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DE10243012B4 - An apparatus for heat detection and methods - Google Patents

An apparatus for heat detection and methods

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DE10243012B4
DE10243012B4 DE2002143012 DE10243012A DE10243012B4 DE 10243012 B4 DE10243012 B4 DE 10243012B4 DE 2002143012 DE2002143012 DE 2002143012 DE 10243012 A DE10243012 A DE 10243012A DE 10243012 B4 DE10243012 B4 DE 10243012B4
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Abstract

Vorrichtung zur Wärmedetektion mit einem Substrat (10), einem wärmesensierenden Element (1) und einer Wärmestrahlung absorbierenden Absorberschicht (3), wobei die Absorberschicht (3) elektrisch leitend vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (3) mittels eines Kontaktierungsmittels (4, 6) elektrisch kontaktierbar vorgesehen ist. An apparatus for heat detection with a substrate (10), a wärmesensierenden element (1) and a heat radiation-absorbing absorber layer (3), wherein the absorber layer (3) is electrically conductively provided, characterized in that the absorber layer (3) by means of a bonding agent (4 , 6) can be electrically contacted provided.

Description

  • [0001] [0001]
    Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Wärmedetektion und einem Verfahren nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. The invention relates to an apparatus for heat detection, and a method according to the preamble of the independent claims. Es sind bereits Vorrichtungen zur Wärmedetektion, insbesondere Infrarotsensoren, bekannt, bei denen auf einem Substrat ein wärmesensierendes Element und eine Absorberschicht vorgesehen ist. There are already devices for heat detection, in particular infrared sensors, are known in which a wärmesensierendes element and an absorber layer is provided on a substrate. Für eine Selbsttestfunktion kann zusätzlich zum wärmesensierenden Element ein Heizwiderstand auf der Membran angeordnet sein, wobei die Temperaturerhöhung bei einer Beheizung des Heizwiderstandes mit dem wärmesensierenden Element gemessen wird. For a self-test function, a heating resistor on the membrane may be arranged in addition to the wärmesensierenden member, the increase in temperature at a heating of the heating resistor with the wärmesensierenden element is measured.
  • [0002] [0002]
    Aus der From the US 6,133,572 A US 6,133,572 A ist eine Vorrichtung zur Wärmedetektion bekannt. discloses a device for heat detection. Diese umfasst ein Substrat, wärmesensierende Elemente sowie eine aus Schwarzgold hergestellte Absorberschicht. This comprises a substrate wärmesensierende elements as well as an absorber layer made of black gold.
  • [0003] [0003]
    Aus der From the DE 198 43 984 A1 DE 198 43 984 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors auf einem Halbleitersubstrat bekannt. discloses a method of manufacturing an infrared sensor on a semiconductor substrate. Dazu wird auf einer Membran ein Strahlungsabsorber angebracht. For this, a radiation absorber is mounted on a membrane. Weiterhin sind Thermoelemente mit einem heißen Kontakt in thermischem Kontakt mit dem Strahlungsabsorber und einem kalten Kontakt in thermischem Kontakt mit dem Halbleitsubstrat vorgesehen. Furthermore, thermocouples having a hot junction is provided in thermal contact with the radiation absorber and a cold junction in thermal contact with the Halbleitsubstrat.
  • [0004] [0004]
    Aus der From the DE 197 35 379 A1 DE 197 35 379 A1 ist ein Sensorsystem zum Erfassen von Wärmestrahlung mit einem Substrat und mehreren Sensorelementen auf dem Substrat bekannt. discloses a sensor system for detecting thermal radiation comprising a substrate and a plurality of sensor elements on the substrate. Dazu ist zumindest eine Selbsttesteinrichtung vorgesehen, um Wärme zu erzeugen, mit der ein oder mehrere Sensorelemente erwärmt werden können. For this purpose, a self-test device is provided at least in order to generate heat, with the one or more sensor elements can be heated.
  • [0005] [0005]
    Aus der From the US 3,599,474 US 3,599,474 ist eine Vorrichtung zur Messung eines Wärmeausbreitungsverhaltens bekannt, mit welcher der Wärmefluss durch einen Kunststofffilm gemessen wird. discloses a device for measuring a heat propagation behavior with which the heat flow is measured by a plastic film.
  • [0006] [0006]
    Die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 sind der The features of the preamble of claim 1 are the US 6,133,572 A US 6,133,572 A entnommen. taken.
  • Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
  • [0007] [0007]
    Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass eine Selbsttestfunktion ohne zusätzliche Schichten zur Verfügung gestellt werden kann. In contrast, the inventive apparatus and the method having the features of the independent claims have the advantage that a self-test function can be provided without additional layers. Erfindungsgemäß wird als Absorberschicht bzw. als Absorber ein elektrisch leitfähiges Widerstandsmaterial eingesetzt. an electrically conductive resistive material according to the invention is used as the absorber layer or as an absorber.
  • [0008] [0008]
    Weiterhin ist die Absorberschicht mittels eines Kontaktierungsmittels elektrisch kontaktierbar vorgesehen. Further, the absorber layer is electrically contacted provided by means of a bonding agent. Dadurch ist es mit einfachen Mitteln möglich, die Absorberschicht als Heizwiderstand zu nutzen und zur Selbsttestfunktionalität einzusetzen. This makes it possible with simple means to use the absorber layer as a heating resistor and to use self-test functionality. Zusätzliche Schichten wie beispielsweise einen Zwischenisolator und eine Widerstandsschicht mit gegebenenfalls weiteren Passivierungsschichten werden nicht benötigt. Additional layers such as an intermediate insulator, and a resistive layer with, optionally, other passivation layers are not needed. Die Absorberschicht selbst ist in den Selbsttest einbezogen. The absorber layer itself is included in the self-test.
  • [0009] [0009]
    Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Asprüchen Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Verfahrens und der Vorrichtung möglich. By the provisions recited in the dependent claims, advantageous refinements of and improvements to the Asprüchen in the independent developments and improvements of the specified in the coordinated claims process and apparatus are possible.
  • [0010] [0010]
    Weiterhin ist es von Vorteil, dass das wärmesensierende Element auf einer Membran vorgesehen ist. Furthermore, it is advantageous that the wärmesensierende element is provided on a membrane. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, eine gute thermische Entkopplung des wärmesensierenden Elementes von dem Substrat herzustellen. Thereby, it is according to the invention possible to produce a good thermal decoupling of the wärmesensierenden element from the substrate. Weiterhin ist es von Vorteil, dass an die Absorberschicht wenigstens zeitweise eine elektrische Spannung anlegbar ist. Furthermore, it is advantageous that the absorber layer at times, an electrical voltage is at least applied. Damit ist es mit einfachen Mitteln möglich, den Selbsttest durchzuführen. Thus it is possible with simple means to carry out the self-test.
  • Zeichnung drawing
  • [0011] [0011]
    Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. Es zeigen Show it
  • [0012] [0012]
    1 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in Draufsicht und a device according to the invention in top view, and
  • [0013] [0013]
    2 2 eine eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in Seitensicht. an apparatus according to the invention in side view.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment
  • [0014] [0014]
    In In 1 1 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, wobei die Vorrichtung zur Wärmedetektion erfindungsgemäß auf einem Substrat shows a device according to the invention, the apparatus for heat detection according to the invention on a substrate 10 10 vorgesehen ist. is provided. Das Substrat the substrate 10 10 ist derart konfiguriert bzw. bearbeitet, dass eine Membran is configured such or machined to a membrane 2 2 in einem bestimmten Substratbereich vorgesehen ist. is provided in a given substrate region. Auf der Membran befindet sich ein wärmesensierendes Element On the membrane is an element wärmesensierendes 1 1 , welches insbesondere als Thermopile vorgesehen ist. Which is provided in particular as a thermopile. In In 1 1 dargestellt sind die verschiedenen Drähte einer Mehrzahl von solchen Thermopile-Elementen. shown are the various wires of a plurality of such thermopile elements. Auf dem wärmesensierenden Element On the wärmesensierenden element 1 1 bzw. auf dem Thermopile or on the thermopile 1 1 befindet sich eine Absorberschicht there is an absorber layer 3 3 , welche Wärmestrahlung, die insbesondere als Infrarotstrahlung vorgesehen ist, absorbiert. Which heat radiation, which is intended in particular as an infrared radiation absorbed. Bei der Absorption von Infrarotstrahlung durch die Absorberschicht On absorption of infrared radiation by the absorber layer 3 3 kommt es zu einer Erwärmung der Absorberschicht it comes to heating of the absorber layer 3 3 . , Diese Erwärmung der Absorberschicht This heating of the absorber layer 3 3 wird über das wärmesensierende Element is the element wärmesensierende 1 1 detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt. detected and converted into an electrical signal. Das elektrische Signal kann dann in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitet werden und als Signal für die einfallende Wärmestrahlung dienen. The electrical signal may then be processed further in an evaluation circuit and serve as a signal for the incident heat radiation. Die Auswerteschaltung und die elektrische Anbindung des wärmesensierenden Elementes The evaluation circuit and the electrical connection of the element wärmesensierenden 1 1 ist jedoch in However, in 1 1 nicht dargestellt. not shown.
  • [0015] [0015]
    Um bei einer solchen Vorrichtung das korrekte Funktionieren testen zu können, ist es gemäß dem Stand der Technik vorgesehen, auf dem Thermopile bzw. im Bereich der Absorberschicht In order to test the correct functioning of such a device, it is provided according to the prior art, on the thermopile or in the area of ​​the absorber layer 3 3 einen Heizwiderstand vorzusehen. to provide a heating resistor. Der Heizwiderstand simuliert die Erwärmung der Absorberschicht The heating resistor to simulate the heating of the absorber layer 3 3 durch eine im Normalfall einfallende Wärmestrahlung. by incident normally heat radiation.
  • [0016] [0016]
    Für den Selbsttestfall wird die Erwärmung durch den Heizwiderstand vorgenommen. For the self-test case, the heating is carried out through the heating resistor. Zur Erzeugung des Heizwiderstandes für die Selbsttestfunktion müssen in der Regel zusätzliche Schichten im Bereich der Absorberschicht To generate the heating resistor for the self-test function normally additional layers in the absorber layer must 3 3 vorgesehen sein. be provided.
  • [0017] [0017]
    Hier ist dies nicht notwendig. Again, this is not necessary. Die Absorberschicht The absorber layer 3 3 ist elektrisch leitend vorgesehen. is electrically conductive provided. Hierzu kann die Absorberschicht aus folgenden Materialien aufgebaut sein bzw. diese umfassen: Graphithaltige Pasten, Graphithaltige Lacke, sogenannte „schwarze" Metallschichten (Au, Ag, Pt), die unter speziellen Abscheidebedingungen, rauhe Oberflächen bekommen For this, the absorber layer may be constructed of the following materials and these include: the get under particular deposition conditions, rough surfaces graphite-containing paste, graphite-containing coatings, so-called "black" metal layers (Au, Ag, Pt)
  • [0018] [0018]
    Es kann als Absorberschicht It can be used as absorber layer 3 3 auch ein Widerstandsmaterial eingesetzt werden, wie es aus der Hybridtechnik bekannt ist, beispielsweise Rutheniumhaltige Widerstandspaste Durch das Vorsehen der Absorberschicht a resistive material are used, as is known from hybrid technology, such as ruthenium resistor paste By providing the absorber layer 3 3 mit einem Material, welches elektrisch leitend ist, kann die Absorberschicht with a material which is electrically conductive, the absorber layer may 3 3 gleichzeitig auch als Heizwiderstand genutzt werden. simultaneously be used as a heating resistor. Zusätzliche Schichten wie beispielsweise einen Zwischenisolator, eine Widerstandsschicht und eventuell eine Passivierungsschicht können entfallen und werden nicht benötigt. Additional layers such as an intermediate insulator, a resistance layer and possibly a passivation layer can be omitted and are not needed. Damit kann die Absorberschicht Thus, the absorber layer 3 3 in den Selbsttest miteinbezogen werden. are involved in the self-test. Zum Betrieb der Absorberschicht To operate the absorber layer 3 3 für den Fall eines Selbsttestes der Vorrichtung ist es vorgesehen, im Bereich der Absorberschicht in the case of a self-test of the apparatus, it is provided in the area of ​​the absorber layer 3 3 , dh insbesondere auf der Absorberschicht Ie in particular the absorber layer 3 3 , erste und zweite Kontaktierungsmittel , First and second contact means 4 4 , . 6 6 vorzusehen. provided. Durch das erste Kontaktierungsmittel Through the first contact means 4 4 und das zweite Kontaktierungsmittel and the second contacting means 6 6 ist die Absorberschicht is the absorber layer 3 3 elektrisch kontaktierbar vorgesehen. electrically contacted provided. Die Kontaktierungsmittel the contacting 4 4 , . 6 6 sind insbesondere als Metallleitbahnen vorgesehen, die sich oberhalb der Absorberschicht are in particular provided as a metal interconnects extending above the absorber layer 3 3 oder unterhalb der Absorberschicht or below the absorber layer 3 3 befinden können. can be located. Die Kontaktierungsmittel the contacting 4 4 , . 6 6 sind jeweils mit einem Anschlusspad verbunden, wobei das erste Kontaktierungsmittel are each connected to a contact pad, wherein the first contacting means 4 4 mit einem Anschlusspad with a connection pad 5 5 und das zweite Kontaktierungsmittel and the second contacting means 6 6 mit einem Anschlusspad with a connection pad 7 7 verbunden ist. connected is. Über die Anschlusspads bzw. über die Beaufschlagung der Anschlusspads On the pads or on the loading of the pads 5 5 , . 7 7 mit einer Spannung ist es möglich, eine elektrische Spannung an die Absorberschicht with a voltage, it is possible to provide an electric voltage to the absorber layer 3 3 anzulegen, sodass in der Absorberschicht create, so in the absorber layer 3 3 ein elektrischer Strom, der in an electric current flowing in 1 1 mittels eines mit dem Bezugszeichen by means of the reference numeral 45 45 versehenen Pfeils dargestellt ist, fließen kann. Arrow provided is shown, can flow.
  • [0019] [0019]
    Es ist insbesondere vorgesehen, dass das wärmesensierende Element It is particularly provided that the element wärmesensierende 1 1 durch seine Anordnung auf der Membran due to its arrangement on the membrane 2 2 thermisch von der Umgebung isoliert vorgesehen ist. is provided thermally insulated from the environment. Hierzu ist in To this end, in 2 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung dargestellt. shows a side view of the device. Auf dem Substrat On the substrate 10 10 ist eine Membran is a membrane 2 2 vorgesehen, welche das wärmesensierende Element provided that the element wärmesensierende 1 1 und die Absorberschicht and the absorber layer 3 3 trägt. wearing. Weiterhin sind in Furthermore, in 2 2 das erste Kontaktierungsmittel the first contacting means 4 4 und der erste Anschlusspad and the first connection pad 5 5 dargestellt. shown. Durch die dünne Membran Through the thin membrane 2 2 ist es möglich, dass das wärmesensierende Element it is possible that the element wärmesensierende 1 1 thermisch von seiner Umgebung gut isoliert ist. is thermally well insulated from its surroundings. Die Absorberschicht The absorber layer 3 3 wird beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens auf das wärmesensierende Element for example, by a screen printing method to the element wärmesensierende 1 1 aufgebracht bzw. auf die Membran or applied to the membrane 2 2 . , Die Anschlusspads the pads 5 5 , . 7 7 dienen dem Anschluss von Bonddrähten. are used for connecting bonding wires. Zur Durchführung des Verfahrens wird an die Kontaktierungsmittel For performing the method is applied to the contacting means 4 4 , . 6 6 eine Spannung angelegt, welche den Strom applying a voltage, which power the 45 45 durch die Absorberschicht through the absorber layer 3 3 treibt. drives.
  • [0020] [0020]
    Hierdurch wird also der Strom So this way, the current 45 45 in der Absorberschicht in the absorber layer 3 3 eingeprägt, sodass sich durch den Widerstand der Absorberschicht embossed, so that by the resistance of the absorber layer 3 3 eine Temperaturerhöhung in der Absorberschicht a temperature increase in the absorber layer 3 3 einstellt, die in der Größenordnung der Temperaturerhöhung ist, die durch die Wärmestrahlung mittels der Vorrichtung detektiert werden soll. setting, which is in the order of magnitude of the temperature increase to be detected by the thermal radiation means of the device. Dadurch wird also mittels des Selbsttestes am Ausgang des wärmesensierenden Elements therefore characterized by means of the self-test at the output of element wärmesensierenden 1 1 ein Signal registriert, welches in der Größenordnung des Messsignals ist. a signal register, which is in the order of magnitude of the measuring signal.
  • [0021] [0021]
    Die Zeitdauer des Selbsttests liegt bei einigen Millisekunden. The duration of the self-test is a few milliseconds. Die Widerstände haben abhängig vom Material Größenordnungen von einigen Ohm (Metalle) bis Kiloohm (graphitgefüllte Pasten/Lacke, Widerstandspasten). The resistors dependent on the material of magnitude of a few ohms (metals) to kilohms (graphite-filled pastes / coatings, resistance pastes). Die Schichtdicke des Absorbers liegt zwischen einigen hundert Nanometern und einigen Mikrometern. The layer thickness of the absorber is located between a few hundred nanometers and a few micrometers.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Wärmedetektion mit einem Substrat ( An apparatus for heat detection (with a substrate 10 10 ), einem wärmesensierenden Element ( (), A member wärmesensierenden 1 1 ) und einer Wärmestrahlung absorbierenden Absorberschicht ( ) And a heat radiation-absorbing absorber layer ( 3 3 ), wobei die Absorberschicht ( ), Wherein the absorber layer ( 3 3 ) elektrisch leitend vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , dass die Absorberschicht ( ) Is electrically conductively provided, characterized in that the absorber layer ( 3 3 ) mittels eines Kontaktierungsmittels ( ) (By means of a bonding agent 4 4 , . 6 6 ) elektrisch kontaktierbar vorgesehen ist. ) Can be electrically contacted provided.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmesensierende Element ( Device according to claim 1, characterized in that the wärmesensierende element ( 1 1 ) auf einer Membran ( ) (On a membrane 2 2 ) vorgesehen ist. ) is provided.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Absorberschicht ( Device according to one of the preceding claims, characterized in that (at the absorber layer 3 3 ) wenigstens zeitweise eine elektrische Spannung anlegbar ist. ) Temporarily, an electrical voltage is at least applied.
  4. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Wärmedetektion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens kurzzeitig die Absorberschicht ( A method of operating a device for thermal detection according to any one of the preceding claims, characterized in that at least short-term (the absorber layer 3 3 ) von einem elektrischen Strom ( ) (By an electric current 45 45 ) durchflossen wird. ) Is crossed.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des des Stromes ( A method according to claim 4, characterized in that (during the current 45 45 ) ein Selbsttest durchführbar ist. ) Is a self-test to perform.
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