DE102008012759B3

DE102008012759B3 - Pyroelektrischer Detektor

Info

Publication number: DE102008012759B3
Application number: DE102008012759A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Schwarz; Dmitri Dipl.-Ing. Shvedov; Volkmar Dr. Ing. Norkus; Gerald Prof. Dr. Ing. habil. Gerlach
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2028-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor mit reduzierter Mikrofonie bzw. Beschleunigungsempfindlichkeit. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Methode zur Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit pyroelektrischer Einelementsensoren zu finden. Dabei soll die Sensivität und Detektivität des Sensors nach Möglichkeit nicht beeinträchtigt werden. Durch das Aufbringen einer Zusatzmasse auf der Sensorfläche kann eine Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit erreicht werden. Die Auswirkung der Zusatzmasse ist stark von der Lage und dem Gewicht der Zusatzmasse abhängig.

Description

Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor mit reduzierter Beschleunigungsempfindlichkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der genannte pyroelektrische Detektor wandelt absorbierte Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal um. Pyroelektrische Detektoren werden zur berührungslosen Temperaturmessung, zur Gasanalyse, in Spektrometern sowie in Bewegungs- und Brandmeldern eingesetzt.
Ein pyroelektrischer Detektor ist im Wesentlichen aus dem empfindlichen Element und einem Vorverstärker aufgebaut. Das empfindliche Element besteht aus pyroelektrischem Material, welches mit Elektroden auf der Ober- und Unterseite versehen ist. Trifft Infrarotstrahlung auf das empfindliche Element, wird diese absorbiert. Im pyroelektrischen Material entsteht eine Temperaturänderung, die zu einer Änderung der Polarisation und damit zu einer Ladung auf den Elektroden führt.
Bedingt durch den piezoelektrischen Effekt sind alle pyroelektrischen Detektoren beschleunigungsempfindlich. Durch Beschleunigung oder externe mechanische Anregung des Detektors entstehen im pyroelektrischen Element Zug-, Druck- und Biegespannungen. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes entstehen durch diese mechanischen Belastungen ebenfalls Ladungen auf den Elektroden. Diese Störsignale verfälschen besonders die Messergebnisse beim Nachweis von geringen Infrarotstrahlungsflüssen. Das Verhalten wird als Beschleunigungsempfindlichkeit oder Mikrofonie bezeichnet.
In der DE 10 2005 001 966 A1 wird die Befestigung eines pyroelektrischen Chips mittels einer zentrischen und zusätzlich einer geraden Anzahl, symmetrisch um das Zentrum angeordneter, äußerer Stützstellen realisiert. Die Kontaktierung der Elektroden erfolgt auf der empfindlichen Fläche und erzeugt damit eine Abschattung der Strahlung. Des Weiteren wird durch die zentrische Stützstelle eine schlechte thermische Isolierung erreicht.
In US 42 18 620 und US 43 26 663 wird vorgeschlagen, den pyroelektrischen Chip auf dünnen, flexiblen Drahtbrücken zu befestigen. Durch die Flexibilität der Drahtbrücken sollen Stöße absorbiert werden. Des Weiteren dient die Befestigung der thermischen Isolation des Chips. Diese Montagetechnologie ist sehr aufwändig. Eine Durchbiegung des pyroelektrischen Chips wird nicht verhindert. Die Reproduzierbarkeit der Sensoreigenschaften ist nicht immer gegeben.
In der US 44 41 023 werden zwei identische pyroelektrische Detektoren antiparallel kontaktiert. Einer der Detektoren wird von der einfallenden Strahlung abgeschirmt. Dadurch sollen die piezoelektrischen Störsignale kompensiert werden. Die Kompensationsmethode setzt gleiche elektrische Signale der Detektoren bei mechanischer Belastung voraus. Die gewählte Bauform mit einseitiger Befestigung sowie minimale Unsymmetrien im Aufbau erzeugen häufig große mechanische Belastungen bei Beschleunigungen. Dadurch verursachen selbst kleinste Abweichungen in der Chipgeometrie oder Chipbefestigung große Störsignale. Zudem ist der Signal-Rausch-Abstand der kompensierten Sensoren physikalisch bedingt geringer als bei vergleichbaren Einelementsensoren.
In GB 20 77 034 A wird der pyroelektrische Chip zwischen zwei Polymerfolien befestigt und kontaktiert. Bei mechanischen Belastungen wird dadurch die Deformation des Chips verringert, aber nicht vollständig verhindert. Durch die flexible Aufhängung können leicht niedrige Resonanzfrequenzen entstehen. Außerdem ist die thermische Isolation des Chips nicht optimal.
In DE 690 09 364 T2 und EP 0 417 846 A2 besteht das temperaturempfindliche Material des Wärmestrahlungsdetektors aus einem Polymerfilm, dessen Polymermaterial auch piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Mit Hilfe einer speziellen Befestigungsanordnung für den Polymerfilm und wechselseitigen Stützen unter dem Film wird dieser straff und unter mechanischer Spannung gehalten, um die natürliche Vibrationsfrequenz des Filmteils zwischen den Stützen zu höheren Frequenzen zu verschieben. Dieses Verfahren ist aus Ausbeutegründen nur für temperaturempfindliche Polymerfilme geeignet, da kristalline pyroelektrische Materialien (z. B. LiTaO₃, Triglyzinsulfat) mit geringer Dicke brechen würden. Andererseits kann die vorhandene Mikrophonie bei niedrigen Arbeitsfrequenzen (< 500 Hz) nicht wesentlich reduziert werden.
EP 0 141 582 B1 beschreibt einen Infrarotdetektor der aus einem pyroelektrischen Bauteil innerhalb eines Gehäuses besteht, das auf einem Block befestigt ist, der eine höhere spezifische Steifheit als das pyroelektrische Bauteil besitzt. Dadurch sollen die mechanischen Spannungen im pyroelektrischen Bauteil bei mechanischer Anregung reduziert und die Beschleunigungsempfindlichkeit des Sensors verringert werden. Nachteilig ist der relativ große Platzbedarf für den Block und der notwendige Fertigungsaufwand bei der Sensorherstellung.
In DE 693 14 158 T2 wird insbesondere ein pyroelektrischer Sensor beschrieben, der einen monolithisch integrierten Chip mit einer pyroelektrischen Schicht enthält, der nur über Drähte mit den Anschlusselementen des Gehäuses und über eine Schicht aus elastisch verformbaren Material mit dem Gehäuseboden verbunden ist. Dadurch soll der monolithisch integrierte Chip mechanisch von seiner Umgebung entkoppelt und die Beschleunigungsempfindlichkeit des pyroelektrischen Sensors reduziert werden. Die beschriebene Anordnung kann technologisch nur sehr schwer umgesetzt werden und ist aufgrund der noch vorhandenen mechanischen Kopplung über die Drähte, die Dämpfungsschicht und die umgebende Luftschicht nicht sehr wirksam.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen pyroelektrischen Detektor anzugeben, der mittels einer bereits bestehenden Montagetechnologie mit sehr guter thermischen Isolierung herstellbar ist, eine sehr homogene Empfindlichkeitsverteilung über der empfindlichen Fläche auch bei niedrigen Modulationsfrequenzen besitzt und eine verringerte Beschleunigungsempfindlichkeit aufweist. Dabei soll die Sensitivität und Detektivität des Sensors nach Möglichkeit nicht beeinträchtigt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen pyroelektrischen Detektor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben.
Die piezoelektrischen Signale entstehen durch Deformation des empfindlichen Elementes bei Belastungen. Vor allem Beschleunigungen senkrecht zu dessen Oberfläche (Z-Richtung) verursachen starke Durchbiegungen des pyroelektrischen Elementes.
Ein Ansatzpunkt zur Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit ist deshalb die Montagetechnologie des empfindlichen Elementes. Die Befestigung auf dem Chipträger muss die eingeleiteten Kräfte möglichst stark dämpfen, damit die möglichst klein ist. Eine vollflächige Montage zur Verringerung der Verformung ist nicht sinnvoll, da eine möglichst große thermische Isolation gefordert wird. Des Weiteren müssen Ausdehnungen des empfindlichen Elementes durch die Befestigung ausgeglichen werden. Die Forderung nach einer geringen mechanischen Verformung und thermischen Isolierung erfordert daher einen Kompromiss.
Der erfindungsgemäße Detektor besitzt ein pyroelektrisches Element aus LiTaO₃, welches über Silikonklebstoff an den Ecken mit dem Chipträger verbunden ist. Auf der Ober- und der Unterseite des LiTaO₃-Chips befinden sich die kreuzenden Elektroden. Die Kontaktierung der oberen Elektrode erfolgt nur auf der Oberfläche des pyroelektrischen Chips außerhalb des empfindlichen Elementes über Drahtbondung. Die untere Elektrode wird außerhalb des empfindlichen Elements mittels Leitkleber kontaktiert. Mit der Fixierung und Kontaktierung des LiTaO₃-Chips am äußeren Rand werden eine sehr gute thermische Isolierung des empfindlichen Elements und eine hohe und homogene Empfindlichkeit über der empfindlichen Fläche erreicht.
Durch ein platziertes Anbringen von definierten Zusatzmassen auf der Oberfläche des pyroelektrischen Chips außerhalb des empfindlichen Elementes wurde es überraschend möglich, die Beschleunigungsempfindlichkeit zu verringern, ohne die sehr gute thermische Isolierung zu beeinträchtigen. Damit können Sensoren mit hohem Signal-Rausch-Abstand realisiert werden.
Die Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit ist abhängig von der Position und dem Gewicht der Zusatzmasse. Des Weiteren müssen die Merkmale des Sensors, wie zum Beispiel Befestigung, Kontaktierung, Materialeigenschaften und Ausrichtung, berücksichtigt werden. Mit Hilfe der FEM wurden diese Abhängigkeiten untersucht und die vorzugsweisen Koordinaten zur Anbringung der Zusatzmassen auf dem pyroelektrischen Chip bestimmt.
Die Zusatzmasse wird vorteilhaft außerhalb der empfindlichen Fläche angebracht. Dadurch entsteht keine Abschattung der Infrarotstrahlung oder größere Beeinflussung des Sensorverhaltens durch die zusätzliche thermische Masse.
Eine vorteilhafte Realisierung der Zusatzmasse ist das Dispensen von Leitkleber (H20E) auf der Oberfläche des pyroelektrischen Chips. Dabei hat die Zusatzmasse keine mechanische Verbindung zu Komponenten außerhalb des pyroelektrischen Chips. Es kann auch mehr als nur eine Zusatzmasse angebracht werden.
Zu einer Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit durch das Anbringen einer Zusatzmasse kommt es vor allem durch die Orientierungsabhängigkeit der piezoelektrischen Ladungskonstante d₃₁. Durch eine günstige Verteilung der erzeugten mechanischen Spannungen bei Beschleunigungen kann das entstehende Störsignal verringert werden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in ihrer einfachen Umsetzbarkeit. Die bisherige Montagetechnik kann beibehalten werden. Zur Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit musste bisher die Deformation des Sensors verhindert werden, was zur Folge hatte, dass das thermische Verhalten beeinflusst wurde, da eine großflächige Kontaktierung verwendet werden musste. Die Nutzung von speziellen Stützelementen zur Halterung des pyroelektrischen Chips ist technologisch aufwendig und kostenintensiv.
Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des pyroelektrischen Detektors mit Zusatzmasse
2 ein Frequenzgang der Beschleunigungsempfindlichkeit von Standard- und mikrofoniereduzierten Detektoren
3 eine Draufsicht des in Versuchen verwendeten pyroelektrischen Sensors mit Zusatzmasse
4 eine Darstellung der Ergebnisse der FEM-Simulation für verschiedene Positionen der Zusatzmasse
In 1 ist die erfindungsgemäße Anordnung einer Zusatzmasse 4 auf dem pyroelektrischen Chip 9 dargestellt. Die X- und Y-Achse liegen in der Ebene des pyroelektrischen Chips 9 und die Z-Achse steht senkrecht auf diesem. Der pyroelektrische Chip 9 besteht aus pyroelektrischem Material (z. B. LiTaO₃), welches mit Elektroden auf der Oberseite 2 und Unterseite 7 versehen ist. Der pyroelektrische Chip 9 hat eine typische Dicke von 20 μm und laterale Abmessungen von 4 × 4 mm². Die Elektroden 2 und 7 besitzen eine Breite von 1 mm. Sie kreuzen sich in der Chipmitte und definieren das empfindliche Element 3 (1 × 1 mm²). Die Befestigung des pyroelektrischen Chips 9 auf dem Chipträger 6 erfolgt elastisch über vier Silikonklebstoffpunkte 5 an den Ecken des pyroelektrischen Chips 9. Dadurch wird eine sehr gute thermische Isolierung erreicht. Die Kontaktierung der oberen Elektrode 2 erfolgt mit einem Leitkleberpunkt (H20E) und einem Au-Bonddraht 1. Die untere Elektrode 7 wird direkt mit Leitkleber (H20E) 8 am Chipträger fixiert. Auf die Oberfläche des pyroelektrischen Chips 9 wird eine Zusatzmasse 4 aus Leitklebstoff (z. B. H20E) aufgebracht.
In 2 ist der Frequenzgang der Beschleunigungsempfindlichkeit S_z in Z-Richtung für Frequenzen von 40 bis 1000 Hz dargestellt. A zeigt die relativ hohe Beschleunigungsempfindlichkeit eines Standard-Detektors mit einer empfindlichen Fläche von 1 × 1 mm².
An dem Detektor aus A wurde durch das Dispensen von Leitklebstoff (H20E) eine Zusatzmasse aufgebracht. Die Zusatzmasse wurde an der Position Mx = 1300 μm und My = 900 μm (siehe 3) angebracht und hatte ein Gewicht von ca. 0,1 mg. Die erreichte Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit ist in der Kurve B dargestellt.
Die Zusatzmasse des Detektors wurde nochmalig auf ein Gewicht von 0,2 mg vergrößert. Die weitere Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit ist in Kurve C dargestellt.
Eine weitere Vergrößerung der Zusatzmasse auf 0,6 mg ergab eine Vergrößerung der Beschleunigungsempfindlichkeit, wie in Kurve D dargestellt.
In 3 ist die Draufsicht eines Detektors mit der Platzierung der Zusatzmasse aus den Versuchen dargestellt. Desweiteren wird die genaue Lage des Koordinatensystems gezeigt.
4 zeigt die Ergebnisse einer FEM-Simulation für verschiedene Anordnungen der Zusatzmasse. Es wurde für insgesamt 440 verschiedene Positionen der Zusatzmasse die Beschleunigungsspannung berechnet. Für jede Position (Mx, My) der Zusatzmasse wurde die sich ergebende Beschleunigungsspannung U_z in einem Diagramm dargestellt. Es ergeben sich zwei deutliche Minima, welche sich für eine Anbringung der Zusatzmasse eignen. Die Simulation wurde für den Detektor aus 1 mit einer Zusatzmasse von 0,25 mg durchgeführt.

1: Bonddraht
2: obere Elektrode
3: empfindliches Element
4: Zusatzmasse
5: Silikonklebstoffpunkt
6: Chipträger
7: untere Elektrode
8: Kontaktierung untere Elektrode
9: pyroelektrischer Chip
A: Standard-Detektor
B: Detektor mit Zusatzmasse 0,1 mg
C: Detektor mit Zusatzmasse 0,2 mg
D: Detektor mit Zusatzmasse 0,6 mg

Claims

Pyroelektrischer Detektor mit thermisch gut isoliertem empfindlichem Element (3) und geringer Beschleunigungsempfindlichkeit, bestehend aus einem pyroelektrischen Chip (9) und einem Vorverstärker, wobei der pyroelektrische Chip (9) größer ist als das empfindliche Element (3) und die Befestigung des Chips sowie die Kontaktierung (1, 8) des empfindlichen Elements (3) außerhalb des empfindlichen Elements (3) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des pyroelektrischen Chips (9) wenigstens eine definierte Zusatzmasse (4) aufgebracht ist.
Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Zusatzmasse (4) vorwiegend außerhalb des empfindlichen Elementes (3) erfolgt.
Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (4) punktförmig auf der Oberfläche des pyroelektrischen Chips (9) angebracht ist.
Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (4) aus einem Leitklebstoff besteht.
Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (4) ein Gesamtgewicht von 0,1 mg bis 0,5 mg aufweist.