DE102014223962A1 - Sensor pixel for detecting infrared radiation and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Sensorpixel (100) zum Detektieren von Infrarotstrahlung (102), wobei das Sensorpixel (100) eine thermisch von einem Substrat (204) des Sensorpixels (100) entkoppelte Absorberinsel (104) zum Absorbieren der Infrarotstrahlung (102) und eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (106) aufweist, die Bestandteil der Absorberinsel (104) ist und dazu ausgebildet ist, eine Temperatur (112) der Absorberinsel (104) in einem elektrischen Signal (110) abzubilden.The invention relates to sensor pixels (100) for detecting infrared radiation (102), wherein the sensor pixel (100) thermally decouples from a substrate (204) of the sensor pixel (100) absorber island (104) for absorbing the infrared radiation (102) and a metal Insulator semiconductor structure (106) which is part of the absorber island (104) and is adapted to image a temperature (112) of the absorber island (104) in an electrical signal (110).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorpixel zum Detektieren von Infrarotstrahlung, auf ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.The present invention relates to a sensor pixel for detecting infrared radiation, to a method for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation, to a corresponding control device and to a corresponding computer program.
Um Infrarotstrahlung zu registrieren, gibt es zwei Sensorprinzipien. Das erste Sensorprinzip basiert direkt auf der Detektion des Photons unter Verwendung eines gekühlten Detektors. Dadurch kann eine sehr hohe Genauigkeit erreicht werden, allerdings ist der Aufwand und Energieverbrauch gerade für mobile Geräte nicht akzeptabel und zu kostspielig. Das zweite Sensorprinzip basiert auf dem bolometrischen Prinzip, also der Absorption der Photonen und die Detektion der dabei entstehenden Wärme.To register infrared radiation, there are two sensor principles. The first sensor principle is based directly on the detection of the photon using a cooled detector. As a result, a very high accuracy can be achieved, but the effort and energy consumption, especially for mobile devices is unacceptable and too expensive. The second sensor principle is based on the bolometric principle, ie the absorption of the photons and the detection of the resulting heat.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Sensorpixel zum Detektieren von Infrarotstrahlung, ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung, ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, with the approach presented here, a sensor pixel for detecting infrared radiation, a method for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation, a control unit which uses this method, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Gemäß des Planckgesetzes emittiert jedes Objekt mit einer Temperatur um Raumtemperatur, also in etwa 300 Kelvin (300 K), elektromagnetische Strahlung mit einem Schwerpunkt im Ferninfrarotbereich bei Wellenlängen von ca. 8 µm bis 14 µm. In diesem Bereich ist die Absorption in der Atmosphäre nahezu vernachlässigbar, sodass Sensoren die Strahlung auch über große Entfernungen detektieren können und so ein Rückschluss auf die Objekttemperatur gezogen werden kann.According to the Planck Law, each object with a temperature around room temperature, ie in about 300 Kelvin (300 K), emits electromagnetic radiation with a focus in the far infrared range at wavelengths of about 8 microns to 14 microns. In this area, the absorption in the atmosphere is almost negligible, so that sensors can detect the radiation even over long distances and thus a conclusion on the object temperature can be drawn.
Das bolometrische Prinzip ermöglicht ein ungekühltes Betreiben eines Temperatursensors. Die Wandlung des Temperatursignals in ein elektrisch auswertbares Signal kann resistiv, mit Thermoelementen, pyroelektrisch oder mit geeigneten Bauelementen wie z. B. Dioden erfolgen. Da Dioden keine Schaltmatrix zum Auswählen eines einzelnen Pixels benötigen sowie auch für Temperaturgleichsignale empfindlich sind, können sie in Mikrobolometern eingesetzt werden.The bolometric principle allows uncooled operation of a temperature sensor. The conversion of the temperature signal into an electrically evaluable signal can be resistive, with thermocouples, pyroelectric or with suitable components such. As diodes occur. Since diodes do not require a switching matrix to select a single pixel and are also sensitive to temperature equalization signals, they can be used in microbolometers.
Da Dioden in einer Spannungsrichtung sperren, fließt bei geeignetem Anschluss der Strom nur durch jeweils ein Pixel des Arrays. Einige Prinzipien, wie beispielsweise pyroelektrisch reagieren nur auf Temperaturänderungen. Um ein Wärmebild zu erzeugen, wird dabei ein "Chopper" eingesetzt, der das Pixel immer wieder abdunkelt.Since diodes block in a voltage direction, the current flows through only one pixel of the array with a suitable connection. Some principles, such as pyroelectric, only react to temperature changes. To create a thermal image, a "chopper" is used, which darkens the pixel again and again.
Um die Sensorempfindlichkeit zu erhöhen, kann entweder das Design des MEMS-Pixels optimiert werden oder die Sensitivität des Bauelementes erhöht werden. Im Falle von Dioden ist Letztere technologisch nur in Grenzen einstellbar. Aus diesem Grund werden mehrere Dioden in Serienschaltung kombiniert, um die Temperatursensitivität additiv zu erhöhen. Dadurch ergibt sich eine Temperatursensitivität von ca. –2 mV/K pro Diode bei konstantem Strom in der Größenordnung µA.In order to increase the sensor sensitivity, either the design of the MEMS pixel can be optimized or the sensitivity of the component can be increased. In the case of diodes, the latter is technologically adjustable only within limits. For this reason, several diodes are combined in series to additively increase the temperature sensitivity. This results in a temperature sensitivity of about -2 mV / K per diode at constant current in the order of μA.
Dies begrenzt zwangsläufig auch das Miniaturisierungspotenzial des Sensors. Da die Optik, beispielsweise aus gefrästen Germaniumlinsen, Hauptkostentreiber des Systems ist, besteht ein großes Interesse an kleineren Pixeln. Bei gleicher Auflösung, also gleicher Anzahl an Pixeln, kann dann eine kleinere und damit günstigere Optik verwendet werden.This inevitably also limits the miniaturization potential of the sensor. Since the optics, for example of milled germanium lenses, is the main cost driver of the system, there is a great interest in smaller pixels. With the same resolution, ie the same number of pixels, then a smaller and therefore cheaper optics can be used.
Der hier vorgestellte Ansatz zeigt eine Möglichkeit auf, das Sensorsignal mittels Metall-Isolator-Halbleiter-Kapazitäten zu generieren. Der große Vorteil besteht hier in einem sehr hohen Miniaturisierungspotenzial bei gleichzeitig einer um drei Größenordnungen erhöhten Temperatursensitivität im Vergleich zu den bisher eingesetzten pn-Dioden.The approach presented here shows a possibility of generating the sensor signal by means of metal-insulator-semiconductor capacitances. The great advantage here is a very high miniaturization potential with simultaneously increased by three orders of magnitude temperature sensitivity compared to the previously used pn diodes.
Der hier vorgestellte Sensor basiert auf dem temperaturabhängigen Tunnelstrom eines Metall-Isolator-Halbleiter (Metal-Insulator-Semiconductor, MIS) Schichtstapels. Dabei kann der Isolator aus dem Oxid des Halbleiters bestehen und ist bevorzugt dünner als ca. 5 nm. Das Materialsystem ist dann beispielsweise Si, SiO2 und ein Metall, wie beispielsweise AI. Bei Materialen mit höherer Dielektrizitätszahl (high k Materialien), kann die Schicht entsprechend dicker sein. Neben der problemlosen vollständigen Integration in den Chip ist der hier vorgestellte Sensor durch eine um drei Größenordnungen höhere Temperatursensitivität im Vergleich zu konventionellen Dioden gekennzeichnet.The sensor presented here is based on the temperature-dependent tunnel current of a metal-insulator-semiconductor (Metal-Insulator-Semiconductor, MIS) layer stack. In this case, the insulator can consist of the oxide of the semiconductor and is preferably thinner than approximately 5 nm. The material system is then, for example, Si, SiO 2 and a metal, such as Al, for example. For materials with a higher dielectric constant (high k materials), the layer may be correspondingly thicker. In addition to the trouble-free full integration into the chip is the sensor presented here is characterized by a three orders of magnitude higher temperature sensitivity compared to conventional diodes.
Der hier vorgestellte Sensor ist für den Einsatz in Ferninfrarot Mikrobolometern prädestiniert. Durch die Verwendung von CMOS kompatiblen Materialien und das hohe Miniaturisierungspotenzial entspricht er dem aktuell verfolgten low-cost Ansatz bei gleichzeitig besserer Performance als die aktuell eingesetzten pn-Dioden. Durch den deutlich geringeren elektrischen Arbeitspunkt von kleiner 1 V im Vergleich zu n mal 0,7 V bei n Dioden in Serie, besteht darüber hinaus die Möglichkeit, einen low-power ASIC Prozess einzusetzen. Dies ist vor allem für mobile Anwendungen mit begrenztem Energiespeicher vorteilhaft.The sensor presented here is predestined for use in far-infrared microbolometers. By using CMOS-compatible materials and the high miniaturization potential, it corresponds to the currently pursued low-cost approach with better performance than the currently used pn-diodes. Due to the significantly lower electrical operating point of less than 1 V compared to n times 0.7 V with n diodes in series, there is also the option to use a low-power ASIC process. This is particularly advantageous for mobile applications with limited energy storage.
Aufgrund des enormen Miniaturisierungspotenzials der Bauelemente sind für die Pixelgröße abgesehen von der Absorptionsfläche quasi keine Grenzen gesetzt. Eine hohe Temperaturempfindlichkeit ist bei geschickter Auswertung nicht abhängig von der Größe des Bauelementes. Dadurch ergeben sich Sensoren mit sehr kleiner thermischer Masse, die demzufolge sehr kurze Reaktionszeiten aufweisen. Dies ist vor allem für die Anwendung im Automotive-Umfeld vorteilhaft.Due to the enormous miniaturization potential of the components, virtually no limits are set for the pixel size apart from the absorption surface. A high temperature sensitivity is not dependent on the size of the component with skillful evaluation. This results in sensors with very small thermal mass, which consequently have very short reaction times. This is particularly advantageous for use in the automotive industry.
Es wird ein Sensorpixel zum Detektieren von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei das Sensorpixel die folgenden Merkmale aufweist:
eine thermisch von einem Substrat des Sensorpixels entkoppelte Absorberinsel zum Absorbieren der Infrarotstrahlung; und
eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur, die Bestandteil der Absorberinsel ist und dazu ausgebildet ist, eine Temperatur der Absorberinsel in einem elektrischen Signal abzubilden.A sensor pixel for detecting infrared radiation is presented, wherein the sensor pixel has the following features:
an absorber island thermally decoupled from a substrate of the sensor pixel for absorbing the infrared radiation; and
a metal-insulator-semiconductor structure, which is part of the absorber island and is adapted to image a temperature of the absorber island in an electrical signal.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorpixels zum Detektieren von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei das Sensorpixel eine thermisch von einem Substrat des Sensorpixels entkoppelte Absorberinsel mit einer Metall-Isolator-Halbleiterstruktur aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Auswerten eines elektrischen Signals der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift, um eine Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur zu bestimmen; und
Bereitstellen einer Temperaturinformation, welche die Temperatur der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur repräsentiert.Furthermore, a method for operating a sensor pixel for detecting infrared radiation is presented, wherein the sensor pixel has an absorber island thermally decoupled from a substrate of the sensor pixel with a metal-insulator-semiconductor structure, the method comprising the following steps:
Evaluating an electrical signal of the metal-insulator-semiconductor structure using a processing rule to determine a temperature of the metal-insulator-semiconductor structure; and
Providing temperature information representing the temperature of the metal-insulator-semiconductor structure.
Es kann mit einem konstanten Stromfluss des elektrischen Signals ausgewertet werden, um eine Temperaturempfindlichkeit zu erhöhen. Alternativ oder ergänzend kann mit einer konstanten Spannung des elektrischen Signals ausgewertet werden, um einen Temperaturmessbereich zu vergrößern. Damit kann an einem Sensorpixel gemäß dem hier vorgestellten Ansatz je nach Bedarf mit angepassten Messabläufen gemessen werden.It can be evaluated with a constant current flow of the electrical signal to increase temperature sensitivity. Alternatively or additionally, can be evaluated with a constant voltage of the electrical signal to increase a temperature measuring range. This can be measured at a sensor pixel according to the approach presented here as needed with adapted measurement sequences.
Unter Infrarotstrahlung kann elektromagnetische Strahlung verstanden werden, die eine größere Wellenlänge aufweist als sichtbares Licht. Ein Sensorpixel kann eine kleinste Detektoreinheit eines Sensors für die Infrarotstrahlung sein. Der Sensor kann in Verbindung mit einer bildformenden Optik bildgebend sein. Der Sensor kann durch die Optik geformte Infrarotstrahlung in einer Bildinformation abbilden. Eine Absorberinsel kann eine Absorptionsfläche für die Infrarotstrahlung bereitstellen. Eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann ein Halbleiterbauelement sein. Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur übereinander angeordnete Schichten aufweisen.Infrared radiation can be understood as electromagnetic radiation that has a greater wavelength than visible light. A sensor pixel may be a smallest detector unit of a sensor for the infrared radiation. The sensor may be imaging in conjunction with image forming optics. The sensor can image infrared radiation formed by the optics in image information. An absorber island can provide an absorption surface for the infrared radiation. A metal-insulator-semiconductor structure may be a semiconductor device. The metal-insulator semiconductor structure having stacked layers.
Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann eine Metallschicht, zumindest eine Isolatorschicht und eine durch die Isolatorschicht von der Metallschicht elektrisch isolierte Halbleiterschicht umfassen. Dadurch kann das Sensorpixel kostengünstig hergestellt werden.The metal-insulator semiconductor structure may comprise a metal layer, at least one insulator layer, and a semiconductor layer electrically insulated from the metal layer by the insulator layer. As a result, the sensor pixel can be produced inexpensively.
Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann ferner zumindest eine weitere Isolatorschicht umfassen. Die weitere Isolatorschicht kann ein anderes Isolatormaterial umfasen als die Isolatorschicht. Dabei kann die Metallschicht durch die Isolatorschicht und die weitere Isolatorschicht von der Halbleiterschicht isoliert sein. Durch die weitere Isolatorschicht kann eine verbesserte Funktionssicherheit des Sensorpixels erreicht werden.The metal-insulator-semiconductor structure may further comprise at least one further insulator layer. The further insulator layer may comprise a different insulator material than the insulator layer. In this case, the metal layer can be insulated from the semiconductor layer by the insulator layer and the further insulator layer. By the further insulator layer, an improved reliability of the sensor pixel can be achieved.
Die Absorberinsel kann ein Halbleitermaterial aufweisen, das als Halbleiterschicht der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur ausgebildet ist. Durch eine Integration der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur in die Absorberinsel kann eine mehrfache Verwendung des Halbleitermaterials der Absorberinsel erreicht werden. Das Halbleitermaterial stellt dann mechanische Eigenschaften als Trägermaterial und elektrische Eigenschaften für die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur bereit.The absorber island may comprise a semiconductor material, which is formed as a semiconductor layer of the metal-insulator-semiconductor structure. By integrating the metal-insulator-semiconductor structure into the absorber island, a multiple use of the semiconductor material of the absorber island can be achieved. The semiconductor material then provides mechanical properties as a substrate and electrical properties for the metal-insulator-semiconductor structure.
Die Metallschicht der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann als ein erster elektrischer Anschluss zum Abgreifen des elektrischen Signals der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur ausgebildet sein. Die Metallschicht kann als Elektrode des Halbleiterbauelements bezeichnet werden. The metal layer of the metal-insulator-semiconductor structure may be formed as a first electrical terminal for tapping the electrical signal of the metal-insulator-semiconductor structure. The metal layer may be referred to as an electrode of the semiconductor device.
Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann einen zweiten elektrischen Anschluss aufweisen, der durch die Halbleiterschicht von der Isolatorschicht getrennt ist. Der zweite elektrische Anschluss kann auf einer, der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur gegenüberliegenden Seite der Absorberinsel angeordnet sein oder der gleichen Seite der Absorberinsel angeordnet sein, wie die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur. Das elektrische Signal kann an den elektrischen Anschlüssen der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur abgegriffen werden.The metal-insulator-semiconductor structure may include a second electrical terminal that is separated from the insulator layer by the semiconductor layer. The second electrical connection may be arranged on a side of the absorber island opposite the metal-insulator-semiconductor structure or arranged on the same side of the absorber island as the metal-insulator-semiconductor structure. The electrical signal can be tapped at the electrical terminals of the metal-insulator-semiconductor structure.
Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur kann dreidimensional strukturiert ausgeführt sein. Durch eine Strukturierung kann eine vergrößerte Oberfläche bereitgestellt werden. Durch die vergrößerte Oberfläche kann eine Signalstärke des elektrischen Signals vergrößert werden.The metal-insulator-semiconductor structure can be configured in three dimensions. By structuring an enlarged surface can be provided. Due to the enlarged surface, a signal strength of the electrical signal can be increased.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a control unit which is designed to execute, to control or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuerund/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals as a function thereof. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
Tunnelbasierte CMOS-kompatible Temperatursensoren werden aktuell vor allem in hoch integrierten Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) wie z. B. Prozessoren eingesetzt, um ortsaufgelöst eine Überhitzung des Chips zu detektieren. Vor allem durch den fortwährenden Trend der Miniaturisierung und der damit einhergehenden höheren Leistungsdichte wird ein thermisches Management erforderlich.Tunnel-based CMOS-compatible temperature sensors are currently being used mainly in highly integrated circuits (ICs), such as B. processors used to detect spatially resolved overheating of the chip. Mainly due to the ongoing trend of miniaturization and the associated higher power density, thermal management is required.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The approach presented here will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.
Um die Infrarotstrahlung
Das elektrische Signal
Mit anderen Worten zeigt
Die Absorberinsel
Die Balkenstruktur
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ärmchen
Ein dritter Wärmestrom
In den Ärmchen
In einem Ausführungsbeispiel weist das Mikrobolometer·Pixel
Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur
Die Anordnung einzelner Pixel
Die Absorberinsel
Die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird zumindest eine Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Tunnel Kapazität
Die MIS-Tunnel Kapazität
In
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein SiO2/HfO2 Schichtsystem verwendet, um Leckströme durch das sehr dünne SiO2 zu verhindern. Es ergibt sich dadurch im Endeffekt eine erhöhte Zuverlässigkeit. Physikalisch ist zur Umsetzung des Sensorprinzips eine einfache SiO2 Schicht ausreichend.In the illustrated embodiment, a SiO 2 / HfO 2 layer system is used to prevent leakage currents through the very thin SiO 2. This results in the end increased reliability. Physically, a simple SiO 2 layer is sufficient to implement the sensor principle.
Im Gegensatz zu Dioden sind die MIS-Tunnel Kapazitäten
Das dargestellte Auswerteschema
Im ersten Auswertepfad
Im zweiten Auswertepfad
In beiden Auswertepfaden
In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert die erste Verarbeitungsvorschrift einen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Stromfluss
In einem Ausführungsbeispiel repräsentiert eine gemeinsame Verarbeitungsvorschrift ein Kennlinienfeld der Metall-Isolator-Halbleiterstruktur
Der Aufbau kann mit leichten Modifikationen unter Verwendung von Epi-Silizium
Mit anderen Worten zeigt
Prinzipiell ergibt sich der Temperatureffekt wie folgt: Durch ein angelegtes elektrisches Feld zwischen Gateelektrode und Bulk Si wird eine Inversionsladung unter dem Oxid
Mit anderen Worten zeigt
Die Strom-Spannungscharakteristik
Erst im Falle einer Inversion, also einer Anreicherung von Minoritätsladungsträgern und VBG < 0 V, was einem positiven Gatepotenzial entspricht, ist die quadratische Temperaturabhängigkeit für eine Temperaturmessung nutzbar.Only in the case of an inversion, ie an accumulation of minority charge carriers and V BG <0 V, which corresponds to a positive gate potential, is the quadratic temperature dependence usable for a temperature measurement.
Beispielhaft ergibt sich die hier dargestellte temperaturabhängige Messung. Wie man in
Mit anderen Worten zeigt
Eine Auswertung des Stromes bei konstanter Spannung wie durch den senkrechten Pfeil dargestellt eignet sich besonders, wenn eine große Temperaturschwankung zu erwarten ist. Dies kann im Falle einer Mikrobolometer-Anwendung beispielsweise bei sehr hohen Signalen, wie bei der Überwachung eines Laserstrahles oder der Feuererkennung der Fall sein. Bei nur geringen Temperaturhüben eignet sich eher die Messung der Spannung bei konstantem Strom, wie durch den waagerechten Pfeil dargestellt. Hier ergeben sich Temperatursensitivitäten von bis zu –5.5 V/K. Damit ist ein Sensorpixel gemäß dem hier vorgestellten Ansatz um den Faktor 2750 sensitiver als ein einzelner pn-Übergang. An evaluation of the current at constant voltage as shown by the vertical arrow is particularly suitable when a large temperature variation is expected. This can be the case in the case of a microbolometer application, for example, for very high signals, such as in the monitoring of a laser beam or the fire detection of the case. With only low temperature strokes it is more suitable to measure the voltage at constant current, as shown by the horizontal arrow. This results in temperature sensitivities of up to -5.5 V / K. Thus, a sensor pixel according to the approach presented here by the factor 2750 is more sensitive than a single pn junction.
Da bei mikrobolometrischen Aufnahmen von Szenen um 300 K, beispielsweise für Wärmebilder in Nachtsichtsystemen nur Temperaturhübe in der Größenordnung von µK auf dem Pixel zu erwarten sind, ist zweites Auswertekonzept für diese Anwendungen zu bevorzugen. Um beide Anwendungsfälle abzudecken, kann das hier vorgestellte Steuergerät zwischen "konstant Strom" und "konstant Spannung" umschalten. Eine von beiden Lösungen kann ausreichend sein und ist nach wie vor deutlich besser als etablierte Systeme.Since only temperature strokes of the order of magnitude of μK can be expected on the pixel in micro-bolometric images of scenes around 300 K, for example for thermal images in night vision systems, a second evaluation concept is to be preferred for these applications. To cover both applications, the control unit presented here can switch between "constant current" and "constant voltage". Either solution may be sufficient and is still significantly better than established systems.
In dem auf der rechten Seite dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Metall-Isolator-Halbleiterstruktur
Der technisch interessante Bereich des Devices
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, the method steps presented here can be repeated as well as executed in a sequence other than that described.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
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WO2017084859A1 (en) * | 2015-11-20 | 2017-05-26 | Robert Bosch Gmbh | Microbolometer, method for producing a microbolometer and method for detecting an electromagnetic emission |
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WO2017084859A1 (en) * | 2015-11-20 | 2017-05-26 | Robert Bosch Gmbh | Microbolometer, method for producing a microbolometer and method for detecting an electromagnetic emission |
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