位于薄膜的上方，并且此外位于周围的硅阱(silicon sink，硅承载体24)上。收集器的最大尺寸于是通过与相邻像素内的收集器的最小距离来确定，以避免收集器之间的热流动。
在这种情况下，以横跨像素和像素间电子设备的方式，以由狭窄的狭缝界定的方式，将多个收集器彼此并排地布置成一阵列。在制造过程中，所述狭窄的狭缝例如还起到移除牺牲层以及将辐射收集器彼此热分隔开的作用。
薄膜的厚度由CMOS工艺中使用的层间电介质的数量以及微机械打薄的程度来确定。如果薄膜太厚，热容量和时间常数增大并且信号变得更小。然而，非常薄的薄膜反过来导致整体构造不稳定，并且要求技术的特别优良的管理和薄膜层内的低应力。
在针对少数元件的一种实施方式中，阵列中的单独的传感器单元(像素)能够作为阵列通过金属导电轨道经由冷接触件被彼此电连接。电子数据处理大部分位于阵列芯片周围的传感器阵列区域的外面。
在一个特别优选的方式中，很大一部分电子数据处理位于像素之间。为了像素之间的针对电子设备的区域能够保持尽可能小并且辐射收集器的尺寸能够保持较大，对于例如两个或更多个单元，共用电子数据处理是可能的。
与现有技术不同的是，在根据本发明的热电堆传感器阵列的情况下，吸收的热辐射不是表面上向下定向的；相反地，吸收意在优选地发生在辐射吸收器中。所吸收的热量能够经由导热的底部或支柱被传导至具有热接触件的下面的薄膜的中心部分。
附图说明
下面基于示例性的实施方式对本发明进行更详细的描述。在相关的附图中：
图1a示出了根据本发明的在由帽密封的外壳中的热电堆传感器阵列的基本构造；
图1b示出了根据本发明的使用滤波器当作入口光学系统并且进行密封的热电堆传感器阵列的基本构造；
图2a示出了具有辐射收集器构造的传感器阵列芯片的传感器单元的横截面；
图2b示出了具有由支柱和辐射收集器构成的辐射收集器构造的传感器阵列芯片的传感器单元的构造；
图2c至图2e示出了根据本发明的具有不同几何形状的热电堆传感器单元的基本构造；
图3a和图3b示出了根据本发明的包含针对薄膜区域上的辐射收集器及其构造具有不同几何形状的热电堆传感器单元的红外线传感器的单元的结构内的进一步的细节；
图4a至图4d示出了根据本发明的针对辐射收集器的安装具有不同实施方式的热电堆阵列传感器单元的横截面。薄膜上的支柱上面的辐射收集器的构造技术在这些图中变得清楚；
图5a和图5b示出了根据本发明的针对辐射收集器上的吸收层具有不同实施方式的热电堆阵列传感器单元的横截面；以及
图6a至图6e示出了根据本发明的针对薄膜和打薄以及狭缝的变型具有不同实施方式的热电堆传感器单元的平面图。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的红外线传感器阵列的基本构造。
热电堆传感器阵列芯片14被施加在载体基板(例如，底板)11上的中心处。该布置以帽12的形式使用光学组件来进行密封，该帽包含适合于精确地布置在热电堆传感器阵列芯片14的传感器元件的中心上方的入口光学系统13的开口。可选地，根据图1a的帽12形式的光学组件能够被滤波器当作根据图1b的入口光学系统13来取代，从而产生扁平SMS部件的结构。
热电堆传感器阵列芯片14包含多个热电传感器元件16，所述热电传感器元件16例如以直线或者阵列的形式被布置在该芯片上。辐射收集器构造17被分配给单独的传感器元件16，其中，每个传感器元件16优选地包含辐射收集器构造17。
在一个例子中，入口光学系统13能够是平面平行滤波器(图1b)或者透镜光学系统(图1a)。在图1a所示的变型的情况下，成像透镜13被例示为入口光学系统。帽12的尺寸、具有辐射收集器1的热电堆传感器阵列芯片14的尺寸以及入口光学系统13的焦距的尺寸被选择成使得待成像的物体经由入口光学系统13被清晰地成像在传感器元件16上。图1b中例示了具有滤波器的变型；在这种情况下，在外壳的外面必须安装至少一个透镜或者一些其它的成像光学元件(例如，反射镜光学系统)。
接触元件28’或者插塞式连接器28通常被布置在载体基板11上，以便将热电堆传感器阵列芯片14的输出信号转发至其它组件。热电堆传感器阵列芯片14经由具有很高导热率的接触装置(未示出)被连接至底板11。所述接触装置能够例如是填充有金属或陶瓷的粘合剂、金属填充的玻璃、或者焊料。
气体或气体混合物15形式的介质被密封在帽12的下面，其中，帽12必须通过底板11进行足够严密的密封，使得与帽12外面的环境不能发生气体交换。
气体或气体混合物15意在具有比空气或氮气的导热率更低的导热率，以便最小化从传感器阵列芯片14上的敏感元件或者辐射收集器1的辐射收集器层至硅承载体24(图2a)或者外壳(帽12)的对流，这起到了散热器的作用。
为了实现密封在外壳内的气体或气体混合物15的这种低导热率，产生了相对于正常气压被极大地降低的内部压力(例如，气体真空)。
出于成本原因，针对气体或气体混合物15，在正常的大气压力下优选地使用具有高摩尔质量的气体(例如，氙气、氪气或者氩气)，这是因为相比在气体真空或者很低压力的气体混合物的情况下能够开销更低地、明显更简单地实现外壳密封的长期稳定性。
图2a至图2e中示出了根据本发明的具有IR辐射收集器构造17的传感器阵列芯片14的构造。
图2a示出了具有辐射收集器构造17的热电堆传感器阵列芯片14的传感器单元的横截面。热电堆传感器阵列芯片14由框架状的硅承载体24构成，该硅承载体24已经从硅基板被制造好，具有被薄膜3跨越的腔体9。薄膜3经由窄的网状物6被连接至硅承载体24。CMOS层构造29位于薄膜3和硅承载体24上，并且在薄膜3上方具有从上面驱入的凹陷18。
在凹陷18内，辐射收集器构造17位于薄膜3的上方(参见图1)，在特别优选的构造中，辐射收集器构造由在单一工艺中生产出的材料组成。因此，降低了生产成本，并且最小化了层内的机械应力。
微加工的标准方法被用于生产辐射收集器构造17。所述方法能够例如是诸如牺牲层技术、剥离方法和其它蚀刻方法这样的本身公知的工艺。此外，该构造允许有附加吸收性的导热层被施加在辐射收集器构造17上(例如参见图4b)。
在辐射收集器构造17周围、在薄膜3周围、在狭缝5内、在腔体9内以及在凹陷18内，存在关于充当散热器的硅承载体24相对于彼此对元件进行热去耦的气体或气体混合物15。位于薄膜3的中心部分周围的是具有热电偶的连接网状物6，所述热电偶正好在CMOS工艺(硅晶圆加工)期间伴随地产生，以便实现低的生产成本。所述热电偶根据塞贝克效应(热电效应)工作，并且能够例如由硅或锗或一些其它半导体和具有高塞贝克系数的金属层(例如，Bi、Sb或其它合金)构成。
优选地，使用n掺杂和p掺杂的多晶硅，因为这能够在标准CMOS工艺中被简单且划算地生产出来。具有绝缘薄膜上面的热接触件和硅散热器上面或者上方的冷接触件的热电堆结构的构造，硅承载体24本身是公知的并且因此在这里将不进行详细的描述。
图2b示出了具有辐射收集器构造17的传感器阵列芯片14内的圆形传感器单元的构造，该辐射收集器构造17由支柱4以及被支柱4承载的辐射收集器1构成。支柱4位于薄膜3上。
辐射收集器构造17(参见图1)还能够由具有多个辐射收集器1和多个支柱4的多个元件构成。该设计导致了对应用要求的较好适应，以实现较小的时间常数和特别高的信号。
支柱4呈现出如此的高度，使得即使存在高的热载荷，施加在所述支柱上的辐射收集器1和薄膜3的底层中心部分或具有CMOS层构造29的硅承载体24之间也绝不会发生机械接触(还参见图2c)。
图2c至图2e示出了根据本发明的具有不同几何形状的热电堆传感器单元的基本构造。
在图2c中，辐射收集器1被安装在薄膜3上的支柱4上。辐射收集器1跨越薄膜3的中心部分和腔体9，并且还跨越周围的硅承载体24。金属导电轨道和像素读出电子设备能够位于所述硅承载体上。腔体9从下方被尽可能深地驱入传感器芯片(例如，来自CMOS工艺的硅晶圆)的硅承载体24内，以便在薄膜3或敏感层和充当散热器的腔体壁之间经由气体或气体混合物15的热传导尽可能地低。
例如，能够从正面穿过薄膜内的开口通过被各向同性地或各向异性地蚀刻出的硅来生产所述腔体9。为此目的，通常使用诸如针对硅具有高蚀刻速率的KOH或TMAH(氢氧化四甲铵)这样的Alkaline蚀刻解决方案。然而，腔体9内的硅也能够通过其它去除方法(例如，激光技术和类似的方法)被提取出。
就这一点而言，取决于蚀刻方向和蚀刻剂，腔体9能够具有斜壁(参见图2e)或者圆形的壁。
优选地，腔体9具有贯穿整个基板的垂直的或者几乎垂直的壁，这是因为随后实现通过介质15的热损失最小以及因此最高的信号灵敏度。例如，能够借助于所谓的从晶圆底面的深度蚀刻(所谓的干蚀刻方法或DRIE)来实现这样的垂直壁。因此，像素区域小于或者等于吸热器区域，并且同时在小的传感器区域产生高信号是可能的。
图2d示出了一阵列的两个相邻像素结构的斜视图，其中，两个相邻的辐射收集器1通过机械连接网状物7彼此连接。
两个辐射收集器1具有正方形的或者矩形的形状(取决于期望的像素几何结构)，并且在每种情况下被安装在彼此并排位于一定距离处的两根支柱4上。位于辐射收集器1之间的是薄的机械连接网状物7，例如以便实现辐射收集器构造17的更高的机械稳定性。
所述连接网状物7应当优选地具有小的横截面。使用的材料应当被选择成使得它们具有高的机械强度并且同时具有可能最低的导热率。
还能够存在多个所述网状物，并且这些网状物还能够使辐射收集器1稳固在角落处或者在各边处。金属导电轨道和电子设备能够位于薄膜3之间的区域8上。薄膜3可以是圆形的，如所例示的，可以是矩形的、八角形的和正方形的，并且能够具有与各个辐射收集器1的形状相似的形状。
如果辐射收集器1的尺寸至少与薄膜3的尺寸是相等的，那么这将导致较大比例的入射的红外线辐射在辐射收集器1上被吸收。此外，辐射收集器1的尺寸防止了入射的辐射能够撞击到狭缝5上而消失，或者防止了入射的辐射被区域8反射并且从而引起由外壳内的多次反射所造成的串扰。
红外线吸收层能够位于薄膜3上。穿过辐射收集器1并且从辐射收集器1垂直地或者几乎垂直地向下出现的辐射因此在该底层吸收层上被额外地吸收。
图2e示出了根据本发明的具有正方形的或垂直元件几何形状的传感器元件和从正面驱入基板内的腔体9的进一步的结构，在这种情况下，穿过薄膜3内的开口通过各向异性的Si蚀刻来产生腔体9。在例示的情况下，出现了腔体9的斜壁。这里，薄膜3同样是由窄的连接网状物6承载的，该连接网状物6部分地卷绕在薄膜3并且相对于周围的基板30(散热器)通过窄的狭缝5来分隔开。位于薄膜3上方的矩形的辐射收集器1由薄膜3上面的两根支柱4支撑。辐射收集器1比薄膜3大，并且还覆盖了连接网状物6和狭缝5。这避免了红外线辐射可能穿过狭缝5而消失的情况。
图3示出了根据本发明的包含针对薄膜3上的辐射收集器1及其构造具有不同几何形状的热电堆传感器单元的红外线传感器的单元的结构内的进一步的细节。
图3a示出了根据本发明的具有通过从硅承载体24至薄膜3的通过狭缝5进行热去耦的连接网状物6的热电堆传感器芯片14内的单元的节选。
辐射收集器1借助于支柱(不可见)被固定在薄膜3的中心部分上。薄膜3被涂覆有红外线吸收层。连接网状物6上的热电偶通过狭缝5与周围的层和薄膜3分隔开。单元构造具有圆形的形状，以便为该单元的角落内的边缘电子设备提供足够的空间。
图3b例示了具有正方形的基本结构的单元。
辐射收集器1借助于两根支柱4被固定在矩形的薄膜3上。连接网状物6上的热电偶通过狭缝5与周围的层和薄膜的中心部分分隔开。单元构造具有矩形的形状。应当注意的是，取代圆形或正方形，该单元的几何形状也能够是六角形的、八角形的或者任何其它的多边形或者椭圆形。具有垂直的壁的腔体9位于凹进的薄膜3的下方。
图4a至图4d示出了根据本发明的通过针对辐射收集器1的可能的安装具有不同实施方式的热电堆阵列传感器单元的横截面。
经由支柱4位于薄膜3上的辐射收集器1的构造技术在这些例示中变得清楚。
图4a揭示了根据本发明的第一实施方式中的针对辐射收集器1的安装的单元的横截面。
图4a示出了包括IR辐射收集器1和从上面驱入到CMOS层构造29中的凹陷18内的支柱4的单元构造。从下面驱入硅承载体24内的凹陷9具有垂直的或者几乎垂直的壁，以便将狭缝5和连接网状物6露出。在图4a中的示例中，在每种情况下，三个多晶硅导电轨道31位于连接网状物6上，其中，为了更好地利用区域并且有利于节省生产成本，n型多晶硅导电轨道和p型多晶硅导电轨道一个位于另一个上面。
不言而喻，其它布置、其它掺杂、其它材料、不同数量的多晶硅导电轨道以及一层位于另一层上面的多层也是可能的。
薄膜3的中心部分包含热接触件10，所述热接触件10理想地位于支柱4的正下方或其附近。然而，热接触件10也能够位于薄膜3上的其它任意位置处或者薄膜3内。
图4b例示了根据本发明的具有附加吸收层27的多层辐射收集器1的进一步的单元的横截面。这里，辐射收集器1也位于从上面驱入到CMOS层构造29中的凹陷18内。
图4b示出了包括IR辐射收集器1的单元构造，所述IR辐射收集器1附加地具有单独的吸收器覆盖层27。因此，通过示例的方式，具有很高吸收率的但是反过来具有低导热率或低机械稳定性的吸收层能够与辐射收集器1结合，这将良好的导热性与高的机械稳定性结合起来，使得高吸收率能够与高稳定性和低热容(高响应速度)相结合。
附加吸收层27还能够以多层的样式实施。
图4c例示了根据本发明的针对辐射收集器1使用支柱4安装在从上面驱入的凹陷18内的单元的横截面。这里，辐射收集器1横向地延伸直到越过硅承载体24为止。
在图4c中的结构的情况下，从下面驱入的凹陷9同样地具有垂直的或者几乎垂直的壁，以便将狭缝5和连接网状物6露出。薄膜3的中心部分包含热接触件10，所述热接触件10理想地位于支柱4的正下方，但是原则上也能够被布置在薄膜3的中心部分的区域内的其它位置处。
如果介质15出于成本原因是标准大气压下的气体而不是真空，则图4c中的该版本构成了辐射收集器1相对于相邻结构的特别有利的热绝缘。这里，硅承载体24上的CMOS层构造29被部分地覆盖。
图4d例示了根据本发明的辐射收集器1的进一步的构造，示出了如果辐射收集器1在边缘区域内具有台阶19，则辐射收集器1的区域如何能够被进一步扩大的可能性，据此硅承载体24上的CMOS层构造29被覆盖了。至于生产成本和填充因素，根据图4d的版本考虑了最有利的技术。
台阶19增大了相对于底层堆叠和具有CMOS层构造29的硅承载体24的距离。根据本发明的该构造降低了外壳内的周围介质(气体或气体混合物)15的导热性，从而改善了针对特别大的收集器可达到的信号灵敏度和温度分辨率，并且因此还改善了特别高的填充水平。
原则上，辐射收集器1的边缘区域能够被通向直到相对于邻近的像素仅保持小的间隙为止。
图5a和图5b示出了根据本发明的针对辐射收集器1上的吸收层具有不同实施方式的热电堆传感器阵列单元(像素)的横截面。
图5a示出了包含由具有柏树状吸收层的堆叠和底部的导热层构成的辐射收集器1的像素单元的横截面。位于辐射收集器1上的是具有较大表面积的窄的尖构造20，所述尖构造20通过自由区域21彼此分隔开，在所述自由区域21中，红外线辐射能够直接地向下穿透。
图5b示出了辐射收集器1上具有蜂窝状结构22的单元的横截面。结构23的侧壁被适当地结构化，使得横向入射的热辐射中的未被吸收的部分向下朝着IR辐射收集器1被反射并且在那里被吸收。这些结构由一种或更多种IR吸收材料组成。例如，纳米复合物被用于吸收器覆盖层的较大表面积。
图6a至图6e示出了根据本发明的针对辐射收集器层和打薄以及狭缝的变型具有不同实施方式的热电堆传感器单元的平面图。
图6a图示了根据本发明的具有圆形形状的热电堆传感器单元的平面图。薄膜3的中心部分包含支柱4，在该支柱4上安装有辐射收集器1(未在图6a中示出)。所述辐射收集器1的尺寸被设置成使得它跨越连接网状物6(参看图4)。具有通过狭缝5被再次热去耦的热电偶的所述连接网状物6被连接至硅承载体24，并且从而保持薄膜3的中心部分与辐射收集器1的平衡。位于传感器单元周围的是导电轨道和读出电子设备26，所述导电轨道和读出电子设备26被连接至冷接触件25。薄膜3上的热接触件10(未在图6a中示出)位于支柱4附近。邻近像素的读出电子设备例如包括低通滤波器、前置放大器，但是还能够包含模数转换器、采样-保持元件或开关器件、数据存储单元或者复用器，并且具有如下特点：布置成行或者阵列形式的各个单元各自具有每各个单元具有一个电子信号处理单元或者至少每四个单独的单元共同具有一个电子信号处理单元。像素周围的整个边缘区域通常被填充有邻近这些像素的电子设备(仅象征性地描述的组件26)。在传感器芯片的外部区域(即，具有各个热电偶单元的所谓的“焦平面”的外面)，集成有用于控制阵列和信号读出的进一步的电子设备；例如除了放大器和驱动器之外，所述进一步的电子设备例如能够是复用器、AD转换器、EEPROM、RAM存储器和微处理器以及还有接口组件。
图6b是根据本发明的具有矩形形状并且具有圆形支柱4的热电堆传感器元件的平面图。薄膜3的中心部分包含支柱4，在该支柱4上安装有辐射收集器1(未在图6b中示出)。所述辐射收集器1的尺寸被设置成使得它跨越连接网状物6和狭缝5(例如参看图4)。具有热电偶的这些连接网状物6在薄膜3的中心部分的周围被布置成L形；因此，能够提高传感器单元的灵敏度。周围的电子设备经由处于转变的周围的冷接触件被连接在连接网状物6和硅承载体24之间。
图6c示出了根据本发明的具有矩形形状并且具有星形横截面的支柱4的热电堆传感器单元的平面图。薄膜3的中心部分包含支柱4，在该支柱4上安装有辐射收集器1(未在图6c中示出)。所述辐射收集器1的尺寸被设置成使得它伸出至直到正好在位于硅承载体24上的冷接触件25之前为止。具有热电偶的连接网状物6被布置在薄膜3的中心部分的四侧中的仅两侧上，以便增大薄膜3上的吸收面积。
图6d示出了根据本发明的具有矩形形状并且具有圆形支柱4的热电堆传感器单元的平面图。薄膜3的中心部分具有与支柱4自身相同的尺寸，在该支柱4上安装有辐射收集器1(未在图6d中示出)。所述辐射收集器1的尺寸被设置成使得它伸出至直到正好在冷接触件25之前为止。具有热电偶的连接网状物6以十字形的样式被安装至薄膜3的中心部分的侧面，以便产生应力松弛并且能够将辐射收集器1平稳地保持在薄膜3上方。狭缝区域5位于连接网状物6和硅承载体24之间。
还可加宽连接网状物6并且还可更充分地包装热电偶使得仅保留用于换气的细狭缝5。
图6e示出了根据本发明的具有矩形形状并且具有十字形横截面的支柱4的热电堆传感器单元的平面图。薄膜3的中心部分具有与支柱4自身相同的尺寸，在该支柱4上安装有辐射收集器1(未在图6e中示出)。具有热电偶的连接网状物6以蜿蜒的样式被布置在薄膜3的中心部分的周围，以便能够容纳大量的具有较长长度的热电偶(因此低的热损耗)。狭缝区域5位于连接网状物6和硅承载体24之间。冷接触件25位于硅承载体24上的连接网状物6的端部处，而热接触件被布置在靠近支柱4的薄膜3上。
标号列表
1 辐射收集器
2 周围的CMOS结构
3 薄膜的中心部分
4 支柱
5 狭缝
6 连接网状物
7 机械稳定化网状物
8 薄膜之间的区域
9 腔体
10 热接触件
11 载体基板
12 帽
13 成像透镜/入口光学系统
14 热电堆传感器阵列芯片
15 气体或气体混合物
16 热电传感器元件(像素)
17 辐射收集器构造
18 凹陷，从上面驱入
19 边缘区域内的辐射收集器的台阶
20 具有高的表面积的尖构造
21 尖构造之间的自由区域
22 蜂窝或蜂窝状结构
23 蜂窝的侧壁
24 硅承载体
25 冷接触件
26 电子设备
27 辐射收集器上的吸收器覆盖层
28 插塞式连接器
28’ 接触元件
29 CMOS层构造
30 传感器芯片的基板
31 一个位于另一个上面的多晶硅导电轨道
Claims (23)
1.一种热电堆红外线传感器结构，所述热电堆红外线传感器结构包括：
外壳，所述外壳填充有介质，
底板，所述底板具有至外部的电连接件并且用光学组件来密封，
传感器芯片，所述传感器芯片在所述外壳中施加在所述底板上，所述传感器芯片承载多个热电堆红外线结构，其中，所述热电堆红外线结构的多个“热接触件”位于跨过具有良好导热性的硅承载体中的各个腔体伸展的单独的薄膜的中心部分上或者中心部分附近，所述腔体部分地由作为框架状的硅承载体的一部分的包围壁限定，该框架状的硅承载体通过与所述薄膜和包围的框架状的硅承载体的所述壁通过窄狭缝分开的连接网状物与所述薄膜相连，其中所述热电堆红外线结构的多个“冷接触件”位于所述框架状的硅承载体上或者所述框架状的硅承载体的附近，
CMOS结构，所述CMOS结构沉积在所述框架状的硅承载体、所述连接网状物和所述薄膜上，所述热电堆红外线结构嵌入在所述CMOS结构中，其中，所述CMOS结构包括从上方驱入所述CMOS结构的上部中的凹陷，
辐射收集器构造，该辐射收集器构造在所述传感器元件结构的每个单独的薄膜的所述凹陷、所述框架状硅承载体和所述连接网状物的上方，所述辐射收集器构造跨越跨过所述凹陷的区域，该区域大于所述单独的薄膜的中心部分，包括所述连接网状物的一部分或者所述连接网状物上方的整个区域，
所述辐射收集器构造设置有高导热性和低热容量以及低反射率，所述辐射收集器构造至少包括单层结构，该单层结构至少在上侧具有吸收面，
所述辐射收集器构造包括由设置在所述薄膜上的至少一个支柱支撑的辐射收集器，所述至少一个支柱将下面的所述薄膜的所述中心部分热连接至所述辐射收集器。
2.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，被密封在所述外壳中的所述介质(15)是具有非常低压力的气体或气体混合物、或者具有比空气或氮气明显更差的导热性的气体。
3.根据权利要求2所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述气体或气体混合物为Xe、Kr或Ar。
4.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述腔体(9)是从正面驱入到所述硅承载体(24)中的。
5.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述腔体(9)是从背面驱入到所述硅承载体(24)中的，并且设置有垂直的或者几乎垂直的侧壁。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述薄膜(3)或所述腔体(9)具有正方形的、矩形的、多边形的或圆形的形状。
7.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述单独的传感器元件的信号处理部(25)包含前置放大器和用于限制噪声带宽的低通滤波器。
8.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述辐射收集器(1)和所述至少一个支柱(4)由相同的材料构成，并且在一个的工艺中被共同地制造出。
9.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，在相邻的辐射收集器(1)或者所述辐射收集器构造(17)之间布置有一个或更多个连接肋(7)。
10.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述支柱(4)具有圆形的或角形的横截面，或者具有管形的横截面。
11.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述薄膜(3)经由窄且薄的网状物(6)连接至所述硅承载体(24)，并且具有功能层的热电偶在整个所述网状物(6)上被引导并且将所述薄膜(3)的中心区域上的所述热接触件(10)连接至所述硅承载体(24)上方的“冷接触件”(25)。
12.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述辐射收集器(1)具有与下面的所述硅承载体(24)中的腔体(9)的尺寸近似的尺寸。
13.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述辐射收集器(1)延伸超出所述腔体(9)的边缘。
14.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述辐射收集器(1)在边缘区域中具有台阶或突起(19)。
15.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，辐射收集器(1)在边缘区域中变薄。
16.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述辐射收集器(1)被薄的吸收层(27)覆盖。
17.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述辐射收集器(1)具有结构化的表面，所述结构化的表面具有尖构造(20)以及位于所述尖构造(20)之间的自由区域(21)。
18.根据权利要求1所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述辐射收集器(1)具有蜂窝状的表面(23)。
19.根据权利要求7所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述信号处理部的至少一部分被集成到相同的半导体基板上。
20.根据权利要求19所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述单独的传感器元件的所述信号处理部的至少一部分被布置在每个传感器元件(16)周围的所述硅承载体(24)的边缘区域内。
21.根据权利要求20所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，对于每第四个单独的传感器元件，在每个传感器元件(16)的周围布置单独的信号处理部(25)。
22.根据权利要求21所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，对于每第二个单独的传感器元件或者每个传感器元件，在每个传感器元件(16)的周围布置单独的信号处理部(25)。
23.根据权利要求19至22中的任一项所述的热电堆红外线传感器结构，其特征在于，所述单独的传感器元件的所述信号处理部的至少一部分被布置在每个传感器元件(16)周围的所述硅承载体(24)的边缘区域中，并且包含前置放大器以及用于限制噪声带宽的低通滤波器和/或模数转换器和开关器件。
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