DE102017113023A1

DE102017113023A1 - Thermopile Infrarot Einzelsensor für Temperaturmessungen oder zur Gasdetektion

Info

Publication number: DE102017113023A1
Application number: DE102017113023.3A
Authority: DE
Inventors: Marion Simon; Mischa Schulze; Wilhelm Leneke; Karlheinz Storck; Frank Herrmann; Christian Schmidt; Jörg Schieferdecker
Original assignee: HEIMANN Sensor GmbH
Current assignee: HEIMANN Sensor GmbH
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2017-12-21
Also published as: US20200370963A1; US10794768B2; CN109313079A; EP3472583A1; KR102214389B1; WO2017220381A1; KR20190016538A; US20190265105A1; JP2019518960A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thermopile Infrarot Einzelsensor in einem mit einem Gasmedium gefüllten Gehäuse mit Optik sowie einem oder mehreren Sensor-Chips mit individuellen Sensorzellen mit Infrarot-Sensorstrukturen mit retikulierten Membranen, deren infrarotsensitive Bereiche durch jeweils mindestens einen Beam über einer Aushöhlung in einem gut Wärme leitenden Tragekörper aufgespannt sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Thermopile-Infrarot Sensor in monolithischer Si-Mikromechanik Technologie für berührungslose Temperaturmessungen, der bei ausreichend großer Empfängerfläche ein hohes Signal mit hoher Ansprechgeschwindigkeit abgibt und der unter einem Gasmedium mit Normaldruck oder mit reduziertem Druck betrieben werden kann und der ohne aufwändige Technologien zum Gehäuseverschluss in Massenstückzahlen herstellbar ist. Erreicht wird das dadurch, dass jeweils mehrere individuelle benachbarte Sensorzellen (18) mit je einem Infrarot sensitiven Bereich mit Thermopilestrukturen (14, 15) auf der Membran (12) auf einem gemeinsamen Tragekörper (1) eines Einzelchips zu einer einzelnen Thermopile-Sensorstruktur mit einem Signalausgang in dem Gehäuse, bestehend aus einer mit einer Grundplatte (3) verschlossenen Kappe (12) mit gemeinsamen Gasmedium (10) zusammengefasst sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermopile Einzelsensor für Temperaturmessungen oder zur Gasdetektion in monolithischer Si-Mikromechanik Technologie in einem mit einem Gasmedium gefüllten Gehäuse mit Optik sowie einem oder mehreren Sensor-Chips mit individuellen Sensorzellen mit Infrarot-Sensorstrukturen mit retikulierten Membranen, deren infrarotsensitive Bereiche durch jeweils mindestens einen Beam über einer Aushöhlung in einem gut Wärme leitenden Tragekörper aufgespannt sind.
Thermopile Infrarot Sensoren, die in Si-Mikromechanik Technologie hergestellt werden, gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Beispielsweise wird in der DE 101 44 342 A1 ein Thermopile Sensorchip dargestellt, das mit senkrechten oder nahezu senkrechten Wänden eine möglichst große Membran als IR-Empfangsfläche aufweist, um das mit einer IR sensitiven Fläche auf der Membran zu empfangende Signal zu maximieren. Die Membran ist über einer Aussparung in einem Silizium-Tragkörper aufgespannt, der zugleich als Wärmesenke ausgebildet ist.
Eine weitere Lösung wird in der DE 103 21 639 A1 vorgeschlagen, bei der Thermopile Elemente vorgesehen sind, deren heiße Enden auf der Membran positioniert sind und deren kalte Enden sich auf einem Si-Tragkörper befinden.
Bei diesen Ausführungen ist gemeinsam, dass eine homogene dünne Membran viele Thermoelemente trägt, z.B. Thermopile-Elemente, und der Sensorchip in einem Gehäuse mit atmosphärischem Druck und üblicherweise trockener Luft bzw. trockenem Stickstoff untergebracht ist. Um eine möglichst Signalspannung bei Thermopile-Sensorelementen zu erhalten, müssen deren Thermoelemente möglichst lang ausgebildet sein, weil dadurch weniger Wärmeleitung und somit ein höherer Temperaturunterschied zwischen dem heißen und kalten Ende der Thermoelemente erreicht wird.
Folglich lassen sich damit auf kleineren Chipflächen für viele Anwendungen keine ausreichend hohen Signalspannungen erreichen und der Signal/Rausch-Abstand bzw. die Nachweisgrenze bei Messaufgaben genügen nicht den Anforderungen. Wird ein solcher Chip beispielsweise für die Gasdetektion eingesetzt, muss die empfindliche Sensorfläche allein schon recht groß, z.B. 1 × 1 mm, oder größer, gewählt werden. Die Sensorchips selbst sind dann noch deutlich größer, was für den Anwender von Nachteil ist.
Nachteilig ist, dass die pro Fläche erzielte Signalspannung für viele Anwendungen nicht ausreicht, die große Fläche auch eine hohe Zeitkonstante (thermische Trägheit) aufweist und damit eine zu langsame Reaktionszeit bedingt. Damit lässt sich durch homogene, unstrukturierte Membranen mit vielen Thermoelementen nicht die erforderliche Signalspannung mit geringer Reaktionszeit erreichen.
In der WO 91 02229 A1 wird ein Single Thermopile Sensor vorgeschlagen, bei dem über einer Aussparung im Chipkörper eine einzelne freischwebende Membran angeordnet ist, die über einen möglichst langen Beam mit einer Wärmesenke, d.h. dem Rand des Chipkörpers, verbunden ist. Durch das für die Herstellung der Aussparung im Chipkörper angewendete Ätzverfahren entstehen schräge Wände, welche die Aussparung begrenzen. Bei diesem Sensor lassen sich wegen des besseren Absorberbereiches auf der Membran auf kleinerer Fläche größere Signale erreichen. Allerdings verhindert die Wärmeleitfähigkeit der den Absorberbereich umgebenden „normalen Atmosphäre“ (d.h. Luft, Stickstoff), dass der Sensor ein genügend hohes Signal erreicht. Weiterhin sind die schrägen Wände von Nachteil, die ein bezüglich der empfindlichen Fläche sehr großes und damit recht teures Gesamtchip zur Folge haben.
Weiterhin wird in der DE 10 2012 042 108 A1 ein Thermopile-Infrarot-Sensor in monolithischer Si-Mikromechanik vorgestellt, der auf sehr kleiner Fläche eine deutlich höhere Signalspannung erzielen kann, indem die Sensorchip-Membran mit Schlitzen versehen ist und eine die IR-Strahlung empfangende innere Fläche mit dem Absorberbereich an dünnen Stegen aufgehängt ist, über die einige wenige Thermoelemente vom Si-Rand („kalte“ Kontakte) zum Absorberbereich („warme“ Kontakte) geführt werden. Zur Erhöhung der Isolation der inneren Absorberfläche wird das Sensorelement in einem Gehäuse mit einem Medium geringer Wärmeleitfähigkeit von deutlich weniger als Luft umgeben.
Auf diese Weise lassen sich für recht kleine Membranen (Absorberflächen) recht hohe Signale erzielen. Würde man die Größe der absorbierenden Fläche aber auf die typischerweise für sogenannte NDIR Gassensoren mindestens notwendige 0,5 × 0,5 mm ... 1 × 1 mm Fläche erhöhen, führt die dann immer träger werdende Absorberfläche jedoch zu einer langen Zeitkonstante, d.h., die Ansprechgeschwindigkeit des Sensorchips sinkt und der Sensor würde für viele Anwendungen zu langsam.
Auch in der US 4 472 239 A und in der US 4 654 622 A werden thermische Sensorstrukturen mit dünner Membran und Schlitzen zum Herausätzen von Teilen des darunter liegenden Trägersubstrates vorgestellt. In beiden Fällen erreichen die darunter liegenden Ausnehmungen nur eine geringe Tiefe, was – wie bei vorangehend beschriebenen Lösungen – nur geringe Empfindlichkeiten bei kostengünstigen Gehäuselösungen ohne Hochvakuumdichtigkeit zulässt.
In der DE 199 54 091 A1 und der US 6 342 667 B werden Thermopile Sensorzellen beschrieben, bei denen durch Schlitzstrukturen in Form großer Dreiecke im Randbereich der Membran bzw. in Form eines Kreuzes in der Mitte der Membran die Ausnehmung unterhalb der Sensorstruktur freigeätzt wird. Bei beiden erfolgt das durch ein Nassätzverfahren, welches durch schräge Wände keine großen Abstände zur Wärmesenke am Rand entstehen lässt. Die Vielzahl von parallel angeordneten Thermoelementen verhindert große Temperaturunterschiede zwischen „heißen“ und „kalten“ Kontakten und damit das Erreichen hoher Signalempfindlichkeiten.
In der DE 198 43 984 A1 werden Zellen von Infrarot-Strahlungssensoren vorgestellt. Die Ausnehmungen der einzelnen Zellen haben senkrechte Wände, die durch das gesamte Substrat hindurchgehen, wobei das Substrat die Ausnehmung umgibt. Über der Ausnehmung befindet sich eine Membran. Allerdings ist auch eine Vielzahl von eher kurzen Thermoelementen vorgesehen, die keine hohe Empfindlichkeit zulassen. Die Ausnehmungen werden durch Mikromechanik-Lösungen hergestellt, beispielsweise durch Ätzung durch eine Öffnung in der Membran, wobei die Tiefe der Ätzung 50–200 µm betragen kann. Von Nachteil ist hier der kurze Abstand zwischen der Sensorstruktur auf der Membran und der Wärmesenke von max. 200 µm, was auf Grund der Wärmeleitfähigkeit des Gases dazu führt, dass keine hohe Empfindlichkeit erreicht wird.
Weiterhin wird in der DE 40 91 364 C1 eine Thermopile Sensorzelle mit dünner Membran und geschlitzter Struktur vorgestellt. Der Absorberbereich auf der Membran wird über einen langen Beam und wenige Thermoelemente gehalten, wobei sich in der Membran Löcher oder Schlitze befinden. Der Beam mit den Thermoelementen und einer Breite von 130 µm ist durch allerdings ebenfalls breite Schlitze vom Substratrand und dem Absorberbereich isoliert. Das unter der Sensorstruktur liegende Trägersubstrat wird von der Rückseite her nassgeätzt, was schräge Wände im Substrat zur Folge hat. Die ganze Anordnung ist mit einer Füllung mit einem Schutzgas versehen.
Mit einer solchen Lösung lassen sich prinzipiell höhere Temperaturunterschiede und Empfindlichkeiten erzielen. Allerdings verhindern die breiten Schlitze eine optimale Flächenausnutzung (Füllgrad) der Sensorzelle. Die nassgeätzte Ausnehmung im Trägersubstrat weist nach außen gehende schräge Wände auf, wobei die Gesamt-Sensorzelle etwa 2 × 2 mm groß sein soll. Die schrägen nach außen gehenden Substratwände gestatten keine kleinen Sensorzellen oder Zellabstände. Die große Struktur der aufgehängten Empfangsfläche führt zu langsamer Ansprechgeschwindigkeit und einer hohen Zeitkonstante, so dass viele Messaufgaben, die schnelle Messungen erfordern, nicht möglich sind.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die im Stand der Technik vorgeschlagenen thermischen Infrarot Sensorzellen entweder auf Grund einer großflächigen Chiptechnologie ohne ausreichende thermische Isolation des Absorbers zu geringe Signale pro Fläche erzielen, oder bei ausreichend großer empfindlicher Fläche des individuellen Absorberbereiches zu hohe Zeitkonstanten besitzen und daher in einer Messaufgabe zu träge und langsam reagieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Thermopile-Infrarot Sensor in monolithischer Si-Mikromechanik Technologie für berührungslose Temperaturmessungen oder die NDIR Gasdetektion anzugeben, der bei ausreichend großer Empfängerfläche ein hohes Signal mit hoher Ansprechgeschwindigkeit abgibt und der unter einem Gasmedium mit Normaldruck oder mit reduziertem Druck betrieben werden kann und der ohne aufwändige Technologien zum Gehäuseverschluss in Massenstückzahlen hergestellt werden kann.
Erreicht wird das bei einem Thermopile Infrarot Einzelsensor der eingangs genannten Art dadurch, dass jeweils mehrere individuelle benachbarte Sensorzellen mit je einem Infrarot sensitiven Bereich mit Thermopilestrukturen auf der Membran auf einem gemeinsamen Tragekörper eines Einzelchips zu einer einzelnen Thermopile-Sensorstruktur mit einem Signalausgang in dem Gehäuse, bestehend aus einer mit einer Grundplatte verschlossenen Kappe, mit gemeinsamen Gasmedium zusammengefasst sind.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die Signale einzelner Sensorzellen jedes Sensorchips durch Reihenschaltung, Parallelschaltung oder in einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltung zu einem Ausgangssignal zusammengefasst und über einen Anschluss herausgeführt sind.
Bevorzugt weist die Aushöhlung unter jeder Membran mit den Infrarot sensitiven Bereichen senkrechte oder nahezu senkrechte Wände auf, die von der Waferrückseite eingetrieben sind.
Alternativ kann die Aushöhlung unter jeder Membran mit den Infrarot sensitiven Bereichen schräge Wände aufweisen, die von der Vorderseite her durch die Schlitze in der Membran herausgeätzt sind.
Das gemeinsame Gasmedium ist vorzugsweise ein Gas mit deutlich höherer molarer Masse als Luft, wie Xenon, Krypton, Argon unter normalem atmosphärischem Druck.
Vorzugsweise ist das Gasmedium ein Gas oder Gasgemisch mit einem Druck der deutlich geringer ist, als normaler atmosphärischer Druck.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Signal jeder der individuellen Sensorzellen eines Sensorchips über einen individuellen Vorverarbeitungskanal mit einem individuellen Vorverstärker, Impedanzwandler oder Analog/Digital-Wandler geleitet, wobei einige oder sämtliche der individuellen Vorverarbeitungskanäle der einzelnen Sensorzellen mindestens eine integrierende Funktion oder eine Tiefpassfunktion aufweisen.
Weiterhin werden die vorverarbeiteten Signale der individuellen Sensorzellen eines Sensorchips in einer elektronischen Summierschaltung, wie Multiplexer und/oder Mikrokontroller zu einem Ausgangssignal vorteilhaft zusammengefasst.
In einer Fortführung der Erfindung sind die Signalverarbeitungskanäle der einzelnen Sensorzellen und eine Summiereinrichtung auf dem gleichen Halbleiter Tragekörper oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses untergebracht.
Alternativ sind neben den Signalvorverarbeitungskanälen und der Summiereinrichtung weitere elektronische Signalbearbeitungseinheiten, wie Temperatur- oder Spannungsreferenzen oder zur Berechnung von Temperaturen oder Gaskonzentrationen auf dem gleichen Halbleiter Tragkörper, oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses im gemeinsamen Gasmedium untergebracht.
Weiterhin bestehen die Thermopilestrukturen aus in einem CMOS Prozess aufgebrachten n- und p-leitendem Polysilizium, amorphen Silizium, Germanium oder einer Mischform aus Silizium und Germanium, oder aus aufgebrachten thermoelektrischen dünnen Metallschichten aus Wismut oder Antimon, um eine kostengünstige Fertigung zu gewährleisten.
Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur Verwendung von mindestens zwei Thermopile Infrarot Einzelsensoren, jeweils einen Sensorkanal bildend, nebeneinander unter einer gemeinsamen Kappe auf einer gemeinsamen Bodenplatte als Gasdetektor, wobei für jeden Sensorkanal ein eigenes optisches Filter unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen ist und wobei zwischen benachbarten Sensorkanälen jeweils eine Trennwand angeordnet ist.
Zur Verbesserung der Langzeitstabilität und Driftresistenz ist einer der Sensorkanäle mit einem Referenzfilter ausgestattet.
Die Sensorkanäle bildenden Thermopile Infrarot Einzelsensoren eignen sich in Vorteilhafter Weise für den Einsatz zur NDIR Gasdetektion.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei die einzelnen Zeichnungsfiguren zeigen:
1: den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Thermopile Einzelsensors mit mehrfach strukturiertem Einzelchip in einem Gehäuse

a) mit senkrechten Wänden,
b) mit schrägen Wänden;

2: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Einzelchip des Thermopile Sensors mit einer Anordnung des Thermopile Sensorchips mit 4-fach strukturierter Sensorzelle;
3: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Einzelchip mit 9-fach strukturierter Sensorzelle, jeweils in Reihenschaltung;
4: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thermopile Sensors mit Aufsummierung der Signale der Einzelstrukturen über Vorverstärker oder Impedanzwandler und elektronische Summierglieder;
5: eine weitere erfindungsgemäße Thermopile Sensorstruktur mit einem Mehr-Kanal Sensor, z.B. für die Gasdetektion; und
6: eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit A aus 2.
Den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Thermopile Infrarot Einzelsensors auf einem Einzelchip zeigt 1a, b. Der Thermopile Einzelsensor ist auf einem gemeinsamen rahmenförmigen Halbleiter-Tragekörper 1, beispielsweise aus Silizium, aufgebaut und befindet sich in einem Sensorgehäuse, bestehend aus einer Bodenplatte 2, sowie einer Grundplatte 3 mit elektrischen Anschlüssen 4, die über jeweils eine Drahtbrücke 5 mit Anschlusspads 6 auf dem rahmenförmigen Halbleiter-Tragekörper 1 verbunden sind (2, 3), sowie einer Kappe 7 mit einer Aperturöffnung 8 und einer Optik 9, wobei das Sensorgehäuse ein Gasmedium 10 dicht einschließt.
Der Tragekörper 1 ist mit einer Aushöhlung 11 versehen, die von einer Membran 12 mit einem sensitiven Bereich (Absorberbereich) überspannt ist und die über Beams 13 mit dem rahmenförmigen Halbleiter-Tragekörper 1 verbunden ist, der als Wärmesenke dient.
Das Gasmedium 10 ist ein Gas oder Gasgemisch, das eine Wärmeleitfähigkeit hat, die geringer als die von Luft oder Stickstoff ist, um eine Konvektion vom zentralen sensitiven Bereich auf der Membran 12 zum Tragekörper 1 so gering wie möglich zu halten. Bevorzugt ist das Gasmedium 10 ein Gas mit einer hohen molaren Masse, wie Xenon, Krypton oder Argon, oder ein Gas mit einem gegenüber normalem Luftdruck deutlich reduziertem Innendruck. Das Sensorgehäuse muss dabei so verschlossen sein, dass kein Gasaustausch mit der Umgebung erfolgen kann.
Das Sensorchip, bestehend aus dem Tragekörper 1 eines Einzelchips, enthält mehrere Einzelzellen 18 mit einer geschlitzten Membran 12 und einer Beamstruktur 13, auf der Thermoelemente 13‘, wie Thermopilestrukturen, untergebracht sind, deren „heißer“ Kontakt 14 sich auf der Membran 12 befindet und der „kalte“ Kontakt 15 auf dem Tragekörper 1. Weiterhin befindet sich auf der Membran 12 eine dünne Absorberschicht 15 (bevorzugt dünner als 1 µm), um die thermische Masse des sensitiven Bereiches gering und die Ansprechgeschwindigkeit hoch werden zu lassen. Zwischen der Membran 12 und den Beams 13, sowie zwischen diesen und dem Tragekörper 1 befinden sich Schlitze 17 zur thermischen Trennung (2, 3, 6).
Die Thermoelemente der Thermopilestruktur sind aus an sich bekannten thermoelektrischen Materialien unterschiedlicher thermoelektrischer Polarität hergestellt. Dies können sowohl in einem CMOS Prozess aufgebrachte Halbleitermaterialien, wie z.B. n-leitendes und p-leitendes Poly-Silizium (dotiertes) amorphes Silizium, Germanium oder eine Mischform aus Silizium und Germanium, oder aufgebrachte thermoelektrische dünne Metallschichten (wie z.B. Wismut, Antimon o.ä.), sein, wobei die Dicke jeweils weniger als 1 µm beträgt.
Die Membranen 12 mit den Beams 13 und dem empfindlichen Bereich sind auf dem Tragekörper 1 über den Aushöhlungen 11 aufgespannt. Diese Aushöhlungen 11 können beispielsweise durch Trockenätzen (Deep RIE) von der Waferrückseite her eingebracht werden und haben dann vorzugsweise senkrechte Wände (1a), oder können durch Ätzen von Opferschichten oder des Halbleitersubstrates selbst von der Vorderseite her durch Schlitze 17 (2, 3) in das Halbleitersubstrat zur Ausbildung des Tragekörpers 1 durch die Membran 12 eingetrieben werden. Ein Beispiel für Letzteres sind die schrägen Wände der Aushöhlung 11 in 1b.
Die erfindungsgemäße, vorteilhafte Wirkung entsteht dadurch, dass sich auf der Fläche eines Thermopile Einzelsensors eng benachbart mehrere kleinere Zellen 18 (z.B. 2, 4, 9 oder 16 Zellen) mit geschlitzten Membranen 12 befinden, die durch Zusammenschaltung eine genau so große Empfangsfläche, wie bekannte Einzelelement-Thermopile-Chips, bilden, wobei das Gasmedium 10 hohe Einzelsignale pro Zelle 18 ermöglicht.
Auf Grund der relativ geringen Abmessungen der einzelnen Zellen 18 und deren sensitiven Bereiche auf den jeweiligen Membranen 12 ergeben sich deutlich geringere Zeitkonstanten und höhere Ansprechgeschwindigkeiten als bei einem nicht-segmentierten Thermopilechip üblicher Größe. Die Aufsummierung der Signale aller Zellen 18 eines Thermopilechips wiederum führt zu einer deutlich höheren Signalspannung bei gleicher Größe des Thermopilechips.
2, 3 zeigen den erfindungsgemäßen Thermopile Einzelsensor mit mehreren Zellen 18 als Draufsicht, um die Anordnung und Verschaltung der einzelnen Zellen 18 des Thermopile Einzelsensors zu verdeutlichen. Hierbei wirkt jede Zelle 18 wie ein an sich bekanntes Einzel Thermopile, nur ist die geometrische Fläche der einzelnen Zellen 18 typischer Weise deutlich kleiner, als beim üblichen Thermopile Einzelsensor.
Jede Zelle 18 des Thermopile Einzelsensors besitzt ein + und ein – Terminal (Bondpads 5). Sämtliche als Thermopile ausgebildeten Zellen 18 werden miteinander zu einem wirksamen Thermopile Einzelsensor verschaltet. Bevorzugt werden dabei alle Zellen 18 eines Thermopile Einzelsensors in Reihe geschaltet, indem jeweils die + und – Terminals wie Einzelbatterien in einem Batterieblock zusammengeschaltet werden. Möglich ist aber auch eine Parallelschaltung oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung.
2 zeigt eine 4-fach Zell-Strukturierung und 3 eine 9-fache Zellstrukturierung.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Nutzung von Vorverstärkern oder Impedanzwandlern 19 bzw. elektronischen Summiergliedern 20 oder Multiplexern/ Mikrokontrollern, statt der einfachen Reihenschaltung der Zellen 18 (4).
Eine solche Signalelektronik mit Vorverstärkern bzw. Vorverstärkern und Tiefpass 19 sowie einem Summierglied 20 oder einem Multiplexer kann sowohl auf dem gleichen Substrat, wie der Thermopile Einzelsensor, oder auf einem getrennten Chip aber im Gehäuse, oder außerhalb des Gehäuses, untergebracht sein. Die Summation kann auch in einem Mikro-Prozessor erfolgen, der die vorverstärkten, gefilterten und ge-multiplexten Signale der einzelnen Zellen 18 verarbeitet.
Da die Funktion des rauschbegrenzenden Tiefpasses oder des nachgeschalteten Mikroprozessors ausreichend verständlich ist, wurde auf eine gesonderte Darstellung in 4 verzichtet.
Das Summationsglied 20 besteht bevorzugt aus einem Signalmultiplexer für alle Zellen 18 und dem nachgeschalteten AD/Wandler mit Mikroprozessor, der die Signale aller Zellen 18 rauscharm addiert. Zweckmäßig ist der Aufbau zumindest eines Teils der Signalverarbeitung im Gehäuse untergebracht, weil dann elektrische oder elektromagnetische Störeinflüsse von außen besser unterdrückt werden können.
Ein weiterer Vorteil der integrierten Vorverstärker 19 oder Impedanzwandler pro Zelle 18 besteht in Folgendem:
Werden mehr oder dünnere Thermoelemente einer Zelle 18 in Reihe geschaltet, so erhöht sich das Signal, aber auch die Impedanz (Thermoelement, Widerstand). Würden nun viele (z.B. 4, 9, 16 oder auch mehr) Zellen 18 in Reihe geschaltet und die Signale ohne Vorverstärker oder Impedanzwandler nach außen geführt, so ergeben sich sehr hohe Impedanzen (Innenwiderstände) des gesamten Thermopile Einzelsensors. Mit zunehmender Impedanz erhöht sich das Risiko von Störeinstreuungen externer Störquellen oder einer vom Stromrauschen des Eingangskreises der Nachfolgeelektronik indizierten Zusatzrauschquelle, die bei niedriger Impedanz i.a. vernachlässigbar ist. Beide Effekte können die Messgenauigkeit verringern.
Insbesondere für die NDIR Gasdetektion (NDIR: nichtdispersive Infrarottechnologie) ist es von Vorteil, zwei oder mehr Sensorkanäle aus jeweils einem Thermopile Einzelsensor in einem Gehäuse zu integrieren, d.h., es werden zwei oder vier erfindungsgemäße Thermopile Infrarot Einzelsensoren nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet.
Damit können mehrere Gase gleichzeitig gemessen werden. Optional wird einer der Sensorkanäle mit einem Referenzfilter ausgestattet, was die Langzeitstabilität und Driftresistenz deutlich verbessert. Der oder die anderen Kanäle messen dann ein oder mehrere spezifische Gase.
Als Beispiel für einen solchen Mehrkanal Thermopilesensor zeigt 5 einen Dual Thermopilesensor, der zur NDIR Gasdetektion besonders geeignet ist.
Erfindungsgemäß werden wiederum mehrere Zellen 18 zu einem Thermopile Einzelsensor (pro Kanal) zusammengefasst und zwei derartige Thermopile Einzelsensoren 21, 22 nebeneinander unter einer gemeinsamen Kappe 26 auf einer gemeinsamen Bodenplatte 27 angeordnet, wobei für jeden Kanal ein eigenes optisches Filter 23, 24 vorgesehen ist. Zusätzlich empfiehlt sich eine optische Trennwand 25 zwischen benachbarten Kanälen, die ein optisches Übersprechen der Infrarotstrahlung zwischen benachbarten Kanälen verhindert. Dazu muss die Trennwand 25 die Infrarotstrahlung absorbieren und darf sie weder durchlassen, noch reflektieren.
Dabei kann jeder Zelle 18 ein gemeinsames Masse-Pin (Minus-Terminal) auf der Bodenplatte 27 zugeordnet werden und die Plus Terminals werden jeweils über einen individuellen Anschluss herausgeführt. Alternativ können mehrere Kanäle über einen Vorverstärker und Tiefpass an einen Multiplexer geführt werden und nacheinander über eine Ausgangsleitung ausgelesen werden.
Die zusammengefassten Thermopile Einzelzellen können sich auch alle auf dem gleichen Chip befinden, was die Signalverarbeitung vereinfacht, oder auf getrennten Einzelchips, wie in 5 dargestellt, untergebracht sein. In einem Gehäuse können sich je nach Größe auch 2 bis 4, aber auch 10 oder mehr Einzelkanäle befinden. Die Trennwände 18 können sowohl auf der Bodenplatte 27, oder in der Kappe 26 montiert werden.
Neben den Signalverarbeitungskanälen und der elektronischen Summiereinrichtung können weitere elektronische Signalbearbeitungseinheiten (z.B. mit Temperatur- oder Spannungsreferenzen oder einer Rechenschaltung zur Berechnung von Objekttemperaturen oder Gaskonzentrationen) auf dem gleichen Halbleiter Tragkörper 1 innerhalb des Sensorgehäuses untergebracht werden.
Bezugszeichenliste

1: Tragekörper
2: Bodenplatte
3: Grundplatte
4: Anschluss
5: Drahtbrücke
6: Anschlusspad
7: Kappe
8: Aperturöffnung
9: Optik
10: Gasmedium
11: Aushöhlung
12: Membran
13: Beam
13‘: Thermoelemente
14: heißer Kontakt
15: kalter Kontakt
16: Absorberschicht
17: Schlitz
18: Zelle
19: Vorverstärker bzw. Vorverstärker und Tiefpass
20: Summationsglied
21: Thermopile Einzelsensor
22: Thermopile Einzelsensor
23: optischer Filter
24: optischer Filter
25: Trennwand
26: Kappe
27: Bodenplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10144342 A1 [0002]
DE 10321639 A1 [0003]
WO 9102229 A1 [0007]
DE 102012042108 A1 [0008]
US 4472239 A [0010]
US 4654622 A [0010]
DE 19954091 A1 [0011]
US 6342667 B [0011]
DE 19843984 A1 [0012]
DE 4091364 C1 [0013]

Claims

Thermopile Infrarot Einzelsensor in einem mit einem Gasmedium gefüllten Gehäuse mit Optik sowie einem oder mehreren Sensor-Chips mit individuellen Sensorzellen mit Infrarot-Sensorstrukturen mit retikulierten Membranen, deren infrarotsensitive Bereiche durch jeweils mindestens einen Beam über einer Aushöhlung in einem gut Wärme leitenden Tragekörper aufgespannt sind, gekennzeichnet dadurch, dass jeweils mehrere individuelle benachbarte Sensorzellen (18) mit je einem Infrarot sensitiven Bereich mit Thermopilestrukturen (14, 15) auf der Membran (12) auf einem gemeinsamen Tragekörper (1) eines Einzelchips zu einer einzelnen Thermopile-Sensorstruktur mit einem Signalausgang in dem Gehäuse, bestehend aus einer mit einer Grundplatte (3) verschlossenen Kappe (12) mit gemeinsamen Gasmedium (10) zusammengefasst sind.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale einzelner Sensorzellen (18) jedes Einzelchips durch Reihenschaltung, Parallelschaltung oder in einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltung zu einem Ausgangssignal zusammengefasst und über einem Anschluss (4) herausgeführt sind.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (11) unter jeder Membran (12) mit den Infrarot sensitiven Bereichen senkrechte, oder nahezu senkrechte Wände aufweist, die von der Waferrückseite eingetrieben ist.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (11) unter jeder Membran (12) mit den Infrarot sensitiven Bereich schräge Wände aufweist, die von der Vorderseite her durch die Schlitze in der Membran herausgeätzt sind.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Gasmedium (10) ein Gas mit deutlich höherer molarer Masse als Luft, wie Xenon, Krypton, Argon unter normalem atmosphärischen Druck ist.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Gasmedium (10) ein Gas oder Gasgemisch mit einem Druck der deutlich geringer als normaler atmosphärischer Druck ist.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal jeder der individuellen Sensorzellen (18) eines Sensorchips über einen individuellen Vorverarbeitungskanal (19) mit einem individuellen Vorverstärker, Impedanzwandler oder Analog/Digital-Wandler geleitet wird.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle der individuellen Vorverarbeitungskanäle (19) der einzelnen Sensorzellen mindestens eine integrierende Funktion oder eine Tiefpassfunktion aufweist.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorverarbeiteten Signale der individuellen Sensorzellen eines Sensorchips in einer elektronischen Summierschaltung (20), wie Multiplexer und/ oder Mikrokontroller zu einem Ausgangssignal zusammengefasst sind.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungskanäle (19) der einzelnen Zellen (18) und eine Summiereinrichtung (20) auf dem gleichen Halbleiter Tragekörper (1) oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses mit gemeinsamen Gasmedium (10) untergebracht sind.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Signalvorverarbeitungskanälen (19) und der Summiereinrichtung (20) weitere elektronische Signalbearbeitungseinheiten, wie Temperatur- oder Spannungsreferenzen oder zur Berechnung von Temperaturen oder Gaskonzentrationen auf dem gleichen Halbleiter Tragkörper (1), oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses mit gemeinsamen Gasmedium untergebracht sind.
Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermopilestrukturen (14, 15) aus in einem CMOS Prozess aufgebrachten n- und p-leitendem Polysilizium, amorphen Silizium, Germanium oder einer Mischform aus Silizium und Germanium, oder aus thermoelektrischen dünnen Metallschichten aus Wismut oder Antimon bestehen.
Verwendung von mindestens zwei Thermopile Infrarot Einzelsensoren jeweils einen Sensorkanal bildend nach einem der Ansprüche 1 bis 12 nebeneinander unter einer gemeinsamen Kappe (26) auf einer gemeinsamen Bodenplatte (27) als Gasdetektor, wobei für jeden Kanal ein eigenes optisches Filter (23, 24) unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen ist und wobei zwischen benachbarten Sensorkanälen jeweils eine Trennwand (25) angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 13, wobei einer der Sensorkanäle mit einem Referenzfilter ausgestattet ist.
Verwendung der Sensorkanäle bildenden Thermopile Infrarot Einzelsensoren nach den Ansprüchen 13 und 14 zur NDIR Gasdetektion.