DE102020205599A1

DE102020205599A1 - Mikromechanischer Strahlungsdetektor, mikromechanisches Spektrometer und Verfahren zur Strahlungsmessung

Info

Publication number: DE102020205599A1
Application number: DE102020205599.8A
Authority: DE
Inventors: Clemens Mart; Thomas Kämpfe; Sophia Eßlinger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-05-04
Filing date: 2020-05-04
Publication date: 2021-11-04
Also published as: WO2021224213A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Strahlungsdetektor, ein Detektorarray mit mikromechanischen Strahlungsdetektoren und ein Verfahren zur Strahlungsdetektion. Der Strahlungsdetektor weist ein Fabry-Perot-Interferometerelement (1) mit einem optischen Resonanzraum (4) und mindestens einem Aktuator (2) sowie ein pyroelektrisches Sensorelement (3) auf. Der mindestens eine Aktuator (2) weist eine erste Elektrodenschicht (E1), eine aktive Schicht (9) und eine zweite Elektrodenschicht (E2) auf, die ausgebildet und angeordnet sind, den Aktuator (2) bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht (9) über die erste Elektrodenschicht (E1) und die zweite Elektrodenschicht (E2) derart mechanisch zu verformen, dass ein Abstand w zwischen einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche, mit denen der Resonanzraum (4) gebildet ist, definiert einstellbar und bzw. oder veränderbar ist. Das pyroelektrische Sensorelement (3) weist eine pyroelektrische Schicht (13) auf und ist ausgebildet, mittels der pyroelektrischen Schicht (13) eine Temperaturänderung zu erfassen, die durch die Absorption einer durch ein strahlungsdurchlässiges Substrat (5) in den Resonanzraum (4) transmittierten elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und bzw. oder einer Änderung des Abstands w bewirkt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Strahlungsdetektor, ein mikromechanisches Detektorarray und ein Verfahren zur Strahlungsmessung, insbesondere zur spektrometrischen Messung von InfrarotStrahlung.
Spektrometer werden bisher aus diskreten optischen Elementen aufgebaut und benötigen bewegliche Teile oder verschiedene Baugruppen, welche eine Miniaturisierung verhindern und einen hohen Wartungsaufwand erfordern. Strahlungsdetektoren können heute zwar bereits miniaturisiert hergestellt werden, allerdings bieten solche Detektoren keine Möglichkeit, Informationen über die spektrale Zusammensetzung einer eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung zu gewinnen. Pyroelektrische Strahlungssensoren haben außerdem den Nachteil, dass sie nur elektromagnetische Strahlung detektieren können, die gepulst ist, um die für das pyroelektrische Messprinzip benötigte Temperaturänderung zu erzeugen. Üblicherweise wird daher eine elektrisch gepulste Strahlungsquelle verwendet oder eine zeitlich kontinuierliche Strahlung mittels eines externen, beweglichen mechanischen Pulsformers, auch Chopper oder Shutter genannt, gepulst. Solche Pulsformer sind jedoch störanfällig und können nicht miniaturisiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden und einen einfach zu fertigenden mikromechanischen Strahlungsdetektor, ein einfach zu fertigendes mikromechanisches Detektorarray und ein Verfahren zur Strahlungsmessung bereitzustellen, mit denen elektromagnetische Strahlung schnell und effizient detektiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen mikromechanischen Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, ein Detektorarray nach Anspruch 10 und ein Verfahren nach Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein mikromechanischer Strahlungsdetektor weist ein Fabry-Perot-Interferometerelement mit mindestens einem Aktuator und ein pyroelektrisches Sensorelement auf. Das Fabry-Perot-Interferometerelement weist einen mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten optischen Resonanzraum, der auch als optischer Resonator bezeichnet werden kann, auf, bei dem die erste Reflexionsfläche an einer Oberfläche eines für eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässigen Substrates gebildet ist und planparallel in einem Abstand w zu der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist. Der mindestens eine Aktuator ist an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes ausgebildet und weist eine erste Elektrodenschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht auf, die ausgebildet und angeordnet sind, den Aktuator bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht über die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht mechanisch derart zu verformen, dass der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes definiert einstellbar und bzw. oder veränderbar ist. Das pyroelektrische Sensorelement weist eine pyroelektrische Schicht auf und ist ausgebildet, mittels dieser pyroelektrischen Schicht eine Temperaturänderung zu erfassen, die durch eine Absorption einer zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, die durch das strahlungsdurchlässige Substrat in den Resonanzraum transmittiert bzw. eingestrahlt wird, an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und bzw. oder einer Änderung des Abstands w bewirkt wird. Mit dem Strahlungsdetektor kann somit eine Intensität und bzw. oder eine Wellenlänge λ einer elektromagnetischen Strahlung effizient bestimmt werden. Im Vergleich zu elektrostatischen Antrieben mit Federaufhängungen kann der Aktuator des Strahlungsdetektors effizienter gefertigt werden und es tritt kein Snap-In-Effekt auf. Die Betriebsspannung ist geringer als bei elektrostatischen Antrieben und aufgrund der einfachen und schnellen Einstellmöglichkeit für den Abstand w können kurze Ansprech- und Messzeiten des Strahlungsdetektors erreicht werden. Der Strahlungsdetektor kannohne externe bewegliche Teile betrieben und als monolithisches Bauteil ausgebildet werden. Dadurch können sowohl eine Zuverlässigkeitssteigerung als auch eine Miniaturisierung erreicht werden. Unter dem Begriff „planparallel“ soll hierbei insbesondere eine vollkommen parallele Ausrichtung der Reflexionsflächen verstanden werden, bei der deren Oberflächennormalen also nicht, d. h. um 0°, zueinander versetzt sind, also parallel verlaufen. Ferner soll darunter aber auch verstanden werden, dass die Reflexionsflächen geringfügig gegeneinander verkippt sind, ihre Oberflächennormalen also um bis zu 5° gegeneinander verkippt sind.
Erfüllt der Abstand w bzw. die Resonatorlänge w des Resonanzraumes für eine durch das strahlungsdurchlässige Substrat, bevorzugt senkrecht, in den Resonanzraum eingestrahlte elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge λ die (vereinfachte) Resonanzbedingung: $w \propto m \cdot λ [4 \cdot n \cdot cos (θ)]$
mit

n:: Brechungsindex des Resonanzmediums im Resonanzraum
w:: Abstand zwischen den Reflexionsflächen
λ:: Wellenlänge der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung
θ:: Einfallswinkel der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung
m:: natürliche Zahl m>0,

Die Resonanzbedingung kann durch eine Veränderung des Abstands w entlang der optischen Achse des Resonanzraumes, d. h. senkrecht zu den Reflexionsflächen, definiert verändert werden. Der Resonanzraum kann dadurch als veränderlicher optischer Bandpassfilter verwendet werden, mit dem üblicherweise eine Zentralwellenlänge der ersten Interferenzordnung (m = 1) transmittiert werden kann. Ist die Resonanzbedingung nicht mehr erfüllt, so wird die Strahlung nicht mehr vom Resonanzraum transmittiert und die zweite Reflexionsfläche nicht mehr erwärmt. Die Temperaturänderung an der zweiten Reflexionsfläche ist demnach von der jeweiligen Wellenlänge λ der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung und dem Abstand w bzw. dessen Änderung abhängig. Die Temperaturänderung bewirkt an den Elektroden bzw. Leiterschichten des pyroelektrischen Sensorelementes aufgrund des pyroelektrischen Effektes eine Ladungstrennung und dadurch einen messbaren Stromfluss, der mit dem Strahlungsdetektor erfasst werden kann und zur Bestimmung der Intensität und bzw. oder der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung herangezogen werden kann.
Für eine präzise Einstellung und Veränderung des Abstands w kann der mindestens eine Aktuator beispielsweise als ein Biegebalken ausgebildet sein, der mit einer Längsachse parallel zu einer Kante der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist. Unter einem Biegebalken kann ein Aktuator verstanden werden, der quaderförmig mit einer rechteckigen aktiven Schicht ausgebildet ist, die ein Längen-zu-Breitenverhältnis von mindestens 2 zu 1, bevorzugt mindestens 5 zu 1, besonders bevorzugt mindestens 15 zu 1 aufweist. Die aktive Schicht kann planparallel zur zweiten Reflexionsfläche angeordnet und ausgebildet sein, sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung derart, bevorzugt entlang einer Längsachse des Biegebalkens, zu kontrahieren oder auszudehnen, dass sich der Aktuator entlang der optischen Achse des Resonanzraumes verformt bzw. durchbiegt und dadurch der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche zu- oder abnimmt. Solche Biegebalken können sehr einfach und schnell angesteuert werden. Außerdem sind sie mechanisch sehr robust und können im Vergleich zu Federaufhängungen einfacher miniaturisiert und direkt auf einem Substrat ohne komplexe Fügeprozesse gefertigt werden.
Die zweite Fläche des Resonanzraums kann vorzugsweise mit einer ebenen Oberfläche der ersten Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators gebildet sein. Das heißt der Resonanzraum kann mit einer ersten Reflexionsfläche an einer ebenen Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates und einer zweiten Reflexionsfläche an einer ebenen Oberfläche der ersten Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators gebildet sein. Auf diese Weise kann die Verformung des Aktuators direkt auf den Resonanzraum übertragen werden. Besonders bevorzugt können die erste und die zweite Reflexionsfläche mehreckig, vorzugsweise quadratisch, und zueinander deckungsgleich geformt und angeordnet sein, wobei an der zweiten Reflexionsfläche im Bereich jeder Seite bzw. Kante der zweiten Reflexionsfläche mindestens ein Aktuator angeordnet ist, der als Biegebalken ausgebildet ist und mit einer Längsachse parallel zu der jeweiligen Seite bzw. Kante der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist. Dadurch kann der Abstand w im gesamten Flächenbereich der Reflexionsflächen besonders präzise und gleichförmig verändert werden und eine hohe Parallelität der Reflexionsflächen erreicht werden.
Der Biegebalken kann beispielsweise mit einer ersten Elektrodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht gebildet sein, die unterschiedliche Schichtdicken, Zusammensetzungen und bzw. oder mechanische Eigenschaften aufweisen, wodurch eine Verformung bzw. Durchbiegung des Aktuators entlang der optischen Achse des Resonanzraumes bewirkt werden kann. Unter einer Elektrodenschicht kann in dieser Anmeldung eine elektrische leitfähige Schicht oder ein elektrisch leitfähiger Schichtstapel verstanden werden, die bzw. der eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10^-8 S/m innerhalb eines Temperaturbereiches aufweist, der an der aktiven Schicht durch die Temperaturänderung der zweiten Reflexionsfläche erreicht werden kann, beispielsweise bei einer Temperatur von 20 °C. Ein Schichtstapel einer Elektrodenschicht kann eine Leiterschicht und mindestens eine Trägerschicht aufweisen, wobei die Leiterschicht an einer Oberfläche der aktiven Schicht und bzw. oder der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist und die mindestens eine Trägerschicht auf einer der aktiven Schicht gegenüberliegende Oberfläche der Leiterschicht ausgebildet sein kann. Der Biegebalken kann entsprechend mit einer ersten Elektrodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht gebildet sein, in denen die Leiterschicht und bzw. oder die Trägerschicht der ersten und der zweiten Elektrodenschicht jeweils unterschiedliche Schichtdicken, Werkstoffe und bzw. oder mechanische Eigenschaften aufweisen, sodass eine Verformung bzw. Durchbiegung des Aktuators entlang der optischen Achse des Resonanzraumes bewirkt werden kann. Eine Leiterschicht kann beispielsweise aus Titannitrid, TiN, Tantalnitrid, TaN, Tantalcarbonitrid, TaCN, Tantalaluminiumnitrid, TaAlN, Ruthenium, Ru, Rutheniumoxid, RuO, Titan, Ti, Titanaluminiumnitrid, TiAIN, Platin, Pt, Iridium, Ir, Iridiumoxid, IrO, oder Molybdän, Mo, oder einem anderen elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Biegebalken mit einer aktiven Schicht gebildet sein, deren Zusammensetzung und bzw. oder mechanische Eigenschaften sich in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes oder der Längsachse des Biegebalkens kontinuierlich oder schrittweise derart ändern, dass sich die aktive Schicht und somit der mindestens eine Aktuator bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes verformt bzw. durchbiegt. Eine derartige aktive Schicht kann beispielsweise durch einen Gradienten in der Dotierung der aktiven Schicht oder einen entsprechenden Mehrschichtaufbau der aktiven Schicht erreicht werden.
Der Biegebalken kann vorteilhaft mit einer Längsachse parallel zu einer Kante und bzw. oder der Oberfläche des pyroelektrischen Sensorelementes angeordnet sein. Das pyroelektrische Sensorelement kann so durch den Aktuator zusätzlich thermisch isoliert werden, wodurch eine größere Erwärmung bzw. größere Temperaturänderung der aktiven Sensorfläche erreicht werden kann. Das pyroelektrische Sensorelement kann in Form eines geraden Prismas oder Quaders, d. h. mit einer mehreckigen, bevorzugt quadratischen, Grundfläche der pyroelektrischen Schicht geformt und vorzugsweise mittig an bzw. auf der zweiten Reflexionsfläche angeordnet sein, wobei die Seiten bzw. Kanten des pyroelektrischen Sensorelementes parallel zu Seiten bzw. Kanten der zweiten Reflexionsfläche angeordnet sein können. Der mindestens eine Biegebalken kann dementsprechend zwischen einer Außenseite bzw. Außenkante des pyroelektrischen Sensorelementes und einer Seite bzw. Kante der zweiten Reflexionsfläche mit einer Längsachse parallel zu den jeweiligen Seiten bzw. Kanten des pyroelektrischen Sensorelementes und der zweiten Reflexionsfläche angeordnet sein.
Bevorzugt können sowohl der mindestens eine Aktuator als auch das pyroelektrische Sensorelement in der Ebene der zweiten Reflexionsfläche angeordnet sein. Die zweite Reflexionsfläche kann mit einer ebenen Oberfläche der ersten Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators, insbesondere einer Trägerschicht der ersten Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators, und einer ersten Elektrodenschicht des pyroelektrischen Sensorelementes, insbesondere einer Trägerschicht der ersten Elektrodenschicht des pyroelektrischen Sensorelementes, gebildet sein.
Besonders bevorzugt kann der Strahlungsdetektor eine erste Elektrodenschicht aufweisen, an deren Oberfläche die zweite Reflexionsfläche ausgebildet ist und die vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert ist, dass mit der ersten Elektrodenschicht des Strahlungsdetektors voneinander elektrisch isoliert eine erste Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators und eine erste Elektrodenschicht des pyroelektrischen Sensorelementes ausgebildet sind. Die erste Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators und eine erste Elektrodenschicht des pyroelektrischen Sensorelementes können also in einer Ebene parallel zu den Reflexionsflächen ausgebildet sein und dieselbe Zusammensetzung und dieselbe Schichtdicke aufweisen, da sie aus derselben ersten Elektrodenschicht gebildet sind. Mit einer solchen ersten Elektrodenschicht kann die Fertigung des Detektors wesentlich vereinfacht werden, da nur eine einzige Elektrodenschicht ausgebildet und strukturiert werden muss. Außerdem kann eine sehr hohe Parallelität des Aktuators und des pyroelektrischen Sensorelementes zu den Reflexionsflächen erreicht werden. Analog kann der Strahlungsdetektor eine zweite Elektrodenschicht aufweisen, die an einer der ersten Elektrodenschicht gegenüberliegenden Oberfläche der aktiven Schicht des mindestens einen Aktuators und der piezoelektrischen Schicht des piezoelektrischen Sensorelementes ausgebildet und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert ist, dass mit der zweiten Elektrodenschicht des Strahlungsdetektors voneinander elektrisch isoliert eine zweite Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators und eine zweite Elektrodenschicht des pyroelektrischen Sensorelementes ausgebildet sind.
Die optischen und geometrischen Eigenschaften des Resonanzraumes können ausgebildet sein, die Resonanzbedingung für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung zu erfüllen. Die zu detektierende elektromagnetische Strahlung kann eine elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich zwischen 0,78 µm und 1000 um, insbesondere eine elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarotbereich zwischen 0,78 µm und 3,0 µm und bzw. oder im mittleren Infrarotbereich zwischen 3,0 µm und 50 µm sein. Das strahlungsdurchlässige Substrat kann dementsprechend ausgebildet sein, eine elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich, insbesondere im nahen und bzw. oder mittleren Infrarotbereich, in den Resonanzraum zu transmittieren. Das Substrat kann beispielsweise aus Silizium, Si, Germanium, Ge, Galliumarsenid, GaAs, Siliziumgermanium, SiGe, Indiumphosphid, InP, Siliciumcarbid, SiC, bestehen. Es kann außerdem auf einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegenden Oberfläche eine oder mehrere funktionale Schichten aufweisen, die für die jeweils zu detektierende elektromagnetische Strahlung transparent ist bzw. sind, wie beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung für eine verbesserte Strahlungseinkopplung der zu detektierenden elektromagnetische Strahlung in das Substrat.
Die erste Reflexionsfläche und die zweite Reflexionsflächen können als ebene Spiegel ausgebildet sein, die für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung teildurchlässig sind, sodass sie im Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, z. B. im Infrarotbereich, insbesondere im nahen und bzw. oder mittleren Infrarotbereich, einen optischen Resonator bilden können. Die erste Reflexionsfläche und die zweite Reflexionsfläche können im Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung Reflexionsgrade zwischen 85 % und 98 % aufweisen. Das Substrat und die erste Reflexionsfläche können beispielsweise aus Si, Ge, GaAs, SiGe, InP oder SiC gebildet sein. Die zweite Reflexionsfläche kann an einer Oberfläche eines dotierten Halbleiters wie beispielsweise polykristallinem Si, SiGe oder Ge mit Dotanden, wie z. B. Bor, B, Aluminium, AI, Gallium, Ga, Indium, In, Phosphor, P, Arsen, As, Antimon, Sb, Bismut, Bi oder auch Metallen wie Aluminium, AI, Kupfer, Cu, Kobalt, Co, Nickel, Ni, Molybdän, Mo, Tantal, Ta, und bzw. oder Titan, Ti, gebildet sein. Ist die zweite Reflexionsfläche an der ersten Elektrodenschicht, insbesondere einer Trägerschicht der ersten Elektrodenschicht, ausgebildet, so kann dementsprechend die jeweilige Elektrodenschicht und bzw. oder Trägerschicht aus einem der genannten Werkstoffen ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste Trägerschicht als Bragg-Reflektor ausgebildet ist. Ein Bragg-Reflektor kann als Mehrschichtstapel bzw. Multilayer aus hoch- und niedrigbrechenden λ/4-Schichten ausgebildet sein. Bragg-Reflektoren können beispielsweise als Si-SiGe-Multilayer ausgebildet sein.
Der Resonanzraum kann als optischer Luftspalt-Resonator ausgebildet sein, dessen Abstand w zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche in einem Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, z. B. im Infrarotbereich, insbesondere im nahen und bzw. oder mittleren Infrarotbereich, einstellbar bzw. veränderbar ist. Der Abstand w kann beispielsweise in einem Bereich einstellbar bzw. veränderbar sein, der zwischen 0,5 µm bis 35 µm liegt. Dadurch kann der Strahlungsdetektor insbesondere für eine spektrometrische Gasanalyse eingesetzt werden. Statt Luft können jedoch auch andere gasförmige, flüssige und bzw. oder feste Resonanzmedien im Resonanzraum vorgesehen sein. Mit einem definierten Resonanzmedium können die thermischen Eigenschaften des Strahlungsdetektors gezielt eingestellt bzw. kontrolliert werden. Der Resonanzraum kann als Resonanzmedium beispielsweise Luft, Stickstoff oder Edelgase enthalten, d. h. mit diesen gefüllt sein, oder mit einem Vakuum ausgebildet sein, so dass die thermische Isolierung des mikromechanischen Aktuators zum Rest des Strahlungsdetektors verbessert werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonanzraum mittels einer ersten ebenen Opferschicht ausgebildet ist, die in einem definierten Bereich auf dem strahlungsdurchlässigen Substrat ausgebildet und nach Ausbildung des mindestens einen Aktuators und des pyroelektrischen Sensorelementes bzw. der ersten Elektrodenschicht auf einer dem Substrat gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Opferschicht nasschemisch, z. B. durch Nassätzen oder Fluorwasserstoffdampfätzen, entfernt wurde. Eine solche Opferschicht kann beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen und mittels Atomlagenabscheidung (ALD), Laserstrahlverdampfen (pulsed laser deposition, PLD), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden sein. Das Ätzmittel für die nasschemische Entfernung kann über Durchlässe in der ersten Elektrodenschicht bzw. Zwischenräume, die zwischen dem mindestens einen Aktuator und dem pyroelektrischen Sensorelementes gebildet sind, an die Opferschicht gelangen. Durch das Entfernen der Opferschicht entsteht zwischen dem strahlungsdurchlässigen Substrat, dem mindestens einen Aktuator und dem pyroelektrischen Sensorelement bzw. zwischen dem Substrat und der ersten Elektrodenschicht ein wohldefinierter Hohlraum, der den Resonanzraum bildet. Resonanzräume, die mittels einer solchen Opferschicht ausgebildet sind, können daher besonders präzise Abmessungen und eine äußerst hohe Parallelität der Reflexionsflächen aufweisen.
Der Aktuator kann vorteilhaft als piezoelektrischer, flexoelektrischer oder elektrostriktiver Aktuator ausgebildet sein, bei dem die aktive Schicht mit oder aus einem piezoelektrischen, flexoelektrischen und bzw. oder elektrostriktiven Werkstoff gebildet ist. Unter einem piezoelektrischen Werkstoff kann in dieser Anmeldung ein dielektrischer Werkstoff ohne Inversionszentrum in der Symmetrie der Kristallstruktur verstanden werden, der sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung, d. h. bei Anlegen eines elektrischen Feldes, mechanisch verformt, also einen inversen Piezoeffekt aufweist. Elektrostriktive Werkstoffe können dielektrische Werkstoffe sein, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung unabhängig von ihrer Kristallstruktur durch eine mechanische Spannung verformen, die proportional zum Quadrat der Feldstärke des mittels der elektrischen Spannung angelegten elektrischen Feldes ist. Unter flexoelektrischen Werkstoffen sollen dielektrische Werkstoffe verstanden werden, die sich unabhängig von ihrer Kristallstruktur bei Anlegen einer elektrischen Spannung verformen, wenn diese einen elektrischen Feldgradienten im Werkstoff bewirkt.
Eine Untergruppe der piezoelektrischen Werkstoffe können pyroelektrische Werkstoffe sein, in denen sich durch eine Temperaturänderung die elektrische Polarisation ändert und eine Änderung der Oberflächenladungen bewirkt. Pyroelektrische Werkstoffe können wiederum eine Untergruppe ferroelektrischer Werkstoffe umfassen, bei denen die elektrische Polarisation durch das Anlegen einer elektrischen Spannung umgepolt werden kann.
Ein pyroelektrisches Sensorelement kann als ein Plattenkondensator mit einer ersten Elektrodenschicht, einer pyroelektrischen Schicht als Kondensatormedium und einer zweiten Elektrodenschicht ausgebildet sein. Die pyroelektrische Schicht kann mit oder aus einem oder mehreren pyroelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen gebildet sein. Vorteilhaft können die pyroelektrische Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes und die aktive Schicht des mindestens eine Aktuators mit oder aus einem oder mehreren pyroelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen gebildet sein, beispielsweise aus dotiertem Hafniumoxid, HfO₂, einem Hafnium-Mischoxid oder Kombinationen von diesen. Als mögliche Dotanden können im dotierten Hafniumoxid Aluminium, AI, Silizium, Si, Germanium, Ge, Yttrium, Y, Scandium, Sc, Gadolinium, Gd, Strontium, Sr, Lanthan, La, Niob, Nb, Barium, Ba, Cerium, Ce, Neodym, Nd, Samarium, Sm, Erbium, Er, und bzw. oder Ytterbium, Yb, verwendet werden. Die aktive Schicht und die pyroelektrische Schicht können bevorzugt in einer Ebene parallel zu den Reflexionsflächen ausgebildet und bzw. oder mit oder aus dem gleichen Werkstoff oder den gleichen Werkstoffen gebildet sein.
Besonders bevorzugt weist der Strahlungsdetektor eine aktive Schicht auf, die mit oder aus einem pyroelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoff in einer Ebene parallel zur zweiten Reflexionsfläche ausgebildet ist und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert ist, dass mit der aktiven Schicht des Strahlungsdetektors eine aktive Schicht des mindestens einen Aktuators und eine davon elektrisch isolierte pyroelektrische Schicht des pyroelektrische Sensorelement ausgebildet sind. Die aktive Schicht des mindestens einen Aktuators und die pyroelektrische Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes können also dieselbe Zusammensetzung und dieselbe Schichtdicke aufweisen, da sie mit derselben aktiven Schicht gebildet sind. Eine solche aktive Schicht des Strahlungsdetektors ermöglicht eine deutlich einfachere und präzisere Fertigung des Strahlungsdetektors, da nur eine einzige aktive Schicht ausgebildet und strukturiert werden muss, um den mindestens einen Aktuator und das pyroelektrische Sensorelement auszubilden.
Für eine einfache Fertigung und Handhabung kann der Strahlungsdetektor eine erste Elektrodenschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweisen, die jeweils parallel zur zweiten Reflexionsfläche ausgebildet und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert sind, dass mit der ersten Elektrodenschicht des Strahlungsdetektors, der aktiven Schicht des Strahlungsdetektors und der zweiten Elektrodenschicht des Strahlungsdetektors der mindestens eine Aktuator und davon elektrisch isoliert das pyroelektrische Sensorelement gebildet sind. Das heißt der mindestens eine Aktuator und das pyroelektrische Sensorelement können eine erste Elektrodenschicht, eine aktive bzw. piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweisen, die jeweils dieselbe Zusammensetzungen und dieselbe Schichtdicken aufweisen, da sie jeweils mit derselben Schicht gebildet wurden. Somit müssen für die Fertigung des Detektors lediglich jeweils nur eine einzige erste Elektrodenschicht, eine einzige aktive Schicht und eine einzige zweite Elektrodenschichten auf dem Substrat ausgebildet und strukturiert werden, um den mindestens einen Aktuator und das pyroelektrische Sensorelement zu fertigen. Für eine weitere Vereinfachung der Fertigung können die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht die gleiche Zusammensetzung aufweisen bzw. mit oder aus den gleichen Werkstoffen gebildet sein.
Des Weiteren kann es für eine effiziente elektrische Kontaktierung des Strahlungsdetektors vorgesehen sein, dass das Substrat elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Der Strahlungsdetektor kann eine erste Elektrodenschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweisen, wobei die erste Elektrodenschicht an der zweiten Reflexionsfläche und in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Substrat ausgebildet ist, und die erste Elektrodenschicht, die aktive Schicht und die zweite Elektrodenschicht in definierten Bereichen vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert sind, dass mit diesen Schichten der mindestens eine Aktuator und davon elektrisch isoliert das pyroelektrische Sensorelement ausgebildet sind, und der mindestens eine Aktuator und das pyroelektrische Sensorelement unabhängig voneinander über das elektrisch leitfähige Substrat und die zweite Elektrodenschicht elektrisch kontaktierbar sind. Das Substrat kann hierfür beispielsweise um das Fabry-Perot-Interferometerelement in Randbereichen des Substrates elektrisch kontaktierbar sein, d. h. dort frei von Beschichtungen ausgebildet sein. Die erste Elektrodenschicht, die aktive Schicht und die zweite Elektrodenschicht können insbesondere derart strukturiert sein, dass die zuvor beschriebenen Formen und bzw. oder Anordnungen von Aktuatoren und pyroelektrischem Sensorelement im Strahlungsdetektor ausgebildet sind. Die Elektrodenschichten, die aktive Schicht und bzw. oder die pyroelektrische Schicht können beispielsweise mittels Atomlagenabscheidung (ALD), Laserstrahlverdampfen (pulsed laser deposition, PLD), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und bzw. oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) ausgebildet sein und mittels lithografischer Verfahren, nasschemischer Verfahren oder Trockenätzverfahren strukturiert sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein, dass der Strahlungsdetektor eine Kontrolleinheit aufweist, die ausgebildet ist, die aktive Schicht des mindestens einen Aktuators und bzw. oder die pyroelektrische Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes zu konditionieren und bzw. oder zu rekonditionieren. Die Kontrolleinheit kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht des mindestens einen Aktuators zu erhöhen und bzw. oder den pyroelektrischen Effekt der pyroelektrischen Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes zu erhöhen.
Die Ausprägung des piezoelektrischen und bzw. oder des pyroelektrischen Effektes kann von der elektrischen Vorgeschichte der jeweiligen aktiven bzw. pyroelektrischen Schicht abhängen. Mit der Kontrolleinheit kann der aktiven Schicht des mindestens einen Aktuators und bzw. oder der pyroelektrischen Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes eine definierte elektrische Vorgeschichte aufgeprägt werden, indem eine definierte elektrische Spannung oder Spannungsabfolge an die jeweilige Schicht angelegt wird. Dies kann beispielsweise einmalig bei der Inbetriebnahme des Sensorelementes, in regelmäßigen, durch die Ansteuerungselektronik festgelegten zeitlichen Abständen oder nach einer festgelegten Anzahl an Einschaltvorgängen erfolgen (Konditionieren) und bzw. oder nach einer bestimmten Betriebszeit oder nach einer bestimmten Anzahl an Einschaltvorgängen wiederholt werden (Rekonditionierung). Dadurch können mögliche Degradationsvorgänge kompensiert werden und eine hohe Reproduzierbarkeit der Strahlungsdetektion gewährleistet werden. Die Spannung oder Spannungsabfolge kann mit einem integrierten Pulsgenerator oder einem Wellenformgenerator erzeugt werden und kann beispielsweise Rechteck-, Sinus-, Dreiecks- oder Sägezahnwellenformen in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 1 MHz umfassen.
Mit der Kontrolleinheit können bestimmte Spannungen bzw. Spannungsabfolgen an der aktiven Schicht des mindestens einen Aktuators und bzw. oder pyroelektrischen Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes angelegt werden, mit denen der piezoelektrische bzw. pyroelektrische Effekt der jeweiligen Schicht verstärkt werden kann. Der piezoelektrische und bzw. oder pyroelektrische Effekt können beispielsweise mittels einer vorzugsweise sinus- oder cosinusförmigen Wechselspannung (Zyklen) erhöht werden, deren unterer Grenzwert die Koerzitivfeldstärke des piezoelektrischen bzw. pyroelektrischen Werkstoffs der jeweiligen Schicht übersteigt und deren oberer Grenzwert unterhalb der Durchbruchfeldstärke des piezoelektrischen bzw. pyroelektrischen Werkstoffs der jeweiligen Schicht liegt. Bei aktiven und bzw. oder pyroelektrischen Schichten aus dotiertem Hafniumoxid HfO₂ oder Hafniumoxid-Mischoxiden kann der untere Grenzwert beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,7 MV/cm und 1,5 MV/cm und der obere Grenzwert in einem Bereich zwischen 3 MV/cm und 3,5 MV/cm liegen. Die Wechselspannung kann vor der Strahlungsmessung für 10¹ bis 10⁶ Perioden an der jeweiligen Schicht angelegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der pyroelektrische Effekt des pyroelektrischen Sensorelementes auch mittels einer Gleichspannung erhöht werden, die während der Messung an das pyroelektrische Sensorelement angelegt wird. Der pyroelektrische Koeffizient in Si-dotiertem Hafniumoxid HfO₂ kann beispielsweise durch Anlegen einer Gleichspannung von 1,5 V auf bis zu -140 µC/m²K erhöht werden.
Da mit dem pyroelektrischen Sensorelement nur Temperaturänderungen erfasst werden können, kann die zu detektierende elektromagnetische Strahlung eine extern gepulste bzw. zeitlich modulierte Strahlung sein. Wird eine solche Strahlung mit dem Strahlungsdetektor bei einem zeitlich konstant eingestellten Abstand w detektiert, so können aus der Amplitude des Messsignals des pyroelektrischen Sensorelementes Rückschlüsse über die Höhe der Temperaturänderung und somit die Intensität der elektromagnetischen Strahlung gezogen werden, deren Wellenlänge λ die Resonanzbedingung für den eingestellten Abstand w erfüllt. Die Messung kann für verschiedene, zeitlich konstant eingestellte Abstände w wiederholt werden, sodass bei einer ausreichenden Anzahl an Messungen aus den einzelnen Messungen ein Spektrum der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung rekonstruiert werden kann. Die Abstände w können dabei jeweils innerhalb eines Bereiches eingestellt werden, der innerhalb des freien Spektralbereichs des Resonanzraumes liegt oder diesem entspricht. Der freie Spektralbereich FSR kann als Abstand zwischen zwei Transmissionsmaxima definiert werden, für die die Transmissionsbedingung in der Fabry-Perot-Kavität bzw. im Resonanzraum erfüllt ist. Für die Transmissionsmaxima λ_m und λ_m+1 ist dies beispielsweise ein freier Spektralbereich FSR = 2w/[m(m+1)].
Damit der Strahlungsdetektor auch eine zeitlich konstante, ungepulste bzw. unmodulierte elektromagnetische Strahlung detektieren kann, kann es vorgesehen sein, dass der Aktuator ausgebildet ist, den Abstand w in einem definierten Durchstimmbereich Δw kontinuierlich und vorzugsweise gleichförmig zu verändern bzw. durchzustimmen. Das pyroelektrische Sensorelement kann entsprechend ausgebildet sein, die Temperaturänderung während der Änderung des Abstands w kontinuierlich zu erfassen. Durch einen solchen dynamischen Betrieb des Strahlungsdetektors können sehr kurze Messzeiten erreicht werden, da langwierige Einstellzeiten des Abstandes w entfallen. Außerdem kann eine externe Modulation der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung umgangen werden und somit auf einen externen Pulsformer verzichtet werden.
Der Durchstimmbereich Δw kann typischerweise im freien Spektralbereich des Resonanzraumes liegen. Er kann minimal die Breite eines Interfernzpeaks einer elektromagnetischen Strahlung entsprechen, für deren Wellenlänge λ, bevorzugt Zentralwellenlänge, die Resonanzbedingung im Resonanzraum erfüllt werden kann, und kann maximal dem freien Spektralbereich des Resonanzraumes entsprechen. Die Änderung des Abstandes w kann durch Anlegen einer, vorzugsweise sinus- bzw. cosinusförmigen, Wechselspannung an die aktive Schicht des mindestens einen Aktuators erfolgen. Der Abstand w kann im Durchstimmbereich Δw innerhalb einer halben Periode der Wechselspannung verändert werden. Am pyroelektrischen Sensorelement kann ein Wechselstrom erfasst werden, dessen Amplitude als Messsignal dient. Aus dem gemessenen Amplitudenverlauf kann mit Kalibrierverfahren, bei denen der gemessene Amplitudenverlauf beispielsweise mit einem oder mehreren Amplitudenverläufen einer jeweils bekannten Referenzstrahlung verglichen wird, dann das Spektrum der zu detektierenden Strahlung für den jeweiligen Durchstimmbereich Δw rekonstruiert werden. Dadurch kann mit dem Strahlungsdetektor auch das Spektrum einer zeitlich konstanten, ungepulsten bzw. unmodulierten elektromagnetische Strahlung bestimmt werden.
In einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das strahlungsdurchlässige Substrat auf einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegenden Oberfläche eine wellenlängenselektive optische Schicht aufweist, die ausgebildet ist, eine elektromagnetischen Strahlung einer definierten Wellenlänge λ oder eine elektromagnetische Strahlung eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches zu transmittieren. Dadurch kann nur die jeweils mittels der wellenlängenselektiven optischen Schicht selektierte Wellenlänge bzw. der selektierte schmalbandige Wellenlängenbereich, das heißt eine monochromatische bzw. annähernd monochromatische elektromagnetische Strahlung, durch das Substrat in den Resonanzraum transmittiert werden. Alternativ kann das Substrat als wellenlängenselektives Substrat ausgebildet sein, das eine elektromagnetische Strahlung einer definierten Wellenlänge λ oder eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches in den Resonanzraum transmittiert.
Ein schmalbandiger Wellenlängenbereich kann ein Wellenlängenbereich sein, in dem die Intensität eines Interferenzpeaks einer mit dem Strahlungsdetektor detektierbaren Wellenlänge, vorzugsweise Zentralwellenlänge, mehr als 1 %, bevorzugt mehr als 2 %, besonders bevorzugt mehr als 3 % der maximalen Intensität des Interferenzpeaks entspricht. Eine mit dem Strahlungsdetektor detektierbare Wellenlänge kann insbesondere eine Wellenlänge sein, für die die Resonanzbedingung im Durchstimmbereich Δw des Resonanzraumes erfüllt werden kann. Mit einem solchen Strahlungsdetektor kann eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung der jeweils selektierten Wellenlänge bzw. einer Wellenlänge des jeweils selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches besonders zuverlässig und schnell detektiert werden.
Bei einer extern gepulsten Strahlung kann die Strahlung der jeweiligen Wellenlänge bei einem zeitlich konstant eingestellten Abstand w detektiert werden, der die Resonanzbedingung für die jeweilige Wellenlänge erfüllt. Bei einer ungepulsten bzw. unmodulierten Strahlung kann die Strahlung der jeweiligen Wellenlänge detektiert werden, indem der Abstand w in einem Durchstimmbereich Δw kontinuierlich verändert bzw. durchgestimmt wird, wobei der Durchstimmbereich Δw ein kontinuierlicher Bereich ist, der sowohl einen Abstand w oder Abstände w umfasst, bei dem oder denen die Resonanzbedingung für die selektierte Wellenlänge oder den selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereich erfüllt ist, als auch Abstände w umfasst, bei denen die Resonanzbedingung für die selektierte Wellenlänge oder den selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereich nicht erfüllt ist. Wird der Abstand w in diesem Durchstimmbereich Δw kontinuierlich verändert bzw. durchgestimmt, so kann an der zweiten Reflexionsfläche mindestens eine Temperaturänderung bewirkt werden. Der Durchstimmbereich Δw kann bei der Abstandsänderung, beispielsweise durch Anlegen einer Wechselspannung an die aktive Schicht des mindestens einen Aktuators, mehrfach durchlaufen werden, sodass durch die wiederholten Temperaturänderungen ein Chopper-Effekt erzeugt werden kann. Aufgrund des scharf abgegrenzten Durchlassbereiches der wellenlängenselektiven optischen Schicht kann eine Temperaturänderung mit einem hohen Gradienten erreicht werden, sodass der Durchstimmbereich Δw mit einer Frequenz im Bereich von 5 kHz bis zu 5 MHz durchlaufen werden kann. Am pyroelektrischen Sensorelement kann dementsprechend ein Wechselstrom erfasst werden, dessen Amplitude als Messsignal dienen kann. Der Strahlungsdetektor kann so für eine bestimmte Wellenlänge optimiert und ohne externe Pulsformer betrieben werden. Je schmaler der Durchstimmbereich gewählt wird, desto schneller kann der Durchstimmbereich durchlaufen und die zu detektierende elektromagnetische Strahlung detektiert werden.
In einer Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass das strahlungsdurchlässige Substrat einen breitbandigen Bandpass-Filter oder einen Kantenfilter, der auch als Lang- bzw. Hochpass-Filter bezeichnet werden kann, aufweist. Dieser Filter kann ausgebildet sein, unerwünschte Resonanzwellenlängen, z. B. niedrige Resonanzwellenlängen unterhalb einer bestimmten Wellengänge λ_min, auszublenden, d. h. zu blockieren, so dass diese Wellenlängen nicht in den Resonanzraum transmittiert werden.
Ein Detektorarray weist mindestens zwei mikromechanische Strahlungsdetektoren auf, deren zweite Reflexionsflächen, bevorzugt ohne Überlappung, jeweils in eine Raumrichtung ausgerichtet sind. Die Strahlungsdetektoren können versetzt zueinander angeordnet sein oder bevorzugt derart angeordnet sein, dass die zweiten Reflexionsflächen jeweils in einer Ebene angeordnet sind. Die Strahlungsdetektoren können beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger oder Chip befestigt sein. Alternativ kann der Strahlungsdetektor ein für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässiges Substrat aufweisen, an dessen Oberfläche die zweiten Reflexionsflächen der Strahlungsdetektoren angeordnet und ausgebildet sein. Das heißt die Strahlungsdetektoren können an einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sein. Dadurch können Verkippungen der Strahlungsdetektoren vermieden werden und eine Fertigung des Detektorarrays erleichtert werden.
Die Strahlungsdetektoren können jeweils an definierten Positionen angeordnet sein und zueinander identische Fabry-Perot-Interferometerelemente aufweisen. Eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung kann somit ortsaufgelöst und bzw. oder spektralaufgelöst detektiert werden.
In einer Ausführung können die Strahlungsdetektoren für die Detektion einer elektromagnetischen Strahlung mit verschiedenen Wellenlängenbereichen optimiert werden, sodass beispielweise ein multispektrales Detektorarray für die IR-Spektroskopie (Infrarot-Spektroskopie) oder die multispektrale Wärmebildgebung gebildet werden kann. Die Strahlungsdetektoren können hierfür jeweils in unterschiedlichen Bereichen einstellbare bzw. durchstimmbare Resonanzräume aufweisen, d. h. die Abstände w der Resonanzräume können jeweils in unterschiedlichen Bereichen einstellbar und bzw. oder veränderbar sein.
In einer weiteren Ausführung können die Strahlungsdetektoren jeweils eine wellenlängenselektive optische Schicht an einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegenden Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates aufweisen, die ausgebildet ist, jeweils eine elektromagnetische Strahlung einer definierten Wellenlänge λ oder eine elektromagnetische Strahlung eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches zu transmittieren. Die wellenlängenselektiven optischen Schichten können jeweils die identische Wellenlänge λ oder den identischen schmalbandigen Wellenlängenbereiches transmittieren oder verschiedene Wellenlängen λ oder verschiedene schmalbandigen Wellenlängenbereiche transmittieren. Die jeweiligen Wellenlängen oder schmalbandigen Wellenlängenbereiche können beispielsweise charakteristische Absorptions- oder Transmissionslinien bzw. -banden eines bestimmten Materials sein, sodass mit dem Detektorarray qualitative und quantitative Materialbestimmungsmessungen durchgeführt werden können. Die jeweiligen Absorptions- oder Transmissionslinien bzw. -banden können dabei simultan detektiert werden, sodass die Materialbestimmung nicht nur berührungslos und zerstörungsfrei, sondern auch extrem schnell durchgeführt werden kann. Alternativ können die Anzahl an Strahlungsdetektoren und die Wellenlängen bzw. schmalbandigen Wellenlängenbereiche der jeweiligen wellenlängenselektiven optischen Schichten an den Wellenlängenbereich einer zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung derart angepasst bzw. über diesen verteilt sein, dass aus den Messungen der einzelnen Strahlungsdetektoren das Spektrum der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung rekonstruiert werden kann. Hier liegt der Vorteil wiederum in der simultanen und dadurch sehr raschen, aber auch sehr präzisen Strahlungsmessung.
Bei einem Verfahren zur Strahlungsmessung wird eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung durch eine für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässiges Substrat in einen mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten Resonanzraum eines Fabry-Perot-Interferometerelementes transmittiert, wobei die erste Reflexionsfläche mit einer Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates planparallel in einem Abstand w zu der zweiten Reflexionsfläche ausgebildet ist. Der Abstand w wird mittels mindestens eines Aktuators definiert eingestellt und bzw. oder definiert verändert. Der Aktuator ist hierfür an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes ausgebildet und weist eine erste Elektrodenschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht auf, die ausgebildet sind, den Aktuator bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht derart mechanisch zu verformen, dass der Abstand w definiert einstellbar und bzw. oder definiert veränderbar ist. Mittels eines pyroelektrischen Sensorelementes wird eine Temperaturänderung erfasst, die durch eine Absorption der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und bzw. oder einer Änderung des Abstands w auftritt bzw. bewirkt wird. Das pyroelektrische Sensorelement weist hierfür eine pyroelektrische Schicht auf und ist ausgebildet, die Temperaturänderung mittels dieser pyroelektrischen Schicht zu erfassen. Aus der Temperaturänderung, dem Abstand w und bzw. oder der zeitlichen Änderung des Abstands w wird bzw. werden die Intensität und bzw. oder die Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung ermittelt.
Das beschriebene Verfahren kann insbesondere mit dem beschriebenen Strahlungsdetektor oder dem beschriebenen Detektorarray durchgeführt werden, das heißt, der beschriebene Strahlungsdetektor und das beschriebene Detektorarray sind zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 8 erläutert.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Beispiels eines mikromechanischen Strahlungsdetektors,
2 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht eines Beispiels eines mikromechanischen Strahlungsdetektors,
3 das Transmissionsverhalten eines Beispiels eines mikromechanischen Strahlungsdetektors in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge,
4 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht eines Beispiels eines mikromechanischen Detektorarrays,
5 in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Beispiels eines mikromechanischen Detektorarrays,
6 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht eines weiteren Beispiels eines mikromechanischen Detektorarrays,
7 in einer schematischen Darstellung eine elektrische Schaltung einer Kontrolleinheit, und
8 in einer schematischen Darstellung ein Herstellungsverfahren für ein Beispiel eines mikromechanischen Strahlungsdetektors.

In den 1 und 2 ist in einer schematischen Darstellung ein Beispiel eines mikromechanischen Strahlungsdetektors abgebildet. 1 zeigt eine Schnittansicht und 2 eine Draufsicht auf den Strahlungsdetektor. In 2 ist die Schnittebene der in 1 abgebildeten Schnittansicht mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Die Einfallsrichtung der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung auf den mikromechanischen Strahlungsdetektor ist in 1 mit Pfeilen angedeutet. Wiederkehrende Merkmale sind in den 1 und 2, wie auch in den folgenden Figuren, mit identischen Bezugszeichen versehen.
Der mikromechanische Strahlungsdetektor weist ein Fabry-Perot-Interferometerelement mit mindestens einem Aktuator 2 und ein pyroelektrisches Sensorelement 3 auf. Das Fabry-Perot-Interferometerelement weist einen optischen Resonanzraum 4 auf, der mit einer ersten Reflexionsfläche, die auch als Resonanzfläche bezeichnet werden kann, und einer zweiten Reflexionsfläche bzw. Resonanzfläche sowie seitlichen Begrenzungen 6 einer ersten Opferschicht OS1 gebildet ist, wobei die erste und die zweite Reflexionsfläche planparallel in einem Abstand w zueinander angeordnet sind und die erste Reflexionsfläche an einer Oberfläche eines für eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässigen Substrates 5 gebildet ist. Der mindestens eine Aktuator 2 ist an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes 4 ausgebildet und weist eine erste Elektrodenschicht E1, eine aktive Schicht 9 und eine zweite Elektrodenschicht E2 auf, die ausgebildet und angeordnet sind, den mindestens einen Aktuator 2 bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht 9 über die ersten Elektrodenschicht E1 und die zweiten Elektrodenschicht E2 mechanisch derart zu verformen, dass der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes 4 definiert einstellbar und bzw. oder veränderbar ist. Das pyroelektrische Sensorelement 3 weist eine pyroelektrische Schicht 13 auf und ist ausgebildet, mittels dieser pyroelektrischen Schicht 13 eine Temperaturänderung zu erfassen, wobei diese Temperaturänderung durch eine Absorption einer durch das strahlungsdurchlässige Substrat 5 in den Resonanzraum 4 transmittierten bzw. eingestrahlten zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und bzw. oder einer Änderung des Abstands w bewirkt wird.
Der mindestens eine Aktuator 2 ist im Beispiel der 1 und 2 als ein Biegebalken mit einer mehreckigen, planparallel zur zweiten Reflexionsfläche angeordneten aktiven Schicht 9 ausgebildet, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung kontrahiert oder ausdehnt, sodass sich der Aktuator 2 durch die Kontraktion oder Ausdehnung entlang der optischen Achse des Resonanzraumes 4 verformt bzw. durchbiegt und dadurch der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche zu- oder abnimmt.
Der Resonanzraum 4 ist im dargestellten Beispiel mit einer ersten und einer zweiten Reflexionsfläche ausgebildet, die quadratisch und zueinander deckungsgleich geformt und angeordnet sind. Die zweite Reflexionsfläche ist dabei mit bzw. an einer ebenen Oberfläche der ersten Elektrodenschicht E1 des mindestens einen Aktuators 2 gebildet. Auf diese Weise kann die Verformung des mindestens einen Aktuators 2 direkt auf den Resonanzraum 4 wirken. Der Strahlungsdetektor weist im dargestellten Beispiel vier Aktuatoren 2 auf, die als Biegebalken ausgebildet sind und jeweils mit einer Längsachse parallel zu einer Kante der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes 4 angeordnet sind. Dadurch kann der Abstand w mit einer besonders hohen Parallelität der Reflexionsflächen eingestellt bzw. verändert werden. Es sind jedoch auch andere Formen der Reflexionsflächen und Anzahlen oder Anordnungen des mindestens einen Aktuators 2 möglich.
Das pyroelektrische Sensorelementes 3 ist im dargestellten Beispiel ebenfalls quadratisch ausgebildet und mittig an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes 4 angeordnet, wobei die zweite Reflexionsfläche mit bzw. an einer ebenen Oberfläche einer ersten Elektrodenschicht E1 des pyroelektrischen Sensorelementes gebildet ist. Die Aktuatoren 2 sind jeweils mit einer Längsachse parallel zu einer Außenkante und Oberfläche des pyroelektrischen Sensorelementes 3 angeordnet und isolieren dadurch das pyroelektrischen Sensorelement 3 thermisch, sodass eine höhere Temperaturänderung in der pyroelektrischen Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 erreicht werden kann. Es sind jedoch auch andere Formen und Anordnungen des pyroelektrischen Sensorelementes 3 und des mindestens einen Aktuators 2 möglich.
Der mindestens eine Aktuator 2 ist im Beispiel der 1 und 2 mit einer ersten Elektrodenschicht E1 und einer zweiten Elektrodenschicht E2 gebildet, die voneinander verschiedene Schichtdicken aufweisen, um einen Biegebalken auszubilden, der sich bei Ausdehnung oder Kontraktion der aktiven Schicht 9 entlang der optischen Achse des Resonanzraumes 4 verformt bzw. durchbiegt. Die erste Elektrodenschicht E1 weist bevorzugt eine Schichtdicke kleiner als 300 nm auf, während die zweite Elektrodenschicht E2 bevorzugt eine Schichtdicke größer als 300 nm aufweist. Die aktive Schicht 9 kann eine Schichtdicke zwischen 10 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 20 nm und 100 nm, aufweisen.
Alternativ kann der Biegebalken auch mit einer ersten Elektrodenschicht E1 und einer zweiten Elektrodenschicht E2, die voneinander verschiedene Zusammensetzungen und bzw. oder mechanische Eigenschaften aufweisen, oder mit einer aktiven Schicht 9 gebildet sein, deren Zusammensetzung und bzw. oder mechanische Eigenschaften sich in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes 4 oder der Längsachse des Biegebalkens kontinuierlich oder schrittweise, beispielsweise durch einen Gradienten in der Dotierung der aktiven Schicht 9 oder einen entsprechenden Mehrschichtaufbau, derart ändern, dass sich die aktive Schicht 9 und somit der mindestens eine Aktuator 2 bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht 9 in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes 4 verformt bzw. durchbiegt.
Die Elektrodenschichten E1 und E2 des mindestens einen Aktuators 2 und des pyroelektrischen Sensorelementes 3 sind im Beispiel der 1 und 2 aus einem elektrisch leitfähigen Schichtstapel ausgebildet, der jeweils eine Leiterschicht 8, 10 und eine Trägerschicht 7, 11 aufweist. Die Leiterschichten 8, 10 sind jeweils an einer Oberfläche der aktiven Schicht 9 bzw. der piezoelektrischen Schicht 13 angeordnet und die Trägerschichten 7, 11 sind jeweils auf einer der aktiven Schicht 9 bzw. der piezoelektrischen Schicht 13 gegenüberliegende Oberfläche der jeweiligen Leiterschicht 8, 10 ausgebildet. Als Elektrodenschichten können jedoch auch Einzelschichten oder Schichtstapel mit anderen Schichtabfolgen und bzw. oder Schichtzusammensetzungen, wie z. B. elektrisch leitfähige Bragg-Reflektoren, verwendet werden. Die zweite Reflexionsfläche ist an bzw. mit einer Oberfläche der Trägerschicht 7 der ersten Elektrodenschicht E1 des mindestens einen Aktuators 2 und des pyroelektrischen Sensorelementes 3 gebildet. Die Leiterschichten 8, 10 sind im dargestellten Beispiel der 1 und 2 aus Titannitrid, TiN, ausgebildet, können jedoch auch aus Tantalcarbonitrid, TaCN, Tantalaluminiumnitrid, TaAlN, Ruthenium, Ru, Rutheniumoxid, RuO, Titan, Ti, Titanaluminiumnitrid, TiAIN, Platin, Pt, Iridium, Ir, Iridiumoxid, IrO, oder Molybdän, Mo, oder einem anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet sein.
Im Beispiel der 1 und 2 sind die Elektrodenschichten E1 und E2, die aktive Schicht 9 und die pyroelektrische Schicht 13 aus Schichten gebildet, die jeweils der gesamte Strahlungsdetektor aufweist. Das heißt, der Strahlungsdetektor weist eine erste Elektrodenschicht E1, eine aktive Schicht 9 und eine zweite Elektrodenschicht E2 auf, die jeweils parallel in einer Ebene zu den Reflexionsflächen angeordnet sind und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert sind, dass mit der ersten Elektrodenschicht E1, der aktiven Schicht 9 und der zweiten Elektrodenschicht E2 des Strahlungsdetektors der mindestens eine Aktuator 2 und davon elektrisch isoliert das pyroelektrische Sensorelement 3 gebildet sind. Die erste Elektrodenschicht E1, die zweite Elektrodenschicht E2 und die aktive Schicht 9 des Strahlungsdetektors können jeweils in nur einem einzigen Fertigungsschritt ausgebildet sein, wodurch sich die Fertigung des Strahlungsdetektors wesentlich vereinfacht. Außerdem sind die aktive Schicht 9 des Aktuators 2 und die pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 in derselben Ebene ausgebildet und weisen dieselbe Zusammensetzung und Schichtdicke auf, sodass eine hohe Parallelität der Schichten in Bezug auf die Reflexionsflächen erreicht werden kann. Im Beispiel der 1 und 2 sind die aktive Schicht 9 des Aktuators 2 und die pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 aus oder mit dotiertem Hafniumoxid, HfO₂, einem Hafnium-Mischoxid oder Kombinationen von diesen ausgebildet, wobei die Dotanden im dotierten Hafniumoxid Aluminium, AI, Silizium, Si, Germanium, Ge, Yttrium, Y, Scandium, Sc, Gadolinium, Gd, Strontium, Sr, Lanthan, La, Niob, Nb, Barium, Ba, Cerium, Ce, Neodym, Nd, Samarium, Sm, Erbium, Er, und bzw. oder Ytterbium, Yb, sein können.
Alternativ kann im Strahlungsdetektor auch jeweils nur die erste Elektrodenschicht E1, die zweite Elektrodenschicht E2 und bzw. oder die aktive Schicht 9 als eine Schicht des Strahlungsdetektor ausgebildet sein und parallel zu den Reflexionsflächen angeordnet und vertikal derart strukturiert bzw. räumlich separiert sein, dass die jeweilige Schicht die erste Elektrodenschicht E1, die zweite Elektroden E2 oder eine aktive Schicht 9 des mindestens einen Aktuators 2 und davon elektrisch isoliert die erste Elektrodenschicht E1, die zweite Elektrodenschicht E2 oder eine pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelement 3 bildet. Die Schichten E1, E2, 9 des mindestens einen Aktuators 2 und die Schichten E1, E2, 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 können alternativ auch voneinander verschiedene Zusammensetzung und bzw. oder Schichtdicken aufweisen und bzw. oder in separaten Fertigungsschritten hergestellt sein. Der mindestens eine Aktuator 2 kann als piezoelektrischer, flexoelektrischer oder elektrostriktiver Aktuator ausgebildet sein, bei dem die aktive Schicht 9 mit oder aus einem piezoelektrischen, flexoelektrischen und bzw. oder elektrostriktiven Werkstoff gebildet ist.
Das pyroelektrische Sensorelement 3 kann als ein Plattenkondensator mit einer ersten Elektrodenschicht E1, einer pyroelektrischen Schicht 13 als Kondensatormedium und einer zweiten Elektrodenschicht E2 ausgebildet sein, wobei die pyroelektrische Schicht 13 mit oder aus einem oder mehreren pyroelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen gebildet sein kann. Die Sensorfläche des pyroelektrischen Sensorelementes 3, d. h. die Fläche der pyroelektrischen Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3, kann eine Fläche zwischen 100 µm² und 2 mm² aufweisen.
Der Resonanzraum 4 ist im Beispiel der 1 und 2 als optischer Luftspalt-Resonator ausgebildet, dessen Abstand w in einem Bereich zwischen 0,5 µm und 35 µm einstellbar bzw. veränderbar ist. Dadurch kann der Strahlungsdetektor insbesondere für die Detektion einer elektromagnetischen Strahlung im nahen und mittleren Infrarotbereich eingesetzt werden. Es können jedoch auch Strahlungsdetektoren mit Resonanzräumen 4 hergestellt werden, die mit anderen Resonanzmedien, wie z.B. Vakuum, Stickstoff oder Edelgasen ausgebildet sind oder deren Abstand w in anderen Bereichen einstellbar und bzw. oder veränderbar ist. Der Resonanzraum 4 kann beispielsweise mittels einer Opferschicht ausgebildet sein. Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines mikromechanischen Strahlungsdetektors ist in 8 beschrieben.
Das strahlungsdurchlässige Substrat 5 ist im Beispiel der 1 und 2 derart ausgebildet, dass es die jeweils zu detektierende elektromagnetische Strahlung in den Resonanzraum 4 transmittiert und an einer Oberfläche eine erste Reflexionsfläche aufweist, die als ein ebener, teildurchlässiger Spiegel mit einem Reflexionsgrad zwischen 85 % und 98 % im Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung ausbildet ist. Das strahlungsdurchlässige Substrat kann hierfür beispielsweise aus Si, Ge, GaAs, SiGe oder InP bestehen. Die zweite Reflexionsfläche ist an einer Oberfläche einer Trägerschicht 7 der ersten Elektrodenschicht E1 derart ausgebildet, dass sie einen ebenen, teildurchlässigen Spiegel mit einem Reflexionsgrad zwischen 85 % und 98 % im Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung ausbildet. Die Trägerschicht 11 ist hierfür beispielsweise aus polykristallinem Si, SiGe oder Ge mit Dotanden, wie z. B. Bor, B, Aluminium, AI, Gallium, Ga, Indium, In, Phosphor, P, Arsen, As, Antimon, Sb, Bismut, Bi, oder auch Metallen wie Aluminium, AI, Kupfer, Cu, Kobalt, Co, Nickel, Ni, Molybdän, Mo, Tantal, Ta, und bzw. oder Titan, Ti, gebildet. Für eine einfache Herstellung des Strahlungsdetektors weisen die Trägerschichten 7, 11 und die Leiterschichten 8, 10 im dargestellten Beispiel jeweils dieselbe Zusammensetzung auf, sie können jedoch auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Für eine effiziente elektrische Kontaktierung ist der Strahlungsdetektor im Beispiel der 1 und 2 mit einem strahlungsdurchlässigen Substrat 5 ausgebildet, das elektrisch leitfähig ist, wie z. B. einem Substrat aus Si, Ge, GaAs, SiGe oder InP. Die erste Elektrodenschicht E1 des Strahlungsdetektors ist sowohl an der zweiten Reflexionsfläche als auch in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Substrat 5 ausgebildet. Die erste Elektrodenschicht E1, die aktive Schicht 9 und die zweite Elektrodenschicht E2 sind außerdem in definierten Bereichen G1, G2, G3, G4 vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert, dass mit der ersten Elektrodenschicht E1, der aktiven Schicht 9 und der zweite Elektrodenschicht E2 des Strahlungsdetektors der mindestens eine Aktuator 2 und davon elektrisch isoliert mit der ersten Elektrodenschicht E1, der aktiven Schicht 9 und der zweiten Elektrodenschicht E2 des Strahlungsdetektors das pyroelektrische Sensorelement 3 ausgebildet sind, wobei der mindestens eine Aktuator 2 über das elektrisch leitfähige Substrat 5, K1 und mindestens einen ersten Kontakt K2 an der zweiten Elektrodenschicht E2 elektrisch kontaktierbar ist und das pyroelektrische Sensorelement 3 davon unabhängig über das elektrisch leitfähige Substrat 5, K1 und mindestens einen zweiten Kontakt K3 an der zweiten Elektrodenschicht E2 elektrisch kontaktierbar ist. Für eine direkte elektrische Kontaktierung ist das elektrisch leitfähige Substrat 5 in einem Randbereich K1 des Substrates 5 um das Fabry-Perot-Interferometerelement ohne Beschichtungen ausgeführt. Es sind jedoch auch alternative elektrische Kontaktierungen des mindestens einen Aktuators 2 und des pyroelektrischen Sensorelementes 3 möglich.
Der Strahlungsdetektor des Beispiels der 1 und 2 kann eine in den 1 und 2 nicht dargestellte Kontrolleinheit aufweisen, die ausgebildet ist, die aktive Schicht 9 des mindestens einen Aktuators 2 und bzw. oder die pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 zu konditionieren und bzw. oder zu rekonditionieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontrolleinheit auch ausgebildet sein, den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht 9 des mindestens einen Aktuators 2 zu erhöhen und bzw. oder den pyroelektrischen Effekt der pyroelektrischen Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 zu erhöhen. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung oder Spannungsabfolge an die aktive Schicht 9 des mindestens einen Aktuators 2 und bzw. oder die pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 erreicht werden. Ein Beispiel für das Konditionieren bzw. Rekonditionieren und das Verstärken des piezoelektrischen oder pyroelektrischen Effektes ist im Beispiel der 7 beschrieben, die ein Beispiel einer elektrischen Schaltung einer Kontrolleinheit zeigt.
Im Beispiel der 1 und 2 kann die zu detektierende elektromagnetische Strahlung eine breitbandige, extern, vorzugsweise gleichförmig, gepulste bzw. zeitlich modulierte Strahlung oder eine breitbandige, zeitlich kontinuierliche, ungepulste bzw. unmodulierte Strahlung sein. Eine extern gepulste bzw. modulierte Strahlung kann mit dem Strahlungsdetektor bei einem zeitlich konstant eingestellten Abstand w des Resonanzraumes 4 detektiert werden, da die Temperaturänderung an der zweiten Reflexionsfläche im Resonanzfall durch die zu- und abnehmende Intensität der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung bewirkt wird. Aus der Amplitude des Messsignals des pyroelektrischen Sensorelementes 3 können Rückschlüsse über die Höhe der Temperaturänderung und somit die Intensität derjenigen elektromagnetischen Strahlung gezogen werden, deren Wellenlänge λ für den eingestellten Abstand w die Resonanzbedingung erfüllt. Die Messung kann für verschiedene, zeitlich konstant eingestellte Abstände w wiederholt werden, sodass bei einer ausreichenden Anzahl an Messungen aus den einzelnen Messungen ein wellenlängenabhängiges Intensitätsspektrum der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung rekonstruiert werden kann. Die Abstände w können dabei jeweils innerhalb eines Bereiches eingestellt werden, der innerhalb des freien Spektralbereichs des Resonanzraumes 4 liegt oder diesem entspricht.
Zeitlich konstante, ungepulste bzw. unmodulierte elektromagnetische Strahlung kann mit dem Strahlungsdetektor detektiert werden, indem eine Temperaturänderung mittels einer Änderung des Abstands w des Resonanzraumes 4 erzeugt wird, der Strahlungsdetektor also dynamisch betrieben wird. Der mindestens eine Aktuator 2 des Beispiels der 1 und 2 ist daher ausgebildet, den Abstand w des Resonanzraumes 4 in einem definierten kontinuierlichen Durchstimmbereich Δw kontinuierlich, und vorzugsweise gleichförmig, zu verändern bzw. durchzustimmen. Das pyroelektrische Sensorelement 3 ist entsprechend ausgebildet, die Temperaturänderung der zweiten Reflexionsfläche während der Änderung des Abstands w kontinuierlich zu erfassen. Der Durchstimmbereich Δw kann im freien Spektralbereich des Resonanzraumes liegen oder diesem entsprechen. Im Beispiel der 1 und 2 wird die Änderung des Abstandes w durch das Anlegen einer, vorzugsweise sinus- bzw. cosinusförmigen, Wechselspannung an die aktive Schicht 9 des mindestens einen Aktuators 2 erzeugt. Am pyroelektrischen Sensorelement 3 wird dann ein Wechselstrom erfasst, dessen Amplitude als Messsignal dient. Aus dem gemessenen Amplitudenverlauf wird mittels Kalibrierverfahren, bei denen der gemessene Amplitudenverlauf beispielsweise mit einem oder mehreren Amplitudenverläufen einer jeweils bekannten Referenzstrahlung verglichen wird, das Spektrum der zu detektierenden Strahlung im jeweiligen Durchstimmbereich Δw rekonstruiert.
Der Strahlungsdetektor des Beispiels der 1 und 2 weist außerdem an einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegenden bzw. gegenüber angeordneten Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates 5 eine optionale funktionale Schicht 12 auf. Dies kann beispielsweise eine Antireflexionsschicht für eine verbesserte Strahlungseinkopplung der zu detektierenden Strahlung in das Substrat 5 und bzw. oder auch eine wellenlängenselektive optische Schicht 12 sein, die ausgebildet ist, eine elektromagnetischen Strahlung einer definierten Wellenlänge λ oder eine elektromagnetische Strahlung eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches in das Substrat 5 und somit in den Resonanzraum 4 zu transmittieren. Alternativ zu einer wellenlängenselektiven optischen Schicht 12 kann auch das strahlungsdurchlässige Substrat 5 als ein wellenlängenselektives Substrat ausgebildet sein, das nur eine elektromagnetische Strahlung einer definierten Wellenlänge λ oder eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches in den Resonanzraum 4 transmittiert.
Bei einer extern gepulsten Strahlung kann die jeweils mittels der wellenlängenselektiven optischen Schicht selektierte Wellenlänge bzw. eine Wellenlänge des jeweils mittels der wellenlängenselektiven optischen Schicht selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches bei einem zeitlich konstant eingestellten Abstand w detektiert werden, der die Resonanzbedingung für diese Wellenlänge erfüllt. Bei einer ungepulsten bzw. unmodulierten Strahlung kann die entsprechende Wellenlänge detektiert werden, indem der Abstand w in einem Durchstimmbereich Δw kontinuierlich verändert bzw. durchgestimmt wird. Der Durchstimmbereich Δw ist dabei ein kontinuierlicher Bereich, der sowohl einen Abstand w oder Abstände w umfasst, bei dem oder denen die Resonanzbedingung für die selektierte Wellenlänge oder eine Wellenlänge des selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches erfüllt ist, als auch Abstände w umfasst, bei denen die Resonanzbedingung für die selektierte Wellenlänge oder eine Wellenlänge des selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches nicht erfüllt ist. Wird der Abstand w in diesem Durchstimmbereich Δw kontinuierlich verändert bzw. durchgestimmt, so wird an der zweiten Reflexionsfläche mindestens eine Temperaturänderung bewirkt.
Der Durchstimmbereich Δw wird im dargestellten Beispiel der 1 und 2 durch Anlegen einer Wechselspannung an die aktive Schicht 9 bei der Änderung des Abstands w mehrfach durchlaufen, sodass durch die dabei wiederholt auftretenden Temperaturänderungen ein Chopper-Effekt erzeugt wird. Am pyroelektrischen Sensorelement wird dementsprechend ein Wechselstrom erfasst, dessen Amplitude als Messsignal dient. Der Strahlungsdetektor kann dadurch für eine mittels der wellenlängenselektiven optischen Schicht 12 selektierte Wellenlänge oder selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereich optimiert werden und ohne externe Pulsformer betrieben werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der funktionalen Schicht 12 kann das strahlungsdurchlässige Substrat 5 auch einen breitbandigen Bandpass-Filter oder einen Kantenfilter aufweisen. Derartige Filterschichten können ausgebildet sein, unerwünschte Resonanzwellenlängen, z. B. niedrige Resonanzwellenlängen unterhalb einer bestimmten Wellengänge λ_min, auszublenden, d. h. zu blockieren.
In 3 ist das Transmissionsverhalten eines Beispiels eines Strahlungsdetektors in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge dargestellt. Hierbei wird nur ein bestimmter, schmalbandiger Wellenlängenbereich B1 durchgelassen. Wird nun ein Abstand der Reflexionsflächen des Fabry-Perot-Interferometers verändert, liegt dessen Transmissionswellenlänge innerhalb (T1i) oder außerhalb (T1a) des durchgelassenen Bereichs B1. Somit kann die Absorption und damit die Temperaturänderung am pyroelektrischen Sensorelement 3 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden.
In den 4 und 6 sind zwei Beispiele von Detektorarrays 14 in einer schematischen Draufsicht abgebildet. Die Detektorarrays 14 weisen jeweils mindestens zwei mikromechanische Strahlungsdetektoren auf, deren Reflexionsflächen, bevorzugt ohne Überlappung, jeweils in eine Raumrichtung ausgerichtet sind. Die Strahlungsdetektoren können in einer Ebene eines strahlungsdurchlässigen Substrates ausgebildet sein oder auf einer planen Ebene eines Trägers oder Chips 15 befestigt sein. Die Strahlungsdetektoren können jeweils an definierten Positionen angeordnet sein, zueinander identisch ausgebildet sein oder Fabry-Perot-Interferometerelemente mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen der Resonanzräume 4 und bzw. oder unterschiedlichen wellenlängenselektiven optischen Schichten 12 aufweisen, sodass eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung ortsaufgelöst und bzw. oder spektralaufgelöst oder wellenlängenoptimiert detektiert werden kann.
4 zeigt beispielsweise ein Detektorarray 14, das als bildgebendes Detektorarray verwendet werden kann. Die Strahlungsdetektoren sind in mehreren Reihen in einer Matrix 16 angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse der Aktuatoren 2 und der pyroelektrischen Sensorelemente 3 sind jeweils mit Bond-Pads 17, 18 verbunden, welche durch Drähte mit einem Gehäuse kontaktiert werden können.
In 6 ist das Detektorarray auf einem CMOS-Chip (complementary metaloxide-semiconductor) bzw. einem Träger 15 aufgebracht, der einen CMOS-Schaltkreis aufweist. Dieser CMOS-Schaltkreis kann beispielsweise elektrische Komponenten für die Ansteuerung der Aktuatoren 2 und bzw. oder das Auslesen der Messsignale der pyroelektrischen Sensorelemente 3 aufweisen. Der CMOS-Schaltkreis kann insbesondere einen Verstärker bzw. elektrische Strom- oder Spannungsquellen 19 und Multiplexer 20 für die Ansteuerung der Aktuatoren 2, sowie Analogschalter 21 und Strom-, Spannungs- oder Transimpedanzverstärker 22 sowie Analog-Digital-Wandler 23 für das Auslesen der pyroelektrischen Sensorelemente 3 enthalten. Ferner können Interface-Elektronik 24 sowie Bond-Pads und bzw. oder elektrischen Komponenten der Kontrolleinrichtung Teil des CMOS-Chips sein.
In 5 ist in einer schematischen Darstellung ein Querschnitt eines weiteren Beispiels eines mikromechanischen Detektorarrays 14 abgebildet. Die zweiten Reflexionsflächen der Strahlungsdetektoren des Detektorarrays 14 sind jeweils an einer ebenen Oberfläche eines elektrisch leitfähigen, strahlungsdurchlässigen Substrates 5 des Detektorarrays 14 angeordnet und ausgebildet. Die Einfallsrichtung der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung ist in 6 mit Pfeilen angedeutet. Das Detektorarray 14 ist auf einem CMOS-Chip 15 befestigt. Dieser kann, wie im Beispiel der 4, einen CMOS-Schaltkreis für die Strahlungsdetektion und bzw. oder elektrische Komponenten für das Konditionieren, Rekonditionieren und bzw. oder das Verstärken des piezoelektrischen oder pyroelektrischen Effektes aufweisen. Die elektrischen Kontaktierungen zwischen dem elektrisch leitfähigen, strahlungsdurchlässigen Substrat 5 und dem CMOS-Chip 15 können mittels „Solder Bumps“ 25, aber auch mittels Drahtbondverbindungen 35 realisiert werden.
Das gesamte Bauelement aus Detektorarray 14 und CMOS-Chip ist in ein optionales Gehäuse G eingebracht und mittels Solder Bumps 25 oder Drahtbonden elektrisch kontaktiert.
7 zeigt schematisch ein Beispiel einer elektrischen Schaltung einer Kontrolleinheit. Die Ausprägung des pyroelektrischen und piezoelektrischen Effektes kann abhängig von der elektrischen Vorgeschichte des jeweiligen Werkstoffes sein. Daher kann bzw. können der Strahlungsdetektor und bzw. oder das Detektorarray eine Kontrolleinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, die aktive und bzw. oder die pyroelektrische Schicht 9, 13 bzw. Schichten zu konditionieren und bzw. oder zu rekonditionieren und bzw. oder den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht 9 bzw. Schichten und bzw. oder den pyroelektrischen Effekt der pyroelektrischen Schicht 13 bzw. Schichten zu erhöhen.
Die Kontrolleinheit kann einen speziellen Schaltkreis aufweisen, der in das pyroelektrische Sensorelement 3 integriert ist und ausgebildet ist, einen oder mehrere elektrische Pulse oder Pulsfolgen an die piezoelektrische Schicht 9 und bzw. oder pyroelektrische Schicht 13 bzw. Schichten zu leiten. Die Implementierung einer solchen Schaltung ist in 7 schematisch dargestellt. Ein elektrisches Signal wird durch einen integrierten Pulsgenerator oder Wellenformgenerator 26 erzeugt, welcher mit einem Steuerungsschaltkreis 27 elektrisch verbunden ist. Die erzeugte elektrische Wellenform oder Pulsfolge kann durch einen Verstärker 28 in ihrer Amplitude oder Offset-Spannung verändert werden. Die Amplitude der erzeugten Wellenform bzw. Pulsfolge übersteigt dabei die Koerzitivfeldstärke des piezoelektrischen und bzw. oder pyroelektrischen Werkstoffs, mit oder aus dem die jeweilige Schicht 9, 13 gebildet ist, welche im Falle von dotiertem Hafniumoxid oder Hafniumoxid-Mischoxiden im Bereich zwischen 0,7 MV/cm bis 1,5 MV/cm liegt. Die Amplitude ist geringer als die Durchbruchfeldstärke des Werkstoffs im Bereich zwischen 3 MV/cm bis 3,5 MV/cm. Dadurch kann der piezoelektrische und bzw. oder pyroelektrische Effekt der jeweiligen Schicht erhöht werden.
Mögliche Pulsfolgen beinhalten Rechteck-, Sinus-, Dreiecks- oder Sägezahnwellenformen in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz. Die elektrische Verbindung wird mit Hilfe eines ersten Analogschalters bzw. Multiplexers 29 hergestellt. Dadurch wird die Pulsfolge bzw. Wellenform an ein pyroelektrisches Sensorelement 3 oder einen Aktuator 2 weitergeleitet, der mit Hilfe eines zweiten Analogschalters bzw. Multiplexers 30 ausgewählt wird. Die Pulsfolge bzw. Wellenform können mit 10 bis 10⁶ Perioden an die jeweilige Schicht angelegt werden. Dies kann beispielsweise einmalig bei der Inbetriebnahme des Sensorelementes, und bzw. oder in regelmäßigen, durch die Ansteuerungselektronik festgelegten zeitlichen Abständen, oder nach einer festgelegten Anzahl an Einschaltvorgängen erfolgen (Konditionieren). Weiterhin kann nach einer bestimmten Betriebszeit oder nach einer bestimmten Anzahl an Einschaltvorgängen eine Wiederholung der Konditionierung, d. h. eine Rekonditionierung erfolgen, um mögliche Degradationsvorgänge des piezoelektrischen und bzw. oder pyroelektrischen Materials zu kompensieren. Durch Umschalten des ersten Analogschalters bzw. Multiplexers 29 kann das Messsignal des pyroelektrischen Sensorelementes 3 nach erfolgter Konditionierung bzw. Rekonditionierung ausgelesen werden. Dazu wird das pyroelektrische Sensorelement 3 mit einer Verstärkerschaltung 31 sowie einem Analog-Digital-Wandler 32 und der digitalen Steuerungsschaltung 33 sowie Anschluss-Pads 34 verbunden. Alternativ kann eine elektrische Verbindung des pyroelektrischen Sensorelementes 3 mit dem ersten Analogschalter bzw. Multiplexer 29 auch direkt über eine Anschluss-Pad erfolgen.
Die Ausprägung des pyroelektrischen Effektes ist in bestimmten pyroelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen außerdem vom elektrischen Feld abhängig. Um den pyroelektrischen Koeffizienten zu erhöhen, kann daher auch eine Gleichspannung an die pyroelektrische Schicht 13 der pyroelektrische Sensorelementes 3 angelegt werden. Dazu wird eine Gleichspannungsquelle mit der Verstärkerschaltung 31 in Reihe geschaltet. Der pyroelektrische Koeffizient von Si-dotiertem Hafniumoxid HfO₂ kann bei einer Gleichspannung von 1,5 V beispielsweise bis zu einem Koeffizienten von -140 µC/m²K erhöht werden.
In 8 ist schematisch ein Herstellungsverfahren eines Beispiels eines mikromechanischen Strahlungsdetektors dargestellt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte, deren Nummerierungen mit den Nummerierungen der jeweiligen Darstellungen in der 8 identisch sind:

1. Abscheidung einer ersten Opferschicht OS1 auf einer planen Oberfläche eines elektrisch leitfähigen, strahlungsdurchlässigen Substrates 5 mit einem ALD-, CVD- oder PVD-Verfahren
2. Strukturierung bzw. teilweise Entfernung der ersten Opferschicht OS1 mit einem lithografischen Verfahren, so dass die erste Opferschicht die Abmessungen bzw. Grundfläche eines Resonanzraumes 4 aufweist
3. Abscheidung einer ersten Trägerschicht 7 auf der ersten Opferschicht OS1 und dem strahlungsdurchlässigen Substrat 5 mit einem ALD-, CVD- oder PVD-Verfahren
4. Abscheidung einer ersten Leiterschicht 8, einer aktiven Schicht 9 und einer zweiten Leiterschicht 10 auf der ersten Trägerschicht 7 mit einem ALD-, CVD- und/oder PVD-Verfahren
5. Abscheidung einer zweiten Trägerschicht 11 und einer zweiten Opferschicht OS2 auf der zweiten Leiterschicht 10 mit einem ALD-, CVD- und/oder PVD-Verfahren
6. Strukturierung bzw. teilweise Entfernung der zweiten Opferschicht OS2 mit einem lithografischen Verfahren in Bereichen G3 in 1 und 2, die die zweite Leiterschicht 10 und die zweite Trägerschicht 11 der zu bildenden Aktuatoren 2 und des zu bildenden pyroelektrischen Sensorelementes 3 an den Außenkanten des zu bildenden pyroelektrischen Sensorelementes 3 elektrisch voneinander isolieren, sowie in Randbereichen G1, G2 in 1 und 2 um die Außenkanten der zu bildenden Aktuatoren 2
7. Entfernung der zweiten Trägerschicht 11 und der zweiten Leiterschicht 10 mit einem nasschemischen Ätzverfahren oder einem Dampfätzverfahren in Bereichen G3 in 1 und 2, die die zweite Leiterschicht 10 und die zweite Trägerschicht 11 der zu bildenden Aktuatoren 2 und des zu bildenden pyroelektrischen Sensorelementes 3 an den Außenkanten des zu bildenden pyroelektrischen Sensorelementes 3 elektrisch voneinander isolieren, sowie in Randbereichen G1, G2 in 1 und 2 um die Außenkanten der zu bildenden Aktuatoren 2, so dass elektrische Kontakte K2, K3 für die zu bildenden Aktuatoren 2 und das zu bildende Sensorelement 3 gebildet werden
8. Entfernung der zweiten Opferschicht OS2 mit einem nasschemischen Ätzverfahren, einem Dampfätzverfahren oder einem Trockenätzverfahren
9. Abscheidung einer dritten Opferschicht OS3 mit einem ALD-, CVD- und/oder PVD-Verfahren
10. Strukturieren der dritten Opferschicht OS3 mit einem lithografischen Verfahren und Entfernung der Trägerschichten 7, 11, Leiterschichten 8, 10 und der aktiven Schicht 9 in einem oder mehreren Ätzschritten mit einem nasschemischen Ätzverfahren, einem Dampfätzverfahren und/oder einem Trockenätzverfahren in Bereichen G4 in 1 und 2, die die zu bildenden Aktuatoren 2 und das zu bildende pyroelektrische Sensorelement 3 parallel zu den Außenkanten der aktiven Schicht 9, 13 des zu bildenden pyroelektrischen Sensorelementes 3 elektrisch voneinander isolieren, sowie in Bereichen G2 in 1 und 2 parallel zu den Außenkanten der zu bildenden Aktuatoren 2 und Randbereichen K1 in 1 und 2 des strahlungsdurchlässigen Substrates 5
11. Entfernung der ersten Opferschicht OS1 und der dritten Opferschicht OS3 in einem nasschemischen Ätzverfahren oder einem Dampf-Ätzverfahren, wobei durch die Entfernung der ersten Opferschicht OS1 ein Resonanzraum 4 zwischen dem elektrisch leitfähigen Substrat 5 und der ersten Trägerschicht 7 gebildet wird
12. Aufbringen optionaler funktionaler Schichten 12 auf einer dem Resonanzraum 4 gegenüberliegenden Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates 5.

Die jeweiligen Schichten sind bevorzugt als plane Schichten ausgebildet oder können nach ihrer Ausbildung planarisiert werden.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert und einzeln, unabhängig vom jeweiligen gezeigten Beispiel, beansprucht werden.

Claims

Mikromechanischer Strahlungsdetektor aufweisend ein Fabry-Perot-Interferometerelement (1) mit mindestens einem Aktuator (2) und ein pyroelektrisches Sensorelement (3), wobei das Fabry-Perot-Interferometerelement (1) einen mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten optischen Resonanzraum (4) aufweist, wobei die erste Reflexionsfläche an einer Oberfläche eines für eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässigen Substrates (5) gebildet ist und planparallel in einem Abstand w zu der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist, der mindestens eine Aktuator (2) an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes (4) ausgebildet ist und eine erste Elektrodenschicht (E1), eine aktive Schicht (9) und eine zweite Elektrodenschicht (E2) aufweist, die ausgebildet und angeordnet sind, den Aktuator (2) bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht (9) über die erste Elektrodenschicht (E1) und die zweite Elektrodenschicht (E2) derart mechanisch zu verformen, dass der Abstand w definiert einstellbar und/oder veränderbar ist, das pyroelektrische Sensorelement (3) eine pyroelektrische Schicht (13) aufweist und ausgebildet ist, mittels der pyroelektrischen Schicht (13) eine Temperaturänderung zu erfassen, die durch eine Absorption einer zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, die durch das strahlungsdurchlässige Substrat (5) in den Resonanzraum (4) transmittiert wird, an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und/oder einer Änderung des Abstands w bewirkt wird.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator (2) als ein Biegebalken ausgebildet ist, der mit einer Längsachse parallel zu einer Kante der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist und/oder mit einer Längsachse parallel zu einer Kante und/oder Oberfläche des pyroelektrischen Sensorelementes (3) angeordnet ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (E1) und die zweite Elektrodenschicht (E2) des mindestens einen Aktuators (2) unterschiedliche Schichtdicken, Zusammensetzungen und/oder mechanische Eigenschaften aufweisen.
Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator (2) als piezoelektrischer, flexoelektrischer und/oder elektrostriktiver Aktuator (2) ausgebildet ist, wobei die aktive Schicht (9) mit oder aus einem piezoelektrischen, flexoelektrischen und/oder elektrostriktiven Werkstoff gebildet ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (9) des mindestens einen Aktuators (2) und/oder die pyroelektrische Schicht (13) des pyroelektrischen Sensorelementes (3) mit oder aus einem pyroelektrischen und/oder ferroelektrischen Werkstoff, insbesondere mit oder aus einem dotierten Hafniumoxid oder einem Hafnium-Mischoxid, ausgebildet ist/sind.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor eine aktive Schicht aufweist, die mit oder aus einem pyroelektrischen und/oder ferroelektrischen Werkstoff in einer Ebene parallel zur zweiten Reflexionsfläche ausgebildet ist und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert und/oder räumlich separiert ist, dass mit der aktiven Schicht (9) des Strahlungsdetektors die aktive Schicht (9) des mindestens einen Aktuators (2) und eine davon elektrisch isolierte pyroelektrische Schicht (13) des pyroelektrische Sensorelement (3) ausgebildet sind.
Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor eine Kontrolleinheit aufweist, die ausgebildet ist, die aktive Schicht (9) des mindestens einen Aktuators (2) und/oder die pyroelektrische Schicht (13) des pyroelektrischen Sensorelementes (3) zu konditionieren und/oder zu rekonditionieren, den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht (3) des mindestens einen Aktuators (2) zu erhöhen und/oder den pyroelektrischen Effekt der pyroelektrischen Schicht (13) des pyroelektrischen Sensorelementes (3) zu erhöhen.
Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ausgebildet ist, den Abstand w in einem Durchstimmbereich Δw kontinuierlich zu verändern.
Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) wellenlängenselektiv ausgebildet ist oder einen wellenlängenselektiven optische Schicht (12) aufweist, so dass eine elektromagnetische Strahlung mit einer definierten Wellenlänge λ oder einem definierten schmalbandigen Wellenlängenbereich in den Resonanzraum (4) transmittiert wird.
Detektorarray aufweisend eine Anordnung an mikromechanischen Strahlungsdetektoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zur Strahlungsmessung, bei dem eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung durch ein für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässiges Substrat (5) in einen mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten Resonanzraum (4) eines Fabry-Perot-Interferometerelementes (1) transmittiert wird, wobei die erste Reflexionsfläche mit einer Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates (5) in einem Abstand w zu der zweiten Reflexionsfläche gebildet ist, der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes (4) mittels mindestens eines Aktuators (2) definiert eingestellt und/oder verändert wird, wobei der Aktuator (2) an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes (4) ausgebildet ist und eine erste Elektrodenschicht (E1), eine aktive Schicht (9) und eine zweite Elektrodenschicht (E2) aufweist, die ausgebildet sind, den Aktuator (2) bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht (9) derart mechanisch zu verformen, dass der Abstand w definiert einstellbar und/oder veränderbar ist, mittels eines pyroelektrischen Sensorelementes (3) eine Temperaturänderung erfasst wird, die durch eine Absorption der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Resonanzfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und/oder einer Änderung des Abstands w bewirkt wird, wobei das pyroelektrische Sensorelement (3) eine pyroelektrische Schicht (13) aufweist und ausgebildet ist, die Temperaturänderung mittels der pyroelektrischen Schicht (13) zu erfassen, und aus der Temperaturänderung, dem Abstand w und/oder der Änderung des Abstands w die Intensität und/oder Wellenlänge λ der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung ermittelt wird/werden.