DE10260408A1 - Thermal radiation sensor array has two vertically separated sub arrays which are staggered to collect all the incident radiation - Google Patents
Thermal radiation sensor array has two vertically separated sub arrays which are staggered to collect all the incident radiationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine thermische Strahlungssensorzeile gemäß der Gattung der Patentansprüche zur simultanen Messung der Intensität eines elektromagnetischen Strahlungsfeldes im IR- oder im UV-VIS- Spektralbereich. The invention relates to a thermal radiation sensor line according to the Genus of claims for simultaneous measurement of the intensity of a electromagnetic radiation field in IR or UV-VIS Spectral range.
Allen thermischen Strahlungsempfängern ist der Umstand gemeinsam, dass die einfallende Strahlung eine Temperaturdifferenz zwischen einem absorbierenden Medium, welches sich auf einer thermisch gut isolierten Struktur (beispielsweise einer Membran) befindet, und einer Wärmesenke (beispielsweise einem Trägerchip) erzeugt oder ändert. Die resultierende Temperaturänderung des Absorbers wandelt ein auf einem geeigneten physikalischen Effekt (beispielsweise Seebeck-Effekt, thermoresistiver bzw. bolometrischer Effekt oder pyroelektrischer Effekt) beruhender Transducer in ein elektrisches Ausgangssignal um. Das thermische Wirkprinzip hat zur Folge, dass thermische Sensoren in einem breiten Spektralbereich gleichmäßig empfindlich sind und keine Kühlung benötigen. All thermal radiation receivers have one thing in common, that the incident radiation has a temperature difference between one absorbent medium, which is thermally well insulated Structure (such as a membrane), and a heat sink (for example, a carrier chip) created or changed. The resulting one Temperature change of the absorber converts to a suitable one physical effect (e.g. Seebeck effect, thermoresistive or bolometric effect or pyroelectric effect) based Transducer into an electrical output signal. The thermal Working principle has the consequence that thermal sensors in a wide range Spectral range are equally sensitive and no cooling need.
Aus mehreren thermischen Strahlungssensoren aufgebaute Sensorzeilen
sind bekannt, sowohl als einfache, d. h. nicht versetzt angeordnete Zeile,
vgl. bspw.:
[1] P. M. Sarro, H. Yashiro, A. W. v. Herwaarden, S. Middelhoek, An
integrated thermal infrared sensing array, Sensors and Actuators,
14 (1988) 191-201;
[2] R. Lenggenhager, H. Baltes, T. Elbel, Thermoelectric infrared
sensors in CMOS technology, Sensors and Actuators, A37-38
(1993) 216-220;
[3] R. Köhler, N. Neumann, G. Hofmann, Pyroelectric single-element
and linear-array sensors based on P(VDF/TrFE) thin film s, Sensors
and Actuators, A45 (1994) 209-218;
[4] H. Jerominek, F. Picard, N. R. Swart, M. Renaud, M. Levesque, M.
Lehoux, J. S. Castonguay, M. Pelletier, G. Bilodeau, D. Audet, T. D.
Pope, P. Lambert, Micromachined uncooled VO2-based IR
bolometer arrays, Proc. SPIE, 2746 (1996) 60-71;
[5] C. M. Travers, A. Jahanzeb, D. P. Butler, Z. Celik-Butler,
Fabrication of semiconducting YBaCuO surface-micromachined
bolometer arrays, J. Microelectromech. Systems, 6 (1997) 271-276;
[6] M. Simon, J. Schieferdecker, M. Schulze, R. Gottfried-Gottfried,
M. Müller, R. Jähne, Linear thermopile sensor array for contactless
temperature measurement, Proceedings of Sensor '97, 8th
International Trade Fair and Conference for Sensors, Transducers
& Systems, Vol. 11, Nürnberg, 1997, 83-88;
[7] M. C. Foote, E. W. Jones, T. Caillat, Uncooled thermopile infrared
detector linear arrays with detectivity greater than 109 cmHz1/2/W,
IEEE Trans. on Electron Dev., 45 (1998) 1896-1902,
als auch als nebeneinander in einer Ebene versetzte Anordnung zweier
Halbzeilen, vgl. bspw.:
[8] I. H. Choi, K. D. Wise, A silicon-thermopile-based infrared sensing
array for use in automated manufacturing, IEEE Trans. on Electron
Devices, ED-33 (1986) 72-79;
[9] W. Schnelle, U. Diliner, 5. Poser, A linear thermopile infrared
sensing array, VDI-Berichte, 982, (1992) 261-264;
[10] W. G. Baer, K. Najafi, K. D. Wise, R. S. Toth, A 32-element
micromachined thermal imager with on-chip multiplexing, Sensors
and Actuators, A48 (1995) 47-54;
[11] E. Kessler, U. Diliner, V. Baier, J. Müller, A 256 pixel linear
thermopile array using materials with high thermoelectric
efficiency, Proceedings of the XVI International Conference on
Thermoelectrics, Dresden, 1997, 734-737;
[12] J.-P. Krebs, O. Brunel, C. Guerin, D. Guillon, J. M. Niot, A new
infrared static earth sensor for micro and nano-satellites, 2nd
Round Table on Micro/Nano Technologies for Space, ESTEC
(Noordwijk), 15-17 October 1997, 187-197.
Sensor lines constructed from a plurality of thermal radiation sensors are known, both as a simple line, that is to say as a line which is not offset, cf. eg .:
[1] PM Sarro, H. Yashiro, AW v. Herwaarden, S. Middelhoek, An integrated thermal infrared sensing array, Sensors and Actuators, 14 (1988) 191-201;
[2] R. Lenggenhager, H. Baltes, T. Elbel, Thermoelectric infrared sensors in CMOS technology, Sensors and Actuators, A37-38 (1993) 216-220;
[3] R. Köhler, N. Neumann, G. Hofmann, Pyroelectric single-element and linear-array sensors based on P (VDF / TrFE) thin film s, Sensors and Actuators, A45 (1994) 209-218;
[4] H. Jerominek, F. Picard, NR Swart, M. Renaud, M. Levesque, M. Lehoux, JS Castonguay, M. Pelletier, G. Bilodeau, D. Audet, TD Pope, P. Lambert, Micromachined uncooled VO2-based IR bolometer arrays, Proc. SPIE, 2746 (1996) 60-71;
[5] CM Travers, A. Jahanzeb, DP Butler, Z. Celik-Butler, Fabrication of semiconducting YBaCuO surface-micromachined bolometer arrays, J. Microelectromech. Systems, 6 (1997) 271-276;
[6] M. Simon, J. Schieferdecker, M. Schulze, R. Gottfried-Gottfried, M. Müller, R. Jähne, Linear thermopile sensor array for contactless temperature measurement, Proceedings of Sensor '97, 8th International Trade Fair and Conference for Sensors, Transducers & Systems, Vol. 11, Nuremberg, 1997, 83-88;
[7] MC Foote, EW Jones, T. Caillat, Uncooled thermopile infrared detector linear arrays with detectivity greater than 10 9 cmHz 1/2 / W, IEEE Trans. On Electron Dev., 45 (1998) 1896-1902,
as well as an arrangement of two half lines offset next to each other in one plane, cf. eg .:
[8] IH Choi, KD Wise, A silicon-thermopile-based infrared sensing array for use in automated manufacturing, IEEE Trans. On Electron Devices, ED-33 (1986) 72-79;
[9] W. Schnell, U. Diliner, 5th Poser, A linear thermopile infrared sensing array, VDI reports, 982, (1992) 261-264;
[10] WG Baer, K. Najafi, KD Wise, RS Toth, A 32-element micromachined thermal imager with on-chip multiplexing, Sensors and Actuators, A48 (1995) 47-54;
[11] E. Kessler, U. Diliner, V. Baier, J. Müller, A 256 pixel linear thermopile array using materials with high thermoelectric efficiency, Proceedings of the XVI International Conference on Thermoelectrics, Dresden, 1997, 734-737;
[12] J.-P. Krebs, O. Brunel, C. Guerin, D. Guillon, JM Niot, A new infrared static earth sensor for micro and nano-satellites, 2nd Round Table on Micro / Nano Technologies for Space, ESTEC (Noordwijk), October 15-17 1997, 187-197.
Zeilenanordnungen von thermischen Strahlungssensoren sind für die Anwendung in Spektrometern bzw. Spektralphotometern von Interesse, um spektrale Verteilungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu erfassen. Ein weiteres Anwendungsfeld solcher linearer Anordnungen mehrerer Pixel ist die Aufnahme von Wärmebildern, wo sich gegenüber dem Einsatz eines einzelnen Strahlungssensors Vorteile durch eine Verminderung der Dimensionszahl der Bildabtastung von zwei auf eins ergeben. Die Geräteauflösung wird in jedem Fall maßgeblich durch die Pixeldichte, d. h. die Pixelzahl pro Längeneinheit der Sensorzeile, begrenzt. Die Pixeldichte wiederum kann aufgrund technologisch bedingter minimaler Strukturbreiten und wegen des thermisches Übersprechens nicht beliebig erhöht werden. Um trotz Begrenzung der Pixeldichte durch minimale Strukturbreiten die Auflösung zu verdoppeln, werden zwei Halbzeilen nebeneinander in einer Ebene um einen halben Pitch versetzt angeordnet [8-12]. Zur Minimierung des thermischen Übersprechens zwischen benachbarten Pixeln, die auf einer Membran liegen, kann diese, z. B. durch ein Trockenätzverfahren, zwischen den Pixeln geschlitzt werden [7, 11]. Fig. 1 (Stand der Technik) zeigt in einer Draufsicht A, einem Ausschnitt B und einem Vertikalschnitt C schematisch eine solche versetzte Anordnung. Ein Trägerchip 4 bildet den Rahmen für eine Membran 3 mit Schlitzen 1 zwischen den Pixeln 2. Die funktionell zur Begrenzung des thermischen Übersprechens notwendige Schlitzung hat allerdings den Nachteil, dass ein erheblicher Teil der auf die Zeile auftreffenden Strahlungsenergie ungenutzt verloren geht. Row arrangements of thermal radiation sensors are of interest for use in spectrometers or spectrophotometers in order to record spectral distributions as a function of the wavelength. Another field of application of such linear arrangements of several pixels is the recording of thermal images, where there are advantages over the use of a single radiation sensor by reducing the number of dimensions of the image scanning from two to one. In any case, the device resolution is significantly limited by the pixel density, ie the number of pixels per unit length of the sensor line. The pixel density, in turn, cannot be increased arbitrarily due to the technologically-related minimal structure widths and due to the thermal crosstalk. In order to double the resolution despite the limitation of the pixel density due to minimal structure widths, two half lines are arranged next to each other in a plane offset by half a pitch [8-12]. To minimize thermal crosstalk between neighboring pixels that lie on a membrane, this can be done e.g. B. by a dry etching process between the pixels [7, 11]. Fig. 1 (prior art) shows, in a plan view A, a section B and a vertical section C schematically such an offset arrangement. A carrier chip 4 forms the frame for a membrane 3 with slots 1 between the pixels 2 . However, the slit functionally necessary to limit thermal crosstalk has the disadvantage that a considerable part of the radiation energy striking the line is lost unused.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die räumliche Auflösung der Sensorzeile durch eine neuartige Anordnung der die Zeile bildenden Einzelsensoren zu erhöhen und dabei zumindest nahezu die gesamte auftreffende Strahlungsenergie zu erfassen. It is therefore an object of the invention, the spatial resolution of the Sensor line through a new arrangement of the line forming Increase individual sensors and at least almost the entire one to record incident radiation energy.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die um einen halben Pitch (oder andere Pitch-Bruchteile, wenn mehrerer Chips übereinander angeordnet sind) versetzte Anordnung der mindestens zweiten Halbzeile (Subzeile) nicht auf einer vom gleichen Chip berandeten Trägermembran neben der ersten Halbzeile realisiert wird, sondern auf einer von dem mindestens zweiten Chip berandeten Trägermembran unter der ersten Halbzeile. Der Schlitz in der Membran erhält gleichzeitig die Funktion einer Blende, durch die die Strahlung auf die mindestens zweite Halbzeile fällt. According to the invention, the object is characterized by the features of the first claim. Advantageous embodiments of the Invention are contained in the subclaims. The essence of Invention is that by half a pitch (or other Pitch fractions if several chips are arranged one above the other) staggered arrangement of the at least second half line (sub line) is not on a carrier membrane bordered by the same chip next to the first Half line is realized, but on one of the at least second Chip edged carrier membrane under the first half line. The slot in the membrane also acts as an aperture through which the radiation falls on the at least second half line.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: The invention is described below with the aid of the schematic drawing two exemplary embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine zum Stand der Technik (siehe oben) gehörende thermische Strahlungssensorzeile als Draufsicht A, Ausschnitt B und Vertikalschnitt C, Fig. 1 is a prior art (see above) belonging thermal radiation sensor line as a plan view A, segment B and C vertical section,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße thermische Strahlungssensorzeile mit zwei Subzeilen als Draufsicht D und Vertikalschnitt E und Fig. 2 shows a thermal radiation sensor line according to the invention with two sub-lines as a plan view D and vertical section E and
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Strahlungssensorzeile mit drei Subzeilen. Fig. 3 is a radiation sensor line according to the invention with three sublines.
In den Fig. 1 und 2 befinden sich auf einem Chip 4 zwei im Aufbau gleiche Halbzeilen (Subzeilen) 5, 6. Eine vom Trägerchip 4 berandete Membran 3 ist in beiden Fällen mit Schlitzen 1 der Breite b zwischen Pixeln 2 der Breite c versehen, die diese thermisch separieren. Während jedoch in Fig. 1 derselbe Chip 4 die Membranen beider Halbzeilen berandet, wird im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Membran 3, jeder Halbzeile 5, 6 von einem eigenen Chip 7, 8 berandet, wobei beide untereinander in der Weise angeordnet sind, dass sich die Pixelmitten m der einen Halbzeile 5 über den Mitten r der Schlitze I der anderen befindet. Ein Teil einer auf die erste Halbzeile 5 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung S wird von deren Pixeln 2 absorbiert, der andere gelangt durch die Schlitze 1 der ersten Halbzeile 5 auf die Pixel 2 der zweiten Halbzeile 6, um dort absorbiert zu werden. Im Ausführungsbeispiel besteht der Chip 4 aus Silizium mit einer Dicke von 400 µm. Das Membranmaterial ist im Beispiel ein stresskompensiertes Siliziumoxinitrid (SiON) einer Dicke von ca. 1 µm, die Membran 3 besitzt eine Fläche von 22,5 mm 1,2 mm. Sie kann durch rückseitiges anisotropes Nassätzen von zuvor entsprechend beschichteten Si-Wafern präpariert werden. Jede Halbzeile S. 6 besteht aus 128 Pixeln 2, die Pixelbreite beträgt 89 µm, der Pitch, der Abstand a zwischen den Mitten m zweier benachbarter Pixel, 175 µm. Daraus ergibt sich eine Breite der RIE-trockengeätzten Schlitze 1 von 86 µm. Jedes Pixel 2 wird, ähnlich wie bspw. in oben genannter Literatur [11], auf die zur Vermeidung von Wiederholungen ausdrücklich Bezug genommen wird, von einer Thermosäule als einer Serienschaltung von zehn Thermoelementen aus n- Bi0,87Sb0,13 und p-Sb gebildet, wobei die ca. 0,4 µm dicken und 8 µm breiten n- und p-Schenkel durch eine Isolationsschicht voneinander getrennt, übereinander in Mehrlagentechnologie aufgebracht werden. Die warmen Kontaktstellen der Thermoschenkel befinden sich in der Membranmitte, die kalten auf dem Chip als Wärmesenke. Als Absorbermaterial kann vorzugsweise eine Silber-Schwarz-Schicht eingesetzt werden. Die Pixeldichte einer Halbzeile beträgt 1/Pitch = 5,7 mm-1. Durch die dreidimensional versetzte Anordnung der im Beispiel zwei Halbzeilen gemäß Fig. 2 verdoppelt sich diese auf eine effektive Pixeldichte von 11,4 mm-1. In Figs. 1 and 2 are on a chip 4 two identical in construction half-line (subline) 5, 6. A membrane 3 bordered by the carrier chip 4 is provided in both cases with slots 1 of width b between pixels 2 of width c, which thermally separate them. However, while in FIG. 1 the same chip 4 borders the membranes of both half rows, in the exemplary embodiment according to the invention according to FIG. 2 the membrane 3 , each half row 5 , 6 is bordered by a separate chip 7 , 8 , both of which are arranged one below the other in the manner that the pixel centers m of one half line 5 are above the centers r of the slots I of the other. Part of an electromagnetic radiation S impinging on the first half line 5 is absorbed by its pixels 2 , the other reaches the pixels 2 of the second half line 6 through the slits 1 of the first half line 5 in order to be absorbed there. In the exemplary embodiment, the chip 4 consists of silicon with a thickness of 400 μm. In the example, the membrane material is a stress-compensated silicon oxynitride (SiON) with a thickness of approx. 1 μm, the membrane 3 has an area of 22.5 mm 1.2 mm. It can be prepared by anisotropic wet etching on the back of previously appropriately coated Si wafers. Each half line S. 6 consists of 128 pixels 2 , the pixel width is 89 μm, the pitch, the distance a between the centers m of two adjacent pixels, 175 μm. This results in a width of the RIE dry-etched slots 1 of 86 μm. Each pixel 2 is, similar to, for example, in the above-mentioned literature [11], to which express reference is made to avoid repetitions, by a thermopile as a series connection of ten thermocouples made of n-Bi 0.87 Sb 0.13 and p -Sb formed, the approx. 0.4 µm thick and 8 µm wide n- and p-legs separated from each other by an insulation layer, applied one above the other in multi-layer technology. The warm contact points of the thermal limbs are in the middle of the membrane, the cold ones on the chip as a heat sink. A silver-black layer can preferably be used as the absorber material. The pixel density of a half line is 1 / pitch = 5.7 mm -1 . As a result of the three-dimensionally offset arrangement of the two half lines according to FIG. 2 in the example, this is doubled to an effective pixel density of 11.4 mm -1 .
Die dreidimensional versetzte Anordnung kann auch durch die Stapelung von mehr als zwei Halbzeilen realisiert werden. Hier gilt: Schlitzbreite/Pixelbreite = Zahl der Subzeilen -1. In Fig. 3 ist das für den Fall dreier Subzeilen 9, 10, 11 schematisch dargestellt. The three-dimensionally offset arrangement can also be realized by stacking more than two half lines. The following applies here: slot width / pixel width = number of sub-lines -1. This is shown schematically in FIG. 3 for the case of three sub-lines 9 , 10 , 11 .
Zusammengefasst besteht die thermische Strahlungssensorzeile gemäß vorliegender Erfindung aus mindestens zwei Subzeilen 5, 6, von denen jede von einem Chip 4 berandet ist und eine mit mehreren, durch Schlitze 1 getrennten, die Strahlung absorbierenden Pixeln 2 belegte Membran 3 beinhaltet, wobei die Subzeilen 5, 6 dreidimensional übereinander gestapelt und die einzelnen Subzeilen versetzt zueinander übereinander liegend angeordnet sind und der Betrag des Versatzes zwischen den Subzeilen dem Kehrwert der effektiven Pixeldichte der gesamten Strahlungs-Sensorzeile entspricht und gleich dem Pitch der Subzeilen geteilt durch die Zahl der gestapelten Subzeilen ist. In summary, the thermal radiation sensor line according to the present invention consists of at least two sub-lines 5 , 6 , each of which is bordered by a chip 4 and contains a membrane 3 occupied by a plurality of radiation-absorbing pixels 2 separated by slots 1 , the sub-lines 5 , 6 stacked three-dimensionally one above the other and the individual sub-lines are arranged offset one above the other and the amount of offset between the sub-lines corresponds to the reciprocal of the effective pixel density of the entire radiation sensor line and is equal to the pitch of the sub-lines divided by the number of stacked sub-lines.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. All in the description, the following claims and the Features shown in the drawing can be used both individually and in any combination with each other be essential to the invention.
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Publications (1)
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|---|---|
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| DE10260408A Withdrawn DE10260408A1 (en) | 2001-12-31 | 2002-12-17 | Thermal radiation sensor array has two vertically separated sub arrays which are staggered to collect all the incident radiation |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010042108A1 (en) | 2010-01-18 | 2011-07-21 | Heimann Sensor GmbH, 01109 | Thermopile infrared sensor in monolithic Si micromechanics |
-
2002
- 2002-12-17 DE DE10260408A patent/DE10260408A1/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010042108A1 (en) | 2010-01-18 | 2011-07-21 | Heimann Sensor GmbH, 01109 | Thermopile infrared sensor in monolithic Si micromechanics |
| EP2348294A1 (en) | 2010-01-18 | 2011-07-27 | Heimann Sensor GmbH | Thermopile infrared sensor in monolithic silicium microstructure |
| DE102010042108B4 (en) * | 2010-01-18 | 2013-10-17 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor in monolithic Si micromechanics |
| US8592765B2 (en) | 2010-01-18 | 2013-11-26 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor by monolithic silicon micromachining |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: H01L 35/32 AFI20051017BHDE |
|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |