DE102008002270A1

DE102008002270A1 - Multispektraler Sensor

Info

Publication number: DE102008002270A1
Application number: DE102008002270A
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-17
Also published as: US20110194100A1; RU2532650C2; RU2010154507A; WO2009147085A1; US8816282B2; EP2300791A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen multispektralen Sensor 1, der ein komplementäres Metall-Oxid-Halbleiter-Substrat 2 mit Schaltkreis, mindestens eine Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtung zur Detektion von Terahertzstrahlung, mindestens ein weiteres Bolometer 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung, und mindestens eine Diode 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs umfasst, ein multispektrales Bildgebungs- und/oder Spektroskopie-System, Verfahren zur Detektion und/oder Untersuchung von Lebewesen, Gegenständen und Materialien mit einem derartigen System sowie die Verwendung eines derartigen Sensors 1 und Systems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen multispektralen Sensor zur Detektion von Terahertzstrahlung, Infrarotstrahlung und Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs, ein multispektrales Bildgebungs- und/oder Spektroskopie-System, ein Verfahren zur Detektion und/oder Untersuchung von Lebewesen, Gegenständen und Materialien mit einem derartigen System sowie die Verwendung eines derartigen Sensors und Systems.
Stand der Technik
Das elektromagnetische Spektrum kann im Bereich des Terahertz-Frequenzbandes Informationen über die komplexe chemische Zusammensetzung von Stoffen, sowie über die dielektrischen Eigenschaften von Gegenständen geben. Für diese Anwendung werden derzeit recht komplexe Systeme verwendet, die beispielsweise gepulste Laserquellen enthalten. Ein wesentlicher Schwachpunkt der angebotenen Terahertz-Systeme besteht neben der Komplexität darin, dass eine Messung allein im Terahertz-Frequenzband wenig aussagekräftig ist und häufig durch parallele Messungen im sichtbaren oder infraroten Frequenzband ergänzt werden muss. Dies erfolgt herkömmlicherweise durch die parallele Verwendung mehrerer Detektoren oder Detektierungssysteme, die eine komplexe gegenseitige optische Ausrichtung erfordern, was hohe Kosten des Gesamtsystems zur Folge hat.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße multispektrale Sensor umfassend

– ein komplementäres Metall-Oxid-Halbleiter-Substrat mit Schaltkreis, und
– mindestens eine Antenne-Empfängermittel-Kombinationsvorrichtung zur Detektion von Terahertzstrahlung, und
– mindestens eine Vorrichtung zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung, und
– mindestens eine Diode zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs

1

Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen multispektralen Sensors.
1 zeigt, dass der erfindungsgemäße Sensor 1 ein komplementäres Metall-Oxid-Halbleiter-Substrat 2 mit einem nicht dargestellten Schaltkreis umfasst. Derartige Substrate werden üblicherweise auch als CMOS-Substrat („complementary metal oxide semiconductor”) bezeichnet. Erfindungsgemäß sind auf dem CMOS-Substrat 2 mindestens eine Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zur Detektion von Terahertzstrahlung, mindestens eine Vorrichtung 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und mindestens eine Diode 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs angeordnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Terahertzstrahlung” elektromagnetische Strahlung in einem Bereich von etwa ≥ 15 μm bis etwa ≤ 1000 μm, und unter dem Begriff „mittlerer Infrarotstrahlung” elektromagnetische Strahlung in einem Bereich von etwa ≥ 1 μm bis etwa < 15 μm, und unter dem Begriff „Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs” elektromagnetische Strahlung in einem Bereich von etwa ≥ 0,380 μm bis etwa < 1 μm, verstanden.
Das Detektierungsintervall des erfindungsgemäßen Sensors 1 kann im Terahertz-Bereich sowohl > 0,3 Terahertz bis ≤ 20 Terahertz als auch beispielsweise ≥ 0,3 Terahertz oder ≥ 0,5 Terahertz oder ≥ 1 Terahertz bis ≤ 3 Terahertz oder ≤ 5 Terahertz oder ≤ 10 Terahertz, sein. Entsprechend kann das Detektierungsintervall des erfindungsgemäßen Sensors 1 im Terahertz-Bereich sowohl ≥ 15 μm bis < 1000 μm als auch beispielsweise ≥ 30 μm oder ≥ 60 μm oder ≥ 100 μm bis ≤ 300 μm oder ≤ 600 μm oder < 1000 μm, sein.
Ebenso kann das Detektierungsintervall des erfindungsgemäßen Sensors 1 im mittleren Infrarot-Bereich sowohl > 20 Terahertz bis ≤ 300 Terahertz als auch ≥ 21,4 Terahertz bis ≤ 37,5 Terahertz oder ≥ 60 Terahertz oder ≤ 100 Terahertz, sein. Entsprechend kann das Detektierungsintervall des erfindungsgemäßen Sensors 1 im mittleren Infrarot-Bereich sowohl ≥ 1 μm bis etwa < 15 μm als auch beispielsweise ≥ 3 μm bis ≤ 5 μm oder ≥ 8 μm bis ≤ 14 μm, sein.
Analog kann das Detektierungsintervall des erfindungsgemäßen Sensors 1 im sichtbaren bis nah-infraroten Bereich > 300 Terahertz bis ≤ 790 Terahertz sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung muss eine Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zur Detektion von Terahertzstrahlung beziehungsweise eine Vorrichtung 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung beziehungsweise eine Diode 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs folglich nicht den kompletten jeweiligen Strahlungsbereich detektieren.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäße Sensor 1 mindestens zwei unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern auf.
Eine Unterteilung des Terahertz-Bereichs in mindestens zwei, insbesondere schmalbandige, Unterbänder, hat den Vorteil, dass sich schmalbandige Antennen 3 besser an das Empfangsmittel 4 anpassen, insbesondere koppeln, lassen, wodurch bei geeigneter Anordnung die Empfindlichkeit („Performance”) des Gesamtsystems verbessert werden kann.
Der erfindungsgemäße Sensor 1 weist daher vorzugsweise mindestens zwei unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen auf, die derart ausgebildet sind, dass der Terahertz-Bereich in mindestens zwei, insbesondere schmalbandige, Unterbänder aufgeteilt wird, welche den Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zugeordnet sind.
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Sensor 1 mindestens zwei unterschiedliche Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern aufweisen.
Ferner kann der erfindungsgemäße Sensor 1 auch mindestens zwei unterschiedliche Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern aufweisen.
Wie 1 zeigt, weist ein erfindungsgemäßer Sensor 1 vorzugsweise eine Vielzahl, beispielsweise gleicher und/oder unterschiedlicher (nicht dargestellt), Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs auf.
Als Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtung haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung Antenne-Bolometer-Kombinationsvorrichtungen und/oder Antenne- Diode-Kombinationsvorrichtungen, insbesondere Antenne-Bolometer-, Antenne-Schottky-Diode- und/oder Antenne-MIM-Diode-Kombinationsvorrichtungen, als besonders vorteilhaft erwiesen, da derartige Kombinationsvorrichtungen keine Kühlung, insbesondere keine kryoskopische Kühlung benötigen. Dabei wird im Sinn der vorliegenden Erfindung unter einer MIM-Diode eine Metall-Isolator-Metall-Diode („metal insulator metal diode”) verstanden. Die Variation dieser unterschiedlichen 3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen bietet eine Möglichkeit unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern zur Verfügung zu stellen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist eine Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtung mindestens eine an das Empfängermittel 4, insbesondere kapazitiv, gekoppelte Antennen 3 auf. Die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtung kann jedoch auch mindestens zwei Antennen 3 aufweisen, welche an das Empfängermittel 4, insbesondere kapazitiv, gekoppelt sind. Die Zahl der Antennen bietet eine weitere Möglichkeit unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern zur Verfügung zu stellen.
Beim Einsatz eines Bolometers als Empfängermittel 4 dient die Antenne 3 dazu Terahertzstrahlung zu absorbieren, welche in dem mit der Antenne 3, insbesondere kapazitiv, gekoppelten Bolometer in Wärme umgewandelt wird, wobei eine resultierende Widerstandsänderung des Bolometers gemessen wird. Bei dem Bolometer kann es sich dabei um ein Mikrobolometer handeln. Das Bolometer 4 kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein in etwa ≥ 25 μm² bis ≤ 4900 μm², insbesondere ≥ 625 μm² bis ≤ 2500 μm², großes schichtförmiges Substrat aufweisen, welches mittels zwei elektrisch leitenden Stützen beabstandet zu dem CMOS-Substrat 2 angeordnet ist. Dabei kann das schichtförmige Substrat sowohl polygon, insbesondere rechteckig und/oder viereckig, als auch im Wesentlichen unrund, insbesondere ellipsoid oder kreisförmig, ausgestaltet sein. Das schichtförmige Substrat kann dabei amorphes Silizium oder Vanadiumoxid umfassen. Das schichtförmige Substrat kann beispielsweise parallel zu dem CMOS-Substrat 2 angeordnet sein. Die Bolometerausgestaltung bietet eine weitere Möglichkeit unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern zur Verfügung zu stellen.
Beim Einsatz einer Diode 4, insbesondere einer Schottky- oder MIM-Diode, als Empfängermittel 4 wird das von der Antenne 3 empfangene Terahertzsignal gleichgerichtet beziehungsweise bei einer heterodynen Empfangslösung mit einem weiteren Terahertzsignal in ein Zwischenfrequenzsignal gemischt. Die Diodenausgestaltung bietet eine weitere Möglichkeit unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern zur Verfügung zu stellen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können mehrere, insbesondere alle, Antennen 3, wie in 1 gezeigt, in einer Ebene angeordnet sein. Ebenso können im Rahmen der vorliegenden Erfindung mehrere, insbesondere alle, Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung beziehungsweise mehrere, insbesondere alle, Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs jeweils in einer Ebene angeordnet sein. Wie in 1 gezeigt, können die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs dabei in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine Antenne 3 beziehungsweise sind die Antennen 3 der Antennenebene bezüglich mindestens einer Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und/oder mindestens einer Diode 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs, insbesondere bezüglich der Ebene der Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und/oder der Ebene der Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs, strahlungsseitig angeordnet.
Durch unterschiedliche Antennendesigns können Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften hinsichtlich Frequenz und Polarisation im Terahertzband realisiert werden. Unterschiedliche Antennendesigns bieten eine weitere, insbesondere bevorzugte, Möglichkeit unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern zur Verfügung zu stellen.
Dabei kann eine Antenne 3 sowohl wie in 1 gezeigt flächig als auch nicht-flächig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann eine Antenne 3 im Rahmen der vorliegenden Erfindung polygon, insbesondere dreieckig, rechteckig und/oder viereckig, im Wesentlichen unrund, insbesondere ellipsoid oder kreisförmig, oder spiralförmig ausgestaltet sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäße Sensor 1 mindestens zwei Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichem Antennendesign auf. Beispielsweise können mehrere Antennendesigns, insbesondere selektiv, auf einem Sensor 1 kombiniert werden, welche mehrere, beispielsweise beabstandete, Frequenzbänder im Terahertz-Bereich zur Folge haben, welche auf spezielle zu detektierende Frequenzbereiche, beispielsweise für Sprengstoffe charakteristische Frequenzbereiche, abgestimmt sind und dadurch dem erfindungsgemäßen Sensor 1 vorteilhafterweise eine Spektroskopie- und/oder Frequenzselektions-Funktion verleihen.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäße Sensor 1 daher mindestens zwei unterschiedliche Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen auf, die, insbesondere durch unterschiedliche Antennendesigns, auf spezielle/bevorzugt zu detektierende Frequenzbereiche im Terahertz-Bereich abgestimmt sind.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Antenne 3 eine, insbesondere dünne, Metallschicht und/oder Halbleiterschicht und/oder eine Schicht aus einem oder mehreren elektrisch leitenden Polymeren und/oder eine auf Kohlenstoffnanoröhren („carbon nanotubes”) basierende Schicht. Insbesondere kann eine Antenne 3 dabei aus einer, insbesondere dünnen, Metallschicht oder Halbleiterschicht oder Schicht aus einem oder mehreren elektrisch leitenden Polymeren oder auf Kohlenstoffnanoröhren („carbon nanotubes”) basierenden Schicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Metallschicht aus Gold ausgebildet sein. Die Halbleiterschicht kann aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke („wide band gap semiconductor”), beispielsweise Indium-Zinn-Oxyd, Zinkoxid, Alluminiumnitrid, Galliumnitrid, und/oder Siliciumcarbid, insbesondere dotiertes Indium-Zinn-Oxyd, Zinkoxid, Alluminiumnitrid, Galliumnitrid, und/oder Siliciumcarbid, ausgebildet sein.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Metallschicht und/oder Halbleiterschicht durchlässig für Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs und/oder des mittleren Infrarot-Bereichs. Dies hat den Vorteil, dass unterhalb der Antenne/n 3 einer Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtung eine oder mehrere Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und/oder eine oder mehrere Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs angeordnet sein können. Dabei dient der Begriff „unterhalb” nicht dazu die Ausrichtung bezüglich der Gravitationsrichtung, sondern bezüglich der erwarteten Strahlungsrichtung zu definieren, wobei „unterhalb einer Antenne” als auf der strahlungsabgewandten Seite einer Antenne 3 zu verstehen ist.
Im Rahmen der in 1 gezeigten Ausführungsform sind unterhalb den Antennen 3 beziehungsweise zwischen den Antennen 3 und dem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Substrat 2 zahlreiche Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs angeordnet. Dabei besteht zwischen den Antennen 3 und den Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung beziehungsweise den Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs keine galvanisch leitende Verbindung. Dabei bedeutet „keine galvanisch leitende Verbindung”, dass keine „direkte” Leitung über eine, beispielsweise metallische, Leitung vorliegt, wobei eine kapazitive und/oder induktive „indirekte” Leitung nicht ausgeschlossen ist. Eine galvanisch leitende Verbindung zwischen den Antennen 3 und den Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung beziehungsweise den Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs kann beispielsweise dadurch vermieden werden, dass die Antennen 3 auf einem oder mehreren, nicht dargestellten, Träger/n, beispielsweise einer Trägerschicht, insbesondere aus einem oder mehreren nicht galvanisch leitenden Polymeren, aus einem galvanisch nicht-leitenden Material angeordnet sind.
Als Vorrichtung 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Bolometer und/oder MIM-Dioden eingesetzt werden. Der Einsatz von Bolometern und MIM-Dioden bietet daher eine Möglichkeit unterschiedliche Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern zur Verfügung zu stellen. Beim Einsatz von Bolometern 5 als Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung sind die Bolometer 5 vorzugsweise, wie in 1 gezeigt, freistehend ausgebildet und angeordnet.
Als Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung eignet sich beispielsweise ein Bolometer, welches ein in etwa ≥ 25 μm² bis ≤ 4900 μm², insbesondere ≥ 625 μm² bis ≤ 2500 μm², großes schichtförmiges Substrat aufweist. Das schichtförmige Substrat kann dabei insbesondere mittels zwei galvanisch leitenden Stützen beabstandet zu dem CMOS-Substrat 2 angeordnet sein. Dabei kann das schichtförmige Substrat sowohl polygon, insbesondere rechteckig und/oder viereckig, als auch im Wesentlichen unrund, insbesondere ellipsoid oder kreisförmig, ausgestaltet sein. Das schichtförmige Substrat kann dabei amorphes Silizium oder Vanadiumoxid umfassen. Das schichtförmige Substrat ist vorzugsweise parallel zu dem CMOS-Substrat 2 angeordnet. Durch den Abstand zwischen dem schichtförmigen Substrat und dem CMOS-Substrat 2 kann dabei vorteilhafterweise der Wellenlängenbereich der zu detektierenden Strahlung eingestellt werden. Für eine optimale Detektion entspricht der Abstand vorzugsweise einem Viertel der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung. Eine Änderung des Abstands zwischen dem schichtförmigen Substrat und dem CMOS-Substrat 2 bietet daher eine weitere Möglichkeit unterschiedliche Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern zur Verfügung zu stellen.
Als Dioden eignen sich beispielsweise Dioden, insbesondere Fotodioden, die in CMOS-bildgebenden Detektoren verwendet werden.
Wie 1 veranschaulicht kann der erfindungsgemäße Sensor 1, insbesondere ein Teil des erfindungsgemäßen Sensors 1, beispielsweise das CMOS-Substrat 2, die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtung/en, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Diode/n 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs des Sensors 1, vorteilhafterweise monolithisch ausgestaltet sein. Dabei bedeutet der Begriff „monolithisch”, dass die Einheiten 2, 3, 4, 5, 6 des Sensors 1 eine, insbesondere untrennbare, Einheit bilden. Insbesondere kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Sensor um einen monolithisch integrierten Chip handeln.
Der in 1 nicht dargestellte Schaltkreis, die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs, insbesondere unabhängig voneinander, beschaltet und/oder ausgelesen werden können. Zum Auswerten der ausgelesenen Messergebnisse weist der erfindungsgemäße Sensor 1 vorzugsweise eine Auswertelektronik auf. Darüber hinaus weist der Sensor vorzugsweise eine multispektrale Optik, beispielsweise eine reflektive Optik auf der Basis von Spiegeln, auf. Eine derartige multispektrale Optik ist zweckmäßigerweise bezüglich der auf dem CMOS-Substrat 2 angeordneten Bauelemente 3, 4, 5, 6 strahlungsseitig angeordnet. Die Auswertelektronik und multispektrale Optik kann, muss jedoch nicht, in den monolithischen Teil des Sensors 1 integriert sein.
1 zeigt, dass die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs rasterförmig angeordnet sein können. Dementsprechend können die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs auch als „Pixel” bezeichnet werden. Im Rahmen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs als Pixel eines Rasters von mindestens 20 mal 20, beispielsweise von mindestens 50 mal 50, insbesondere von mindestens 100 mal 100, Pixeln auf dem Sensor 1 angeordnet. Die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs können dabei in einem symmetrischen Muster auf dem Sensor 1 angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen, die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs dabei, wie in 1 gezeigt, gleichmäßig auf dem Sensor 1 verteilt angeordnet. Insbesondere können dabei die Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und die Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs alternierend angeordnet sein. Die Zahl an Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung geringer als die der Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und der Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs sein. Die Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen können dann beispielsweise, wie in 1 gezeigt, in regelmäßigen Abständen anstelle von einer Vorrichtung 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung oder Diode 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs in der ansonsten alternierenden Anordnung von Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs angeordnet werden.
Das Verhältnis von Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zu Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von ≥ 1:100 bis ≤ 100:1, beispielsweise von ≥ 1:50 bis ≤ 50:1, insbesondere von ≥ 1:30 bis ≤ 30:1, und/oder das Verhältnis von Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zu Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs in einem Bereich von ≥ 1:100 bis ≤ 100:1, beispielsweise von ≥ 1:50 bis ≤ 50:1, insbesondere von ≥ 1:30 bis ≤ 30:1, und/oder das Verhältnis von Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung zu Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs in einem Bereich von ≥ 1:50 bis ≤ 50:1, beispielsweise von ≥ 1:10 bis ≤ 10:1, insbesondere von ≥ 1:3 bis ≤ 3:1, liegen. Beispielsweise kann das Verhältnis von Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zu Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung ≥ 1:5, beispielsweise ≥ 1:10, insbesondere ≥ 1:20, und/oder das Verhältnis von Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zu Dioden 6 ≥ 1:5, beispielsweise ≥ 1:10, insbesondere von ≥ 1:20, und/oder das Verhältnis von Vorrichtungen 5 zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung zu Dioden 6 zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs etwa 1:1, sein.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein multispektrales Bildgebungs- und/oder Spektroskopie-System, welches einen erfindungsgemäßen Sensor 1, welcher als Detektor dient, und eine Terahertzstrahlungsquelle aufweist. Dabei können der Sensor 1 und die Terahertzstrahlungsquelle bezüglich des zu untersuchenden Objektes sowohl derart angeordnet sein, dass der Sensor 1 die nach dem Durchstrahlen des Objektes verbleibende Strahlung detektiert als auch dass der Sensor 1 die von dem Objekt reflektierte und/oder gestreute Strahlung detektiert. Folglich können die Terahertzstrahlungsquelle, der Sensor 1 und das Objekt sowohl entlang einer Achse angeordnet sein, wobei das Objekt zwischen der Terahertzstrahlungsquelle und dem Sensor angeordnet ist, als auch nicht entlang einer Achse zueinander angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße System ermöglicht vorteilhafterweise eine Echtzeit-Spektroskopie im Terahertz-Bereich sowie eine bildgebende Detektierung im Terahertz-Bereich sowie im Infrarot- und sichtbaren und nah-infraroten Bereich.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Detektion und/oder Untersuchung von Lebewesen, insbesondere Menschen und Tieren, Gegenständen und Materialien, mit einem erfindungsgemäßen System. Insbesondere kann dieses Verfahren auf Frequenzbereichsspektroskopie basieren. Vorzugsweise strahlt die Terahertzquelle in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein schmales Terahertzband, beispielsweise mit einer Breite von etwa ≥ 20 Gigahertz bis etwa ≤ 200 Gigahertz, insbesondere von etwa ≥ 60 Gigahertz bis etwa ≤ 100 Gigahertz, aus, welches innerhalb eines breiten Frequenzbereichs, beispielsweise in einem Bereich von etwa ≥ 0,3 Terahertz bis etwa ≤ 20 Terahertz, beispielsweise von ≥ 0,3 Terahertz oder von ≥ 0,5 Terahertz oder von ≥ 1 Terahertz bis ≤ 3 Terahertz oder bis ≤ 5 Terahertz oder bis ≤ 10 Terahertz, verändert wird, wobei die transmittierte, reflektierte und/oder gestreute Strahlung durch den erfindungsgemäßen Sensor 1 detektiert, insbesondere gemessen wird. Das Messergebnis des erfindungsgemäßen Sensors 1 kann dabei durch ein Ausgabegerät, beispielsweise ein Display, einen Bildschirm oder einen Drucker, ausgegeben werden.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors 1, eines erfindungsgemäßen Systems und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Überwachungs/Sicherheitstechnik-, Transport-, Produktions-, Life-Science- und/oder Gesundheitsbereich. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors 1, eines erfindungsgemäßen Systems und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion und/oder Untersuchung von Lebewesen, insbesondere Menschen und Tieren, Gegenständen und Materialien, insbesondere Sprengstoffen, beispielsweise bei Sicherheitskontrollen an Grenzen, in Transitgebäuden, wie Flughäfen und Bahnhöfen, in Transportmitteln, wie Bahnen, Bussen, Flugzeugen und/oder Schiffen, und/oder bei Großveranstaltungen, zur Einbruchssicherung von Gebäuden, Räumen und Fortbewegungsmitteln, zu medizinischen Zwecken und/oder zur zerstörungsfreien Überprüfung eines Werkstücks („non-destructive testing”), insbesondere von Werkstücken aus Kunststoff.

Claims

Multispektraler Sensor (1), umfassend – ein komplementäres Metall-Oxid-Halbleiter-Substrat (2) mit Schaltkreis, und – mindestens eine Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtung zur Detektion von Terahertzstrahlung, und – mindestens eine Vorrichtung (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung, und – mindestens eine Diode (6) zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs.
Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtung eine Antenne-Bolometer-Kombinationsvorrichtung oder eine Antenne-Diode-Kombinationsvorrichtung, insbesondere eine Antenne-Bolometer-, Antenne-Schottky-Diode- oder eine Antenne-Metall-Isolator-Metall-Diode-Kombinationsvorrichtung, und/oder – die Vorrichtung (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung ein Bolometer oder eine Metall-Isolator-Metal-Diode, ist.
Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) – mindestens zwei unterschiedliche Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern; und/oder – mindestens zwei unterschiedliche Vorrichtungen (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern, und/oder, – mindestens zwei unterschiedliche Diode (6) zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs mit unterschiedlichen zueinander beabstandeten oder aneinander angrenzenden oder überlappenden Detektionsfrequenzbändern, aufweist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mindestens zwei unterschiedliche Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen aufweist, die derart ausgebildet sind, dass der Terahertz-Bereich in mindestens zwei Unterbänder aufgeteilt wird, welche den Antenne-3-Empfängermittel-4-Kombinationsvorrichtungen zugeordnet sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mindestens zwei Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen mit unterschiedlichem Antennendesign aufweist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mindestens zwei unterschiedliche Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen auf, die auf bevorzugt zu detektierende Frequenzbereiche im Terahertz-Bereiche abgestimmt sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) eine Vielzahl von Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen, Vorrichtungen (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und Dioden (6) zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs aufweist, wobei die Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen, Vorrichtungen (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und Dioden (6) zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs rasterförmig angeordnet sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen, Vorrichtungen (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und Dioden (6) zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs als Pixel eines Rasters von mindestens 20 mal 20, beispielsweise von mindestens 50 mal 50, insbesondere von mindestens 100 mal 100, Pixeln auf dem Sensor (1) angeordnet sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen, Vorrichtungen (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und Dioden (6) zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs in einem symmetrischen Muster auf dem Sensor (1) angeordnet sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne/n (3) eine Metallschicht und/oder eine Halbleiterschicht und/oder eine Schicht aus einem oder mehreren elektrisch leitenden Polymeren und/oder eine auf Kohlenstoffnanoröhren basierende Schicht umfassen, welche durchlässig für Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs und/oder Infrarotstrahlung ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Antenne/n (3) einer Antenne-(3)-Empfängermittel-(4)-Kombinationsvorrichtungen eine oder mehrere Vorrichtungen (5) zur Detektion von mittlerer Infrarotstrahlung und/oder eine oder mehrere Dioden (6) zur Detektion von Strahlung des sichtbaren bis nahen Infrarot-Bereichs angeordnet sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne/n (3) auf einem oder mehreren Träger/n aus einem galvanisch nicht-leitenden Material angeordnet sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) eine multispektrale Optik, insbesondere eine reflektive Optik, und/oder eine Auswertelektronik aufweist.
Multispektrales Bildgebungs- und/oder Spektroskopie-System, umfassend einen Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Terahertzstrahlungsquelle.
Verfahren zur Detektion und/oder Untersuchung von Lebewesen, insbesondere Menschen und Tieren, Gegenständen und Materialien, mit einem System nach Anspruch 14, in dem die Terahertzquelle ein schmales Terahertzband ausstrahlt, welches innerhalb eines breiten Frequenzbereichs verändert wird, wobei die transmittierte, reflektierte und/oder gestreute Strahlung durch den erfindungsgemäßen Sensor (1) detektiert wird.