CN109798987B - 低漂移红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了低漂移红外探测器。用于测量IR辐射的半导体器件(100)包括：至少一个传感器像素(10)；与IR辐射屏蔽的至少一个参考像素(20)，其包括加热器(23)；控制器(50)，适于：通过向加热器施加功率同时不加热传感器像素来测量响应度；测量未加热的像素的第一输出信号和加热的像素的第一参考输出信号；根据施加到加热器的功率的测量和第一输出信号与第一参考输出信号之间的差的测量来获得响应度；施加一段时间的冷却，直到参考像素和传感器像素的温度基本上相同；基于传感器与参考输出信号之间的差，通过使用响应度转换该差来生成指示IR辐射的输出信号。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域和用于感测红外(IR)辐射的方法。更具体地，本发明涉及使用一个或多个传感器像素和一个或多个参考像素的这种器件。
背景技术
借助于半导体电路测量IR辐射(特别是通过利用悬挂在腔中的MEMS结构，并且包括温度传感器)的热IR传感器和方法在本领域中是公知的。
大多数IR传感器将传入的IR信号转换为布置成用于吸收IR辐射的热隔离结构(此处称为“吸收器”)的温升。吸收器通常是借助于悬挂结构(例如，长且细的梁)悬挂在密封腔中的所谓膜状物或隔板。应注意，吸收器特征不限于专用吸收层，而是被视为用于借助于吸收来收集IR辐射的检测器的一般特征。隔离结构接收的IR功率越多，吸收器相对于主体(衬底和盖(cap))的温度将越高。对于每一份IR辐射的量，存在平衡温度，在该平衡温度下，由于入射IR功率引起的加热等于经由热传导、热对流和热辐射从吸收器到周围衬底和盖的热损失。因此，吸收器的温升是入射IR辐射量的指示，并且通常借助于具有高温度依赖性的电阻器(辐射热计)或借助于一系列热电偶(热电堆)来测量。在本文献中，具有温度传感器的吸热器被称为“像素”。
为了像素的良好灵敏度，对于给定的IR辐射功率量，温度输出信号优选为尽可能大。这种像素的灵敏度由三个物理上不同的增益因子决定：第一个因子由通过盖子(lid)或盖到吸收器上的IR射线的透射、吸收和反射来确定。第二个增益因子由吸收器与器件的主体之间的热阻确定。该第二个因子尤其取决于通过热隔离结构的悬挂结构(例如梁)的热阻和通过周围气体的热阻。第三个因子由温度计决定，该温度计通常是具有高温依赖性的电阻器或一系列热电偶(热电堆)。
这种传感器的稳定性和线性明显取决于不同增益因子的稳定性和线性，并且经常必须在信号放大与放大稳定性之间做出妥协。最难控制的参数之一是通过围绕吸收器的气体的来自吸收器的热传导。
问题在于，由于通过围绕吸收器的气体的来自吸收器的热传导随时间的潜在变化，红外探测器的灵敏度会随着时间而发生变化。这可能是由例如会导致内部系统压力的变化的任何小的排气过程、任何小的气密性泄漏或任何小的渗透性引起的。这最终将导致输出信号的误差。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供用于操作这种器件的良好的半导体器件和方法。
上述目标通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明的实施例涉及用于测量源自半导体器件外部的IR辐射的半导体器件。该半导体器件包括：
-半导体衬底，具有密闭地密封到该衬底的盖以封闭至少一个腔，
-布置在腔中的至少一个传感器像素，该至少一个传感器像素包括第一吸收器并适于生成指示传入IR辐射的传感器输出信号，该第一吸收器布置成用于吸收IR辐射；
-布置在腔中的至少一个参考像素，该至少一个参考像素包括第二吸收器和加热器，该加热器用于通过向该加热器施加功率来增加第二吸收器的温度，其中参考像素与IR辐射屏蔽，并适于生成指示施加到加热器的功率的参考输出信号，
其中半导体器件包括控制器，该控制器适于：
-通过以下步骤测量半导体器件的响应度：
将功率施加到参考像素的加热器，同时不加热传感器像素，
测量未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第一输出信号和加热的参考像素的第一参考输出信号，
根据施加到加热器的功率以及在第一输出信号与第一参考输出信号之间的差的测量来获得响应度，
-应用对参考像素的一段时间的冷却，直到参考像素的温度与传感器像素的温度基本上相同，
-基于传感器像素的传感器输出信号与当传感器像素的温度基本上等于参考像素的温度时所测量的参考像素的参考输出信号之间的差，通过使用所测量的响应度将该差转换为指示IR辐射的输出信号来生成指示IR辐射的输出信号。
本发明的实施例的优点在于，可以通过加热参考像素并通过测量加热的参考像素和非加热的传感器像素的响应的差来获得半导体器件的响应度。
本发明的实施例的优点在于，传感器像素和参考像素存在于同一腔中(意味着腔中的至少一个通道确保气体的压力对于传感器像素和对于参考像素是相同的)且因此经受腔中(例如，腔中的压力)的相同的变化。因此，参考像素的响应度是用于传感器像素的响应度的良好指示。
本发明的实施例的优点在于，可以在测量序列的开始时或该序列中的稍后时段获得响应度。甚至超过一个所测量的响应度可用于将传感器输出信号与参考输出信号之间的差转换成指示IR辐射的输出信号。
在本发明的实施例中，控制器适于通过通过以下步骤来获得响应度：求出第一输出信号与第一参考输出信号之间的差，并将该差除以施加到加热器的功率。
在本发明的实施例中，控制器适于通过以下步骤来测量半导体器件的响应度：
测量至少一个未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第二传感器输出信号和当参考像素与传感器像素或附加参考像素基本上处于相同的温度时的第二参考输出信号，
根据以下各项获得至少一个响应度：
第一输出信号与第一参考输出信号之间的差，
第二传感器输出信号与第二参考输出信号之间的差，
以及施加到加热器的功率。
本发明的实施例的优点在于，可以测量用于半导体器件的半导体器件的响应度，对于该半导体器件，IR辐射引起对传感器像素输出信号的激励，与由加热器中的电功率引起的输出信号相比，该传感器像素输出信号不可忽略。
在本发明的实施例中，该控制器适于通过以下步骤来获得响应度：使得第一输出信号与第一参考输出信号之间的差减去第二传感器输出信号与第二参考输出信号之间的差以获得结果，并将该结果除以施加到加热器的功率。
在本发明的实施例中，该控制器适于测量所述响应度至少两次，并且适于通过使用至少两个响应度转换传感器输出信号与参考输出信号之间的差来生成指示IR辐射的输出信号。
本发明的实施例的优点在于，可以通过超过一次地测量响应度来补偿半导体器件的响应度的变化。此外优点在于，通过超过一次地测量响应度并通过组合结果(例如通过求平均)，可以改进所获得的响应度的准确度。
在本发明的实施例中，控制器适于重复地生成指示IR辐射的输出信号。
本发明的实施例的优点在于，可以检测IR辐射的变化，因为它们被定期地测量。
在本发明的实施例中，控制器适于测量半导体器件的响应度，并适于在两个所生成的输出信号之间应用对至少一个参考像素的一段时间的冷却。
本发明实施例的优点在于，定期地更新半导体器件的响应度。由于腔中(例如腔中的压力或腔中的气体成分)的变化，该响应度会随时间变化。
在本发明的实施例中，控制器适于通过以下步骤获得指示IR辐射的输出信号：从传感器输出信号与当传感器像素的温度基本上等于参考像素的温度时所测量的参考输出信号之间的差减去器件的预定义的偏移值，并且将减法的结果除以灵敏度，其中该灵敏度与乘以预定义的耦合效率的最新测量的响应度或者所测量的响应度的组合对应。
在本发明的实施例中，基于较早测量的响应度与最新测量的响应度的比率来补偿灵敏度。
因此，可以补偿由于腔中(例如腔中的压力或腔中的气体成分)的变化而随时间发生的响应度的变化。在工厂中校准的预定义的耦合效率是在工厂中的该校准步骤期间器件的响应度的函数。本发明的实施例的优点在于，可以使用较早测量的响应度与最新测量的响应度的比率来补偿由于实际耦合效率和预定义的耦合效率之间的差引起的误差。
在本发明的实施例中，至少一个传感器像素包括加热器，该加热器用于通过向该加热器施加功率来升高第一吸收器的温度，其中控制器适于测量传感器像素与参考像素之间的热传导的失配。
在本发明的实施例中，至少一个传感器像素包括用于生成指示传入IR辐射的传感器输出信号的热电堆，并且至少一个参考像素包括用于生成指示施加到加热器的功率的参考输出信号的热电堆。
本发明的实施例的优点在于，热电堆传感器固有地不具有偏移。因此，仅使用一个加热器功率来测量响应度是足够的。
在本发明的实施例中，热电堆包括一系列热电偶。
在第二方面，本发明的实施例涉及一种用于测量IR辐射的方法。该方法包括：
-提供半导体器件，所述半导体器件包括：
-半导体衬底，具有密闭地密封到该衬底的盖以封闭至少一个腔，
-布置在腔中的至少一个传感器像素，该至少一个传感器像素包括第一吸收器并适于生成指示传入IR辐射的传感器输出信号，该第一吸收器布置成用于接收IR辐射，
-布置在腔中的至少一个参考像素，该至少一个参考像素包括第二吸收器和加热器，该加热器用于通过向该加热器施加功率来增加第二吸收器的温度，其中参考像素与所述IR辐射屏蔽，并适于生成指示施加到加热器的功率的参考输出信号，
-通过以下步骤测量半导体器件的响应度：
将功率施加到参考像素的加热器，同时不加热传感器像素，
测量未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第一输出信号和加热的参考像素的第一参考输出信号，
根据第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差和施加到加热器的功率来获得响应度，
-应用对参考像素的一段时间的冷却，直到参考像素的温度与传感器像素的温度基本上相同，
-基于传感器像素的传感器输出信号与当传感器像素的温度基本上等于参考像素的温度时所测量的参考像素的参考输出信号之间的差，通过使用所测量的响应度将该差转换为指示IR辐射的输出信号来生成指示IR辐射的输出信号。
在本发明的实施例中，测量半导体的响应度包括：
测量至少一个未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第二传感器输出信号和当参考像素与传感器像素或附加参考像素基本上处于相同的温度时的第二参考输出信号，
根据以下各项获得至少一个响应度：
第一输出信号与第一参考输出信号之间的差，
第二传感器输出信号与第二参考输出信号之间的差，
以及施加到加热器的功率。
在本发明的实施例中，该方法包括：重复地生成指示IR辐射的输出信号。
在本发明的实施例中，该方法包括：测量半导体器件的响应度，并在两个所生成的输出信号之间应用对至少一个参考像素的一段时间的冷却。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。
本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(多个)实施例中将变得显而易见，并且将参考这些实施例来进行阐明。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的半导体器件的示意图。
图2示出了根据本发明的实施例的与图1中类似的半导体器件的示意图，例外在于在传感器像素上的附加加热器。
图3是根据本发明实施例的用于测量IR辐射的方法步骤的流程图。
图4示出了根据本发明实施例的可能的时隙序列。
图5示出了根据本发明实施例的半导体器件的俯视图的示意图。
图6示出了图5中所指示的横截面A-A的示意图。
图7示出了图5中所指示的横截面B-B的示意图。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的要素。
具体实施方式
将针对具体实施例并参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图只是示意性的，并且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些要素的尺寸放大且不按比例绘制。尺度和相对尺度不对应于本发明实践的实际缩减。
说明书和权利要求书中的术语第一、第二等被用于在相似的要素之间进行区分，而不一定用于在时间上、空间上、排序上或以任何其他方式描述序列。应当理解，如此使用的这些术语在合适情况下是可互换的，并且本文中描述的本发明的实施例能够以除了本文中描述或说明的之外的其他序列来操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语被解释为指定如所引用的所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件，或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由部件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关部件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部引用同一实施例，而是可以引用同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开并辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入该具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例，如将由本领域技术人员所理解。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
在本发明的实施例中提及半导体器件的响应度的情况下，提及的是参考像素的输出信号与施加到参考像素的加热功率的比率。在本发明的实施例中提及传感器像素的灵敏度的情况下，提及的是传感器的输出信号(减去传感器像素的偏移)与到传感器像素的的传入辐射的功率的比率。
在本发明的实施例中提及耦合效率的情况下，提及的是灵敏度与响应度的比率。
在本发明的实施例中提及腔的情况下，提及的是在盖与衬底之间的封闭体积。由此盖被密闭地密封至衬底。一个或多个壁可以存在于腔中以在腔中形成隔室，只要在腔的隔室之间至少存在开口(例如通道)，从而确保腔中的气体压力在腔的不同隔室中是相同的。
在第一方面，本发明的实施例涉及用于测量源自半导体器件100外部的IR辐射的半导体器件100。
在图1的示意图中图示了这种器件的示例性实施例。半导体器件100包括半导体衬底2，该半导体衬底2具有密闭地密封至所述衬底的盖3以封闭至少一个腔12。
至少一个传感器像素10布置在腔12中。该传感器像素包括第一吸收器11，该第一吸收器11布置成用于接收源自腔外部的IR辐射。传感器像素适于生成指示传入IR辐射的传感器输出信号。
此外，半导体器件包括布置在腔12中的至少一个参考像素20。参考像素包括第二吸收器21和加热器23，该加热器23用于通过向该加热器施加功率来升高第二吸收器21的温度。参考像素适于生成指示施加到加热器的功率的参考输出信号。在该示例中，腔中的气体压力对于参考像素与对于传感器像素是相同的。这通过通道40来实现。
在图1中所图示的示例性实施例中，壁41存在于盖中，并且壁42存在于衬底中。通道40存在于这两个壁之间。由于这些壁，在腔12中形成两个隔室12a和12b。两个隔室中的气体压力是相同的。传感器像素在第一隔室12a中，并且参考像素在第二隔室12b中。
此外，半导体器件100包括控制器50，其适于通过以下步骤来测量220半导体器件的响应度：
将功率施加到参考像素20的加热器23，同时不加热传感器像素10，
测量未加热的传感器像素10或未加热的附加参考像素的第一输出信号和加热的参考像素20的第一参考输出信号，
根据对加热器所施加的功率以及第一输出信号与第一参考输出信号之间的差的测量来获得响应度，
-应用230对参考像素20的一段时间的冷却，直到参考像素20的温度与传感器像素10的温度基本上相同，
-通过以下步骤生成240指示IR辐射的输出信号：
测量未加热的传感器像素10或未加热的附加参考像素的传感器输出信号和参考像素20的参考输出信号，
基于传感器输出信号与当传感器像素的温度基本上等于参考像素的温度时所测量的参考输出信号之间的差，通过使用所测量的响应度将该差
转换为指示IR辐射的输出信号来生成指示该IR辐射的输出信号。
控制器适于执行多个步骤，这些步骤是：测量响应度220；应用230对参考像素的一段时间的冷却；生成240输出信号。这些步骤在图3中图示，其中在流程图中图示了这些步骤的可能序列。该流程图图示了根据本发明的第二方面的用于测量IR辐射的方法200。该方法开始于：提供210半导体器件，该半导体器件包括至少一个传感器像素、至少一个参考像素以及用于加热参考像素的至少一个加热器。接下来应用在前面的段落中解释的步骤。
在本发明的实施例中，至少一个参考像素20和至少一个传感器像素10是电匹配和热匹配的像素。电匹配暗示了如果它们具有相同的温度，则它们具有基本上相同的输出信号。热匹配暗示了它们具有从吸收器通过围绕该吸收器的气体的基本上相同的热传导。传感器像素10(也称为实时像素)能够从物空间接收IR辐射，而参考像素20(也称为盲像素)与来自物空间的直接IR辐射屏蔽。这种屏蔽可以是例如在光学域。在图1的示例中，使用IR阻挡层31将参考像素20与所述IR辐射屏蔽。在该示例中，IR阻挡层在腔的内部。更具体地说，它位于腔的第二隔室12b中。壁40的封闭第二隔室的壁40的侧也覆盖有IR阻挡层。然而，它可位于不同的位置。在该示例中，IR阻挡层31也存在于底侧，但是本发明不限于这种情况。为了使朝向参考像素的直接信号最小化，IR阻挡层应定位在预期外部IR辐射进入参考像素的腔中的位置。替代地，能以预定义的方式调整器件的一部分的材料性质，以吸收或减少朝向参考像素的直接外部IR辐射。
在本发明的实施例中，加热功率被施加到一个或多个像素以补偿热传导随时间的变化。在本发明的实施例中，至少一个参考像素的输出信号和至少一个传感器像素的输出信号优选地在基本上相同的时刻被测量。这可以是同时的或者具有小于像素的时间常数的时间差，例如小于100ms或甚至小于10ms或甚至小于10us。在本发明的实施例中，可以重复地生成指示IR辐射的输出信号。在那种情况下，重复地测量至少一个参考像素的输出信号和至少一个传感器像素的输出信号。它们可以被同时地测量或者以下列时间差来测量：小于连续测量之间的时段、或甚至小于该时段的一半、或甚至小于该时段的10％、或甚至小于该时段的5％。其优点是可以降低像素的热噪声，这是对于测量的准确度的主要优点。在这种情况下，优选地在每个时隙中对传感器和参考像素进行瞬时差分测量，以使热噪声和电噪声最小化和/或降低共模噪声信号的影响。在本发明的实施例中，通过以反串联方式连接像素来一起测量至少一个参考像素和至少一个传感器像素。然后可以放大该组合的信号。这意味着来自这些像素的信号的差被放大为输出信号。来自这些像素的信号的差可通过将像素的相同极性连接在一起来获得，或者可以替代地利用开关以选择要以相同或相反极性连接的像素来获得-这导致来自这些像素的求和或差分信号。同样，可以最小化像素的热噪声和电噪声和/或共模噪声信号的影响。
如图3中所图示，其中测量响应度并且因此其中也加热参考像素的步骤220后接冷却步骤230，该冷却步骤230后接其中生成输出信号的步骤240。生成输出信号可能优选地通过以下方式来完成：一起测量至少一个参考像素和至少一个传感器像素--以与上文对于响应度测量所描述的非常类似的方式。同样，可以最小化像素的热噪声和电噪声和/或共模噪声信号的影响。生成输出信号可以被重复地完成，而无需每次测量响应度。然而，定期再次测量220响应度，使得可以检测响应度的任何变化也是可能的。
图4示出了根据本发明实施例的可能的时隙序列。在该图中时隙通过矩形来指示：
A[x]:这些是应用时隙；这里，测量传入IR辐射以用于应用目的(即，用于生成240指示IR辐射的输出信号)。
H:是用于借助于在位于像素上的加热器中诱发的电功率来加热像素的时隙。完成参考像素的加热以测量220半导体器件的响应度。在该时隙之后，参考像素已达到稳定的温度。
C:是用于在用像素上的加热电阻加热了像素后主动地冷却像素或被动地使像素再次冷却到正常应用水平的时隙。
R[x]:是用于测量引入的功率对参考像素的输出的影响的时隙，该引入的功率在整个时隙期间被维持(使得参考像素的温度在该时隙期间是稳定的)。该输出信号用于获得半导体器件的响应度。该R[x]时隙不一定有与A[x]时隙相同的持续时间。
可以应用对参考像素的冷却时段，直到参考像素的温度与传感器像素的温度基本上相同。例如，如果两者温度仅相差1mK、或仅相差0.5mK、或仅相差0.1mK，则可以认为它们基本上相同。这可以例如在2ms与500ms之间的冷却时段(例如200ms的冷却时段)之后实现。
在本发明的实施例中，耦合因子指示所研究的物体的1度变化与传感器像素或传感器像素的组合(例如，两个传感器像素)组合看待该1度变化的方式之间的比率。耦合因子可以例如是1000。在那种情况下，物体温度的1度变化被(多个)传感器像素看作1/1000度(1mK)。在那种情况下，30度的ΔTO导致(多个)传感器像素处的30*1mK＝～30mK的变化。
在本发明的实施例中，电流源或电压源用于加热参考像素的吸收器。作为示例，用于加热参考像素的加热器电流是200μA。这可以例如导致吸收器(有时也称为膜状物)温度(单个像素)的2K增加。
当测量响应度时，参考像素的温度可以例如增加2K。在冷却之后，在应用时隙期间，测量可以例如以0.1℃的准确度来完成。
在那种情况下，参考像素在响应度测量之前和之后的温度差应小于0.1/1000，或<0.1mK。
这意味着两者之间的比率为0.1mK/2K＝0.005％，并且给定一阶系统(膜状物的冷却为该一阶系统)，对于该示例，需要等待时间常数的10倍。在本发明的示例性实施例中，时间常数可以大致在2ms与10ms之间，使得冷却时段可以大致为像20ms到100ms，最终达到500ms。
在本发明的实施例中，可以通过施加固定的加热器电流将功率施加到加热器。在那种情况下，施加到加热器的功率的度量是固定的加热器电流。对于晶片上的所有管芯的所有参考和/或传感器像素，加热器电流可以是相同的，或者(取决于不同像素之间的加热器电流的扩散)加热器电流可以是不同的，并且可针对不同像素单独地校准加热器电流。在本发明的实施例中，假设加热器电流(当加热像素时)和加热器电阻器随时间推移是稳定的。
施加到加热器的功率的量度也可以是功率本身。例如，可以通过测量通过加热器电阻器的电流和跨该加热器电阻器的电压来获得该功率。
在本发明的实施例中，可以使用ADC测量跨加热器的电压。在那种情况下，加热器功率可以估计为：
其中R是加热器电阻。参考像素、传感器像素和加热器功率(例如加热器电压)可以例如在制造时校准期间被测量，并且它们也可以在应用期间(当测量响应度时，以及当生成指示IR辐射的输出信号时)被测量。其优点在于，可以通过测量加热器功率(例如加热器电压)来补偿加热器的任何漂移(例如加热器电流源的漂移)。此外，优点还在于，还可以相对于背景温度或环境温度或芯片温度来补偿响应度。这可以例如导致取决于器件的灵敏度的背景温度或环境温度或芯片温度的芯片相关的典型的校准参数。
在本发明的实施例中，在时隙R[x]中记录背景温度或环境温度或芯片温度。其优点在于，可以补偿传感器的响应度的温度依赖性。如本领域技术人员所知，传感器的响应度由于以下因素可以是温度依赖性的：在器件的传感器和/或读出电路中使用的金属、半导体和/或电介质的材料性质；和/或器件的密闭地密封的腔中的气体混合物的压力和/或材料性质；和/或可以改变局部温度的器件的传感器和/或读出电路的局部加热。
在本发明的实施例中，在A[x]期间测量背景温度或环境温度或芯片温度作为应用测量的一部分。其优点在于，可以补偿传感器的响应度的温度依赖性。如本领域技术人员所知，传感器的响应度由于以下因素可以是温度依赖性的：在器件的传感器和/或读出电路中使用的金属、半导体和/或电介质的材料性质；和/或器件的密闭地密封的腔中的气体混合物的压力和/或材料性质；和/或可以改变局部温度的器件的传感器和/或读出电路的局部加热。在本发明的实施例中，总是可以施加相同的加热器功率。在校准时刻期间和当进行响应度测量时，该加热器功率例如可以是相同的。加热器可以例如在其寿命期间是稳定的，并且可以例如独立于背景温度或环境温度或芯片温度。这样就可以消除ADC中的任何漂移，这是本发明实施例的优点。
在本发明的实施例中，控制器适于通过以下方式来获得响应度：求出第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差，并将该差除以施加到加热器的功率。由此在加热参考像素之后的相同时刻测量第一输出信号和第一参考输出信号。
出于热噪声的原因，测量传感器像素的输出信号和参考像素的输出信号，并彼此相减。在本发明的实施例中，这可以在每个时隙R完成。然后可以如下获得响应度：
其中P进入参考像素的加热器的电功率。与由参考像素的输出信号上的加热器中的电功率引起的激励相比，用于获得响应度的该方法假设外部IR辐射导致对传感器像素的输出信号的小的激励。
在本发明的实施例中，可以通过测量两个参考像素(加热的像素和未加热的像素)的输出信号来获得响应度。出于热噪声的原因，在R[n]时隙处测量没有诱发功率的像素(pix_heater)和具有诱发功率的像素(pix_noheater)，并彼此相减。
外部IR辐射不会影响所测量的响应度，因为它不存在于参考像素中。
在本发明的实施例中，控制器适于通过以下步骤来测量半导体器件的响应度：
-测量至少一个未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第二传感器输出信号和当参考像素与传感器像素或附加参考像素基本上处于相同的温度时的第二参考输出信号，
-根据以下各项获得所述至少一个响应度：
-第一输出信号和第一参考输出信号之间的差，
-第二传感器输出信号和第二参考输出信号之间的差，
-以及施加到加热器的功率。
在本发明的实施例中，该控制器适于通过以下方式获得响应度：使得第一输出信号与第一参考输出信号之间的差减去第二传感器输出信号与第二参考输出信号之间的差以获得结果，并将该结果除以施加到加热器的功率。
该方法可以应用于使用至少一个传感器像素和至少一个参考像素以及小的电加热器功率来获得响应度。以下进一步解释可能的实现。出于热噪声的原因，在每个时隙测量传感器像素和参考像素，并彼此相减。同样在这种情况下，传感器和参考像素优选地在基本上相同的时刻被测量。这可以例如通过在每个时隙中对传感器像素和参考像素的同时差分测量来实现。其优点在于，可以最小化热噪声和电噪声和/或可以降低共模噪声信号的影响。
其中P是进入参考像素的加热器的电功率。
在本发明的实施例中，控制器适于通过以下方式获得指示所述IR辐射的输出信号：从传感器输出信号与当传感器像素的温度基本上等于参考像素的温度时所测量的参考输出信号之间的差减去器件的预定义的偏移值，并且将减法的结果除以灵敏度，其中，该灵敏度与乘以预定义的耦合效率的最新测量的响应度或者所测量的响应度的组合对应。
这在以下段落被进一步解释。对于理想器件，灵敏度S正比于器件响应度：
V器件＝S·PIR+Voff
V器件＝R·α·PIR+Voff
其中R是器件响应度；α是光耦合效率；PIR是红外辐射功率。Voff不是热电堆传感器的偏移，而是器件的偏移，该器件的偏移可能由其他效应引起，这些效应像热域、光域或电域中的像素之间的失配)；或是完全转换函数的偏移参数(例如，由于电链的电偏移)。
实施例的优点在于，热传导被包括在器件响应度中。通过使用参考(盲)像素上的加热器，可以获得与通过围绕吸收器的气体的来自吸收器的热传导成比例的值。在本发明的实施例中，这与响应度对应。
在本发明的实施例中，基于较早测量的响应度与最新测量的响应度的比率来补偿灵敏度。较早测量的响应度可以例如在工厂中对器件的校准期间被测量。
那是避免需要测量加热器功率的方式，因为那两个响应度的比率除以加热器功率的两倍(在本发明的实施例中，其可以随时间保持恒定)。
在本发明的实施例中，较高的加热器功率将降低误差信号的影响，因此可以利用较高的加热器功率更准确地测量响应度。当增加加热器功率时，膜状物温度也将增加，因此热电堆的灵敏度变化，并且因此响应度将不反映在A时隙中的实际响应度。需要确定最佳的加热器功率。
根据本发明实施例的半导体器件可包括多个像素。不同像素的响应度显示出失配是可能的。这可能是由于不同像素之间在热域或电域中的变化。
为了补偿不同像素之间的热传导的失配，在本发明的实施例中，加热器可以集成在不同的像素上，并且可以通过使用以上所描述的程序测量响应度来获得不同像素的响应度的失配。
在本发明的实施例中，至少一个传感器像素10包括加热器13，该加热器13用于通过向该加热器施加功率来升高所述第一吸收器11的温度，其中控制器50适于测量传感器像素与参考像素之间的热传导的失配。图2中示意性地绘出了这种半导体器件的一个示例。这是与图1中相同的器件，例外在于附加的加热器13。
图5示出了根据本发明实施例的半导体器件100的俯视图的示意图。半导体器件包括布置在腔12中的两个传感器像素10和两个参考像素20。每个传感器像素10包括第一吸收器11。每个参考像素12包括第二吸收器21。该腔包括4个隔室12a、12b、12c、12d。这些隔室12c和12d中的两个隔室是盲式的，而另两个隔室对于IR辐射是透明的。在该示例中，盲像素和参考像素相对于彼此对角地取向。然而，本发明不限于此，并且其他配置也是可能的。在本发明的该示例性实施例中，每个参考像素20还包括加热器23。该图还示意性地示出了控制器50。
图6示出了图5中所指示的横截面A-A的示意图，且图7示出了图5中所指示的横截面B-B的示意图。这些图示出了衬底2、盖3、吸收器11、吸收器12、加热器23和IR阻挡层31。在该示例中，IR阻挡层是基本上在第二吸收器上方的盖3的顶表面上的反射涂层。
在本发明的特定实施例中，盖3可以由半导体材料制成，诸如例如锗，或者更优选地，硅晶体，或者更一般地，对于感兴趣的辐射(红外线)是透明的任何其他材料。有利地，这种材料对于任何其他辐射、尤其是可见光也是基本上不透明的(例如具有至多0.2，例如至多0.1的透射系数)，该其他辐射是红外传感器中常见的噪声源。本发明的实施例不限于像素的制造方式。在图1的示例中，像素基于形成在盖3中的腔以及在基本衬底2(例如是CMOS)中的腔，但是本发明的实施例不限于制造例如在盖中的腔和在CMOS中的腔的方式。一个示例可通过KOH蚀刻来创建腔，但也存在其他技术。CMOS中的蚀刻深度和盖中的蚀刻深度可以相同或可以不同。这种不同的蚀刻深度对寄生热通量可具有正面或负面影响，如可以由本领域技术人员容易地检查。
Claims (15)
1.一种用于测量源自半导体器件外部的IR辐射的半导体器件，包括：
半导体衬底，具有密闭地密封到所述衬底的盖以封闭至少一个腔，
布置在所述腔中的至少一个传感器像素，所述至少一个传感器像素包括第一吸收器并且适于生成指示传入IR辐射的传感器输出信号，所述第一吸收器布置成用于接收所述IR，
布置在所述腔中的至少一个参考像素，所述至少一个参考像素包括第二吸收器和加热器，所述加热器用于通过向所述加热器施加功率来增加所述第二吸收器的温度，其中所述参考像素与所述IR辐射屏蔽，并适于生成指示施加到所述加热器的功率的参考输出信号，
其中所述半导体器件包括控制器，所述控制器适于：
通过以下步骤来测量所述半导体器件的响应度：
将功率施加到所述参考像素的所述加热器，同时不加热所述传感器像素，
测量未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第一输出信号和加热的参考像素的第一参考输出信号，
根据施加到加热器的功率以及在所述第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差的测量来获得所述响应度，
应用对所述参考像素的一段时间的冷却，直到所述参考像素的温度与所述传感器像素的温度基本上相同，
基于所述传感器像素的传感器输出信号与当所述传感器像素的温度基本上等于所述参考像素的温度时所测量的所述参考像素的参考输出信号之间的差，通过使用所测量的响应度将所述差转换为指示所述IR辐射的输出信号来生成指示所述IR辐射的输出信号。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述控制器适于通过以下步骤来获得所述响应度：求出所述第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差，并将所述差除以施加到所述加热器的功率。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述控制器适于通过以下步骤来测量所述半导体器件的响应度：
测量至少一个未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第二传感器输出信号和当所述参考像素与所述传感器像素或所述附加参考像素基本上处于相同的温度时的第二参考输出信号，
根据以下各项来获得至少一个响应度：
所述第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差，
所述第二传感器输出信号与所述第二参考输出信号之间的差，
以及施加到所述加热器的功率。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述控制器适于通过以下步骤来获得所述响应度：使得所述第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差减去所述第二传感器输出信号与所述第二参考输出信号之间的差以获得结果，并将所述结果除以施加到所述加热器的功率。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述控制器适于测量所述响应度至少两次，并且适于通过使用至少两个响应度转换所述传感器输出信号与所述参考输出信号之间的差来生成指示所述IR辐射的输出信号。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述控制器适于重复地生成指示IR辐射的输出信号。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述控制器适于测量所述半导体器件的响应度，并且适于在两个所生成的输出信号之间应用对所述至少一个参考像素的一段时间的冷却。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述控制器适于通过以下步骤获得指示所述IR辐射的输出信号：从所述传感器输出信号与当所述传感器像素的温度基本上等于所述参考像素的温度时所测量的所述参考输出信号之间的差减去所述器件的预定义的偏移值，并且将减法的结果除以灵敏度，其中所述灵敏度与乘以预定义的耦合效率的最新测量的响应度或者所测量的响应度的组合对应。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中基于较早测量的响应度与所述最新测量的响应度的比率来补偿所述灵敏度。
10.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述至少一个传感器像素包括加热器，所述加热器用于通过向所述加热器施加功率来升高所述第一吸收器的温度，其中所述控制器适于测量所述传感器像素与所述参考像素之间的热传导的失配。
11.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述至少一个传感器像素包括用于生成指示所述传入IR辐射的传感器输出信号的热电堆，并且其中所述至少一个参考像素包括用于生成指示施加到所述加热器的功率的参考输出信号的热电堆。
12.一种用于测量IR辐射的方法，所述方法包括：
提供半导体器件，所述半导体器件包括：
半导体衬底，具有密闭地密封到所述衬底的盖以封闭至少一个腔，
布置在所述腔中的至少一个传感器像素，所述至少一个传感器像素包括第一吸收器并适于生成指示传入IR辐射的传感器输出信号，所述第一吸收器布置成用于接收所述IR辐射，
布置在所述腔中的至少一个参考像素，所述至少一个参考像素包括第二吸收器和加热器，所述加热器用于通过向所述加热器施加功率来增加所述第二吸收器的温度，其中所述参考像素与所述IR辐射屏蔽，并适于生成指示施加到所述加热器的功率的参考输出信号，
通过以下步骤测量所述半导体器件的响应度：
将功率施加到所述参考像素的所述加热器，同时不加热所述传感器像素，
测量未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第一输出信号和加热的参考像素的第一参考输出信号，
根据在所述第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差和施加到所述加热器的功率来获得所述响应度，
应用对所述参考像素的一段时间的冷却，直到所述参考像素的温度与所述传感器像素的温度基本上相同，
基于所述传感器像素的传感器输出信号与当所述传感器像素的温度基本上等于所述参考像素的温度时所测量的所述参考像素(20)的参考输出信号之间的差，通过使用所测量的响应度将所述差转换为指示所述IR辐射的输出信号来生成指示所述IR辐射的输出信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中测量所述半导体的响应度包括：
测量至少一个未加热的传感器像素或未加热的附加参考像素的第二传感器输出信号和当所述参考像素与所述传感器像素或所述附加参考像素基本上处于相同的温度时的第二参考输出信号，
根据以下各项获得至少一个响应度：
所述第一输出信号与所述第一参考输出信号之间的差，
所述第二传感器输出信号与所述第二参考输出信号之间的差，
以及施加到所述加热器的功率。
14.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括：重复地生成指示所述IR辐射的输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法包括：测量所述半导体器件的响应度，并在两个所生成的输出信号之间应用对所述至少一个参考像素的一段时间的冷却。
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