DE102017207967A1

DE102017207967A1 - Mikrobolometer und Verfahren zum Ermitteln einer physikalischen Größe

Info

Publication number: DE102017207967A1
Application number: DE102017207967.3A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrobolometer (100), umfassend• ein freitragendes Element (103), welches ein temperatursensitives Bauelement umfasst,• eine Haltestruktur (108), welche das freitragende Element (103) in einem Abstand (1032) zu einem Substrat (101) hält und welche eine Verbindung zwischen dem freitragenden Element (103) und dem Substrat (101) darstellt, und• eine Detektionseinheit, wobei die Detektionseinheit zur Erfassung einer Änderung einer temperaturabhängigen Eigenschaft des temperatursensitiven Bauelements eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatursensitive Bauelement ein Hall-Element (104) umfasst, wobei eine Hall-Spannung des Hall-Elements (104) die temperaturabhängige Eigenschaft ist.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren bekannt, die auf dem bolometrischen Prinzip beruhen. Das bolometrische Prinzip basiert darauf, dass sich ein elektrischer Widerstand eines Materials im Zuge einer Temperaturänderung ändert. Strahlungssensoren, die auf diesem Prinzip beruhen, verfügen über ein sensitives Element, welches eine Struktur umfasst, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu absorbieren. Des Weiteren umfasst das sensitive Element eine weitere Struktur, deren elektrischer Widerstand als Messgröße für die einfallende elektromagnetische Strahlung dient. Aufgrund der Absorption der elektromagnetischen Strahlung erfährt das sensitive Element eine Temperaturänderung. Durch die Temperaturänderung ergibt sich eine Änderung des elektrischen Widerstands der weiteren Struktur des sensitiven Elements, die ein Maß für die absorbierte Strahlung darstellt. Besonders interessant sind die Strahlungssensoren, die auf dem bolometrischen Prinzip beruhen, zum Messen einer Infrarotstrahlung, da viele dieser Strahlungssensoren im infraroten Bereich die höchste Sensitivität aufweisen. Zum Beispiel ist in WO 2008/028512 A1 ein solcher Strahlungssensor beschrieben.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Mikrobolometer und ein Verfahren zum Ermitteln einer physikalischen Größe.
Mikrobolometer sind thermische Sensoren, welche beispielsweise eine Temperatur und/oder eine elektromagnetische Strahlung detektieren können. Beispielsweise kann mittels eines Mikrobolometers elektromagnetische Strahlung aus dem mittleren und langweiligen Infrarot detektiert werden. Mikrobolometer weisen Abmessungen im Mikrometer (µm) Bereich auf. Beispielsweise weist ein Substrat des Mikrobolometers Abmessungen im Bereich von einschließlich 5 µm bis einschließlich 100 µm oder im Bereich von einschließlich 10 µm und einschließlich 50 µm auf. Abmessungen des Mikrobolometers können des Weiteren im Bereich einiger hundert Nanometer (nm) liegen.
Werden pn-Dioden als temperatursensitive Bauelemente eines Mikrobolometers verwendet, so liegt die Sensitivität pro pn-Übergang bei etwa -2 Millivolt pro Kelvin bei einem Strom von 1 Mikroampere (µA) und kann durch Reihenschaltung mehrerer Dioden additiv erhöht werden. Die Performance des Mikrobolometers ist hierbei durch das 1/f Rauschen der Dioden begrenzt.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass die Sensitivität des Mikrobolometers nicht durch das 1/f Rauschen begrenzt ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Miniaturisierung des Mikrobolometers ermöglicht werden kann.
Dies wird erreicht mit einem Mikrobolometer, wobei das Mikrobolometer ein freitragendes Element umfasst, welches ein temperatursensitives Bauelement umfasst. Des Weiteren umfasst das Mikrobolometer eine Haltestruktur, welche das freitragende Element in einem Abstand zu einem Substrat hält, wobei die Haltestruktur eine Verbindung zwischen dem freitragenden Element und dem Substrat herstellt. Das Mikrobolometer umfasst eine Detektionseinheit, wobei die Detektionseinheit zur Erfassung einer temperaturabhängigen Eigenschaft oder einer Änderung einer temperaturabhängigen Eigenschaft des temperatursensitiven Bauelements eingerichtet ist. Das Mikrobolometer zeichnet sich dadurch aus, dass das temperatursensitive Bauelement ein Hall-Element umfasst, wobei eine Hall-Spannung des Hall-Elements die temperaturabhängige Eigenschaft ist. Ein Vorteil ist, dass das Mikrobolometer eine geringe thermische Pixelmasse aufweist und somit hohe Frameraten einer Infrarotkamera, welche solche Mikrobolometer umfasst, ermöglicht.
In einer Ausführungsform umfasst das Hall-Element ein Bismut-Hall-Element. Ein Vorteil ist, die Hall-Spannung des Elements, welches Bismut (Bi) umfasst, sich in einem großen Temperaturintervall, beispielsweise von -20 °C bis 80 °C, linear mit der Temperatur ändert. Somit können Messungen über einen großen Temperaturbereich mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform umfasst das freitragende Element des Mikrobolometers einen optischen Absorber. Ein Vorteil ist, dass mittels des optischen Absorbers beispielsweise elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs, wie beispielsweise dem infraroter Strahlung, erfasst werden kann, wobei die Abmessungen des optischen Absorbers und/oder ein Material, aus welchem der optische Absorber ausgebildet ist, an die zu detektieren elektromagnetische Strahlung angepasst werden können. Somit kann zuverlässig elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs detektiert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrobolometer eine Verkappung, wobei die Verkappung zusammen mit dem Substrat eine Kaverne bildet, wobei das freitragende Element in der Kaverne angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass das temperatursensitive Bauelement beispielsweise von einer Niederdruckatmosphäre umgeben sein kann, um das temperatursensitive Bauelement von dem Substrat thermisch zu isolieren. Der Einfluss der Substrattemperatur auf die Messung kann somit reduziert bzw. vermieden werden. Dadurch können die Sensitivität des Mikrobolometers und die Zuverlässigkeit der Messergebnisse des Mikrobolometers vorteilhafterweise erhöht werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrobolometer eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld bereitzustellen. Mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann beispielsweise ein einstellbares Magnetfeld bereitgestellt werden, welches das Einstellen einer konstanten Hall-Spannung ermöglichen kann, wenn das Mikrobolometer beispielsweise eine Temperaturänderung ausgesetzt wird. Ein Vorteil ist, dass somit eine Messzeit reduziert werden kann und somit schneller ein Messergebnis bereitgestellt werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine Planarspule, wobei die Planarspule mit einer Energieversorgungseinrichtung wie beispielsweise einer elektrischen Stromquelle oder einer elektrischen Spannungsquelle verbunden oder verbindbar ist. Ein Vorteil ist, dass die Planarspule platzsparend in das Mikrobolometer integriert werden kann und somit eine Miniaturisierung des Mikrobolometers ermöglicht wird.
In einer Ausführungsform umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung einen Permanentmagneten. Permanentmagneten können beispielsweise hartmagnetische Materialien sein, die beispielsweise Eisen, Kobalt, Nickel, etc. umfassen. Ein Vorteil ist, dass Permanentmagneten ein statisches Magnetfeld bereitstellen, wobei die Permanentmagneten für die Bereitstellung des Magnetfelds nicht mit einer Energieversorgungseinrichtung oder ähnlichem verbunden werden müssen. Somit kann der Permanentmagnet platzsparend in das Mikrobolometer integriert werden und somit eine Miniaturisierung des Mikrobolometers ermöglichen.
In einer Ausführungsform umfasst die Detektionseinheit eine Regelungseinheit, wobei die Regelungseinheit dazu eingerichtet ist, dass Magnetfeld, welches auf das Hall-Element wirkt, einzustellen. Ein Vorteil ist, dass aus einem Stellsignal der Regelungseinheit zuverlässig und schnell ein Messergebnis ermittelt werden kann.
Eine Sensoranordnung, umfassend ein erstes Mikrobolometer und mindestens ein zweites Mikrobolometer, hat als Vorteil, dass die beiden Mikrobolometer gleichzeitig bestromt werden können und die Hall-Spannungen der beiden Mikrobolometer sequenziell oder parallel ausgelesen werden können. Die Hall-Spannungen liegen dann direkt als lineares Signal vor. Ein weiterer Vorteil ist, dass mittels der Sensoranordnung beispielsweise mehrere verschiedene Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung detektiert werden können und/oder die Genauigkeit der Messungen erhöht werden kann, indem mehrere Mikrobolometer den gleichen Wellenlängenbereich messen und die Ergebnisse miteinander abgeglichen werden. Somit kann die Zuverlässigkeit der Messung erhöht werden.
Bei einem Verfahren zur Ermittlung einer physikalischen Größe unter Verwendung eines Mikrobolometers oder einer Sensoranordnung erfolgt ein Erfassen der temperaturabhängigen Eigenschaft des temperatursensitiven Bauelements. Der temperaturabhängigen Eigenschaft wird die physikalische Größe zugeordnet, wobei die Hall-Spannung des Hall-Elements die temperaturabhängige Eigenschaft ist. Ein Vorteil ist, dass die Messgenauigkeit nicht durch das 1/f Rauschen limitiert ist und die Hall-Spannung wie vorstehend beschrieben über einen großen Temperaturbereich linear verläuft. Somit können Messungen in verschiedenen Temperaturbereichen mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die physikalische Größe eine Temperatur und/oder die physikalische Größe ist ein Maß für eine elektromagnetische Strahlung. Somit kann vorteilhafterweise aus einer Messung der Hall-Spannung eine Temperatur oder ein Maß für elektromagnetische Strahlung, wie beispielsweise eine Intensität, eine Strahlungsenergie, ein Strahlungsleistung, eine Strahlungsstromdichte, etc. bestimmt werden, welcher das Mikrobolometer ausgesetzt ist.
In einer Ausführungsform wird im Schritt des Erfassens der temperaturabhängigen Eigenschaft das Magnetfeld, welches auf das Hall-Element wirkt, derart eingestellt, dass eine vorgegebene Hall-Spannung generiert wird. Die Ermittlung der physikalischen Größe erfolgt aus einem Stellsignal für das Magnetfeld, welches die vorgegebene Hall-Spannung einstellt. Ein Vorteil ist, dass aus einem Stellsignal der Regelungseinheit zuverlässig und schnell ein Messergebnis ermittelt werden kann. Weiterhin entfällt eine Digitalisierung einer analogen Messgröße, da die Stellgröße dem System bereits digital bekannt ist. Dies ermöglicht eine platzsparende Auswerteelektronik.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen

1 eine 3D Ansicht eines temperatursensitiven Bauelements,
2 ein Diagramm, welches eine Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung eines Bismut-Hall-Elements zeigt,
3 einen Querschnitt eines Mikrobolometers gemäß einem Ausführungsbeispiel,
4 eine Aufsicht auf ein Mikrobolometer gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 eine Aufsicht auf ein Substrat mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, welche eine Planarspule umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel,
6 einen Querschnitt eines Mikrobolometers mit einer Verkappung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
7 einen Aufsicht einer Sensoranordnung, umfassend ein erstes Mikrobolometer, ein zweites Mikrobolometer und weitere Mikrobolometer gemäß einem Ausführungsbeispiel,
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung einer physikalischen Größe gemäß einem Ausführungsbeispiel und
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Übermittlung einer physikalischen Größe gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die physikalische Größe aus einem Stellsignal für das Magnetfeld ermittelt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Hall-Elements 104 dargestellt. Das Hall-Element 104 weist in einer Ebene parallel zur x-y Ebene einen rechteckigen Querschnitt auf. Als Dicke wird eine Abmessung in z-Richtung bezeichnet. Als Breite des Hall-Elements 104 wird hierbei eine Abmessung des Hall-Elements 104 in y-Richtung bezeichnet und als Länge des Hall-Elements 104 wird hierbei eine Abmessung des Hall-Elements 104 in x-Richtung bezeichnet. Das Hall-Element 104 wird parallel zur y-Achse von einem elektrischen Strom 111 durchflossen. Die elektrische Kontaktierung des Hall-Elements 104 erfolgt über Leiterbahnen 107, welche an einander gegenüberliegenden Flächen des Hall-Elements 104 an das Hall-Element 104 angeschlossen sind. Die Leiterbahnen 107 verlaufen in 1 parallel zur y-Achse und die einander gegenüberliegenden Flächen sind jeweils parallel zur x-z Ebene angeordnet. Auf das Hall-Element 104 wirkt ein Magnetfeld 112, dessen Feldlinien senkrecht zur x-y Ebene verlaufen. Die Feldlinien verlaufen des Weiteren senkrecht zur Flussrichtung des elektrischen Stroms 111. Senkrecht zur Magnetfeldrichtung und senkrecht zur Stromfluss Richtung kann eine elektrische Spannung 113 abgegriffen werden. Hierzu sind in 1 elektrische Leiterbahnen 107 an einander gegenüberliegenden Flächen des Hall-Elements 104 mit dem Hall-Element 104 verbunden, um diese Spannung 113, die sogenannte Hall-Spannung 113, am Hall-Element 104 abzugreifen. Die Flächen sind in 1 jeweils parallel zur y-z Ebene angeordnet. Die Hall-Spannung 113 ist proportional zur magnetischen Flussdichte des Magnetfelds 112 und proportional zur Stromstärke des elektrischen Stroms 111.
In 2 ist ein Diagramm, in welches Messdaten eingetragen sind, dargestellt. Auf der x-Achse 406 ist die magnetische Flussdichte in Milli-Tesla (mT) aufgetragen. Auf der y-Achse 407 ist die Hall-Spannung 113 in Millivolt (mV) aufgetragen. Die Messergebnisse, welche in dem Diagramm eingetragen sind, zeigen eine Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung 113 eines Hall-Elements 104, wobei das Hall-Element 104 aus Bismut ausgebildet ist. Bei allen Messungen wurde ein elektrischer Strom 111 von 50 mA an das Hall-Element 104 angelegt. Bei einer ersten Messreihe 400 wurde das Hall-Element 104 einer Temperatur von 80 °C ausgesetzt. Für verschiedene magnetische Flussdichten ergeben sich verschiedene Werte für die Hall-Spannung 113. Die Datenpunkte der ersten Messreihe 400 bilden eine Ursprungsgerade mit positiver Steigung. Für magnetische Flussdichte von -600 mT bis 600 mT nimmt die Hall-Spannung 113 Werte zwischen ungefähr -5 mV und ungefähr 5 mV an. Bei einer zweiten Messreihe 401 wurde das Hall-Element 104 einer Temperatur von 60° ausgesetzt. Die Datenpunkte der zweiten Messreihe 401 bilden eine Ursprungsgerade mit positiver Steigung, wobei die Steigung größer als die Steigung der ersten Messreihe 400 und kleiner als die Steigung einer dritten Messreihe 402 ist, wobei die dritte Messreihe bei einer Temperatur von 40 °C aufgenommen wurde. Eine vierte Messreihe 403 wurde bei einer Temperatur von 20 °C aufgenommen, eine fünfte Messreihe 404 wurde bei einer Temperatur von 0 °C aufgenommen und eine sechste Messreihe 405 wurde bei einer Temperatur von -20 °C aufgenommen. Die jeweilige Geradensteigung nimmt mit abnehmender Temperatur zu.
Unter Kenntnis der magnetischen Flussdichte und des elektrischen Stroms 111, welche auf das Hall-Element 104 wirken, kann aus der gemessenen Hall-Spannung 113 auf die Temperatur, welcher das Hall-Element 104 ausgesetzt ist, geschlossen werden. Beispielsweise kann hierfür eine Kennlinie verwendet werden, wobei für eine feste magnetische Flussdichte und einen konstanten elektrischen Strom 111 ein Diagramm als Kennlinie verwendet werden kann, in welchem die Hall-Spannung 113 über der Temperatur aufgetragen ist. Die Hall-Spannung 113 ist bei diesem Messprinzip eine temperaturabhängige Eigenschaft des Hall-Elements 104. Beispielsweise kann aus einer Änderung der Hall-Spannung 113 auf eine Änderung der Temperatur geschlossen werden.
In 3 ist ein Mikrobolometer 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel im Querschnitt dargestellt. Das Mikrobolometer 100 umfasst ein freitragendes Element 103, welches ein temperatursensitives Bauelement umfasst. Das temperatursensitive Bauelement umfasst hierbei das Hall-Element 104. Des Weiteren umfasst das Mikrobolometer 100 eine Haltestruktur 108, wobei die Haltestruktur 108 das freitragende Element 103 in einem ersten Abstand 1032 zu einem Substrat 101 hält. Die Haltestruktur 108 verbindet das freitragende Element 103 mit dem Substrat 101. Das Substrat 101 kann beispielsweise als CMOS Wafer ausgebildet sein. Hierbei kann in das Substrat bereits eine Detektionseinheit integriert sein, wobei die Detektionseinheit zur Erfassung einer Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft des temperatursensitiven Bauelements 104 eingerichtet ist. Beispielsweise kann in der Detektionseinheit die gemessene Hall-Spannung der Temperatur, einer Temperaturänderung, einem Maß für elektromagnetische Strahlung, wie beispielsweise eine Intensität, eine Strahlungsenergie, etc., welcher das Hall-Element 104 ausgesetzt ist, zugeordnet werden und an eine Ausgabeeinheit übermittelt werden. Die Ausgabeeinheit kann beispielsweise ein Display und/oder ein Lautsprecher sein, wobei die Temperatur, die Temperaturänderung oder das Maß für die elektromagnetische Strahlung optisch, haptisch oder akustisch ausgegeben werden können. Des Weiteren kann die Ausgabeeinheit dazu eingerichtet sein, die Temperatur, die Temperaturänderung oder das Maß für die elektromagnetische Strahlung für eine weitere Verarbeitung, beispielsweise eine Fusion mit anderen Sensordaten, bereitzustellen. Alternativ oder ergänzend kann die Detektionseinheit separat vom Substrat 101 ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Detektionseinheit neben dem Substrat angeordnet sein. Das Substrat 101 kann beispielsweise als mechanischer Träger ausgebildet sein.
Beispielsweise kann das Substrat 101 Umverdrahtungsebenen für das Mikrobolometer 100 bereitstellen. Auf einer von dem Hall-Element 104 abgewandten Seite des Substrats 101 ist 3 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 eine Planarspule 1020, welche als Elektromagnetspule ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 auf einer dem Hall-Element 104 zugewandten Seite des Substrats 101 und/oder zumindest teilweise innerhalb des Substrats 101 angeordnet sein.
In 3 ist das freitragende Element 103 durch die Haltestruktur 108 beabstandet vom Substrat 101 angeordnet. Der Abstand 1032 kann bei der Herstellung des Mikrobolometers 100 durch eine Wahl einer Dicke einer Opferschicht gewählt werden. Die Haltestruktur 108 kann beispielsweise aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,2 Watt pro Meter und Kelvin (W/(m*K)) und 2 W/(m*K), ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Haltestruktur 108 aus Siliziumdioxid (SiO₂) ausgebildet sein. In 3 umfasst die Haltestruktur 108 zwei Halteärmchen, welche das freitragende Element 103 im Abstand 1032 zum Substrat 101 halten. Die Halteärmchen sind an einem ersten Ende jeweils mit dem Substrat 101 verbunden und an einem zweiten Ende jeweils mit dem freitragenden Element 103 verbunden. Die Halteärmchen sind derart ausgebildet, dass sie den Abstand 1032 zwischen Substrat 101 und freitragendem Element 103 überspannen. Beispielsweise sind sie umlaufend um das freitragende Element 103 angeordnet, um die Länge der Halteärmchen zu vergrößern und somit eine bessere thermische Isolierung des temperatursensitiven Bauelements 104 vom Substrat 101 zu erreichen. In der dargestellten Ausführungsform sind die jeweils zwei elektrischen Leiterbahnen 107 pro Halteärmchen jeweils lateral nebeneinander platziert. Sie können alternativ oder ergänzend auch durch eine isolierende Schicht voneinander getrennt übereinander angeordnet werden. Die Halteärmchen umfassen in 3 jeweils zwei elektrische Leiterbahnen 107, über die die in 1 beschriebenen Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung des Hall-Elements 104 mit dem Substrat 101 bzw. der Detektionseinheit verbunden werden können. Die vier elektrischen Leiterbahnen 107 sind vorzugsweise aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Titan, ausgebildet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können alle elektrischen Leiterbahnen 107 in einem gemeinsamen Halteärmchen angeordnet sein, oder aber beliebig auf die Halteärmchen aufgeteilt sein. Alternativ oder ergänzend können nur ein Halteärmchen oder auch mehr als zwei Halteärmchen dazu verwendet werden, das freitragende Element 103 beabstandet zum Substrat 101 zu halten. Das freitragende Element 103 kann beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Haltestruktur 108 ausgebildet sein. Das Hall-Element 104 kann beispielsweise ein Bismut-Hall-Element umfassen. Auf das freitragende Element 103 ist in 3 eine Haftvermittlungsschicht 105 aufgebracht. Die Haftvermittlungsschicht 105 kann beispielsweise Chrom umfassen. Die Haftvermittlungsschicht kann beispielsweise eine Dicke von wenigen Nanometern, beispielsweise 1 nm, bis beispielsweise 10 nm oder einen Wert dazwischen aufweisen. Auf die Haftvermittlungsschicht 105 kann mit bekannten Abscheideverfahren, wie beispielsweise Sputtern, das Hall-Element 104 bzw. das Bismut-Hall-Element 104 aufgebracht werden. Die Dicke des Hall-Elements 104 kann beispielsweise 10 nm, 100 nm, 300 nm oder 500 nm betragen oder das Hall-Element 104 kann eine Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, zwischen 100 nm und 300 nm, zwischen 10 nm und 500 nm, zwischen 100 nm und 500 nm oder zwischen 300 nm und 500 nm aufweisen. Ein Layout des Hall-Elements 104 kann beispielsweise wie in der Veröffentlichung „Bismuth Hall probes: Preparation, properties and application“ (Koseva et al., Thin solid films, 2010, 518. Jg., Nr. 17, S. 4847-4851) beschrieben, gewählt werden. In 3 ist ein optischer Absorber 106, welcher beispielsweise aus Siliziumdioxid oder hoch dotiertem Silizium ausgebildet sein kann, auf dem Hall-Element 104 angeordnet. Der optische Absorber 106 kann beispielsweise eine Dicke von 100 nm, 200 nm, 500 nm, 1 µm, 5 µm oder 10 µm aufweisen, oder eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 10 µm, im Bereich von 200 nm und 5 µm oder in einem Bereich von 500 nm bis 1 µm aufweisen. Der optische Absorber 106 kann dazu eingerichtet sein, elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Infrarotstrahlung, zu absorbieren. Dadurch ändert sich die Temperatur des optischen Absorbers 106 und damit die Temperatur, welche auf das Hall-Element 104 wirkt. Die sich verändernde Temperatur ist ein Maß für eine auf das Mikrobolometer 100 einfallende elektromagnetische Strahlung 303. Alternativ zum optischen Absorber 106 können andere Strukturen angeordnet werden, welche dazu eingerichtet sind, aus der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 303 eine Temperaturänderung am Hall-Element 104 zu generieren, wobei die Temperaturänderung ein Maß für die einfallende elektromagnetische Strahlung 303 ist.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Aufsicht auf das Mikrobolometer 100 dargestellt. Die Haltestruktur 108 umfasst zwei Halteärmchen, welche das freitragende Element 103, auf welchem in diesem Ausführungsbeispiel der optische Absorber 106 angeordnet ist, beabstandet zum Substrat 101 halten. Die Halteärmchen sind umlaufend um das freitragende Element 103 angeordnet. Die Halteärmchen sind an einem ersten Ende jeweils mit dem Substrat 101 verbunden und an einem zweiten Ende jeweils mit dem freitragenden Element 103 verbunden.
5 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 101, wobei auf dem Substrat 101 die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Aufsicht auf das Substrat 101 in 3 von einer vom freitragenden Element 103 abgewandten Seite des Substrats 101 handeln. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 auch auf einer dem freitragenden Element 103 zugewandten Seite des Substrats 101 angeordnet sein. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Planarspule 1020, wobei die Planarspule 1020 hierbei ein rechteckiges Layout aufweist. Beispielsweise kann die Planarspule 1020 auch ein rundes Layout oder ein andersartig ausgeführtes geeignetes Layout aufweisen. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 ist dazu eingerichtet, das Magnetfeld für das Hall-Element 104 bereitzustellen, wobei die Feldlinien des Magnetfelds senkrecht zur Stromfluss Richtung durch das Hall-Element 104 verlaufen, wie dies im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Die Planarspule 1020 ist mit einer Energieversorgungseinheit, wie beispielsweise einer elektrischen Stromquelle oder einer elektrischen Spannungsquelle, verbunden oder verbindbar. Die Planarspule 1020 weist hierzu zwei elektrische Kontakte 109 auf, mittels derer die Energieversorgungseinheit mit der Planarspule 1020 verbunden werden kann. Eine Stärke des Magnetfelds, welches von der Planarspule 1020 erzeugt werden kann, kann über die Energieversorgungseinheit, beispielsweise durch Einstellen der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung, eingestellt bzw. nachgeregelt werden. Zur Verstärkung des Magnetfeldes kann die Planarspule 1020 auch in mehreren Lagen realisiert werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Permanentmagnet zur Erzeugung des Magnetfelds auf bzw. unter dem Substrat 101 oder zumindest teilweise im Substrat 101 angeordnet werden.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel im Querschnitt gezeigt, bei dem das Mikrobolometer 100 eine Verkappung 301 umfasst. Die Verkappung 301 bildet hierbei zusammen mit dem Substrat 101 eine Kaverne 302, wobei das freitragende Element 103 mit dem Hall-Element 104 in der Kaverne 302 angeordnet ist. Die Abmessungen des Hall-Elements 104 parallel zur x-y Ebene, d.h. die Breite und Länge des Hall-Elements 104, können beispielsweise im Bereich von einschließlich 10 nm bis einschließlich 100 nm liegen. Das freitragende Element 103 kann wie in 6 dargestellt die gleiche Länge und Breite wie das Hall-Element 104 aufweisen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Länge und Breite des freitragenden Elements 103 beispielsweise im Bereich von einschließlich 8 µm bis einschließlich 10 µm, im Bereich von einschließlich 10 nm bis 10 µm oder im Bereich von einschließlich 100 nm bis einschließlich 10 µm liegen. Die Verkappung 301 kann beispielsweise eine Niederdruckatmosphäre in der Kaverne 302 einschließen, wobei hierbei unter einer Niederdruckatmosphäre ein Druck von kleiner gleich 10 mbar, das heißt beispielsweise 0,1 mbar verstanden werden kann. Dadurch kann eine verbesserte thermische Isolation des Hall-Elements 104 vom Substrat 101 ermöglicht werden. Dies kann beispielsweise durch Vakuumverkappung mit einem entsprechenden Silizium Wafer 301 realisiert werden, welcher beispielsweise auf einem Sockel 3010 über dem freitragenden Element 103 mit dem Hall-Element 104 angeordnet werden kann. Der Sockel 3010 kann beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Haltestruktur 108 ausgebildet sein und/oder gleichzeitig mit der Haltestruktur 108 hergestellt werden. Der Sockel 3010 kann als Teil des Substrats 101 verstanden werden. Die Verkappung 301 kann derart ausgebildet sein, dass sie für die einfallende elektromagnetische Strahlung 303, welche detektiert werden soll, transparent ist und somit eine Einstrahlung auf den optischen Absorber 106 bzw. das Hall-Element 104 ermöglicht.
In 7 ist eine Aufsicht auf eine Sensoranordnung 300 dargestellt, wobei die Sensoranordnung 300 hierbei beispielhaft ein erstes Mikrobolometer 1001, ein zweites Mikrobolometer 1002, ein drittes Mikrobolometer 1003 und ein viertes Mikrobolometer 1004 umfasst, welche in einer Ebene parallel zur x-y Ebene in einer 2x2 Matrix angeordnet sind. Die Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 können baugleich zueinander, beispielsweise baugleich zu dem Mikrobolometer 100 in 4, ausgeführt sein oder es kann zumindest ein Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 von den anderen Mikrobolometern 1001, 1002, 1003, 1004 abweichend ausgebildet sein. Beispielsweise können die Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 zumindest teilweise verschiedene optische Absorber 106 umfassen. In einem Ausführungsbeispiel umfasst jedes Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 eine eigene Magnetfelderzeugungseinrichtung 102, wie sie beispielsweise in 5 dargestellt ist.
Alternativ oder ergänzend können sich auch zwei oder mehrere Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 teilen, d.h. die Hall-Elemente 104 der Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 befinden sich alle im Magnetfeld, welches von der gemeinsamen Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 erzeugt wird. Beispielsweise können die freitragenden Elemente 103 der Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 auf einem gemeinsamen Substrat 101 angeordnet werden, wobei ein Permanentmagnet auf dem Substrat 101 oder zumindest teilweise im Substrat 101 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung mindestens eine Planarspule 1020 umfassen. Die Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 können in einem Ausführungsbeispiel gleichzeitig bestromt werden. Die Hall-Spannungen der Mikrobolometer 1001, 1002, 1003, 1004 können beispielsweise sequenziell oder parallel ausgelesen werden. Die Sensoranordnung 300 ermöglicht beispielsweise eine ortsaufgelöste Aufnahme von Wärmebildern.
In 8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Ermittlung einer physikalischen Größe 2020 dargestellt. Es wird die temperaturabhängige Eigenschaft oder eine Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft des temperatursensitiven Bauelements erfasst 201. Die temperaturabhängige Eigenschaft oder die Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft wird der physikalischen Größe 2020 zugeordnet 202, wobei die temperaturabhängige Eigenschaft die Hall-Spannung 113 des Hall-Elements 104 des Mikrobolometers 100, 1001, 1002, 1003, 1004 ist. Im Schritt des Erfassens 201 wird die Hall-Spannung 113 beispielsweise von der Detektionseinheit des Mikrobolometers 100, 1001, 1002, 1003, 1004 erfasst. Beispielsweise kann durch die Detektionseinheit die gemessene Hall-Spannung 113 der physikalischen Größe 2020 zugeordnet 202 werden. Die Hall-Spannung 113 ist hierbei ein Messsignal 2010. Die physikalische Größe 2020 kann beispielsweise eine Temperatur, eine Temperaturänderung, ein Maß für die einfallende elektromagnetische Strahlung 303, wie beispielsweise eine Intensität, eine Strahlungsenergie, etc., welcher das Hall-Element 104 ausgesetzt ist, umfassen.
9 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 200 zur Ermittlung der physikalischen Größe 2020, wobei die Detektionseinheit des Mikrobolometers 100 einen Regelkreis bzw. eine Regelungseinheit 110 umfasst. Die Regelungseinheit 110 ist dazu eingerichtet, das Magnetfeld, welches auf das Hall-Element 104 wirkt, einzustellen. Im Schritt des Erfassens 201 der temperaturabhängigen Eigenschaft wird das Magnetfeld, welches auf das Hall-Element 104 wirkt, derart eingestellt, dass eine vorgegebene Hall-Spannung am Hall-Element 104 generiert wird und die Ermittlung der physikalischen Größe 2020 aus einem Stellsignal 2020 für das Magnetfeld, welches die vorgegebene Hall-Spannung einstellt, erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Stellsignal 2020 das Messsignal 2010. Die vorgegebene Hall-Spannung ist hierbei der Sollwert 2015 für die Regelungseinheit 110. Ändert sich die Temperatur des Hall-Elements 104, aufgrund einer Störgröße 2011, wobei die Störgröße eine Temperatur ist, welche von der Temperatur des Hall-Elements 104 abweicht, ändert sich die Hall-Spannung 113 das Hall-Elements 104. Die geänderte Hall-Spannung, d.h. der Istwert 2017, wird als zurückgeführte Größe 2013 an einer Additionsstelle 2014 der Regelungseinheit 110 mit dem Sollwert 2015, das heißt der vorgegebenen Hall-Spannung 2015, verglichen. An der Additionsstelle bei 2014 kann beispielsweise eine Differenz des Sollwerts 2015 und der zurückgeführten Größe 2013 gebildet werden. Diese Differenz wird als Regelabweichung 2016 bezeichnet. Die Regelabweichung 2016 wird an die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 übermittelt. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 ändert in Abhängigkeit der Regelabweichung 2016 das Magnetfeld, welches auf das Hall-Element 104 wirkt. Das geänderte Magnetfeld ist eine Stellgröße 2012 für das Hall-Element 104. Die Änderung des Magnetfeldes kann beispielsweise durch eine Änderung des elektrischen Stromes bzw. der elektrischen Spannung, welche an der Magnetfelderzeugungseinrichtung 102 anliegt, erfolgen. Diese Änderung des elektrischen Stroms bzw. der elektrischen Spannung, welche das Stellsignal 2020 der Regelungseinheit 110 darstellt, kann als Messsignal 2010 für den Schritt des Zuordnens 202 verwendet werden, um daraus die physikalische Größe 2020 zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/028512 A1 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Koseva et al., Thin solid films, 2010, 518. Jg., Nr. 17, S. 4847-4851 [0025]

Claims

Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004), umfassend • ein freitragendes Element (103), welches ein temperatursensitives Bauelement umfasst, • eine Haltestruktur (108), welche das freitragende Element (103) in einem Abstand (1032) zu einem Substrat (101) hält und welche eine Verbindung zwischen dem freitragenden Element (103) und dem Substrat (101) darstellt, und • eine Detektionseinheit, wobei die Detektionseinheit zur Erfassung einer temperaturabhängigen Eigenschaft oder einer Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft des temperatursensitiven Bauelements eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatursensitive Bauelement ein Hall-Element (104) umfasst, wobei eine Hall-Spannung (113) des Hall-Elements (104) die temperaturabhängige Eigenschaft ist.
Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hall-Element (104) ein Bismut-Hall-Element umfasst.
Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freitragende Element (103) einen optischen Absorber (106) umfasst.
Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkappung (301) zusammen mit dem Substrat (101) eine Kaverne (302) bildet, wobei das freitragende Element (103) in der Kaverne (302) angeordnet ist.
Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (102) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld bereitzustellen.
Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (102) eine Planarspule (1020) umfasst, welche auf dem Substrat (101) angeordnet ist, wobei die Planarspule (1020) mit einer elektrischen Stromquelle oder einer elektrischen Spannungsquelle verbunden oder verbindbar ist.
Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (102) einen Permanentmagneten umfasst.
Mikrobolometer (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit eine Regelungseinheit (110) umfasst, wobei die Regelungseinheit (110) dazu eingerichtet ist, das Magnetfeld, welches auf das Hall-Element wirkt, einzustellen.
Sensoranordnung (300), umfassend ein erstes Mikrobolometer (1001) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens ein zweites Mikrobolometer (1002) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren (200) zur Ermittlung einer physikalischen Größe (2020) unter Verwendung eines Mikrobolometers (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Sensoranordnung (300) nach Anspruch 9, wobei ein Erfassen (201) der temperaturabhängigen Eigenschaft des temperatursensitiven Bauelements erfolgt und der temperaturabhängigen Eigenschaft die physikalische Größe (2020) zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hall-Spannung (113) des Hall-Elements (104) die temperaturabhängige Eigenschaft ist.
Verfahren (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Größe (2020) eine Temperatur umfasst und/oder ein Maß für eine elektromagnetische Strahlung ist.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 unter Verwendung eines Mikrobolometers (100, 1001, 1002, 1003, 1004) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Erfassens (201) der temperaturabhängigen Eigenschaft das Magnetfeld, welches auf das Hall-Element (104) wirkt, derart eingestellt wird, dass eine vorgegebene Hall-Spannung (113) generiert wird und die Ermittlung der physikalischen Größe (2020) aus einem Stellsignal (2010) für das Magnetfeld, welches die vorgegebene Hall-Spannung (2015) einstellt, erfolgt.