DE102017221076A1

DE102017221076A1 - Infrarotstrahlungssensoren und Verfahren zum Herstellen von Infrarotstrahlungssensoren

Info

Publication number: DE102017221076A1
Application number: DE102017221076.1A
Authority: DE
Inventors: Vladislav Khomenko; Andrey KRAVCHENKO; Heiko Froehlich; Thoralf Kautzsch
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2037-11-25
Also published as: US11015980B2; US20190162600A1; DE102017221076B4

Abstract

Ein Infrarotstrahlungssensor weist folgende Merkmale auf: ein Substrat, eine Membran, die in oder an dem Substrat gebildet ist, eine erste Gegenelektrode, eine zweite Gegenelektrode und eine Zusammensetzung, die zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Zumindest ein Abschnitt der Membran bildet eine ablenkbare Elektrode und die ablenkbare Elektrode ist elektrisch floatend. Zwischen der ablenkbaren Elektrode und der ersten Elektrode ist eine erste Kapazität gebildet und zwischen der ablenkbaren Elektrode und der zweiten Gegenelektrode ist eine zweite Kapazität gebildet. Die Membran weist die Zusammensetzung auf oder wird durch die Zusammensetzung an dem Substrat getragen. Die Membran weist eine Absorptionsregion auf, die konfiguriert ist, um durch Absorbieren von Infrarotstrahlung eine Verformung der Zusammensetzung zu verursachen, wobei die Verformung zu einer Ablenkung der ablenkbaren Elektrode führt, die eine Änderung der ersten und zweiten Kapazität verursacht.

Description

Gebiet
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.
Hintergrund
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.
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.
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.
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.
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.
Kurzdarstellung
Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen einen Infrarotstrahlungssensor bereit, der folgende Merkmale umfasst: ein Substrat; eine Membran, die in oder an dem Substrat gebildet ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Membran eine ablenkbare Elektrode bildet, wobei die ablenkbare Elektrode elektrisch floatend ist; eine erste Gegenelektrode; eine zweite Gegenelektrode; und eine Zusammensetzung, die zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Zwischen der ablenkbaren Elektrode und der ersten Gegenelektrode ist eine erste Kapazität gebildet. Zwischen der ablenkbaren Elektrode und der zweiten Gegenelektrode ist eine zweite Kapazität gebildet. Die Membran weist die Zusammensetzung auf oder wird durch die Zusammensetzung an dem Substrat getragen. Die Membran weist eine Absorptionsregion auf, die konfiguriert ist, um durch Absorbieren von Infrarotstrahlung eine Verformung der Zusammensetzung zu verursachen, wobei die Verformung zu einer Ablenkung der ablenkbaren Elektrode führt, die eine Änderung der ersten und zweiten Kapazität verursacht.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen einen Infrarotstrahlungssensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat mit einer Hauptoberfläche, die eine Substratebene definiert; eine Membran, die in oder an dem Substrat gebildet ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Membran eine ablenkbare Elektrode bildet; und eine Gegenelektrode. Die ablenkbare Elektrode und die Gegenelektrode sind einander in Bezug auf die Substratebene seitlich zugewandt, wobei zwischen der ablenkbaren Elektrode und der Gegenelektrode eine Kapazität gebildet ist. Die Membran weist eine zusammengesetzte ablenkbare Elektrode und die Gegenelektrode auf. Die Membran weist eine Zusammensetzung auf, die zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Zusammensetzung weist eine Absorptionsregion auf, die konfiguriert ist, um durch Absorbieren von Infrarotstrahlung eine Verformung der Gegenseite zu verursachen, wobei die Verformung zu einer Ablenkung der ablenkbaren Elektrode relativ zu der Gegenelektrode führt, die eine Änderung der Kapazität verursacht.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen Verfahren zum Herstellen solcher Infrarotstrahlungssensoren bereit.
Figurenliste
Beispiele der Offenbarung werden unter Verwendung der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

1a bis 1c zeigen schematische Querschnittsansichten zum Erläutern von Beispielen von 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 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 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 Infrarotstrahlungssensors, der zwei Gegenelektroden und eine floatende ablenkbare Elektrode aufweist;
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines Infrarotstrahlungssensors mit vertikaler Auslesung;
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Infrarotstrahlungssensors mit vertikaler Auslesung;
8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines 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.

Detaillierte Beschreibung
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 R_m der Halbleiterschichten.
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.
Beispielsweise hat Silizium einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 26 × 10^-7 K^-1 und SiO₂ hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 5 × 10^-7 K^-1. Somit ist der Koeffizient von Silizium etwa fünf Mal höher als derjenige von SiO².
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.
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.
Die Halbleiterschicht 12 stellt eine Absorptionsregion der Membran dar und kann mit Phosphor oder Bor dotiert sein, um eine Absorption der Infrarotstrahlung zu ermöglichen. Um eine Interaktion der einfallenden Photonen mit freien Ladungsträgern innerhalb des Halbleiters zu erhöhen, ist eine hohe Konzentration der Dotierstoffe wünschenswert.
Entsprechend zeigen 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.
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.
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: $d = k \frac{λ_{0}}{2}$
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
14a bis 16b zeigen schematische Ansichten und Ersatzschaltungen zum Erläutern von Beispielen möglicher Erfassungsschaltungen. Bei allen Beispielen ist der Bulkkontakt mit Masse verbunden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Kontakte 132, 134 können mit externer Schaltungsanordnung gekoppelt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass solch eine Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale eines Verfahrens angesehen werden kann, wie zum Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer solchen Vorrichtung oder eines Verfahrens zum Betreiben einer solchen Vorrichtung. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang eines Verfahrens beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale angesehen werden kann, die die Funktionalität einer Vorrichtung betreffen.
Bei der detaillierten Beschreibung ist zu sehen, dass bei Beispielen verschiedene Merkmale zusammengruppiert werden, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dieses Verfahren der Offenbarung soll nicht so gesehen werden, dass es eine Absicht darstellt, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale erfordern als ausdrücklich in jedem Anspruch aufgeführt. Stattdessen, wie es die folgenden Ansprüche reflektieren, kann ein erfindungsgemäßer Gegenstand auch in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Merkmals liegen. Somit sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich selbst steht. Obwohl jeder Anspruch für sich selbst als getrenntes Beispiel stehen kann, ist anzumerken, dass, obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen können. Solche Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, es sei denn, es ist angemerkt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in jeden anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem abhängigen Anspruch abhängig ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind lediglich darstellend für die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es ist klar, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und hierin beschriebenen Einzelheiten für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sind. Daher besteht die Absicht darin, dass diese nur durch den Schutzbereich der angehängten Patentansprüche beschränkt ist und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die durch Beschreibung und Erläuterung der Beispiele hierin dargestellt werden.

Claims

Ein Infrarotstrahlungssensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat; eine Membran, die in oder an dem Substrat gebildet ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Membran eine ablenkbare Elektrode bildet, wobei die ablenkbare Elektrode elektrisch floatend ist; eine erste Gegenelektrode; eine zweite Gegenelektrode; und eine Zusammensetzung, die zumindest zwei Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei zwischen der ablenkbaren Elektrode und der ersten Gegenelektrode eine erste Kapazität gebildet ist, wobei zwischen der ablenkbaren Elektrode und der zweiten Gegenelektrode eine zweite Kapazität gebildet ist, wobei die Membran die Zusammensetzung aufweist oder durch die Zusammensetzung an dem Substrat getragen wird und wobei die Membran eine Absorptionsregion aufweist, die konfiguriert ist, um durch Absorbieren von Infrarotstrahlung eine Verformung der Zusammensetzung zu verursachen, wobei die Verformung zu einer Ablenkung der ablenkbaren Elektrode führt, die eine Änderung der ersten und zweiten Kapazität verursacht.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 1, der eine Erfassungsschaltung aufweist, die konfiguriert ist, um ein Erfassungssignal auszugeben, das die Änderung der ersten und zweiten Kapazität anzeigt.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Abschnitt der Membran, der die ablenkbare Elektrode bildet, in Bezug auf eine Substratebene, die durch zumindest eine Hauptoberfläche des Substrats definiert ist, vertikal ablenkbar ist, und wobei die Verformung der Zusammensetzung eine vertikale Ablenkung des Abschnitts der ablenkbaren Elektrode relativ zu der ersten Gegenelektrode und der zweiten Gegenelektrode verursacht.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 3, bei dem die ablenkbare Elektrode und die erste Gegenelektrode einander in Bezug auf die Substratebene vertikal zugewandt sind und wobei die ablenkbare Elektrode und die zweite Gegenelektrode einander in Bezug auf die Substratebene vertikal zugewandt sind.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 4, bei dem die Membran an dem Substrat durch die Zusammensetzung getragen wird, wobei die Zusammensetzung einen ersten einseitig eingespannten Balken und einen zweiten einseitig eingespannten Balken aufweist, 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.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 5, bei dem die freien Enden des ersten einseitig eingespannten Balkens und des zweiten einseitig eingespannten Balkens mit der Membran durch eine jeweilige mechanische Feder gekoppelt sind, wobei die mechanische Feder die Membran in Bezug auf eine Drehung von dem jeweiligen einseitig eingespannten Balken entkoppelt.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem die Membran und eine erste Schicht der Zusammensetzung in einer dotierten Halbleiterschicht des Substrats gebildet sind.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die erste Gegenelektrode und die zweite Gegenelektrode auf der gleichen Seite der ablenkbaren Elektrode angeordnet sind und unterschiedlichen Abschnitten der ablenkbaren Elektrode in Bezug auf die Substratebene vertikal zugewandt sind.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 8, der einen Deckel aufweist, der einen Hohlraum abdichtet, in dem die ablenkbare Elektrode gebildet ist, wobei die erste Gegenelektrode und die zweite Gegenelektrode auf dem Deckel gebildet sind.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 3, der einen Membranträger aufweist, wobei die Membran die Zusammensetzung aufweist, wobei der Membranträger mit der Membran in einer Region gekoppelt ist, die von seitlichen Rändern der Membran beabstandet ist, in einer Draufsicht auf die Substratebene gesehen.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 10, bei dem der Membranträger mit der Membran in einer Mittelregion der Membran gekoppelt ist, in einer Draufsicht auf die Substratebene.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die ablenkbare Elektrode und die erste Gegenelektrode einander in Bezug auf die Substratebene seitlich zugewandt sind und wobei die ablenkbare Elektrode und die zweite Gegenelektrode einander in Bezug auf die Substratebene seitlich zugewandt sind.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Membran Gräben aufweist, die einen thermischen Einfluss der Region, die mit dem Membranträger gekoppelt ist, auf andere Regionen der Membran reduziert.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem Abschnitte der ablenkbaren Elektrode und der ersten und zweiten Gegenelektrode, die einander zugewandt sind, in einer Draufsicht auf die Substratebene mäanderförmig sind.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem eine erste Schicht der Membran in einer dotierten Halbleiterschicht des Substrats gebildet ist, wobei die erste und zweite Gegenelektrode in der dotierten Halbleiterschicht gebildet sind und von der Membran durch Gräben getrennt sind.
Ein Infrarotstrahlungssensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat mit einer Hauptoberfläche, die eine Substratebene definiert; eine Membran, die in oder an dem Substrat gebildet ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Membran eine ablenkbare Elektrode bildet; und eine Gegenelektrode; wobei die ablenkbare Elektrode und die Gegenelektrode einander in Bezug auf die Substratebene seitlich zugewandt sind, wobei zwischen der ablenkbaren Elektrode und der Gegenelektrode eine Kapazität gebildet ist, wobei die Membran eine Zusammensetzung aufweist, die zumindest zwei Schichten 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 Ablenkung der ablenkbaren Elektrode relativ zu der Gegenelektrode führt, die eine Änderung der Kapazität verursacht.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 16, bei dem die Gegenelektrode der ablenkbaren Elektrode an mehreren seitlichen Rändern der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist, wobei ein Membranträger mit der Membran in einer Region gekoppelt ist, die von seitlichen Rändern der Membran beabstandet ist, in einer Draufsicht auf die Substratebene gesehen.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß Anspruch 17, bei dem der Membranträger mit der Membran in einer Mittelregion der Membran gekoppelt ist, in einer Draufsicht auf die Substratebene.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 18, bei dem die Membran Gräben aufweist, die einen thermischen Einfluss der Region, die mit dem Membranträger gekoppelt ist, auf andere Regionen der Membran reduziert.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Ränder der ablenkbaren Elektrode und Abschnitte der ersten und zweiten Gegenelektrode, die einander zugewandt sind, in einer Draufsicht auf die Substratebene mäanderförmig sind.
Der Infrarotstrahlungssensor gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem eine erste Schicht der Membran in einer dotierten Halbleiterschicht des Substrats gebildet ist, wobei die Gegenelektrode in der dotierten Halbleiterschicht gebildet ist und von der Membran durch Gräben getrennt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Infrarotstrahlungssensors gemäß Anspruch 1, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen einer Schicht, die über einem Hohlraum in dem Substrat angeordnet ist, wobei die Schicht eine Absorbiererschicht aufweist, Erzeugen der ablenkbaren Elektrode oder der ablenkbaren Elektrode und einer Tragestruktur für die ablenkbare Elektrode durch Strukturieren der Schicht; Erzeugen der Zusammensetzung auf der ablenkbaren Elektrode oder der Tragestruktur vor oder nach dem Strukturieren der Schicht; Erzeugen der ersten Gegenelektrode, die der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist, mit einer ersten Kapazität, die dazwischen gebildet ist, und Erzeugen der zweiten Gegenelektrode, die der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist, mit einer zweiten Kapazität, die dazwischen gebildet ist; wobei die ablenkbare Elektrode nicht mit einer elektrischen Verbindung versehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Infrarotstrahlungssensors gemäß Anspruch 16, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen einer Schicht, die über einem Hohlraum in dem Substrat angeordnet ist; Erzeugen der ablenkbaren Elektrode durch Strukturieren der Schicht, wobei zumindest eine seitliche Fläche der Schicht, die die ablenkbare Elektrode umgibt, die Gegenelektrode bildet, die einer seitlichen Fläche der ablenkbaren Elektrode zugewandt ist, wobei eine seitliche Kapazität zwischen den seitlichen Flächen, die einander seitlich zugewandt sind, gebildet ist; und Erzeugen der Zusammensetzung auf der ablenkbaren Elektrode vor oder nach dem Strukturieren der Schicht.