DE102016210300A1

DE102016210300A1 - Microelectromechanical bolometer and method for detecting an ambient temperature

Info

Publication number: DE102016210300A1
Application number: DE102016210300.8A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Bolometer (100; 700; 900; 1100; 1600) zum Erfassen einer Umgebungstemperatur, mit einem Substrat (101); einem von dem Substrat (101) beabstandeten und an dem Substrat (101) aufgehängten Absorberplateau (105; 705; 905; 1105), welches ein ferrimagnetisches Material (104) aufweist; einer Messspuleneinrichtung (102; 1106) mit einer von dem ferrimagnetischen Material (104) und der Umgebungstemperatur abhängigen Induktivität, wobei die Messspuleneinrichtung (102; 1106) in oder an dem Substrat (101) angeordnet ist und/oder in oder an dem Absorberplateau (105; 705; 905; 1105) angeordnet ist, und einer mit der Messspuleneinrichtung (102; 1106) gekoppelten Anschlusseinrichtung (301a, 301b) zum Anschließen an eine Messeinrichtung (110) zum Erfassen der Umgebungstemperatur.The invention relates to a microelectromechanical bolometer (100; 700; 900; 1100; 1600) for detecting an ambient temperature, comprising a substrate (101); an absorber plateau (105; 705; 905; 1105) spaced from the substrate (101) and suspended from the substrate (101), comprising a ferrimagnetic material (104); a measuring coil device (102, 1106) with an inductance dependent on the ferrimagnetic material (104) and the ambient temperature, wherein the measuring coil device (102, 1106) is arranged in or on the substrate (101) and / or in or on the absorber plateau (105 ; 705; 905; 1105), and connecting means (301a, 301b) coupled to the measuring coil means (102; 1106) for connection to a measuring means (110) for detecting the ambient temperature.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Bolometer zum Erfassen einer Umgebungstemperatur und ein Verfahren zum Erfassen einer Umgebungstemperatur.The present invention relates to a microelectromechanical bolometer for detecting an ambient temperature and a method for detecting an ambient temperature.

Stand der TechnikState of the art

Mikroelektromechanische Bolometer basieren auf der Erwärmung eines Absorbermaterials, welches meist ein temperatursensitives Bauelement enthält, wobei die Erwärmung des Absorbermaterials über eine entsprechende temperaturabhängige elektrische Kennlinie des Bauelements gemessen werden kann. Aus der WO 98/20316 ist ein Temperatursensor bekannt, bei welchem ein Kondensator mit einer direkt auf einem Substrat angeordneten Spule zu einem Schwingkreis verschaltet ist. Die Spule besteht aus einem ferromagnetischen Material, welches sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erwärmt. Durch Messen einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises kann die Umgebungstemperatur gemessen werden.Microelectromechanical bolometers are based on the heating of an absorber material, which usually contains a temperature-sensitive component, wherein the heating of the absorber material can be measured via a corresponding temperature-dependent electrical characteristic of the component. From the WO 98/20316 a temperature sensor is known in which a capacitor is connected to a directly arranged on a substrate coil to a resonant circuit. The coil is made of a ferromagnetic material which heats up depending on the ambient temperature. By measuring a resonant frequency of the resonant circuit, the ambient temperature can be measured.

Bei stromdurchflossenen temperatursensitiven Bauteilen, welche direkt in das Absorbermaterial integriert sind, wird das entsprechende Absorbermaterial zusätzlich aufgrund der Verlustleistung des Stromflusses erwärmt. Diese Erwärmung kann um Größenordnungen höher sein als die Erwärmung durch externe Strahlung, so dass dieser Hintergrundeffekt kompensiert werden muss.For current-carrying temperature-sensitive components, which are integrated directly into the absorber material, the corresponding absorber material is additionally heated due to the power loss of the current flow. This heating can be orders of magnitude higher than the heating by external radiation, so that this background effect must be compensated.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Offenbarung schafft ein mikroelektromechanisches Bolometer zum Erfassen einer Umgebungstemperatur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Erfassen einer Umgebungstemperatur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.The disclosure provides a microelectromechanical bolometer for detecting an ambient temperature with the features of patent claim 1 and a method for detecting an ambient temperature with the features of patent claim 9.

Die vorliegende Erfindung schafft demnach ein mikroelektromechanisches Bolometer zum Erfassen einer Umgebungstemperatur. Das Bolometer umfasst ein Substrat und ein von dem Substrat beabstandetes und an dem Substrat aufgehängtes Absorberplateau, welches ein ferrimagnetisches Material aufweist. Das Bolometer umfasst weiter eine Messspuleneinrichtung mit einer Induktivität, welche von einer Temperatur des ferrimagnetischen Materials abhängig ist, wobei die Temperatur des ferrimagnetischen Materials von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Die Messspuleneinrichtung kann in oder an dem Substrat angeordnet sein. Die Messspuleneinrichtung kann auch in oder an dem Absorberplateau angeordnet sein. Das Bolometer umfasst weiter eine mit der Messspuleneinrichtung gekoppelte Anschlusseinrichtung zum Anschließen an eine zum Erfassen der Umgebungstemperatur vorgesehene Messeinrichtung.The present invention accordingly provides a microelectromechanical bolometer for detecting an ambient temperature. The bolometer comprises a substrate and an absorber plateau spaced from the substrate and suspended from the substrate, which comprises a ferrimagnetic material. The bolometer further comprises a measuring coil device having an inductance, which is dependent on a temperature of the ferrimagnetic material, wherein the temperature of the ferrimagnetic material is dependent on the ambient temperature. The measuring coil device can be arranged in or on the substrate. The measuring coil device can also be arranged in or on the absorber plateau. The bolometer further comprises a connection device coupled to the measuring coil device for connection to a measuring device provided for detecting the ambient temperature.

Die Erfindung schafft demnach weiter ein Verfahren zum Erfassen einer Umgebungstemperatur. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Induktivität einer Messspuleneinrichtung gemessen, wobei die Messspuleneinrichtung in oder an einem Substrat angeordnet ist und/oder in oder an einem von dem Substrat beabstandeten und an dem Substrat aufgehängten Absorberplateau angeordnet ist. Das Absorberplateau weist hierbei ein ferrimagnetisches Material auf. Die Induktivität ist von einer Temperatur des ferrimagnetischen Materials abhängig, wobei die Temperatur des ferrimagnetischen Materials von der Umgebungstemperatur abhängig ist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Umgebungstemperatur anhand der gemessenen Induktivität erfasst.The invention thus further provides a method for detecting an ambient temperature. In a first method step, an inductance of a measuring coil device is measured, wherein the measuring coil device is arranged in or on a substrate and / or arranged in or on a spaced from the substrate and suspended from the substrate absorber plateau. The absorber plateau here has a ferrimagnetic material. The inductance is dependent on a temperature of the ferrimagnetic material, wherein the temperature of the ferrimagnetic material is dependent on the ambient temperature. In a further method step, the ambient temperature is detected on the basis of the measured inductance.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das ferrimagnetische Material beeinflusst die Induktivität der Messspuleneinrichtung derart, dass die Induktivität der Messspuleneinrichtung im Messbereich im Wesentlichen direkt proportional zur Temperatur des ferrimagnetischen Materials bzw. der Umgebungstemperatur ist. Im Unterschied zur Verwendung von ferromagnetischen Materialien ist das Messsignal ist somit bei ferrimagnetischen Materialien linear, das heißt die Messgenauigkeit ist im Wesentlichen unabhängig von der jeweiligen Temperatur. Das Bolometer ist einfach, schnell und kostengünstig herzustellen und zeichnet sich durch ein besonders hohes Miniaturisierungspotential aus. Falls die Messspuleneinrichtung in oder an dem Substrat angeordnet ist, ist eine gute thermische Entkopplung möglich, da die Erwärmung der Spule nur in geringem Maße das Absorberplateau beeinflusst. Ein 1/f-Rauschen kann verhindert werden.The ferrimagnetic material influences the inductance of the measuring coil device such that the inductance of the measuring coil device in the measuring range is substantially directly proportional to the temperature of the ferrimagnetic material or the ambient temperature. In contrast to the use of ferromagnetic materials, the measurement signal is thus linear in the case of ferrimagnetic materials, that is to say the measurement accuracy is essentially independent of the respective temperature. The bolometer is simple, quick and inexpensive to manufacture and is characterized by a particularly high miniaturization potential. If the measuring coil device is arranged in or on the substrate, a good thermal decoupling is possible since the heating of the coil influences the absorber plateau only to a small extent. 1 / f noise can be prevented.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Bolometer eine an die Anschlusseinrichtung angeschlossene Messeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, durch Messen der Induktivität der Messspuleneinrichtung die Umgebungstemperatur zu erfassen.According to a preferred development, the bolometer comprises a measuring device connected to the connecting device, which is designed to detect the ambient temperature by measuring the inductance of the measuring coil device.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Bolometers umfasst die Messeinrichtung einen Kondensator, welcher zusammen mit der Messspuleneinrichtung einen Schwingkreis bildet. Die Messeinrichtung ist dazu ausgebildet, die Induktivität der Messspuleneinrichtung durch Messen einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu messen. According to a preferred development of the bolometer, the measuring device comprises a capacitor which forms a resonant circuit together with the measuring coil device. The measuring device is designed to measure the inductance of the measuring coil device by measuring a resonant frequency of the resonant circuit.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Bolometers ist die Messspuleneinrichtung in das Absorberplateau eingebettet.According to a preferred development of the bolometer, the measuring coil device is embedded in the absorber plateau.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Bolometers ist die Messspuleneinrichtung um das ferrimagnetische Material herum angeordnet, so dass das ferrimagnetische Material einen Spulenkern der Messeinrichtung bildet. Die Erwärmung des ferrimagnetischen Materials beeinflusst somit direkt die Induktivität der Messspuleneinrichtung.According to a further embodiment of the bolometer, the measuring coil device is arranged around the ferrimagnetic material such that the ferrimagnetic material forms a coil core of the measuring device. The heating of the ferrimagnetic material thus directly influences the inductance of the measuring coil device.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Bolometer eine Magnetfeldspule, welche dazu ausgebildet ist, durch Erzeugen eines externen Magnetfelds eine Magnetisierung des ferrimagnetischen Materials zu verändern. Somit kann der Arbeitspunkt der Messspuleneinrichtung präzise eingestellt werden.According to a preferred development, the bolometer comprises a magnetic field coil which is designed to change a magnetization of the ferrimagnetic material by generating an external magnetic field. Thus, the operating point of the measuring coil device can be precisely adjusted.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Bolometers umfasst das ferrimagnetische Material eine GdFe-Legierung. Durch Wählen einer geeigneten Legierung kann eine Kompensationstemperatur des ferrimagnetischen Materials im Wesentlichen beliebig gewählt werden.According to a preferred development of the bolometer, the ferrimagnetic material comprises a GdFe alloy. By choosing a suitable alloy, a compensation temperature of the ferrimagnetic material can be selected substantially arbitrarily.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Bolometers weist das Absorberplateau eine Absorberschicht auf, welche dazu ausgelegt ist, Infrarotstrahlung zu absorbieren. Das Absorberplateau erwärmt sich gleichmäßig auf die Umgebungstemperatur, so dass diese genau gemessen werden kann.According to a preferred development of the bolometer, the absorber plateau has an absorber layer which is designed to absorb infrared radiation. The absorber plateau heats up evenly to the ambient temperature so that it can be measured accurately.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Messen der Induktivität durch Messen einer Resonanzfrequenz eines Schwingkreises durchgeführt, wobei der Schwingkreis die Messspuleneinrichtung und einen Kondensator umfasst.According to a preferred embodiment of the method, the measuring of the inductance is performed by measuring a resonant frequency of a resonant circuit, wherein the resonant circuit comprises the measuring coil device and a capacitor.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Bolometers gemäß einer ersten Ausführungsform; 1 a schematic cross-sectional view of a bolometer according to a first embodiment;

2 eine schematische Draufsicht auf ein Absorberplateau des Bolometer gemäß der ersten Ausführungsform; 2 a schematic plan view of an absorber plateau of the bolometer according to the first embodiment;

3 eine schematische Draufsicht auf eine Messspuleneinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform; 3 a schematic plan view of a measuring coil device according to the first embodiment;

4 einen Zusammenhang zwischen Magnetisierung und Temperatur des ferrimagnetischen Materials; 4 a relationship between magnetization and temperature of the ferrimagnetic material;

5 einen Zusammenhang zwischen Magnetisierung des ferrimagnetischen Materials und magnetischer Feldstärke; 5 a relationship between magnetization of the ferrimagnetic material and magnetic field strength;

6 eine Draufsicht auf ein Absorberplateau eines Bolometer gemäß einer zweiten Ausführungsform; 6 a plan view of an absorber plateau of a bolometer according to a second embodiment;

7 eine schematische Querschnittsansicht des Bolometers gemäß der zweiten Ausführungsform; 7 a schematic cross-sectional view of the bolometer according to the second embodiment;

8 eine Draufsicht auf ein Absorberplateau eines Bolometers gemäß einer dritten Ausführungsform; 8th a plan view of an absorber plateau of a bolometer according to a third embodiment;

9 eine schematische Querschnittsansicht des Bolometers gemäß der dritten Ausführungsform; 9 a schematic cross-sectional view of the bolometer according to the third embodiment;

10 eine schematische Draufsicht auf ein Absorberplateau eines Bolometers gemäß einer vierten Ausführungsform; 10 a schematic plan view of an absorber plateau of a bolometer according to a fourth embodiment;

11, 12 schematische Querschnittsansichten des Bolometers gemäß der vierten Ausführungsform; 11 . 12 schematic cross-sectional views of the bolometer according to the fourth embodiment;

13, 14, 15 schematische Ansichten einer Messspuleneinrichtung gemäß der vierten Ausführungsform; 13 . 14 . 15 schematic views of a measuring coil device according to the fourth embodiment;

16 eine schematische Querschnittsansicht eines Bolometers gemäß einer fünften Ausführungsform; und 16 a schematic cross-sectional view of a bolometer according to a fifth embodiment; and

17 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erfassen einer Umgebungstemperatur. 17 a flowchart for explaining a method for detecting an ambient temperature.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können im Allgemeinen beliebig miteinander kombiniert werden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices are provided with the same reference numerals. Various embodiments may generally be combined with each other as desired.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mikroelektromechanischen Bolometers 100 zum Erfassen einer Umgebungstemperatur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bolometer 100 umfasst ein Substrat 101, insbesondere ein Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von vorzugsweise zwischen 1 μm und 25 μm, sowie ein von dem Substrat 101 beabstandetes Absorberplateau 105. Ein Abstand 114 zwischen dem Substrat 101 und dem Absorberplateau 105 beträgt vorzugsweise etwa ein Viertel der zu detektierenden Wellenlänge, welche vorzugsweise im Infrarotbereich liegt. Beispielsweise weist der Abstand 114 einen Wert von 2,5 μm auf. 1 shows a schematic cross-sectional view of a microelectromechanical bolometer 100 for detecting an ambient temperature according to a first embodiment of the present invention. The bolometer 100 includes a substrate 101 , in particular a silicon substrate with a diameter of preferably between 1 .mu.m and 25 .mu.m, and one of the substrate 101 spaced absorber plateau 105 , A distance 114 between the substrate 101 and the absorber plateau 105 is preferably about one quarter of the wavelength to be detected, which preferably in the infrared range. For example, the distance 114 a value of 2.5 microns.

Das in 2 in einer Draufsicht illustrierte Absorberplateau 105 weist eine Trägerschicht 103a auf, welche bevorzugt aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Siliziumoxid SiO₂ ausgebildet ist. Über Befestigungsarme 103b mit einer Breite von vorzugsweise 100 nm bis zu einigen 10 μm ist das Absorberplateau 105 mit einer mittleren Schicht 106b von Seitenwänden 106 verbunden und über eine untere Schicht 106a der Seitenwände 106 an dem Substrat 101 aufgehängt. Durch eine obere Schicht 106c der Seitenwände 106 und eine Vakuumverkappung 107 wird ein Innenraum 109 des Bolometers 100 definiert, wobei in dem Innenraum 109 des Bolometers 100 eine Niederdruckatmosphäre von vorzugsweise kleiner 10 mbar, besonders bevorzugt kleiner 0,1 mbar angelegt wird. Die Vakuumverkappung 107 umfasst einen Siliziumwafer, welcher für Infrarotstrahlung transparent ist und eine Einstrahlung 108 in den Innenraum 109 des Bolometers 100 ermöglicht.This in 2 in an overhead view illustrated absorber plateau 105 has a carrier layer 103a on, which is preferably formed of a poor thermal conductivity material, such as silicon dioxide SiO ₂ . About attachment arms 103b with a width of preferably 100 nm to several 10 microns is the absorber plateau 105 with a middle layer 106b from side walls 106 connected and over a lower layer 106a the side walls 106 on the substrate 101 suspended. Through an upper layer 106c the side walls 106 and a vacuum capping 107 becomes an interior 109 of the bolometer 100 defined, wherein in the interior 109 of the bolometer 100 a low-pressure atmosphere of preferably less than 10 mbar, more preferably less than 0.1 mbar is applied. The vacuum capping 107 comprises a silicon wafer, which is transparent to infrared radiation and an irradiation 108 in the interior 109 of the bolometer 100 allows.

Auf einer dem Substrat 101 abgewandten Seite des Absorberplateaus 105 ist eine Schicht aus einem ferrimagnetischen Material 104, vorzugsweise eine GdFe-Legierung, angeordnet. Das ferrimagnetische Material 104 kann vorzugsweise durch ein Sputterverfahren aufgebracht werden.On a the substrate 101 opposite side of the absorber plateau 105 is a layer of a ferrimagnetic material 104 , preferably a GdFe alloy arranged. The ferrimagnetic material 104 may preferably be applied by a sputtering process.

Weiter ist auf einer dem Absorberplateau 105 zugewandten Seite des Substrats 101 eine Messspuleneinrichtung 102 angeordnet. Eine Induktivität L der Messspuleneinrichtung hängt hierbei von einer Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 ab. Die Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 ist wiederum von einer Umgebungstemperatur im Innenraum 109 des Bolometers 100 abhängig, welche von der Intensität der einfallenden Einstrahlung 108 abhängt. Beispielsweise entspricht die Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 der Umgebungstemperatur. Durch Erfassen der Umgebungstemperatur kann die Einstrahlung 108 bestimmt werden.Next is on a the absorber plateau 105 facing side of the substrate 101 a measuring coil device 102 arranged. An inductance L of the measuring coil device here depends on a temperature T of the ferrimagnetic material 104 from. The temperature T of the ferrimagnetic material 104 is in turn of an ambient temperature in the interior 109 of the bolometer 100 depending on the intensity of the incident radiation 108 depends. For example, the temperature T corresponds to the ferrimagnetic material 104 the ambient temperature. By detecting the ambient temperature, the radiation 108 be determined.

Schichtdicken der jeweiligen Schichten liegen vorzugsweise im Bereich von 10 nm bis zu einigen 10 μm. Das Bolometer 100 kann insbesondere durch ein Ätzverfahren hergestellt werden.Layer thicknesses of the respective layers are preferably in the range of 10 nm to a few 10 μm. The bolometer 100 can be prepared in particular by an etching process.

In 3 ist eine Draufsicht auf die Messspuleneinrichtung 102 illustriert, welche als Rechteckspule ausgebildet, an deren Enden Anschlusseinrichtungen 301a, 301b angeordnet sind. Über Verbindungsleitungen 113 sind die Anschlusseinrichtungen 301a, 301b mit einer Messeinrichtung 110 verbunden. Die Messeinrichtung 110 ist zum Messen der Induktivität der Messspuleneinrichtung 102 ausgebildet. Die Messeinrichtung 110 umfasst hierzu vorzugsweise einen Kondensator 111 und eine Frequenzmesseinrichtung 112, wobei die Messspuleneinrichtung 102 und der Kondensator 111 einen Schwingkreis bilden und die Frequenzmesseinrichtung 112 dazu ausgebildet ist, eine Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises zu messen. Das Substrat 101 ist vorzugsweise als CMOS-Wafer hergestellt und vorzugsweise ist die Messeinrichtung 110 in das Substrat 101 integriert. Die Messeinrichtung 110 ist dazu ausgebildet, durch Messen der Induktivität der Messspuleneinrichtung 102 die Umgebungstemperatur zu erfassen. Das Messprinzip soll im Folgenden genauer erläutert werden.In 3 is a plan view of the measuring coil device 102 illustrated, which formed as a rectangular coil, at the ends of connection devices 301 . 301b are arranged. Via connecting lines 113 are the connection devices 301 . 301b with a measuring device 110 connected. The measuring device 110 is for measuring the inductance of the measuring coil device 102 educated. The measuring device 110 For this purpose, preferably comprises a capacitor 111 and a frequency measuring device 112 , wherein the measuring coil device 102 and the capacitor 111 form a resonant circuit and the frequency measuring device 112 is designed to measure a resonant frequency f0 of the resonant circuit. The substrate 101 is preferably made as a CMOS wafer and preferably the measuring device 110 in the substrate 101 integrated. The measuring device 110 is designed to measure the inductance of the measuring coil device 102 to capture the ambient temperature. The measuring principle will be explained in more detail below.

In 4 ist eine Magnetisierung M pro Volumeneinheit V des ferrimagnetischen Materials 104 illustriert. Das ferrimagnetische Material 104 weist hierbei ein erstes Untergitter mit einer ersten Magnetisierung M1 und ein zweites Untergitter mit einer zweiten Magnetisierung M2 auf. Bei einem festen äußeren magnetischen Feld weist die Gesamtmagnetisierung M = M1 + M2, normiert auf eine Volumeneinheit V, den in 4 illustrierten Verlauf auf. Um eine Kompensationstemperatur Tk herum, bei welcher die Magnetisierung M verschwindet, weist die Magnetisierung M ein näherungsweise lineares Verhalten als Funktion der Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 auf.In 4 is a magnetization M per unit volume V of the ferrimagnetic material 104 illustrated. The ferrimagnetic material 104 in this case has a first sublattice with a first magnetization M1 and a second sublattice with a second magnetization M2. In a fixed external magnetic field, the total magnetization M = M1 + M2, normalized to a volume unit V, the in 4 illustrated course. Around a compensation temperature Tk, at which the magnetization M disappears, the magnetization M has an approximately linear behavior as a function of the temperature T of the ferrimagnetic material 104 on.

Für eine feste Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 weist die Magnetisierung M, normiert auf die Sättigungsmagnetisierung Ms als Funktion einer magnetischen Feldstärke H einen näherungsweise linearen Verlauf auf, wobei die Steigung, wie in 5 illustriert, von der jeweiligen fest gewählten Temperatur T1, T2 abhängt.For a fixed temperature T of the ferrimagnetic material 104 the magnetization M, normalized to the saturation magnetization Ms as a function of a magnetic field strength H has an approximately linear course, wherein the slope, as in FIG 5 illustrated, depends on the particular fixed temperature T1, T2.

Wie oben beschrieben, besteht in der Nähe der Kompensationstemperatur Tk ein linearer Zusammenhang zwischen der Magnetisierung M und der Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104. Die magnetische Suszeptibilität hängt in Richtung einer magnetisch harten Achse des ferrimagnetischen Materials 104 linear von der Magnetisierung des ferrimagnetischen Materials 104 ab. Durch die Superposition von einem externen Magnetfeld und einem durch das von dem ferrimagnetischen Material 104 generierten Magnetfeld ergibt sich aufgrund der Beziehung μ_r = 1 + χ eine linear temperaturabhängige Permeabilität, wobei χ die Suszeptibilität, bezogen auf die magnetisch harte Achse, darstellt. Die Induktivität der Messspuleneinrichtung 102 hängt linear von μ_r ab, so dass folgende Beziehung gilt: L ~ T. As described above, in the vicinity of the compensation temperature Tk, there is a linear relationship between the magnetization M and the temperature T of the ferrimagnetic material 104 , The magnetic susceptibility hangs in the direction of a magnetically hard axis of the ferrimagnetic material 104 linear from the magnetization of the ferrimagnetic material 104 from. By the superposition of an external magnetic field and by the one of the ferrimagnetic material 104 generated magnetic field is due to the relationship μ _r = 1 + χ a linear temperature-dependent permeability, where χ represents the susceptibility, based on the magnetically hard axis. The inductance of the measuring coil device 102 depends linearly on μ _r , so that the following relationship applies: L ~ T.

Die Induktivität L der Messspuleneinrichtung 102 ist somit proportional zur Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104. Somit lässt sich durch Messen der Induktivität L die Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 ermitteln. Bei dem in 1 illustrierten Schwingkreis gilt für die Resonanzfrequenz f0 folgende Beziehung:

wobei C eine bekannte Kapazität des Kondensators 111 ist. Die Messeinrichtung 110 kann dazu ausgebildet sein, die Resonanzfrequenz über ein Zählverfahren zu messen, wobei als Referenztakt ein Takt eines ASICs verwendet werden kann, insbesondere eines in das Substrat 101 integrierten ASICs. Die Messeinrichtung 110 ist weiter dazu ausgebildet, die Induktivität L aus der Resonanzfrequenz f0 anhand obiger Formel zu berechnen. Durch Messen der Resonanzfrequenz f0 kann die Messeinrichtung 110 somit die Induktivität L der Messspuleneinrichtung 102 und somit die Umgebungstemperatur erfassen. Die Umgebungstemperatur entspricht beispielsweise der Temperatur T des ferrimagnetischen Materials.The inductance L of the measuring coil device 102 is thus proportional to the temperature T of the ferrimagnetic material 104 , Thus, by measuring the inductance L, the temperature T of the ferrimagnetic material 104 determine. At the in 1 illustrated resonant circuit applies to the resonant frequency f0 following relationship:

where C is a known capacitance of the capacitor 111 is. The measuring device 110 may be configured to measure the resonant frequency via a counting method, wherein as a reference clock, a clock of an ASIC can be used, in particular one in the substrate 101 integrated ASICs. The measuring device 110 is further adapted to calculate the inductance L from the resonance frequency f0 using the above formula. By measuring the resonance frequency f0, the measuring device 110 thus the inductance L of the measuring coil device 102 and thus capture the ambient temperature. The ambient temperature corresponds for example to the temperature T of the ferrimagnetic material.

Das ferrimagnetische Material 104 wird vorzugsweise derart gewählt, dass die Kompensationstemperatur Tk unter einer vorgegebenen Substrattemperatur, beispielsweise 300 K, oder oberhalb der Substrattemperatur liegt. Vorzugsweise liegt die Kompensationstemperatur Tk mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 20 Kelvin unter- bzw. oberhalb der Substrattemperatur. Die Kompensationstemperatur Tk kann beispielsweise durch Variieren des Eisenanteils bei Verwendung einer GdFe-Legierung eingestellt werden. Vorteilhaft wird eine Materialzusammensetzung als Target hergestellt und mittels Ionenstrahlzerstäubung bzw. Sputtern abgeschieden. Dadurch ist es möglich, reproduzierbar Schichten mit guter Reinheit und homogener Dicke herzustellen. Somit kann verhindert werden, dass die Kompensationstemperatur Tk immer wieder über- bzw. unterschritten wird, wobei Mehrdeutigkeiten bei der Induktivitätsmessung auftreten können.The ferrimagnetic material 104 is preferably chosen such that the compensation temperature Tk is below a predetermined substrate temperature, for example 300 K, or above the substrate temperature. Preferably, the compensation temperature Tk is at least 10, more preferably at least 20 Kelvin below or above the substrate temperature. The compensation temperature Tk can be adjusted, for example, by varying the iron content when using a GdFe alloy. Advantageously, a material composition is produced as a target and deposited by means of ion beam sputtering or sputtering. This makes it possible to reproducibly produce layers with good purity and homogeneous thickness. Thus it can be prevented that the compensation temperature Tk is always exceeded or fallen below, whereby ambiguities in the inductance measurement can occur.

6 zeigt eine Draufsicht auf ein Absorberplateau 705 eines mikroelektromechanischen Bolometers 700 und 7 eine schematische Querschnittsansicht des mikroelektromechanischen Bolometers 700 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Seitenwände 106, die Vakuumverkappung 107 sowie die Messeinrichtung 110 sind hierbei nicht explizit illustriert, können jedoch Teil des mikroelektromechanischen Bolometers 700 sein. Das Bolometer 700 unterscheidet sich von dem in 1 illustrierten Bolometer 100 dadurch, dass eine Absorberschicht 701 auf einer dem Substrat 101 abgewandten Seite des ferrimagnetischen Materials 104 angeordnet ist. Die Absorberschicht 701 umfasst beispielsweise Siliziumoxid SiO₂ und weist eine Schichtdicke von vorzugsweise einigen Mikrometern auf. Die Absorberschicht 701 absorbiert vorzugsweise im Infrarotbereich und ermöglicht somit eine bessere und gleichmäßigere Erwärmung des ferrimagnetischen Materials 104. Die Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 entspricht somit vorzugsweise der Umgebungstemperatur. 6 shows a plan view of an absorber plateau 705 a microelectromechanical bolometer 700 and 7 a schematic cross-sectional view of the microelectromechanical bolometer 700 according to a second embodiment of the invention. The side walls 106 , the vacuum capping 107 as well as the measuring device 110 are not explicitly illustrated, but may be part of the microelectromechanical bolometer 700 be. The bolometer 700 is different from the one in 1 illustrated bolometer 100 in that an absorber layer 701 on a the substrate 101 opposite side of the ferrimagnetic material 104 is arranged. The absorber layer 701 For example, silicon oxide comprises SiO ₂ and has a layer thickness of preferably a few micrometers. The absorber layer 701 preferably absorbs in the infrared range and thus allows a better and more uniform heating of the ferrimagnetic material 104 , The temperature T of the ferrimagnetic material 104 thus preferably corresponds to the ambient temperature.

8 zeigt eine Draufsicht auf ein Absorberplateau 905 eines mikroelektromechanischen Bolometers 900 und 9 eine schematische Querschnittsansicht des mikroelektromechanischen Bolometers 900 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das Bolometer 900 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Messspuleneinrichtung 902 direkt in das Absorberplateau 905, vorzugsweise in die Trägerschicht 103a, integriert ist. Die Anschlusseinrichtungen 301a, 301b der Messspuleneinrichtung 902 werden hierbei über Verbindungsleitungen 901 in den Befestigungsarmen 103b mit dem Substrat 101 und mit der (nicht gezeigten) Messeinrichtung 110 verbunden. Die Induktivität der Messspuleneinrichtung 902 wird in diesem Aufbau stärker von dem ferrimagnetischen Material 104 beeinflusst. 8th shows a plan view of an absorber plateau 905 a microelectromechanical bolometer 900 and 9 a schematic cross-sectional view of the microelectromechanical bolometer 900 according to a third embodiment of the invention. The bolometer 900 differs from the first embodiment in that the measuring coil device 902 directly into the absorber plateau 905 , preferably in the carrier layer 103a , is integrated. The connection devices 301 . 301b the measuring coil device 902 are here via connecting lines 901 in the attachment arms 103b with the substrate 101 and with the (not shown) measuring device 110 connected. The inductance of the measuring coil device 902 becomes stronger in this construction from the ferrimagnetic material 104 affected.

10 zeigt eine Draufsicht auf ein Absorberplateau 1105 eines mikroelektromechanischen Bolometers 1100, 11 eine schematische Querschnittsansicht entlang einer ersten Achse AA' und 12 eine schematische Querschnittsansicht entlang einer zweiten Achse BB' des mikroelektromechanischen Bolometers 1100 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Wie in der dritten Ausführungsform ist hierbei die Messspuleneinrichtung 1106 in das Absorberplateau 1105 integriert, wobei das Absorberplateau seitliche Trägerschichten 1103 und eine obere, dem Substrat abgewandte obere Trägerschicht 1107 umfasst, so dass das ferrimagnetische Material 104 vollständig umgeben ist. Die Messspuleneinrichtung 1106 umfasst untere Messspulenelemente 1101 in der Trägerschicht 103a, welche mit oberen Messspulenelementen 1102 in der oberen Trägerschicht 1107 über senkrechte Messspulenelemente 1104 in den seitlichen Trägerschichten 1103 verbunden sind. Die Messspuleneinrichtung 1106 umfasst somit mehrere Spulenwindungen, welche um das ferrimagnetische Material 104 herum gewickelt sind, so dass das ferrimagnetische Material 104 einen Spulenkern der Messspuleneinrichtung 1106 bildet. Die Spulenwicklung ist genauer in 13, 14, 15 illustriert. 13 entspricht einer Draufsicht auf die Messspuleneinrichtung 1106, 14, 15 entsprechen Querschnittsansichten entlang Achsen CC' bzw. DD'. Die in 14 gezeigte Querschnittansicht entspricht der in 12 gezeigten Querschnittansicht des Bolometers 1100. 10 shows a plan view of an absorber plateau 1105 a microelectromechanical bolometer 1100 . 11 a schematic cross-sectional view along a first axis AA 'and 12 a schematic cross-sectional view along a second axis BB 'of the microelectromechanical bolometer 1100 according to a fourth embodiment of the invention. As in the third embodiment, this is the measuring coil device 1106 into the absorber plateau 1105 integrated, wherein the absorber plateau lateral support layers 1103 and an upper, the substrate facing away from the upper carrier layer 1107 includes, so that the ferrimagnetic material 104 is completely surrounded. The measuring coil device 1106 includes lower coil elements 1101 in the carrier layer 103a , which with upper measuring coil elements 1102 in the upper carrier layer 1107 via vertical measuring coil elements 1104 in the lateral carrier layers 1103 are connected. The measuring coil device 1106 thus comprises a plurality of coil turns, which surround the ferrimagnetic material 104 wrapped around so that the ferrimagnetic material 104 a coil core of the measuring coil device 1106 forms. The coil winding is more accurate in 13 . 14 . 15 illustrated. 13 corresponds to a plan view of the measuring coil device 1106 . 14 . 15 correspond cross-sectional views along axes CC 'and DD'. In the 14 shown cross-sectional view corresponds to in 12 shown cross-sectional view of the bolometer 1100 ,

16 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mikroelektromechanischen Bolometers 1600 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, welche im Wesentlichen der in 9 illustrierten dritten Ausführungsform der Erfindung entspricht. Zusätzlich ist eine Magnetfeldspule 1601 auf einer dem Absorberplateau 905 zugewandten Seite des Substrats 101 angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, ein externes Magnetfeld zu erzeugen. Durch Anpassen des durch die Magnetfeldspule 1601 erzeugten Magnetfelds kann eine Magnetisierung M des ferrimagnetischen Materials 104, wie in 5 illustriert, verändert werden. Somit kann ein Arbeitspunkt, das heißt eine magnetische Feldstärke H0, wie in 5 illustriert, gewählt werden. 16 shows a schematic cross-sectional view of a microelectromechanical bolometer 1600 according to a fifth embodiment of the invention, which substantially the in 9 illustrated third embodiment of the Invention corresponds. In addition, a magnetic field coil 1601 on a the absorber plateau 905 facing side of the substrate 101 arranged, which is adapted to generate an external magnetic field. By adjusting the through the magnetic field coil 1601 generated magnetic field can be a magnetization M of the ferrimagnetic material 104 , as in 5 illustrated, changed. Thus, an operating point, that is, a magnetic field H0, as in 5 illustrated, to be chosen.

Vorzugsweise wird die Magnetisierung M derart gewählt, dass das Bolometer 1600 in einem linearen Bereich betrieben wird, das heißt die Induktivität L proportional zur Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 ist. Somit kann ein Einfluss einer Hysterese vermindert werden.Preferably, the magnetization M is chosen such that the bolometer 1600 is operated in a linear range, that is, the inductance L proportional to the temperature T of the ferrimagnetic material 104 is. Thus, an influence of hysteresis can be reduced.

Die Erfindung ist nicht auf die genannten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere werden bevorzugt mehrere der gezeigten mikroelektromechanischen Bolometer in einem Array angeordnet, um somit ortsaufgelöste Aufnahmen von Wärmebildern erzeugen zu können.The invention is not limited to the aforementioned embodiments. In particular, several of the microelectromechanical bolometers shown are preferably arranged in an array in order to be able to generate spatially resolved images of thermal images.

In 17 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erfassen einer Umgebungstemperatur T illustriert. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 eine Induktivität L einer Messspuleneinrichtung gemessen, wobei die Messspuleneinrichtung in oder an einem Substrat angeordnet ist bzw. in oder an einem von dem Substrat beabstandeten und an dem Substrat aufgehängten Absorberplateau angeordnet ist. Das Absorberplateau weist ein ferrimagnetisches Material auf. Die Induktivität ist von einer Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 abhängig, wobei die Temperatur T des ferrimagnetischen Materials 104 von der Umgebungstemperatur abhängig ist, beispielsweise gleich ist. Vorzugsweise wird ein mikroelektromechanisches Bolometer gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen zum Durchführen des Verfahrens verwendet.In 17 FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for detecting an ambient temperature T illustrated. Here, in a first method step S1, an inductance L of a measuring coil device is measured, wherein the measuring coil device is arranged in or on a substrate or is arranged in or on an absorber plateau spaced from the substrate and suspended on the substrate. The absorber plateau has a ferrimagnetic material. The inductance is of a temperature T of the ferrimagnetic material 104 dependent, wherein the temperature T of the ferrimagnetic material 104 is dependent on the ambient temperature, for example, is the same. Preferably, a microelectromechanical bolometer according to any of the embodiments described above is used to perform the method.

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird die Umgebungstemperatur anhand der gemessenen Induktivität erfasst. Hierbei wird vorzugsweise das oben beschriebene lineare Verhalten von Induktivität und Temperatur ausgenutzt. Vorzugsweise wird das Messen der Induktivität durch Messen einer Resonanzfrequenz f0 eines Schwingkreises durchgeführt, wobei der Schwingkreis die Messspuleneinrichtung und einen Kondensator umfasst.In a second method step S2, the ambient temperature is detected on the basis of the measured inductance. In this case, preferably the above-described linear behavior of inductance and temperature is utilized. Preferably, the measuring of the inductance is performed by measuring a resonant frequency f0 of a resonant circuit, wherein the resonant circuit comprises the measuring coil device and a capacitor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 98/20316 [0002]

Claims

Microelectromechanical bolometer ( 100 ; 700 ; 900 ; 1100 ; 1600 ) for detecting an ambient temperature, comprising: a substrate ( 101 ); one of the substrate ( 101 ) and on the substrate ( 101 ) suspended absorber plateau ( 105 ; 705 ; 905 ; 1105 ), which is a ferrimagnetic material ( 104 ) having; a measuring coil device ( 102 ; 1106 ) having an inductance (L) which is dependent on a temperature (T) of the ferrimagnetic material ( 104 ), the temperature (T) of the ferrimagnetic material ( 104 ) is dependent on the ambient temperature, wherein the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) in or on the substrate ( 101 ) and / or in or on the absorber plateau ( 105 ; 705 ; 905 ; 1105 ), and one with the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) coupled connection device ( 301 . 301b ) for connection to a measuring device ( 110 ) for detecting the ambient temperature.

Microelectromechanical bolometer ( 100 ; 700 ; 900 ; 1100 ; 1600 ) according to claim 1, with a connection to the connection device ( 301 . 301b ) connected measuring device ( 110 ), which is designed by measuring the inductance (L) of the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) to detect the ambient temperature.

Microelectromechanical bolometer ( 900 ; 1100 ; 1600 ) according to claim 2, wherein the measuring device ( 110 ) a capacitor ( 111 ), which together with the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) forms a resonant circuit, and wherein the measuring device ( 110 ) is adapted to the inductance (L) of the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) by measuring a resonant frequency (f0) of the resonant circuit.

Microelectromechanical bolometer ( 900 ; 1100 ; 1600 ) according to one of the preceding claims, wherein the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) into the absorber plateau ( 905 ; 1105 ) is embedded.

Microelectromechanical bolometer ( 1100 ) according to claim 4, wherein the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) around the ferrimagnetic material ( 104 ) is arranged around, so that the ferrimagnetic material ( 104 ) a coil core of the measuring coil device ( 102 ; 1106 ).

Microelectromechanical bolometer ( 1600 ) according to one of the preceding claims, with a magnetic field coil ( 1601 ), which is adapted to generate a magnetization of the ferrimagnetic material by generating an external magnetic field ( 104 ) to change.

Microelectromechanical bolometer ( 100 ; 700 ; 900 ; 1100 ; 1600 ) according to any one of the preceding claims, wherein the ferrimagnetic material ( 104 ) comprises a GdFe alloy.

Microelectromechanical bolometer ( 700 ) according to one of the preceding claims, wherein the absorber plateau ( 705 ) an absorber layer ( 701 ) which is adapted to absorb infrared radiation.

Method for detecting an ambient temperature, comprising the steps of: measuring (S1) an inductance (L) of a measuring coil device ( 102 ; 1106 ), wherein the measuring coil device ( 102 ; 1106 ) in or on a substrate ( 101 ) and / or in or on one of the substrate ( 101 ) and on the substrate ( 101 ) suspended absorber plateau ( 105 ; 705 ; 905 ; 1105 ), wherein the absorber plateau ( 105 ; 705 ; 905 ; 1105 ) a ferrimagnetic material ( 104 ), wherein the inductance (L) of a temperature (T) of the ferrimagnetic material ( 104 ), the temperature (T) of the ferrimagnetic material ( 104 ) is dependent on the ambient temperature; and detecting (S2) the ambient temperature based on the measured inductance (L).

The method of claim 9, wherein said measuring inductance (L) is performed by measuring a resonant frequency (f0) of a resonant circuit, and wherein said resonant circuit is said measuring coil means ( 102 ; 1106 ) and a capacitor ( 111 ).