DE102009013336A1

DE102009013336A1 - Pyroelektrisches Material, Strahlungssensor, Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensors und Verwendung von Lithiumtantalat und Lithiumniobat

Info

Publication number: DE102009013336A1
Application number: DE102009013336A
Authority: DE
Inventors: Fred Plotz; Gerhard Knaup; Henrik Ernst
Original assignee: PerkinElmer Optoelectronics GmbH and Co KG
Current assignee: Excelitas Technologies Singapore Pte Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-23
Also published as: TW201042790A; WO2010105715A1; CN102369612A; RU2011141767A; US20120068070A1; WO2010105715A8; EP2409342A1; JP2012520576A

Abstract

Ein pyroelektrisches Material umfasst Lithiumtantalat, das bis zu einem Ausmaß behandelt worden ist, dass sich ein spezifischer Widerstand in einem Bereich von weniger als 2e + 14 Ω · cm, vorzugsweise weniger als 5e + 12 Ω · cm, befindet, aber mehr als eine untere Schwelle erhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein pyroelektrisches Material, einen Strahlungssensor, ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensors und die Verwendung von Lithiumtantalat und Lithiumniobat gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Pyroelektrische Materialien sind anisotrope Materialien, die elektrische Ladungen, und dementsprechend eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom erzeugen, wenn sie ein Wärmegefälle erfahren. Das Wärmegefälle kann entweder von einer Temperaturänderung in der Umgebung oder von Strahlung herrühren, insbesondere von Infrarotstrahlung (IR), die auf das Material trifft und sich dort in eine Temperatur umwandelt. Die Ladung/Spannung/ der Strom, die bzw. der durch das pyroelektrische Material erzeugt wird, kann für eine Temperaturänderungserfassung oder direkte Temperaturerfassung unter Verwendung einer geeigneten anschließenden Signalauswertung eingesetzt werden.
1a zeigt einen typischen Messelementaufbau für ein Pyroelektrikstrahlungs-Messelement. 10 steht für das Pyroelektrikmaterial-Messelement. Es kann eine flache, chip-ähnliche Vorrichtung sein. Das elektrische Signal kann zwischen den gegenüberliegenden Hauptoberflächen der chip-ähnlichen Vorrichtung erscheinen. Die Hauptoberflächen können teilweise oder vollständig mit elektrisch leitendem Material (7a, 7b) beschichtet sein, um mit dem pyroelektrischen Material elektrisch in Kontakt zu kommen und die wärmeinduzierten Ladungen auf den Oberflächen des pyroelektrischen Materials zu verringern. Wahlweise kann eine Absorptionsschicht 6 auf den Elektroden und/oder auf dem pyroelektrischen Material aufgetragen sein, um die Absorption der zu messenden Quantität, wie etwa IR-Strahlung, zu verbessern. Das pyroelektrische Material kann zu der Form, die für ein Messelement geeignet ist, geformt und hergestellt werden. Seine Dicke D kann 20 μm bis 500 μm, vorzugsweise 50 μm bis 200 μm, betragen. Elektrisch gesehen, weist das Messelement auch Eigenschaften eines Kondensators auf.
Bei Strahlungseinfall oder Änderung der Umgebungstemperatur erfährt das Messelement 10 eine Änderung der Temperatur (dt/dt ≠ 0) und erzeugt in Ansprechung darauf elektrische Ladungen an seinen gegenüberliegenden Oberflächen des anisotropen Materials. Diese Ladungen können als Spannung von entgegengesetzten Anschlüssen 4a und 4b gemessen werden, die mit den entgegengesetzten Seiten des Pyroelektrikmaterial-Messelements 10 verbunden sind.
Es sind verschiedene Materialien für pyroelektrische Messelemente 10 bekannt. Einige von ihnen enthalten Blei als Hauptbestandteil. Neben verschiedenen anderen Minuspunkten erfüllen diese Materialien nicht die ROHS-Richtlinie der EU und sind insofern von Nachteil. Im Übrigen weisen sie eine niedrige Curie-Temperatur auf, so dass ihre pyroelektrischen Eigenschaften durch Temperaturen gefährdet sind, die eventuell während des Lötens, der allgemeinen Handhabung und eines Hochtemperaturbetriebs erreicht werden.
Lithiumtantalat („LiTa”, LiTaO₃) und Lithiumniobat („LiNb”, LiNbO₃) sind piezoelektrische Materialien. Sie weisen ebenfalls pyroelektrische Eigenschaften auf. Aber aus Gründen, die nachstehend erläutert sind, werden diese pyroelektrischen Eigenschaften nicht genutzt, sondern vielmehr als Geräuschquelle in den tatsächlich gewünschten piezoelektrischen Anwendungen angesehen. LiTa und LiNb erfüllen ROHS, weisen aber in ihren pyroelektrischen Eigenschaften einen beträchtlichen Nachteil auf, was ihre Elektrosignalausgangs-Kennlinien insbesondere unter dem Einfluss einer sich ändernden Umgebungstemperatur betrifft. Dies wird unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
2 zeigt eine typische Kurve der Temperatur über Zeit T(t) als Kurve 21. Eine Temperaturänderung kann entweder von einem zu erfassenden primären Signal kommen, zum Beispiel bei einer Bewegungserfassung von einer Person, die an einem Sensor vorbeigeht (Dauer: einige Sekunden), oder sie kann von Verzerrungen/Rauschen, wie etwa der Änderung der Umgebungstemperatur kommen, zum Beispiel einer Tag-zu-Nacht-Änderung der Umgebungstemperatur oder direkter Sonnenlichtaussetzung oder Nähe zu Heiz- oder Kühlvorrichtungen (Dauer: zwischen Sekunden bis zu mehreren Stunden). Die Kurve 22, 23 zeigt ein zugehöriges Ausgangssignal von konventionellem LiTa oder LiNb unter dem Einfluss von nicht durch Strahlung induzierten Umgebungstemperaturänderungen. Typischerweise nimmt das Ausgangssignal zu, wenn sich die Temperatur ändert, und verringert sich, wenn die Temperatur konstant wird. Insofern entspricht das elektrische Hauptsignal mehr oder weniger der Temperaturänderung über der Zeit dT/dt (ableitend von T über Zeit). Die pyroelektrischen Koeffizienten von LiTa und LiNb sind relativ hoch, so dass von einem primären Standpunkt die Materialien für pyroelektrische Detektoren geeignet wären. Daneben weisen sie eine hohe Curie-Temperatur um die 602°C auf.
Jedoch zeigen LiTa und LiNbO₃ neben dem beschriebenen Hauptausgangssignal auch eine Funkenentladung, beispielhaft durch die Spitzen 23 in den elektrischen Kennlinien dargestellt, insbesondere, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Diese Funken stammen von Ladungen, die sich an der Oberfläche des pyroelektrischen Materials über Temperaturänderungen an den gesamten Sensor ansammeln, und Entladungen auf statistischer Basis auf der Grundlage unvorhersehbarer Oberflächeneffekte. LiTa weist einen sehr hohen spezifischen Widerstand von mehr als 4e + 14 Ωcm auf. Aufgrund dieses hohen spezifischen Widerstands sammeln sich Ladungen örtlich an der Stelle, wo sie erzeugt wurden. In Abhängigkeit von örtlichen Ungleichmäßigkeiten und örtlichen Isolierungseigenschaften führen die angesammelten Ladungen zu relativ hohen örtlichen Spannungen, die sich in Form von kleinen Funken entladen können, wie durch 23 in 2 angegeben. Solche Funken haben einen starken Einfluss auf die Qualität des Ausgangssignals. Sie machen das Ausgangssignal unvorhersehbar und verschlechtern sein Signal-Rausch(S/N)-Verhältnis. Aus diesem Grund (d. h. dem hohen spezifischen Widerstand) wird konventionelles LiTa in der Praxis nicht in breitem Umfang als pyroelektrisches Material eingesetzt.
Wie oben angegeben, ist LiTa für piezoelektrische Anwendungen gut bekannt. Für Stellgliedanwendungen sind die pyroelektrischen Eigenschaften von LiTa nicht wirklich relevant, da sie von der Wirkung her im Vergleich zum Ansteuern von Signalen für Piezostellglieder klein und schwach sind. Für Sensoranwendungen stellen die pyroelektrischen Eigenschaften von LiTa jedoch ein Problem dar, da dem gewünschten piezoelektrischen Signal eine pyroelektrische Signalkomponente überlagert wird, wenn sich die Temperatur ändert. Somit besteht insbesondere, wenn gewünscht wird, LiTa als Piezoelektriksensorelement zu verwenden, ein starker Wunsch, die pyroelektrischen Eigenschaften von LiTa zu vermeiden oder zu verringern. Dies gilt sowohl für die Funkenentladungs-Kennlinien 23 als auch das primäre pyroelektrische Signal 22.
Der Artikel „Black-LT Black-NL” von YAMAJU CERAMICS CO., LTD beschreibt so genanntes „schwarzes LT” (wobei „LT” für Lithiumtantalat steht) und „Schwarz-LN” (wobei „LN” für Lithiumniobat steht). In diesen Substanzen wurden Maßnahmen zur Unterdrückung der pyroelektrischen Eigenschaften dieser Materialien ergriffen, um Signal komponenten zu vermeiden, die durch Wärmegefälle über Zeit verursacht werden, welche die der piezoelektrisch erzeugten Signalkomponente überlagert sind. Im Grunde genommen weist das schwarze LT-Material einen verringerten spezifischen Widerstand von beispielsweise 2,3e + 11 Ωcm oder 2,1e + 10 Ω·cm im Vergleich zu den üblichen 4,5e + 14 Ωcm auf.
EP 1 741 809 A1 beschreibt einen Vorgang zur Steuerung einer elektrostatischen Ladung für einen piezoelektrischen Oxideinkristall und eine Vorrichtung für den Vorgang zur Steuerung einer elektrostatischen Ladung. Ein Lithiumtantalat-Einkristall und ein Reduziermittel sind in einem Verarbeitungstank zur Reduzierung des Wafermaterials untergebracht.
US 7 323 050 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumtantalatkristall. Ein erstes, Lithiumtantalat enthaltenes Material, das einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von zumindest der Curie-Temperatur in einer Reduktionsatmosphäre unterzogen wird, ist einem einzelpolarisierten Lithiumtantalatkristall überlagert und dann wird das Kristall in einer Reduktionsatmosphäre einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterzogen, die niedriger als die Curie-Temperatur ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Materials für pyroelektrische Anwendungen, eines pyroelektrischen Sensors, eines Verfahrens zur Herstellung eines Strahlungssensors und einer Verwendung von Lithiumtantalat oder Lithiumniobat, die das Messen von Strahlung mit angemessener Empfindlichkeit und angemessenem Signal-Rausch-Verhältnis erlaubt, während sie ROHS-konform ist und eine relativ hohe Curie-Temperatur aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Ein pyroelektrisches Material umfasst Lithiumtantalat oder Lithiumniobat, das so behandelt oder modifiziert ist, dass ein spezifischer Widerstand des Materials weniger als eine bestimmte erste Schwelle beträgt und vorzugsweise über einer anderen niedrigeren zweiten Schwelle liegt. Die Behandlung oder Modifikation kann ein chemischer Reduktionsschritt oder ein Kristallgittermodifikationsschritt oder ein Vermischungsschritt sein.
Der spezifische Widerstand ist eine Materialeigenschaft, die manchmal als „spezifischer elektrischer Widerstand” bezeichnet und durch den griechischen Buchstaben ρ(rho) symbolisiert wird. Seine Maßangabe ist Ohm·Meter (Ω·m, Ωm), kann aber natürlich auch durch Ohm·cm (Ω·cm, Ωcm) ausgedrückt werden.
Aspekte der Erfindung sind auch die Verwendung von modifiziertem Lithiumtantalat oder modifiziertem Lithiumniobat zur pyroelektrischen Erfassung, d. h. für die Erfassung von Wärmestrahlung (wie etwa IR-Strahlung). Weitere Aspekte sind ein pyroelektrischer Sensor mit dem pyroelektrischen Material und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen pyroelektrischen Sensors.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung und deren Aspekte unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, worin
1 verschiedene Schnittansichten eines Strahlungsmesselements und dessen Anbringungsmöglichkeiten zeigt,
2 Kennlinien von konventionellem Lithiumtantalat und modifiziertem Lithiumtantalat zeigt,
3 Kennlinien über spezifischem Widerstand zeigt, und
4 schematisch einen Sensor.
In dieser Spezifikation sollen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Merkmale sollen miteinander kombinierbar sein, auch wenn dies nicht explizit angegeben ist, soweit eine Kombination der Merkmale nicht aus technischen Gründen ausgeschlossen ist. Vorrichtungsmerkmale sollen auch als Offenbarung für einen Herstellungsschritt zum Erhalt der Merkmale gelten, ebenso wie umgekehrt auch Herstellungsschritte auch als Offenbarung für jeweils erhaltene Vorrichtungsmerkmale gelten sollten.
Ein pyroelektrisches Material umfasst Lithiumtantalat oder Lithiumniobat, das so behandelt oder modifiziert ist, dass ein spezifischer Widerstand des Materials von weniger als 2e + 14 Ω·cm (= 2·10¹⁴ Ohm·Zentimeter), vorzugsweise weniger als 2e + 13 Ω·cm, mehr bevorzugt weniger als 5e·12 Ω·cm, erreicht wird. Vorzugsweise liegt der spezifische Widerstand über 2e + 10 Ω·cm, bevorzugt über 1e + 11 Ωcm, mehr bevorzugt über 3e + 11 Ω·cm, mehr bevorzugt über 1e + 12 Ω·cm.
Die Verringerung des spezifischen Widerstands auf einen Wert von weniger als die erwähnten oberen Schwellen dient zur Hinzufügung von einiger Leitfähigkeit zu dem Material, so dass Ladungen eine verringerte Neigung zu lokaler Ansammlung zeigen, so dass Funken (23), wie in 2 gezeigt, unterdrückt werden. Allgemein gesagt, ist die Erzeugung von Funken umso geringer, je niedriger der spezifische Widerstand ist.
Jedoch verschlechtert sich zur gleichen Zeit auch das primäre Signal aus dem einfachen Grund, dass es zu einem gewissen Grad durch den relativ niedrigen Materialwiderstand kurzgeschlossen wird, der durch den gesenkten spezifischen Widerstand verursacht wird. Um ein Material zu haben, das als pyroelektrisches Material noch angemessen arbeitet, wird die Behandlung oder Modifikation so durchgeführt, dass der spezifische Widerstand über einer der genannten unteren Schwellen bleibt. Dadurch zeigt das Material ausreichend Primärsignalamplitude Ai (entsprechend der Kurve 24 in 2).
Der Aufbau des Messelements kann so sein, wie in 1a gezeigt und unter Bezugnahme darauf beschrieben. Die Kontakte 7a, 7b können dünne Schichten aus Metall, zum Beispiel dampfabgeschiedenes Gold, sein. Es kann eine Absorptionsschicht 6 vorgesehen sein. Sie kann einen Ausschnitt zur Kontaktaufnahme mit der Kontaktschicht 7b aufweisen. In dieser Form kann das Messelement 10 in einem Herstellungsverfahren vorgefertigt werden.
In 2 zeigt die Kurve 24, 25 die elektrischen Kennlinien von Lithiumtantalat, das wie vorstehend beschrieben behandelt oder modifiziert ist. Aufgrund des verringerten spezifischen Widerstands kann die Signalausgangsamplitude Ai des Hauptsignals 24 niedriger als jene Ac des konventionellen Lithiumtantalats sein. Jedoch ist auch das Auftreten von Funken, wie durch 25 angegeben, beträchtlich reduziert, gewöhnlich sowohl in der Häufigkeit des Auftretens als auch in der Amplitude. Eine solche Kennlinie ist, trotz ihrer verringerten Hauptsignalamplitude oder Stärke, viel besser für eine Strahlungserfassung geeignet als konventionelles, unbehandeltes Lithiumtantalat.
Die relativ hohe Curie-Temperatur ist wünschenswert, da diese Temperatur die Temperaturgrenze bestimmt, über der sich das Material in seiner Empfindlichkeit irreversibel verschlechtert, da seine Aniso tropie verloren geht. Hohe Temperaturen von Schaltungselementen können insbesondere während eines Lötens erreicht werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn eine SMT (Surface Mounting Technology, Oberflächenmontagetechnik) und SMD (Surface Mounted Devices, oberflächenmontierte Bauteile) verwendet werden, wo die Wärme vom Löten fast sofort in die Messkomponenten eindringt. Um einen Temperaturschaden zu vermeiden, ist eine hohe Curie-Temperatur gewünscht, welches Kriterium sowohl von konventionellem als auch von modifiziertem LiTA und LiNb erfüllt wird.
3 zeigt qualitativ die Überlegungen hinter den gegebenen Schwellen. Die Abszisse zeigt den spezifischen Widerstand in Ωcm, der von links nach rechts ansteigt. 35 steht für einen Bereich des Spezifischer Widerstands, der am meisten bevorzugt für pyroelektrische Materialien verwendet wird, wohingegen der Bereich 36 links vom Bereich 35 (d. h. von niedrigerem spezifischen Widerstand) und der Bereich 37 rechts vom Bereich des Bereichs 35 (d. h. von höherem spezifischen Widerstand) am meisten bevorzugt nicht verwendet werden.
Die Kurve 31 stellt qualitativ die Funkenintensität SI dar, die von statistischer Häufigkeit des Auftretens, Amplitude, Energie oder dergleichen eine oder mehrere sein kann. Die Kurve 32 ist ein Maß für die Primärsignalamplitude MI, die die Funken überlagern.
Wie vorstehend erläutert, nimmt die in Kurve 31 gezeigte Funkenintensität mit wachsendem spezifischen Widerstand zu, da Ladungen sich örtlich ansammeln und zu einer Funkenentladung führen. Dieser störende Effekt wird durch Senken des spezifischen Widerstands auf Werte, die angemessen reduzierte Funkenintensitäten aufweisen, verringert. In 3 bezeichnet der Wert 34 auf der Abszisse eine solche obere Schwelle für den Spezifischer Widerstand. Von dort an nimmt die Funkenintensität in Richtung der linken Seite des Dia gramms kontinuierlich ab und schon unter diesem Aspekt allein wäre ein möglichst niedriger spezifischer Widerstand zu wünschen.
Jedoch beeinflusst der spezifische Widerstand nicht nur die Funkenintensität, sondern auch die Hauptsignalamplitude, wie durch Kurve 32 qualitativ gezeigt ist. Ein sinkender spezifischer Widerstand (entsprechend der zunehmenden Bahnleitfähigkeit) führt tatsächlich zum Ausgleich nicht nur von Ladungen, die zu einer Funkenentladung führen, sondern auch zum Ausgleich oder Kurzschließen des Hauptsignals. Unter diesem Aspekt ist ein möglichst hoher spezifischer Widerstand zu wünschen, er muss über einer bestimmten Schwelle bleiben, um einen angemessenen Hauptsignalausgang zu geben. Eine solche niedrigere Schwelle des spezifischen Widerstands ist als Wert 33 auf der Abszisse gezeigt. Links davon ist der spezifische Widerstand so niedrig, dass das Hauptsignal beträchtlich kurzgeschlossen wird, so dass der Absolutwert des Hauptsignalausgangs unzufriedenstellend wird. Rechts vom Wert 33 wird der Hauptsignalausgang angemessen und unter diesem Aspekt wäre ein möglichst hoher spezifischer Widerstand zu wünschen.
Neben den vorstehenden Überlegungen muss ein Material, um für pyroelektrisches Messen geeignet zu sein, sowohl ein ausreichend starkes Hauptausgangssignal, wie durch die Kurve 32 dargestellt, aufweisen, und muss auch ein ausreichend hohes S/N-Verhältnis haben, das ein relativer Wert zwischen der durch die Kurve 32 dargestellte Hauptsignalquantität und Rauschquantitäten, zum Beispiel Funkenentladung, ist, wie durch die Kurve 31 dargestellt.
Es ist nicht selbstverständlich, dass unter den vorstehend angegebenen Kriterien der Funkenintensitätsunterdrückung und Aufrechterhaltung des Hauptsignals sowohl auf einem angemessenen Niveau als auch einem angemessenen SN-Verhältnis ein nützlicher Bereich zur Modifikation von LiTa gefunden werden kann. Jedoch zeigen die Untersuchungen der Erfinder nach den vorstehend beschriebenen Überlegungen, dass angemessene Bereiche des spezifischen Widerstands vorhanden sind, so dass das Material als pyroelektrisches Material verwendet werden kann, vorausgesetzt, dass die gewünschten Bahnwiderstände eingestellt werden können.
Unbehandeltes Lithiumtantalat kann so behandelt werden, dass eine zufrieden stellende Funkenunterdrückung, ein zufrieden stellendes Hauptsignal und ein zufrieden stellendes S/N-Verhältnis erhalten werden können, oder mit anderen Worten, dass die untere Schwelle 33 niedriger als die obere Schwelle 34 ist, so dass sich der von den Schwellen eingegrenzte Bereich 35 öffnet. Wie vorstehend angegeben, kann der obere Schwellwertbereich 34 2e + 14 Ω·cm oder 2e + 13 Ω·cm oder 5e + 12 Ω·cm betragen. Der untere Schwellwert 33 kann 2e + 10 Ω·cm oder 1e + 11 Ωcm oder 3e + 11 Ω·cm oder 1e + 12 Ω·cm sein.
Das Lithiumtantalatmaterial gemäß der Erfindung ist vorzugsweise ein Einkristall, kann aber auch ein polykristalliner Körper sein. Es kann eine verhältnismäßig dünne Schicht sein, die auf ihren entgegengesetzten Seiten oder Oberflächen, in der Richtung seiner pyroelektrischen Anisotropie gesehen, elektrisch verbunden ist. Es kann auch als separate, selbsttragende Vorrichtung mit elektrischen Kontakten an ihren entgegengesetzten Seiten hergestellt sein.
Die 1b bis 1g zeigen Anbringungsmöglichkeiten. Das Messelement 10 ist vorzugsweise selbsttragend und so gehalten, dass nur kleine Bereiche davon (weniger als 20% des Bereichs, bevorzugt weniger als 10%) sich in Kontakt mit anderen thermisch wirksamen Massen als Umgebungsgas befinden. Die Messelemente 10 können wie in 1a gezeigt geformt sein, außer sie sind nachstehend anders beschrieben.
Wie in 1b gezeigt ist, kann das Messelement 10 nur an seiner einen Kante oder Ecke an einem Substrat 1 angebracht sein. Die Anbringung kann auch eine elektrische Verbindung bilden. Das Substrat kann eine Leiterplatte mit einer Verdrahtung 4a, 4b darauf sein. Der Hauptbereich des Messelements 10 ist von anderen thermisch wirksamen Massen als Umgebungsgas/-luft wärmeisoliert, so dass die einfallende IR-Strahlung besser in eine Temperaturänderung des Messelements 10 selbst umgewandelt wird. Die andere elektrische Verbindung (oberste Oberfläche) kann eine Bondingverbindung 11 sein.
In 1c ist das Messelement 10 über dem Substrat 1 beispielsweise durch ein Abstandshaltestück 5, das leitend sein kann und somit auch die elektrische Verbindung bereitstellt, gehalten. Gleichermaßen kann das Messelement 10 auf einer dünnen Membran 3 gehalten sein, die von einem Rahmen 1 mit einem Ausschnitt 2 gehalten werden, wie in 1d gezeigt.
Wie gesagt, kann eine der elektrischen Verbindungen des Messelements 10 zum Substrat 1 (linke Seite in 1b, 1c) auch die mechanische Verbindung vorsehen und somit eine Doppelfunktion haben.
In 1e wird das Messelement an beiden gegenüberliegenden Kanten vom Substrat gehalten. Die nicht gezeigten Kanten eines rechteckig geformten Messelements (über und unter der Zeichenebene) können vom Substrat gehalten sein oder nicht. Die Unterseiten-Metallisierung 7a an der einen Kante des Ausschnitts (linke Seite in 1e) kann direkt auf einer Verdrahtung 4a auf dem Substrat 1 sitzen. An der anderen Kante (rechte Seite in 1e) kann die Unterseite auch ein metallisiertes Teil 7c aufweisen, das auf einer anderen Verdrahtung 4b sitzt. Dieses metallisierte Teil 7c kann von der anderen Metallisierung 7a auf der Unterseite durch eine Lücke 13 isoliert sein, kann aber mit der Metallisierung 7b auf der oberen Oberfläche durch einen Durchgangskontakt oder eine Metallisierung 12, die um die Kante des Messelements 10 herum reicht, verbunden sein.
1f zeigt ein weiteres Verbindungsschema: Die entgegengesetzten Hauptoberflächen können teilweise oder vollständig mit elektrisch leitendem Material 7a, 7b beschichtet sein. Die Unterseitenmetallisierung 7a an der einen Kante des Ausschnitts (linke Seite in 1f) kann direkt auf einer Verdrahtung 4a auf dem Substrat sitzen, wohingegen an der anderen Kante von dem Messelement 10 und dem Substrat 1 zumindest eines isoliert oder nicht-leitend ist, während eine Verbindung, zum Beispiel eine Bondverbindung 11, von der Oberflächenmetallisierung zu einem anderen Verdrahtungsmusterteil 4b auf diesem Teil des Substrats vorgesehen ist.
1g zeigt ein noch weiteres Verbindungsschema und eine gleichwertige Schaltung: Die obere Hauptoberfläche kann teilweise oder vollständig mit elektrisch leitenden Material 7b beschichtet sein. Die Unterseite kann zwei separate, vorzugsweise symmetrische Metallisierungen 7a und 7c, beispielsweise durch eine winzige Lücke ähnlich der Lücke 13 in 1e getrennt, aufweisen, die mit separaten Verdrahtungen 4a und 4b, zum Beispiel, indem sie an den zwei Kanten des Ausschnitts 2, wie gezeigt, auf ihnen sitzen. Elektrisch gesehen, ergibt dies eine Anordnung aus zwei gegenparallelen Messelementteilen, das eine von dem ersten Teil 7a-10a-7b, das andere von dem zweiten Teil 7b-10b-7c gebildet, wie durch die gleichwertige Schaltung gezeigt. Diese Anordnung ergibt eine allgemeine Moduszurückweisung für Signale, die beide gegenparallele Messelementteile beeinträchtigen, zum Beispiel von einer Umgebungstemperaturänderung kommen. Die zu erfassende Strahlung muss dann jedoch so geführt werden, dass sie üblicherweise die beiden Teile asymmetrisch erreicht, zum Beispiel nur eines von ihnen, so dass nur eines von ihnen ein Signal erzeugt, welches nicht oder nur teilweise durch ein entgegengesetztes Signal vom anderen Teil ausgeglichen wird. Zu diesem Zweck kann das Gehäuse eine Abbildungslinse 42 oder ein Spaltobjektiv als Strahlungseingang aufweisen oder ein Teil kann schattiert bzw. abgedunkelt sein.
Ein Sensor 40 zur Strahlungserfassung ist schematisch in 4 gezeigt. Er umfasst ein oder mehrere Sensorelemente 9, die jeweils einen oder mehrere Messbereiche 10 aus einem pyroelektrischen Material, wie oben beschrieben, umfassen und auf einer wärmeisolierenden Struktur 1–3 angebracht sind, um den Messbereich 10 gegen thermisch wirksame Massen (Wärmesenken) zu isolieren. Das Sensorelement 9 selbst kann wie in 1 gezeigt hergestellt sein und die Merkmale aufweisen, die unter Bezugnahme hierauf beschrieben sind.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensors 40 mit einem Messelement auf einem Substrat umfasst die Schritte des Ausbildens eines Messelements mit modifiziertem Lithiumtantalat oder modifiziertem Lithiumniobat, wie vorstehend oder nachstehend beschrieben, insbesondere so, dass ein spezifischer Widerstand, wie oben angegeben, erzielt wird, das ein wärmeisolierendes Substrat vorsieht, das Sensorelement auf dem Substrat platziert und es elektrisch verbindet. Das so ausgebildete Sensorelement 9 kann auf einer Sensorgehäuse-Grundplatte platziert werden und mit deren Anschlüssen verbunden werden. Das Gehäuse kann dann durch eine vorgefertigte Gehäusekappe abgeschlossen werden.
Der Ausbildungsschritt kann zuerst einen Modifizierungsschritt zum Modifizieren von Bulk- bzw. Grundmaterial (zum Beispiel einer kompletten Wafer oder eines größeren Chips oder einer größeren Einheit), um den gewünschten spezifischen Widerstand zu haben, und danach zum Formen der gewünschten Messelemente aus dem modifizierten Grundmaterial (zum Beispiel durch Sägen oder Ätzen oder eine andere Trennung) aufweisen oder kann zuerst den Formungsschritt aus dem Grundmaterial und danach den Modifizierungsschritt aufweisen.
Die Behandlung kann eine chemische Reduktion oder eine Kristallgittermodifikation oder ein Mischvorgang des Mischens von konventionellem LiTa mit reduziertem oder gittermodifiziertem LiTa sein.
Ein Aspekt der Erfindung ist auch die Verwendung von Lithiumtantalat oder Lithiumniobat zur Strahlungserfassung, insbesondere für die Erfassung pyroelektrischer Strahlung oder für eine Strahlung oder einen Temperaturdetektor, wobei das Lithiumtantalat oder Lithiumniobat wie vorstehend angegeben behandelt/modifiziert wird, um den spezifischen Widerstand, wie vorstehend angegeben, zu erzielen, und als empfindlicher Bereich 10 in einem Sensorelement 9 eines Sensors bereitgestellt wird.
Ein Sensor 40 würde das Sensorelement 9 aufweisen, ein Gehäuse 41 mit beispielsweise einer Kappe und einer Grundplatte, einem Strahlungseingangsfenster 42 im Gehäuse oder in dessen Kappe, eventuell von einem strahlungsdurchlässigen Aufbau bedeckt/eingeschlossen, vorzugsweise mit Abbildungseigenschaften (Linse) zum Fokussieren von Strahlung auf dem Messelement 10 oder auf einem von mehreren nebeneinander liegenden Messelementen zum Herstellen einer räumlichen Auflösung, und Anschlüssen 43, beispielsweise Drähten, die sich aus dem Gehäuse (dessen Grundplatte) erstrecken, oder mehreren Erhebungen oder metallisierten Feldern auf einer Außenoberfläche (zum Beispiel der Grundplatte) des Sensorgehäuses, das mit den inneren Komponenten zur SMT in Relation zu einer gedruckten Leiterplatte verbunden ist.
Ein Sensor 40 kann in demselben Gehäuse mehrere unabhängig messende pyroelektrische Sensorelemente 9 umfassen, die über einen gewissen Bereich des Sensors verteilt sind. Gleichermaßen kann ein Substrat 1–3 mehrere unabhängig messende pyroelektrische Messbereiche 10, wie vorstehend beschrieben, enthalten.
Der Sensor 40 kann einen in das Gehäuse eingebauten Signalverarbeitungsabschnitt 44 mit einer Signalauswertung und einer Weiterleitungsschaltung umfassen, der in dem Signalfluss zwischen dem/den Messbereich(en) 10 und den Ausgangsanschlüssen 43 des Sensors sitzt. Er kann eine oder mehrere Signalformungseinrichtungen 44a, Signalfiltereinrichtungen 44b, Zeitreihen-Abfrageeinrichtungen 44c zum Abfragen/Abtasten mehrerer Messbereiche 10 oder für mehrere Sensorelemente 9, Analog/Digital-Umwandlungseinrichtungen 44d, Umgebungstemperatur-Ausgleichsseinrichtungen 44e, Kennlinienanpassungseinrichtungen 44f, einen beschreibbaren Speicher 44g für charakteristische Werte der Messbereiche, eine Eingangs-/Ausgangs-Steuerschaltung 44h zum Steuern des Ausgangs gemessener Quantitäten, eventuell in einer Zeitreihenweise, und des Eingangs charakteristischer Werte umfassen. Der Sensor kann zwei, drei, vier, fünf oder mehr Anschlüsse 43 aufweisen.
Die zu messende Strahlung kann eine IR-Strahlung einer Wellenlänge von mehr als 1 μm oder mehr als 2 μm sein. Das Gehäuse kann ein TO(Transistorumriss)-Gehäuse (zum Beispiel TO5, TO8, TO7, TO41, TO46, TO18, TO39, TO22) mit einem Strahlungseingangsfenster sein, das wie vorstehend beschrieben abgedeckt sein kann. Lithiumtantalat hat die chemische Formel LiTaO₃. Es ist eine kristalline Substanz. Die Behandlung zum Erhalt eines verringerten spezifischen Widerstands kann eine chemische Reduktion umfassen, so dass die betrachtete Substanz in einem größeren oder kleineren Maß Moleküle mit weniger als drei Sauerstoffatomen aufweisen kann. Die Behandlung oder Modifikation kann auch ein Vorgang sein, der das reguläre Kristallgitter von konventionellem LiTa oder LiNb so ändert, dass ein oder mehrere Sauerstoffatome pro Molekül im Vergleich zu ihrer üblichen Position im regulären Kristallgitter versetzt werden, ohne die versetzten Sauerstoffatome vollständig aus dem Material zu entfernen.
Insofern kann das pyroelektrische Material der Erfindung ebenfalls als Gemisch von konventionellem Lithiumtantalat (LiTaO₃) mit Molekülen von geringerem Sauerstoffgehalt LiTaO_3-x (zum Beispiel wie LiTaO₂ oder LiTaO) oder mit Molekülen mit Sauerstoffatomen, die im Vergleich zu ihrer regulären Kristallgitterposition versetzt sind, beschrieben werden. Es kann noch ein Einkristall (Schicht) sein. Aber es kann auch eine polykristalline Struktur sein. Das Gemisch kann so sein, dass der beschriebene spezifische Widerstand erhalten wird. Der Begriff „behandeltes oder modifiziertes Lithiumtantalat” richtet sich an eine Substanz, die konventionelles LiTa mit verringertem spezifischen Widerstand umfasst, der zum Beispiel unter Verwendung von konventionellem LiTa mit verringerten Sauerstoffmengen oder mit aus regulären Gitterpositionen versetzten Sauerstoffatomen, eventuell in einem definierten Gemisch mit konventionellem LiTa, erhalten wird. Die Kristallgittermodifikation kann so ausgeführt werden, dass im Wesentlichen alle Moleküle, oder nur ein Anteil davon, modifiziert werden.
Die vorstehende Beschreibung erfolgte mit vorrangiger Bezugnahme auf Lithiumtantalat. Qualitativ gleiche Überlegungen gelten in Bezug auf Lithiumniobat, wobei das konventionelle Material LiNbO₃ ist. Eine Reduktion oder Kristallgittermodifikation kann wie für LiTa beschrieben erfolgen. Verglichen mit unbehandeltem/konventionellem Lithiumniobat, kann der spezifische Widerstand auf einen Wert von weni ger als 50% des konventionellen Materials oder auf weniger als 20% oder weniger als 10% davon verringert sein. Die untere Grenze des benutzten Bereichs kann 1% des Werts von konventionellem/unbehandeltem Material oder 3% davon betragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1741809 A1 [0011]
- US 7323050 [0012]

Claims

Pyroelektrisches Material mit Lithiumtantalat oder Lithiumniobat, das bis zu einem Ausmaß behandelt ist, dass ein spezifischer Widerstand in einem Bereich von weniger als 2e + 14 Ω·cm, vorzugsweise weniger als 5e + 12 Ω·cm, liegt.
Material nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Behandlung um eine chemische Reduktion oder ein Versetzen der Sauerstoffatome aus regulären Positionen in einem Kristallgitter handelt.
Pyroelektrisches Material mit einem Gemisch aus LiTaO₃ und LiTaO_n, wobei n 1 oder 2 ist und die Anzahl der Sauerstoffatome pro Molekül auf regulären Kristallgitterpositionen bezeichnet, während übrige Sauerstoffatome vollständig entfernt oder wenigstens aus ihren regulären Kristallgitterpositionen entfernt werden, und wobei das Mischungsverhältnis so ist, dass ein spezifischer Widerstand in einem Bereich von weniger als 2e + 14 Ω·cm, vorzugsweise weniger als 5e + 12 Ω·cm, liegt.
Material nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der spezifische Widerstand mehr als 2e + 10 Ω·cm, vorzugsweise mehr als 3e + 11 Ω·cm, vorzugsweise mehr als 1e + 12 Ω·cm, beträgt.
Material nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, das als Einkristall ausgebildet ist.
Strahlungssensor (40) mit einem Messelement (10) auf einem Substrat (1–3), wobei das Sensorelement ein pyroelektrisches Material nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Sensor nach Anspruch 6, wobei das pyroelektrische Material als dünne Schicht oder dünne, selbsttragende Platte, die am Substrat angebracht ist, ausgebildet ist.
Sensor nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Substrat eine Leiterplatte (1) mit einem Ausschnitt (2) umfasst, über dem ein größerer Bereich des Messelements zu liegen kommt.
Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, mit einem SMT-Gehäuse (41) mit Kontakterhebungen oder -feldern (43) auf zumindest einer seiner Oberflächen.
Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, mit einem Signalverarbeitungsabschnitt (44) im Gehäuse.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensors, wobei der Sensor ein Sensorelement auf einem Substrat und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines Substrats, Ausbilden eines Lithiumtantalat-Messelements aus modifiziertem Lithiumtantalatmaterial, Platzieren des Messelements auf dem Substrat, Verbinden des Messelements mit einer Verdrahtung auf dem Substrat, Vorsehen eines Gehäuses, Platzieren des Sensorelements im Gehäuse, und Verbinden der Verdrahtung mit Anschlüssen des Gehäuses.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Messelement zu einer selbsttragenden Struktur vorgefertigt ist.
Verwendung von modifiziertem Lithiumtantalat zur Erfassung von pyroelektrischer Strahlung.
Verwendung von Lithiumtantalat mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 2e + 14 Ω·cm, vorzugsweise weniger als 5e + 12 Ω·cm, und von vorzugsweise mehr als 2e + 10 Ω·cm, vorzugsweise mehr als 3e + 11 Ω·cm, zur Erfassung von pyroelektrischer Strahlung.
Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, wobei das verwendete Lithiumtantalat durch eine chemische Reduktion oder durch eine Kristallgittermodifikation zur Versetzung von Sauerstoffatomen aus ihrer regulären Kristallgitterposition modifiziert wurde.