DE102015220310A1

DE102015220310A1 - Strahlungssensoranordnung und Gasdetektoranordnung

Info

Publication number: DE102015220310A1
Application number: DE102015220310.7A
Authority: DE
Inventors: Ingo Herrmann; David Gross; Fabian Utermoehlen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-04-20
Also published as: WO2017067711A1; CN108139273A; EP3365644A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensoranordnung (21), umfassend – einen Strahlungssensor (2), umfassend ein freitragendes Element (5), welches einen optischen Absorber (6) und eine Widerstandsstruktur (3) umfasst und eine Haltestruktur (4), welche das freitragende Element (5) in einem Abstand zu einem Substrat (1) hält und welche eine Verbindung zwischen dem freitragenden Element (5) und dem Substrat (1) darstellt, sowie – eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer absorbierten Strahlung aus der Änderung eines elektrischen Widerstands der Widerstandsstruktur (3) gekennzeichnet durch – eine wellenlängenselektive Auslegung des optischen Absorbers (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungssensoranordnung und eine Gasdetektoranordnung.
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Strahlungssensoranordnung und einer Gasdetektoranordnung nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche aus.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Strahlungssensoren bekannt, die auf dem bolometrischen Prinzip beruhen. Das bolometrische Prinzip basiert darauf, dass sich ein elektrischer Widerstand eines Materials im Zuge einer Temperaturänderung ändert. Strahlungssensoren, die auf diesem Prinzip beruhen, verfügen über ein sensitives Element, welches eine Struktur umfasst, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu absorbieren. Des Weiteren umfasst das sensitive Element eine weitere Struktur, deren elektrischer Widerstand als Messgröße für die einfallende elektromagnetische Strahlung dient. Aufgrund der Absorption der elektromagnetischen Strahlung erfährt das sensitive Element eine Temperaturänderung. Durch die Temperaturänderung ergibt sich eine Änderung des elektrischen Widerstands der weiteren Struktur des sensitiven Elements, die ein Maß für die absorbierte Strahlung darstellt. Besonders interessant sind die Strahlungssensoren, die auf dem bolometrischen Prinzip beruhen, zum Messen einer Infrarotstrahlung, da die meisten dieser Strahlungssensoren im infraroten Bereich die höchste Sensitivität aufweisen. Zum Beispiel wird in WO 2008/028512 A1 ein solcher Strahlungssensor beschrieben.
In „An open path, fast response infrared absorption gas analyzer for H2O and CO2" (Auble et al., (1991)) wird die Analyse eines Gases mithilfe eines NDIR-Gasdetektors (NDIR = Nondispersive infrared) beschrieben. Ein NDIR-Gasdetektor umfasst typischerweise eine Infrarotlichtquelle, optische Filter und einen Infrarot-Strahlungsdetektor. Viele atmosphärische Gase absorbieren infrarote Strahlung bestimmter Wellenlängen. Man spricht hier von sogenannten Absorptionsbändern. Kohlenstoffdioxid und Wasser sind Beispiele solcher atmosphärischer Gase. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Absorptionsbänder weitestgehend unbeeinflusst von anderen atmosphärischen Gasen sind. Die optischen Filter des NDIR-Gasdetektors sind als schmalbandige Bandpass-Interferenzfilter ausgebildet und transmittieren charakteristische Wellenlängen des zu detektierenden Gases, die Teil des Absorptionsbandes sind. Die transmittierte Strahlung wird dann mithilfe des Infrarot-Strahlungsdetektors detektiert.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gibt eine Strahlungssensoranordnung und eine Gasdetektoranordnung an.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung kostengünstig und mit Standard-Prozessen der Halbleiterindustrie hergestellt werden kann und dass die Sensitivität der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung gegenüber elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen einstellbar ist. Dies ist für eine Vielzahl von Anwendungen interessant, bei denen das Transmissionsverhalten von Strahlung spezifischer Wellenlängen untersucht werden soll.
Dies wird erreicht mit einer Strahlungssensoranordnung, umfassend einen Strahlungssensor, umfassend ein freitragendes Element, welches einen optischen Absorber und eine Widerstandsstruktur umfasst und eine Haltestruktur, welche das freitragende Element in einem Abstand zu einem Substrat hält und welche eine Verbindung zwischen dem freitragenden Element und dem Substrat darstellt, sowie eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer absorbierten Strahlung aus der Änderung eines elektrischen Widerstands der Widerstandsstruktur, wobei sich die Strahlungssensoranordnung durch eine wellenlängenselektive Auslegung des optischen Absorbers auszeichnet.
In einer Ausführungsform umfasst das freitragende Element der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung plasmonische Absorberelemente. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Absorption des Strahlungssensors verbessert wird und somit die Sensitivität und die Genauigkeit der Strahlungssenoranordnung im Vergleich zu einer Strahlungssensoranordnung ohne plasmonische Absorberelemente erhöht wird.
Zusätzlich oder alternativ kann auf dem Substrat unterhalb des freitragenden Elements ein Reflektor aufgebracht werden, der zusammen mit dem freitragenden Element einen Resonator bildet. Dadurch wird vorteilhafterweise die Absorption des Strahlungssensors verbessert und somit die Sensitivität und die Genauigkeit der Strahlungssenoranordnung im Vergleich zu einer Strahlungssensoranordnung ohne Reflektor erhöht.
In einer Ausführungsform wird der optische Absorber zur wellenlängenselektiven Absorption im Bereich der infraroten Strahlung ausgelegt. Dies ist von Vorteil für Anwendungen, bei denen die erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung zur Ermittlung einer Strahlung im infraroten Bereich eingesetzt wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung vorteilhafterweise zur Ermittlung einer Strahlung im ultravioletten Bereich eingesetzt werden, indem der optische Absorber zur wellenlängenselektiven Absorption im Bereich der ultravioletten Strahlung ausgelegt wird.
Vorteilhafterweise kann der optische Absorber als Lack ausgeführt werden. Dieser lässt sich bei der Herstellung des Strahlungssensors auf eine andere Schicht, beispielsweise eine Opferschicht oder eine andere Materialschicht, aufsprühen oder aufschleudern. Dadurch werden vorteilhafterweise Prozesskosten eingespart.
Um unerwünschte Temperatureinflüsse auf die Strahlungssensoranordnung zu kompensieren, kann in einer weiteren Ausführungsform der Strahlungssensor der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung, der eine erste Sensoreinheit bildet, um eine zweite Sensoreinheit ergänzt werden. Die erste und die zweite Sensoreinheit bilden zusammen ein Sensoreinheitenpaar, das zusammen mit mindestens einer Auswerteinheit eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung darstellt. Die zweite Sensoreinheit ist dabei als Bezugssensoreinheit ausgebildet, wobei die Bezugssensoreinheit baugleich zu der ersten Sensoreinheit ausgeführt ist. Das Sensoreinheitenpaar ist unter einer gemeinsamen Kappe angeordnet. Dadurch sind die erste und die zweite Sensoreinheit den gleichen Temperatureinflüssen ausgesetzt. Die Verkappung wird insbesondere mittels eines Niedertemperaturbondverfahrens aufgebracht.
Zusätzlich kann die Kappe über der Bezugssensoreinheit mit einer für die zu messende Strahlung undurchlässigen Schicht beschichtet sein. Die Bezugssensoreinheit misst somit nur die unerwünschten Temperatureinflüsse, da sie von der zu messenden Strahlung abgeschirmt ist. Dadurch ist vorteilhafterweise der Fehler durch unerwünschte Temperatureinflüsse bekannt und kann beispielsweise durch Differenzbildung kompensiert werden.
Die verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung eignen sich für die Verwendung in einer Gasdetektoranordnung. Eine erfindungsgemäße Gasdetektoranordnung umfasst neben einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung, eine Strahlungsquelle und eine Absorptionsstrecke. Die Absorptionsstrecke ist im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der Strahlungssensoranordnung angeordnet. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung ist, dass das Einbringen von optischen Filtern in den Strahlengang nicht nötig ist, da die Strahlungssensoranordnung selbst zur wellenlängenselektiven Absorption ausgelegt ist. Somit sind eine kostengünstigere und einfachere Herstellung und die Realisierung einer geringeren Baugröße als bei Gasdetektoranordnungen mit optischen Filtern möglich. Zudem zeichnet sich die erfindungsgemäße Gasdetektoranordnung vorteilhafterweise durch geringe Ansprechzeiten im Bereich von Millisekunden aus, wohingegen Gasdetektoranordnungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, typischerweise um eine Größenordnung längere Ansprechzeiten aufweisen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung besteht darin, dass sie einen geringeren Stromverbrauch als Gasdetektoranordnungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, aufweist.
Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Gasdetektoranordnung einen Hilfssensor zur Überwachung der Strahlungsquelle umfassen. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise die Degradation der Strahlungsquelle überwachen. Insbesondere kann ein Fehler, der sich aus der Degradation der Strahlungsquelle ergibt, somit kompensiert werden. Damit lässt sich vorteilhafterweise die Genauigkeit der Gasdetektoranordnung erhöhen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
Es zeigen
1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung, die einen Strahlungssensor umfasst,
2 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung, die einen Strahlungssensor umfasst, wobei auf dem Substrat unterhalb des freitragenden Elements ein Reflektor angeordnet ist,
3a eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung, die einen Strahlungssensor umfasst, wobei das freitragende Element einen plasmonischen Absorber umfasst,
3b einen Schnitt durch das freitragende Element aus 3a,
4 zeigt eine Skizze einer Transmittanzkurve eines wellenlängenselektiven Lackes im Infrarotbereich,
5 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung, wobei ein Sensoreinheitenpaar auf einem gemeinsamen Substrat und unter einer gemeinsamen Kappe angeordnet ist und die Kappe über einer Bezugssensoreinheit außen mit einer Funktionsschicht beschichtet ist,
6 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung, wobei ein Sensoreinheitenpaar auf einem gemeinsamen Substrat und unter einer gemeinsamen Kappe angeordnet ist, wobei eine Funktionsschicht auf der Innenseite der Kappe über einer Bezugssensoreinheit angeordnet ist,
7a einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung,
7b einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung mit Hilfssensor,
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung einer Strahlung mittels einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung und
9 ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung einer Gaskonzentration unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung 21. Die Strahlungssensoranordnung 21 umfasst einen Strahlungssensor 2 und eine Auswerteinheit, die in diesem Ausführungsbeispiel in ein Substrat 1 integriert ist. Auf dem Substrat 1 ist eine Haltestruktur 4 angeordnet, die ein freitragendes Element 5 trägt. Somit ist das freitragende Element 5 in einem Abstand zum darunterliegenden Substrat 1 angeordnet. Die Haltestruktur 4, das freitragende Element 5 und das Substrat 1 umschließen einen Hohlraum. Das freitragende Element 5 umfasst einen optischen Absorber 6, der dazu ausgebildet ist elektromagnetische Strahlung zu absorbieren. Der optische Absorber 6 kann insbesondere als Lack ausgeführt sein. Der optische Absorber 6 ist zur wellenlängenselektiven Absorption ausgelegt. Wellenlängenselektiv bezeichnet eine Eigenschaft des optischen Absorbers 6 nur Strahlung einer oder mehrerer definierter Wellenlängen oder alternativ eines gewählten Wellenlängenbereichs oder mehrerer gewählter Wellenlängenbereiche zu absorbieren. Vorzugsweise wird ein schmaler Wellenlängenbereich gewählt, der wenige hundert Nanometer (nm), beispielsweise 500 nm, breit ist. In 4 ist beispielhaft eine Transmittanzkurve eines selektiven Infrarot-Cut Lackes skizziert, der als optischer Absorber 6 eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors 2 verwendet werden kann. In 4 ist die Transmission T in Prozent gegen die Wellenlänge λ in Nanometer (nm) aufgetragen. Geeignet sind auch Transmittanzkurven, die einen ähnlichen Verlauf wie die in 4 gezeigte Transmittanzkurve aufweisen, bei denen jedoch das Minimum bei einer anderen Wellenlänge liegt. Das freitragende Element 5 umfasst des Weiteren eine Widerstandsstruktur 3. Die Widerstandsstruktur 3 wird insbesondere aus einem Metall ausgebildet. Dieses Metall sollte vorzugsweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein Beispiel eines solchen Metalls, aus dem die Widerstandsstruktur 3 ausgeführt wird, ist durch Titan (Ti) gegeben. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsstruktur 3 mäanderförmig ausgebildet. Das freitragende Element 5 ist parallel zu einer ersten Oberseite 22 des Substrats 1 in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene angeordnet. Die mäanderförmige Widerstandsstruktur 3 ist als Teil des freitragenden Elements 5 ebenfalls in der Ebene parallel zur x-y-Ebene angeordnet. Die Widerstandsstruktur 3 weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dicke von etwa 100 nm und eine Breite von etwa 500 nm auf. Die Breite und die Dicke beziehen sich auf die Abmessungen eines Metallstreifens, der zu einer mäanderförmigen Struktur angeordnet ist, die dann die Widerstandsstruktur 3 bildet. In 1 bezeichnet die Breite die Abmessung des Metallstreifens in x-Richtung. Die Dicke bezeichnet die Abmessung des Metallstreifens in z-Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Widerstandsstruktur 3 vom optischen Absorber 6 vollständig umschlossen. Die Widerstandsstruktur 3 setzt sich in der Haltestruktur 4 fort und ist mit dem Substrat 1 verbunden. Die Widerstandstruktur 3 wird auch entlang der Haltestruktur 4 vom optischen Absorber 6 umschlossen. Das Substrat 1 kann als CMOS-Wafer ausgebildet sein, der eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer absorbierten Strahlung umfasst. Über elektrische Kontakte ist die Widerstandsstruktur 3 mit dem CMOS-Wafer elektrisch verbunden. Alternativ kann die Auswerteeinheit separat vom Substrat 1 ausgeführt werden (nicht dargestellt) und beispielsweise neben dem Substrat 1 angeordnet werden. Über dem freitragenden Element 5 und der Haltestruktur 4 ist eine Kappe 10 angeordnet, die mit dem Substrat 1 verbunden ist. Die Kappe 10 ist insbesondere dazu ausgebildet ein Vakuum zu umschließen, sodass das freitragende Element 5 und die Haltestruktur 4 im Vakuum eingeschlossen sind. Dadurch wird die thermische Isolation des freitragenden Elements 5 gegenüber dem Substrat 1 erhöht. Ist der optische Absorber 6 zur wellenlängenselektiven Absorption im Bereich der ultravioletten Strahlung ausgelegt, so wird die Kappe 10 beispielsweise aus Siliziumoxid (SiO₂) oder Barium-Borosilicatglas ausgebildet, wobei der eingeschlossene Druck im Bereich von 0,1 mbar liegt. Sofern der optische Absorber 6 dazu ausgebildet ist wellenlängenselektiv im Bereich der infraroten Strahlung zu absorbieren, so wird die Kappe 10 beispielsweise aus Silizium (Si) ausgeführt.
Die Herstellung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung 21 umfasst vorzugsweise die nachfolgend beschriebenen Prozessschritte, die in an sich bekannter Weise nach Standard-Prozessen der Halbleiterindustrie erfolgen. Es wird ein Substrat 1 bereitgestellt. Dieses ist insbesondere als CMOS-Wafer mit Logikschaltung und elektrischen Kontakten auf der ersten Oberseite 22 ausgebildet. Auf die erste Oberseite 22 wird eine Opferschicht abgeschieden. Die Opferschicht kann beispielsweise aus Fotolack oder Metall ausgeführt sein. Bevorzugte Dicken der Opferschicht liegen im Bereich von 0,7 µm bis 1 µm. Die Dicke der Opferschicht bestimmt den Abstand zwischen dem freitragenden Element 5 und dem Substrat 1. Die elektrischen Kontakte auf dem Substrat 1 werden durch Ätzen freigelegt. Es wird eine erste Schicht 6b eines Lackes aufgebracht, der zur wellenlängenselektiven Absorption ausgelegt ist. Es werden die elektrischen Kontakte des Substrats 1 freigelegt und darauf eine Schicht eines Metalls abgeschieden und strukturiert. Die Dicke dieser Schicht liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 100 nm. Die so entstandene Metallstruktur bildet die Widerstandsstruktur 3, deren elektrischer Widerstand sich abhängig von der Temperatur ändert. Durch Aufbringen der Metallschicht werden die Widerstandsstruktur 3 und das Substrat 1 über die elektrischen Kontakte auf der ersten Oberseite 22 elektrisch verbunden. Da die Auswerteeinheit in das Substrat 1 integriert ist, ist die Widerstandsstruktur 3 auch mit der Auswerteinheit verbunden. Auf die Metallschicht wird eine zweite Schicht des Lackes aufgebracht, der zur wellenlängenselektiven Absorption ausgelegt ist. Der Lack wird strukturiert und in einem Temperaturschritt ausgehärtet. Dadurch ist er insensitiv gegenüber standardmäßig verwendeten Ätzlösungen. Mittels Ätzen wird die Opferschicht entfernt. Somit entsteht zwischen dem freitragenden Element 5 und dem Substrat 1 ein Hohlraum. Das freitragende Element 5 wird von der Haltestruktur 4 in einem Abstand über dem Substrat 1 gehalten. Durch ein geeignetes Niedertemperaturbondverfahren, beispielsweise SLID Bonden, werden das freitragende Element 5 und die Haltestruktur 4 vakuumverkappt.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung 21 ist baugleich zu der Strahlungssensoranordnung 21 in 1. Im Unterschied zur Strahlungssensoranordnung 21 in 1 umfasst die Strahlungssensoranordnung 21 in 2 zusätzlich einen Reflektor 20, der auf einer ersten Oberseite 22 des Substrats 1 angeordnet ist. Der Reflektor 20 ist so aufgebracht, dass er zwischen Substrat 1 und freitragendem Element 5 angeordnet ist. Zusammen mit dem freitragenden Element 5 bildet er einen optischen Resonator zur Verbesserung der Absorption. Die zu messende Strahlung passiert das freitragende Element 5 und wird vom Reflektor 20 zurück in Richtung freitragendes Element 5, das den optischen Absorber 6 umfasst, gelenkt.
Die Herstellung der in 2 gezeigten Strahlungssensoranordnung 21 erfolgt analog zu dem Herstellungsverfahren der in 1 gezeigten Strahlungssensoranordnung 21, jedoch wird vor Aufbringen der Opferschicht auf der ersten Oberseite 22 eine Metallisierung aufgebracht, die den Reflektor 20 bildet. Die Metallisierung wird so aufgebracht, dass der Reflektor 20 zwischen Substrat 1 und freitragendem Element 5 angeordnet ist.
3a zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 21. Zur Verstärkung der Strahlungsabsorption des optischen Absorbers 5 umfasst das freitragende Element 5 in diesem Ausführungsbeispiel plasmonische Absorberelemente 7. In 3b ist ein Schnitt durch das freitragende Element 5 aus 3a gezeigt. Der plasmonische Absorber ist aus drei Schichten aufgebaut. Eine erste Schicht wird durch eine untere Metallisierung 23 gebildet. Sie bildet einen Spiegel für die einfallende Strahlung 24. Auf die untere Metallisierung 23 ist eine zweite Schicht abgeschieden, die den optischen Absorber 6 bildet. Im optischen Absorber 6 ist die Widerstandsstruktur 3 angeordnet. Die plasmonischen Absorberelemente 7 sind auf der von der Seite mit der unteren Metallisierung 23 abgewandten Seite des optischen Absorbers 6 ausgebildet. Der optische Absorber 6 stellt einen dielektrischen Resonator dar. Die Resonanzen der plasmonischen Resonatoren, die durch die Absorberelemente 7 gegeben sind, koppeln an die Moden des dielektrischen Resonators. Dadurch wird die Strahlungsabsorption des freitragenden Elements 5 verbessert. Ein Beispiel eines dreischichtigen plasmonischen Absorbers ist in „Achiving an ultra-narrow multiband light absorption meta-surface via coupling with optical cavity" (Liu et al., Nanotechnology 26 (2015)) beschrieben.
In einem Ausführungsbeispiel, wie es in 3a dargestellt ist, sind die plasmonischen Absorberelemente 7 als Anordnung von jeweils einer großen Scheibe 7b neben einer kleinen Scheibe 7a ausgebildet. Die Dimensionen der Absorberelemente sind an den Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung 24 angepasst. 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 7a, 7b sind jeweils in einem Abstand von 2 µm voneinander angeordnet. Die Dicke des optischen Absorbers 4 beträgt etwa 300 nm.
In einer weiterführenden Gestaltungsform kann auf die Absorberelemente 7 eine weitere Schicht des optischen Absorbers 6 aufgebracht werden.
4 zeigt eine Skizze einer Transmittanzkurve eines Infrarot-Cut Lackes, der für die Verwendung als optischer Absorber 6 eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors 2 geeignet ist. Die Kurve weist bei 870 nm ein Minimum auf. Strahlung dieser Wellenlänge wird von diesem Infrarot-Cut Lack nahezu vollständig absorbiert. Des Weiteren eignen sich auch Lacke als optischer Absorber 6 eines erfindungsgemäßen Strahlungssensors 2, die ähnliche Transmittanzkurven wie die in 4 skizzierte aufweisen, deren Minimum jedoch bei einer anderen Wellenlänge liegt. Durch die Wahl des Lackes ist es somit möglich den erfindungsgemäßen Strahlungssensor 2 an verschiedene Einsatzzwecke anzupassen.
5 zeigt eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung 21. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein Strahlungssensor 2 und eine Bezugssensoreinheit 8 auf einem gemeinsamen Substrat 1 angeordnet. Die Bezugssensoreinheit 8 ist baugleich zu dem Strahlungssensor 2 und aus den gleichen Materialien wie dieser ausgebildet. Die Bezugssensoreinheit 8 umfasst ein freitragendes Element 5 und eine Haltestruktur 4. Das freitragende Element 5 umfasst einen optischen Absorber 6 und eine Widerstandsstruktur 3 wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist. Der Strahlungssensor 2 und die Bezugssensoreinheit 8 bilden zusammen ein Sensoreinheitenpaar 9. Das Sensoreinheitenpaar ist unter einer gemeinsamen Kappe 10 angeordnet. Somit sind die erste und die zweite Sensoreinheit den gleichen Temperatureinflüssen ausgesetzt. Die Kappe 10 ist insbesondere dazu ausgebildet ein Vakuum zu umschließen, sodass das Sensoreinheitenpaar 9 im Vakuum eingeschlossen werden kann. Die Verkappung 10 wird insbesondere mittels eines Niedertemperaturbondverfahrens aufgebracht. Die Kappe 10 kann über der Bezugssensoreinheit 8 mit einer für die zu messende Strahlung undurchlässigen Schicht 11 beschichtet sein. Diese Schicht 11 wird im Folgenden als Funktionsschicht 11 bezeichnet. Die Funktionsschicht 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel von außen auf die Kappe 10 aufgebracht. Die Temperaturänderungen, die an der Bezugssensoreinheit 8 in Form von Änderungen des elektrischen Widerstands registriert werden, resultieren somit nicht aus der wellenlängenselektiven Absorption der zu messenden Strahlung sondern aus unerwünschten Temperatureinflüssen. Diese unerwünschten Temperatureinflüsse resultieren beispielsweise aus der thermischen Ankopplung der Widerstandsstruktur 3 an das Substrat 1 oder weiteren Strahlungsquellen, die die Strahlungssensoranordnung 21 aus einer anderen Richtung bestrahlen. Eine alternative Anordnung der Funktionsschicht 11 ist in 6 dargestellt. Dort ist die Funktionsschicht 11 im Inneren der Kappe 10 oberhalb der Bezugssensoreinheit 8 aufgebracht, sodass diese von der zu messenden Strahlung abgeschirmt ist.
In den in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Auswerteeinheit in das Substrat 1 integriert. Ein Verfahren zur Ermittlung einer Strahlung mit einer Strahlungsanordnung 21, wie sie in 5 und 6 dargestellt ist, ist nachfolgend beschrieben und in 8 als Ablaufdiagramm dargestellt. Das Substrat 1 kann als CMOS-Wafer ausgebildet sein, der eine Auswerteeinheit 100 zur Ermittlung einer absorbierten Strahlung umfasst, wobei unerwünschte Temperatureinflüsse kompensiert werden. Die Detektion von Strahlung erfolgt über die Ermittlung eines elektrischen Widerstands der Widerstandsstruktur 3. Die Änderung des elektrischen Widerstands der Widerstandsstruktur 3 basiert auf einer Temperaturänderung. Diese Temperaturänderung resultiert bei dem Strahlungssensor 2 aus der wellenlängenselektiven Absorption einfallender Strahlung durch den optischen Absorber 6 und aus unerwünschten Temperatureinflüssen wie beispielsweise einer Schwankung der Umgebungs-/Substrattemperatur und einer Eigenerwärmung der Struktur während der Bestromung zur Widerstandsmessung. Da die Widerstandsstruktur 3 mit dem optischen Absorber 6 in Kontakt ist, wird die Wärme des optischen Absorbers 6 auf die Widerstandsstruktur 3 übertragen. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand 101 der Widerstandsstruktur 3. An einer Transmittanzkurve einer Materialschicht lässt sich die Transmission einer gewählten Wellenlänge durch die Materialschicht ablesen. Da die Transmittanzkurve des optischen Absorbers 6 durch die Wahl des Materials des optischen Absorbers 6 einstellbar ist, wird nur Strahlung gewählter Wellenlängen oder ausgewählter Wellenlängenbereiche absorbiert. Die Änderung des elektrischen Widerstands 101 ist somit ein Maß für die wellenlängenselektiv absorbierte Strahlung. Die Zuordnung zwischen elektrischem Widerstand 101 und absorbierter Strahlung erfolgt beispielsweise mittels einer Kennlinie 104, die in der Auswerteeinheit 100 hinterlegt ist. Die Bezugssensoreinheit 8 ist aufgrund der Funktionsschicht 11 nicht der zu messenden Strahlung ausgesetzt. Die Aufgabe der Bezugssensoreinheit 8 ist es unerwünschte Temperatureinflüsse zu kompensieren. Diese unerwünschten Temperatureinflüsse rufen beim Strahlungssensor 2 eine Änderung des elektrischen Widerstands der Widerstandsstruktur 3 hervor, die nicht von einer Widerstandsänderung d aufgrund der wellenlängenselektiv absorbierten zu messenden Strahlung zu unterscheiden ist. Bezugssensoreinheit 8 und Strahlungssensor sind den gleichen unerwünschten Temperatureinflüssen ausgesetzt, da sie unter einer gemeinsamen Kappe 10 angeordnet sind und in diesem Ausführungsbeispiel auf einem gemeinsamen Substrat 1 angeordnet sind. Da die Bezugssensoreinheit 8 von der zu messenden Strahlung abgeschirmt wird, misst sie nur eine zweite Widerstandsänderung 102, die von den unerwünschten Temperatureinflüssen hervorgerufen wird. Die Auswerteeinheit 100 detektiert die Änderung des elektrischen Widerstands 101,102 der Widerstandsstruktur 3 des Strahlungssensors 2 und der Bezugssensoreinheit 8. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Strom- oder Spannungsmessung. Hierzu wird die Widerstandsstruktur 3 von einem bekannten Strom durchflossen und die Spannung gemessen, die über der Widerstandsstruktur 3 abfällt. Alternativ wird eine bekannte Spannung an die Widerstandsstruktur 3 angelegt und der Strom gemessen, der die Widerstandsstruktur 3 durchfließt. Da Strom und Spannung über den elektrischen Widerstand miteinander verknüpft sind, kann aus dem Strom-Spannungs-Wertepaar der elektrische Widerstand 101, 102 der Widerstandsstruktur 3 ermittelt werden. In einer Kalibriermessung wird eine Kennlinie 104 erstellt, die einem elektrischen Widerstandswert eine Strahlung zuordnet. Diese Kennlinie 104 ist in der Auswerteeinheit 100 hinterlegt. Eine mögliche Auswertung sieht vor, dass der elektrische Widerstand 101 des Strahlungssensors 2 und der zweite elektrische Widerstand 102 der Bezugssensoreinheit 8 voneinander subtrahiert 103 werden. Die unerwünschten Temperatureinflüsse werden folglich mittels der Differenzbildung 103 kompensiert. Als Ergebnis der Differenzbildung 103 ergibt sich somit eine Widerstandsänderung d, die nur aus der wellenlängenselektiv absorbierten zu messenden Strahlung resultiert. Diese Widerstandsänderung d entspricht demjenigen elektrischen Widerstandswert, der der Strahlung, die ermittelt werden soll, mittels der Kennlinie 104 zugeordnet wird. Den Ausgang 105 der Strahlungssensoranordnung 21 bildet diese Strahlung, wobei unerwünschte Temperatureinflüsse kompensiert wurden.
Umfasst die Strahlungssensoranordnung 21 nur einen Strahlungssensor 2, wie dies zum Beispiel bei den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen der Fall ist, so wird der elektrische Widerstand 101 beispielsweise mittels Strom- oder Spannungsmessung ermittelt und anhand einer Kennlinie 104 einer Strahlung zugeordnet, die dann den Ausgang 105 der Auswerteeinheit 100 und damit der Strahlungssensoranordnung 21 bildet. Umfasst die Strahlungssensoranordnung 21 zwei Sensoreinheiten 2, 8, so umfasst die Auswerteinheit, wie vorstehend beschrieben, einen Zusatz E zur Kompensation von unerwünschten Temperatureinflüssen.
In einer alternativen Ausgestaltung der Strahlungssensoranordnung 21 erfolgt die Ermittlung der Strahlung der beiden Sensoreinheiten 2, 8 in separaten Auswerteeinheiten nach dem in 8 dargestellten Verfahren ohne den Zusatz E. In einer weiteren Auswerteinheit wird dann die Differenz der separat ermittelten Strahlungswerte der Sensoreinheiten 2, 8 gebildet. Die so ermittelte Strahlung bildet dann den Ausgang der weiteren Auswerteinheit und den Ausgang der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung 21, wobei unerwünschte Temperatureinflüsse kompensiert wurden.
7a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung 18. Die Gasdetektoranordnung 18 umfasst eine Strahlungsquelle 12, eine Absorptionsstrecke 15 und eine erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung 21. Die Absorptionsstrecke 15 bezeichnet eine Kammer, die mit einem Gaseinlass 14 und einem Gasauslass 13 versehen ist, sodass das zu untersuchende Gas in die Absorptionsstrecke 15 ein- und ausleitbar ist. Der Gaseinlass 14 und der Gasauslass 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel an einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Absorptionsstrecke 15 angeordnet. Die Strahlungsquelle 12 und eine erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung 21 sind an einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Absorptionsstrecke 15 angeordnet, die von den Seitenflächen, an denen der Gaseinlass 14 und der Gasauslass 13 angeordnet sind, verschieden sind. Somit durchläuft die von der Strahlungsquelle 12 ausgesandte Strahlung 16 zunächst die Absorptionsstrecke 15, wo sie mit dem eingeleiteten Gas interagiert. Es erfolgt eine wellenlängenselektive Absorption der Strahlung 16 durch das eingeleitete Gas. Die Strahlung 16 erreicht nach der Interaktion die Strahlungssensoranordnung 21. Der optische Absorber 6 der Strahlungssensoranordnung 21 ist zur wellenlängenselektiven Absorption ausgelegt. Somit kann die vom eingeleiteten Gas absorbierte Strahlung detektiert werden.
Gase weisen Absorptionsspektren auf, die charakteristisch für das jeweilige Gas sind. Beim Vergleich der Absorptionsspektren atmosphärischer Gase wird deutlich, dass Kohlenstoffdioxid (CO₂) das einzige der Gase ist, das bei Strahlung einer Wellenlänge von 3,5 µm absorbiert, während die anderen atmosphärischen Gase keinen Einfluss auf Strahlung dieser charakteristischen Wellenlänge haben. Zur Detektion von CO₂ wird der optische Absorber 6 der Strahlungssensoranordnung 21 zur Absorption der charakteristischen Wellenlänge von 3,5 µm ausgelegt. Die Wellenlängenselektion erfolgt somit durch die Strahlungssensoranordnung 21. Wird die Gasdetektoranordnung 18 zur Detektion von CO₂ verwendet, so wird eine Strahlungsquelle 12 angeordnet, die bevorzugt in einem Bereich von etwa 1 µm bis etwa 5 µm emittiert. Die Absorptionsstrecke 15 ermöglicht optische Weglängen im Bereich von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern. Zur Kompensation von unerwünschten Temperatureinflüssen kann eine erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung 21 zur Detektion der Strahlung 16 angeordnet werden, die neben dem Strahlungssensor 2 die Bezugssensoreinheit 8 umfasst. Beispiele einer solchen Strahlungssensoranordnung 21 sind in 5 und 6 abgebildet. Aufgrund der abweichenden Absorptionsspektren von CO₂ und Wasser (H₂O) weist die Strahlungssensoranordnung 21 keine Empfindlichkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit auf.
7b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung 18, die einen Hilfsaufbau A umfasst. Die Gasdetektoranordnung 18 umfasst, wie bereits vorstehend beschrieben, eine Strahlungsquelle 12, eine Absorptionsstrecke 15 und eine erfindungsgemäße Strahlungssensoranordnung 21. Das in 7b dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst des Weiteren den Hilfsaufbau A zur Überwachung der Strahlungsquelle 12. Der Hilfsaufbau A umfasst einen Hilfssensor 19, der außerhalb der Absorptionsstrecke 15 angeordnet ist, sodass ein Signal des Hilfssensors 19 unabhängig von der CO₂ Absorption ist. Der Hilfssensor 19 ist zur Detektion von Strahlung ausgebildet. In einer Ausführungsform kann er baugleich zu einer erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung 21 sein. In einer alternativen Ausführungsform ist der Hilfssensor 19 eine Fotodiode. In dem in 7b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hilfssensor 19 in einer weiteren Kammer eingeschlossen. Diese weitere Kammer ist derart an der Absorptionsstrecke 15 angeordnet, dass die Strahlungssensoranordnung 21 und der Hilfssensor 19 auf einander gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Strahlungsquelle 12 angeordnet sind. Der Hilfssensor 19 überwacht die Strahlungsquelle 12 und deren Degradation. Die Absorption an der Strahlungssensoranordnung 21 ist abhängig davon, wie viel Strahlung von der Strahlungsquelle 12 ausgesendet wird. Die von der Strahlungssensoranordnung 21 absorbierte Leistung wird daher auf die von der Strahlungsquelle 12 ausgesendete Leistung normiert. Die von der Strahlungsquelle 12 ausgesendete Leistung wird mithilfe des Hilfssensors 19 ermittelt.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung einer Gaskonzentration unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung 18. Die Einleitung 201 eines zu untersuchenden Gasgemischs in die Absorptionsstrecke 15 erfolgt durch den Gaseinlass 14. In der Absorptionsstrecke 15 erfolgt die Interaktion 202 der von der Strahlungsquelle 12 emittierten Strahlung 16 mit dem Gasgemisch. Ist die Gasdetektoranordnung 18 beispielsweise dazu ausgebildet CO₂ zu detektieren, so wird der optische Absorber 6 der erfindungsgemäßen Strahlungssensoranordnung 21 dazu ausgelegt Strahlung der Wellenlänge 3,5 µm zu absorbieren. Ist in dem eingeleiteten Gasgemisch CO₂ enthalten, so zeigt die detektierte Strahlung S eine geringere Intensität an, als wenn in der Absorptionsstrecke 15 kein CO₂ vorhanden ist. Die detektierte Strahlung S ist ein Maß für die absorbierte Strahlung der charakteristischen Wellenlänge (hier 3,5 µm). Die absorbierte Strahlung ist folglich ein Maß für die CO₂-Konzentration in dem zu untersuchenden Gasgemisch. Die Zuordnung zwischen absorbierter Strahlung und CO₂-Konzentration erfolgt beispielsweise über eine Kennlinie 204, die in der Auswerteinheit 100 hinterlegt ist. Diese Kennlinie 204 wird in einer Kalibriermessung bestimmt. Den Ausgang 205 der Gasdetektoranordnung 18 bildet somit die CO₂-Konzentration in dem zu untersuchenden Gasgemisch. Das zu untersuchende Gas wird über den Gasauslass 13 aus der Absorptionsstrecke 15 ausgeleitet. Die Ermittlung einer Gaskonzentration eines anderen Gases unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gasdetektoranordnung 18 erfolgt analog. Hierzu wird die Gasdetektoranordnung 18 an das charakteristische Absorptionsspektrum des Gases angepasst, dessen Konzentration untersucht werden soll. Dabei wird die wellenlängenselektive Absorption der Strahlungssensoranordnung 21 an die charakteristische Wellenlänge des Absorptionsspektrums des Gases, dessen Konzentration untersucht werden soll, angepasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/028512 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„An open path, fast response infrared absorption gas analyzer for H2O and CO2“ (Auble et al., (1991) [0004]
„Achiving an ultra-narrow multiband light absorption meta-surface via coupling with optical cavity“ (Liu et al., Nanotechnology 26 (2015)) [0034]

Claims

Strahlungssensoranordnung (21), umfassend – einen Strahlungssensor (2), umfassend ein freitragendes Element (5), welches einen optischen Absorber (6) und eine Widerstandsstruktur (3) umfasst und eine Haltestruktur (4), welche das freitragende Element (5) in einem Abstand zu einem Substrat (1) hält und welche eine Verbindung zwischen dem freitragenden Element (5) und dem Substrat (1) darstellt, sowie – eine Auswerteeinheit zur Ermittlung einer absorbierten Strahlung aus der Änderung eines elektrischen Widerstands der Widerstandsstruktur (3) gekennzeichnet durch – eine wellenlängenselektive Auslegung des optischen Absorbers (6).
Strahlungssensoranordnung (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Element (5) plasmonische Absorberelemente (7) umfasst.
Strahlungssensoranordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (1) unterhalb des freitragenden Elements (5) ein Reflektor (20) aufgebracht ist.
Strahlungssensoranordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Absorber (6) zur wellenlängenselektiven Absorption im Bereich der infraroten Strahlung ausgelegt ist.
Strahlungssensoranordnung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Absorber (6) zur wellenlängenselektiven Absorption im Bereich der ultravioletten Strahlung ausgelegt ist.
Strahlungssensoranordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Absorber (6) als Lack ausgeführt ist.
Strahlungssensoranordnung (21), umfassend ein Sensoreinheitenpaar (9), das eine erste Sensoreinheit, eine zweite Sensoreinheit umfasst und mindestens eine Auswerteeinheit, wobei die erste Sensoreinheit als Strahlungssensor (2) der Strahlungssensoranordnung (21) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und die zweite Sensoreinheit als Bezugssensoreinheit (8) ausgebildet ist, wobei die Bezugssensoreinheit (8) baugleich zu der ersten Sensoreinheit ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensoreinheitenpaar (9) unter einer gemeinsamen Kappe (10) angeordnet ist.
Strahlungssensoranordnung (21) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (10) über der Bezugssensoreinheit (8) mit einer für die zu messende Strahlung undurchlässigen Schicht (11) beschichtet ist.
Gasdetektoranordnung (18), umfassend – eine Strahlungssensoranordnung (21), – eine Strahlungsquelle (12) und – eine Absorptionsstrecke (17), die im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle (12) und der Strahlungssensoranordnung (21) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Strahlungssensoranordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gasdetektoranordnung (18) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdetektoranordnung (18) einen Hilfssensor (19) zur Überwachung der Strahlungsquelle (12) umfasst.
Verfahren zur Ermittlung einer Strahlung mit einer Strahlungssensoranordnung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Ermittlung einer Gaskonzentration mit einer Gasdetektoranordnung (18) nach einem der Ansprüche 9 oder 10.