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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Aufbau für ein Thermosäulenelement
zum kontaktlosen Messen einer Temperatur, wobei das Thermosäulenelement
derart aufgebaut ist, dass ein wärmeempfindliches
Element in einer Vertiefung an einer Wärmesenke aufgenommen und dort
fixiert ist, um zuverlässig
eine Temperatur an einem kalten Übergang
an der Wärmesenke
zu erfassen, an der eine Thermosäule
mit einem heißen Übergang
und einem kalten Übergang
montiert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen das Thermosäulenelement
verwendenden Infrarotsensor.
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Es
ist ein thermischer Infrarotsensor als ein Beispiel für einen
Infrarotdetektor zum kontaktlosen Erfassen einer Oberflächentemperatur
eines Objekts bekannt.
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Der
thermische Infrarotdetektor ist ein Sensor zum kontaktlosen Erfassen
der Oberflächentemperatur
eines Objekts bzw. beweglichen Objekts mit hoher Temperatur. Der
thermische Infrarotdetektor erfasst die Oberflächentemperatur des zu untersuchenden
Objekts, indem er eine Änderung
des Widerstandswerts eines wärmeempfindlichen
Widerstands oder eine Änderung
des Spannungswerts eines Thermoelements in dem Infrarotsensor erfasst. Die Änderung
wird durch einen Temperaturanstieg des Infrarotdetektors aufgrund
einer von dem zu untersuchenden Objekt ausgestrahlten Infrarotenergie verursacht.
Weil die von dem zu untersuchenden Objekt ausgestrahlte Infrarotstrahlungsdosis
sehr klein ist, muss ein wärmeempfindliches
Element für
den Detektor eine kleine Wärmekapazität und eine
hohe Infrarotabsorption aufweisen. Hinsichtlich der Herstellung
ist eine Technologie zum Herstellen von Hochpräzisionselementen erforderlich.
Deshalb wird der Detektor gewöhnlich
durch einen Halbleiter-Feinverarbeitungsprozess
hergestellt.
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Eine
in dem offengelegten japanischen Patent H05-90646 angegebene Thermosäule für einen Infrarotsensor
des Thermosäulen-Typs
umfasst eine Grube, die durch das Entfernen eines Teils eines Substrats
an der Rückseite
eines Siliziumsubstrats mittels anisotropischem Ätzen ausgebildet ist, und eine
Membranenstruktur, die in einer Umgebung mit einem isolierenden
Film auf dem Substrat gehalten wird. Die Thermosäule weist einen Aufbau auf,
bei dem ein warmer Übergang
eines Thermoelements aus verschiedenen Metallen als Infrarotdetektor
auf der Membrane vorgesehen ist und ein kalter Übergang des Thermoelements
auf einer Wärmesenke um
die Membrane herum vorgesehen ist. Weil der thermische Widerstand
zwischen dem Infrarotdetektor und der Wärmesenke durch den oben beschriebenen
Aufbau erhöht
wird, kann die Wärmekapazität des Infrarotdetektors
reduziert werden und kann ein Infrarotdetektor mit einer Hochgeschwindigkeitsreaktion
und einer hohen Empfindlichkeit erhalten werden. Bei der wie oben
beschrieben aufgebauten Thermosäule
ist ein Dünnfilmtransistor
für die
Temperaturkompensation in der Nachbarschaft zu dem kalten Übergang
angeordnet, um die Temperatur des zu untersuchenden Objekts zuverlässig zu
messen. Physikalisch wird der Dünnfilmthermistor
mit einem ungefähr
500 nm dicken Film auf der Wärmesenke des
Substrats ausgebildet, indem ein Thermistormaterial aus einem Metalloxid
zielgerichtet aufgesprüht und
durch Photoätzen
als ein Dünnfilmthermistor
gemustert wird. Danach wird eine kammförmige Thermistorelektrode auf
dem Dünnfilmthermistor
ausgebildet, um einen Infrarotsensor des Thermosäulen-Typs mit dem Dünnfilmthermistor
zum Messen der Temperatur des kalten Übergangs vorzusehen. Auf diese
Weise wird der Dünnfilmthermistor
auf der Wärmesenke
vorgesehen, um eine Temperaturänderung
an dem kalten Übergang
zuverlässig
zu messen, damit die Temperatur des zu untersuchenden Objekts zuverlässig erfasst
werden kann.
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Anstelle
des oben beschriebenen Aufbaus mit dem Dünnfilmthermistor auf der Wärmesenke
des Substrats wird in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 2003-65854
ein Aufbau für
eine Thermosäuleneinrichtung
angegeben, bei dem ein Chipthermistor auf der Wärmesenke montiert ist. Die
Thermosäuleneinrichtung
umfasst ein Dünnfilmglied
als Diaphragma, eine Wärmesenke
um das Dünnfilmglied herum,
ein Thermosäulenelement,
das auf dem Dünnfilmglied
und der Wärmesenke
aufsitzt und eine Vielzahl von Thermoelementen zur Positionierung
jedes kalten Übergangs
auf der Wärmesenke
umfasst, und Chipthermistoren, die auf jedem kalten Übergang
des Thermosäulenelements
montiert sind. Bei dem vorstehend genannten Aufbau können die
Temperaturen des kalten Übergangs
und des Chipthermistors einer Änderung
in der Umgebungstemperatur schnell und ohne Verzögerung folgen, sodass eine
Temperaturmessung mit hoher Genauigkeit unabhängig von einer Umgebungsänderung
durchgeführt
werden kann.
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Der
oben genannte Infrarotsensor des Thermosäulen-Typs wird gebildet, indem
der Dünnfilmthermistor
auf der Wärmesenke
durch das zielgerichtete Aufsprühen
des Thermistormaterials aus Metalloxid ausgebildet wird. Nach dem
Ausbilden des Metalloxids des Dünnfilmthermistors
ist eine Wärmebehandlung
mit einer hohen Temperatur im Bereich von 400-900°C erforderlich.
Nach dem Ausbilden eines Schutzfilms wie etwa eines Glasfilms auf
dem ausgebildeten Dünnfilmthermistor
ist eine weitere Wärmebehandlung
erforderlich. Die wiederholten Wärmebehandlungen
mit hoher Temperatur können
eine thermische Verformung der die Thermosäule tragenden Membrane sowie
ein Reißen
und Brechen derselben verursachen. Dadurch wird die Anzahl der fehlerhaften
Produkte bei der Herstellung erhöht,
sodass sich die Ausbeute vermindert. Derzeit ist es technisch sehr
schwierig, den Dünnfilmthermistor
aus Metalloxid auf dem Substrat der Thermosäule auszubilden. Auch wenn
eine gute Thermosäule
erzeugt wird, aber dann der Dünnfilmthermistor
fehlerhaft ist, ist das vollständige
Produkt fehlerhaft, wodurch die Ausbeute stark vermindert wird.
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Bei
der anderen weiter oben beschriebenen Thermosäuleneinrichtung ist der Chipthermistor
auf der Wärmesenke
der Thermosäulenelements
montiert. Nur eine Oberfläche
des Chipthermistors gelangt in Berührung mit der Wärmesenke,
während
die andere Oberfläche
des Chipthermistors der Umwelt ausgesetzt ist. Deshalb wird der
Chipthermistor stark durch Umweltänderungen beeinflusst, sodass
es schwierig ist, die Temperatur des kalten Übergangs der Wärmesenke
zuverlässig
zu erfassen. Weil nur eine Oberfläche des Chipthermistors die
Wärmesenke
berührt,
ist die thermische Reaktion auf eine Änderung der Temperatur der
Wärmesenke
zu langsam, um die Änderung
der Temperatur an dem kalten Übergang
schnell zu erfassen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aufbau für ein Thermosäulenelement
mit einem wärmeempfindlichen
Element anzugeben, wobei das oben erläuterte Problem beseitigt werden kann
und ein hochempfindliches Thermosäulenelement vorgesehen werden
kann.
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Um
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, umfasst ein Thermosäulenelement
ein Substrat, eine auf dem Substrat vorgesehene Membrane, eine um
die Membrane herum vorgesehene Wärmesenke,
eine Thermosäule,
die durch eine Vielzahl von warmen Übergängen und eine Vielzahl von
kalten Übergängen auf
der Membrane gebildet wird, und ein wärmeempfindliches Element, das
in einer Vertiefung auf der Wärmesenke
dort ausgebildet ist, wo sich der kalte Übergang befindet.
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Das
Thermosäulenelement
gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein
Dünnfilmthermistor
oder ein Chipthermistor als wärmeempfindliches
Element verwendet wird.
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Ein
Infrarotsensor, der die oben genannte Thermosäule verwendet, umfasst einen
Stamm, auf dem die Thermosäule
montiert ist, Stiftanschlüsse, die
an dem Stamm vorgesehen sind und jeweils mit einem Ausgangsanschluss
der Thermosäule
des Thermosäulenelements
sowie mit einer Anschlussinsel des wärmeempfindlichen Elements verbunden sind,
sowie eine Kappe mit einem Fenster, dessen Material einen Infrarotstrahl wahlweise
durchlassen kann, wobei der Stamm und die Kappe miteinander gedichtet
sind.
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Die
Thermosäule
gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst das Substrat, die an dem Substrat vorgesehene Membrane,
die um die Membrane herum vorgesehene Wärmesenke, die Thermosäule, die durch
die Vielzahl von warmen Übergängen und
die Vielzahl von kalten Übergängen auf
der Membrane und der Wärmesenke
gebildet wird, und das wärmeempfindliche
Element, das in der Vertiefung auf der Wärmesenke dort aufgenommen und
fixiert ist, wo sich der kalte Übergang
befindet. Es sind also fünf Oberflächen des
wärmeempfindlichen
Elements mit einer rechteckigen soliden Form in der Vertiefung vorgesehen,
sodass eine Temperaturänderung
der Wärmesenke
zuverlässig
und schnell erfasst werden kann, um die Temperatur mit hoher Genauigkeit
zu messen. Insbesondere wenn ein Dünnfilmthermistor als wärmeempfindliches
Element verwendet wird, kann der Dünnfilmthermistor mit einer
kleinen Wärmekapazität schnell
die Temperatur der Wärmesenke
durch das Substrat in der Vertiefung erfassen, sodass die Temperatur
mit großer
Genauigkeit gemessen werden kann. Nach einer Prüfung der Eigenschaften des
wärmeempfindlichen
Elements können die
guten Produkte ausgewählt
werden, wodurch die Ausbeute der vollständig montierten Infrarotsensoren verbessert
werden kann.
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Diese
und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
verdeutlicht.
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1 ist
eine perspektivische Teilschnittansicht, die einen Aufbau eines
Thermosäulenelements gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2A ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie 2A-2A von 1.
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3 ist
eine perspektivische Explosionsansicht eines Infrarotsensors unter
Verwendung des Thermosäulenelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
ein Kurvendiagramm, das gemessene Wärmereaktionen des Thermosäulenelements der
vorliegenden Erfindung und einer Thermosäule aus dem Stand der Technik
zeigt.
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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In 1 und 2A ist
ein isolierender Film 3 aus zum Beispiel Siliziumdioxid
oder Silziumnitrid auf einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats 1 vorgesehen,
wobei eine Grube 2 durch anisotropisches Ätzen auf
einer Rückfläche des
Siliziumsubstrats 1 ausgebildet ist. Eine Membrane 4 mit
dem isolierenden Film 3 ist über der Grube 2 ausgebildet.
Ein warmer Übergang 5 eines
Thermoelements aus verschiedenen Metallen ist auf der Membrane 4 vorgesehen; und
ein kalter Übergang 6 des
Thermoelements ist an einer Wärmesenke 7 um
die Membrane 4 herum vorgesehen. Eine Vielzahl von derartigen
Thermoelementen, die in einer Reihe verbunden sind, bildet eine
Thermosäule.
Ein Infrarotstrahlen-Absorptionselement 8 wie etwa ein
Schwarzkörper
ist an dem warmen Übergang 5 der
Thermosäule
vorgesehen. Eine Vertiefung 9, die ein wärmeempfindliches
Element 10 wie zum Beispiel ein Dünnfilmthermistorelement aufnehmen
kann, ist an der Wärmesenke 7 ausgebildet.
Nachdem das wärmeempfindliche
Element 10 in der Vertiefung 9 aufgenommen und
fixiert wurde, werden eine Elektrode 11 des wärmeempfindlichen
Elements 10 und eine Anschlussinsel 12 an der
Wärmesenke 7 durch
ein Verbindungsverfahren wie zum Beispiel ein Drahtbonding miteinander
verbunden. In dieser Ausführungsform
wird ein Dünnfilmthermistorelement
als wärmeempfindliches
Element 10 verwendet. Das verwendete Dünnfilmthermistorelement weist
eine Länge
von 0,4 mm, eine Breite von 0,1 mm und eine Dicke von 0,05 mm auf. Ein
Dünnfilm
des Thermistors wird durch das zielgerichtete Aufsprühen eines
Metalloxids ausgebildet. Ein wie oben beschrieben aufgebautes Thermosäulenelement 13 wird
an einer zentralen Position eines Stammes 14 wie in 3 gezeigt
montiert und fixiert. Ein Ausgangsanschluss 16 der Thermosäule 13 und die
mit der Elektrode des Dünnfilmthermistorelements
drahtgebondete Anschlussinsel 12 werden mit jedem Stiftanschluss 15 an
dem Stamm 14 verbunden. Indem eine Kappe 18 mit
einem Fenster 17, dessen Material den Infrarotstrahl wahlweise
durchlassen kann, dichtend an den Stamm 14 geschweißt wird,
wird der Infrarotsensor fertig gestellt. In der anderen Ausführungsform
kann eine Membrane durch das Anbringen eines isolierenden Films
mit einer darin ausgebildeten Thermosäule auf einem isolierendes
Substrat aus etwa einem Aluminiumoxid mit einer zuvor darin ausgebildeten
Grube ausgebildet werden. Durch das Ausbilden einer Vertiefung zum Aufnehmen
eines wärmeempfindlichen
Elements an einer Wärmesenke
um die Membrane herum, durch das Positionieren und Fixieren des
wärmeempfindlichen
Elements in der Vertiefung und durch das Verbinden einer Elektrode
des wärmeempfindlichen Elements
mit einer an der Wärmesenke
vorgesehenen Anschlussinsel durch ein Drahtbonding kann ein Thermosäulenelement
montiert werden. Anstelle des als wärmeempfindlichen Elements verwendeten Dünnfilmthermistorelements
kann auch ein massiger oder mehrschichtiger Chipthermistor oder
ein Dickfilmthermistor verwendet werden.
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In
dem vollständig
montierten Infrarotsensor wird die Temperatur der Membrane erhöht, wenn
der von dem zu untersuchenden ausgestrahlte Infrarotstrahl durch
das Infrarotabsorptionselement des Thermosäulenelements empfangen wird,
sodass eine Temperaturdifferenz zwischen dem warmen Übergang
und dem kalten Übergang
des Thermosäulenelements
auftritt. Die durch die Temperaturdifferenz erzeugte elektromotive
Leistung wird an dem Ausgangsanschluss des Thermosäulenelements
als eine Ausgangsspannung des Thermosäulenelements ausgegeben. Gleichzeitig
kann eine Änderung der
Temperatur des kalten Übergangs
rasch als eine Widerstandsänderung
durch das Dünnfilmthermistorelement
erfasst werden, das in der Vertiefung an der Wärmesenke des Substrats aufgenommen
und dort fixiert ist. Auf diese Weise kann die einfallende Infrarotstrahlungsdosis
zuverlässig
erfasst werden, sodass die Temperatur des zu untersuchenden Objekts zuverlässig gemessen
werden kann.
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4 ist
ein Kurvendiagramm, das gemessene Wärmereaktionen des Thermosäulenelements mit
einem Dünnfilmthermistorelement
für die
Temperaturkompensation in der Vertiefung an der Wärmesenke
gemäß der vorliegenden
Erfindung und eines Thermosäulenelements
mit einem Dünnfilmthermistorelement
an der Wärmesenke
aus dem Stand der Technik zeigt, wobei die Temperatur einer Schwarzkörperkammer
auf 37°C
kontrolliert wird.
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Die
Messergebnisse zeigen, dass 3 Sekunden erforderlich sind, um die
Temperatur von 37°C
an dem Thermosäulenelement
aus dem Stand der Technik zu erreichen, wobei die Temperatur danach
auf über
37°C steigt.
Es ist also eine lange Zeitdauer erforderlich, um die gemessene
Temperatur zu stabilisieren. Es sind 1,0 Sekunden erforderlich,
um die Temperatur von 37°C
an dem Thermosäulenelement gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erreichen, wobei die Temperatur dann stabil bleibt.
Das Thermosäulenelement
der vorliegenden Erfindung kann also eine Temperaturänderung
der Wärmesenke
zuverlässig
und schnell erfassen, sodass die Temperatur mit großer Genauigkeit
gemessen werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vollständig anhand von Beispielen
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei zu beachten ist, dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche definierten
Erfindungsumfangs möglich
sind.