-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach der
Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Patentschrift
DE 199 54 091 B4 ist eine
Halbleiter-Thermoelementanordnung bekannt. Hierbei ist nachteilig,
dass eine vergleichsweise große
Waferfläche
notwendig ist, um eine gewisse Empfindlichkeit mit dem Infrarot-Sensor
zu realisieren. Bei der herkömmlichen
Herstellung von Thermosäulen
entsteht nämlich
eine relativ große
inaktive Fläche
zwischen den Einzelelementen in einer Thermosäulenanordnung, weil die einzelnen
Thermoschenkel im wesentlichen senkrecht zur auf das Sensorelement
auftreffenden Infrarotstrahlung angeordnet sind.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
und das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes
gemäß den nebengeordneten
Patentansprüchen
hat demgegenüber
den Vorteil, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden
oder zumindest reduziert werden und dass eine vergleichsweise kompakte
und kostengünstig
herstellbare mikromechanische Struktur möglich ist. Hierbei ist insbesondere
von Bedeutung, dass sehr dicht gepackte Thermoschenkel parallel zur
Strahlungsrichtung möglich
sind, woraus eine größere Anzahl
von heißen
Kontakten zur Infrarot-Strahlung und eine reduzierte inaktive Fläche resultiert.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, dass zur Herstellung des
Substrats ein Material Verwendung findet, das zum einen besonders
kostengünstig herstellbar
und strukturierbar ist und zum anderen eine intrinsisch sehr geringe
Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Diese Eigenschaften weisen verschiedene Kunststoffsubstrate
auf, die photostrukturierbar sind und daher in der Herstellung sehr
vorteilhaft sind.
-
Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass die ersten Thermoschenkel ein erstes Material und die
zweiten Thermoschenkel ein zweites Material aufweisen, wobei das
erste und/oder das zweite Material zumindest in dem säulenartig
sich erstreckenden Bereich galvanisch abgeschieden vorgesehen ist.
Hierdurch ist eine besonders kosteneffiziente Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements möglich.
-
Ferner
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass die Thermoelemente parallel zur Haupterstreckungsebene mit
einer Dichte zwischen 10 und 105 Thermoelementen
pro Quadratmillimeter vorgesehen sind, bevorzugt zwischen 100 und
104 Thermoelementen pro Quadratmillimeter,
ganz besonders bevorzugt zwischen 500 und 5000 Thermoelementen pro
Quadratmillimeter. Hierdurch ist es möglich, bei gleichbleibender
Empfindlichkeit der Thermoelemente eine bessere Auflösung bei
einer Infrarot-Kamera zu bewirken bzw. es ist möglich, bei gleichbleibender
Auflösung
eine höhere
Empfindlichkeit zu bewirken.
-
Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass als erstes Material Eisen oder eine Eisenlegierung vorgesehen
ist und dass als zweites Material Nickel oder eine Nickellegierung
vorgesehen ist. Hierdurch kann in besonders einfacher und kostengünstiger Weise
eine galvanische Abscheidung der Thermoschenkel im Bereich des Substrats
vorgenommen werden. Alternativ dazu kann auch eine Abscheidung eines
anderen Materials, etwa ein Halbleitermaterial wie beispielsweise
Silizium, insbesondere mikrokristallines Silizium, und gemäß einer
anderen Abscheidungsart, beispielsweise mittels einer Gasphasenabscheidung,
vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist eine Gasphasenabscheidung
von mikrokristallinem Silizium.
-
Ferner
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass eine Mehrzahl von Thermoelementen miteinander in Reihe geschaltet
und zu einer Thermoelementgruppe zusammengefasst sind. Hierdurch
ist es erfindungsgemäß vorteilhaft
möglich,
die Empfindlichkeit eines einzelnen Thermoelements durch Kombination mehrerer
Thermoelemente zu vergrößern. Über die Art
der Zusammenfassung, beispielsweise räumlich konzentriert, ist es
für einen
Infrarot-Bildsensor beispielsweise möglich, dass einem Bildpunkt
eine Thermoelementgruppe entspricht.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes, wobei in
einem ersten Schritt in dem Substrat eine Mehrzahl von ersten und
zweiten Ausnehmungen erzeugt wird, wobei in einem zweiten Schritt
das Material des ersten Thermoschenkels in den ersten Ausnehmungen
abgeschieden wird, wobei in einem dritten Schritt das Material des
zweiten Thermoschenkels in den zweiten Ausnehmungen abgeschieden
wird und wobei in einem vierten Schritt Verbindungen der Thermoelemente
strukturiert abgeschieden werden. Alternativ ist erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes vorgesehen,
wobei in einem ersten Schritt in dem Substrat eine Mehrzahl von
ersten Ausnehmungen erzeugt wird, wobei in einem zweiten Schritt
das Material des ersten Thermoschenkels in den ersten Ausnehmungen
abgeschieden wird, wobei in einem dritten Schritt in dem Substrat
eine Mehrzahl von zweiten Ausnehmungen erzeugt wird, wobei in einem
vierten Schritt das Material des zweiten Thermoschenkels in den zweiten
Ausnehmungen abgeschieden wird und wobei in einem fünften Schritt
Verbindungen der Thermoelemente strukturiert abgeschieden werden.
Solche Verfahren sind vergleichsweise einfach und schnell durchzuführen und
erlauben es, in einer besonders gut kontrollierbaren Weise ein Thermoelement
bzw. ein erfindungsgemäßes Bauelement
herzustellen, welches eine besonders große Ausgangsleistung mit einer
besonders kompakten Bauweise kombiniert.
-
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfasst eine Verwendung
eines erfindungsgemäßen Bauelements
als Infrarot-Bildsensor. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, in
sehr kostengünstiger
Weise eine Infrarotkamera herzustellen, die auf die relativ teuere
Siliziumtechnologie verzichtet und dennoch eine vergleichsweise
hohe Auflösung
und/oder Empfindlichkeit aufweist.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine herkömmliche Thermosäule.
-
2 zeigt
schematisch eine Schnittdarstellung einer Mehrzahl von Thermoelementen
des erfindungsgemäßen Bauelementes.
-
3 bis 5 stellen
schematisch verschiedene Vorläuferstrukturen
des erfindungsgemäßen Bauelementes
in Schnittdarstellung dar.
-
6 stellt
schematisch eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Bauelement
bzw. einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauelements dar.
-
7 stellt
schematisch eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Bauelements
dar.
-
Ausführungsformen)
der Erfindung
-
In 1 ist
eine schematische, perspektivische Darstellung einer herkömmlichen
Thermosäule dargestellt.
Die Funktion eines Thermoelements 20 beruht auf dem Seebeck-Effekt.
Dabei erzeugt eine Berührung
zweier Materialien mit unterschiedlicher Austrittsarbeit eine elektrische
Spannung, die temperaturabhängig
ist. Bei einer Serienschaltung mehrerer solcher Thermoelemente addieren
sich die Thermospannungen. Zwischen einer wärmeren Seite 21 und
einer kälteren
Seite 22 sind die Thermoelemente 20 in Reihe miteinander
verschaltet, so dass ein Temperaturunterschied zwischen der wärmeren und
der kälteren
Seite 21, 22 zu einer Thermospannung zwischen
entsprechenden Kontakten 26 führt. Die Thermospannung wird
durch einen jeweils auf der wärmeren
und der kälteren
Seite 21, 22 liegenden Materialkontakt zwischen
einem für
jedes der Thermoelemente 20 vorgesehenen ersten Thermoschenkel 11 und
einem ebenfalls für
jedes der Thermoelemente 20 vorgesehenen zweiten Thermoschenkel 12 erzeugt.
Der erste Thermoschenkel 11 umfasst jeweils ein erstes
Material und der zweite Thermoschenkel 12 umfasst jeweils
ein zweites Material. Eine Thermosäule ist jeweils mit einer Vielzahl
von Thermoelementen 20 vorgesehen. Ein herkömmlicher
Thermosäule,
beispielsweise in Silizium-Technologie, ist – wie in 1 dargestellt – im wesentlichen
in einer Ebene vorgesehen, d.h. die Thermoschenkel 11, 12 erstrecken
sich im wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene 32 des
Substrats 30.
-
In 2 ist
schematisch eine Schnittdarstellung einer Mehrzahl von Thermoelementen 20 des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 dargestellt. Das
Bauelement 10 weist eine wärmere Seite 21 und eine
kältere
Seite 22 auf. Ein Substrat 30 trennt die wärmere Seite 21 von
der kälteren
Seite 22. Erkennbar ist, dass der erste Thermoschenkel 11 und
der zweite Thermoschenkel 12 durch einen Abstand in horizontaler
Richtung, d.h. in einer Richtung parallel zur Hauptsubstratebene 32,
voneinander getrennt vorgesehen sind, um eine elektrische Isolierung
zu erzielen. Beispielhaft ist dargestellt, dass die Thermoelemente 20 zu
einer Thermoelementgruppe 25 miteinander verbunden sind,
d.h. in Reihe geschaltet sind. Das erste Material des ersten Thermoschenkels 11 und
das zweite Material des zweiten Thermoschenkels 12 ist
erfindungsgemäß insbesondere
in Form von Metallen vorgesehen, beispielsweise Eisen (bzw. eine
Eisenlegierung) und Nickel (bzw. eine Nickellegierung). Bei typischen,
herkömmlicherweise bekannten
siliziumbasierten Thermosäulen
ist zumindest einer der Thermoschenkel aus einem Siliziummaterial
vorgesehen. Da der Seebeck-Effekt bei Metallen deutlich kleiner
ist als bei Halbleitern, ist es bei dem erfindungsgemäßen Bauelement
notwendig, dass eine größere Anzahl
von Thermoelementen 20 in Reihe miteinander verschaltet
werden, um die gleiche Empfindlichkeit zu erzielen. Die Dichte von
typischen siliziumbasierten Thermoelementen ist beispielsweise 25 Elemente
pro Quadratmillimeter. Erfindungsgemäß ist es nun möglich, die
einzelnen Thermoelemente 20 gemäß der vorliegenden Erfindung
in lateraler Richtung (d.h. senkrecht zur Hauptsubstratebene) derart
klein zu gestalten, dass die Dichte der Thermoelemente um Größenordnungen größer wird,
beispielsweise 100 bis mehrere 1000 pro Quadratmillimeter. Dadurch
wird es erfindungsgemäß möglich, eine
größere Empfindlichkeit
als mit herkömmlich
bekannten Thermoelementen zu erzielen.
-
In
den 3 bis 5 sind schematisch verschiedene
Vorläuferstrukturen
des erfindungsgemäßen Bauelementes
in Schnittdarstellung dargestellt. In 3 ist eine
erste Vorläuferstruktur
des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 schematisch
dargestellt. In das Substrat 30 ist eine Mehrzahl von ersten
Ausnehmungen 31 und von zweiten Ausnehmungen 31' eingebracht.
Das Substrat 30 ist erfindungsgemäß als Kunststoffmaterial vorgesehen,
insbesondere ein Polymermaterial. Dies hat den Vorteil, dass es
besonders einfach und kostengünstig
herstellbar ist sowie weiterhin auch einfach und kostengünstig strukturierbar
ist. Insbesondere werden die Ausnehmungen 31, 31' erfindungsgemäß mittels
herkömmlichen
photolithographischen Prozessen in das Substratmaterial 30 eingebracht.
Hierbei ist erfindungsgemäß insbesondere
auf ein vergleichsweise großes Aspektverhältnis der
Ausnehmungen 31, 31' zu
achten. Die Ausnehmungen 31, 31' verlaufen im wesentlichen senkrecht
zur Hauptsubstratebene 32 bzw. Haupterstreckungsebene 32 des
Substrats 30.
-
In 4 ist
eine zweite Vorläuferstruktur
des erfindungsgemäßen Bauelements 10 schematisch dargestellt.
Die Ausnehmungen 31, 31', die im folgenden auch als das
Substratmaterial 30 vollständig durchdringende Kanäle 31 bezeichnet
werden, werden einseitig verschlossen, wobei hierfür ein Aufbringungsprozess,
wie beispielsweise Aufsputtern in Frage kommt. Hierdurch entstehen
erste Startbereiche 11' und
zweite Startbereiche 12' für die nachfolgende galvanische
Abscheidung der Materialien der Thermoschenkel 11, 12.
Erfindungsgemäß ist es
beispielsweise vorgesehen, dass jeweils abwechselnd das Material
des ersten Thermoschenkels 11 (Startbereich 11') und das Material
des zweiten Thermoschenkels 12 (Startbereich 12') auf benachbarte Öffnungen
der Ausnehmungen 31, 31' aufgebracht wird. Die Ausnehmungen 31, 31' selbst sind
bei der zweiten Vorläuferstruktur
des erfindungsgemäßen Bauelements 10 im
wesentlichen noch leer.
-
In 5 ist
eine dritte Vorläuferstruktur
des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 schematisch dargestellt,
wobei die Ausnehmungen 31, 31' mit dem ersten bzw. zweiten Material
der Thermoschenkel 11, 12 aufgefüllt sind,
wobei die ersten Ausnehmungen 31 mit dem ersten Material
und die zweiten Ausnehmungen 31' mit dem zweiten Material aufgefüllt sind.
Hierzu wird erfindungsgemäß bevorzugt
ein galvanisches Abscheidungsverfahren verwendet. Dies bedeutet,
dass ausgehend von den Startbereichen 11', 12' (vgl. 4) durch
Anlegen einer elektrischen Spannung lediglich an beispielsweise
die Startbereiche 11' des
ersten Materials (d.h. zur Bildung der ersten Thermoschenkel 11)
eine Abscheidung lediglich des ersten Materials zur Bildung der ersten
Thermoschenkel 11 erfolgt und anschließend durch Anlegen einer elektrischen
Spannung lediglich an beispielsweise die Startbereiche 12' des zweiten Materials
(d.h. zur Bildung der zweiten Thermoschenkel 12) eine Abscheidung
lediglich des zweiten Materials zur Bildung der zweiten Thermoschenkel 12 erfolgt.
Alternativ zum dargestellten Herstellungsverfahren ist es in einer
bevorzugten Ausführungsform
erfindungsgemäß auch möglich, dass
nach der Aufbringung der ersten Startbereiche 11' (und vor der Aufbringung
der zweiten Startbereiche 12')
die ersten Ausnehmungen 31 mit dem ersten Material gefüllt werden
und dass erst anschließend
daran die Aufbringung der zweiten Startbereiche 12' erfolgt.
-
In 6 ist
eine beispielhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements 10 dargestellt,
wobei mittels Verbindungen 15 auf der wärmeren Seite 21 des
Bauelements 10 und mittels Verbindungen 16 auf
der kälteren
Seite 22 des Bauelements 10 eine die Thermoelemente 20 gebildet
werden sowie eine Zusammenschaltung bzw. Reihenschaltung von mehreren
Thermoelementen 20 zu Thermoelementgruppen 25 erfolgt.
Die Verbindungen 15, 16 werden bevorzugt auf das
Bauelement aufgesputtert, können
jedoch auch mittels eines anderen Aufbringungsverfahrens aufgebracht
werden.
-
Nicht
dargestellt sind alternative und ebenfalls bevorzugte Herstellungsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Beispielsweise ist es gemäß einer ersten Alternative
erfindungsgemäß möglich, die
ersten Ausnehmungen 31 nicht vollständig durchgängig durch das Substratmaterial
zu gestalten (und die zweiten Ausnehmungen 31 vollständig durchgängig zu
gestalten). Bei einer Abscheidung des zweiten Materials von der
für die
ersten Ausnehmungen 31 geschlossenen Seite werden nur die
zweiten Ausnehmungen 31' verfüllt; die
ersten Ausnehmungen 31 können von der anderen Seite
aus verfüllt
und das Substrat 30 anschließend derart zurückgeschliffen werden,
dass sowohl die ersten als auch die zweiten Thermoschenkel 11, 12 durchgängig durch
das Substrat 30 sind. Die Rolle der ersten bzw. zweiten
Ausnehmungen 31, 31' kann
selbstverständlich
auch getauscht sein.
-
Die
Materialabscheidung erfolgt beispielsweise aus der Gasphase, aus
der Flüssigkeitsphase oder
aus einer superkritischen Phase. Gemäß einer zweiten Alternative
sind sowohl die ersten als auch die zweiten Ausnehmungen 31, 31' nicht vollständig durchgängig gestaltet
und darüberhinaus
von unterschiedlichen Seiten zugänglich
(bzw. geöffnet)
vorgesehen. Es ist dann möglich,
das erste bzw. zweite Material gezielt nur in die ersten bzw. zweiten
Ausnehmungen 31, 31' einzubringen,
indem die Seite gewählt
wird, von der aus die Materialien eingebracht werden, beispielsweise
aus der Gasphase, aus der Flüssigkeitsphase
oder aus einer superkritischen Phase. Nach der Verfüllung der
Ausnehmungen 31, 31' ist
in diesem Fall ein beidseitiges Abschleifen erforderlich. In einer
dritten alternativen Herstellungsweise ist es erfindungsgemäß auch möglich, zunächst die
ersten Ausnehmungen 31 (oder die zweiten Ausnehmungen 31') einzubringen
und zu verfüllen
und anschließend
erst die zweiten Ausnehmungen 31' (oder die ersten Ausnehmungen 31)
einzubringen und zu verfüllen.
Bei allen alternativen Herstellungsverfahren schließt sich
nach der Verfüllung der
ersten und zweiten Ausnehmungen 31, 31' und ggf. einem
Abschleifen des Substrats 30 die Abscheidung der elektrischen
Verbindungen an, wie gemäß der 6 erläutert.
-
In 7 ist
schematisch eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Bauelements 10 dargestellt.
Hierbei kann erfindungsgemäß ein Infrarot-Sensor
bzw. Wärmesensor
als ein Bildsensor ausgebildet sein, bei dem Bereiche 35 des
Bauelements 10 Bildelemente bilden, in denen jeweils eine
Thermoelementgruppe 25 angeordnet ist. In 7 sind
der Einfachheit halber lediglich die Verbindungen 15 schematisch
zur Verdeutlichung der Anordnung der Thermoelemente 20 angedeutet.