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 US 2010 / 0 243 904 A1 ist ein Infrarotsensor bekannt, bei dem ein Auslegerbalken, der mit einer funktionalen Schicht versehen ist, einem Auslegerbalken, der nicht mit einer funktionalen Schicht versehen ist, seitlich gegenüberliegt. Die funktionale Schicht bewirkt bei einer Absorption von Infrarotstrahlung eine Auslenkung des entsprechenden Auslegerbalkens, die wiederum durch eine Kapazitätsänderung erfassbar ist.From the U.S. 2010/0 243 904 A1 an infrared sensor is known in which a cantilever beam provided with a functional layer is laterally opposed to a cantilever beam not provided with a functional layer. When infrared radiation is absorbed, the functional layer causes the corresponding cantilever beam to be deflected, which in turn can be detected by a change in capacitance.

Die US 6 737 648 B2 zeigt einen Infrarot-Sensor, bei dem sich eine bewegliche Elektrode und eine stationäre Elektrode in Bezug auf eine Substratebene seitlich gegenüberliegen. Eine Ablenkung der beweglichen Elektrode findet parallel zu der Substratebene statt.the U.S. 6,737,648 B2 shows an infrared sensor in which a movable electrode and a stationary electrode face each other laterally with respect to a substrate plane. A deflection of the movable electrode takes place parallel to the substrate plane.

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.

  • 1a bis 1c zeigen schematische Querschnittsansichten zum Erläutern von Beispielen von nicht erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungssensoren mit Elektroden, die einander in einer seitlichen Richtung zugewandt sind;
  • 2a und 2b 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 und 3b 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 von 3b;
  • 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 in 8 gezeigt ist;
  • 10 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht von Abschnitten des Sensors von 8 und 9, wobei Abschnitte abgeschnitten sind;
  • 11 zeigt eine schematische Ansicht einer Membran und Tragestrukturen des in 8 gezeigten Sensors;
  • 12a bis 12c zeigen schematische Querschnittsansichten, die unterschiedliche Betriebszustände des Sensors von 8 zeigen;
  • 13a und 13b zeigen Ersatzschaltungen eines Sensors, wie er in 8 gezeigt ist;
  • 14a und 14b zeigen eine schematische Ansicht und eine Ersatzschaltung zum Erläutern eines Beispiels einer Erfassungsschaltung;
  • 15a und 15b zeigen eine schematische Ansicht und eine Ersatzschaltung zum Erläutern eines weiteren Beispiels einer Erfassungsschaltung;
  • 16a und 16b zeigen eine schematische Ansicht und eine Ersatzschaltung zum Erläutern noch eines weiteren Beispiels einer Erfassungsschaltung;
  • 17a bis 17l zeigen schematische Querschnittsansichten von Schritten von Beispielen von Verfahren zum Herstellen von Infrarotstrahlungssensoren.
Examples of the disclosure will be described using the accompanying drawings.
  • 1a until 1c 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 and 2 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 and 3b 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 from 3b ;
  • 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 FIG 8th is shown;
  • 10 FIG. 12 shows a schematic three-dimensional view of sections of the sensor of FIG 8th and 9 , with portions cut off;
  • 11 shows a schematic view of a membrane and supporting structures of the in 8th shown sensor;
  • 12a until 12c show schematic cross-sectional views showing different operating states of the sensor of FIG 8th demonstrate;
  • 13a and 13b show equivalent circuits of a sensor as shown in 8th is shown;
  • 14a and 14b Fig. 12 shows a schematic view and an equivalent circuit for explaining an example of a detection circuit;
  • 15a and 15b Fig. 12 shows a schematic view and an equivalent circuit for explaining another example of a detection circuit;
  • 16a and 16b Fig. 12 shows a schematic view and an equivalent circuit for explaining still another example of a detection circuit;
  • 17a until 17l 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.

1a und 1b zeigen ein Beispiel eines Infrarotstrahlungssensors, der eine Membran 10 aufweist. Die Membran 10 weist eine Halbleiterschicht 12 und eine Oxidschicht 14 auf, die auf der Siliziumschicht 12 gebildet ist. Die Halbleiterschicht kann eine Siliziumschicht sein und die Oxidschicht kann eine SiO2-Schicht sein. Die Membran bildet ein empfindliches Element, das an einer Seite 10a derselben an einem Substrat 24 fixiert ist und an der anderen Seite 10b derselben frei bewegbar ist. Somit bildet die Membran 10 einen einseitig eingespannten Balken und die Halbleiterschicht 12 bildet eine ablenkbare Elektrode. Das freie Ende 10b weist eine seitliche Oberfläche auf, die einer seitlichen Oberfläche 16b eines Stators 16 zugewandt ist. Der Stator 16 weist eine Halbleiterschicht 17 auf, die eine stationäre Elektrode bildet. Der Stator 16 kann in der gleichen Materialschicht gebildet sein wie das empfindliche Element, ist aber an dem Substrat 24 fixiert und weist keinen bewegbaren Abschnitt auf. Bei Beispielen weist der Stator keinen bewegbaren Abschnitt auf, da die Erweiterung des Stators in der Richtung der Längsausdehnung des einseitig eingespannten Balkens wesentlich geringer ist als die Erweiterung des einseitig eingespannten Balkens in dieser Richtung. Die Halbleitermaterialien 12, 17 des einseitig eingespannten Balkens 10 und des Status 16 können dotiert sein, um elektrisch leitfähig genug zu sein, um Elektroden eines Kondensators zu bilden. Genauer gesagt, das freie Ende 10b und die seitliche Seitenfläche 10b des Stators 16 sind einander seitlich zugewandt über einen Luftspalt 18 und daher bilden die ablenkbare Elektrode und die stationäre Elektrode einen Kondensator. Ein Kontakt 20 zum Kontaktieren der ablenkbaren Elektrode 12 und ein Kontakt 22 zum Kontaktieren der stationären Elektrode 16 können vorgesehen sein. 1a and 1b 12 show an example of an infrared radiation sensor having a membrane 10. FIG. The membrane 10 includes a semiconductor layer 12 and an oxide layer 14 formed on the silicon layer 12 . The semiconductor layer can be a silicon layer and the oxide layer can be a SiO 2 layer. The membrane forms a sensitive element fixed to a substrate 24 on one side 10a thereof and freely movable on the other side 10b thereof. Thus, the membrane 10 forms a cantilever and the semiconductor layer 12 forms a deflectable electrode. The free end 10b has a side surface facing a side surface 16b of a stator 16 . The stator 16 has a semiconductor layer 17 forming a stationary electrode. The stator 16 may be formed in the same layer of material as the sensitive element, but is fixed to the substrate 24 and has no moveable portion. In examples, the stator does not have a movable portion because the extension of the stator in the direction of longitudinal extension of the cantilever is substantially less than the extension of the cantilever in that direction. The semiconductor materials 12, 17 of the cantilever 10 and the status 16 may be doped to be electrically conductive enough to form electrodes of a capacitor. More specifically, the free end 10b and the lateral side surface 10b of the stator 16 face each other laterally across an air gap 18, and therefore the deflectable electrode and the stationary electrode form a capacitor. A contact 20 for contacting the deflectable electrode 12 and a contact 22 for contacting the stationary electrode 16 may be provided.

1a zeigt das Sensorelement in einem Zustand, in dem die ablenkbare Elektrode nicht abgelenkt ist, was ein Gleichgewichtszustand oder Ruhezustand sein kann. 1b zeigt das Sensorelement unter dem Einfluss von Wärme. 1c zeigt eine elektrische Ersatzschaltung des Systems mit einer variablen Kapazität C zwischen den seitlich zugewandten Oberflächen der Halbleiterschichten 12 und 17 und dem elektrischen Widerstand Rm der Halbleiterschichten. 1a shows the sensor element in a state in which the deflectable electrode is undeflected, indicating an equilibrium state or can be quiescent. 1b shows the sensor element under the influence of heat. 1c Fig. 12 shows an electrical equivalent circuit of the system with a variable capacitance C between the laterally facing surfaces of the semiconductor layers 12 and 17 and the electrical resistance R m of the semiconductor layers.

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 1b schematisch gezeigt ist.Incident infrared radiation can be absorbed in the semiconductor layer 12 through interaction with free charge carriers within the doped semiconductor layer. As the charge carriers tend to assume a lower energy state, they are relaxed due to interaction with photons in the solid. Thus, the membrane is heated. Since the membrane has a combination of layers of materials with different coefficients of thermal expansion, such as Si and SiO 2 , which are in direct contact with each other, heating the membrane leads to a deformation and therefore a reflection of the membrane, as is shown in 1b is shown schematically.

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 1c gezeigten Ersatzschaltung. Da die Wärmeausdehnung ein umkehrbarer Prozess ist, variiert die Ablenkung des empfindlichen Elements 10 mit wechselnder Strahlungsintensität. Daher variiert die Kapazität zwischen dem einseitig eingespannten Balken 10 und dem Stator 10 und die Kapazität kann elektrisch ausgelesen werden. Genauer gesagt, die Kapazität kann sich ändern, da sich der überlappende Bereich der ablenkbaren Elektrode und der stationären Elektrode sich in der seitlichen Richtung gesehen ändert. Bei dem in 1a bis 1c gezeigten Beispiel ist der überlappende Bereich in dem Zustand von 1a bei einem Maximum.Connecting a voltage source to contacts 20 and 22 results in the in 1c shown equivalent circuit. Since thermal expansion is a reversible process, the deflection of the sensitive element 10 will vary with changing radiation intensity. Therefore, the capacitance varies between the cantilever 10 and the stator 10, and the capacitance can be read electrically. More specifically, the capacitance may change as the overlapping area of the deflectable electrode and the stationary electrode changes when viewed in the lateral direction. At the in 1a until 1c example shown, the overlapping area is in the state of 1a at a maximum.

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.Semiconductor layer 12 represents an absorption region of the membrane and may be doped with phosphorus or boron to allow absorption of infrared radiation. In order to increase the interaction of the incident photons with free charge carriers within the semiconductor, a high concentration of the dopants is desirable.

Entsprechend zeigen 1a bis 1c ein Beispiel eines Infrarotstrahlungssensors, bei dem eine Membran in oder an einem Substrat 24 gebildet ist. Die Halbleiterschicht 12 der Membran 10 bildet eine ablenkbare Elektrode und die Halbleiterschicht 17 des Stators 16 bildet eine Gegenelektrode. Die Halbleiterschicht oder -region 17 des Stators 16 ist von der Halbleiterschicht 12 elektrisch isoliert. Die Halbleiterschicht 12 und die Halbleiterschicht 17 sind einander in Bezug auf die Substratebene seitlich zugewandt, wobei eine Kapazität C zwischen denselben und daher zwischen der ablenkbaren Elektrode 12 und der Gegenelektrode 16 gebildet ist. Die Membran weist eine Zusammensetzung auf, die die Halbleiterschicht 12 und die Oxidschicht 14 in direktem mechanischem Kontakt miteinander aufweist. Die Halbleiterschicht 12 des einseitig eingespannten Balkens 10 stellt eine Absorptionsregion dar, die konfiguriert ist, um durch Absorbieren von Infrarotstrahlung eine Verformung der Zusammensetzung zu verursachen, wobei die Verformung zu einer Ablenkung der ablenkbaren Elektrode 12 relativ zu der Gegenelektrode 17 führt, was eine Änderung der Kapazität C verursacht.Show accordingly 1a until 1c an example of an infrared radiation sensor in which a membrane is formed in or on a substrate 24 . The semiconductor layer 12 of the membrane 10 forms a deflectable electrode and the semiconductor layer 17 of the stator 16 forms a counter-electrode. The semiconductor layer or region 17 of the stator 16 is electrically isolated from the semiconductor layer 12 . The semiconductor layer 12 and the semiconductor layer 17 face each other laterally with respect to the substrate plane, forming a capacitance C between them and therefore between the deflectable electrode 12 and the counter-electrode 16 . The membrane has a composition that has the semiconductor layer 12 and the oxide layer 14 in direct mechanical contact with each other. The semiconductor layer 12 of the cantilever beam 10 presents an absorption region configured to cause deformation of the composition by absorbing infrared radiation, which deformation results in deflection of the deflectable electrode 12 relative to the counter electrode 17, resulting in a change in the capacitance C causes.

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: d = k λ 0 2

Figure DE102017012296B4_0001
wobei k = 2n-1, wobei d die Dicke der Schicht ist, n eine natürliche Zahl ≥ 1 ist und λ0 die Wellenlänge der einfallenden Infrarotstrahlung ist.In general, the layer of the composition through which the infrared radiation is incident in the absorption region can act as an antireflection layer in addition to the purpose of allowing deformation upon heating. For example, the oxide layer 14 can also serve as an anti-reflection layer and for this purpose the thickness of the anti-reflection layer can be adjusted to meet the anti-reflection condition: i.e = k λ 0 2
Figure DE102017012296B4_0001
where k = 2n-1, where d is the thickness of the layer, n is a natural number ≥ 1 and λ 0 is the wavelength of the incident infrared radiation.

Gemäß dem in 1a bis 1c gezeigten Beispiel ist die Membran und daher die flexible Elektrode 10 in der Form eines einseitig eingespannten Balkens, der an einem Ende 10a derselben fixiert ist. Eine Seitenfläche des einseitig eingespannten Balkens, wie zum Beispiel die seitliche Seitenfläche 10b kann einer seitlichen Seitenfläche einer stationären Elektrode, wie zum Beispiel der Seitenfläche 16b, seitlich zugewandt sein. Bei Beispielen können mehrere Seitenflächen der flexiblen Elektrode Seitenflächen einer oder mehrerer stationären Elektroden seitlich zugewandt sein. Beispielsweise kann der Stator 16 vorgesehen sein, um die Membran 10 im Wesentlichen zu umgeben, so dass die Vorderseite und die Rückseite der flexiblen Elektrode, die in 1a bis 1b gezeigt sind, ebenfalls Seitenflächen des Stators 16, die als stationäre Elektroden wirken, seitlich zugewandt sind. Somit kann eine Änderung der Kapazität im Fall einer Ablenkung erhöht werden.According to the 1a until 1c In the example shown, the membrane and therefore the flexible electrode 10 is in the form of a cantilever beam fixed at one end 10a thereof. A side face of the cantilever, such as side face 10b, may laterally face a side face of a stationary electrode, such as side face 16b. In examples, multiple side surfaces of the flexible electrode may laterally face side surfaces of one or more stationary electrodes. For example, the stator 16 can be provided to substantially surround the membrane 10 so that the front and back of the flexible electrode, which is in 1a until 1b are shown also face side faces of the stator 16 which act as stationary electrodes. Thus, a change in capacitance in the event of deflection can be increased.

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.

2a zeigt ein Beispiel eines Infrarotstrahlungssensors, der eine Membran aufweist, die an einem Mittelabschnitt derselben getragen ist. Der Sensor weist eine Membran 110 auf. Die Membran 110 weist eine dotierte Halbleiterschicht 112 und eine Oxidschicht 114 in direktem mechanischem Kontakt mit der dotierten Halbleiterschicht 112 auf. Die dotierte Halbleiterschicht 112 und die Oxidschicht 114 stellen eine Zusammensetzung bereit, die zwei Schichten aus Materialien aufweist, die wie oben erläutert unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Sensor weist ferner eine stationäre Elektrode 116 auf, die einen Stator bildet. Die Membran 110 und der Stator 116 sind durch einen schmalen Graben 118 voneinander getrennt. Bei Beispielen beträgt die Breite des Grabens und daher der Abstand zwischen gegenüberliegenden seitlichen Oberflächen der Membran 110 und der stationären Elektrode 116 höchstens 500 nm. Somit ist eine Kondensatorstruktur zwischen gegenüberliegenden seitlichen Oberflächen der dotierten Halbleiterregion und der Membran 110 und der stationären Elektrode 116 gebildet. Wie es in 2b gezeigt ist, können die stationäre Elektrode 116 und die Membran 112 in der gleichen Halbleiterschicht gebildet sein. 2a Fig. 1 shows an example of an infrared radiation sensor having a diaphragm supported at a central portion thereof. The sensor has a membrane 110 . The membrane 110 has a doped semiconductor layer 112 and an oxide layer 114 in direct mechanical contact with the doped semiconductor layer 112 . The doped semiconductor layer 112 and the oxide layer 114 provide a composition comprising two layers of materials having different coefficients of thermal expansion as discussed above. The sensor also includes a stationary electrode 116 forming a stator. The diaphragm 110 and the stator 116 are separated from each other by a narrow trench 118 . In examples, the width of the trench and therefore the distance between opposing lateral surfaces of the membrane 110 and the stationary electrode 116 is at most 500 nm. Thus, a capacitor structure is formed between opposing lateral surfaces of the doped semiconductor region and the diaphragm 110 and the stationary electrode 116. like it in 2 B As shown, stationary electrode 116 and membrane 112 may be formed in the same semiconductor layer.

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 2a nicht gezeigt, um die darunterliegenden Strukturen nicht zu bedecken. Außerdem zeigt 2a nur die Strukturen innerhalb des äußeren Rands des Stators 116. Der Hohlraum 122 kann eine Tiefe von etwa 1 µm aufweisen. Über der Membran 110 kann ein weiterer Hohlraum 128 in dem Deckel 126 gebildet sein. Die Membran 110 ist über einen Membranträger an dem Deckel 126 fixiert. Der Membranträger ist durch einen Oxidzylinder 130 gebildet, der sich zwischen dem Deckel 126 in der Oxidschicht 114 erstreckt. Ein Kontakt 132 zum Kontaktieren der dotierten Halbleiterschicht 112 der Membran 110 erstreckt sich durch den Oxidzylinder 130. Ein weiterer Kontakt 134 zum Kontaktieren der dotierten Halbleiterregion der stationären Elektrode 116 erstreckt sich durch den Deckel 126 und die Oxidschicht 114. Wie es in 2a gezeigt ist, kann der Kontakt 134 in eine Mehrzahl von Kontakten aufgeteilt sein.The membrane 110 and stationary electrode 116 are electrically decoupled from a substrate in which they are formed. More specifically, the stator 116 and the diaphragm 110 are formed over a cavity 122 . A trench 124 laterally surrounds the stator 116 to electrically decouple the stator 116 from the substrate 120 . The diaphragm 110 and the stator 116 are attached to a cover 126 . The lid 126 is in 2a not shown so as not to cover the underlying structures. Also shows 2a only the structures within the outer edge of the stator 116. The cavity 122 may have a depth of about 1 micron. A further cavity 128 can be formed in the cover 126 above the membrane 110 . The membrane 110 is fixed to the cover 126 via a membrane carrier. The membrane support is formed by an oxide cylinder 130 which extends between the cover 126 in the oxide layer 114 . A contact 132 for contacting the doped semiconductor layer 112 of the membrane 110 extends through the oxide cylinder 130. Another contact 134 for contacting the doped semiconductor region of the stationary electrode 116 extends through the lid 126 and the oxide layer 114. As shown in FIG 2a As shown, contact 134 may be divided into a plurality of contacts.

Bei dem in 2a und 2b gezeigten Beispiel wird die Membran 110 in einem Mittelabschnitt derselben getragen und elektrisch kontaktiert, d.h. einem Abschnitt, der von allen seitlichen Rändern der Membran getrennt ist. Bei Beispielen kann der Abschnitt, an dem die Membran getragen wird, in einer Draufsicht auf die Substratebene die geometrische Mitte der Membran sein.At the in 2a and 2 B In the example shown, the membrane 110 is supported and electrically contacted in a central portion thereof, ie a portion separated from all lateral edges of the membrane. In examples, the portion where the membrane is supported may be the geometric center of the membrane in a plan view of the substrate plane.

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, pylons 136 are provided to stabilize the lid 126 . The pylons 136 extend through openings 138 formed in the diaphragm 110 and the stator 116. FIG. The pylons 136 may be formed from oxide pillars that mechanically connect the lid 126 to the bottom of the cavity 122 . The pylons 136 are electrically and mechanically decoupled from the diaphragm 110 and the stator 116 by trenches surrounding the pylons due to the larger dimensions of the openings 138 compared to the pylons 136.

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 stator 116 and the membrane 110, the trench between them in be meandering when viewed from above. In examples, the trench can be easily formed in a meander shape by etching. The lid 126 can seal the sensitive structure of the sensor with respect to the outside atmosphere. Thus, the pressure in cavities 122 and 128 can be adjusted by oxide deposition processes. In order to achieve better thermal insulation, a low pressure can be set inside the cavities in examples. In examples, the cavities may be evacuated. In general, the lid 126 and the oxide layer 114 can be transparent to infrared radiation.

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 membrane 110 spaced from the fixed portion thereof constitute a deflectable electrode. The doped semiconductor layer 112 constitutes an absorption region.

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 semiconductor layer 112 and oxide layer 114) to rise, leading to a deformation of the composition, which deformation leads to deflection of the deflectable electrode. More specifically, the edges of the membrane 110 will flex upwards in the event of a temperature increase and therefore the capacitance between the deflectable electrode and the stator electrode 116 changes. This change in capacitance can be detected as a measure of the incident infrared radiation.

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 membrane 110 is via the membrane support 130 and contact 132, heat dissipation from the membrane 110 can be low. Thus, the sensitivity of the sensor can be increased.

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 3a und 3b gezeigt. Wie es in 3a gezeigt ist, sind Gräben 150 in der Region vorgesehen, wo die Membran durch den Membranträger 130 getragen wird. Wie es in 3a gezeigt ist, sind Gräben 150 vorgesehen, um Stege oder Riegel 152 zu bilden, über die der Abschnitt der Membran, der mit dem Membranträger 130 gekoppelt ist, mechanisch mit anderen Abschnitten der Membran verbunden ist. Die Gräben 150 können die Membran durchdringen und sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3b nicht gezeigt. Die Riegel 152 können einen ersten und zweiten Riegel umfassen, die sich von dem Membranträger in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Die Riegel 152 können einen dritten Riegel umfassen, der sich von dem distalen Ende des ersten Riegels senkrecht zu dem ersten Riegel in entgegengesetzten Richtungen erstreckt. Die Riegel 152 können einen vierten Riegel umfassen, der sich von dem distalen Ende des zweiten Riegels senkrecht zu dem zweiten Riegel in entgegengesetzten Richtungen erstreckt. Um solche Riegel zu bilden, können die Gräben 150 vier Gräben umfassen, wie es in 3a gezeigt ist. Anders ausgedrückt, die Gräben 150 können in die Membran geätzt sein, um eine Federstruktur bereitzustellen, die den Membranträger umgibt und sich in die Seiten der Membran erstreckt. Eine solche Federstruktur kann durch Ätzen von Gräben gebildet werden und kann dazu dienen, den Wärmewiderstand der Membran zu erhöhen.In examples, additional trenches may be provided in the membrane to reduce thermal impact of the region coupled to the membrane support on other regions of the membrane. Such an example is in 3a and 3b shown. like it in 3a 1, trenches 150 are provided in the region where the membrane is supported by membrane support 130. FIG. like it in 3a As shown, trenches 150 are provided to form lands or latches 152 by which the portion of the diaphragm coupled to diaphragm support 130 is mechanically connected to other portions of the diaphragm. Trenches 150 may penetrate the membrane and are shown in Fig 3b Not shown. The latches 152 may include first and second latches that extend in opposite directions from the membrane support. The latches 152 may include a third latch extending from the distal end of the first latch in opposite directions perpendicular to the first latch. The latches 152 may include a fourth latch extending from the distal end of the second latch in opposite directions perpendicular to the second latch. To form such latches, the trenches 150 may include four trenches, as shown in FIG 3a is shown. In other words, the trenches 150 may be etched into the diaphragm to provide a spring structure that surrounds the diaphragm support and extends into the sides of the diaphragm. Such a spring structure can be formed by etching trenches and can serve to increase the thermal resistance of the diaphragm.

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 diaphragm 110 and stator electrode 116 . The change in capacitance can be detected using a suitable detector connected to terminals 132 and 134.

4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Modifikation des in 3b gezeigten Sensors. Wie in 4 gezeigt ist, ist ein optischer Reflektor 160 an der Rückseite des Substrats 120 vorgesehen, das heißt auf der Seite, die abgewandt ist von der Seite, auf der der Deckel 126 vorgesehen ist. Darüber hinaus ist auf dem Deckel 126 ein optisches Filter 162 vorgesehen. Das optische Filter 162 kann ein Infrarotfilter sein, das Wellenlängen, die sich von Infrarot unterscheiden, blockiert. Der optische Reflektor 160 kann reflektierend sein für Infrarotstrahlung, so dass Infrarotstrahlung, die durch die Absorptionsregion verläuft und nicht darin absorbiert wird, zurück in die Absorptionsregion reflektiert wird. Somit kann die Effizienz unter Verwendung des optischen Reflektors verbessert werden. Darüber hinaus kann die Empfindlichkeit unter Verwendung des optischen Filters 162 verbessert werden. Entsprechende optische Reflektoren und Filter können in jedem der hierin beschriebenen Beispiele vorgesehen sein. Entsprechende Filter und Reflektoren können in allen Beispielen der vorliegenden Offenbarung vorgesehen sein. 4 shows a schematic cross-sectional view of a modification of FIG 3b shown sensor. As in 4 As shown, an optical reflector 160 is provided on the back side of the substrate 120, that is, on the side opposite to the side on which the lid 126 is provided. In addition, an optical filter 162 is provided on the cover 126 . The optical filter 162 may be an infrared filter that blocks wavelengths other than infrared. The optical reflector 160 may be reflective to infrared radiation such that infrared radiation that passes through the absorption region and is not absorbed therein is reflected back into the absorption region. Thus, efficiency can be improved using the optical reflector. In addition, using the optical filter 162 can improve the sensitivity. Appropriate optical reflectors and filters may be provided in any of the examples described herein. Corresponding filters and reflectors can be provided in all examples of the present disclosure.

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 5 gezeigt. Der in 5 gezeigte Sensor ist ähnlich wie der in 4 gezeigte Sensor mit den folgenden Ausnahmen. Es gibt keinen galvanischen elektrischen Kontakt zu der Siliziumschicht 112 der Membran 110. In diesem Fall ist der Membranträger 130 durch einen festen Oxidzylinder gebildet. Es gibt keinen Kontakt, der sich durch den Membranträger 130 erstreckt. Stattdessen sind zwei getrennte Kontakte 134a und 134b für zwei getrennte Gegenelektroden 116a und 116b vorgesehen. Die Gegenelektroden 116a und 116b können elektrisch voneinander isoliert sein durch zusätzliche Gräben, die in der Halbleiterschicht gebildet sind, in der die Membran 110 und die Gegenelektroden 116a und 116b gebildet sind. Bei Beispielen können solche Gräben die Gegenelektrode 116, die in den 2a und 3a gezeigt ist, in zwei Hälften teilen. Entsprechend ist eine erste Kapazität zwischen einer seitlichen Seitenfläche der ablenkbaren Elektrode 110 und der Gegenelektrode 116a gebildet und eine zweite Kapazität ist zwischen einer weiteren seitlichen Seitenfläche der ablenkbaren Elektrode 110 und der zweiten Gegenelektrode 116b gebildet. Die erste und die zweite Kapazität sind durch die dotierte Siliziumschicht 112 in Reihe geschaltet. Ein Detektor kann mit den Kontakten 134a und 134b gekoppelt sein, um die Kapazität dieser Reihenverbindung der Reihenkapazitäten und/oder Änderungen derselben zu erfassen. Somit kann eine einfallende Infrarotstrahlung durch einen Detektor, der mit den Kontakten 134a und 134b verbunden ist, erfasst werden.An example of an infrared radiation sensor having a floating deflectable electrode and lateral capacitances between the deflectable electrode and two counter electrodes is in US Pat 5 shown. the inside 5 The sensor shown is similar to the one in 4 sensor shown with the following exceptions. There is no galvanic electrical contact to the silicon layer 112 of the membrane 110. In this case the membrane support 130 is formed by a solid oxide cylinder. There is no contact extending through the diaphragm support 130. Instead, two separate contacts 134a and 134b are provided for two separate counter electrodes 116a and 116b. Counter electrodes 116a and 116b may be electrically isolated from each other by additional trenches formed in the semiconductor layer in which membrane 110 and counter electrodes 116a and 116b are formed. In examples, such trenches may include the counter electrode 116 shown in FIGS 2a and 3a shown, divide in half. Correspondingly, a first capacitance is formed between a lateral side surface of the deflectable electrode 110 and the counter electrode 116a, and a second capacitance is formed between another lateral side surface of the deflectable electrode 110 and the second counter electrode 116b. The first and second capacitances are connected in series through the doped silicon layer 112 . A detector may be coupled to contacts 134a and 134b to sense the capacitance of this series connection of the series capacitances and/or changes therein. Thus, incident infrared radiation can be detected by a detector connected to contacts 134a and 134b.

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 1 bis 5 beschriebenen Beispielen sind seitliche Kapazitäten zwischen seitlichen Seitenflächen einer ablenkbaren Elektrode und einer oder mehreren stationären Gegenelektroden gebildet. Bei solchen Beispielen kann die Fläche der Kondensatorelektroden, die einander zugewandt sind, leicht variiert und erhöht werden durch Formen des Grabens, der die Elektroden trennt. Ein Beispiel ist der in 2a und 3a gezeigte mäanderförmige Graben.In the case of the above with reference to 1 until 5 In the examples described, lateral capacitances are formed between lateral side surfaces of a deflectable electrode and one or more stationary counter-electrodes. In such examples, the area of the capacitor electrodes facing each other can be easily varied and increased by shaping the trench separating the electrodes. An example is the in 2a and 3a shown meandering ditch.

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.

6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Infrarotstrahlungssensors, der eine Membran 210 aufweist, die in einem Substrat 220 gebildet ist. Bei Beispielen ist die Membran 210 durch einen Hohlraum 222 und Gräben 224 von dem Substrat 220 getrennt. Die Membran 210 kann wie oben beschrieben an einem Mittelabschnitt derselben unter Verwendung eines Membranträgers 130 getragen werden. Es gibt keine andere mechanische oder elektrische Verbindung zwischen der Membran 210 und dem Substrat 220. Die Membran 210 weist eine Zusammensetzung einer dotierten Halbleiterschicht 112 und einer Oxidschicht 114 auf. Somit verursacht einfallende Infrarotstrahlung eine Verformung der Membran 210, wobei Abschnitte derselben eine ablenkbare Elektrode bilden. Der Sensor weist eine erste Gegenelektrode 226 und eine zweite Gegenelektrode 228 auf. Eine erste vertikale Kapazität ist zwischen Abschnitten der Membran 210, die eine ablenkbare Elektrode bilden, und der ersten Gegenelektrode 226 gebildet, und eine zweite vertikale Kapazität ist zwischen anderen Abschnitten der Membran 210, die eine ablenkbare Elektrode bilden, und der zweiten Gegenelektrode 228 gebildet. Die erste und zweite Gegenelektrode 226, 228 können mit einer Erfassungsschaltung 230 elektrisch verbunden sein, wie es in 6 durch gestrichelte Linien dargestellt ist. 6 FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of an infrared radiation sensor having a membrane 210 formed in a substrate 220. FIG. In examples, membrane 210 is separated from substrate 220 by cavity 222 and trenches 224 . The membrane 210 may be supported at a central portion thereof using a membrane support 130 as described above. There is no other mechanical or electrical connection between the membrane 210 and the substrate 220. The membrane 210 has a composition of a doped semiconductor layer 112 and an oxide layer 114. FIG. Thus, incident infrared radiation causes deformation of membrane 210, portions of which form a deflectable electrode. The sensor has a first counter-electrode 226 and a second counter-electrode 228 . A first vertical capacitance is formed between portions of membrane 210 forming a deflectable electrode and first counter electrode 226 and a second vertical capacitance is formed between other portions of membrane 210 forming a deflectable electrode and second counter electrode 228 . The first and second counter electrodes 226, 228 may be electrically connected to a sensing circuit 230 as shown in FIG 6 is represented by dashed lines.

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 6 gezeigten Beispiel trägt die Oxidschicht 114 zu den Kapazitäten bei. Bei anderen Beispielen kann die Oxidschicht 114 auf der Seite der Membran 112 angeordnet sein, die von den Gegenelektroden 226, 228 abgewandt ist.Deformation of the deflectable electrode 210 causes the first and second capacitances to change. There is again a series connection between the first capacitance and the second capacitance via the doped semiconductor layer 112. In the case of FIG 6 In the example shown, the oxide layer 114 contributes to the capacitances. In other examples, the oxide layer 114 may be on the side of the diaphragm 112 be arranged which faces away from the counter-electrodes 226, 228.

7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Infrarotstrahlungssensors mit vertikaler Auslesung. Eine Membran 210' in der Form eines einseitig eingespannten Balkens ist in einem Substrat 220 gebildet und durch einen Hohlraum 222 und einen Graben 224 von dem Substrat getrennt. Erneut kann die Membran 210' eine dotierte Siliziumschicht 112 und eine Oxidschicht 114 umfassen und weist daher eine Schichtzusammensetzung mit zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Der Infrarotstrahlungssensor umfasst ferner eine erste Gegenelektrode 236 und eine zweite Gegenelektrode 238, die an der Unterseite des Hohlraums 222 vorgesehen sind. Die erste und zweite Gegenelektrode 236, 238 sind in einer vertikalen Richtung jeweiligen Abschnitten der Membran 210' zugewandt. Die erste und zweite Gegenelektrode 236, 238 können, wie es in 7 in gestrichelten Linien angezeigt ist, mit einer Erfassungsschaltung 230 verbunden sein. Wie es oben näher erläutert ist, führt Infrarotstrahlung, die in die dotierte Halbleiterschicht 112 einfällt, zu einer Verformung der Halbleiterschicht. Eine solche Verformung führt zu einer Ablenkung der Membran 210' und daher zu einer Änderung der ersten und zweiten Kapazität. Eine solche Änderung kann durch die Erfassungsschaltung 230 über eine Änderung der Reihenkapazität erfasst werden, die durch die erste und zweite Kapazität gebildet wird, die durch die dotierte Halbleiterschicht 112 gekoppelt sind. 7 Figure 12 shows a schematic cross-sectional view of another example of a vertical readout infrared radiation sensor. A diaphragm 210 ′ in the form of a cantilever is formed in a substrate 220 and is separated from the substrate by a cavity 222 and a trench 224 . Again, the membrane 210' may include a doped silicon layer 112 and an oxide layer 114 and therefore has a layered composition with at least two layers of materials with different coefficients of thermal expansion. The infrared radiation sensor further includes a first counter electrode 236 and a second counter electrode 238 provided on the bottom of the cavity 222 . The first and second counter electrodes 236, 238 face respective portions of the membrane 210' in a vertical direction. The first and second counter-electrodes 236, 238 can, as is shown in 7 indicated in dashed lines may be connected to a detection circuit 230 . As explained in more detail above, infrared radiation incident on the doped semiconductor layer 112 leads to a deformation of the semiconductor layer. Such deformation results in a deflection of the diaphragm 210' and therefore a change in the first and second capacitances. Such a change can be detected by the detection circuit 230 via a change in the series capacitance formed by the first and second capacitances coupled through the doped semiconductor layer 112 .

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 8 bis 16 beschrieben.In the above examples, portions of the membrane form a deflectable electrode and the membrane comprises the composition. In other examples, the membrane is supported on the substrate by the composition. In such examples, the membrane may be formed from a single layer and may be coupled to the substrate via the composition having at least two layers of material with different coefficients of thermal expansion. In such examples, the composition may comprise a first cantilever beam and a second cantilever beam, the first cantilever beam and the second cantilever beam supporting the membrane, with a free end of the first cantilever beam having a first side of the membrane and a free end of the second cantilever is coupled to a second side of the membrane opposite the first side in a lateral direction with respect to the plane of the substrate. One such example is below with reference to FIG 8th until 16 described.

Wie es in den 8 bis 11 gezeigt ist, weist ein Infrarotstrahlungssensor ein Substrat 220 auf. Ein Hohlraum 222 ist in dem Substrat 220 gebildet und definiert eine Halbleiterschicht des Substrats. Ein erster und zweiter einseitig eingespannter Balken 302, 304 und eine Membran 310 sind in dieser Halbleiterschicht durch Gräben 306 strukturiert, die die Halbleiterschicht durchdringen. Jeder einseitig eingespannte Balken 302, 304 weist eine Zusammensetzung einer dotierten Halbleiterschicht 312 mit einer Oxidschicht 314 auf. Die Membran 310 umfasst die dotierte Siliziumschicht 312, aber bei diesem Beispiel nicht die Oxidschicht 314.Like it in the 8th until 11 As shown, an infrared radiation sensor includes a substrate 220 . A cavity 222 is formed in the substrate 220 and defines a semiconductor layer of the substrate. First and second cantilever beams 302, 304 and a diaphragm 310 are patterned in this semiconductor layer by trenches 306 penetrating the semiconductor layer. Each cantilever beam 302, 304 has a composition of a doped semiconductor layer 312 with an oxide layer 314. FIG. The membrane 310 includes the doped silicon layer 312, but not the oxide layer 314 in this example.

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 10 gezeigt sind, können vorgesehen sein, um die Gegenelektroden 320, 322 mit einer Erfassungsschaltung zu verbinden. Bei der schematischen perspektivischen Ansicht von 10 ist der Deckel 326 durchlässig gezeigt, um die Strukturen unter demselben nicht zu verstecken.The sensor also has a first counter-electrode 320 and a second counter-electrode 322 . The first and second counter electrodes 320,322 are formed in an infrared radiation sensor lid 326 which seals the cavity in which the diaphragm 310 and cantilever beams 302,304 are formed. Contacts 324 and 326 as shown in 10 may be provided to connect the counter electrodes 320, 322 to a sensing circuit. In the schematic perspective view of 10 the lid 326 is shown translucent so as not to obscure the structures beneath it.

9 zeigt eine schematische Draufsicht der Halbleiterschicht, in der die einseitig eingespannten Balken 302, 304 und die Membran 310 gebildet sind. Erste Enden 302a und 304a der einseitig eingespannten Balken können an dem Substrat 220 fixiert sein. Ein zweites Ende 302b des einseitig eingespannten Balkens 302 ist über eine Federstruktur 330 mechanisch mit der Membran 310 verbunden und ein zweites Ende 304b des einseitig eingespannten Balkens 304 ist über eine Federstruktur 332 mechanisch mit einem gegenüberliegenden Ende der Membran 310 verbunden. Die erste Gegenelektrode 320 ist einem Abschnitt der ablenkbaren Membran 310 in einer vertikalen Richtung zugewandt und die zweite Gegenelektrode 322 ist einem weiteren Abschnitt der ablenkbaren Membran 310 in einer vertikalen Richtung zugewandt. Entsprechend ist zwischen der ersten Gegenelektrode 320 und der ablenkbaren Elektrode 310 eine erste Kapazität gebildet und zwischen der zweiten Gegenelektrode 322 und der ablenkbaren Elektrode 310 ist eine zweite Kapazität gebildet. Erneut besteht eine Reihenverbindung zwischen der ersten und zweiten Kapazität durch die leitfähig dotierte Siliziumschicht 312, die die ablenkbare Elektrode bildet. 9 FIG. 12 shows a schematic plan view of the semiconductor layer in which the cantilever beams 302, 304 and the membrane 310 are formed. First ends 302a and 304a of the cantilever beams may be fixed to the substrate 220 . A second end 302b of the cantilever beam 302 is mechanically connected to the diaphragm 310 via a spring structure 330 and a second end 304b of the cantilever beam 304 is mechanically connected to an opposite end of the diaphragm 310 via a spring structure 332 . The first counterelec Rode 320 faces a portion of the deflectable membrane 310 in a vertical direction and the second counter electrode 322 faces another portion of the deflectable membrane 310 in a vertical direction. Correspondingly, a first capacitance is formed between the first counter-electrode 320 and the deflectable electrode 310 and a second capacitance is formed between the second counter-electrode 322 and the deflectable electrode 310 . Again there is a series connection between the first and second capacitances through the conductively doped silicon layer 312 which forms the deflectable electrode.

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 11 ersichtlich ist, kann die Membran 310 aufgrund der Drehfedern 330, 332 ein flaches Profil aufweisen, das optimal für eine Auslesung sein kann und das zu einem höchstmöglichen Ausgangssignal beitragen kann. Anders ausgedrückt, die Drehfedern 330, 332 halten die Metallmembran 310 während sie es der gesamten Struktur ermöglichen, sich zu entspannen und somit ein größeres Schwing- und Flatterprofil fördern.One end 302a , 304a of the cantilever beams 302 may be mechanically fixed to the substrate 220 . In examples, ends 302a, 304a may be mechanically fixed via oxide bridges or oxide pylons. The other sides 302b, 304b of the bi-material cantilever beams are attached to different sides of the membrane 310. FIG. Mechanical torsion springs 330 and 332 may be provided to ensure maximum deflection of the cantilever beams by decoupling relative to rotation of the ends 302b, 304b from the membrane 310 forming a stiffer central portion. Like it from 11 As can be seen, due to the torsion springs 330, 332, the diaphragm 310 can have a flat profile which can be optimal for a readout and which can contribute to the highest possible output signal. In other words, the torsion springs 330, 332 support the metal diaphragm 310 while allowing the entire structure to relax, thus promoting a greater swing and flutter profile.

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 11 gezeigt ist. Diese Ablenkung führt zu einer Kapazitätsänderung, die durch eine Erfassungsschaltung erfasst werden kann, die mit den Gegenelektroden 320, 322 verbunden ist. Entsprechend können die einseitig eingespannten Balken so angesehen werden, dass dieselben ein Paar aus zwei Materialien darstellen, das konfiguriert ist, um Wärme, die in der Membran erzeugt wird, in eine vertikale Verschiebung derselben umzuwandeln.Diaphragm 310 is formed of heavily doped semiconductor, such as silicon, and is used as a movable floating contact for sensing, readout, and IR absorption. In this example, the cantilever beams 302, 304 are composed of two layers of materials with different coefficients of thermal expansion to convert temperature changes to mechanical deformations. In examples, the cantilevers may be bi-material cantilevers having a silicon layer and a deposited oxide layer. Infrared radiation incident on the membrane 310 can cause a temperature increase in the membrane 310, which in turn can cause a temperature increase in the cantilever beams 302, 304 and therefore mechanical deformation thereof. This deformation of the cantilevered beams 302, 304 results in a deflection of the membrane 310, as shown in FIG 11 is shown. This deflection results in a change in capacitance which can be detected by a sensing circuit connected to the counter electrodes 320,322. Accordingly, the cantilevered beams may be viewed as representing a bi-material pair configured to convert heat generated in the membrane into vertical displacement thereof.

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 cap 326 may be a silicon oxide cap and may seal the cavity in which the deflectable electrode is placed. Thus, a vacuum cavity can be formed to ensure minimal heat loss. The cavity 222 may be formed by a Venezia cavity, which allows electrical and thermal isolation of the membrane from the substrate.

12a bis 12c zeigen den Sensor von 8 bis 11 in unterschiedlichen Betriebszuständen. In 12a ist die Membran in dem nicht abgelenkten Zustand, wie zum Beispiel dem Gleichgewichtszustand. In 12b wird die Membran aufwärts abgelenkt, wenn die Membran erwärmt wird. In 12c wird die Membran nach unten abgelenkt. Dieser Zustand kann erreicht werden, wenn die Membran abgekühlt wird, beginnend von dem nicht abgelenkten Zustand. 13a zeigt eine Ersatzschaltung, die eine variable Kapazität Cn zwischen der Gegenelektrode 320 und der Membran 310, eine variable Kapazität Cr zwischen der Gegenelektrode 322 und der Membran 310 und eine variable Kapazität Cb zwischen der Membran und dem Grundmaterial bzw. Bulk des Substrats unter der Membran aufweist. Der Kontakt 324 der ersten Gegenelektrode 320, der Kontakt 326 der zweiten Gegenelektrode 322 und ein Bulkkontakt 350 sind ebenfalls in 13a gezeigt. 13b zeigt eine entsprechende Ersatzschaltung, wobei die Membran 310, die aus hochdotiertem leitfähigem Halbleitermaterial gebildet ist, in einen Schaltungsknoten zusammengesunken ist. 12a until 12c show the sensor of 8th until 11 in different operating states. In 12a the membrane is in the undeflected state, such as the steady state. In 12b the membrane is deflected upwards when the membrane is heated. In 12c the membrane is deflected downwards. This condition can be reached when the membrane is cooled, starting from the undeflected condition. 13a Fig. 13 shows an equivalent circuit having a variable capacitance Cn between the counter electrode 320 and the membrane 310, a variable capacitance Cr between the counter electrode 322 and the membrane 310 and a variable capacitance Cb between the membrane and the bulk of the substrate under the membrane . The contact 324 of the first counter-electrode 320, the contact 326 of the second counter-electrode 322 and a bulk contact 350 are also in 13a shown. 13b FIG. 12 shows a corresponding equivalent circuit where the membrane 310, which is formed from highly doped conductive semiconductor material, has collapsed into a circuit node.

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 membrane 310 is floating, the overall charge within the membrane remains the same and therefore electrostatic forces are balanced at all times. Thus, the risk of pull-in effects occurring is reduced.

14a bis 16b zeigen schematische Ansichten und Ersatzschaltungen zum Erläutern von Beispielen möglicher Erfassungsschaltungen. Bei allen Beispielen ist der Bulkkontakt mit Masse verbunden. 14a until 16b show schematic views and equivalent circuits for explaining examples of possible detection circuits. In all examples, the bulk contact is connected to ground.

Gemäß 14a ist eine Versorgungsspannung Vdd an den Kontakt 324 angelegt und daher wird die erste Gegenelektrode 320 und eine Ausgangsspannung Vout an dem Kontakt 326 erfasst. Die Ausgangsspannung 326 hängt von der Ablenkung der Membran 310 ab und stellt daher ein Maß für die einfallende Infrarotstrahlung dar. Entsprechend können 14a und 14b so gesehen werden, dass dieselben eine unsymmetrische Auslesung ohne Einziehen (Pull-in) zeigen. According to 14a a supply voltage Vdd is applied to the contact 324 and therefore the first counter electrode 320 and an output voltage Vout at the contact 326 is sensed. The output voltage 326 depends on the deflection of the membrane 310 and therefore provides a measure for the incident infrared radiation. Correspondingly 14a and 14b can be seen as showing an unbalanced readout with no pull-in.

15a und 15b zeigen eine Auslesung, die eine Referenzpixelversatzaufhebung und Einzieh-Aufhebung für symmetrische Zufuhr verwendet. Ein Infrarotstrahlungssensor 400 weist eine Struktur auf wie sie oben in Bezug auf 8 bis 11 beschrieben ist. Eine Referenzstruktur 402 weist eine ähnliche Struktur auf. Es ist jedoch eine Abschirmschicht 404 jedoch vorgesehen, sodass keine Infrarotstrahlung auf die Membran der Referenzstruktur 402 auftrifft. Eine Versorgungsspannung Vdd ist an eine Gegenelektrode der Sensorstruktur 400 angelegt und eine Versorgungsspannung Vss ist an eine Gegenelektrode der Referenzstruktur 402 angelegt. Die anderen Gegenelektroden sind miteinander und mit einem Ausgangskontakt 410 verbunden. Die Ausgangsspannung Vout wird an dem Ausgangskontakt 410 erfasst. Wie es in 15b gezeigt ist, sind die Kapazitäten der Sensorstruktur 400 in Abhängigkeit von der Infrarotstrahlung variabel und die Kapazitäten der Referenzstruktur ändern sich nicht aufgrund der Abschirmschicht 404. 15a and 15b show a readout using reference pixel offset cancellation and pull-in cancellation for symmetric feed. An infrared radiation sensor 400 has a structure as referred to above 8th until 11 is described. A reference structure 402 has a similar structure. However, a shielding layer 404 is provided so that no infrared radiation impinges on the membrane of the reference structure 402 . A supply voltage Vdd is applied to a counter electrode of the sensor structure 400 and a supply voltage Vss is applied to a counter electrode of the reference structure 402 . The other counter electrodes are connected to each other and to an output contact 410 . The output voltage Vout is sensed at the output pin 410 . like it in 15b is shown, the capacitances of the sensor structure 400 are variable depending on the infrared radiation and the capacitances of the reference structure do not change due to the shielding layer 404.

16a und 16b zeigen eine direkte Sensor- und Referenzintegration in einen invertierenden Verstärker mit kapazitiver Rückkopplung. Die Versorgungsspannung Vdd wird über den Kontakt 324 an die erste Gegenelektrode 320 angelegt. Die Spannung an der zweiten Gegenelektrode ist an einen ersten Eingang eines Differenzverstärkers 420 angelegt. Eine Referenzspannung wird an einem zweiten Eingang des Differenzverstärkers 420 angelegt. Die Ausgangsspannung Vout des Verstärkers 420 stellt ein Maß für die Infrarotstrahlung dar, die auf den Sensor auftrifft. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist über einen Rückkopplungskondensator Cf mit dem ersten Eingang des Differenzverstärkers 420 verbunden. Die Ausgabe des Differenzverstärkers hängt von der Beziehung zwischen dem Rückkopplungskondensator Cf und der Kapazität an dem ersten Eingang des Differenzverstärkers 420 ab und ist daher ein Maß für die einfallende Infrarotstrahlung. 16a and 16b show direct sensor and reference integration in an inverting amplifier with capacitive feedback. The supply voltage Vdd is applied to the first counter electrode 320 via the contact 324 . The voltage at the second counter-electrode is applied to a first input of a differential amplifier 420 . A reference voltage is applied to a second input of differential amplifier 420 . The output voltage Vout of amplifier 420 is a measure of the infrared radiation impinging on the sensor. The output of the differential amplifier is connected to the first input of the differential amplifier 420 via a feedback capacitor Cf. The output of the differential amplifier depends on the relationship between the feedback capacitor Cf and the capacitance at the first input of the differential amplifier 420 and is therefore a measure of the incident infrared radiation.

Obwohl 14a bis 16b in Verbindung mit einem Infrarotstrahlungssensor beschrieben wurden, wie er in den 8 bis 11 gezeigt ist, ist klar, dass eine entsprechende Auslesung auch mit den anderen hierin beschriebenen Beispielen von Infrarotstrahlungssensoren stattfinden kann. Außerdem kann jede andere Schaltungsanordnung zum Erfassen der jeweiligen Kapazität oder Änderungen der jeweiligen Kapazität verwendet werden.Even though 14a until 16b in connection with an infrared radiation sensor as described in US Pat 8th until 11 is shown, it is clear that a corresponding reading can also take place with the other examples of infrared radiation sensors described herein. In addition, any other circuit arrangement for detecting the respective capacitance or changes in the respective capacitance can be used.

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 3b und 5 gezeigt sind, werden nachfolgend mit Bezugnahme auf 17a bis 17l beschrieben. Es ist selbstverständlich, dass entsprechende Schritte auch beim Herstellen von Infrarotstrahlungssensoren gemäß anderen hierin beschriebenen Beispielen durchgeführt werden können.Examples of methods for manufacturing infrared radiation sensors as described in 3b and 5 are shown below with reference to FIG 17a until 17l described. It goes without saying that corresponding steps can also be carried out when manufacturing infrared radiation sensors according to other examples described herein.

Wie es in 17a gezeigt ist, wird ein Halbleitersubstrat 500 vorbereitet, das einen Hohlraum 502 aufweist, sodass eine Halbleiterschicht 504 über dem Hohlraum 502 angeordnet ist. Zumindest die Halbleiterschicht 504 kann hochdotiert sein. Der Hohlraum 502 kann durch einen sogenannten Venezia-Prozess gebildet sein. Der Venezia-Prozess kann das Ätzen von Gräben in eine Oberfläche des Halbleitersubstrats, das Aushärten des Halbleitersubstrats in einer H-Atmosphäre, um zu bewirken, dass das Halbleitermaterial zurückfließt, sodass die Unterseiten der Gräben verbunden sind und die oberen Abschnitte der Gräben geschlossen sind, um einen vergrabenen Hohlraum unter der Oberfläche des Halbleitersubstrat zu bilden, aufweisen. Bei anderen Beispielen kann der Hohlraum 502 unter Verwendung eines Opferschichtprozesses gebildet werden. Das Substrat 500 kann ein Siliziumsubstrat sein.like it in 17a As shown, a semiconductor substrate 500 having a cavity 502 is prepared such that a semiconductor layer 504 is disposed over cavity 502 . At least the semiconductor layer 504 can be highly doped. The cavity 502 can be formed by a so-called Venezia process. The Venezia process may include etching trenches in a surface of the semiconductor substrate, annealing the semiconductor substrate in an H atmosphere to cause the semiconductor material to flow back so that the bottoms of the trenches are connected and the top portions of the trenches are closed, to form a buried cavity under the surface of the semiconductor substrate. In other examples, cavity 502 may be formed using a sacrificial layer process. The substrate 500 can be a silicon substrate.

Wie es in 17b gezeigt ist, ist eine Oxidschicht 506 auf dem Substrat 500 erzeugt, um die Halbleiterschicht 504 zu bedecken. Die Oxidschicht 500 kann unter Verwendung von chemischer Dampfaufbringung bei erhöhten Temperaturen von 400 bis 500°C aufgebracht werden, sodass eine Vor-Ablenkung einer Membran, die zu erzeugen ist, nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur stattfinden kann. Daraufhin findet eine erste tiefe Grabenätzung statt, um einen ersten tiefen Graben 508 zu erzeugen. Danach wird eine Opferschicht 510 aufgebracht und strukturiert, siehe 17c. Die Opferschicht wird später entfernt, um den unteren Hohlraum über der ablenkbaren Elektrode zu bilden. Bei Beispielen kann die Opferschicht eine Kohlenstoffschicht sein. Daraufhin wird eine weitere Oxidschicht 512 aufgebracht, wie zum Beispiel durch chemische Dampfaufbringung. Eine Planarisierung kann stattfinden, um Unebenheiten der Oberfläche der Oxidschicht 512 zu entfernen. Beispielsweise kann chemisch-mechanisches Polieren durchgeführt werden, um Oberflächenunebenheiten zu reduzieren oder zu entfernen. Daraufhin findet eine zweite tiefe Grabenätzung statt, wie es in 17d gezeigt ist. Somit werden weitere tiefe Gräben 514 gebildet, um die Halbleiterschicht 504 zu strukturieren, um die Membranstrukturen 520 und die Gegenelektrodenstrukturen 522 in der Halbleiterschicht zu erreichen. Bei der zweiten tiefen Grabenätzung kann die Halbleiterschicht 504 strukturiert werden, um eine einzelne Gegenelektrode 116 (wie es in 3b gezeigt ist) oder getrennte Gegenelektroden 116a, 116b zu erhalten, wie es in 5 gezeigt ist.like it in 17b As shown, an oxide layer 506 is formed on the substrate 500 to cover the semiconductor layer 504 . The oxide layer 500 can be deposited using chemical vapor deposition at elevated temperatures of 400 to 500°C so that pre-deflection of a membrane to be produced can take place after cooling to room temperature. A first deep trench etch then takes place to create a first deep trench 508 . A sacrificial layer 510 is then applied and structured, see FIG 17c . The sacrificial layer is later removed to form the lower cavity over the deflectable electrode. In examples, the sacrificial layer may be a carbon layer. Another oxide layer 512 is then deposited, such as by chemical vapor deposition. Planarization may take place to remove surface asperities of the oxide layer 512 . For example, chemical mechanical polishing can be performed to reduce or remove surface asperities. A second deep trench etch then takes place, as shown in 17d is shown. Thus, further deep trenches 514 are formed in order to pattern the semiconductor layer 504 in order to reach the membrane structures 520 and the counter-electrode structures 522 in the semiconductor layer. In the second deep trench etch, the semiconductor layer 504 can be patterned to form a single counter electrode 116 (as described in 3b is shown) or to obtain separate counter electrodes 116a, 116b, as is shown in 5 is shown.

17e bis 17h beziehen sich auf einen Prozess zum Herstellen eines Infrarotstrahlungssensors, wie er in 3b gezeigt ist, bei dem die Membran 110 einen Außenkontakt aufweist. Zu diesem Zweck werden Durchgangslöcher geätzt, die zu der Gegenelektrode 116 und der Membran 110 reichen. Die Durchgangslöcher können mit leitfähigem Material gefüllt werden, wie zum Beispiel Wolfram. Danach kann eine Metallisierung stattfinden, um einen Kontakt 134 für die Gegenelektrode 116 und einen Kontakt 132, der die Membran 110 kontaktiert, zu bilden. Obwohl 17e bis 17h eine symmetrische Struktur mit zwei Gegenelektrodenkontakten 134, 134` zeigen, kann ein einzelner Kontakt ausreichend sein. Während dieses Prozesses kann eine zusätzliche Oxidschicht 524 auf der Oxidschicht 512 gebildet werden. 17e until 5 p.m relate to a process for manufacturing an infrared radiation sensor as described in 3b is shown, in which the membrane 110 has an external contact. For this purpose, through-holes are etched, which reach to the counter-electrode 116 and the membrane 110. FIG. The through holes can be filled with conductive material such as tungsten. Metallization can then take place to form a contact 134 for the counter electrode 116 and a contact 132 which contacts the membrane 110 . Even though 17e until 5 p.m show a symmetrical structure with two counter-electrode contacts 134, 134`, a single contact may be sufficient. An additional oxide layer 524 may be formed on oxide layer 512 during this process.

Daraufhin werden Öffnungen 530, die zu der Opferschicht 510 reichen, durch die Oxidschichten 512 und 524 gebildet, wie es in 17f gezeigt ist. Die Opferschicht 510 wird durch die Öffnungen 530 entfernt, um den Hohlraum 128 über der Membran zu erzeugen. Daraufhin wird eine zusätzliche Oxidschicht 532 aufgebracht, um die Hohlräume 128 und 502 abzudichten. Schließlich kann ein optisches Filter 562 an die Oxidschicht 532 angelegt werden und ein optischer Reflektor 560 kann an die Rückseite des Substrats 500 angelegt werden.Thereafter, openings 530 reaching the sacrificial layer 510 are formed through the oxide layers 512 and 524, as shown in FIG 17f is shown. The sacrificial layer 510 is removed through the openings 530 to create the cavity 128 over the membrane. An additional layer of oxide 532 is then deposited to seal cavities 128 and 502 . Finally, an optical filter 562 can be applied to the oxide layer 532 and an optical reflector 560 can be applied to the backside of the substrate 500. FIG.

Die Kontakte 132, 134 können mit externer Schaltungsanordnung gekoppelt werden.Contacts 132, 134 can be coupled to external circuitry.

17i bis 17l zeigen einen Teil eines Prozesses, der zum Herstellen eines Infrarotstrahlungssensors, wie er in 5 gezeigt ist, geeignet ist, der dem in 17a bis 17d gezeigten Prozess folgt. Der in 17i bis 17l gezeigte Prozess unterscheidet sich von dem in 17e bis 17h gezeigten Prozess dadurch, dass kein Kontakt zu der Membran 110 gebildet ist. Stattdessen sind zwei getrennte Kontakte 134a und 134b zu beiden Gegenelektroden 116a und 116b gebildet. Ansonsten ist der Prozess ähnlich wie der mit Bezugnahme auf 17e bis 17h beschriebene Prozess. 17i until 17l show part of a process used to manufacture an infrared radiation sensor as shown in 5 is shown, is suitable, which corresponds to that in 17a until 17d shown process follows. the inside 17i until 17l The process shown differs from that in 17e until 5 p.m shown process in that no contact to the membrane 110 is formed. Instead, two separate contacts 134a and 134b are formed to both counter electrodes 116a and 116b. Otherwise the process is similar to that referred to 17e until 5 p.m described process.

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.

Claims (4)

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; und eine 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 und wobei 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, und wobei 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 membrane (10, 110) formed in or on the substrate (24, 120), at least a portion of the membrane (10, 110) forming a deflectable electrode; and a 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 a capacitance is formed between the deflectable electrode and the counter-electrode (116, 116a, 116b), 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 cause deformation of the composition by absorbing infrared radiation, wherein the deformation leads to a vertical deflection of the deflectable electrode relative to the counter-electrode (116, 116a, 116b) with respect to the substrate plane, which causes a change in the capacitance, the counter-electrode (116, 116a, 116b) of the deflectable electrode on a plurality of lateral Edges of the deflectable electrode facing, wherein a membrane support (130) with the Mem membrane (110) is coupled in a region spaced from lateral edges of the membrane (110), seen in a plan view of the substrate plane, and wherein the membrane support (130) is coupled to the membrane (110) in a central region of the membrane (110), in a plan view of the substrate plane. 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; und eine 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 und wobei 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, wobei die Membran (110) Gräben (150) aufweist, die einen thermischen Einfluss der Region, die mit dem Membranträger (130) gekoppelt ist, auf andere Regionen der Membran (110) reduzieren.An infrared radiation sensor that has the following characteristics: a substrate (24, 120) having a major surface defining a substrate plane; a membrane (10, 110) formed in or on the substrate (24, 120), at least a portion of the membrane (10, 110) forming a deflectable electrode; and a 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 a capacitance is formed between the deflectable electrode and the counter-electrode (116, 116a, 116b), the membrane (10, 110) having a composition comprising at least two layers (12, 14, 112, 114) of materials having different coefficients of thermal expansion, and wherein the composition has an absorption region configured to cause deformation of the composition by absorbing infrared radiation, the deformation resulting in 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, a membrane support (130) being coupled to the membrane (110) in a region separated from lateral edges of the membrane (110) is spaced, seen in a plan view of the substrate plane, wherein the membrane (110) has trenches (150) that reduce a thermal influence of the region coupled to the membrane support (130) on other regions of the membrane (110). Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die Ränder der ablenkbaren Elektrode und Abschnitte der Gegenelektrode (116, 116a,116b), die einander zugewandt sind, in einer Draufsicht auf die Substratebene mäanderförmig sind.The infrared radiation sensor according to any one of Claims 1 and 2 , in which the edges of the deflectable electrode and sections of the counter-electrode (116, 116a, 116b), which face one another, are meander-shaped in a plan view of the substrate plane. Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine erste Schicht (12, 112) der Membran (10, 110) in einer dotierten Halbleiterschicht des Substrats (24, 120) gebildet ist, wobei die Gegenelektrode (116, 116a,116b) in der dotierten Halbleiterschicht gebildet ist und von der Membran (10, 110) durch Gräben (18, 118) getrennt ist.The infrared radiation sensor according to any one of Claims 1 until 3 , in which a first layer (12, 112) of the membrane (10, 110) is formed in a doped semiconductor layer of the substrate (24, 120), the counter-electrode (116, 116a, 116b) being formed in the doped semiconductor layer and of of the membrane (10, 110) is separated by trenches (18, 118).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US6737648B2 (en) 2000-11-22 2004-05-18 Carnegie Mellon University Micromachined infrared sensitive pixel and infrared imager including same
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