DE102014008315A1

DE102014008315A1 - Kapazitive Phasenauslese für dielektrische Mikro-Bolometer

Info

Publication number: DE102014008315A1
Application number: DE102014008315.2A
Authority: DE
Inventors: Albert H. Walenta; Werner Schenk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-31
Filing date: 2014-05-31
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Ein vielversprechendes Verfahren zur Messung der Temperaturänderung von Mikrobolometern in Sensorebenen für Infrarotstrahler bei Umgebungstemperatur stellt die Messung der Kapazitätsänderung von ferroelektrischem Material dar, das aber bisher nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte. Der vorliegenden Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, dass die bis dahin störenden Fluktuationen in dem zur Messung erhaltenen Signal durch Verwendung von feinkörnigem, gesinterten Materialien und von Hochfrequenz beseitigt werden können. Die durch eine Temperaturänderung entstehende Kapazitätsänderung wird durch eine in CMOS-Technologie integrierbare Vorrichtung zum Phasenvergleich gewonnen, wobei eine elektronische Genauigkeit erreicht werden kann, die unter dem thermischen Rauschen für mikrostrukturierte Pixel-Zellen liegt. Auf der Grundlage der gesteigerten Empfindlichkeit bei gleichzeitig verbesserter Zeitauflösung werden technische Lösungen zur Herstellung mit etablierten Fertigungstechnologien angegeben. Durch kostengünstige Herstellung und gesteigerte Auflösung ergeben sich außer dem militärischen Bereich Anwendungen im zivilen Sicherheitsbereich, der automatischen Steuerung im Fahrzeugbereich, der Kontrolle in der Fertigungstechnik, der medizinischen Diagnose und sogar für die persönliche Nutzung bei nicht ausreichender nächtlicher Beleuchtung oder bei entsprechenden Witterungsbedingungen. Bei etwas verringerter Auflösung und dementsprechend geringerem Gewicht und Kosten sind auch Anwendungen im Hobby-Bereich zu erwarten (z. B. Bestückung von Hobby-Drohnen).

Description

Die Erfindung betrifft einen zweidimensionalen in Pixeln strukturierten Strahlungsensor (Array) aus ferroelektrischem Material in Kombination mit integrierter elektronischer Auslese (Auslese-IC) zur bildlichen Aufnahme von Strahlungsverteilungen.
Zweidimensionale Arrays zur bildlichen Aufnahme der Intensität von Strahlungsverteilung in Kombination mit Auslese-IC's (Ref. 1) werden entweder mit einer abbildenden Optik zur photographischen Aufnahme in digitalen Kameras vom ultravioletten Bereich über das sichtbare Spektrum bis hin zum langwelligen Infrarot oder in einer projektiven Geometrie zur Abbildung von anderen Strahlenarten (Röntgen-, Gamma-Neutronen- oder Terahertzstrahlung) verwendet. zeigt den prinzipiellen Aufbau mit der Ausleseelektronik in einer integrierten Schaltung (AIC), der tragenden Brückenstruktur bestehend aus der Membran ISP mit Sensorschicht SR und den Stützpfeilern B sowie den leitenden Kontakten L.
Bei der Kombination von Sensor und Auslese-IC werden hauptsächlich zwei unterschiedliche Verfahren angewandt (Ref. 2):

A. Herstellung des selbstragenden Sensors aus geeignetem Material (z. B. ein Diodenarray aus InGaAs) und Verbindung mit einem eigenständigen Auslese-IC (CMOS IC) durch eine leitende Verbindungstechnik (z. B. „bump bonding”),
B. Strukturiertes Aufbringen der Sensorschicht auf das passivierten Auslese-IC durch geeignete Verfahren (Sputtern, Aufdampfen, auch elektro-mechanisches Strukturieren (MEMS)), wobei in der Passivierungsschicht des Auslese-IC Öffnungen für Durchkontaktierungen vorgesehen werden.

Das Verfahren A hat den Vorteil, dass die Sensorschicht separat gefertigt werden kann, wobei beliebige chemische Verfahren und Temperaturzyklen verwendet werden können, aber den Nachteil, dass die Verbindung zum Auslese-IC aufwendig, störanfällig und kostspielig ist, sowie teilweise durch zusätzliche Kapazitäten die elektronische Signalverarbeitung behindert wird.
Das Verfahren B hat den Vorteil, dass bei Herstellung großer Stückzahlen nur einige preisgünstige zusätzliche Fertigungsschritte bei der IC-Produktion benötigt werden und die elektronische Anbindung an die Ausleseschaltung auf dem IC nur kleine Streukapazitäten und Induktivitäten erzeugt, so dass Signale ungestört übertragen werden können. Das Verfahren hat aber den Nachteil, dass bei dem Aufbringen der Sensorschicht nur begrenzte Verfahrensschritte zugelassen sind, so dass viele Materialien nicht verwendet werden können oder die Qualität nicht optimiert werden kann.
Für den Nachweis von energetischer Strahlung in abbildenden Detektoranordnungen (Arrays) werden hauptsächlich zwei physikalische Prozesse verwendet:

a. Erzeugung freier Ladungsträger in dem Sensor-Material mit anschließendem Transport zu Ausleseelektroden, an denen ein Strom- oder Spannungssignal zu weiteren Verarbeitung entsteht (Prinzip der Ionisationskammer, Ref. 3),
b. Absorption der Strahlung im Sensormaterial und Messung der Temperaturerhöhung (Bolometer, Ref. 2).

Verfahren a) hat den Vorteil, dass es sich um einen Prozess handelt, bei dem einzelne Photonen nachgewiesen werden und damit die theoretisch höchste Empfindlichkeit erreicht werden kann. Allerdings steht dem der Nachteil entgegen, dass die Übertragene Energie einzelner Quanten ΔE höher sein muss als die Ionisationsschwelle ΔE > E_ion. Dies ist bei den weit verbreiteten „Digitalen Kameras” für den sichtbaren Bereich des Lichtes in Silizium Technologie der Fall. Für andere Strahlenarten (z. B. das langwellige Infrarot (FIR) führt das allerdings dazu, dass oft nur exotische Materialien (z. B. Quecksilber-Cadmium-Tellurid, HCT) und oft auch nur bei tiefen Temperaturen verwendet werden können.
Das Verfahren b) hat den Vorteil, dass beliebige Strahlenarten nach Absorption in Wärme konvertiert werden und der dadurch erzeugte Temperaturanstieg ΔT das Signal darstellt. Dieses Verfahren verspricht eine kostengünstige Herstellung von Infrarot Systemen auch für nicht-militärische Anwendungen z. B. für automatisch Fahrzeugführung, Kontrollfunktionen im Umweltbereich oder medizinische Diagnoseverfahren. Es werden erhebliche Anstrengungen unternommen, diese Detektoren weiter zu entwickeln. Das ist auch die Zielrichtung der vorliegenden Erfindung und daher wird die weitere Diskussion dieses Antrags sich auf diese Kategorie beschränken.
Die Temperaturänderung ΔT der Sensorzelle wird in ein elektrisches Signal konvertiert. Hier sind vor allem drei Verfahren verfolgt worden:

α. Änderung des Widerstandswertes von leitendem Material, insbesondere Vanadium Oxyd (VOx) oder amorphes Silizium,
β. Direkte Erzeugung von Spannungssignalen mit pyroelektrischen Materialien
γ. Änderung der temperaturabhängigen Dielektrizitätskonstanten von ferroelektrischem Material, indem damit ein Kondensator hergestellt wird, dessen Kapazitätsänderung ΔC gemessen wird (Ref. 4).

Die Verfahren nach α) und β) sind zunächst aus militärischen Gründen gefördert worden, dann hat sich aber α) durchgesetzt. Eine Diskussion darüber findet sich in Ref. 5. Dem Verfahren γ) wird theoretisch die höhere Empfindlichkeit zugesprochen (Ref. 6), da das Verfahren α) prinzipielle Begrenzungen aufweist (Ref. 2). Die Bedeutung der letztlich erreichbaren Empfindlichkeit ergibt sich aus dem Bestreben, die Leistungsfähigkeit der Detektoren für den Betrieb bei Umgebungstemperatur zu verbessern. Dabei wird eine relative Messgenauigkeiten ΔT/T ≈ 10^–6 oder besser verlangt.
Der Hauptgrund für das in der Praxis schlechtere Abschneiden der ferroelektrischen Materialien (Methode γ) liegt darin begründet, dass die dielektrische Suszeptibilität
mit P der Polarisation, ε der Dielektrizitätskonstanten und E dem angelegten elektrischen Feld spontane Polarisation mit Hysterese aufweist (Definition ferroelektrischer Materialien) und damit mit einem elektrischen Feld in einfacher Weise nicht eindeutig messbar ist. Außerdem entsteht die Temperaturabhängigkeit der Suszeptibilität unterhalb (ansteigend) und oberhalb (abfallend) einer kritischen Temperatur (Curie Temperatur) die durch Phasenübergänge 1. und 2. Art charakterisiert ist und somit zusätzliche Fluktuationen erzeugt (Ref. 7). Wegen der Begrenzung der Temperatur beim Aufbringen der Sensorschichten auf einen fertigen Auslese-IC können die Materialien nur eingeschränkt optimiert werden.
Für alle Methoden α) bis γ) müssen für eine erfolgreiche Auslese noch weitere Parameter optimiert werden. Die Messgröße ΔT auf dem Pixel mit der Wärmekapazität C_W entsteht durch Aufnahme der einfallenden Strahlungsleistung P_in, vermindert durch den Verlust von Strahlungsleistung an die Umgebung P_out, und durch eine abgeführte Wärmeleistung P_ab aufgrund von Konvektion und Wärmeleitung über Befestigungsbrücken. Die Verluste können in guter Näherung zusammengefasst werden und sind durch eine Proportionalitätskonstante K mit ΔT verknüpft: P_out + P_ab = P_loss = K·ΔT. Es ergibt sich dann eine Differentialgleichung
Im Temperaturgleichgewicht mit der Detektorumgebung ist ΔT = 0 und die Verluste werden gerade durch die einfallende Strahlung P_in0 ausgeglichen. Eine gute Charakterisierung der Detektoreigenschaften erhält man, wenn angenommen wird, dass die Eingangsstrahlung im selektierten Pixel sprunghaft zur Zeit t = 0 um einen Wert ΔP_in ansteigt. Es ergibt sich dann ΔT(t) = A / B(1 – e^–Bt) mit A = ΔP_in/C_w und B = K/C_w. (1)
Der maximale Temperaturanstieg ΔT im neuen Gleichgewichtszustand ist durch das Verhältnis A/B gegeben und damit ist die Detektorempfindlichkeit ΔT_max/ΔP_in = 1/K nur eine Funktion den Wärmeverluste K. Die Zeitkonstante des durch die Exponentialfunktion gegebenen Anstiegs ist gegeben durch τ = C_W/K.
Unter Einbeziehung des Detektorrauschens erhält man als Maß der Empfindlichkeit die Detektivität (Ref. 8)
mit NEP der rauschäquivalenten Leistung („noise equivalent power”), A der Detektorfläche und Δf der effektiven Bandbreite. Daraus kann die rauschäquivalente Temperaturänderung des Detektors berechnet werden:
Ein Wert für einen idealen Detektor bei 300 K findet sich in der Literatur (Ref. 9) D* = 1,98·10⁸ m√Hz W^–1 und damit ergibt sich für einen typischen Detektor, wie er in derselben Publikation angegeben wird mit A = (50 μm)², K = 10^–9 J/K und einer Bandbreite von 30 Hz der Wert für (δT)_NEPtherm = 84 μK. Dieser Wert sollte eigentlich die untere Grenze darstellen, trägt aber bei den bisher entwickelten Systemen nach den Kategorien (A, B, b, α, β, γ) kaum bei. Unter Verwendung der Formel (1) wurden die Angaben mehrerer bei Ref. 9 beschriebener Systeme zurückgerechnet und Genauigkeiten von (δT)_NEP ≈ 300...900 μK gefunden. Für den angegebenen Beispieldetektor ergab sich (ΔT)_NEP = 500 μK etwa 6-fach größer als der prinzipiell erreichbare Wert (ΔT)_NEPtherm.
Für die Designkriterien einer Pixelstruktur ergeben sich somit die Forderungen:

C. eine möglichst große Empfindlichkeit mit einem geringen spezifischen Wärmeverluste durch bestmögliche thermische Isolation
D. eine möglichst gute Zeitauflösung durch Verringerung der Wärmekapazität bei gegebenem Wärmeverlust.
E. Reduzierung des Rauschbeitrags in der elektronischen Signalkonvertierung

Die Schwierigkeit, den hohen Ansprüche für einen möglichst geringen Wärmeverlust K gerecht zu werden, spiegelt sich in der großen Zahl der auf diesem Gebiet erteilten Patente wieder (Ref. 10), wobei die grundlegende Struktur ( ) unbeeinflusst bleibt. Die Vorschläge betreffen insbesondere das Problem der thermischen Separation der Sensorstruktur (STR) von dem Auslese-IC (AIC), da im Falle des „bump bonding” massive metallische Verbindungen hergestellt werden müssen, im Falle der monolithischen Herstellung geeignete Prozessschritte zur Unterhöhlung der Sensorstruktur und der Führung der leitenden Verbindung ausgeführt werden müssen (Ref. 11). Eine besondere Bedeutung kommt dabei der elektrischen Ankopplung der aktiven Sensors eines Pixels zu: nach dem Wiedemann-Franz'schen Gesetz ist der Quotient aus thermischer Leitfähigkeit κ und elektrischer Leitfähigkeit σ nur eine Funktion der Temperatur und gegeben durch κ / σ=L·T (3)
Mit L = 2,45·10^–8 WΩ/K² (Ref. 7). Eine hohe thermische Isolation bedingt also einen hohen Widerstand in der Auslese, unabhängig von dem Material. So ergibt sich für eine angestrebte thermische Isolation K < 10^–8 ein Widerstand von mindestens 1 kΩ, so dass nur hochohmige Ankopplung in Frage kommt. Die Reduktion der Wärmekapazität C_W wird meistens durch Verkleinerung des Pixelvolumens V = A·d erreicht, wobei allerdings die Schicht d zur Absorption der Strahlung genügend dick bleiben muss oder andere Vorkehrungen getroffen werden müssen, z. B. resonante Absorption.
Die hier vorgestellte Erfindung betrifft im Hauptanspruch den Punkt E und den Konversionstyp γ. Um die Effekte der spontanen Polarisation und der Hysterese zu eliminieren, wird eine kontinuierliche Wechselspannung hoher Frequenz υ verwendet, deren Phase durch eine elektronische Schaltung, bei dem die Sensorkapazität DCP ( ) die aktive Komponente darstellt (LC-Schwingkreis oder Band pass-Filter mit der Güte Q) verschoben wird. Für übliche Schaltungen (LC-Schaltkreise oder aktive „band pass”-Filter mit Operationsverstärkern) ergibt sich Δφ ≈ –Q·Δγ = –Q ΔC / C = –Q·a·ΔT
Mit γ = C(T)/C₀ dem Verhältnis der Kapazität C(T) bei der Temperatur T im Vergleich zu der Kapazität C₀, bei der die eingekoppelte Frequenz υ gleich der Mittenfrequenz ist und für α = (ΔC/C)/ΔT die relative Kapazitätsänderung pro Temperaturänderung angibt. Typische Werte sind α = 0,04 und Q = 25, so dass überschlagsmäßig angesetzt werden kann Δφ ≈ –ΔT/K. Phasenunterschiede von 10^–6 rad sind leicht messbar (z. B. in einen Ratio-Detektor wie in einem kommerziellen FM-Empfänger). Damit lassen sich Temperaturunterschiede bis herab zu wenigen μK messen. Ein Ergebnis ist in gezeigt, mit AS dem anregenden Infrarot-Signal und PHS dem darauf folgenden Signal aus dem Phasendetektor. Eine maximale Fluktuation des Ruhesignals von 25 μK und eine mittlere quadratische Abweichung von (δT)_NEP ≈ (6 μK)_rms wurde gefunden. Dieser Wert ist mit einem größeren Probestück gemessen worden (Ref. 12), bei dem die thermische Grenze deutlich unter dem Messwert liegt und damit stellt dieser die im Augenblick erreichbare Genauigkeit der elektronischen Messung dar.
Die Erfindung beinhaltet ein weitergehendes Konstruktionsmerkmal, bei dem der Kondensator DCP geteilt wird, der Mittenanschluss MK für alle Pixel gemeinsam zur Einspeisung der Hochfrequenz verwendet wird und die beiden äußeren Kontakte der Kondensatoren über thermisch isolierende dünne Leiter an das Auslese-IC angeschlossen werden ( ). Dadurch wird erreicht, dass eine leicht in einem Auslese-IC integrierbare „band pass”-Schaltung (Ref. 13) als Phasenschieber verwendet werden kann ( ). Zur Optimierung kann es nötig werden, die Sensorkapazität zu verringern. Das kann durch Verkleinerung der Fläche A bei Vergrößerung der Dicke D erreicht werden. Dadurch entsteht auch eine weitere Gestaltungsmöglichkeit zur Verringerung der Wärmekapazität (Kriterium D). Die Absorption der Strahlung auf der gesamten Pixelfläche kann durch bekannte Techniken der Aufbringung von gut Wärme leitenden Schichten LA erreicht werden.
Eine weitere Variante betrifft eine rein kapazitive Ankopplung der Auslese im Fall einer sehr hohen Frequenz (≈ GHz) der Wechselspannung, wodurch die Anbindung durch elektrische Leiter zum Auslese-IC vermieden wird ( ). Die Kapazität des Sensormaterials DCP eines Pixels ist wie im vorhergehenden Fall geteilt und die Hochfrequenz wird zentral zugeführt. Dazu wird maximal nur eine Verbindung zum Auslese IC pro Zeile benötigt. Die anderen, äußeren Kontakte werden mit dünnen leitenden Flächen verbunden, die maximal etwas weniger als die halbe Pixelfläche beanspruchen. Im Abstand AS befindet sich eine entsprechende leitende Fläche, die den Kontakt EA zu dem Auslese-IC herstellt, so dass eine Koppelkapazität ZC für die Signalübertragung entsteht. Der definierte Abstand AS kann durch thermisch isolierende Abstandsstücke mechanisch fixiert werden, während im übrigen Bereich Vakuum vorherrscht. Die Absorption der Strahlung auf der gesamten Pixelfläche kann durch bekannte Techniken der Aufbringung von gut Wärme leitenden Schichten LA ( ) erreicht werden. Diese Konstruktionen haben den Vorteil, dass

aa) Bei der Herstellung eines monolithischen Detektors mehr Freiheit für die Aufbringung der Sensorschicht erreicht wird (Kriterien C) und D)),
bb) Die Sensorschicht separat gefertigt werden kann und mit dem Auslese-IC durch einfaches passgerechtes aufeinander Legen und mit einfachen Befestigungen (Passungen, Klammern oder Kleben) verbunden werden kann.

Wegen der erheblichen Verbesserung der Messgenauigkeit ist es ferner auch möglich, einfache Kontaktverfahren zur Aufbringung des selbstragenden Sensors nach Verfahren A zu verwenden, z. B. mit Hilfe sog. „Z-Kleber”, die in vielen preisgünstigen Elektronik Artikeln zu finden sind (z. B. Armbanduhren, Ref. 14), wie unten in dem Ausführungsbeispiel gezeigt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verbesserung der Temperaturmessung nach der Methode γ, wobei besser geeigneter Materialien als Sensor verwendet werden. Durch geeignete Mischkristalle (z. B. Barium Titanat (BaTiO₃) mit Zusatz von Strontium (Sr) und Aluminium Silikat, Magnesium Silikat oder Aluminium Oxyd) können die Werte für die Curie Temperatur optimal verschoben werden und es kann auch eine gleichmäßigere Temperaturabhängigkeit erreicht werden. Dies ist die Grundlage zur Herstellung moderner keramischer Kondensatoren durch Sintern bei hoher Temperatur (Ref. 15). Dafür wird die Technologie der Kondensator-Hersteller genutzt. Die Materialien werden nach einem an der Praxis orientiertem Schlüssel klassifiziert. Für die hier skizzierten Anwendungen kommt Material der Klassifizierung Z5U oder Y5V in Betracht ( zeigt das Material Z5U nach eigenen Messungen). Auch neuere Forschungsergebnisse für feroelektrisches Material (Ref. 16) können die Basis für die Herstellung des Sensors in Betracht gezogen werden.
Als Ausführungsbeispiel wird ein Infrarot Detektor nach dem Prinzip A) aus selbstragender Sensorschicht aufgeführt. Das Sensormaterial bildet mit den Seitenkontakten die geteilte Sensorkapazität DCP, wie in der Seitenansicht ( ) gezeigt. Der Mittenanschluss MA aus metallisch elektrisch – und wärmeleitendem Material dient zur Übertragung der auf der Empfängerelektrode LA absorbierten Wärme. Die Elektroden sind durch eine feste isolierende Trägerschicht ISP (z. B. aus Si₃N₄) von den Sensorkapazitäten DCP getrennt. Die Hochfrequenz wird über Widerstände R aus einer Strip-Leitung SL ebenfalls den Leitern LA zugeführt. Diese Sensorstruktur wird auf eine Isolationsschicht aus Aerogel aufgebracht, auf deren Unterseite sich Kontakte EA befinden. Diese Kontakte sind durch dünne Leiter L mit den Außenkontakten der Sensorkapazität verbunden. Der so gefertigte Sensorblock SB wird mit Hilfe des Z-Klebers ZK mit dem Auslese-IC (AIC) verbunden, wobei dieser auf seiner Oberseite ebenfalls elektrische Kontakte aufweist. zeigt die prinzipielle Anordnung in perspektivischer Sicht, wobei die Einbettung des geteilten Sensormaterials DCP in das tragende Isolationsmaterial AeG mit den thermisch isolierenden Anschlüssen L auf die Kontaktflächen EA und nach der anderen Seite über die Mittenkontakte MA auf die Empfängerelektrode LA deutlich wird. Die Phase wird durch eine elektronische Schaltung nach temperaturabhängig verschoben. Die geteilte temperaturabhängige Sensorkapazität DCP mit dem Mittenkontakt MA dient in Zusammenhang mit dem Operationsverstärker OPA, den Widerständen R1 und R2 als Phasenschieber PHS. Ein quarzgesteuerter Oszillator HFO erzeugt die Hochfrequenz. Als Phasendetektor wird eine Standardschaltung mit digitalen Bausteine, wie in PLL-Schaltungen üblich (Ref. 17), verwendet. Der Phasendetektor lieferte eine analoge Spannung, die in einer „sample-and-hold” Schaltung S/H festgehalten wird und anschließend aus allen Pixeln mit einem Taktsignal SFT dem Bildprozessor zugeführt wird. In der Aufsicht ( ) ist die Anordnung der Pixel im quadratischen Gitter (25 μm × 25 μm) dargestellt mit den eingebetteten Sensorkapazitäten DCP und den darüber liegenden Absorptionsflächen LA (22 μm × 22 μm). Zwischen je zwei Pixelspalten sind Signalleitungen SL mit kontrollierter Impedanz angeordnet, die die Hochfrequenzmit υ ≈ 1 bis 100 MHz (hier im Beispiel 50 MHz) an die Kontakte LA übertragen, wobei eine Widerstandsschicht R zwischengeschaltet ist. Diese Schicht ergibt den Widerstand R1 aus . Er liegt in der Größenordnung von 300 Ω, was nach (3) auch die thermische Isolation begrenzt. Da nur sehr kleine Ströme in diesem Widerstand fließen, ist die zugeführte Wärme von N < 10^–10 W gegenüber der durch Strahlung aufgenommenen zu vernachlässigen. Die Signalleitungen SL werden jeweils durch Treiber BA gespeist und diese wiederum von dem zentralen Generator HFO. Die Treiber und der Generator HFO befinden sich auf den Auslese-IC AIC. Die Verbindung der Treiber-Ausgänge zu den Signalleitungen SL erfolgt über dünne Leiterfolien, kann aber auch durch übliche „bond”-Drähte erfolgen, da die thermische Isolation zu den Pixeln durch R erreicht wird.
Um die Leistungsfähigkeit einer Infrarotkamera mit einem Detektor-Array nach dem Phasen-Messung Verfahren mit bereits auf dem Markt verfügbaren nach dem Verfahren α) zu vergleichen, wurde unter Verwendung von (1) die charakteristische Größe NEDT („noise equivalent temparature difference”, Ref. 2) für ein mit der Kamera betrachtetes Objekt berechnet. Da nur für wenige Detektorsysteme genügend Detailinformationen vorliegen (Ref 9), wurde ein Vergleich mit einer Pixelgröße (45 μm)² durchgeführt ( ), wobei für jede Kurvenschar die verwendete Temperaturauflösung auf dem Pixel und dem variierten thermischen Verlust, hier K = EC in Einheiten von W/K angegeben werden. Das Ergebnis zeigt, dass trotz der wesentlich höheren thermischen Verluste K, die durch die einfache Konstruktion bedingt sind, die wesentlich bessere Temperaturauflösung (δT)_NEP ≈ 20 μK im Detektorpixel nicht nur zu einer besseren NEDT führt, sondern, dass sich das Zeitverhalten verbessert hat, wie nach τ = C_W/K auch zu erwarten ist.
Für hochenergetische ionisierende Strahlung (aufgrund von Neutronen-Reaktionen oder Pakete von Röntgenstrahlen) wird eine Empfindlichkeit von 50 keV vorausgesagt. Bei geringer Temperatursenkung kann dies bis in den 1 keV-Bereich gesenkt werden, so dass sich hier ebenfalls neue Anwendungsgebiete abzeichnen.
Literatur-Zitate

1. 2 D detector arrays, G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. E. Smith: Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept. In: The Bell system technical journal (BSTJ). 49, 1970, 5. 593–600. Peter J. W. Noble (Apr 1968). Self-Scanned Silicon Image Detector Arrays. ED-15 (4). IEEE. pp. 202–209.
2. MEMS-Based Uncooled Infrared Bolometer Arrays – A Review, F. Niklaus, Ch. Vieider and H. Jacobson, Proc. Of SPIE, (2007) Vol. 6836
3. Der Kristallzähler, in Lehrbuch der Kernphysik, G. Hertz, Teubner, Leipzig 1958
4) The dielectric bolometer, a new type of thermal radiation detector, R. A. Hanel, NASA TN D-500, Washington Nov. 1960
5) FLIR technical note, Uncooled detectors for thermal imaging cameras", http://www.flir.com/uploadedFiles/Eurasia/Cores_and_Components/Technical_Notes/uncooled%20 detectors%20BST.pdf
6. A new type of dielectric bolometer mode of infrared detector using ferroelectric thin film capacitors for uncooled focal plane array, M. Noda, K. Hashimoto, R. Kubo, H. Tanaka, T. Mukaigawa, H. Xu and M. Okuyama, Opto-Electr. Rev. 4 no4, (1999) 313–320
7) Einführung in die Festkörperphysik, Ch. Kittel, Oldenbourg, München, Wien 1973
8) R. Müller, „Rauschen", Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 1979
9) Infrared detectors: status and trends, A. Rogalski, Proc. Quant. Electr. 27 (2003) 59–210
10) U.S. patent 6,144,030 ”Advanced small Pixel high fill factor uncooled focal plane array” und Zitate
11) U.S. Patent 5,450,053 Use of vanadium oxide in microbolometer sensors
12) A. H. Walenta, Veröffentlichung in Vorbereitung
13) Function Circuits, Y. J. Wong, W. E. Ott, McGraw-Hill New York, 1976
14) Anisotropic conductive adhesive bonding technology, Miyachi America Corporation 2014 1820 S. Myrtle Ave., Monrovia, CA 91016 USA
15) author = "Wikipedia",title = "Keramikkondensator Wikipedia{,} year = "2014", url = http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Keramikkondensat or&oldid=129959306",note = "[Online; Stand 28. Mai 2014]"
16) Colossal dielectric constants in transition-metal oxides, P. Lunkenheimer, S. Krohns, S. Riegg, S. G. Ebbinghaus, A. Reller, and A. Loidl, Eur. Phys. J. Special Topics 180, 61 (2010).
17) Measurements, Instrumentation and Sensors Handbook, J. G. Webster, H. Eren Edts, CRC Press, Boca Raton 2014.

Claims

Array von Zellen oder einzelne Zellen aus ferroelektrischem Material mit mindestens zwei getrennten Kontakten K zur Bildung einer Kapazität DCP nach , deren Messung in einer damit verbundenen mikroelektronischen Schaltung (AIC, Auslese-IC) a) einen Wert für die Temperatur der Zelle darstellt, b) im Falle eines Arrays einen bildgebenden Detektor für absorbierende energetische Strahlung darstellt, wobei die Zellen dadurch gekennzeichnet sind, dass c) in Verbindung mit einer Reaktanz Z in Serie oder parallel die Messung der resultierenden Phasenverschiebung eines periodisch sich wiederholenden zeitlich veränderlichen Signals, das in einem Oszillator HFO hergestellt und in einem Phasendetektor PHD gemessen wird (z. B. durch additive Mischung und Amplitudenmessung oder digitale Aufbereitung mit Diskriminatoren und Differenzzeitmessung), oder d) in Verbindung mit einer Reaktanz Z in Serie oder parallel einen Schwingkreis bilden und die Frequenz der selbsterregten Schwingung gemessen wird (z. B. Ratio-Detektor, Digital-Zähler, PLL), g) die Sensorkapazität nach geteilt wird, so dass ein Mittenanschluss MK entsteht und der Phasenschieber aus einer „band pass”-Schaltung mit Operationsverstärker nach vorgenommen wird, h) die Amplitude der wirksamen Spannung am ferroelektrischen Material für ein Optimum der Stabilität gering gewählt wird (bis 5 V) i) die Frequenz der Auslese (1 MHz bis 10 GHz) an das dielektrische Verhalten des ferroelektrischen Materials angepasst wird.
Anordnung einer Zelle nach Anspruch 1 und , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der elektrische Anschlüsse EA zur Auslese über eine in Serie geschaltete zusätzliche Kapazität ZC (Auslesekapazität) erfolgt, deren Dielektrikum a) aus einem thermisch gut isolierendem Material besteht (z. B. Aero-Gel) und/oder b) nur eine kleiner Teil aus festem Dielektrikum besteht, das auch die mechanische Stützfunktion übernimmt, während im restlichen Volumen Vakuum vorherrscht, g) so dass nach eine weitgehende thermische Isolation (AS) der Zelle bewirkt wird,
Anordnung des Arrays nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Sensorschicht durch einen separaten Sinterprozess hergestellt wird und die thermische Isolation und/oder die zusätzlichen Auslesekapazitäten durch bekannte Verfahren (Sputtern, Aufdampfen, Elektrolyse, Abscheidung aus einer Lösung, Sintern) aufgebracht werden und mit dem Auslese-IC gekoppelt werden, wobei a) Die Außenelektroden der Zusatzkapazitäten durch „bump bonding” mit vorbereiteten Kontakten auf dem Auslese-IC verbunden werden oder b) passgenau auf dem Auslese-IC fixiert werden, so dass gegenüberliegende Kontaktflächen eine weitere serielle Kapazität darstellen, wobei wahlweise eine weitere dünne Isolationsschicht (ZC) oder Klebeschicht entweder auf der Sensorseite oder auf dem Auslese-IC (z. B. SiO2, SiN2, organische Binder) aufgebracht wird c) gegenüberliegende Kontaktflächen durch eine Kunststofffolie (ZK) verbunden werden, die nur in Richtung der Flächennormalen leitend ist (sog. „Z-Folien”).
Aufbau von Strahlungsdetektorsystemen als a) Infrarot Kamera als Fokaldetektor ein Array nach Anspruch 1 bis 3 eingebaut wird, b) Terahertz-Kamera, wobei ein Array nach Anspruch 1 bis 3 eingebaut wird. c) Röntgendetektor, wobei ein Array nach Anspruch 1 bis 3 verwendet wird und der Absorber aus ferroelektrischem Material mit hoher Ordnungszahl und hoher Dichte besteht (z. B. BaTiO₃, PZT) und je nach benötigter Auflösung die Temperatur erniedrigt wird. d) Neutronendetektor, wobei ein Array nach Anspruch 1 bis 3 verwendet wird und der Absorber aus ferroelektrischem Material besteht, bei dem ein oder mehrere Atome aus Li⁶ oder B¹⁰ bestehen (z. B. LiNiO₃) und je nach benötigter Auflösung die Temperatur erniedrigt wird.