DE102004020685B3 - Infrarotsensor mit Getterschicht - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion einfallender infraroter Strahlung, wenigstens enthaltend DOLLAR A - ein Absorptionselement, welches zur Erwärmung durch die einfallende infrarote Strahlung ausgelegt ist, DOLLAR A - ein Wandlerelement, welches zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, deren Größe von der Erwärmung des Absorptionselements abhängt, ausgelegt ist, sowie DOLLAR A - einen Niederdruckbereich, welcher derart angeordnet ist, dass er von der einfallenden infraroten Strahlung vor deren Auftreffen auf das Absorptionselement durchquert wird. Der Kern der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb oder am Rand des Niederdruckbereichs ein wenigstens teilweise aus einem Gettermaterial bestehendes Element angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
- Aus der
US 5 701 008 A ist eine Anordnung von integrierten, für den Infrarotbereich ausgelegten, Mikrolinsen bekannt, welche einfallende Infrarotstrahlung auf Infrarotdetektoren fokussieren. Innerhalb des vakuumversiegelten Bereichs, welcher die Detektoren enthält, befindet sich ein Getterelement. - Aus der
DE 691 05 641 T2 ist ein Infrarotdetektor bekannt, der eine evakuierte Umhüllung, einen Kühlfinger in der Umhüllung und zumindest ein Detektorelement umfasst, das an einen Ende des Kühlfingers angebracht ist, um im Betrieb des Detektors von dem Kühlfinger gekühlt zu werden. Weiter weist die Umhüllung eine sich um den Kühlfinger erstreckende äußere Wand und ein infrarotdurchlässiges Fenster, das dem Detektorelementende des Kühlfingers zugewandt ist, auf. In einem Raum zwischen dem Kühlfinger und dem Fenster und der äußeren Wand der Umhüllung ist ein Getter vorhanden, um Gase aus dem Raum aufzunehmen. Dabei umfasst der Getter eine Schicht eines chemisch aktiven, wärmeaktivierten Gettermaterials, welches beispielsweise auf einer Mischung von Ti und einer Zr-V-Fe-Legierung basiert. - Aus der
DE 102 43 014 A1 sind eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Stoffes bekannt: Dabei sind ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf einem ersten Chip vorgesehen und ein erster Filter und ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen. Der erste Chip und der zweite Chip sind hermetisch dicht miteinander verbunden. - Für die thermische Entkopplung des Sensorelements (z.B. Thermopiles) bei einem Infrarotsensor ist ein hohes Vakuum vorteilhaft. Das Vakuum wird beim Zusammenfügen des Sensors (Sensorwafer) und einer Kappe (Deckwafer) eingeschlossen. Hiermit ist ein Vakuum bis zu 1 mbar einstellbar. Mit Hilfe von Gettermaterialien kann das Vakuum und damit die Empfindlichkeit des Sensors weiter verbessert werden.
- Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind der
DE 102 43 014 A1 entnommen. - Vorteile der Erfindung
- Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion einfallender infraroter Strahlung bzw. deren Intensität, wenigstens enthaltend
- – ein Absorptionselement, welches zur Erwärmung durch die einfallende infrarote Strahlung ausgelegt ist,
- – ein Wandlerelement, welches zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, deren Größe von der Erwärmung des Absorptionselements abhängt, ausgelegt ist, sowie
- – einen Niederdruckbereich, welcher derart angeordnet ist, dass er von der einfallenden infraroten Strahlung vor deren Auftreffen auf das Absorptionselement durchquert wird.
- Der Kern der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb oder am Rand des Niederdruckbereichs ein wenigstens teilweise aus einem Gettermaterial bestehendes Element angeordnet ist, wobei es sich bei dem Element um das aus einem infrarotabsorbierenden Material mit Getterwirkung bestehende Absorptionselement oder ein, aus einem infrarotabsorbierenden Material mit Getterwirkung bestehendes, von der infraroten Strahlung zu passierendes Blendenelement handelt.
- Dadurch wird eine Verbesserung des Vakuums (bzw. eine weitere Druckverringerung) im Niederdruckbereich ermöglicht und es wird kein zusätzlicher Platz für den Getter benötigt, da ein ohnehin bereits vorhandenes Bauelement die Getterfunktion als Zusatzfunktion übernimmt.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass
- – sich der Niederdruckbereich zwischen einem Kappenelement und dem Sensorchip, auf welchem das Wandlerelement und das Absorptionselement angebracht sind, befindet und
- – dass das Blendenelement am Kappenelement (insbesondere auf der dem Niederdruckbereich zugewandten Innenseite des Kappenelements) angebracht ist.
- Dabei erfolgt die Anbringung des Blendenelements vorzugsweise auf der Innenseite des Kappenelements, weil dadurch der Abstand zwischen Absorber und Blende sinkt. Damit ergeben sich geringere Toleranzauswirkungen . Dies führt außerdem bei gleicher Baugröße des Sensorelements zu größeren elektrischen Signalen oder ermöglicht bei gleichem Signalpegel eine geringere Baugröße der Sensoren.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gettermaterial um Zirkonium, Vanadium, Eisen, Barium, Auminium oder Titan handelt. Dabei kann es sich jeweils um eines dieser Materialien in reiner Form oder eine Legierung bzw. Legierungen daraus handeln.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wandlerelement um einen Thermopile handelt.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Thermopile auf einer perforierten Membran angebracht ist. Dadurch wird eine bessere thermische Isolation ermöglicht.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement auf dem Wandlerelement angebracht ist und dieses wenigstens teilweise überdeckt. Damit wird die Erwärmung des Absorptionselements möglichst gut auf das Wandlerelement übertragen.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass im Niederdruckbereich wenigstens ein Edelgas vorhanden ist. Da das Edelgas nicht vom Getter absorbiert wird, ist über die Edelgasmenge eine präzise Druckeinstellung möglich.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wenigstens teilweise aus einem Gettermaterial bestehenden Element um ein Element handelt, welches ohnehin im Sensor vorhanden ist und dadurch, dass es aus Gettermate rial besteht, eine Zweitfunktion übernimmt, d.h. welches zusätzlich zu seinem Getterverhalten eine Zweitfunktion bzw. Zusatzfunktion übernimmt.
- Der Sensor kann vorteilhafterweise zur Detektion der Kohlendioxidkonzentration in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Dabei wird die Abhängigkeit des Transmissionskoeffizienten der Luft im Innenraum eines Kraftfahrzeugs von deren Kohlendioxidgehalt ausgenutzt, d.h. die Intensität der auf den erfindungsgemäßen Sensor einfallenden infraroten Strahlung ist vom Kohlendioxidgehalt der Luft (welche sich zwischen Strahlungsquelle und Sensor befindet) abhängig.
- Zeichnung
- Die Zeichnung besteht aus den
1 und2 . -
1 zeigt die Verwendung eines Gettermaterials als Blende -
2 zeigt die Verwendung eines Gettermaterials als Absorptionsschicht. - Ausführungsbeispiel
- Ein Getter bzw. ein Getterelement bzw. ein Gettermaterial hat die Aufgabe, Gasatome bzw. Gasmoleküle zu binden und damit für eine Verbesserung des Vakuums zu sorgen. Deshalb bietet es sich an, innerhalb eines Infrarotdetektors Gettermaterialien zu verwenden. Beispielsweise kann die optische Blende oder die Absorptionsschicht vollständig oder teilweise aus einem Gettermaterial bestehen.
- In
1 ist ein Infrarotdetektor dargestellt, welcher einen durch den Sensorchip102 und101 eingeschlossenen Vakuumbereich104 enthält. Auf einer perforierten Membran105 befindet sich eine Absorptionsschicht103 , welche einen Thermopile106 wenigstens teilweise überdeckt. Mit100 ist die von oben einfallende infrarote Strahlung gekennzeichnet, welche zur Erwärmung der Absorptionsschicht103 und damit der da runterliegenden Warmkontakte des Thermopiles führt. Die sich dadurch ergebende Temperaturdifferenz zwischen den von der Absorptionsschicht bedeckten Warmkontakten des Thermopiles und den nicht von der Absorptionschicht bedeckten Kaltkontakten führt zu einer elektrischen Spannung, welche ein Maß für die Intensität der Infrarotstrahlung - Als Absorptionsmaterial für die Absorptionsschicht
103 (welche auch als „Absorber" bezeichnet wird) wird ein infrarotabsorbierendes Material mit Getterwirkung (z.B. Zirkonium) verwendet. Damit werden zwei Funktionen, - – die Absorption von Infrarotstrahlung und
- – die Reduzierung des Innendrucks (d.h. die Verbesserung des Vakuums)
- Dadurch wird kein zusätzlicher Platz für den Getter benötigt. Durch die Reduktion des Innendrucks kann gegebenenfalls auf eine Kappenkaverne verzichtet werden.
- Unter dem Begriff der Kappenkaverne versteht man dabei die Aussparung
104 im oberen Teil der Kappe101 , wie es in den1 und2 eingezeichnet ist. Der Verzicht auf die Kappenkaverne ist deshalb möglich, weil durch die Reduktion des Innendrucks eine bessere thermische Isolation der Absorptionsschicht und des Wandlerelements erreicht wird. - Durch die geringere thermische Leitfähigkeit des Niederdruckbereiches (infolge des reduzierten Innendrucks) kann das Volumen des Niederdruckbereichs kleiner gewählt werden. Dieses geringere Volumen erlaubt z.B. eine Verkleinerung der Kappenkaverne.
- Zusätzlich kann durch Einschluss von Edelgasen ein beliebiger Innendruck mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, da Edelgase nicht gegettert werden, d.h, die Edelgasatome bzw. -moleküle werden nicht durch die Gettermaterialien eingefangen und gebunden.
- Der Getter bzw. die Getterschicht wird direkt auf das Sensorelement (z.B. den Thermopile) anstelle des bisherigen Absorbers platziert.
- Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in
2 dargestellt. Dabei bezeichnen -
- 200
- einfallende infrarote Strahlung,
- 201
- Kappe,
- 202
- Sensorchip,
- 203
- Absorber,
- 205
- perforierte Membran,
- 204
- Blende aus Gettermaterial.
- Als Blende wird ein infrarotabsorbierendes Material mit Getterwirkung (z.B. Zirkonium) verwendet.
Claims (9)
- Sensor zur Detektion einfallender infraroter Strahlung (
100 ), wenigstens enthaltend – ein Absorptionselement (103 ), welches zur Erwärmung durch die einfallende infrarote Strahlung (100 ) ausgelegt ist, – ein Wandlerelement (106 ), welches zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, deren Größe von der Erwärmung des Absorptionselements (103 ) abhängt, ausgelegt ist, sowie – einen Niederdruckbereich (104 ), welcher derart angeordnet ist, dass er von der einfallenden infraroten Strahlung (100 ) vor deren Auftreffen auf das Absorptionselement (103 ) durchquert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – innerhalb oder am Rand des Niederdruckbereichs (104 ) ein wenigstens teilweise aus einem Gettermaterial bestehendes Element angeordnet ist, – wobei es sich bei dem Element um das aus einem infrarotabsorbierenden Material mit Getterwirkung bestehende Absorptionselement (103 ) oder ein, aus einem infrarotabsorbierenden Material mit Getterwirkung bestehendes, von der infraroten Strahlung (100 ) zu passierendes Blendenelement (204 ) handelt. - Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – sich der Niederdruckbereich (
104 ) zwischen einem Kappenelement (101 ) und einem Sensorchip (102 ), auf welchem das Wandlerelement (106 ) und das Absorptionselement (103 ) angebracht sind, befindet und – dass das Blendenelement (204 ) auf der dem Niederdruckbereich zugewandten Innenseite des Kappenelements (201 ) angebracht ist. - Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gettermaterial um Zirkonium oder Vanadium oder Eisen oder Barium oder Aluminium oder Titan in reiner Form oder eine Legierung daraus handelt.
- Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wandlerelement (
106 ) um einen Thermopile handelt. - Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermopile auf einer perforierten Membran (
105 ) angebracht ist. - Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement (
103 ) auf dem Wandlerelement (106 ) angebracht ist und dieses wenigstens teilweise überdeckt. - Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Niederdruckbereich (
104 ) wenigstens ein Edelgas vorhanden ist. - Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Detektion der Kohlendioxidkonzentration in einem Kraftfahrzeug.
- Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser die Intensität der einfallenden infraroten Strahlung (
100 ) detektiert.
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