-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine IR-Sensorchipanordnung und ein entsprechendes Betriebsverfahren.
-
Stand der Technik
-
Infrarot(IR)-Sensorchipanordnungen mit pixelförmigen IR-Erfassungsbereichen, auch Focal Plane Arrays (FPA) genannt, werden eingesetzt, um berührungslos die Temperaturverteilung an Oberflächen zu erfassen. Hierzu werden sie in Infrarot-Kameras, beispielsweise Thermographie- oder Überwachungskameras, integriert.
-
Typischerweise zeigen die einzelnen Pixel dieser Infrarot-Sensorchipanordnungen zeitliche Driften in Offset und Empfindlichkeit. Aus diesem Grund ist es erforderlich, während des Betriebs regelmäßig eine Rekalibrierung durchzuführen. Typischerweise werden zu diesem Zweck in die Infrarot-Kameras Shutter bzw. Verschlüsse integriert. Bei diesen Kalibrationsverfahren wird eine Metallfläche homogener Temperatur in den Strahlengang gefahren und anschließend werden die Signale aller Pixel neu abgeglichen.
-
Infrarot-Sensorchipanordnungen werden beispielsweise auf einem Interposer montiert. Typischerweise besteht dieser Interposer aus Silizium, wie zum Beispiel veröffentlicht in „3D Integration of Image Sensor SiP using TSV Silicon Interposer", 2009, 11. Electronics Packaging Technology Conference, 26.–29. Mai 2009, Seiten 1430–1436. Der Interposer stellt sowohl die mechanische Befestigung als auch die elektrische Kontaktierung der Infrarot-Sensoranordnung dar. Auf dem Interposer können weitere elektronische Bauelemente, wie z. B. Mikrokontroller, integriert werden. Die Linse für die Infrarot-Sensoranordnung wird entweder direkt auf dem Interposer montiert oder mittels eines Abstandshalters auf dem Interposer befestigt.
-
Aus http://www.axetris.com/pdf/Axetris_Infraered_Sources_F60_ENG.pdf ist ein mikromechanisch strukturierter Siliziumchip in Form eines durchsichtigen Infrarotquellen-Chips bekannt.
-
Aus der
US 8,362,496 B1 ist eine optische Modulpaketeinheit mit einem Licht emittierenden Chip und einem Lichtsensorchip bekannt, welche in Vertiefungen eines Plastikdeckels auf einem Substrat angebracht sind und welche von festhaftenden Verpackungsstrukturen umgeben sind.
-
Die
EP 2 592 401 A1 beschreibt eine auf Platin basierende Infrarotlichtquelle für die Gasdetektion, und die
EP 2 261 618 A1 beschreibt eine Miniatur-Infrarotlichtquelle.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft eine IR-Sensorchipanordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Betriebsverfahren nach Anspruch 10.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, zwischen der Linseneinrichtung und dem IR-Erfassungsbereich eine für die externe IR-Strahlung durchlässige, heizbare Membraneinrichtung vorzusehen, wodurch interne Wärmestrahlung auf dem IR-Erfassungsbereich der IR-Sensoreinrichtung sichtbar ist. Die Membraneinrichtung kann z.B. entweder im Interposer stehen gelassen werden oder als zusätzlicher Infrarot-Quellenchip im Strahlengang vorgesehen werden. Dabei lässt sich ausnutzen, dass z.B. Silizium im relevanten Wellenlängenbereich (Wärmestrahlung) transparent ist, sodass eine korrekte optische Abbildung durch die Membraneinrichtung hindurch möglich ist.
-
Zur Kalibrierung lässt sich das dynamische Ansprechverhalten der Pixel der IR-Sensorchip-einrichtung bestimmen und so die Rekalibrierung regelmäßig durchführen. Im Betriebszustand „Bildaufnahme“ der IR-Sensorchipeinrichtung wird kein Strom durch die Widerstandstreifen eingeprägt. In diesem Betriebszustand hat die Membraneinrichtung in der Regeleine homogene Temperatur, z.B. die Gehäusetemperatur. Im Betriebszustand „Rekalibrierung“, welcher typischerweise in regelmäßigen Abständen nach einigen Minuten durchgeführt wird, wird, die Membran pulsartig auf eine erhöhte Temperatur durch die Verlustleistung gebracht.
-
Die Erfindung ermöglicht es somit, ohne einen zusätzlichen Shutter auszukommen, was den Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten deutlich erniedrigt. Insbesondere werden Hardware-Kosten für das Shutterrad sowie für den Elektromotor und Montagesowie Justagekosten für den Shutter gespart. Auch ermöglicht die vorliegende Erfindung eine weitere Miniaturisierung, da durch den Shutter eine Bauraumvergrößerung der Kamera erforderlich ist. Die Zuverlässigkeit wird aufgrund des Weglassens einer zusätzlichen mechanisch beweglichen Komponente erhöht. Auch störende Geräusche durch die Shutterbewegung während der Rekalibrierung können vermieden werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der IR-Strahlungsdurchgang durch die Membraneinrichtung in einen ersten IR-Strahlungsdurchgangsbereich, welcher an die IR-Sensorchipeinrichtung angrenzt, und in einen zweiten IR-Strahlungsdurchgangsbereich, welcher an die Linseneinrichtung angrenzt, unterteilt. Dabei weist das Gehäuse ein Interposersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, in welchem die Membraneinrichtung ausgebildet ist auf, wobei der erste IR-Strahlungsdurchgangsbereich im Interposersubstrat derart ausgebildet ist, dass er an der Vorderseite durch die Membraneinrichtung und an der Rückseite durch die am Interposersubstrat angebrachte IR-Sensorchipeinrichtung begrenzt ist; und wobei der zweite IR-Strahlungsdurchgangsbereich durch eine auf der Vorderseite angebrachte Abstandshaltereinrichtung ausgebildet ist, welche einerseits durch die Linseneinrichtung und andererseits durch die Membraneinrichtung begrenzt ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der IR-Strahlungsdurchgang durch die Membraneinrichtung in einen ersten IR-Strahlungsdurchgangsbereich, welcher an die IR-Sensorchipeinrichtung angrenzt, und in einen zweiten IR-Strahlungsdurchgangsbereich, welcher an die Linseneinrichtung angrenzt, unterteilt. Dabei weist das Gehäuse ein Interposersubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, in welchem eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist, auf, wobei der erste IR-Strahlungsdurchgangsbereich im Interposersubstrat derart ausgebildet ist, dass die Durchgangsöffnung an der Vorderseite durch die am Interposersubstrat angebrachte Membraneinrichtung und an der Rückseite durch die am Interposersubstrat angebrachte IR-Sensorchipeinrichtung begrenzt ist; und wobei der zweite IR-Strahlungsdurchgangsbereich durch eine auf der Vorderseite angebrachte Abstandshaltereinrichtung ausgebildet ist, welche einerseits durch die Linseneinrichtung und andererseits durch die Membraneinrichtung begrenzt ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Membraneinrichtung aus Silizium gebildet, welches einen oder mehrere Widerstandsdotierungsbereiche aufweist. Vorzugsweise werden gerade Widerstandsstreifen in die Membraneinrichtung durch die Dotierung integriert. Selbstverständlich sind jedoch auch kompliziertere Geometrien, wie z.B. Gitterstrukturen, möglich. Beim Einprägen eines elektrischen Stromes durch diese Widerstandsstreifen wird die Membraneinrichtung aufgrund der elektrischen Verlustleistung erwärmt. Beispielsweise erhält die Membraneinrichtung dadurch eine homogene Temperatur über ihre gesamte Fläche. Die in die Membraneinrichtung eingebrachten Widerstandsstreifen bestehen vorzugsweise aus einer Phosphor- oder Arsendotierung, wodurch sich die Transmission im betrachteten Wellenlängenbereich nicht ändert.
-
Allerdings ist es ebenfalls möglich, Widerstandsstreifen zu integrieren, welche die Transmission beeinflussen, wobei eine entsprechende Korrektur rechnerisch durch die Auswerteeinrichtung durchgeführt wird.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der oder die Widerstandsdotierungsbereiche an eine Heizsteuereinrichtung angeschlossen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Membraneinrichtung auf einem Infrarotquellen-Siliziumchip gebildet.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der Membraneinrichtung eine Entspiegelungseinrichtung vorgesehen. Eine Entspiegelung der Membraneinrichtung ermöglicht es, Reflexionsverluste von typischerweise bis zu 50% zu vermeiden. Bevorzugte Maßnahmen zur Entspiegelung sind das Aufbringen von Schichten mit geeignetem Brechungsindex oder die Strukturierung der Oberfläche mit Strukturgrößen, welche wesentlich kleiner als die Wellenlänge der zu erfassenden Infrarotstrahlung sind.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der IR-Strahlungsdurchgang evakuiiert. Vorteilhafterweise können die Membraneinrichtungen zusätzlich zum Einschluss einer vorbestimmten Atmosphäre, beispielsweise Vakuum, verwendet werden, wodurch die im Stand der Technik bekannte Verkappung der Infrarot-Sensoranordnung verzichtbar wird. Hierzu ist eine vakuumdichte Montage der Infrarot-Sensoranordnung auf den Interposer oder ein sonstiges Gehäuse notwendig. Um ein ausreichendes Vakuum zu gewährleisten, lässt sich auf der Infrarot-Sensoranordnung zusätzlich ein Gettermaterial vorsehen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste und zweite IR-Strahlungsdurchgangsbereich voneinander hermetisch getrennt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Rekalibrierungsbetrieb in regelmäßigen Abständen automatisch durchgeführt wird.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird beim Rekalibrierungsbetrieb ein lokal über die Membraneinrichtung variierendes Heizmuster vorgesehen. Beispielsweise können mehrere Streifen mit unterschiedlicher Dotierung oder mehrere Streifen mit gleicher Dotierung und unterschiedlichen Heizspannungen parallel auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt werden. Auf diese Weise können die Strahlungsmengen von Objekt und Membran unterschieden werden und der Offset und die Empfindlichkeit aller Pixel auf die bekannte Temperaturverteilung der Membran abgeglichen werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden beim Rekalibrierungsbetrieb unterschiedliche Heizmuster zeitlich nacheinander vorgesehen. So ist es vorstellbar, zur Rekalibrierung mehrere verschiedene Heiztemperaturen der Membraneinrichtung durch entsprechende zeitlich veränderliche höhere oder niedrigere Ströme vorzusehen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Bewegungssensor vorgesehen, und der Rekalibrierungsbetrieb in Abhängigkeit davon ausgeführt wird, dass keine Bewegungen vom Bewegungssensor erfasst werden. Bei unbewegtem Betrachtungsobjekt bleibt der Offset des Nutzsignals annähernd konstant. Bei bewegter Kamera oder bei bewegtem Betrachtungsobjekt kann entweder über einen Bewegungssensor die Rekalibrierung kurzfristig deaktiviert werden. Alternativ kann eine rechnerische Bewegungskorrektur durchgeführt werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1a), b) schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) eine vertikale Schnittdarstellung und 1b) eine horizontale Schnittdarstellung entlang der Linie A-A‘ in 1a);
-
2a), b) schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a) eine vertikale Schnittdarstellung und 1b) eine horizontale Schnittdarstellung entlang der Linie A-A' in 2a);
-
3 eine schematische vertikale Schnittdarstellung zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in analoger Darstellung zu 1a); und
-
4 eine schematische vertikale Schnittdarstellung zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in analoger Darstellung zu 1a).
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
-
1a), b) sind schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a) eine vertikale Schnittdarstellung und 1b) eine horizontale Schnittdarstellung entlang der Linie A-A' in 1a).
-
In 1a), b) bezeichnen Bezugszeichen GH ein Gehäuse, welches beispielsweise eine röhrenartige Form aufweist, mit einem IR-Strahlungsdurchgang H. Auf einer ersten Seite S1 des Gehäuses GH angebracht ist eine IR-Sensorchipeinrichtung SC, welche an Ihrer Oberseite eine Kappe K aufweist, die gleichzeitig auch einen darunterliegenden IR-Erfassungsbereich IB der IR-Sensorchipeinrichtung SC definiert. Die IR-Sensorchipeinrichtung SC ist durch eine Bondverbindung B vakuumdicht auf der ersten Seite S1 angebracht.
-
Auf der gegenüberliegenden zweiten Seite S2 ist eine Linseneinrichtung L vorgesehen, welche das Gehäuse GH ebenfalls vakuumdicht abschließt und derart justiert ist, dass sie externe IR-Strahlung W1 von einem zu überwachenden Betrachtungsobjekt durch einen IR-Strahlungsdurchgang H hindurch auf den IR-Erfassungsbereich IB richtet.
-
Zwischen der Linseneinrichtung L und dem IR-Erfassungsbereich IB zusätzlich vorgesehen ist eine heizbare Membraneinrichtung M, welche für die externe IR-Strahlung W1 durchlässig ist. Die Membraneinrichtung M weist die in 1b) gezeigte Gestalt auf und besteht aus Silizium, in das ein Widerstandsstreifen R0 eindiffundiert ist, beispielsweise durch eine Phosphor- oder Arsendotierung. Dieser Widerstandsstreifen R0 ist an eine Heizsteuereinrichtung ST angeschlossen und lässt sich selektiv heizen, um zusätzlich interne Wärmestrahlung W2 auf den IR-Erfassungsbereich IB der IR-Sensorchipeinrichtung SC zu richten, welche zu Rekalibrierungszwecken verwendet wird. Eine nicht dargestellte Auswerteschaltung für die Rekalibrierung ist beispielsweise auf der IR-Sensorchipeinrichtung vorgesehen und kommuniziert während des Rekalibrierungsbetriebes mit der Heizsteuereinrichtung ST. Zur Kalibrierung lässt sich das dynamische Ansprechverhalten der Pixel der IR-Sensorchipeinrichtung bestimmen, wobei die externe Wärmestrahlung W1 nicht durch einen Shutter abgeschaltet zu werden braucht.
-
Durch die Membraneinrichtung M wird der IR-Strahlungsdurchgang in einen ersten IR-Strahlungsdurchgangsbereich H1 zwischen Membraneinrichtung M und IR-Sensorchipeinrichtung SC und in einen zweiten IR-Strahlungsdurchgangsbereich H2 zwischen Membraneinrichtung M und Linseneinrichtung L unterteilt.
-
2a), b) sind schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a) eine vertikale Schnittdarstellung und 1b) eine horizontale Schnittdarstellung entlang der Linie A-A' in 2a).
-
Bei der in 2a), b) dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse mit Bezugszeichen GH' bezeichnet und weist ein Interposersubstrat I sowie eine Abstandshaltereinrichtung AH auf. Das Interposersubstrat I weist eine Vorderseite VS und eine Rückseite RS auf, wobei die Membraneinrichtung M' bei dieser Ausführungsform an der Vorderseite VS des Interposersubstrats I integriert ausgebildet ist.
-
Dies lässt sich beispielsweise durch einen rückseitigen Ätzprozess erreichen, wodurch eine entsprechende Kaverne OE ausgebildet wird. Die IR-Sensorchipeinrichtung SC ist mittels einer Bondverbindung B auf der Rückseite RS des Interposersubstrats I angebracht, wobei der IR-Erfassungsbereich IB im Bereich der Kaverne angeordnet ist.
-
Auf der Vorderseite VS des Interposersubstrats I ist die Abstandshaltereinrichtung AH in der Peripherie der Membraneinrichtung M' angebracht, wobei die Linseneinrichtung L auf der der Vorderseite VS gegenüberliegenden Seite der Abstandshaltereinrichtung H angebracht ist, beispielsweise durch Einkleben.
-
Somit lässt sich wie bei der ersten Ausführungsform ein erster IR-Strahlungsdurchgangsbereich H1 zwischen Membraneinrichtung M' und IR-Sensorchipeinrichtung SC und ein zweiter IR-Strahlungsdurchgangsbereich H2 zwischen Linseneinreichtung L und Membraneinrichtung M' definieren.
-
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform weist die Membraneinrichtung M' drei unterschiedliche Widerstandsstreifen R1, R2, R3 mit unterschiedlichen Dotierungen auf, wodurch sich bei Anlegen einer entsprechenden Spannung unterschiedliche Temperaturen auf der Membraneinrichtung einstellen lassen, also eine lokal inhomogene Wärmeverteilung.
-
3 ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in analoger Darstellung zu 1a).
-
Bei der dritten Ausführungsform ist ebenfalls ein Interposersubstrat I' vorgesehen, welches eine Vorderseite VS' und eine Rückseite RS' aufweist. Das Interposersubstrat I' hat eine Durchgangsöffnung D, wobei an der Rückseite RS' des Interposersubstrats I' im Bereich des Durchgangs D die IR-Sensorchipeinrichtung SC durch eine Bondverbindung vakuumdicht angebracht ist.
-
Auf der Vorderseite VS' des Interposersubstrats I' im Bereich des Durchganges D angebracht ist eine Membraneinrichtung M'' in Form eines Infrarotquellen-Siliziumchips IC, welcher innerhalb der Abstandshaltereinrichtung AH durch eine Bondverbindung B auf der Vorderseite VS' angebracht ist. Somit ist das Gehäuse GH'' bei dieser Ausführungsform ebenfalls durch das Interposersubstrat I' und die Abstandshaltereinrichtung AH definiert.
-
Der Infrarotquellen-Siliziumchip IC ist darauf ausgelegt, ein vorgegebenes IR-Wärmemuster im Rekalibrierungsbetrieb auf die IR-Sensorchipeinrichtung SC zu projizieren.
-
4 ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung zur Erläuterung einer IR-Sensorchipanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in analoger Darstellung zu 1a).
-
Bei der vierten Ausführungsform ist zusätzlich zum Aufbau der ersten Ausführungsform eine Enspiegelungseinrichtung EE auf der Membraneinrichtung M' auf der Vorderseite VS des Interposersubstrats I ausgebildet, welche dazu beiträgt, die Reflexionsverluste an der Vorderseite VS erheblich zu reduzieren. Weiterhin ist die Kappe K weggelassen, und die Kaverne OE evakuiert. Schließlich ist ein Bewegungssensor BS vorgesehen, und der Rekalibrierungsbetrieb wird in Abhängigkeit davon ausgeführt, dass keine Bewegungen vom Bewegungssensor BS erfasst werden.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
-
Insbesondere sind die angegebenen Geometrien und Anordnungen der IR-Sensorchips und die angegebenen Materialien nur beispielhaft. Auch ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Geometrien der Heizwiderstände in der Membraneinrichtung beschränkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 8362496 B1 [0006]
- EP 2592401 A1 [0007]
- EP 2261618 A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „3D Integration of Image Sensor SiP using TSV Silicon Interposer“, 2009, 11. Electronics Packaging Technology Conference, 26.–29. Mai 2009, Seiten 1430–1436 [0004]
- http://www.axetris.com/pdf/Axetris_Infraered_Sources_F60_ENG.pdf [0005]
