DE102009017845B4

DE102009017845B4 - Infrarotlichtsensor mit hoher Signalspannung und hohem Signal-Rausch-Verhältnis, sowie Infrarotlichtdetektor mit dem Infrarotlichtsensor

Info

Publication number: DE102009017845B4
Application number: DE200910017845
Authority: DE
Inventors: Carsten Giebeler; Jeffrey Wright; Tim Chamberlain
Original assignee: Pyreos Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2029-04-18
Also published as: EP2419702A1; US20120132807A1; DE102009017845A1; CN102449453B; KR101692837B1; CN102449453A; US8963087B2; KR20120022975A; WO2010119131A1

Abstract

Infrarotlichtdetektor mit mindestens einem Infrarotlichtsensor (4 bis 6), der einen Trägermembranabschnitt (2) sowie mindestens zwei Sensorchips (7 bis 10), die nebeneinander liegend an dem Trägermembranabschnitt (2) befestigt sind und jeweils ein aus pyroelektrisch sensitivem Material hergestelltes Schichtelement (11) aufweisen, das von einer Basiselektrode (12) und einer Kopfelektrode (13) elektrisch kontaktiert und derart eingerichtet ist, dass zwischen der Kopfelektrode (13) und der Basiselektrode (12) eines jeden Schichtelements (11) jeweils eine Differenzspannung anliegt, wenn die Schichtelemente (11) mit Infrarotlicht bestrahlt sind, und jeweils für zwei benachbart angeordnete Sensorchips (7 bis 10) eine Kopplungsleitung (14 bis 16) aufweist, mit der die Kopfelektrode (13) des einen Sensorchips (7 bis 9) und die Basiselektrode (12) des anderen Sensorchips (8 bis 10) elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind, so dass die Schichtelemente (11) der Sensorchips (7 bis 10) in einer Reihenschaltung geschaltet sind, die an ihrem einen Ende eine der Basiselektroden (17) und an ihrem anderen Ende...

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotlichtsensor mit hoher Signalspannung und hohem Signal-Rausch-Verhältnis, sowie einen Infrarotlichtdetektor mit dem Infrarotlichtsensor.
Ein Infrarotlichtdetektor zum Detektieren von Wärmstrahlung weist beispielsweise einen pyroelektrischen Infrarotlichtsensor in Dünnschichtbauweise mit zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht aus pyroelektrisch sensitivem Material auf. Dieses Material ist ferroelektrisches Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die Elektrodenschichten bestehen aus Platin oder aus einer die Wärmestrahlung absorbierenden Chrom-Nickel-Legierung. Die Schichten sind mit einem Gasphasenabscheideverfahren aufgebracht. Der Infrarotlichtsensor ist auf einer Trägermembran aufgebracht, die aus Silizum hergestellt ist. Zum Auslesen, Verstärken, Verarbeiten und/oder Weiterleiten eines aufgrund von Wärmestrahlung vom Infrarotlichtsensor erzeugten elektrischen Signals ist eine Ausleseelektronik in dem Infrarotlichtdetektor vorgesehen. Die Ausleseelektronik ist durch CMOS-Technik (complementary metal Oxide semiconductors), ASICs oder diskrete Komponenten realisiert.
Herkömmlich wird die Ausleseelektronik im ”Voltage Mode” betrieben, wobei die Ausleseelektronik eine hohe Impedanz hat. Das Signal des Infrarotlichtsensors ist grundsätzlich im ”Voltage Mode”-Betrieb unanhängig von der flächigen Ausdehnung der pyroelektrischen Schicht. Die Dielektrizitätszahl der pyroelektrischen Schicht des Infrarotlichtsensors ist hoch, wodurch die Kapazität des Infrarotlichtsensors ebenfalls hoch ist.
In US 2008/0315100 A1 ist eine pyroelektrische Vorrichtung beschieben, die eine Mehrzahl an Schichten aus dielektrischem Material aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und in einer Reihenschaltung geschaltet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Infrarotlichtsensor mit hoher Signalspannung und hohem Signal-Rausch-Verhältnis und einen Infrarotlichtdetektor, der den Infrarotlichtsensor aufweist, zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Infrarotlichtsensor für einen Infrarotlichtdetektor weist einen Trägermembranabschnitt sowie mindestens zwei Sensorchips, die nebeneinanderliegend an dem Trägermembranabschnitt befestigt sind und jeweils ein aus pyroelektrisch sensitivem Material hergestelltes Schichtelement aufweisen, das von einer Basiselektrode und einer Kopfelektrode elektrisch kontaktiert und derart eingerichtet ist, dass zwischen der Kopfelektrode und der Basiselektrode eines jeden Schichtelements jeweils eine Differenzspannung anliegt, wenn die Schichtelemente mit Infrarotlicht bestrahlt sind, und jeweils für zwei benachbart angeordnete Sensorchips eine Kopplungsleitung auf, mit der die Kopfelektrode des einen Sensorchips und die Basiselektrode des anderen Sensorchips elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind, so dass die Schichtelemente der Sensorchips in einer Reihenschaltung geschaltet sind, die an ihrem einen Ende eine der Basiselektroden und an ihrem anderen Ende eine der Kopfelektroden aufweist, an denen eine Gesamtdifferenzspannung der Reihenschaltung als Summe der einzelnen Differenzspannungen der Schichtelemente abgreifbar ist.
Der erfindungsgemäße Infrarotlichtdetektor weist mindestens einen der Infrarotlichtsensoren auf, wobei eine Trägermembran des Infrarotlichtdetektors von dem Trägermembranabschnitt gebildet ist, und eine Ausleseelektronik für jeden Infrarotlichtsensor auf, deren Gesamtdifferenzspannungswert mit der Ausleseelektronik abgreifbar ist.
Der Infrarotlichtsensor ist erfindungsgemäß von der Reihenschaltung der Sensorchips gebildet, so dass die Gesamtkapazität des Infrarotlichtsensors die reziproke Summe der reziproken Einzelkapazitäten der Sensorchips ist. Somit ist die Gesamtkapazität des Infrarotlichtsensors kleiner als die Kapazitäten der einzelnen Sensorchips und dennoch ausreichend hoch, um mit der Ausleseelektronik vorteilhaft zusammenzuwirken. Ferner ist die Gesamtdifferenzspannung des Infrarotlichtsensors höher als die einzelnen Differenzspannungen der Sensorchips, nämlich die Summe der einzelnen Differenzspannungen der Schichtelemente, so dass mit der Ausleseelektronik die hohe Gesamtdifferenzspannung bei der verminderten Gesamtkapazität des Infrarotlichtsensors vorteilhaft rauscharm auslesbar ist.
Die Stärke der Differenzspannung im ”Voltage Mode”-Betrieb eines jeden der Sensorchips ist grundsätzlich unabhängig von der flächigen Ausdehnung des Schichtelements des jeweiligen Sensorchips. Dadurch können vorteilhaft die Sensorchips in ihrer flächigen Ausdehnung klein ausgeführt sein, beispielsweise derart, dass die Summe der Oberflächen der Schichtelemente der Sensorchips die Oberfläche eines Schichtelements eines herkömmlichen Sensorchips ergibt, der als der einzige Sensorchip in einem herkömmlichen Infrarotlichtsensor vorgesehen ist. Dadurch ist vorteilhaft eine miniaturisierte Bauweise des erfindungsgemäßen Sensorchips ermöglicht, so dass die Ausdehnung des erfindungsgemäßen Infrarotlichtdetektors verglichen mit einem herkömmlichen Infrarotlichtdetektor nicht größer zu sein braucht. Ferner kann durch das entsprechende Vorsehen einer vorherbestimmten Anzahl an Sensorchips in dem Infrarotlichtsensor die Gesamtdifferenzspannung und die Gesamtkapazität des Infrarotlichtsensors vorteilhaft gezielt ausgelegt werden.
Das pyroelektrisch sensitive Material ist bevorzugt Blei-Zirkonat-Titanat. Ferner ist das Schichtelement bevorzugt ein Dünnfilm. Der Dünnfilm ist bevorzugt mit einem Gasphasenabscheideverfahren, insbesondere aus der Gruppe PVD (physical vapor deposition) und/oder CVD (chemical vapor deposition) hergestellt. Als PVD-Verfahren kommt beispielsweise ein Bedampfungsverfahren oder Sputtern in Frage. Dabei bildet sich in den Schichtelementen pyroelektrisch aktives Blei-Zirkonat-Titanat mit Perovskit-Struktur aus.
Bevorzugtermaßen sind die Sensorchips via den Trägermembranabschnitt und den Kopplungsleitungen thermisch leitend miteinander verbunden. Dadurch ist zwischen den Sensorchips ein thermisches Übersprechen hoch, wodurch die Sensorchips bei Infrarotlichtbestrahlung uniform reagieren, so dass die Differenzspannungen der Sensorchips möglichst im Wesentlichen gleich sind. Außerdem ist es bevorzugt, dass der Gesamtkapazitätswert der Reihenschaltung mindestens dreimal dem Eingangskapazitätswert der Ausleseelektronik entspricht. Dadurch sind vorteilhaft Signalverluste hervorgerufen durch die Eingangskapazität der Ausleseelektronik auf einem vorteilhaft geringen Niveau gehalten.
Die Infrarotlichtsensoren sind bevorzugt in einer Rasteranordnung auf der Trägermembran des Infrarotlichtdetektors angeordnet. Dabei sind die Infrarotlichtsensoren bevorzugt voneinander thermisch isoliert angeordnet. Somit ist ein thermisches Übersprechen von einem der Infrarotlichtsensoren auf einen anderen der Infrarotlichtsensoren gering, wodurch der Infrarotlichtdetektor eine hohe Messgenauigkeit hat.
Der Infrarotlichtdetektor wird erfindungsgemäß als eine Wärmebildkamera, ein Präsenzmelder, ein Bewegungsmelder, ein Gasdetektor, ein Spektroskop und/oder ein Terrahertzdetektor verwendet. Für die Wärmebildkamera ist der Infrarotlichtdetektor beispielsweise mit der Mehrzahl an Infrarotlichtsensoren derart ausgestattet, dass der Infrarotlichtdetektor 240 × 320 Infrarotlichtsensoren in Rasteranordnung aufweist.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Infrarotlichtdetektors anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels des Infrarotlichtdetektors und
2 Detail A aus 1.
Wie es aus 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein Infrarotlichtdetektor 1 eine Trägermembran 2 auf, die von einem Tragrahmen 3 aufgespannt ist. Auf der Trägermembran 2 sind ein erster Infrarotlichtsensor 4, ein zweiter Infrarotlichtsensor 5 und ein dritter Infrarotlichtsensor 6 angebracht. Die Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 sind eingerichtet Infrarotlicht zu detektieren, wobei an den Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 in Abhängigkeit des Infrarotlichts und der Konfiguration der Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 ein Signal anliegt, das von einer Ausleseelektronik (nicht gezeigt) verarbeitbar ist. Die Ausleseelektronik weist einen Verstärker zum Verstärken des Signals des jeweiligen Infrarotlichtsensors auf und ist in dem Infrarotlichtdetektor integriert.
Im Folgenden ist der zweite Infrarotlichtsensor 5 beschrieben, wobei Gleiches für den ersten Infrarotlichtsensor 4 und den dritten Infrarotlichtsensor 6 gilt. Der zweite Infrarotlichtsensor 5 weist einen ersten Sensorchip 7, einen zweiten Sensorchip 8, einen dritten Sensorchip 9 und einen vierten Sensorchip 10 auf. Jeder der Sensorchips 7 bis 10 ist von einem pyroelektrischen Schichtelement 11 gebildet, das aus pyroelektrisch sensitivem Material, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat, gebildet ist. Ferner weist jeder Sensorchip 7 bis 10 eine Basiselektrode 12 auf, die. auf der Trägermembran 2 befestigt ist. Auf der Basiselektrode 12 ist das Schichtelement 11 angeordnet, so dass das Schichtelement 11 die Basiselektrode 11 kontaktiert. Auf dem Schichtelement 11 ist dieses kontaktierend eine Kopfelektrode 13 angebracht. Die Sensorchips 7 bis 10 sind auf der Trägermembran 2 auf einer gedachten Gerade nebeneinanderliegend angeordnet.
Die Basiselektrode 12 eines jeden Sensorchips 7 bis 10 ist an einer Seite, in 1 und 2 links, von dem Schichtelement 11 vorstehend ausgebildet, damit die Basiselektrode 12 von außerhalb des Sensorchips 7 bis 10 kontaktierbar ist. Zwischen dem ersten Sensorchip 7 und dem zweiten Sensorchip 8 ist eine erste Kopplungsleitung 14, zwischen dem zweiten Sensorchip 8 und dem dritten Sensorchip 9 ist eine zweite Kopplungsleitung 15 und zwischen dem dritten Sensorchip 9 und dem vierten Sensorchip 10 ist eine dritte Kopplungsleitung 16 vorgesehen. Die Kopplungsleitungen 14 bis 16 sind untereinander vergleichbar ausgebildet, wobei stellvertretend für die Kopplungsleitungen 15, 16 die erste Kopplungsleitung 14 im Folgenden beschrieben ist.
Die erste Kopplungsleitung 14 kontaktiert die Kopfelektrode 13 des ersten Sensorchips 7, wobei die Kopplungsleitung 14 auf der Kopfelektrode 13 befestigt ist. Die Kopplungsleitung 14 ist an dem Schichtelement 11 und der Basiselektrode 12 vorbei zu der Trägermembran 2 geführt, wobei die Kopplungsleitung 14 weder das Schichtelement 11 noch die Basiselektrode 12 kontaktiert. An der Trägermembran 2 ist die Kopplungsleitung 14 bis zur Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 geführt, so dass die Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 von der Kopplungsleitung 14 kontaktiert ist. Dadurch ist von der Kopplungsleitung 14 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kopfelektrode 13 des ersten Sensorchips 7 und der Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 hergestellt. Somit ist von der ersten Kopplungsleitung 14 die Kopfelektrode 13 des ersten Sensorchips 7 mit der Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 elektrisch leitend verbunden. Analog hierzu ist von der zweiten Kopplungsleitung 15 die Kopfelektrode des zweiten Sensorchips 8 mit der Basiselektrode des dritten Sensorchips 9 und von der dritten Kopplungsleitung 16 die Kopfelektrode des dritten Sensorchips 9 mit der Basiselektrode des vierten Sensorchips 10 elektrisch leitend verbunden. Dadurch sind die Sensorchips 7 bis 10 von den Kopplungsleitungen 14 bis 16 in Reihe geschaltet. Das eine Ende der Reihenschaltung ist von der Basiselektrode 12 des ersten Sensorchips 7 und das andere Ende der Reihenschaltung ist von der Kopfelektrode des vierten Sensorchips 10 gebildet. Zum Kontaktieren der Reihenschaltung ist an der Basiselektrode 12 des ersten Sensorchips 7 ein erster Anschlusspunkt 17 und an der Kopfelektrode des vierten Sensorchips 10 ein zweiter Anschlusspunkt 18 vorgesehen.
Werden beim Betrieb des Infrarotlichtdetektors 1 die Sensorchips 7 bis 9 des zweiten Infrarotlichtsensors 5 mit Infrarotlicht bestrahlt, so liegt aufgrund eines pyroelektrischen Effekts in den Schichtelementen 11 zwischen der Kopfelektrode 13 und der Basiselektrode 12 eines jeden der Sensorchips 7 bis 10 eine Differenzspannung an. Dadurch, dass von den Kopplungsleitungen 14 bis 16 die Sensorchips 7 bis 10 mit ihren Basiselektroden 12 und Kopfelektroden 13 in Reihe geschaltet sind, liegt zwischen dem ersten Anschlusspunkt 17 und dem zweiten Anschlusspunkt 18 eine Gesamtdifferenzspannung als die Summe der einzelnen Differenzspannungen der Sensorchips 7 bis 10 an. Die Gesamtdifferenzspannung wird an dem ersten Anschlusspunkt 17 und dem zweiten Anschlusspunkt 18 von der Auswerteelektronik abgegriffen und weiter verarbeitet. Ferner ist die Gesamtkapazität der Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 aufgrund der Reihenschaltung der Sensorchips 7 bis 10 mit den Kopplungsleitungen 14 bis 16 niedriger als die Einzelkapazitäten der Sensorchips 7 bis 9. Somit ist jeder Ausleseelektronik, die den entsprechenden Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 zugeordnet ist, eine hohe Gesamtspannungsdifferenz bei einer geringen Gesamtkapazität der Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 bereitgestellt, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis des Infrarotlichtsensors 4 bis 6 erhöht ist.
Bezugszeichenliste

1: Infrarotlichtdetektor
2: Trägermembran
3: Tragrahmen
4: erster Infrarotlichtsensor
5: zweiter Infrarotlichtsensor
6: dritter Infrarotlichtsensor
7: erster Sensorchip
8: zweiter Sensorchip
9: dritter Sensorchip
10: vierter Sensorchip
11: pyroelektrisches Schichtelement
12: Basiselektrode
13: Kopfelektrode
14: erste Kopplungsleitung
15: zweite Kopplungsleitung
16: dritte Kopplungsleitung
17: erster Anschlusspunkt
18: zweiter Anschlusspunkt

Claims

Infrarotlichtdetektor mit mindestens einem Infrarotlichtsensor (4 bis 6), der einen Trägermembranabschnitt (2) sowie mindestens zwei Sensorchips (7 bis 10), die nebeneinander liegend an dem Trägermembranabschnitt (2) befestigt sind und jeweils ein aus pyroelektrisch sensitivem Material hergestelltes Schichtelement (11) aufweisen, das von einer Basiselektrode (12) und einer Kopfelektrode (13) elektrisch kontaktiert und derart eingerichtet ist, dass zwischen der Kopfelektrode (13) und der Basiselektrode (12) eines jeden Schichtelements (11) jeweils eine Differenzspannung anliegt, wenn die Schichtelemente (11) mit Infrarotlicht bestrahlt sind, und jeweils für zwei benachbart angeordnete Sensorchips (7 bis 10) eine Kopplungsleitung (14 bis 16) aufweist, mit der die Kopfelektrode (13) des einen Sensorchips (7 bis 9) und die Basiselektrode (12) des anderen Sensorchips (8 bis 10) elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind, so dass die Schichtelemente (11) der Sensorchips (7 bis 10) in einer Reihenschaltung geschaltet sind, die an ihrem einen Ende eine der Basiselektroden (17) und an ihrem anderen Ende eine der Kopfelektroden (18) aufweist, an denen eine Gesamtdifferenzspannung der Reihenschaltung als Summe der einzelnen Differenzspannungen der Schichtelemente (11) abgreifbar ist, wobei eine Trägermembran (2) des Infrarotlichtdetektors (1) von dem Trägermembranabschnitt gebildet ist, und einer Ausleseelektronik für jeden Infrarotlichtsensor (4 bis 6), dessen Gesamtdifferenzspannungswert mit der Ausleseelektronik abgreifbar ist, und der Infrarotlichtsensor (4 bis 6) so viele Sensorchips (7 bis 10) in der Reihenschaltung aufweist, dass der Gesamtkapazitätswert der Reihenschaltung mindestens dreimal dem Eingangskapazitätswert der Ausleseelektronik entspricht.
Infrarotlichtdetektor gemäß Anspruch 1, wobei das pyroelektrisch sensitive Material Blei-Zirkonat-Titanat ist.
Infrarotlichtdetektor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Schichtelement (11) ein Dünnfilm ist.
Infrarotlichtdetektor gemäß Anspruch 3, wobei der Dünnfilm mit einem Gasphasenabscheideverfahren, insbesondere aus der Gruppe PVD und/oder CVD, hergestellt ist.
Infrarotlichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensorchips via den Trägermembranabschnitt (2) und der Kopplungsleitung (14 bis 16) thermisch leitend miteinander verbunden sind.
Infrarotlichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Infrarotlichtsensoren (4 bis 6) in einer Rasteranordnung auf der Trägermembran (2) angeordnet sind.
Infrarotlichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Infrarotlichtsensoren (4 bis 6) voneinander thermisch isoliert angeordnet sind.
Verwendung eines Infrarotlichtdetektors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als eine Wärmebildkamera, ein Präsenzmelder, ein Bewegungsmelder, ein Gasdetektor, ein Spektroskop und/oder ein Terahertzdetektor.