DE10004216C2 - Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung und Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit mindestens einem thermischen Detektorele­ ment zur Umwandlung der Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal, mindestens einem Trägerkörper des Detektorelements, der ein halbleitendes Material aufweist, und einem im Träger­ körper angeordneten Detektionsfenster mit einer bestimmten Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detek­ torelements mit der Wärmestrahlung. Neben der Vorrichtung wird eine Verwendung der Vorrichtung zur Detektion von Wär­ mestrahlung angegeben. Das Detektionsfenster weist das halb­ leitende Material auf. Die Transmission des Detektions­ fensters ist im Wesentlichen durch das halbleitende Material bestimmt. Zwischen dem Trägerkörper und dem Detektorelement ist eine zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweigreichende, für die Wärmestrahlung transparente, ther­ mische Isolationsschicht zum thermischen Entkoppeln des Trä­ gerkörpers und des Detektorelements angeordnet. Neben der Vorrichtung wird ein Verfahren zur Detektion von Wärmestrah­ lung unter Verwendung der Vorrichtung angegeben.

Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus US 4 593 456 be­ kannt. Eine derartige Vorrichtung wird als Pyrodetektor be­ zeichnet. Das thermische Detektorelement ist ein pyroelektri­ sches Detektorelement. Das Detektorelement ist mit einem Sub­ strat aus Silizium verbunden. Durch das Substrat hindurch ge­ langt die Wärmestrahlung zum Detektorelement. Das Substrat fungiert als Detektionsfenster mit der bestimmten Transmissi­ on für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detektorelements mit der Wärmestrahlung. Zwischen dem Substrat und dem Detek­ torelement befindet sich eine Isolationsschicht zum thermi­ schen Entkoppeln des Trägerkörpers und des Detektorelements.

Diese Schicht ist ein Hohlraum zwischen dem Trägerkörper und dem Detektorelement.

Eine dazu alternative Vorrichtung geht beispielsweise aus DE 195 25 071 A1 hervor. Das Detektorelement ist auf einer Sili­ ziumschicht aufgebracht. Die Siliziumschicht befindet sich auf einer elektrisch isolierenden Membranschicht. Die Memb­ ranschicht ist beispielsweise eine Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄-Drei­ fach-Schicht. Diese Membranschicht ist wiederum auf einem Trägerkörper (Substrat) angebracht, der aus Silizium besteht. Das Detektorelement weist einen Schichtaufbau auf mit zwei Elektroden aus Platin und einer zwischen den Elektroden an­ geordneten pyroelektrischen Schicht aus pyroelektrisch sen­ sitivem Material. Das Detektorelement ist über eine der E­ lektroden auf der Siliziumschicht aufgebracht. Der Trägerkör­ per weist ein Detektionsfenster auf mit einer Grundfläche, die im wesentlichen einer Grundfläche des pyroelektrischen Detektorelements entspricht. Das Detektionsfenster ist ein Ausschnitt des Trägerkörpers. Dabei ist Material des Träger­ körpers bis zur Membranschicht hin entfernt. Da dieser Aus­ schnitt frei ist, hängt die Transmission des Detektions­ fensters im wesentlichen von einem Gas ab, mit dem der Ausschnitt gefüllt ist. Durch das Detektionsfenster gelangt die Wärmestrahlung auf das Detektorelement. Dazu verfügt auch die Membranschicht über eine geeignete Transmission für die Wärme­ strahlung.

Eine weitere Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist aus DE 196 45 036 A1 bekannt. Dabei ist ein pyroelektrisches Detektorelement auf einem Trägerkörper aus Silizium aufge­ bracht. Zwischen dem Detektorelement und dem Trägerkörper ist eine Isolationsschicht zur elektrischen und thermischen Iso­ lierung des Detektorelements und des Trägerkörpers angeord­ net. Die Isolationsschicht verfügt dabei über einen evakuier­ ten Hohlraum, der sich über die Grundfläche des Detektorele­ ments hinweg erstreckt, eine Stützschicht des Hohlraums und eine Abdeckung der Stützschicht und des Hohlraums. Die Stützschicht besteht beispielsweise aus Polysilizium und die Abdeckung aus Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG). Auf der Abde­ ckung ist ein schichtförmiges, pyroelektrisches Detektorele­ ment über einer unteren Elektrode des Detektorelements aufge­ bracht. Das pyroelektrisch sensitive Material des Detektor­ elements ist Bleizirkonattitanat (PZT). Eine Absorption der Wärmestrahlung erfolgt im wesentlichen durch eine obere, nicht mit der Abdeckung in Berührung stehende CrNi-Elektrode. Bei dieser Vorrichtung erfolgt die Bestrahlung des Detektor­ elements von einer vom Trägerkörper wegweisenden Seite des Detektorelements aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen im Vergleich zum aufge­ zeigten Stand der Technik kompakteren Aufbau einer Vorrich­ tung zur Detektion von Wärmestrahlung anzugeben.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit mindestens einem thermischen Detektor­ element zur Umwandlung der Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal, mindestens einem Trägerkörper des Detektorelements, der ein halbleitendes Material aufweist, einem im Trägerkör­ per angeordneten Detektionsfenster mit einer bestimmten Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detek­ torelements mit der Wärmestrahlung, wobei das Detektions­ fenster das halbleitende Material aufweist und die Transmis­ sion des Detektionsfensters im Wesentlichen durch das halb­ leitende Material bestimmt ist, und einer zwischen dem Träger­ körper und dem Detektorelement angeordneten, zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg reichenden, für die Wärmestrahlung transparenten, thermischen Isolations­ schicht zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers und des Detektorelements angegeben. Die Vorrichtung ist dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Isolationsschicht eine Schichtfolge mit einem am Trägerkörper angrenzenden, evakuierbaren Hohl­ raum, eine am Detektorelement angrenzenden Abdeckung des Hohlraums aus einem Oxid und einer zwischen dem Hohlraum und der Abdeckung eingelagerten Stützschicht des Hohlraums aus Polysilizium aufweist.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, den Trägerkörper bzw. das Substrat selbst als Detektionsfenster zu benutzen. Die Bestrahlung des Detektorelements erfolgt durch das Substrat hindurch.

Die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), die mit der Vorrich­ tung detektiert werden kann, weist eine Wellenlänge von über 1 µm auf. Vorzugsweise ist die Wärmestrahlung aus einem Be­ reich von 5 bis 15 µm ausgewählt.

Das thermische Detektorelement dient einer Umwandlung von thermischer Energie in Form von Wärmestrahlung in elektrische Energie. Das thermische Detektorelement basiert beispielswei­ se auf dem Seebeck-Effekt oder dem pyroelektrischen Effekt. Voraussetzung dafür ist eine Absorption der Wärmestrahlung durch jeweils ein den entsprechenden Effekt auslösendes, thermisch sensitives Material des Detektorelements. Die Ab­ sorption erfolgt direkt durch das thermisch sensitive Materi­ al. Denkbar ist aber auch, dass die Wärmestrahlung durch eine Elektrode des Detektorelements absorbiert wird. Zudem ist es auch möglich, dass die Wärmestrahlung durch einen Absorpti­ onsgegenstand in unmittelbarer Nähe des Detektorelements ab­ sorbiert und eine dadurch aufgenommene Wärmemenge durch Kon­ vektion oder Wärmeleitung an das thermisch sensitive Material abgegeben wird. Der Absorptionsgegenstand fungiert als Ener­ gietransmitter.

Der Trägerkörper ist insbesondere eine Platte oder Scheibe. Dabei ist das Detektorelement auf einer Oberfläche der Platte mittelbar oder unmittelbar angebracht. Beispielsweise ist das Detektorelement auf der Oberfläche aufgeklebt oder aufgelö­ tet. Insbesondere bilden das Detektorelement und der Träger­ körper einen monolithischen Verbund. Dabei wird ein mehr­ schichtiges Detektorelement beispielsweise mittels Gasphasen­ abscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) schichtweise auf dem Trägerkörper aufgebracht. Der so erhaltene Mehr­ schichtkörper wird anschließend zum monolithischen Verbund gesintert.

Das Detektionsfenster hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass die Wärmestrahlung zur Absorption auf das Detektorelement und/oder den Absorptionsgegenstand treffen kann. Vorausset­ zung dafür ist, dass das Detektionsfenster in Richtung des Detektorelements eine bestimmte Transmission für die Wär­ mestrahlung aufweist. Die Transmission ist möglichst hoch und beträgt beispielsweise über 50%, insbesondere aber über 70% bis nahezu 100%. Das Detektionsfenster ist im Trägerkörper integriert.

Bei einer Lösung, bei der das Detektorelement von einer dem Trägerkörper abgewandten Seite her bestrahlt wird, muss auf dieser Seite für eine entsprechende Möglichkeit der Bestrah­ lung des Detektorelements gesorgt werden. Dies gelingt bei­ spielsweise mit Hilfe eines in einem Gehäuse integrierten De­ tektionsfensters. In dem Gehäuse ist die Vorrichtung zur De­ tektion von Wärmestrahlung angeordnet. Ein derartiger Aufbau ist im Vergleich zur vorliegenden Erfindung komplizierter. Es muss für eine zusätzliche Komponente, nämlich das "externe", nicht im Trägerkörper des Detektorelements integrierte De­ tektionsfenster gesorgt werden.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das halbleitende Mate­ rial aus der Gruppe Germanium und/oder Silizium ausgewählt. Diese Materialien verfügen über eine ausreichende Transmissi­ on für eine Wärmestrahlung einer Wellenlänge von 5 µm bis 15 µm. Das Detektionsfenster ist direkt aus dem halbleitenden Material gebildet. Der Trägerkörper fungiert dabei selbst als Detektionsfenster. Ein Detektionsfenster in Form einer Aus­ sparung im Trägerkörper muss nicht erst geschaffen werden. Dies trägt zu einer erhöhten Stabilität des Trägerkörpers bei. Der Trägerkörper kann beispielsweise dünner sein als der der bekannten Vorrichtung. Dadurch ist es möglich, einen im Vergleich zum bekannten Stand der Technik kompakteren Aufbau der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung zu erzielen. Zudem sind beim Herstellen der Vorrichtung Verfahrensschritte zur Erzeugung der Aussparung nicht nötig. Darüber hinaus gibt es insbesondere im Fall des Siliziums aus der Mikromechanik vielfältige, bekannte Strukturierungsmöglichkeiten bzw. Mög­ lichkeiten zur Integration einer elektrischen Schaltung. Bei­ spielsweise ist im Trägerkörper eine Ausleseeinrichtung inte­ griert zum Auslesen, Verarbeiten und/oder Weiterleiten des vom Detektorelement erzeugten elektrischen Signals. Die Aus­ leseeinrichtung ist beispielsweise durch ein aus der CMOS- Technik (Complementary Metalloxide Semiconductors) bekanntes Verfahren hergestellt.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das thermische Detekto­ relement ein pyroelektrisches Detektorelement. Das pyroelek­ trische Detektorelement besteht beispielsweise aus einer py­ roelektrischen Schicht mit einem pyroelektrisch sensitiven Material. Dieses Material ist beispielsweise eine Keramik, wie Lithiumniobat (LiNbO₃) oder Bleizirkonattitanat. Denkbar ist auch ein ferroelektrisches Polymer wie Polyvinylidenflu­ orid (PVDF). Die Schicht mit dem pyroelektrisch sensitiven Material weist auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils mindestens eine Elektrodenschicht auf. Als Elektrodenmaterial der Elektrodenschicht kommt beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung in Frage. Denkbar ist auch eine CrNi- Elektrode oder eine Elektrode aus einem elektrisch leitenden Oxid, Strontiumruthenat (SrRuO₃). Das Detektorelement ver­ fügt beispielsweise über eine rechteckige Grundfläche mit ei­ ner Kantenlänge von 25 µm bis 200 µm.

In einer besonderen Ausgestaltung ist zwischen dem Detekto­ relement und dem Trägerkörper mindestens eine elektrische und/oder thermische Isolationsschicht vorhanden. Durch eine thermische Isolationseigenschaft der Isolationsschicht wird gewährleistet, dass im wesentlichen nur ein thermischer Ef­ fekt im Detektorelement selbst zur Auslösung eines elektri­ schen Signals führt. Eine Wärmeleitung des Trägerkörpers zum Detektorelement ist weitgehend unterbunden. Dazu verfügt die Isolationsschicht beispielsweise über einen evakuierten Hohl­ raum zumindest über die Grundfläche des Detektorelements hin­ weg. Der Hohlraum ist durch eine flächige Stützschicht aus Polysilizium abgestützt. Den Abschluss der Isolati­ onsschicht bildet eine Abdeckung der Stützschicht bzw. des Hohlraums. Die Abdeckung ist aus einem Oxid, beispielsweise aus einem Bor-Phosphor-Silikat-Glas. Auf der Abdeckung ist das Detektorelement aufgebracht. Die Isolationsschicht ent­ koppelt das Detektorelement und den Trägerkörper thermisch. Zudem wird mit Hilfe des Hohlraums eine Wärmekapazität des Detektorelements im Vergleich zu einer Isolationsschicht ohne Hohlraum verringert. Dadurch erhöht sich eine Temperaturauf­ lösung der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung. Die Isolationsschicht entkoppelt das Detektorelement und den Trä­ gerkörper auch elektrisch. Dadurch kann beispielsweise in der Isolationsschicht eine definierte elektrische Verbindung zwi­ schen dem Detektorelement und dem Trägerkörper hergestellt sein. Diese Verbindung beinhaltet beispielsweise die Auslese­ einrichtung des elektrischen Signals. Da die Bestrahlung des Detektorelements von der Seite des Trägerkörpers her erfolgt, weist nicht nur der Trägerkörper bzw. das Detektionsfenster des Trägerkörpers, sondern auch die Isolationsschicht eine bestimmte Transmission für die Wärmestrahlung auf.

In einer besonderen Ausgestaltung ist mindestens ein Detek­ torarray mit mehreren Detektorelementen vorhanden. Ein Detek­ torelement ist ein Pixel des Detektorarrays. Das Detektor­ array zeichnet sich beispielsweise durch eine spalten- und zeilenförmige Anordnung der Detektorelemente aus. Denkbar ist auch eine willkürliche, flächige Verteilung der Detektorele­ mente. Vorteilhaft sind die Detektorelemente auf einem einzi­ gen Trägerkörper aufgebracht. Denkbar ist auch, dass jedes Detektorelement des Detektorarrays auf einem eigenen Träger­ körper, also vereinzelt vorliegt. Mit Hilfe des Detektor­ arrays ist es möglich, eine Ortsauflösung der Wärmestrahlung zu erzielen. Bei einer zeilenförmigen Anordnung der Detekto­ relemente sind die Detektorelemente eindimensional in einer Richtung verteilt. Bei einer spalten- und zeilenförmigen An­ ordnung liegt eine zweidimensionale Verteilung vor. Das De­ tektorarray besteht beispielsweise aus 20 × 20 einzelnen De­ tektorelementen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine Umhüllung des Detektorelements zum Schutz des Detekto­ relements vor einem Umwelteinfluss vorhanden. Bei einem De­ tektorarray weist vorteilhaft das gesamte Detektorarray eine derartige Umhüllung auf. Der Umwelteinfluss ist beispielswei­ se Staub, Luftfeuchtigkeit oder eine ätzende Chemikalie, die das Detektorelement angreifen würde. Durch den Umwelteinfluss ist eine Funktionsfähigkeit des Detektorelements gefährdet. Um eine Gefährdung der Funktionsfähigkeit weitgehend auszu­ schließen, verfügt die Vorrichtung über die Umhüllung. Die Umhüllung ist das Detektorelement oder die Detektorelemente umschließend angeordnet.

In einer besonderen Ausgestaltung sind die Umhüllung und der Trägerkörper und/oder die Umhüllung und die Isolationsschicht durch einen Stoffschluss fest miteinander verbunden. Unter Stoffschluss ist ein mit Hilfe eines Stoffes hergestellter, formschlüssiger und eventuell fester Kontakt zu verstehen. Der Stoffschluss verhindert beispielsweise ein Einwirken von Feuchtigkeit auf das Detektorelement. Zusammen mit der Umhül­ lung bewirkt der Stoffschluss einen hermetischen Abschluss des Detektorelements gegenüber der Umgebung.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Stoffschluss einen Stoff auf, der aus der Gruppe Klebstoff und/oder Lot ausgewählt ist. Der Klebstoff ist dabei im Hin­ blick auf einen Einsatz der Vorrichtung ausgewählt. Bei einem Einsatz der Vorrichtung in einer Umgebung, die sich durch ei­ ne Lösungsmittelatmosphäre auszeichnet, ist der Klebstoff insbesondere gegenüber einem verwendeten Lösungsmittel inert. Lot ist dann von Vorteil, wenn die Umhüllung aus einem lötba­ ren Material besteht. Wenn das Material eine Keramik ist, ist das Lot vorzugsweise ein Glaslot. Das Lot kann auch ein Me­ tall sein. Vorteilhaft sind Trägerkörper und/oder Isolations­ schicht mit der Umhüllung über einen Lötrahmen miteinander verbunden.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Umhüllung minde­ stens eine elektrische Signalleitung zum Weiterleiten des elektrischen Signals auf. Das elektrische Signal ist entweder direkt das vom Detektorelement erzeugte elektrische Signal oder ein elektrisches Signal, das von der Ausleseeinrichtung erzeugt wird. Die Ausleseeinrichtung verstärkt beispielsweise das elektrische Signal des Detektorelements. Die Signallei­ tung leitet das entsprechende elektrische Signal beispiels­ weise an eine Auswerteeinrichtung weiter. Die elektrische Si­ gnalleitung ist direkt mit der Ausleseeinrichtung und/oder dem Detektorelement elektrisch leitend verbunden. Dazu ver­ fügt beispielsweise die Umhüllung, die Isolationsschicht und/oder der Trägerkörper über entsprechende Lötkontakte (Lötpads). Über die Lötkontakte wird die elektrische Leitung der Umhüllung mit dem Detektorelement und/oder der Auslese­ einrichtung elektrisch kontaktiert. Die Lötkontakte können dabei dem Stoffschluss dienen.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Umhüllung minde­ stens einen keramischen Mehrschichtkörper auf. In dem kerami­ schen Mehrschichtkörper kann die elektrische Signalleitung auf einfache Weise integriert sein. Zudem kann sehr leicht ein elektrischer Kontakt nach außen hin, beispielsweise zur Ausleseeinrichtung oder zur Auswerteeinrichtung, erzeugt sein.

Insbesondere ist der keramische Mehrschichtkörper mit LTCC- Technik (Low Temperature Cofired Ceramics) zur Integration eines elektrischen Bauelements aufgebaut. Die LTCC-Technik ermöglicht es, ein niedrigohmiges Leitermaterial wie Kupfer oder Silber einem keramischen Sinterprozess in Gegenwart von Sauerstoff zu unterziehen. Dabei wird niedrig sinternde Glas­ keramik verwendet mit einer Sintertemperatur beispielsweise unter 950°C. Die Glaskeramik weist neben einer Keramik eine Glaskomponente auf. Die Glaskomponente ist beispielsweise A­ luminiumoxid, Boroxid oder ein anderes Erdalkalioxid. Mit Hilfe der LTCC-Technik kann eine beliebige Leiterstruktur, bestehend aus elektrischen Leiterbahnen und elektrischen Durchkontaktierungen durch die Schichten des Mehrschichtkör­ pers erzeugt sein. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass der Trägerkörper bzw. die Isolationsschicht des Trägerkörpers (beispielsweise aus einem Oxid) und der keramische Mehr­ schichtkörper leicht mit Hilfe von Glaslot zusammengelötet werden können.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die zuvor be­ schriebene Vorrichtung bei einem Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung verwendet, wobei die Wärmestrahlung auf das Detektionsfenster mit dem halbleitenden Material des Träger­ körpers trifft, von dem Detektionsfenster transmittiert wird, zum thermischen Detektorelement gelangt und im Detektorele­ ment in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Gemäß der Verwendung erfolgt somit eine Bestrahlung des Detektorele­ ments durch den Trägerkörper hindurch. Der Trägerkörper fun­ giert selbst als Detektionsfenster für die Wärmestrahlung. Verfügt die Vorrichtung über ein Detektorarray, kann die De­ tektion der Wärmestrahlung ortsaufgelöst erfolgen. Eine Ort­ sauflösung ist beispielsweise für einen Anwesenheitssensor vorteilhaft, mit dessen Hilfe eine Anwesenheit einer Person beispielsweise in einem Raum festgestellt werden soll.

Zusammengefasst ergeben sich mit der Erfindung folgende Vor­ teile:

• - Durch die Verwendung des Trägerkörpers bzw. des Sub­ strats selbst als Detektionsfenster resultiert ein kom­ pakter und einfacher Aufbau der Vorrichtung zur Detekti­ on von Wärmestrahlung.
• - Die dem Detektorelement zugekehrte Seite des Trägerkör­ pers bzw. der Isolationsschicht ist frei verfügbar und kann beispielsweise zum Herstellen einer elektrischen Schaltung zum Auslesen und/oder Verarbeiten der durch Wärmestrahlung erzeugten elektrischen Signale verwendet werden.
• - Durch die Umhüllung des Detektorelements und/oder des Detektorarrays, die auf der dem Detektorelement bzw. dem Detektorarray zugekehrten Seite des Trägerkörpers bzw. der Isolationsschicht angebracht ist, ist ein hermeti­ scher Abschluss und damit eine Funktionssicherheit des Detektorelements bzw. des Detektorarrays sichergestellt.
• - Durch eine Umhüllung in Form eines keramischen Mehr­ schichtkörpers in LTCC-Technik werden elektrische Schal­ tungen mit geringem Platzbedarf bereitgestellt, die zum Weiterverarbeiten der elektrischen Signale des Detekto­ relements bzw. des Detektorarrays benötigt werden.
• - Es resultiert eine kostengünstige Gehäusetechnik für ei­ ne integrierte Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrah­ lung und einem Detektorelement und/oder einem Detektor­ array.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figu­ ren wird im Folgenden eine Vorrichtung zur Detektion von Wär­ mestrahlung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Detek­ tion von Wärmestrahlung mit einem Detektorelement.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Detek­ tion von Wärmestrahlung mit einem Detektorarry.

Die Vorrichtung 1 zur Detektion von Wärmestrahlung 3 weist ein Detektorarray 9 aus fünf zeilenförmig angeordneten pyro­ elektrischen Detektorelementen 2 (Fig. 2) auf. Ein Detekto­ relement 2 besteht aus einer pyroelektrischen Schicht 15 aus Bleizirkonattitanat (Fig. 1). An den gegenüberliegenden Sei­ ten dieser Schicht 15 ist jeweils eine Elektrode 16 und 17 angebracht. Die Elektroden 16 und 17 bestehen aus Platin. Das Detektorelement 2 ist rechteckig mit einer Kantenlänge von 50 µm. Das Detektorelement 2 ist auf einem Trägerkörper 5 aus dem halbleitenden Material Silizium 6 angeordnet. Zwischen dem Trägerkörper 5 und dem Detektorelement 2 ist eine elek­ trische und thermische Isolationsschicht 8 vorhanden. Die Isolationsschicht 8 verfügt über einen schichtartigen Aufbau. Zur thermischen Isolierung von Trägerkörper 5 und Detekto­ relement 2 ist in der Isolationsschicht 8 an den Trägerkörper 5 angrenzend ein Hohlraum 18 vorhanden. Der Hohlraum 18 ist evakuiert und erstreckt sich über die Grundfläche des Detek­ torelements 2 hinaus. Zudem verfügt die Isolationsschicht 8 über eine Stützschicht 19 aus Polysilizium zur Abstützung des Hohlraums 18. Den Abschluss der Isolationsschicht 8 bezie­ hungsweise die Abdeckung des Hohlraums 18 und der Stütz­ schicht 19 bildet eine Schicht 20 aus Bor-Phosphor-Silikat- Glas.

Die Bestrahlung des Detektorelements 2 durch die Wärmestrah­ lung erfolgt von der Seite des Trägerkörpers 5 her. Dazu ver­ fügt der Trägerkörper 5 über ein Detektionsfenster 7. Im Aus­ führungsbeispiel ist der Trägerkörper 5 selbst das Detekti­ onsfenster 7 bzw. ein Teil des Trägerkörpers 5 bildet das De­ tektionsfenster 7. Das Detektionsfenster 7 besteht wie der Trägerkörper 5 aus Silizium 6 mit einer für die Detektion der Wärmestrahlung 3 ausreichenden Transmission.

In der Isolationsschicht 8 und im Trägerkörper 5 ist eine Ausleseeinrichtung 21 für jedes der Detektorelemente 2 inte­ griert. Die Ausleseeinrichtungen 21 verstärken die durch die Detektorelemente 2 erzeugten elektrischen Signale 4.

Das Detektorarray 9 verfügt über eine Umhüllung 10 in Form eines keramischen Mehrschichtkörpers. Der keramische Mehr­ schichtkörper ist mit Hilfe der LTCC-Technik aufgebaut. Er schirmt die Detektorelemente 2 des Detektorarrays 9 gegenüber einem Umwelteinfluss 11 ab. Dazu ist die Umhüllung 10 mit Hilfe eines Lötrahmens 13 an die Isolationsschicht 8 angelö­ tet. Der Lötrahmen 13 stellt den Stoffschluss zwischen der Isolationsschicht 8 und der Umhüllung 10 her.

Der Mehrschichtkörper 10 verfügt über elektrische Signallei­ tungen 14 und elektrische Kontakte 22 zum Weiterleiten der von den Detektorelementen 2 erzeugten elektrischen Signale nach außen. Dazu sind die Signalleitungen 14 mit den Auslese­ einrichtungen 21 über die elektrischen Kontakte (Lötpads) 22 kontaktiert. Die Signalleitungen stehen zudem mit weiteren elektrischen Kontakten 23 in Verbindung, an denen die weiter­ geleiteten Signale abgegriffen werden können.

Die Bestrahlung der Detektorelemente 2 des Detektorarrays 9 erfolgt durch den Trägerkörper 5 hindurch. Dabei trifft die Wärmestrahlung 3 auf das Detektionsfenster 7 aus Silizium 6. Dort wird die Wärmestrahlung 3 transmittiert und gelangt (nach Transmission durch die Isolationsschicht) zum Detekto­ relement 2. Im Detektorelement 2 wird die Wärmestrahlung 3 in ein elektrisches Signal 4 umgewandelt. Mit Hilfe des Detek­ torarrays 9 erfolgt die Detektion der Wärmestrahlung 3 orts­ aufgelöst. In dem Ausführungsbeispiel verfügen die Detekto­ relemente 2 des Detektorarrays 9 über ein gemeinsames Detek­ tionsfenster 7, wobei jedes Detektionselement 2 nur einen Teil des Detektionsfensters 7 nutzt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung (3) mit
mindestens einem thermischen Detektorelement (2) zur Um­ wandlung der Wärmestrahlung (3) in ein elektrisches Sig­ nal (4),
mindestens einem Trägerkörper (5) des Detektorelements (2), der ein halbleitendes Material (6) aufweist,
einem im Trägerkörper (5) angeordneten Detektionsfenster (7) mit einer bestimmten Transmission für die Wärme­ strahlung zum Bestrahlen des Detektorelements (2) mit der Wärmestrahlung (3), wobei das Detektionsfenster (7) das halbleitende Material (6) aufweist und die Transmis­ sion des Detektionsfensters (7) im wesentlichen durch das halbleitende Material (6) bestimmt ist, und
einer zwischen dem Trägerkörper (5) und dem Detektorele­ ment (2) angeordneten, zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg reichenden, für die Wärme­ strahlung transparenten, thermischen Isolationsschicht (8) zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers (5) und des Detektorelements (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolationsschicht (8) eine Schichtfolge mit einem am Trägerkörper(5) angrenzenden, evakuierbaren Hohlraum (18), einer am Detektorelement (2) angrenzenden Abde­ ckung (20) des Hohlraums (18) aus einem Oxid und einer zwischen dem Hohlraum (18) und der Abdeckung (20) einge­ lagerten Stützschicht (19) des Hohlraums (18) aus Poly­ silizium aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das halbleitende Ma­ terial (6) aus der Gruppe Germanium und/oder Silizium ausgewählt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das thermische Detektorelement (2) ein pyroelektrisches Detektorelement ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei min­ destens ein Detektorarray (9) mit mehreren Detektorele­ menten (2) vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei min­ destens eine Umhüllung (10) des Detektorelements (2) zum Schutz des Detektorelements (2) vor einem Umwelteinfluss (11) vorhanden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Umhüllung (10) und der Trägerkörper (5) und/oder die Umhüllung (10) und die Isolationsschicht (8) durch einen Stoffschluss fest miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Stoffschluss ei­ nen Stoff (13) aufweist, der aus der Gruppe Klebstoff und/oder Lot ausgewählt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Umhüllung (10) mindestens eine elektrische Signalleitung (14) zum Weiterleiten des elektrischen Signals (4) auf­ weist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Umhüllung (10) mindestens einen keramischen Mehrschicht­ körper aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der keramische Mehr­ schichtkörper Glaskeramik aufweist.

11. Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung (3) unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wärmestrahlung 3

• a) auf das Detektionsfenster (7) mit dem halbleitenden Ma­ terial (6) des Trägerkörpers (5) trifft,
• b) von dem Detektionsfenster (7) transmittiert wird,
• c) zum thermischen Detektorelement (2) gelangt und
• d) im Detektorelement (2) in ein elektrisches Signal (4) umgewandelt wird.