DE102009009342B3

DE102009009342B3 - Pyroelektrischer Detektor

Info

Publication number: DE102009009342B3
Application number: DE200910009342
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dr.-Ing. Norkus; Andreas Dipl.-Ing. Schulze; Gerald Prof. Dr.-Ing. Habil. Gerlach
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor mit hoher Empfindlichkeit. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen pyroelektrischen Detektor mit verbesserter Empfindlichkeit anzugeben. Hierzu wird eine interne thermische Verstärkung der Temperaturänderung im elektrisch-aktiven Volumen (5) des pyroelektrischen Chips (1) durch eine gezielte Strukturierung benachbarter, elektrisch-passiver Volumen (6) erzeugt. Die Auswirkungen der Strukturierung auf die Empfindlichkeit sind stark vo der Modulationsfrequenz des einfallenden Strahlungsflusses abhängig.

Description

Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischer Detektor mit hoher Empfindlichkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der genannte pyroelektrische Detektor wandelt einfallende Infrarotstrahlung in ein elektrisches Ausgangssignal um. Pyroelektrische Sensoren finden in der berührungslosen Temperaturmessung, in der Gasanalyse, in Spektrometern sowie Bewegungs- und Brandmeldern Verwendung.
Ein pyroelektrischer Detektor ist aus einem empfindlichen Element und einem Vorverstärker aufgebaut. Das empfindliche Element besteht aus einem pyroelektrischen Chip, dessen Ober- und Unterseite mit Elektroden beschichtet sind. Durch ein Fenster oder ein Infrarotfilter trifft Wärmestrahlung auf das empfindliche Element. Der absorbierte Strahlungsfluss führt zu einer Temperaturänderung des empfindlichen Elements. Als Folge des pyroelektrischen Effekts ändert sich die spontane Polarisation des Pyroelektrikums. Die daraus resultierende Ladungstrennung wird mit Hilfe des Vorverstärkers in eine auswertbare Signalspannung gewandelt. Pyroelektrische Sensoren können nur zeitlich modulierte Strahlungsflüsse detektieren.
Für den Entwurf von Sensoren mit einer hohen Empfindlichkeit muss die absorbierte Strahlung eine möglichst große Temperaturänderung des empfindlichen Elements bewirken. Durch konstruktive Maßnahmen, zum Beispiel Ätzen eines Isolationsgrabens um das empfindliche Element, kann der Wärmeleitwert zum umgebenden Chipmaterial und somit der Wärmeverlust an die Umgebung verringert werden. Das Aufbringen einer Absorptionsschicht verbessert den Absorptionsgrad des empfindlichen Elementes und folglich die Empfindlichkeit. Durch die Reduktion der Dicke des empfindlichen Elements kann die Wärmekapazität gesenkt und somit die Temperaturänderung als Folge des absorbierten Strahlungsflusses vergrößert werden. Da eine Verringerung der Chipdicke jedoch gleichzeitig eine Zunahme der elektrischen Kapazität des empfindlichen Elements zur Folge hat, bleibt im Spannungsbetrieb insbesondere für die technisch interessanten Strahlungsmodulationsfrequenzen von mehr als 10 Hz die Empfindlichkeit unverändert.
Bisherige Optimierungsansätze zur Erhöhung der Empfindlichkeit zielten in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz des Sensors hauptsächlich auf die Entwicklung spezieller pyroe lektrischer Materialien, auf Maßnahmen zur thermischen Isolation des empfindlichen Elementes sowie die Nutzung spezieller Absorptionsschichten ab.
So ist aus der US 3 816 750 A ist ein pyroelektrischer Sensor auf der Basis von heißgepresstem PLZT bekannt. Die Druckschrift beschreibt günstige Zusammensetzungen und Strukturen der Keramik für pyroelektrische Anwendungen, deren Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf die zu erwartende Empfindlichkeit und spezifische Detektivität von Sensoren. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Herstellung von Einelementsensoren und pyroelektrischen Arrays. Dabei wird unter einem Array eine ein- oder zweidimensionale Anordnung vieler empfindlicher Elemente auf oder in einem Substrat verstanden, die einzeln ausgelesen werden können. Der pyroelektrische Sensor auf Basis von heißgepresstem PLZT löst nicht die Aufgabe entsprechend der vorliegenden Erfindung.
In der US 3 453 432 A ist ein pyroelektrischer Strahlungssensor mit Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen beschrieben. Der Sensor besteht aus einem aktiven pyroelektrischen Element und einem oder mehreren Kompensationselementen. Die Elemente sind durch einen Schnitt mechanisch getrennt und nebeneinander auf einer Isolationsschicht montiert, die sich auf einer Wärmesenke befindet. Die Elemente besitzen beidseitig Elektroden. Das aktive pyroelektrische Element besitzt auf der oberen Elektrode einen Strahlungsabsorber, während das Kompensationselement eine hochreflektierende Metallschicht besitzt. Bei einer Parallelschaltung der entgegengesetzt polarisierten Elemente können Umgebungstemperaturänderungen, die auf beide Elemente einwirken, kompensiert werden. Gleichzeitig können Strahlungsflüsse auf dem aktiven Element detektiert werden. Die Verschaltung der Elemente führt jedoch zu einer Reduzierung der Empfindlichkeit um den Faktor 2.
Ferner ist aus der DE 196 18 936 A1 eine ferroelektrische Bauelement-Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte Anordnung ferroelektrischer Bauelemente anzugeben, deren Bauelemente elektrisch gut und sicher voneinander isoliert sind, deren Anschlussleitungen keine zusätzlichen Kapazitäten bilden und deren Herstellungsverfahren auch bei hoher Packungsdichte vereinfacht ist. Die vorhandenen Gräben dienen zur thermischen Isolierung der Detektorelemente bzw. der aktiven Bereiche. Es handelt sich hierbei nicht um einen Einelementsensor sondern um ein Array von Bauelementen
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen pyroelektrischen Detektor anzugeben, der mittels einer bereits bestehenden Technologie herstellbar ist und der durch Nutzung des empfindlichen Elements, ohne spezielle pyroelektrische Materialien und die Nutzung spezieller Absorptionsschichten, eine wesentlich verbesserte Empfindlichkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen pyroelektrischen Detektor mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Detektor besitzt einen pyroelektrischen Chip aus LiTaO₃, welches über einen elastischen Kleber an den Ecken mit dem Chipträger verbunden ist. Das empfindliche Element ist durch einen Graben vom umgebenden Chipmaterial thermisch isoliert und nur über eine Zungenstruktur mit selbigem verbunden. Die Kontaktierung der Frontelektrode erfolgt außerhalb des empfindlichen Elements über Drahtbondung. Die Kontaktierung der Rückelektrode wird ebenfalls außerhalb des empfindlichen Elements mittels Leitklebers realisiert. Der Graben um das empfindliche Element sowie die Kontaktierung außerhalb dessen ermöglichen eine sehr gute thermische Isolierung des empfindlichen Elements und eine hohe sowie homogene Empfindlichkeit über die empfindliche Fläche.
Durch eine gezielte 3-dimensionale Strukturierung des empfindlichen Elements wurde es möglich, eine thermische Verstärkung im empfindlichen Element zu erreichen, und damit die Empfindlichkeit wesentlich zu vergrößern. Sensoren mit hohen Signal-Rausch-Abständen können somit realisiert werden.
Die 3-dimensionale Strukturierung ergibt sich aus der Übertragung eines Gittermusters mittels Ionenstrahlätzens in das empfindliche Element. Die obere Elektrode wird gleichzeitig mit dem Ätzprozess lateral strukturiert und weist folglich eine Lochstruktur auf. Auf Grund der Existenz der Ätzgruben ergeben sich lokal Gebiete geringerer Chipdicke. Da diese Bereiche keine obere Elektrode aufweisen, werden sie als elektrisch-passive Volumen bezeichnet, während die mit oberer Elektrode beschichteten Gebiete mit der Ausgangschipdicke als elektrisch-aktive Volumen bezeichnet werden. Innerhalb einer Chopperperiode führt die lokale Reduktion der Chipdicke bei gleichmäßiger Bestrahlung des Chips zu einer schnelleren und größeren Erwärmung der elektrisch-passiven Volumen. Der entstehende Temperaturgradient zwischen den elektrisch-aktiven und elektrisch-passiven Volumen hat einen lateralen Wärmestrom von den elektrisch-passiven in die elektrisch-aktiven Volumen des empfindlichen Elements zur Folge. In Abhängigkeit vom Verhältnis der Wärmekapazitäten der elektrisch-passiven und elektrisch-aktiven Volumen und den Absorptionseigenschaften auf der Bestrahlungsseite ist in den Bereichen der elektrisch-aktiven Volumen ein größerer Temperaturanstieg gegenüber herkömmlichen, nicht strukturierten Elementen zu verzeichnen. Bei einer geeigneten Wahl der Ätzstrukturgrößen vergrößert der Einfluss dieser thermischen Verstärkung die Empfindlichkeit. Das Sensorausgangssignal und somit die Sensitivität wird gegenüber unstrukturierten pyroelektrischen Infrarotsensoren signifikant verbessert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der einfachen Integrierbarkeit in die bisherige Herstellungstechnologie pyroelektrischer Infrarotsensoren.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Draufsicht des pyroelektrischen Detektors,
2 einen Ausschnitt des empfindlichen Elements in der Draufsicht,
3 den in 2 angedeuteten Schnitt durch das empfindliche Element,
4 eine Darstellung der Ergebnisse der Empfindlichkeitssimulation für verschiedene Strukturierungsparameter,
5 Frequenzgang des Empfindlichkeitsgewinns ΔS_V eines pyroelektrischen Infrarotsensors mit neuartiger Strukturierung (a = 15 μm; s = 39 μm) gegenüber einem Sensor mit unstrukturiertem empfindlichen Element.
In 1 ist der pyroelektrische Detektor in der Draufsicht schematisch dargestellt. Die X- und Y-Achse liegen in der Ebene des pyroelektrischen Chips 1 und die Z-Achse steht senkrecht auf diesem. Der pyroelektrische Chip 1 besteht aus pyroelektrischem Material (z. B. LiTaO₃). Der pyroelektrische Chip 1 hat eine typische Dicke von 20 μm und laterale Abmessungen von 3 × 3 mm². Das empfindliche Element 2 sei durch einen mittels Ionenstrahlätzens erzeugten Isolationsgraben 3 weitestgehend thermisch vom pyroelektrischen Chip 1 isoliert. Die typischen lateralen Abmessungen des empfindlichen Elements 2 betragen 1 × 1 mm².
In 2 ist ein Ausschnitt der Draufsicht des empfindlichen Elements 2 abgebildet. Die mittels Ionenstrahlätzens erzeugten Ätzgruben 4 weisen die Kantenlänge s sowie den Abstand a voneinander auf.
In 3 ist der in 2 angedeutete Schnitt durch das empfindliche Element dargestellt. Das Volumen unterhalb der Ätzgruben 4 wird als elektrisch-passives Volumen 6 bezeichnet. Die typische Dicke d_p dieses Bereichs beträgt circa 2 μm. Das elektrisch-aktive Volumen 5 weist eine Dicke da von etwa 5 μm auf. Die obere Elektrode 7 bedeckt nur das elektrisch-aktive Volumen und besitzt somit eine Lochstruktur. Die untere Elektrode 8 bedeckt die Rückseite des empfindlichen Elements 2 vollständig.
4 können die Ergebnisse einer Empfindlichkeitssimulation für das Pyroelektrikum Lithiumtantalat entnommen werden. Für verschiedene Strukturparameter (a = Ätzgrubenabstand, s = Kantenlänge der Ätzgruben) ist die zu erwartende Sensorempfindlichkeit bei einer Strahlungsmodulationsfrequenz von 10 Hz dargestellt. Für experimentelle Untersuchungen wurden die Strukturparameter zu
a = 15 μm und
s = 39 μm
gewählt.
In 5 ist der gemessene Frequenzgang der Empfindlichkeitsverbesserung eines Sensors mit der neuartigen Strukturierung des empfindlichen Elements (a = 15 μm; s = 39 μm) gegenüber einem unstrukturierten Sensor mit homogener Dicke des empfindlichen Elements abgebildet. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit von bis zu 55% für Frequenzen zwischen 1 Hz und 100 Hz ist deutlich zu erkennen.

1: Pyroelektrischer Chip
2: Empfindliches Element
3: Isolationsgraben
4: Ätzgrube
5: Elektrisch-aktives Volumen
6: Elektrisch-passives Volumen
7: Obere Elektrode
8: Untere Elektrode
d_a: Dicke des elektrisch-aktiven Volumens
d_P: Dicke des elektrisch-passiven Volumens

Claims

Pyroelektrischer Detektor mit hoher Empfindlichkeit, bestehend aus einem pyroelektrischen Chip (1) und einer ersten rauscharmen Signalverarbeitungseinheit, die in einem Sensorgehäuse mit einem infrarotdurchlässigen Fenster untergebracht sind, wobei der pyroelektrische Chip (1) aus einem Pyroelektrikum besteht, das eine obere Elektrode (7) und auf der gegenüberliegenden Seite eine untere Elektrode (8) besitzt und die Überlappungsfläche beider Elektroden (7), (8) ein strahlungsempfindliches Element (2) bilden, das kleiner als der pyroelektrische Chip (1) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das empfindliche Element (2) zu dessen thermischer Verstärkung 3-dimensional strukturiert ist, wodurch das empfindliche Element (2) von der oberen Elektrode (7) unbedeckte Flächen mit geringerer Dicke des Pyroelektrikums aufweist, und die Flächen mit geringerer Dicke des Pyroelektrikums elektrisch-passive Volumen (6) zu den angrenzenden elektrisch-aktiven Volumen (5) im Pyroelektrikum des empfindlichen Elements (2) bilden, wobei der Flächenanteil des elektrisch-aktiven Volumens (5) an der Fläche des empfindlichen Elements mindestens um die Hälfte geringer ist als der Flächenanteil des elektrisch-passiven Volumens (6).
Pyroelektrischer Detektor mit hoher Empfindlichkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d_a des elektrisch-aktiven Volumens (5) kleiner als 25 μm ist und die Dicke d_P des elektrisch-passiven Volumens (6) kleiner als die Hälfte der Dicke d_a ist.
Pyroelektrischer Detektor mit hoher Empfindlichkeit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des elektrisch-passiven Volumens (6) mit einer gut absorbierenden Schicht bedeckt ist.
Pyroelektrischer Detektor mit hoher Empfindlichkeit nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 3-dimensionale Strukturierung des empfindlichen Elements (2) durch Ionenätzen erfolgt ist.