CN1258820C - 电磁辐射的探测装置 - Google Patents
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Abstract
提出了一种可用于成象过程的具有局部分辨率的电磁辐射探测装置(1)，它可以低价地制造和装配。根据本发明，这是通过设置一种可微机械制造的光学成象系统(5)来实现的。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有局部分辨率(lokale Aufloesung)的探测电磁辐射的装置。另外，还涉及制造具有局部分辨率的探测电磁辐射的装置的方法。
背景技术
通用的半导体探测器，例如用于探测红外辐射，包括一个构造在半导体基底上的探测机构。为了感测红外线辐射，这里使用由所谓的热电堆(Thermopile)传感器构成的探测器阵列。探测机构的基底一般与一个壳体相连接，在探测机构上方的壳体中嵌入一个保护窗。该保护窗对于被感测的辐射来说是可穿透的，它保护探测机构不受外部环境干扰性因素的影响，如脏物的侵入。
通过与具有局部分辨率的探测器阵列相连接，可以利用这样的装置制成能够给出图形的传感器。能给出图象的IR-传感器对于如汽车内部空间监视来说是必要的。为了实现成象过程，必须要设置一个光学成象系统，例如一个成象透镜，它将被成象物体映象在探测器阵列的平面上。用传统材料制成的传统成象透镜在这种传感器系统的成本中占显著地位。塑料透镜的价格便宜，但由于它们对温度敏感的缘故，其应用又有局限性。
发明内容
本发明的任务是，设计一种具有用于给出图象目的的局部分辨率的电磁辐射探测装置，其制造成本和装配费用低。
按照本发明，提出了一种带有用于探测电磁辐射的传感器和光学元件的装置，其中具有一个构造在半导体基底上的探测机构和一个用于该探测机构的保护窗，其中：设置有一个微机械的、给出图象的光学成象系统，它将被成象物体成象在探测机构的一个平面上，一个薄膜构成探测机构的支撑体。
按照本发明，还提出了一种制造前述装置的方法，其中：在分割成单个装置之前将两个晶片进行连接来制造光学成象系统和探测机构。
与此相应，本发明装置的突出优点是，设计了一种可微机械制造的光学成象系统。微机械使得这样的成象系统—特别是透镜形式的—可由半导体材料、例如硅大批量地低成本地制造。用于装备成象传感器时，这样的系统的成象特性以及其温度稳定性是足够好的，尤其是在红外线区域。
在本发明的一个扩展构造中，可微机械制造的成象系统与探测机构的半导体基底被刚性地连接在一起。该连接可以通过例如装配在一个探测机构保护壳上的方式来实现。通过与探测机构的这种刚性连接，本发明的装置不需要对成象系统再进行额外的校准就可以投入使用，从而减少了探测装置在使用场所的装配费用。
本发明的可微机械制造的光学成象系统，可以包括例如多个透镜，这样使得这种成象系统特别适合用于带有多个独立探测元件的探测机构中。这里特殊的优点在于，为每个探测元件对应配置一个透镜。在本实施形式的另一种构造中，各个透镜的光轴可以朝向不同的方向，从而对于空间监视来说，得到大的探测角度。
根据使用情况，将一个或者多个透镜分别与一组探测元件组合起来，也是有利的。例如，为了使由多个探测元件组成的一个探测机构再获得大的探测角度，或者使一组探测元件获得局部分辨率。
在本发明另一种有利的扩展构造中，光学成象系统同时被用作探测机构的保护窗。通过这种方式，省去了单独的保护窗并且降低了本发明装置的造价。
在具有保护壳的实施例中，光学成象系统、例如一个或者多个微机械透镜，优选被固定在保护壳框架中原来用于安置保护窗的相应位置上。
当然也可以毫无困难地想出其它的构造，例如，可以使微机械成象系统通过间隔支架与探测机构的基底相连接。
这样的连接可以通过例如粘结或者通过阳极熔合等方法实现。在半导体领域中、特别是硅半导体方面的所有现有的或者将来的连接方式都能够在此应用。
如上面所述的由多个透镜组成的所谓透镜阵列，可以借助于微机械的间隔支架作为中间支架，以很小的距离公差刚性地与探测器阵列连接起来。通过刚性连接，该装置可以不经进一步调节校准而投入使用。
一个探测机构中的各单个探测元件可以通过光学分隔壁彼此分开。这样的分隔壁，例如可以通过一个例如以蜂房形构成的中间支架的表面构成，它们能够避免不希望的、射线照射到邻近探测元件上发生的过临界耦合。这样的中间支架优选用一种红外线不能透过的材料制作，例如派莱克斯玻璃(Pyrexglas)。
为了减少穿过这样的分隔壁的透射，还可以在分隔壁上再设置一个相应的涂层。
微机械成象系统，如上面所述的那样，优选构造在一个半导体基底上。除了制造成本低之外，它还有另一个优点，即成象系统的基底可以很好地与探测机构的基底连接，例如通过上面已经提示的各种可能性中的某一种方法。这里的特别有利的是，如果光学成象系统的基底与探测系统的基底为同一种材料，这两个基底之间的连接就能够很容易地实现。有些情况下，间隔支架也可由相同的材料制成。对此，硅是特别合适的材料。
在本发明的另一个具有优势的实施例中，探测机构被安置在光学成象系统的基底的背面上。这样得到了结构特别紧凑的探测装置。这里，也能象上面提到的实施例那样，探测机构通过间隔支架作为独立机构被安置在成象系统的基底上，并与之相连接起来。在该实施例中，也可以如上面所述的带有间隔支架的实施例中那样，在分割成各单个传感器之前，在晶片面上进行成象系统相对于探测器的调节校准。这就是说，具有大量微机械成象系统和大量探测机构的两个晶片，彼此相对校准并互相固定在一起，然后才通过分割晶片分离成各单个的传感器。这样，校准工作特别简单，并且精度很高。
在本发明的另一个具有优势的实施形式中，探测机构以整体构造形式被构造在成象系统基底的背面上。在这种情况下，由成象系统和探测机构组成的完整装置构造在一块晶片上。从一定程度上讲，该实施形式是本发明中从制造成本和校准方面来看具有最高发展水平的实施形式，相应具有很大优势。
在上面提到的整体构造中，建议使用一种探测构造，它从背面受到照射。这意味着，上面构造了探测机构的基底，对于被感测的辐射来说必须是可透过的。
为了以这种构造方式构造可靠的热电堆传感器，有意义的是，构造一个薄膜，如用氮化硅制成，用来防止由被感测的辐射产生的热量的过大的热扩散。这些热量将由相应的热电堆元件进行感测。在整体构造方式中，这样的薄膜可以通过各向异性地腐蚀一个空洞和/或者腐蚀一个多孔层而制得。所有合适的微机械制造方法，特别还包括未来的制造方法，都可以用于此处。
附图说明
本发明的不同实施例在附图中给出，并随后借助于图示予以进一步说明。
各图示为：
图1：为本发明的第一个实施例的剖面示意图，
图2：第二个实施例的与图1相当的示意图，
图3：第三个实施例的相当示意图，
图4：本发明的另一个实施例，为整体结构方式，及
图5：具有所谓的透镜阵列的一个特殊实施形式。
具体实施方式
图1所示的装置1，包括一个装配板2，其上构造有带有探测机构3的基底10。探测机构3被简化示出，它可以包含例如多个热电堆传感器。
保护壳4将探测机构3封盖起来，并保护它免受干扰性的环境影响，例如不落上脏物。在探测机构3的上方，一个微机械透镜5作为保护窗被镶嵌到保护壳4中。这样，能够利用该装置1进行成象过程。通过两条光路6示意性显示出透镜5的成象特性。
在这种实施形式中，省去了单独的透镜，这样除了节省材料消耗外，还能省掉繁琐的校准。为此，根据本实施例的微机械透镜5，可以低成本大量制造。
图2所示的另一个实施例中，也示出了有一个本发明的装置1，其中，微机械透镜5没有保护壳，它在间隔支架7的上面与探测机构3的基底10连接起来。该图中，在探测机构3的下面，是一个空洞8，通过它，基底10在探测机构3所在的区域内构成一个薄的薄膜9。该薄膜9阻止由于射线照入所产生的热量过快地散失掉。这些热量被热电堆元件感测。由于该薄膜9的薄层构造限制了热量的散失，从而改善了装置1的敏感性。
在现有制造技术条件下，可以这样制造图2所示的构造，即对于透镜5与基底10之间的校准，可以对分别设置在一块晶片上的大量结构元件同时进行。通过间隔支架7建立起透镜5与基底10之间的连接之后，紧接着就可以进行分割，其中每个传感器装置1被同样好地校准。
在图3所示的装置中，探测机构3的薄膜9已经直接与微机械透镜5的基底10相连接起来。微机械透镜5在基底10上作为拱起构成，而薄膜9被构造在基底10的背面上。薄膜9可以与探测机构3一起被单独构造，并随后与透镜5的基底10相连接，如通过熔接或者粘结方法实现。如前面所述根据图2给出的实施例那样，这里，校准和连接能够对于大量的结构元件同时进行，方法是在对单个传感器1进行分割之前将两块晶片互相组装在一起。图3所示的实施形式给出了本发明装置在所描述过的实施例中的最小结构形式。
在该实施形式的一种扩展构造中，整个装置1通过微机械制造方法整体地构造在一个基底上。在图3所给的实施例中，空洞8位于透镜5的背面和薄膜9之间。在整体构造方式中，必须在制得薄膜后才能制作该空洞。该空洞可以通过腐蚀来制成，例如各向异性腐蚀或者在一个为此设置的多孔层上、即所谓的牺牲层上进行腐蚀。同样，对于整体构造方式，所有现有的以及将来的微机械制造技术均可使用。
图4所示，给出的是一个可与前面所述实施例相比的整体构造方式的实施形式，其中空洞8被构造在基底10的内部，因而薄膜9和探测机构3位于基底10平整的背面上。
在图3和图4中，探测机构3处于薄膜9的背面上，如同在整体构造方式中的设置。在这种情况下，需要关心的事情是：薄膜9对于被感测的射线6应是可透过的。
在红外线传感器的情况下，这里可以考虑使用例如硅作为基底材料。硅还是一种既可用于制作探测机构3中的基底10、又可用于制作微机械透镜5的合适材料，这也适用于前面所述的实施例。硅是一种相对比较便宜的半导体材料，因而能够使本发明装置以低成本制造。
图5给出的本发明实施例中，具有一个透镜阵列11，它包括多个彼此相邻布置的透镜12。
探测机构包括不同的探测元件13，它们位于一个薄膜9上。为了阻止由探测元件13进行感测的热量的散失，在基底10中制造有一个空洞8。
微机械透镜阵列11通过一个间隔支架7以及环绕着探测元件13的中间支架14与探测机构3刚性地连接起来。其中，中间支架14的作为光学分隔壁的中间壁15制作成对于红外线辐射来说是不可透过的，以避免热量辐射到邻近的探测元件13上而发生过临界耦合。示意性给出的透镜阵列11中各个透镜12的光轴16彼此相对倾斜，为的是将不同空间角度区域成象在探测元件上。
中间支架14优选以蜂房形构成，使得它们能够被无中间空隙地彼此相邻构造成平面状。
图标表
1装置 2装配板
3探测机构 4保护壳
5微机械透镜 6光路
7间隔支架 8空洞
9薄膜 10基底
11透镜阵列 12透镜
13探测元件 14中间支架
15中间壁 16光轴
Claims (17)
1.带有用于探测电磁辐射的传感器和光学元件的装置，其中具有一个构造在半导体基底上的探测机构(3)和一个用于该探测机构(3)的保护窗，其特征为：设置有一个微机械的、给出图象的光学成象系统(5)，它将被成象物体成象在探测机构(3)的一个平面上，一个薄膜(9)构成探测机构(3)的支撑体。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征为：所述探测机构(3)包括热电偶。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征为：光学成象系统(5)包括一个微机械的透镜(5)。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征为：光学成象系统(5)与探测机构(3)刚性地连接。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征为：探测机构(3)包括多个独立的探测元件(13)，而光学成象系统(5)包括多个透镜(12)，其中每一个透镜(12)分别与一个探测元件(13)对应配置。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征为：对于一组探测元件(13)分别设置一个或者多个透镜。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征为：光学成象系统(5)构成保护窗。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征为：光学成象系统(5)被嵌入一个保护壳(4)中。
9.按照权利要求1所述的装置，其特征为：在探测机构(3)的基底(10)和光学成象系统(5)之间设置了间隔支架(7)。
10.按照权利要求1所述的装置，其特征为：各个探测元件(13)被光学分隔壁彼此分隔开。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征为：为了减少透射，光学分隔壁被涂层。
12.按照权利要求1所述的装置，其特征为：微机械的光学成象系统(5)被构造在一个半导体基底上。
13.按照权利要求1所述的装置，其特征为：微机械的成象系统(5)和探测机构(3)的基底用同一种材料制成。
14.按照权利要求1所述的装置，其特征为：微机械的成象系统(5)和/或者探测机构(3)的基底(10)至少部分地用硅制造。
15.按照权利要求1所述的装置，其特征为：探测机构(3)被构造在光学成象系统(5)的基底(10)的背面上。
16.制造按照前述权利要求之一所述装置的方法，其特征为：在分割成单个装置(1)之前通过两个晶片的连接来制造光学成象系统(5)和探测机构(3)。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征为：光学成象系统(5)和探测机构(3)被整体微机械制造。
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