DE102008001885A1 - Sensor arrangement and method for operating a sensor arrangement - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Sensoranordnung mit einem Substrat, einer in dem Substrat angeordneten Kaverne, einer die Kaverne senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats überlappenden Membran und einer Mehrzahl von Sensorelementen vorgeschlagen, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen in Reihe geschaltet auf der einen Membran angeordnet sind.A sensor arrangement with a substrate, a cavern arranged in the substrate, a membrane overlapping the cavern perpendicular to a main extension plane of the substrate and a plurality of sensor elements are proposed, the plurality of sensor elements being arranged in series on one membrane.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention is based on a sensor arrangement according to the preamble of claim 1.
Solche
Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus
der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Signal-Rausch-Verhältnis beim Auslesen eines Sensorpixels in erheblicher Weise verbessert wird, wobei ein Sensorpixel im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Membran und die auf dieser Membran angeordneten Sensorelemente umfasst. die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auf einem Sensorpixel eine Mehrzahl von Sensorelementen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen miteinander in einer Reihenschaltung verschaltet sind, so dass beim Auslesens des Sensorpixels die Mehrzahl von Sensorelementen insbesondere gleichzeitig ausgelesen werden und sich die Signalhöhe pro Sensorpixel somit vervielfacht. Das Rauschen eines Sensorpixels wird im Wesentlichen bestimmt durch das Rauschen einer den Sensorpixel auslesenden Auswerteschaltung, so dass das Rauschen eines Sensorpixels bei einer Erhöhung der Anzahl von in Reihe geschalteten Sensorelementen pro Sensorpixel im Wesentlichen konstant ist. Die Erhöhung der Signalhöhe eines Sensorpixels bewirkt somit eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis, so dass insbesondere auch die Eigenschaften wie Detektivität, Sensitivität und Messgenauigkeit des Sensorpixels bzw. der Sensoranordnung im Vergleich zum Stand der Technik in erheblicher Weise verbessert werden.The Sensor arrangement according to the invention and the inventive Method for operating a sensor arrangement according to the have sibling claims against the State of the art has the advantage that the signal-to-noise ratio when reading a sensor pixel significantly improved is, wherein a sensor pixel according to the present invention a membrane and arranged on this membrane sensor elements comprises. the improvement of the signal-to-noise ratio is achieved according to the invention achieves that on a sensor pixel a plurality of sensor elements is arranged, wherein the plurality of sensor elements with each other are connected in a series circuit, so that when reading of the sensor pixel, the plurality of sensor elements, in particular simultaneously be read out and the signal level per sensor pixel thus multiplied. The noise of a sensor pixel is essentially determined by the noise of an evaluation circuit reading out the sensor pixel, so that the noise of a sensor pixel increases the number of sensor elements connected in series per sensor pixel is essentially constant. The increase of the signal height a sensor pixel thus causes a significant improvement of Signal-to-noise ratio, so that in particular the Characteristics such as detectivity, sensitivity and measurement accuracy the sensor pixel or the sensor arrangement in comparison to the state the technology can be significantly improved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.advantageous Refinements and developments of the invention are the subclaims, and the description with reference to the drawings.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl von Sensorelementen zumindest teilweise elektrisch voneinander getrennt sind. Besonders vorteilhaft wird somit ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Sensorelementen, insbesondere durch einen elektrischen Strom durch die Membran, unterbunden und eine Reihenschaltung der Sensorelemente ermöglicht.According to one preferred development is provided that the majority of Sensor elements at least partially electrically isolated from each other are. An electrical short circuit is thus particularly advantageous between the sensor elements, in particular by an electrical Current through the membrane, suppressed and a series connection of Sensor elements allows.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran wenigstens eine Dotierwanne aufweist, wobei ein Sensorelement in der Dotierwanne angeordnet ist. Besonders vorteilhaft wird durch die Ausbildung von Dotierwannen in der Membran eine Realisierung von elektrisch getrennten Bereichen auf der Membran in besonders einfacher Weise mit vergleichsweise gut beherrschbaren Standardverfahren ermöglicht. Besonders bevorzugt ist wenigstens ein Sensorelement oder die gesamte Mehrzahl der Sensorelemente in jeweils einer Dotierwanne angeordnet, so dass jeweils ein in einer Dotierwanne angeordnetes Sensorelement von benachbarten Sensorelementen elektrisch isoliert ist.According to one Another preferred embodiment provides that the membrane at least one doping trough, wherein a sensor element in the doping trough is arranged. Is particularly advantageous the formation of doping wells in the membrane a realization from electrically separated areas on the membrane in a particularly simple Way with comparatively well controlled standard method allows. Particularly preferred is at least one sensor element or the entire Plurality of the sensor elements arranged in each case a doping trough, so that in each case one arranged in a doping sensor element is electrically isolated from adjacent sensor elements.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran wenigstens einen Graben aufweist, wobei wenigstens zwei Sensorelemente durch den Graben voneinander elektrisch isoliert sind. Besonders vorteilhaft ist somit eine elektrische Isolierung zweier benachbarter Sensorelemente in vergleichsweise einfacher Weise realisierbar.According to one Another preferred embodiment provides that the membrane has at least one trench, wherein at least two sensor elements are electrically isolated from each other by the trench. Especially advantageous is thus an electrical insulation of two adjacent Sensor elements realized in a comparatively simple manner.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Gräben durch Ätzverfahren hergestellt vorgesehen sind, so dass die elektrische Isolierung benachbarter Sensorelemente mittels vergleichsweise gut beherrschbaren Standardverfahren besonders kostengünstig zu implementieren ist.According to one Another preferred embodiment provides that the trenches provided by etching, so that the electrical insulation of adjacent sensor elements by means of comparatively easy to control standard procedures particularly cost-effective to implement.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensorelemente Dioden umfassen und/oder dass die Membran gegenüber dem Substrat thermisch entkoppelt vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft wird durch die Verwendung von Dioden als Sensorelemente eine ortsaufgelöste Temperatursensierung durch die Sensoranordnung ermöglicht. Durch eine thermische Entkopplung der Sensoranordnung von dem Substrat wird ferner die Sensitivität der Sensorelemente erhöht und der Störeinfluss der Temperatur des Substrats auf die Sensierung der Sensorelemente und somit das Rauschen der Sensorelemente reduziert.According to one Another preferred embodiment provides that the sensor elements Diodes comprise and / or that the membrane opposite to the Substrate is provided thermally decoupled. Especially advantageous the use of diodes as sensor elements a spatially resolved temperature sensing enabled by the sensor arrangement. By a thermal Decoupling of the sensor assembly from the substrate also becomes the sensitivity the sensor elements increases and the interference the temperature of the substrate on the sensing of the sensor elements and thus reduces the noise of the sensor elements.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran mittels Federelementen an dem Substrat befestigt vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft wird somit in besonders einfacher Weise eine elastische Aufnahme, sowie Befestigung der Membran an dem Substrat und gleichzeitig eine vergleichsweise gute thermische Entkopplung der Membran von dem Substrat ermöglicht.According to one Another preferred embodiment provides that the membrane is provided fixed by means of spring elements to the substrate. Thus, a particularly simple manner becomes particularly advantageous elastic recording, as well as attachment of the membrane to the substrate and at the same time a comparatively good thermal decoupling allows the membrane from the substrate.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl von Sensorelementen mittels Leiterbahnen elektrisch kontaktiert sind, wobei vorzugsweise die Leiterbahnen zumindest teilweise auf den Federelementen angeordnet sind, so dass in vorteilhafter Weise eine elektrische Kontaktierung der Sensorelement realisierbar ist und die entsprechenden Kontakte in einfacher Weise von der Membran auf das Substrat überführbar sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung zum Auslesen der Mehrzahl von Sensorelementen eines Sensorpixels, insbesondere als Halbleiterstruktur, auf dem Substrat oder einem weiteren Substrat realisiert ist und mittels der Leiterbahnen mit den Sensorelementen elektrisch leitfähig verbunden ist.According to one Another preferred embodiment provides that the majority electrically contacted by sensor elements by means of conductor tracks are, wherein preferably the conductor tracks at least partially The spring elements are arranged so that in an advantageous manner an electrical contact of the sensor element can be realized and the corresponding contacts in a simple manner from the membrane can be transferred to the substrate. Preferably is provided that the evaluation circuit for reading the plurality of sensor elements of a sensor pixel, in particular as a semiconductor structure, is realized on the substrate or another substrate and electrically conductively connected by means of the conductor tracks with the sensor elements is.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass auf der Membran vier Sensorelemente, insbesondere in zwei Zeilen und in zwei Spalten, angeordnet sind, so dass in besonders vorteilhafter Weise ein Sensorpixel realisierbar ist, welcher aufgrund seiner im Wesentlichen quadratischen Formgebung besonders kompakt ist und ferner vergleichsweise einfach in Sensorpixelarrays anzuordnen ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, auf einer Membran eine beliebige Mehrzahl von Sensorelementen in einer Zeilen-Spalten-Struktur derart anzuordnen, dass die Anzahl der Zeilen mit der Anzahl der Spalten identisch ist.According to one Another preferred development is provided on the Membrane four sensor elements, in particular in two lines and in two Columns are arranged so that in a particularly advantageous manner a sensor pixel is feasible, which due to its essentially square shape is particularly compact and also comparatively is easy to arrange in sensor pixel arrays. It is preferably provided on a membrane any plurality of sensor elements in a row-column structure to be arranged such that the number the rows are identical to the number of columns.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung einen Sensor zur ortsaufgelösten Detektion, insbesondere von Temperatur, Strahlung und/oder eines Fingerabdruckes, und/oder einen Sensor zur Detektion einer Gaskonzentration umfasst.According to one Another preferred development is provided that the sensor arrangement a Sensor for spatially resolved detection, in particular of temperature, Radiation and / or a fingerprint, and / or a sensor for detecting a gas concentration.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung, wobei die Signale der Mehrzahl von in Reihe geschalteten Sensorelementen mittels einer Auswerteschaltung gleichzeitig ausgelesen werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird beim Auslesen eines Sensorpixels gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung mittels der Auswerteschaltung die Mehrzahl von Sensorelementen gleichzeitig ausgelesen. Durch die Verschaltung der Mehrzahl von Sensorelementen in einer Reihenschaltung wird somit die Signalhöhe des Sensorpixels erhöht, während der Rauschbeitrag der Auswerteschaltung im Wesentlichen konstant bleibt, so dass in Summe das Signal-Rausch-Verhältnis eines einzigen Sensorpixels bzw. der Sensoranordnung in erheblicher Weise verbessert wird.One Another object of the present invention is a method for operating a sensor arrangement, wherein the signals of the plurality of series-connected sensor elements by means of an evaluation circuit be read out at the same time. In contrast to the prior art When reading a sensor pixel according to the inventive method for operating a Sensor arrangement by means of the evaluation circuit, the plurality of sensor elements read out at the same time. Through the interconnection of the plurality of Sensor elements in a series circuit thus becomes the signal level of the sensor pixel increases while the noise contribution the evaluation circuit remains essentially constant, so that in Sum the signal-to-noise ratio of a single sensor pixel or the sensor arrangement is improved considerably.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigenIt demonstrate
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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