DE102017012296B4 - infrared radiation sensors - Google Patents
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Abstract
Ein Infrarotstrahlungssensor, der folgende Merkmale aufweist:ein Substrat (24, 120) mit einer Hauptoberfläche, die eine Substratebene definiert;eine Membran (10, 110), die in oder an dem Substrat (24, 120) gebildet ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Membran (10, 110) eine ablenkbare Elektrode bildet; undeine Gegenelektrode (116, 116a,116b);wobei die ablenkbare Elektrode und die Gegenelektrode (116, 116a,116b) einander in Bezug auf die Substratebene seitlich zugewandt sind, wobei zwischen der ablenkbaren Elektrode und der Gegenelektrode (116, 116a, 116b) eine Kapazität gebildet ist,wobei die Membran (10, 110) eine Zusammensetzung aufweist, die zumindest zwei Schichten (12, 14, 112, 114) aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist undwobei die Zusammensetzung eine Absorptionsregion aufweist, die konfiguriert ist, um durch Absorbieren von Infrarotstrahlung eine Verformung der Zusammensetzung zu verursachen, wobei die Verformung zu einer in Bezug auf die Substratebene vertikalen Ablenkung der ablenkbaren Elektrode relativ zu der Gegenelektrode (116, 116a, 116b) führt, die eine Änderung der Kapazität verursacht,wobei die Gegenelektrode (116, 116a, 116b) der ablenkbaren Elektrode an mehreren seitlichen Rändern der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist, wobei ein Membranträger (130) mit der Membran (110) in einer Region gekoppelt ist, die von seitlichen Rändern der Membran (110) beabstandet ist, in einer Draufsicht auf die Substratebene gesehen, undwobei der Membranträger (130) mit der Membran (110) in einer Mittelregion der Membran (110) gekoppelt ist, in einer Draufsicht auf die Substratebene.An infrared radiation sensor, comprising:a substrate (24, 120) having a major surface defining a substrate plane;a diaphragm (10, 110) formed in or on the substrate (24, 120), at least a portion the membrane (10, 110) forms a deflectable electrode; anda counter electrode (116, 116a, 116b);wherein the deflectable electrode and the counter electrode (116, 116a,116b) face each other laterally with respect to the substrate plane, wherein between the deflectable electrode and the counter electrode (116, 116a, 116b) a capacitance is formed, wherein the membrane (10, 110) comprises a composition comprising at least two layers (12, 14, 112, 114) of materials having different coefficients of thermal expansion, and wherein the composition comprises an absorption region configured to, by absorbing infrared radiation to cause a deformation of the composition, which deformation leads to a vertical deflection, with respect to the substrate plane, of the deflectable electrode relative to the counter electrode (116, 116a, 116b), which causes a change in capacitance, the counter electrode (116, 116a , 116b) facing the deflectable electrode at a plurality of lateral edges of the deflectable electrode, wobe i a membrane support (130) is coupled to the membrane (110) in a region spaced from lateral edges of the membrane (110) as seen in a plan view of the substrate plane, and wherein the membrane support (130) is coupled to the membrane (110) is coupled in a central region of the membrane (110), in a plan view of the substrate plane.
Description
GebietArea
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Infrarotstrahlungssensoren und Verfahren zum Herstellen von Infrarotstrahlungssensoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf MEMS-Infrarotstrahlungssensoren (MEMS = mikroelektromechanische Systeme) und Verfahren zum Herstellen von Infrarotstrahlungssensoren und Verwendung von MEMS-Technologien.The present disclosure relates to infrared radiation sensors and methods of making infrared radiation sensors. More particularly, the present disclosure relates to microelectromechanical systems (MEMS) infrared radiation sensors and methods of fabricating infrared radiation sensors and using MEMS technologies.
Hintergrundbackground
Infrarotbilderzeugung wird in einer Vielzahl von bekannten industriellen, kommerziellen und militärischen Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel Sicherheit, Strafvollzugsüberwachung und Industrie- und Umweltüberwachung. Die Fähigkeit, Infrarotstrahlung zu erfassen, ermöglicht ein breites Spektrum von Anwendungen, angefangen von Temperaturmessungen bis zu einer genauen Charakterisierung aller Arten von anorganischen und organischen Substanzen durch spektroskopische Verfahren, wie zum Beispiel IR- und Raman-Spektroskopie.Infrared imaging is used in a variety of well-known industrial, commercial, and military applications such as security, law enforcement, and industrial and environmental monitoring. The ability to detect infrared radiation enables a wide range of applications, from temperature measurements to accurate characterization of all types of inorganic and organic substances by spectroscopic methods such as IR and Raman spectroscopy.
In Infrarotkameras können Bolometer als Strahlungsdetektoren verwendet werden. In solchen Bolometern findet Erfassung indirekt statt durch Umwandeln von absorbierter Lichtenergie in Wärme. Die Wärme führt zu einer Intensivierung der Streuung von frei bewegbaren Elektronen innerhalb eines Feststoffkörpers. Daher kann ein Anstieg des elektrischen Widerstands als ein Signal erfasst werden. Hoch dotiertes Silizium, sowohl amorph als auch polykristallin in der Form einer Membran kann als ein wärmeempfindliches resistives Element verwendet werden. Der Oberflächenbereich und die Dicke der Membran kann angepasst oder optimiert werden, um einen maximalen effizienten Strahlungsempfang zu erreichen. Bolometer können eine Pixelgröße von 17 × 17 µm2 und einen thermischen Kontrast (NETD = Noise Equivalent Temperature Difference = rauschäquivalente Temperaturdifferenz) von 30 mK bis 50 mK aufweisen.In infrared cameras, bolometers can be used as radiation detectors. In such bolometers, detection takes place indirectly by converting absorbed light energy into heat. The heat leads to an intensification of the scattering of freely movable electrons within a solid body. Therefore, an increase in electrical resistance can be detected as a signal. Highly doped silicon, both amorphous and polycrystalline in the form of a membrane can be used as a heat-sensitive resistive element. The surface area and thickness of the membrane can be adjusted or optimized to achieve maximum efficient radiation reception. Bolometers can have a pixel size of 17×17 μm 2 and a thermal contrast (NETD=Noise Equivalent Temperature Difference) of 30 mK to 50 mK.
Allgemein können Bolometer zwei elektrische Kontakte aufweisen, die mit der Membran an zwei gegenüberliegenden Seiten derselben verbunden sind, um die Membranstruktur als einen Widerstand zu betreiben. Dies kann zu einer relativ starken Wärmeabfuhr durch die Kontaktstrukturen führen, die unter Verwendung von Metallansätzen implementiert sein können, und daher kann die Empfindlichkeit reduziert sein. Eine Miniaturisierung der Bolometer ist direkt mit einer Reduzierung des aktiven Oberflächenbereichs der Membran verbunden.Generally, bolometers can have two electrical contacts connected to the membrane on two opposite sides thereof to operate the membrane structure as a resistor. This can result in relatively high heat dissipation through the contact structures, which can be implemented using metal studs, and therefore sensitivity can be reduced. Miniaturization of the bolometers is directly related to a reduction in the active surface area of the membrane.
Andere Infrarotbilderzeuger können differentielle kapazitive MEMS-Infrarotsensoren innerhalb eines Sensorarrays verwenden. Solche differenzkapazitiven Infrarotsensoren können ein ablenkbares Elektrodenelement aus zwei Materialen, das an einer oberen Oberfläche eines integrierten Schaltungssubstrats verankert ist, und eine Oberflächenelektrode umfassen, die auf der oberen Oberfläche des integrierten Schaltungssubstrats hergestellt ist und unter dem ablenkbaren Elektrodenelement positioniert ist. Die Oberflächenelektrode und das ablenkbare Elektrodenelement können durch einen Zwischenraum getrennt sein, um einen ersten einstellbaren Kondensator zu bilden, der einen ersten Kapazitätswert aufweist. Außerdem kann eine infrarotdurchlässige Abdichtungsdeckelelektrode vorgesehen sein. Eine erste Vorspannung kann an die Oberflächenelektrode angelegt sein und eine zweite Vorspannung kann an die Abdichtungsdeckelelektrode angelegt sein. Ein Differentialkapazitätsmonitor ist physikalisch mit dem ablenkbaren Elektrodenelement aus zwei Materialien, mit der Oberflächenelektrode und mit der Abdichtungsdeckelelektrode gekoppelt. Der Differentialkapazitätsmonitor dient dazu, einen Betrag des Differentials zwischen dem ersten Kapazitätswert des ersten einstellbaren Kondensators und dem zweiten Kapazitätswert des zweiten einstellbaren Kondensators zu überwachen.Other infrared imagers can use differential capacitive MEMS infrared sensors within a sensor array. Such differential capacitive infrared sensors may include a bi-material deflectable electrode element anchored to a top surface of an integrated circuit substrate and a surface electrode fabricated on the top surface of the integrated circuit substrate and positioned below the deflectable electrode element. The surface electrode and the deflectable electrode element may be separated by a gap to form a first variable capacitor having a first capacitance value. An infrared transmissive sealing lid electrode may also be provided. A first bias may be applied to the surface electrode and a second bias may be applied to the sealing cap electrode. A differential capacitance monitor is physically coupled to the bi-material deflectable electrode member, the surface electrode, and the sealing cap electrode. The differential capacitance monitor is operable to monitor an amount of differential between the first capacitance value of the first adjustable capacitor and the second capacitance value of the second adjustable capacitor.
Infrarotkapazitätssensoren können aus einem Streifen aus zwei Materialien bestehen, der die Position einer Platte eines Erfassungskondensators ansprechend auf Temperaturänderungen aufgrund von absorbierter einfallender Wärmestrahlung ändert. Der Streifen aus zwei Materialien kann aus zwei Materialien mit einer großen Differenz bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammengesetzt sein. Die Platten des Erfassungskondensators sind einander parallel zu einer Substratebene zugewandt und sind elektrisch mit einer Erfassungsschaltung verbunden.Infrared capacitance sensors may consist of a bi-material strip that changes the position of one plate of a sensing capacitor in response to temperature changes due to absorbed incident thermal radiation. The bi-material strip may be composed of two materials with a large difference in thermal expansion coefficients. The plates of the sense capacitor face each other parallel to a substrate plane and are electrically connected to a sense circuit.
Aus der
Die
Kurzdarstellungabstract
Die vorliegende Erfindung schafft einen Infrarotstrahlungssensor nach Anspruch 1 und einen Infrarotstrahlungssensor nach Anspruch 2. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Beispiele der vorliegenden Offenbarung, die nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fallen, bilden keinen Teil der Erfindung und dienen lediglich erläuternden Zwecken.The present invention provides an infrared radiation sensor according to claim 1 and an infrared radiation sensor according to claim 2. Further developments of the invention are defined in the dependent claims. Examples of the present disclosure that do not fall under the scope of the claims do not form part of the invention and are provided for illustrative purposes only.
Figurenlistecharacter list
Beispiele der Offenbarung werden unter Verwendung der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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1a bis1c zeigen schematische Querschnittsansichten zum Erläutern von Beispielen von nicht erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensoren mit Elektroden, die einander in einer seitlichen Richtung zugewandt sind; -
2a und2b zeigen eine schematische Draufsicht und eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensors mit Elektroden, die einander in einer zeitlichen Richtung zugewandt sind, und einer zentral getragenen Membran; -
3a und3b zeigen eine schematische Draufsicht und eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensors mit Elektroden, die einander in einer seitlichen Richtung zugewandt sind, und einer zentral getragenen Membran; -
4 zeigt eine Modifikation des Sensors von3b ; -
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensors, der zwei Gegenelektroden und eine floatende ablenkbare Elektrode aufweist; -
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines nicht erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensors mit vertikaler Auslesung; -
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines nicht erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensors mit vertikaler Auslesung; -
8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines nicht erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensors, der Gegenelektroden aufweist, die in einem Deckel des Sensors gebildet sind; -
9 zeigt eine schematische Draufsicht von Abschnitten des Substrats des Sensors, der in8 gezeigt ist; -
10 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht von Abschnitten des Sensors von8 und9 , wobei Abschnitte abgeschnitten sind; -
11 zeigt eine schematische Ansicht einer Membran und Tragestrukturen des in8 gezeigten Sensors; -
12a bis12c zeigen schematische Querschnittsansichten, die unterschiedliche Betriebszustände des Sensors von8 zeigen; -
13a und13b zeigen Ersatzschaltungen eines Sensors, wie er in8 gezeigt ist; -
14a und14b zeigen eine schematische Ansicht und eine Ersatzschaltung zum Erläutern eines Beispiels einer Erfassungsschaltung; -
15a und15b zeigen eine schematische Ansicht und eine Ersatzschaltung zum Erläutern eines weiteren Beispiels einer Erfassungsschaltung; -
16a und16b zeigen eine schematische Ansicht und eine Ersatzschaltung zum Erläutern noch eines weiteren Beispiels einer Erfassungsschaltung; -
17a bis17l zeigen schematische Querschnittsansichten von Schritten von Beispielen von Verfahren zum Herstellen von Infrarotstrahlungssensoren.
-
1a until1c Fig. 12 shows schematic cross-sectional views for explaining examples of infrared ray sensors not according to the invention having electrodes facing each other in a lateral direction; -
2a and2 B Fig. 12 shows a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of an example of an infrared radiation sensor according to the invention having electrodes facing each other in a temporal direction and a centrally supported diaphragm; -
3a and3b Fig. 12 shows a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of another example of an infrared radiation sensor according to the invention with electrodes facing each other in a lateral direction and a centrally supported diaphragm; -
4 shows a modification of the sensor from3b ; -
5 Fig. 12 shows a schematic cross-sectional view of an example of an infrared radiation sensor according to the invention, having two counter electrodes and a floating deflectable electrode; -
6 Fig. 12 is a schematic cross-sectional view of an example of a vertical readout infrared radiation sensor not according to the present invention; -
7 Fig. 12 is a schematic cross-sectional view of another example of a vertical readout infrared radiation sensor not according to the invention; -
8th Fig. 12 shows a schematic cross-sectional view of an example of an infrared radiation sensor not according to the invention, having counter electrodes formed in a cover of the sensor; -
9 shows a schematic top view of portions of the substrate of the sensor shown in FIG8th is shown; -
10 FIG. 12 shows a schematic three-dimensional view of sections of the sensor of FIG8th and9 , with portions cut off; -
11 shows a schematic view of a membrane and supporting structures of the in8th shown sensor; -
12a until12c show schematic cross-sectional views showing different operating states of the sensor of FIG8th demonstrate; -
13a and13b show equivalent circuits of a sensor as shown in8th is shown; -
14a and14b Fig. 12 shows a schematic view and an equivalent circuit for explaining an example of a detection circuit; -
15a and15b Fig. 12 shows a schematic view and an equivalent circuit for explaining another example of a detection circuit; -
16a and16b Fig. 12 shows a schematic view and an equivalent circuit for explaining still another example of a detection circuit; -
17a until17l Fig. 12 shows schematic cross-sectional views of steps of example methods for manufacturing infrared radiation sensors.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es ist anzumerken, dass die gleichen Elemente oder Elemente mit der gleichen Funktionalität mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung der Elemente, die mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise ausgelassen wird. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen vorgesehen sind, untereinander austauschbar. In der folgenden Beschreibung ist eine Vielzahl von Einzelheiten aufgeführt, um eine gründlichere Erläuterung der Beispiele der Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist jedoch klar, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform und nicht näher gezeigt, um ein Undeutlichmachen der hierin beschriebenen Beispiele zu vermeiden. Außerdem können Merkmale der unterschiedlichen Beispiele, die hierin nachfolgend beschrieben sind, miteinander kombiniert werden, es sei denn, es ist speziell anderweitig angemerkt.Hereinafter, examples of the present disclosure will be described in detail using the accompanying drawings. It should be noted that the same elements or elements having the same functionality are provided with the same or similar reference numbers, and repeated description of the elements provided with the same or similar reference numbers will typically be omitted. Thus, descriptions provided for elements with the same or similar reference numbers are interchangeable. In the following description, numerous details are set forth in order to provide a more thorough explanation of the examples of the disclosure. However, it will be appreciated by those skilled in the art that other examples may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form and not shown in detail in order to avoid obscuring the examples described herein. In addition, characteristics of the different examples described hereinafter, unless specifically noted otherwise.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Infrarotstrahlungssensoren, die ein Substrat aufweisen. Allgemein kann das Substrat ein oder zwei Hauptoberflächen umfassen, d.h. Oberflächen mit einer größeren quadratischen Abmessung als die anderen Oberflächen desselben. Die Hauptoberfläche des Substrats kann eine Substratebene definieren, das heißt eine Substratebene kann durch die Hauptoberfläche des Substrats gelegt sein, selbst wenn die Oberfläche Unregelmäßigkeiten aufweist. Allgemein kann das Substrat zwei Hauptoberflächen umfassen und die Substratebene kann parallel zu den zwei Hauptoberflächen des Substrats sein. Eine Längenrichtung und eine Breitenrichtung können parallel zu der Subjektebene sein, während eine Dickenrichtung vertikal (oder senkrecht) zu der Subjektebene sein kann. Allgemein können die Begriffe „vertikal“ und „lateral“, wie sie hierin verwendet werden, vertikal und lateral bzw. seitlich in Bezug auf die Substratebene sein.Examples of the present disclosure relate to infrared radiation sensors that include a substrate. In general, the substrate may comprise one or two major surfaces, i.e. surfaces having a larger square dimension than the other surfaces thereof. The major surface of the substrate may define a substrate plane, that is, a substrate plane may pass through the major surface of the substrate even if the surface has irregularities. In general, the substrate can comprise two main surfaces and the substrate plane can be parallel to the two main surfaces of the substrate. A length direction and a width direction can be parallel to the subject plane, while a thickness direction can be vertical (or perpendicular) to the subject plane. In general, the terms “vertical” and “lateral” as used herein can mean vertical and lateral or sideways with respect to the plane of the substrate.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen Infrarotstrahlungssensoren, die unter Verwendung von MEMS-Technologien auf kostengünstige Weise hergestellt werden können. Beispiele schaffen MEMS-Infrarotstrahlungssensoren. Beispiele ermöglichen eine Miniaturisierung und Integration von Infrarotdetektoren in Mikroelektronik, wobei beim Herstellen der Sensoren CMOS-kompatible Materialien und Prozesse (CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor = komplementärer Metalloxidhalbleiter) verwendet werden können. Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es, dass Niederenergieinfrarotstrahlung mit hoher Effizienz empfangen wird und in ein Nutzsignal umgewandelt wird.Examples of the present disclosure provide infrared radiation sensors that can be inexpensively manufactured using MEMS technologies. Examples create MEMS infrared radiation sensors. Examples allow for miniaturization and integration of infrared detectors into microelectronics, wherein CMOS-compatible materials and processes (CMOS=complementary metal-oxide semiconductor) can be used in fabricating the sensors. Examples of the present disclosure enable low energy infrared radiation to be received and converted into a useful signal with high efficiency.
Gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung wird Infrarotstrahlung indirekt erfasst durch Messen einer elektrischen Kapazität. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung sind weniger elektrische Kontakte zu dem empfindlichen Element des Sensors vorgesehen. Bei Beispielen kann der Bereich des elektrischen Kontakts für eine bessere Wärmeisolation reduziert sein. Bei Beispielen kann eine strahlungsempfindliche Membran in einem evakuierten Hohlraum angeordnet sein, so dass Wärmeverluste aufgrund von Konvektionswärmefluss und Wärmeabfuhr durch die Atmosphäre reduziert werden können. Bei Beispielen können Infrarotsensoren mit einem hohen thermischen Kontrast mit einem NETD bis zu 1 mK implementiert sein.According to examples of the present disclosure, infrared radiation is indirectly detected by measuring an electrical capacitance. In examples of the present disclosure, fewer electrical contacts are provided to the sensitive element of the sensor. In examples, the area of electrical contact may be reduced for better thermal isolation. In examples, a radiation-sensitive membrane may be placed in an evacuated cavity so that heat losses due to convective heat flux and heat removal through the atmosphere may be reduced. In examples, high thermal contrast infrared sensors can be implemented with a NETD up to 1 mK.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist das empfindliche Element eine Zusammensetzung, die zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die aufeinander in direktem mechanischem Kontakt miteinander angeordnet sind. Bei Beispielen weist das empfindliche Element eine Materialkombination aus Silizium und Siliziumoxid oder Siliziumdioxid auf. Das empfindliche Element kann an einer Position desselben getragen werden und kann an andere Positionen desselben bewegbar sein. Somit kann das empfindliche Element im Fall von Temperaturänderungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht der Zusammensetzung abgelenkt werden. Bei Beispielen ist die Zusammensetzung eine Zusammensetzung aus zwei Materialien, die eine erste Schicht aus einem Material mit einem ersten Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und eine zweite Schicht aus einem Material mit einem zweiten Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist. In examples of the present disclosure, the sensitive element is a composition comprising two layers of materials with different coefficients of thermal expansion placed one on top of the other in direct mechanical contact with each other. In examples, the sensitive element comprises a material combination of silicon and silicon oxide or silicon dioxide. The sensitive element may be carried at one position thereof and may be movable to other positions thereof. Thus, in the event of temperature changes, the sensitive element can be deflected due to the different coefficients of thermal expansion of the layer of composition. In examples, the composition is a two-material composition comprising a first layer of material having a first coefficient of thermal conductivity and a second layer of material having a second coefficient of thermal conductivity.
Einfallende Infrarotstrahlung kann in der Halbleiterschicht 12 absorbiert werden durch Interaktion mit freien Ladungsträgern innerhalb der dotierten Halbleiterschicht. Da die Ladungsträger darauf abzielen einen Zustand niedrigerer Energie anzunehmen, sind dieselben aufgrund einer Interaktion mit Photonen in dem Feststoffkörper entspannt. Somit wird die Membran erwärmt. Da die Membran eine Kombination aus Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie zum Beispiel Si und SiO2, die in direktem Kontakt miteinander sind, führt das Erwärmen der Membran zu einer Verformung und daher einer Reflexion der Membran, wie es in
Beispielsweise hat Silizium einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 26 × 10-7K-1 und SiO2 hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 5 × 10-7K-1. Somit ist der Koeffizient von Silizium etwa fünf Mal höher als derjenige von SiO2.For example, silicon has a thermal expansion coefficient of about 26×10 -7 K -1 and SiO 2 has a thermal expansion coefficient of about 5×10 -7 K -1 . Thus, the coefficient of silicon is about five times higher than that of SiO 2 .
Das Verbinden einer Spannungsquelle mit den Kontakten 20 und 22 führt zu der in
Bei Beispielen kann die Membran vor-abgelenkt sein, so dass die Kapazität zwischen der ablenkbaren Elektrode (d. h. dem empfindlichen Element) und dem Stator in dem Gleichgewichtszustand nicht bei einem Maximum ist. Somit kann eine Auslesung in einer eher linearen Region der Kapazitätsschwankung stattfinden. Vor-Ablenkung kann erreicht werden durch Aufbringen einer Oxidschicht der Membran auf die Halbleiterschicht bei erhöhten Temperaturen, so dass sich eine mechanische Belastung zwischen den Schichten entwickelt, wenn dieselben auf Zimmertemperatur abkühlen. Eine Vor-Ablenkung der Membran kann in Bezug auf alle Beispiele der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden.In examples, the membrane may be pre-deflected such that the capacitance between the deflectable electrode (i.e., the sensitive element) and the stator is not at a maximum in the steady state. Thus, a readout can take place in a more linear region of capacitance variation. Pre-deflection can be achieved by depositing an oxide layer of the membrane onto the semiconductor layer at elevated temperatures such that mechanical stress develops between the layers as they cool to room temperature. Pre-deflection of the membrane may be provided with respect to all examples of the present disclosure.
Die Halbleiterschicht 12 stellt eine Absorptionsregion der Membran dar und kann mit Phosphor oder Bor dotiert sein, um eine Absorption der Infrarotstrahlung zu ermöglichen. Um eine Interaktion der einfallenden Photonen mit freien Ladungsträgern innerhalb des Halbleiters zu erhöhen, ist eine hohe Konzentration der Dotierstoffe wünschenswert.
Entsprechend zeigen
Gemäß dem Beispiel ist die Kapazität oder der Kondensator durch Elektroden gebildet, die einander seitlich zugewandt sind. Somit ist ein vertikaler Abstand zwischen der ablenkbaren Elektrode und einer Unterseite eines Hohlraums, über dem die ablenkbare Elektrode gebildet sein kann, für die Kapazität nicht entscheidend. Somit kann die Höhe des Hohlraums in der Dickenrichtung des Substrats erhöht werden und daher kann das Risiko, dass Einzieheffekte auftreten, reduziert werden.According to the example, the capacitance or capacitor is formed by electrodes facing each other laterally. Thus, vertical spacing between the deflectable electrode and a bottom of a cavity over which the deflectable electrode may be formed is not critical to capacitance. Thus, the height of the void in the thickness direction of the substrate can be increased, and therefore the risk of necking-in can be reduced.
Allgemein kann die Schicht der Zusammensetzung, durch die die Infrarotstrahlung in der Absorptionsregion einfällt, als eine Antireflexionsschicht wirken zusätzlich zu dem Zweck des Ermöglichens einer Verformung auf die Erwärmung hin. Beispielsweise kann die Oxidschicht 14 auch als eine Antireflexionsschicht dienen und zu diesem Zweck kann die Dicke der Antireflexionsschicht angepasst werden, um der Antireflexionsbedingung zu entsprechen:
Gemäß dem in
Bei Beispielen ist eine Gegenelektrode der ablenkbaren Elektrode an mehreren seitlichen Rändern der ablenkbaren Elektrode seitlich zugewandt, wobei ein Membranträger mit der Membran in einer Region gekoppelt ist, die von den seitlichen Rändern der Membran beabstandet ist in einer Draufsicht auf die Substratebene gesehen. Bei Beispielen kann der Membranträger mit der Membran in einer Region gekoppelt sein, die von allen seitlichen Rändern der Membran beabstandet ist, in einer Draufsicht auf das Substrat gesehen. Bei Beispielen kann der Membranträger mit der Membran gekoppelt sein in einer mittleren Region der Membran in einer Draufsicht auf die Substratebene.In examples, a counter electrode faces the deflectable electrode laterally at a plurality of lateral edges of the deflectable electrode, and a membrane support is coupled to the membrane in a region spaced from the lateral edges of the membrane when viewed in a plan view of the substrate plane. In examples, the membrane support may be coupled to the membrane in a region spaced from any lateral edges of the membrane when viewed in a plan view of the substrate. In examples, the membrane support may be coupled to the membrane in a middle region of the membrane in a plan view of the substrate plane.
Die Membran 110 und die stationäre Elektrode 116 sind elektrisch von einem Substrat entkoppelt, in dem dieselben gebildet sind. Genauer gesagt, der Stator 116 und die Membran 110 sind über einem Hohlraum 122 gebildet. Ein Graben 124 umgibt den Stator 116 seitlich, um den Stator 116 elektrisch von dem Substrat 120 zu entkoppeln. Die Membran 110 und der Stator 116 sind an einem Deckel 126 befestigt. Der Deckel 126 ist in
Bei dem in
Bei dem gezeigten Beispiel sind Pylonen 136 vorgesehen, um den Deckel 126 zu stabilisieren. Die Pylonen 136 erstrecken sich durch Öffnungen 138, die in der Membran 110 und dem Stator 116 gebildet sind. Die Pylonen 136 können aus Oxidsäulen gebildet sein, die den Deckel 126 mechanisch mit der Unterseite des Hohlraums 122 verbinden. Die Pylonen 136 sind von der Membran 110 und dem Stator 116 elektrisch und mechanisch entkoppelt durch Gräben, die die Pylonen umgeben aufgrund der größeren Abmessungen der Öffnungen 138 im Vergleich zu den Pylonen 136.In the example shown,
Um den aktiven Bereich des Kondensators zwischen dem Stator 116 und der Membran 110 zu erhöhen, kann der Graben zwischen denselben in der Draufsicht mäanderförmig sein. Bei Beispielen kann der Graben durch Ätzen auf leichte Weise in einer Mäanderform gebildet werden. Der Deckel 126 kann die empfindliche Struktur des Sensors in Bezug auf die Außenatmosphäre abdichten. Somit kann der Druck in den Hohlräumen 122 und 128 durch Oxidaufbringungsprozesse eingestellt werden. Um eine bessere Wärmeisolation zu erreichen, kann bei Beispielen innerhalb der Hohlräume ein niedriger Druck eingestellt werden. Bei Beispielen können die Hohlräume evakuiert sein. Allgemein können der Deckel 126 und die Oxidschicht 114 durchlässig sein für Infrarotstrahlung.In order to increase the active area of the capacitor between the
Die Abschnitte der Membran 110, die von dem festen Abschnitt derselben beabstandet sind, stellen eine ablenkbare Elektrode dar. Die dotierte Halbleiterschicht 112 stellt eine Absorptionsregion dar.The portions of the
Wie es oben erläutert wurde, verursacht die einfallende Infrarotstrahlung einen Anstieg der Temperatur der Zusammensetzung der Membran (dotierte Halbleiterschicht 112 und Oxidschicht 114), was zu einer Verformung der Zusammensetzung führt, wobei die Verformung zu einer Ablenkung der ablenkbaren Elektrode führt. Genauer gesagt, die Ränder der Membran 110 werden sich im Falle eines Temperaturanstiegs nach oben biegen und daher ändert sich die Kapazität zwischen der ablenkbaren Elektrode und der Statorelektrode 116. Diese Änderung der Kapazität kann als ein Maß für die einfallende Infrarotstrahlung erfasst werden.As explained above, the incident infrared radiation causes the temperature of the composition of the membrane (doped
Da der einzige mechanische Kontakt zu der Membran 110 über den Membranträger 130 und den Kontakt 132 ist, kann die Wärmeabfuhr von der Membran 110 niedrig sein. Somit kann die Empfindlichkeit des Sensors erhöht sein.Because the only mechanical contact to the
Bei Beispielen können in der Membran zusätzliche Gräben vorgesehen sein, um einen Wärmeeinfluss der Region, die mit dem Membranträger gekoppelt ist, auf andere Regionen der Membran zu reduzieren. Ein solches Beispiel ist in
Bei Beispielen wird der Druck in dem Infrarotstrahlungssensor, wie zum Beispiel in den Hohlräumen, die die Membran umgeben, niedrig gehalten, um die Wärmeleitfähigkeit in dem Hohlraum zu reduzieren. Somit kann Wärmeabfuhr von der empfindlichen Struktur verringert werden und Empfindlichkeit kann erhöht werden.In examples, the pressure in the infrared radiation sensor, such as in the cavities surrounding the diaphragm, is kept low to reduce thermal conductivity in the cavity. Thus, heat dissipation from the sensitive structure can be reduced and sensitivity can be increased.
Ein Betrieb eines solchen Sensors wurde unter Verwendung von Finite-Elemente-Analyse simuliert und zeigte eine wesentliche Ablenkung der Ränder der Membran, die an einem Mittelabschnitt derselben getragen wird. Eine solche Ablenkung kann als eine Änderung der Kapazität zwischen der ablenkbaren Elektrode, die durch Abschnitte der Membran 110 gebildet wird, und der Statorelektrode 116 erfasst werden. Die Änderung der Kapazität kann unter Verwendung eines geeigneten Detektors erfasst werden, der mit den Anschlüssen 132 und 134 verbunden ist.Operation of such a sensor was simulated using finite element analysis and showed substantial deflection of the edges of the membrane supported at a central portion thereof. Such deflection can be sensed as a change in capacitance between the deflectable electrode formed by portions of
Wie oben beschrieben bildet bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung zumindest ein Abschnitt der Membran eine ablenkbare Elektrode und die ablenkbare Elektrode ist mit einem elektrischen Kontakt versehen, um eine Erfassung der Kapazität zwischen der ablenkbaren Elektrode und der Gegenelektrode zu ermöglichen. Bei anderen Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist die ablenkbare Elektrode elektrisch floatend. Im Zusammenhang dieser Offenbarung bedeutet „elektrisch floatend“, dass die ablenkbare Elektrode nicht mit einer galvanischen Verbindung mit einer Schaltungsanordnung außerhalb der ablenkbaren Elektrode versehen ist. Bei solchen Beispielen kann der Infrarotstrahlungssensor eine erste Gegenelektrode und eine zweite Gegenelektrode aufweisen, wobei zwischen der ablenkbaren Elektrode und der ersten Gegenelektrode eine erste Kapazität gebildet ist und zwischen der ablenkbaren Elektrode und der zweiten Gegenelektrode eine zweite Kapazität gebildet ist.As described above, in examples of the present disclosure, at least a portion of the membrane forms a deflectable electrode and the deflectable electrode is provided with an electrical contact to enable sensing of the capacitance between the deflectable electrode and the counter electrode. In other examples of the present disclosure, the deflectable electrode is electrically floating. In the context of this disclosure, “electrically floating” means that the deflectable electrode is not provided with a galvanic connection to circuitry external to the deflectable electrode. In such examples, the infrared radiation sensor may include a first counter electrode and a second counter electrode, with a first capacitance formed between the deflectable electrode and the first counter electrode and a second capacitance formed between the deflectable electrode and the second counter electrode.
Ein Beispiel eines Infrarotstrahlungssensors, der eine floatende ablenkbare Elektrode und seitliche Kapazitäten zwischen der ablenkbaren Elektrode und zwei Gegenelektroden aufweist, ist in
Bei Beispielen, bei denen die ablenkbare Elektrode elektrisch floatend ist, kann eine Wärmeisolation der ablenkbaren Elektrode verbessert werden und daher kann die Empfindlichkeit erhöht werden.In examples where the deflectable electrode is electrically floating, thermal insulation of the deflectable electrode can be improved and therefore sensitivity can be increased.
Bei den oben mit Bezugnahme auf
Bei anderen Beispielen der vorliegenden Offenbarung sind vertikale Kapazitäten zwischen Oberflächen einer ablenkbaren Elektrode und Oberflächen einer ersten und zweiten Gegenelektrode gebildet, die einander in einer vertikalen Richtung zugewandt sind.In other examples of the present disclosure, vertical capacitances are formed between surfaces of a deflectable electrode and surfaces of first and second counter electrodes that face each other in a vertical direction.
Eine Verformung der ablenkbaren Elektrode 210 verursacht eine Änderung der ersten und zweiten Kapazität. Erneut besteht eine Reihenverbindung zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität über die dotierte Halbleiterschicht 112. Bei dem in
Bei Beispielen ist der Abschnitt der Membran, der die ablenkbare Elektrode bildet, in Bezug auf die Substratebene vertikal ablenkbar, wobei die Verformung der Zusammensetzung eine vertikale Ablenkung des Abschnitts der ablenkbaren Elektrode relativ zu der ersten Gegenelektrode und der zweiten Gegenelektrode verursacht. Bei Beispielen sind die ablenkbare Elektrode und die erste Gegenelektrode einander seitlich zugewandt in Bezug auf die Substratebene und die ablenkbare Elektrode und die zweite Gegenelektrode sind einander seitlich zugewandt in Bezug auf die Substratebene. Bei anderen Beispielen sind die ablenkbare Elektrode und die erste Gegenelektrode einander vertikal zugewandt in Bezug auf die Substratebene und die ablenkbare Elektrode und die zweite Gegenelektrode sind einander vertikal zugewandt in Bezug auf die Substratebene.In examples, the portion of the membrane forming the deflectable electrode is vertically deflectable with respect to the substrate plane, with deformation of the composition causing vertical deflection of the portion of the deflectable electrode relative to the first counter electrode and the second counter electrode. In examples, the deflectable electrode and the first counter-electrode face each other laterally with respect to the substrate plane, and the deflectable electrode and the second counter-electrode face each other laterally with respect to the substrate plane. In other examples, the deflectable electrode and the first counter-electrode face each other vertically with respect to the substrate plane, and the deflectable electrode and the second counter-electrode face each other vertically with respect to the substrate plane.
Bei den obigen Beispielen bilden Abschnitte der Membran eine ablenkbare Elektrode und die Membran weist die Zusammensetzung auf. Bei anderen Beispielen wird die Membran an dem Substrat durch die Zusammensetzung getragen. Bei solchen Beispielen kann die Membran aus einer einzelnen Schicht gebildet sein und kann über die Zusammensetzung, die zumindest zwei Materialschichten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, mit dem Substrat gekoppelt sein. Bei solchen Beispielen kann die Zusammensetzung einen ersten einseitig eingespannten Balken und einen zweiten einseitig eingespannten Balken aufweisen, wobei der erste einseitig eingespannte Balken und der zweite einseitig eingespannte Balken die Membran tragen, wobei ein freies Ende des ersten einseitig eingespannten Balkens mit einer ersten Seite der Membran gekoppelt ist und ein freies Ende des zweiten einseitig eingespannten Balkens mit einer zweiten Seite der Membran gekoppelt ist, die der ersten Seite in Bezug auf die Substratebene in einer seitlichen Richtung gegenüberliegt. Ein solches Beispiel ist nachfolgend mit Bezugnahme auf
Wie es in den
Der Sensor weist ferner eine erste Gegenelektrode 320 und eine zweite Gegenelektrode 322 auf. Die erste und die zweite Gegenelektrode 320, 322 sind in einem Deckel 326 des Infrarotstrahlungssensors gebildet, der den Hohlraum abdichtet, indem die Membran 310 und die einseitig eingespannten Balken 302, 304 gebildet sind. Kontakte 324 und 326, wie sie in
Ein Ende 302a, 304a der einseitig eingespannten Balken 302 kann an dem Substrat 220 mechanisch fixiert sein. Bei Beispielen können die Enden 302a, 304a über Oxidbrücken oder Oxidpylone mechanisch fixiert sein. Die anderen Seiten 302b, 304b der einseitig eingespannten Balken aus zwei Materialien sind an unterschiedlichen Seiten der Membran 310 angebracht. Mechanische Drehfedern 330 und 332 können vorgesehen sein, um eine maximale Verformung der einseitig eingespannten Balken sicherzustellen durch Entkopplung in Bezug auf die Drehung der Enden 302b, 304b von der Membran 310, die ein steiferes Mittelteil bildet. Wie es von
Die Membran 310 ist aus stark dotiertem Halbleiter gebildet, wie zum Beispiel Silizium und wird als ein bewegbarer Float-Kontakt für Erfassung, Auslesung und IR-Absorption verwendet. Bei diesem Beispiel weisen die einseitig eingespannten Balken 302, 304 die Zusammensetzung von zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, um Temperaturänderungen in mechanische Verformungen umzuwandeln. Bei Beispielen können die einseitig eingespannten Balken einseitig eingespannte Balken aus zwei Materialien sein, die eine Siliziumschicht und eine aufgebrachte Oxidschicht aufweisen. Infrarotstrahlung, die in die Membran 310 einfällt, kann zu einem Temperaturanstieg der Membran 310 führen, was wiederum zu einem Temperaturanstieg der einseitig eingespannten Balken 302, 304 und daher zu einer mechanischen Verformung derselben führen kann. Diese Verformung der einseitig eingespannten Balken 302, 304 führt zu einer Ablenkung der Membran 310, wie es in
Der Deckel 326 kann ein Siliziumoxiddeckel sein und kann den Hohlraum abdichten, in dem die ablenkbare Elektrode angeordnet ist. Somit kann ein Vakuumhohlraum gebildet sein, um minimale Wärmeverluste sicherzustellen. Der Hohlraum 222 kann durch einen Venezia-Hohlraum gebildet sein, der eine elektrische und thermische Isolierung der Membran von dem Substrat ermöglicht.The
Da die Membran 310 floatend ist, bleibt die Gesamtladung innerhalb der Membran dieselbe und daher sind elektrostatische Kräfte zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen. Somit ist das Risiko, dass Einzieheffekte auftreten, reduziert.Because the
Gemäß
Obwohl
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine thermische Isolierung der ablenkbaren Elektrode verbessert werden, da thermisch isolierende Materialien verwendet werden können, um die Erfassungsmembran mechanisch zu kontaktieren. Bei Beispielen können mechanische Federn eine maximale Verschiebung von einseitig eingespannten Balken fördern und eine maximal mögliche mittlere Verschiebung einer leitenden Membran. Bei Beispielen kann das Verwenden einer elektrisch isolierten und „floatenden“ Struktur den Einzieh-Effekt eliminieren, da die obere und untere elektrostatische Kraft immer ausgeglichen sein können. Federsysteme wie sie im Zusammenhang von Beispielen der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind können am effizientesten arbeiten, wenn alle elektrostatischen Effekte kompensiert sind, sodass eine reduzierte Einzieh-Gefahr besteht.In examples of the present disclosure, thermal isolation of the deflectable electrode may be improved since thermally insulating materials may be used to mechanically contact the sensing membrane. In examples, mechanical springs may promote maximum displacement of cantilever beams and maximum possible mean displacement of a conductive membrane. In examples, using an electrically isolated and "floating" structure can eliminate the pull-in effect since the top and bottom electrostatic forces can always balance. Spring systems as described in connection with examples of the present disclosure can work most efficiently when all electrostatic effects are compensated, so that there is a reduced risk of being pulled in.
Bei Beispielen kann die Sensorstruktur wie hierin beschrieben zusammen mit einer Ausleseschaltung in einem Substrat oder Chip integriert sein. Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Infrarotstrahlungssensoren, die unter Verwendung von CMOS-kompatiblen Materialien und Prozessen in MEMS-Technologie implementiert sein können.In examples, the sensor structure may be integrated into a substrate or chip along with readout circuitry as described herein. Examples of the present disclosure relate to infrared radiation sensors, which may be implemented in MEMS technology using CMOS-compatible materials and processes.
Beispiele beziehen sich auf Verfahren zum Herstellen eines Infrarotstrahlungssensors, bei dem eine Schicht, die über einem Hohlraum in einem Substrat angeordnet ist, erzeugt wird, wobei die Schicht eine Absorbiererschicht aufweist. Eine ablenkbare Elektrode oder eine ablenkbare Elektrode und eine Tragestruktur für die ablenkbare Elektrode werden durch Strukturieren der Schicht hergestellt. Eine Zusammensetzung, die zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wird vor oder nach dem Strukturieren der Schicht auf der ablenkbaren Elektrode oder der Tragestruktur erzeugt. Eine erste Gegenelektrode, die der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist, wird erzeugt, sodass zwischen der ersten Gegenelektrode und der ablenkbaren Elektrode eine erste Kapazität gebildet ist. Eine zweite Gegenelektrode, die der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist, wird erzeugt, sodass zwischen der zweiten Gegenelektrode und der ablenkbaren Elektrode eine zweite Kapazität gebildet ist. Die ablenkbare Elektrode ist floatend, d.h. es ist keine galvanische Verbindung zu der ablenkbaren Elektrode vorgesehen.Examples relate to methods of making an infrared radiation sensor in which a layer disposed over a cavity in a substrate is formed, the layer including an absorber layer. A deflectable electrode or a deflectable electrode and a supporting structure for the deflectable electrode are produced by patterning the layer. A composition comprising at least two layers of materials with different coefficients of thermal expansion is created before or after patterning the layer on the deflectable electrode or support structure. A first counter-electrode facing the deflectable electrode is created such that a first capacitance is formed between the first counter-electrode and the deflectable electrode. A second counter-electrode facing the deflectable electrode is created so that a second capacitance is formed between the second counter-electrode and the deflectable electrode. The deflectable electrode is floating, i.e. there is no galvanic connection to the deflectable electrode.
Beispiele schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines Infrarotstrahlungssensors, bei dem eine Schicht erzeugt wird, die über einem Hohlraum in einem Substrat angeordnet ist. Eine ablenkbare Elektrode wird durch Strukturieren der Schicht erzeugt, wobei zumindest eine seitliche Fläche der Schicht, die die ablenkbare Elektrode umgibt, eine Gegenelektrode bildet, die einer seitlichen Fläche der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist. Zwischen den seitlichen Flächen, die einander seitlich zugewandt sind, ist eine seitliche Kapazität gebildet. Eine Zusammensetzung, die zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wird vor oder nach dem Strukturieren der Schicht auf der ablenkbaren Elektrode erzeugt.Examples provide a method of making an infrared radiation sensor that includes creating a layer disposed over a cavity in a substrate. A deflectable electrode is created by patterning the layer, wherein at least one lateral surface of the layer surrounding the deflectable electrode has a Counter electrode forms, which faces a lateral surface of the deflectable electrode. A lateral capacitance is formed between the lateral faces that face each other laterally. A composition comprising at least two layers of materials with different coefficients of thermal expansion is created before or after patterning the layer on the deflectable electrode.
Beispiele von Verfahren zum Herstellen von Infrarotstrahlungssensoren wie sie in
Wie es in
Wie es in
Daraufhin werden Öffnungen 530, die zu der Opferschicht 510 reichen, durch die Oxidschichten 512 und 524 gebildet, wie es in
Die Kontakte 132, 134 können mit externer Schaltungsanordnung gekoppelt werden.
Bei Beispielen ist die Zusammensetzung eine Schichtzusammensetzung, die zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist die in direktem mechanischem Kontakt miteinander sind. Bei Beispielen kann eine Schicht aus einer dotierten Halbleiterschicht gebildet sein, wie zum Beispiel Silizium oder Germanium. Bei Beispielen kann die andere Schicht durch eine Oxidschicht, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumdioxid oder Germaniumoxid gebildet sein. Bei Beispielen ist die erste Schicht dotiertes Silizium und die zweite Schicht ist Siliziumdioxid, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium beinahe fünfmal höher ist als derjenige von Siliziumoxid oder Siliziumdioxid. Somit kann im Fall eines Temperaturanstiegs eine wesentliche Ablenkung erreicht werden.In examples, the composition is a layered composition having at least two layers of materials with different coefficients of thermal expansion that are in direct mechanical contact with each other. In examples, a layer may be formed from a doped semiconductor layer, such as silicon or germanium. In examples, the other layer may be formed by an oxide layer such as silicon oxide, silicon dioxide, or germanium oxide. In examples, the first layer is doped silicon and the second layer is silicon dioxide, with the coefficient of thermal expansion of silicon being almost five times higher than that of silicon oxide or silicon dioxide. Thus, in the event of a temperature rise, substantial deflection can be achieved.
Beispiele schaffen eine Infrarotkamera, die ein Array von Infrarotstrahlungssensoren aufweist, wie sie hierin offenbart sind. Allgemein beeinflusst die Größe der Membran die Empfindlichkeit des Sensorelements, da, je größer die Größe der Membran, umso größer wird die Änderung des aktiven Bereichs des Kondensators aufgrund einer mechanischen Verformung der Membran. Entsprechend können sich Beispiele auf Sensoren mit einer hohen Empfindlichkeit beziehen. Solche Sensoren können sinnvoll sein als Sensorelemente in CO2-Sensoren, bei denen eine Empfindlichkeit von 1 mK wünschenswert ist. Bei anderen Anwendungen können die Sensorelemente abwärts skaliert werden auf eine reduzierte Größe, um kleine Infrarotkameras mit einer hohen Auflösung zu implementieren.Examples provide an infrared camera having an array of infrared radiation sensors as disclosed herein. In general, the size of the membrane affects the sensitivity of the sensor element since the larger the size of the membrane, the greater the change in the active area of the capacitor due to mechanical deformation of the membrane. Correspondingly, examples can relate to sensors with a high sensitivity. Such sensors can be useful as sensor elements in CO 2 sensors where a sensitivity of 1 mK is desirable. In other applications, the sensor elements can be scaled down to a reduced size to implement small, high resolution infrared cameras.
Bei Beispielen weist die Zusammensetzung zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Bei anderen Beispielen kann die Zusammensetzung mehr als zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei solche Beispiele eine erhöhte Empfindlichkeit aufweisen können.In examples, the composition has two layers of materials with different coefficients of thermal expansion. In other examples, the composition may have more than two layers of materials with different coefficients of thermal expansion, such examples may have increased sensitivity.
Bei hierin beschriebenen Beispielen kann eine Oxidschicht der Zusammensetzung als eine Filterstapelaufbringung auf der Halbleiterschicht wirken. Bei Beispielen sind Teile aus zwei Materialien nur in den einseitig eingespannten Balken und tragen nicht zu der optischen Leistung bei. Bei solchen Beispielen kann ein Filterstapel auf dem Deckel aufgebracht werden. Bei Beispielen kann eine Oxidschicht über der gesamten Halbleitermembran aufgebracht sein und kann als eine Antireflexionsbeschichtung verwendet werden. Bei Beispielen, bei denen Oxid nur auf die einseitig eingespannten Balken aufgebracht ist und die Oberfläche der Membran nicht mit einer Oxidschicht bedeckt ist, können optische Komponenten in dem Deckel enthalten sein. Bei Beispielen kann ein Venezia-Prozess verwendet werden, um die Halbleiterschicht zu erzeugen, in der die Membran gebildet wird. Der Venezia-Prozess kann es ermöglichen, dass Membrane mit geringer oder keiner Ladung gebildet werden. Andernfalls können zusätzliche Ladungen, die in aufgebrachten Schichten eingefangen sind, eine Quelle von Ungleichgewicht sein. Entsprechend kann das Verwenden des Venezia-Prozesses dazu beitragen, ein symmetrisches System zu erzeugen und kann dazu beitragen, mechanische Belastung zu reduzieren, sodass die gesamte mechanische Leistungsfähigkeit verbessert werden kann.In examples described herein, an oxide layer of the composition can act as a filter stack deposition on the semiconductor layer. In examples, bi-material parts are only in the cantilever and do not contribute to the optical performance. In such examples, a filter stack may be applied to the lid. In examples, an oxide layer may be deposited over the entire semiconductor membrane and may be used as an anti-reflective coating. In examples where oxide is applied only to the cantilevers and the surface of the membrane is not covered with a layer of oxide, optical components may be included in the lid. In examples, a Venezia process can be used to create the semiconductor layer in which the membrane is formed. The Venezia process can allow membranes to be formed with little or no charge. Otherwise, additional charges trapped in deposited layers can be a source of imbalance. Accordingly, using the Venezia process can help create a symmetrical system and can help reduce mechanical stress so that overall mechanical performance can be improved.
Bei Beispielen ist die ablenkbare Elektrode in Bezug auf die Substratebene vertikal ablenkbar. Bei solchen Beispielen kann eine Membranebene, die durch Hauptoberflächen der Membran in einem nicht abgelenkten Zustand definiert ist, parallel zu der Substratebene angeordnet sein. Bei anderen Beispielen kann die ablenkbare Elektrode in Bezug auf die Substratebene seitlich ablenkbar sein. Bei solchen Beispielen kann eine Membranebene, die durch Hauptoberflächen der Membran definiert ist, vertikal zu der Substratebene sein.In examples, the deflectable electrode is vertically deflectable with respect to the substrate plane. In such examples, a membrane plane defined by major surfaces of the membrane in an undeflected state may be arranged parallel to the substrate plane. In other examples, the deflectable electrode may be laterally deflectable with respect to the substrate plane. In such examples, a membrane plane defined by major surfaces of the membrane may be vertical to the substrate plane.
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