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Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor und ein Verfahren zur Detektion von Strahlung.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Strahlungssensor und einem Verfahren zur Detektion von Strahlung nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche aus.
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Es sind Strahlungssensoren bekannt, die auf dem bolometrischen Prinzip beruhen, welches darauf basiert, dass sich der elektrische Widerstand eines Materials bei einer Temperaturänderung ändert. Die Temperaturänderung ergibt sich aus der vom sensitiven Element des Sensors absorbierten elektromagnetischen Strahlung. Die Änderung des elektrischen Widerstands kann beispielsweise mithilfe einer Strom- oder Spannungsmessung detektiert werden und ist somit ein Maß für die absorbierte Strahlung. Ein Beispiel eines solchen Strahlungssensors ist in
DE 102012216618 A1 beschrieben.
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In
CA 2800779 A1 ist ein Mikrobolometer-Sensor beschrieben, der eine Plattform umfasst, die freitragend über einem Substrat angeordnet ist. Des Weiteren sind auf der Plattform ein optischer Absorber und ein temperaturabhängiger Widerstand angeordnet. Der optische Absorber umfasst mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht, die in thermischem Kontakt mit dem temperaturabhängigem Widerstand steht. Die Haltestruktur dient der Fixierung der Plattform über dem Substrat, sodass sie freitragend über dem Substrat angeordnet ist. Die Detektion der Strahlung erfolgt über den temperaturabhängigen Widerstand.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung gibt einen Strahlungssensor und ein Verfahren zur Detektion von Strahlung an.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Strahlungssensor etwa eine Größenordnung sensitiver gegenüber der einfallenden Strahlung ist als die bekannten Strahlungssensoren, die auf dem bolometrischen Prinzip beruhen und bei dem erfindungsgemäßen Strahlungssensor aufgrund seines Aufbaus Füllfaktoren von nahezu 100 % möglich sind.
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Dies wird erreicht mit einem Strahlungssensor, umfassend ein freitragendes Element, das einen optischen Absorber umfasst, eine Haltestruktur, die das freitragende Element trägt und das freitragende Element mit einem Substrat verbindet, wobei die Haltestruktur mindestens ein Halteärmchen mit temperaturabhängigem Elastizitätsmodul (E-Modul) umfasst, eine Struktur, welche das freitragende Element und die Haltestruktur umfasst, als schwingfähiges System ausgebildet ist und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz der Struktur und zur Bestimmung der absorbierten Strahlung aus der ermittelten Resonanzfrequenz der Struktur, vorgesehen ist. Die Resonanzfrequenz der Struktur ändert sich, wenn die Struktur einer Strahlung ausgesetzt wird, da die vom optischen Absorber absorbierte Strahlung zu einer Temperaturänderung führt und sich damit insbesondere der E-Modul des Halteärmchens wegen der einwirkenden Temperatur verändert.
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Der erfindungsgemäße Strahlungssensor umfasst die Haltestruktur, die das freitragende Element trägt und dieses mit dem Substrat verbindet. Die Haltestruktur umfasst mindestens ein Halteärmchen mit temperaturabhängigem E-Modul. Ein Vorteil dieses Aufbaus ist, dass eine Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlungssensors unter Verwendung von Standard-Prozessen der Halbleiterindustrie ermöglicht wird.
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Zusätzlich umfasst das freitragende Element in einer Ausführungsform eine erste Elektrode und auf der dem freitragenden Element zugewandten Seite des Substrats ist eine zweite Elektrode aufgebracht, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode zusammen einen Kondensator bilden. Mithilfe einer Kapazität des Kondensators wird die Resonanzfrequenz der Struktur ermittelt. Dieser Aufbau des erfindungsgemäßen Strahlungssensors ermöglicht vorteilhafterweise eine Herstellung unter Verwendung von Standard-Prozessen der Halbleiterindustrie. Zudem wird durch die Verwendung einer ersten Elektrode ein effektiver mechanischer Antrieb ermöglicht, da die Elektrode eine große Anzahl Ladungsträger aufnehmen kann, die von der zweiten Elektrode angezogen werden.
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Die erste Elektrode wird in einer weiterführenden Ausführungsform aus dem gleichen Material wie das freitragende Element gefertigt. In dieser Ausführungsform wirkt das freitragende Element zusammen mit der ersten Elektrode als „Gegenelektrode“ zur zweiten Elektrode. Diese Wirkung basiert darauf, dass im freitragenden Element und der ersten Elektrode ein Dipol induziert wird. Ein Vorteil gegenüber der Ausbildung der ersten Elektrode aus einem anderen Material als das freitragende Element ist, dass bei der Herstellung des Strahlungssensors Prozessschritte entfallen, da die erste Elektrode und das freitragenden Element in einem gemeinsamen Prozessschritt ausgebildet werden können. Zudem entfällt eine elektrische Kontaktierung der ersten Elektrode. Dadurch wird die thermische Entkopplung der Struktur vom Substrat verbessert.
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Insbesondere wird die Struktur oder die Haltestruktur in einer Ausführungsform als Lack ausgeführt. Dieser kann bei der Herstellung des Strahlungssensors auf eine andere Schicht, beispielsweise eine Opferschicht oder eine andere Materialschicht, aufgesprüht oder aufgeschleudert werden. Ein Vorteil ist, dass dadurch Prozesskosten eingespart werden.
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In einer weiterführenden Gestaltungsform wird das Substrat als CMOS-Wafer (CMOS = Complementary metal-oxide-semiconductor), insbesondere als ASIC (applicationspecific integrated circuit) ausgebildet. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, die Auswerteeinheit in das Substrat zu integrieren. Des Weiteren wird die Integration eines Lock-In Verstärkers zur Unterdrückung von Rauschen ermöglicht, was insbesondere bei einer Closed-Loop Auswertung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz der Struktur von Vorteil ist.
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Vorzugsweise ist die zweite Elektrode als Antriebselektrode vorgesehen und eine Detektionselektrode wird separat auf dem Substrat ausgebildet. Ein Vorteil ist, dass somit eine deutlichere Signaltrennung ermöglicht wird und die Bandbreite des Sensors erhöht wird.
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Vorteilhaft wird die zweite Elektrode in Form von mehreren separaten Einzelelektroden auf dem Substrat ausgebildet, die als Antriebselektroden vorgesehen sind. So können eventuelle Verkippungen des Sensors berücksichtigt werden und trotzdem eine senkrechte Bewegung initiiert werden
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In einer alternativen Gestaltungsform wirkt die zweite Elektrode sowohl als Antriebselektrode als auch als Detektionselektrode, wodurch vorteilhafterweise das Strukturieren mehrerer Elektroden auf dem Substrat entfällt. Weiterhin kann durch die größere Elektrodenfläche eine effektivere Antriebswirkung erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Struktur alternativ oder ergänzend einen plasmonischen Absorber, wodurch die Absorption der Strahlung gegenüber der Verwendung eines Strahlungssensors ohne plasmonischen Absorber erhöht wird und somit die Sensitivität sowie die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Strahlungssensors verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist das Ausbilden des plasmonischen Absorbers auf der Haltestruktur, da die Änderung der Resonanzfrequenz insbesondere durch den temperaturabhängigem E-Modul der Haltestruktur hervorgerufen wird. Durch den plasmonischen Absorber wird die Strahlungsabsorption im Bereich der Haltestruktur verstärkt und somit eine höhere Sensitivität gegenüber der einfallenden Strahlung erzielt.
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Zur Detektion von Strahlung mittels eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors wird die Resonanzfrequenz der Struktur ermittelt. Die Änderung der Resonanzfrequenz der Struktur basiert insbesondere auf einer Änderung des E-Moduls des Halteärmchens auf Grund einer Änderung der Temperatur. Die Änderung der Temperatur wird bei dem erfindungsgemäßen Strahlungssensor durch die Absorption einfallender Strahlung bewirkt. Somit kann der einfallenden Strahlung eine Temperaturänderung zugeordnet werden, wobei diese Temperaturänderung eine Änderung der Materialeigenschaften der Struktur, insbesondere des E-Moduls, bewirkt. Diese Änderung der Materialeigenschaften führt zu einer Änderung der Resonanzfrequenz der Struktur, die als schwingfähiges System ausgebildet ist.
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Ein Verfahren zur Detektion von Strahlung umfasst das Ermitteln einer Resonanzfrequenz der Struktur, die unter Verwendung einer Kennlinie einer absorbierten Strahlung zugeordnet wird. Da eine Frequenzmessung mit einer hohen Genauigkeit möglich ist, wird vorteilhafterweise eine hohe Auflösung mittels des erfindungsgemäßen Strahlungssensors erreicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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Es zeigen
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1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Strahlungssensor,
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2a einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors mit einer ersten Elektrode, die auf der Unterseite des optischen Absorbers angeordnet ist,
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2b einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors, wobei die erste Elektrode auf der Unterseite des optischen Absorbers angeordnet ist und die Halteärmchen eine Anschlussmetallisierung umfassen,
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3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors mit einer ersten Elektrode, die aus dem gleichen Material wie das freitragende Element gefertigt ist,
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4 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors mit einer ersten Elektrode, die vom optischen Absorber umschlossen wird,
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5 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors, dessen erste Elektrode auf der Oberseite des optischen Absorbers angeordnet ist,
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6 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors, bei dem die Antriebselektroden und die Detektionselektroden separat ausgeführt sind,
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7a einen Querschnitt eines Ausschnitts der Struktur, die einen plasmonischen Absorber umfasst,
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7b einen Ausschnitt einer Draufsicht auf die Absorberformelemente, die auf der Struktur angeordnet sind und
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8 ein Ablaufdiagramm einer Closed-Loop Auswertung mit Lock-In Verfahren
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Strahlungssensor 13. Auf einem Substrat 3 ist eine Haltestruktur 2, die zwei Halteärmchen 2a, 2b umfasst angeordnet, die ein freitragendes Element 1 mit dem Substrat 3 verbindet.
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In 2a ist ein erfindungsgemäßer Strahlungssensor 13 im Schnitt dargestellt. In dieser Ausführungsform ist auf einer Oberseite des Substrats 3 eine zweite Elektrode 6 angeordnet. Vorzugsweise wird das Substrat 3 als CMOS-Wafer ausgebildet, dessen oberste Metalllage bereits eine Elektrode enthält, die als zweite Elektrode 6 wirkt. Die zweite Elektrode 6 dient in diesem Ausführungsbeispiel sowohl als Antriebselektrode 8 als auch als Detektionselektrode 9. Auf dem Substrat 3 ist eine Haltestruktur 2 angeordnet. Die Haltestruktur 2 umfasst ein erstes Halteärmchen 2a und ein zweites Halteärmchen 2b. Das erste Halteärmchen 2a ist an einer ersten Stelle des Substrats 3 mit dem Substrat 3 verbunden. An einer von der ersten Stelle beabstandeten zweiten Stelle ist das zweite Halteärmchen 2b mit dem Substrat 3 verbunden. Die Haltestruktur 2 ist aus einem Material mit temperaturabhängigem E-Modul ausgeführt. Die Haltestruktur 2 trägt das freitragende Element 1. Somit schließen das Substrat 3, die Haltestruktur 2 und das freitragende Element 1 einen Hohlraum ein, wobei das Substrat 3 und das freitragende Element 1 gegenüberliegend angeordnet sind und die Halteärmchen 2a, 2b das freitragende Element 1 mit dem Substrat 3 verbinden. Gegenüber der zweiten Elektrode 6, die innerhalb des Hohlraums auf der Oberseite des Substrats 3 angeordnet ist, ist auf der Unterseite des optischen Absorbers 4 eine erste Elektrode 5 ausgebildet. Die erste Elektrode 5 ist in dieser Ausführungsform floatend (nicht geerdet) angeordnet ist, wodurch eine elektrische Kontaktierung der ersten Elektrode 5 entfällt. Alternativ kann die zweite Elektrode 6 in Form zweier separater Elektroden ausgeführt sein. Dabei erfolgt der Antrieb parallel über beide Elektroden. Es wird die kapazitive Kopplung zwischen ihnen detektiert und ausgewertet. Die kapazitve Kopplung dient somit hierbei als Messsignal. Eine maximale Änderung der kapazitiven Kopplung wird bei der Resonanzfrequenz erzielt.
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Die Herstellung des in 2a dargestellten, erfindungsgemäßen Strahlungssensors 13 umfasst bevorzugt die nachfolgenden Prozessschritte, die in an sich bekannter Weise nach Standard-Prozessen der Halbleiterindustrie erfolgen. Es wird ein geeigneter Substratwafer 3 bereitgestellt, der vorzugsweise bereits eine Elektrode umfasst. Beispielsweise eignen sich CMOS-Wafer als Substratwafer 3, da die oberste Metalllage als Elektrode ausgebildet sein kann, die als zweite Elektrode 6 dient. Auf das Substrat 3 und die zweite Elektrode 6 wird eine Opferschicht aufgebracht. Die Opferschicht kann insbesondere aus Fotolack oder Metall ausgeführt sein. Die Dicke der Opferschicht beträgt vorzugsweise zwischen 100 nm und 500 nm. Ein Ruheabstand beschreibt den Abstand zwischen dem freitragenden Element 1 und dem Substrat 3, wenn das schwingfähige System, umfassend die Haltestruktur 2 und das freitragende Element in Ruhe ist, also nicht schwingt. Der Ruheabstand zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode 6 wird durch die Dicke der Opferschicht festgelegt. Die Opferschicht wird strukturiert. In einem weiteren Prozessschritt wird eine Metallisierung auf die strukturierte Opferschicht aufgebracht und strukturiert. Die strukturierte Metallisierung bildet die erste Elektrode 5, die floatend angeordnet ist. Die erste Elektrode 5 stellt eine Gegenelektrode zur zweiten Elektrode 6, die gegenüber der ersten Elektrode 5 angeordnet ist, dar. Die erste Elektrode 5 und die zweite Elektrode 6 bilden zusammen einen Kondensator mit einer elektrischen Kapazität, die durch die Geometrie der Elektroden 2, 6, durch das sich zwischen den Elektroden 2, 6 befindliche Medium und den Abstand der Elektroden 2, 6 voneinander bestimmt wird. Auf die Metallisierung wird eine Schicht eines Materials mit temperaturabhängigem E-Modul aufgebracht, die als optischer Absorber 4 wirkt. Insbesondere kann das Material mit temperaturabhängigem E-Modul ein Lack sein, dieser kann auf eine Materialschicht, in diesem Fall auf die Opferschicht und die Metallisierung, aufgeschleudert oder aufgesprüht werden. Insbesondere ist der Lack aus SU-8, Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem Material aus der Gruppe der Polyimide ausgeführt. Das Material mit temperaturabhängigem E-Modul ist vorzugsweise insensitiv gegenüber standardmäßig verwendeten Ätzlösungen. Des Weiteren ist es vorzugsweise thermisch und mechanisch bis Temperaturen von beispielsweise 250°C stabil. Die Schicht aus dem Material mit temperaturabhängigem E-Modul wird in einem weiteren Prozessschritt strukturiert und ausgehärtet. Die Opferschicht wird beispielsweise mittels Ätzen entfernt, dadurch werden die Haltestruktur 2 und das freitragende Element 1 freigelegt, die somit freitragend auf dem Substrat 3 angeordnet sind. In einem weiteren Prozessschritt wird der Strahlungssensor 13, vorzugsweise unter Einschluss eines Vakuums, verkappt (in der Abbildung nicht dargestellt). Das eingeschlossene Vakuum ist durch einen Druck von weniger als 10 mbar definiert. Vorzugsweise weist das eingeschlossene Vakuum Drücke unterhalb von 1 mbar oder idealerweise von weniger als 0,1 mbar auf.
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2b zeigt eine Ausführungsform, die weitestgehend identisch mit dem Aufbau in 2a ist, wobei eine elektrische Kontaktierung der ersten Elektrode 5 mithilfe einer Anschlussmetallisierung 7 erfolgt, die in die Halteärmchen 2a, 2b integriert ist. Hierzu sind zusätzliche Prozessschritte notwendig. Auf die erste Elektrode 5, die auf der Opferschicht ausgebildet ist, wird die Schicht des Materials mit temperaturabhängigem E-Modul aufgebracht. In dem Bereich, in dem die Halteärmchen 2a, 2b mit dem Substrat 3 verbunden werden, werden die Kontakte, die auf der Oberseite des Substrats 3 ausgebildet sind, durch Ätzen freigelegt. Des Weiteren wird im Bereich der Halteärmchen 2a, 2b eine weitere Metallisierung aufgebracht und strukturiert, die in Kontakt zur ersten Elektrode steht. Diese Metallisierung bildet eine erste Anschlussmetallisierung 7a und eine zweite Anschlussmetallisierung 7b, die die erste Elektrode 5 elektrisch mit dem Substrat 3 verbindet. In einem weiteren Prozessschritt wird eine weitere Schicht des Materials mit temperaturabhängigem E-Modul aufgebracht, sodass die erste Anschlussmetallisierung 7a und die zweite Anschlussmetallisierung 7b von dem Material mit temperaturabhängigem E-Modul umschlossen werden.
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Eine alternative Ausführungsform, die in 3 abgebildet ist, ist weitestgehend identisch mit dem Aufbau in 2a, wobei das freitragende Element 1 keine erste Elektrode 5 umfasst. Bei der Herstellung des Strahlungssensors 13 entfällt somit der Prozessschritt bei dem eine Metallisierung zur Ausbildung der ersten Elektrode 5 aufgebracht und strukturiert wird. Die anderen Prozessschritte sind identisch zu denen, die im Zusammenhang mit der Herstellung des Strahlungssensors in 2a beschrieben sind. Die Dicke des freitragenden Elements 1 kann von der Dicke der Halteärmchen 2a, 2b abweichen. Das freitragende Element 1 weist vorzugsweise Dicken im Bereich einiger µm bis 100 µm auf. Die Halteärmchen 2a, 2b sind maximal um den Faktor 5 dünner als das freitragende Element 1. Durch Anlegen einer Spannung an die zweite Elektrode 6 wird ein Dipol im freitragenden Element 1 induziert. In dieser Ausführungsform wirkt das gesamte freitragende Element 1 als „Gegenelektrode“ zur zweiten Elektrode 6. In einer alternativen Ausführungsform stimmen die Dicke der Halteärmchen 2a, 2b und die Dicke des freitragenden Elements 1 überein. Alternativ kann die zweite Elektrode 6 in Form zweier separater Elektroden ausgeführt sein. Dabei erfolgt der Antrieb parallel über beide Elektroden. Es wird die kapazitive Kopplung zwischen ihnen detektiert und ausgewertet. Die kapazitve Kopplung dient hierbei als Messsignal. Eine maximale Änderung der kapazitiven Kopplung wird bei der Resonanzfrequenz erzielt.
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4 und 5 zeigen verschiedene Varianten, wie die erste Elektrode 5 bezüglich des freitragenden Elements 1 angeordnet werden kann.
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In einer ersten Variante, die in 4 dargestellt ist, wird die erste Elektrode 5 von dem optischen Absorber 4 umschlossen. Bei der Herstellung wird zunächst auf die Opferschicht eine Schicht des Materials mit temperaturabhängigem E-Modul aufgebracht, insbesondere kann dieses bei der Verwendung eines Lackes aufgeschleudert oder aufgesprüht werden. In dem Bereich, in dem die Halteärmchen 2a, 2b mit dem Substrat 3 verbunden werden, werden die Kontakte, die auf der Oberseite des Substrats 3 ausgebildet sind durch Ätzen freigelegt. In einem weiteren Prozessschritt wird eine Metallisierung auf die Schicht mit temperaturabhängigem E-Modul abgeschieden und strukturiert. Aus der Metallisierung wird sowohl die erste Elektrode 5 als auch die Kontaktierung der ersten Elektrode 5 mittels der Anschlussmetallisierung 7 ausgebildet. Zudem wird durch das Aufbringen der Metallisierung der elektrische Kontakt zwischen dem Substrat 3 und der ersten Elektrode 5 hergestellt. Auf die strukturierte Metallisierung wird eine weitere Schicht des Materials mit temperaturabhängigem E-Modul aufgebracht. Alle weiteren Prozessschritte sind identisch zu denen, die im Zusammenhang mit der Herstellung des Strahlungssensors in 2a beschrieben sind. Die erste Elektrode 5, die erste Anschlussmetallisierung 7a und die zweite Anschlussmetallisierung 7b sind in der in 4 gezeigten Ausführungsform von dem Material mit temperaturabhängigem E-Modul umschlossen.
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In einer alternativen Variante, die in 5 dargestellt ist, wird zunächst die Schicht mit temperaturabhängigem E-Modul auf die Opferschicht aufgebracht und anschließend eine Metallisierung auf der Opferschicht abgeschieden und strukturiert. Die weiteren Prozessschritte sind identisch zu denen, die im Zusammenhang mit der Herstellung des Strahlungssensors in 2a beschrieben sind. Bei geeigneter Materialwahl bzw. bei geeigneter Wahl der Geometrie der zweiten Elektrode 6 ist es somit auch möglich einfallende Strahlung, die durch das Substrat 3 hindurch einfällt, zu registrieren
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In 2a bis 5 ist auf dem Substrat 3 die zweite Elektrode 6 einteilig ausgebildet. Die zweite Elektrode 6 umfasst in diesem Fall sowohl die Antriebselektrode 8 als auch die Detektionselektrode 9. In 6 ist eine mehrteilige Elektrode auf dem Substrat 3 ausgebildet. Die Detektionselektrode 9 ist mittig unter dem freitragenden Element 1 auf dem Substrat 3 angeordnet. Links der Detektionselektrode 9 ist eine erste Antriebselektrode 8a angeordnet, rechts der Detektionselektrode ist eine zweite Antriebselektrode 8b angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform können die Funktionen der Elektroden 8a, 8b, 9 vertauscht sein, sodass der Antrieb über die mittig angeordnete Elektrode, die vormalige Detektionselektrode 9 erfolgt und die Detektion mittels der beiden vormaligen Antriebselektroden 8a, 8b erfolgt. Mit dieser Anordnung kann überprüft werden, in welcher Mode die Struktur schwingt, um eine genauere Auswertung zu erreichen und eine Fehlererkennung zu implementieren. Die zweite Elektrode 6 in 2a bis 5 kann durch die mehrteilige Elektrode ersetzt werden.
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Zur Verstärkung der Strahlungsabsorption des optischen Absorbers 4 umfasst die Struktur 10 in einer weiterführenden Gestaltungsform einen plasmonischen Absorber 14. Der in 7a gezeigte plasmonische Absorber 14 ist dreischichtig aufgebaut. Eine erste Schicht wird durch eine untere Metallisierung 11 gebildet. Sie bildet einen Spiegel für die einfallende Strahlung 15. Auf die untere Metallisierung 11 ist eine weitere Schicht abgeschieden, die den optischen Absorber 4 bildet. Absorberformelemente 12 sind auf der von der Seite mit der unteren Metallisierung 11 abgewandten Seite des optischen Absorbers 4 angeordnet. Der optische Absorber 4 stellt einen dielektrischen Resonator dar. Die Resonanzen der plasmonischen Resonatoren, die durch die Absorberformelemente 12 gegeben sind, koppeln an die Moden des dielektrischen Resonators. Dadurch wird die Strahlungsabsorption der Struktur 10 verbessert. Ein Beispiel eines dreischichtigen plasmonischen Absorbers 14 ist in „Achiving an ultra-narrow multiband light absorption meta-surface via coupling with optical cavity" (Liu et al., Nanotechnology 26 (2015)) beschrieben. Zusätzlich kann auf die Absorberformelemente 12 eine weitere Schicht des optischen Absorbers 4 aufgebracht werden.
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In einer Ausführungsform sind die Absorberformelemente 12 des plasmonischen Absorbers 14 in einer Abfolge jeweils einer großen Scheibe 12a und einer kleinen Scheibe 12b angeordnet, wie dies in 7a dargestellt ist. Abhängig davon, welchen Wellenlängenbereich die einfallende Strahlung 15, die detektiert werden soll, aufweist, werden die Dimensionen der Absorberformelemente 12 gewählt. Für Infrarotstrahlung wird beispielsweise der Durchmesser der großen Scheibe 1,9 µm gewählt, der Durchmesser der kleinen Scheibe beträgt in diesem Fall 1 µm. Die Scheiben 12a, 12b sind jeweils in einem Abstand von 2 µm angeordnet. Die Dicke des optischen Absorbers 4 beträgt etwa 300 nm.
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Insbesondere umfasst die Haltestruktur 2 den plasmonischen Absorber 14, da die Änderung der Resonanzfrequenz insbesondere durch den temperaturabhängigen E-Modul der Haltestruktur 2 hervorgerufen wird. Durch den plasmonischen Absorber wird die Strahlungsabsorption im Bereich der Haltestruktur 2 verstärkt. Bevorzugt sind die Absorberformelemente 12 aus Titan (Ti). Die untere Metallisierung 11 wird vorzugsweise aus Aluminium (Al) gebildet.
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Die resonante Auswertung eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors 13 erfolgt mittels des nachfolgend beschriebenen Verfahrens. Die Resonanzfrequenz der Struktur 10, die als schwingfähiges System ausgebildet ist, wird ermittelt. Mit Hilfe einer Kennlinie wird die Resonanzfrequenz der Struktur 10 der absorbierten Strahlung zugeordnet.
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Die Resonanzfrequenz der Struktur 10 wird beispielsweise mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren ermittelt. An die Antriebselektrode 8 und die erste Elektrode 5 wird ein elektrisches Wechselfeld angelegt. Im Fall, dass die zweite Elektrode 6 sowohl als Antriebselektrode 8 als auch als Detektionselektrode 9 dient, wird an die zweite Elektrode 6 das elektrische Wechselfeld angelegt. Ist keine erste Elektrode 5 ausgebildet, so wird in der in der Struktur 10 ein Dipol induziert. Somit übernimmt die Struktur 10 die Funktion der Gegenelektrode zur zweiten Elektrode 6. Die Struktur 10, die als mechanisch schwingfähiges System ausgebildet ist, wird durch das Anlegen des elektrischen Wechselfeldes zu einer mechanischen Schwingung angeregt. Das freitragende Element 1 und die Haltestruktur 2 führen somit eine gekoppelte Schwingung aus. Aufgrund der mechanischen Schwingung der Struktur 10 erfolgt eine zeitliche Änderung des Abstandes zwischen der Struktur 10, die die erste Elektrode 5 umfasst und der zweiten Elektrode 6. Mit der zeitlichen Änderung des Abstandes der Elektroden 5, 6 geht eine zeitliche Änderung der Kapazität des Kondensators, den die erste Elektrode 5 und die zweite Elektrode 6 bilden, einher. Die Änderung der Kapazität wird von der Detektionselektrode 9 detektiert. Die Detektion beruht darauf, dass die elektrische Ladung auf der Detektionselektrode 9 mit der sich ändernden Kapazität zeitlich variiert. Diese zeitlich variierende elektrische Ladung definiert einen elektrischen Wechselstrom, der ein Detektionssignal darstellt. Ein Resonanzfall tritt auf, wenn das treibende Feld, das an die Antriebselektrode 8 angelegt ist, maximale Energie an das schwingfähige System, das durch die Struktur 10 gebildet wird, übertragen wird. Im Resonanzfall weist der an der Detektionselektrode 9 detektierte Wechselstrom eine maximale Amplitude auf. Es wird die Frequenz des elektrischen Wechselfeldes, das an die Antriebselektrode 8 angelegt wird, so eingestellt, dass der detektierte Wechselstrom eine maximale Amplitude aufweist. In dieser Einstellung entspricht die Frequenz des antreibenden elektrischen Wechselfeldes der Resonanzfrequenz der Struktur 10. Diese Frequenz wird vorzugsweise mit einer Closed-Loop Auswertung mit Lock-In Verfahren ermittelt. Ein Ablaufdiagramm, das die Closed-Loop Auswertung mit Lock-In Verfahren zeigt, ist in 8 dargestellt. Hierbei werden zwei Signale 801, 802 als Eingangssignale eines Multiplizierers 803 bereitgestellt. Bei dem ersten Eingangssignal handelt es sich um das Messsignal 801, das in diesem Fall durch das elektrische Wechselfeld, welches die Struktur 10 zu einer mechanischen Schwingung antreibt, gegeben ist. Das zweite Eingangssignal ist ein Referenzsignal 802, beispielsweise ein sinusförmiges elektrisches Wechselfeld, dessen Frequenz zu jedem Zeitpunkt bekannt ist und dessen Phase einstellbar ist. Das Ausgangssignal des Multiplizierers wird mittels eines Tiefpasses 804 gefiltert. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 804 ist ein DC-Signal, das als Eingangssignal einer Kontrolleinheit 805 dient. Das DC-Ausgangssignal des Tiefpasses 804 ergibt Null, sofern die Frequenzen des Messsignals 801 und des Referenzsignals 802 übereinstimmen. Ist das DC-Ausgangssignal ungleich Null, so wird die Frequenz des Referenzsignals 802 verändert und von Neuem mit der Frequenz des Messsignals 801 mittels Multiplizierens und Tiefpassfilterns in der Kontrolleinheit 805 abgeglichen. Eine Anpassung der Frequenz des Referenzsignals 802 wird solange vorgenommen, bis die Kontrolleinheit 805 ein DC-Ausgangssignal, das gleich Null ist, feststellt. Im Fall, dass die Kontrolleinheit 805 eine Null registriert, stimmt die zu jedem Zeitpunkt bekannte Frequenz des Referenzsignals 802 mit der Frequenz des Messsignals 801 überein. Da die Frequenz des Messsignals 801 so eingestellt ist, das sie mit der Resonanzfrequenz der Struktur 10 übereinstimmt, wird mit der Closed-Loop Auswertung mit Lock-In Verfahren, die die Frequenz des Messsignals 801 bestimmt, indirekt auch die Resonanzfrequenz der Struktur 10 ermittelt. Alternativ zur Closed-Loop Auswertung mit Lock-In Verfahren kann die Frequenz des elektrischen Wechselfeldes, das an der Antriebselektrode 8 angelegt ist, mittels eines Zählers ermittelt werden. Die Resonanzfrequenz der Struktur 10 wird unter Verwendung einer Kennlinie der absorbierten Strahlung zugeordnet. Die Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz (in 8 mit f bezeichnet) der Struktur 10 und der absorbierten Strahlung (in 8 mit T bezeichnet) beschreibt, wird in einer Kalibriermessung ermittelt und in der Auswerteeinheit, beispielsweise dem ASIC hinterlegt. Der Ausgang des erfindungsgemäßen Strahlungssensors 13 ist folglich die aus der Änderung der Resonanzfrequenz der Struktur 10 ermittelte absorbierte Strahlung (in 8 mit T bezeichnet).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216618 A1 [0003]
- CA 2800779 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Achiving an ultra-narrow multiband light absorption meta-surface via coupling with optical cavity“ (Liu et al., Nanotechnology 26 (2015)) [0040]
