DE10321639A1 - Infrared sensor with optimized use of space - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungssensor, z. B. für die berührungslose Temperaturmessung oder die Infrarot-Spektroskopie, mit einem Detektorelement, wobei das Detektorelement ein Absorberelement (13, 14, 15, 16, 51, 52), das Strahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt, und einen Tragkörper (2) mit einer Tragkörperfläche zur Aufnahme des Absorberelements (13, 14, 15, 16, 51, 52) aufweist, wobei die Tragkörperfläche eine Ausnehmung aufweist und das Absorberelement (13, 14, 15, 16, 51, 52) derart auf der Tragkörperfläche und über der Ausnehmung angeordnet ist, daß zumindest ein Abschnitt des Absorberelements (13, 14, 15, 16, 51, 52) den Tragkörper (2) nicht berührt. Um einen Strahlungssensor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welcher auf möglichst kleiner Chipfläche ein verstärktes Signal erzeugt und der einen kleinen Meßfleck erlaubt und mit bekannten standardisierten Technologien hergestellt werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Ausnehmung eine Ausdehnung hat, die mindestens 45% der Tragkörperfläche entspricht.The present invention relates to a radiation sensor, e.g. B. for non-contact temperature measurement or infrared spectroscopy, with a detector element, the detector element being an absorber element (13, 14, 15, 16, 51, 52) which absorbs radiation and is thereby heated, and a supporting body (2) a supporting body surface for receiving the absorber element (13, 14, 15, 16, 51, 52), the supporting body surface having a recess and the absorber element (13, 14, 15, 16, 51, 52) in this way on the supporting body surface and above the Is arranged recess that at least a portion of the absorber element (13, 14, 15, 16, 51, 52) does not touch the support body (2). In order to provide a radiation sensor of the type mentioned at the outset, which generates an amplified signal on the smallest possible chip area and which allows a small measuring spot and can be produced using known standardized technologies, it is proposed according to the invention that the recess has an extent which is at least 45 % of the supporting body area corresponds.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungssensor, z.B. für die berührungslose Temperaturmessung oder die Infrarot-Gasspektroskopie.The present invention relates to a radiation sensor, e.g. for the contactless Temperature measurement or infrared gas spectroscopy.
Es sind eine Vielzahl von Techniken zur Messung von Temperaturen bekannt, die eine große Zahl von Effekten meßtechnisch ausnutzen, bei denen physikalische oder chemische Stoffeigenschaften eine Temperaturabhängigkeit zeigen. Dabei beruhen nahezu alle Verfahren auf einem Wärmetransport zum Meßfühler bzw. Sensor. Bei den sogenannten Berührungsthermometern erfolgt dieser Wärmetransport durch Wärmeleitung und Konvektion, bei den berührungslosen Thermometern (Strahlungsthermometern) durch Wärmestrahlung.It a variety of techniques for measuring temperatures are known, which is a big one Number of effects by measurement take advantage of physical or chemical properties a temperature dependency demonstrate. Almost all processes are based on heat transfer to the sensor or Sensor. With the so-called touch thermometers this heat transfer takes place through heat conduction and convection, for the non-contact Thermometers (radiation thermometers) through thermal radiation.
Auch wenn die Berührungsthermometer im allgemeinen sehr zuverlässig arbeiten und meist einfach und kostengünstig herzustellen sind, ist ihr Einsatzgebiet dennoch eingeschränkt. So gibt es beispielsweise bedingt durch die Materialeigenschaften des Meßfühlers eine obere Temperaturgrenze, oberhalb derer der Meßfühler nicht mehr betrieben werden kann. Darüber hinaus sind die Berührungsthermometer ungeeignet, die Temperatur von schnell bewegten oder schwer zugänglichen Objekten zu messen.Also when the touch thermometer generally very reliable work and are usually simple and inexpensive to manufacture their area of application is nevertheless restricted. For example, there are conditions an upper temperature limit due to the material properties of the sensor, above which the sensor is not can be operated more. About that beyond are the touch thermometers unsuitable, the temperature of quickly moving or difficult to access To measure objects.
Daher kommen in vielen Anwendungsgebieten berührungslose Meßverfahren zum Einsatz, die auf der Temperaturstrahlung beruhen. Jede Oberfläche mit einer Temperatur T > 0 K sendet elektromagnetische Strahlung aus, die sogenannte Temperaturstrahlung. Trifft eine von einer Oberfläche ausgehende Strahlung auf eine andere Oberfläche, so wird sie teilweise reflektiert, absorbiert oder durchgelassen. Daher werden bei Strahlungsthermometern Absorptionselemente eingesetzt, die eine idealerweise von der Wellenlänge unabhängige Absorptionsfähigkeit aufweisen und die sich beim Auftreffen der Strahlung (Infrarotstrahlung) erwärmen, so daß die Erwärmung des Absorptionselement als Nachweis für die emittierte Infrarotstrahlung dienen kann.Therefore non-contact measurement methods are used in many areas of application to use, which are based on the temperature radiation. Any surface with a temperature T> 0 K emits electromagnetic radiation, the so-called temperature radiation. Strikes one from a surface outgoing radiation on another surface, so it becomes partial reflected, absorbed or transmitted. Therefore, with radiation thermometers Absorption elements are used, which ideally have an absorption capacity that is independent of the wavelength and which change when the radiation strikes (infrared radiation) heat, So that the warming of the absorption element as proof of the emitted infrared radiation can serve.
Strahlungsthermometer oder sogenannte Strahlungspyrometer weisen im allgemeinen eine Optik, ein Detektorelement mit einem Absorptionselement sowie ein Gehäuse auf, das Optik und Detektor mechanisch und thermisch schützt. Bei diesen Sensoren wird die von dem Meßobjekt ausgesandte Infrarotstrahlung durch geeignete Fenster oder optische Komponenten auf eine absorbierende Fläche abgebildet, wobei diese Fläche aufgrund der Absorption eine Temperaturerhöhung erfährt. Es versteht sich, daß das Strahlungsthermometer auch zur Messung von Temperaturen, die unterhalb der Eigentemperatur des Thermometers liegen, verwendet werden kann. In diesem Fall strahlt die absorbierende Fläche mehr Strahlung ab als sie absorbiert, so daß die absorbierende Fläche sich insgesamt abkühlt.radiation thermometer or so-called radiation pyrometers generally have optics, a detector element with an absorption element and a housing, that mechanically and thermally protects the optics and detector. at These sensors receive the infrared radiation emitted by the measurement object through suitable windows or optical components onto an absorbent area mapped, this area due to the absorption experiences a temperature increase. It is understood that the radiation thermometer too for measuring temperatures below the intrinsic temperature of the thermometer can be used. In this case shines the absorbent surface emits more radiation than it absorbs, so that the absorbing surface itself cools down overall.
Diese Temperaturerhöhung (oder -erniedrigung) kann anschließend auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Bei den Thermistor-Bolometern mißt man die Änderung des elektrischen Widerstandes, bei den Thermoelementen die Spannung an der Kontaktstelle zweier Metalldrähte, bei den pyroelektrischen Detektoren eine Ladungsverschiebung, die bei einer Temperaturänderung spezieller Isolatorkristalle entsteht.This temperature increase (or lowering) can then be done in different ways be measured. The change is measured for the thermistor bolometers of electrical resistance, for thermocouples the voltage at the contact point of two metal wires, the pyroelectric Detectors a charge shift that occurs when the temperature changes special isolator crystals are created.
Die Thermoelemente nutzen den sogenannten Seebeck-Effekt zum Nachweis der erhöhten Temperatur aus. Dabei wird der Verbindungspunkt eines Thermopaares aus zwei verschiedenen thermoelektrischen Materialien in Kontakt mit dem Absorberbereich gebracht, während sich die Referenzkontakte im allgemeinen auf der Temperatur des Sensorgehäuses befinden. Da die Sensorausgangsspannungen solcher Thermoelemente sehr gering sind, werden häufig viele solcher Thermoelemente in Reihe geschaltet. Eine solche Reihenschaltung einer Vielzahl von Thermoelementen wird auch als Thermosäule bzw. Thermopile bezeichnet.The Thermocouples use the so-called Seebeck effect for detection the elevated Temperature off. The connection point of a thermocouple made of two different thermoelectric materials in contact brought with the absorber area while the reference contacts generally located at the temperature of the sensor housing. Because the sensor output voltages Such thermocouples are often very small such thermocouples connected in series. Such a series connection a large number of thermocouples is also used as a thermopile or Called thermopile.
In den letzten Jahren wurden auf vielen technologischen Gebieten große Anstrengungen unternommen, elektrische und elektronische Bauteile zu miniaturisieren, wobei sie möglichst mit bekannten standardisierbaren Prozessen kostengünstig herzustellen sein sollen. Die zunehmende Miniaturisierung führt bei den Strahlungssensoren zu einer kleineren Absorberfläche und damit zu einer geringeren Temperaturerhöhung, was wiederum zu einem geringeren Signal und damit zu einer reduzierten Auflösung führt.In Great efforts have been made in many technological fields in recent years undertaken to miniaturize electrical and electronic components, where possible inexpensive to manufacture with known standardizable processes should be. The increasing miniaturization leads to radiation sensors to a smaller absorber area and thus to a lower temperature increase, which in turn leads to a lower signal and thus leads to a reduced resolution.
Daher ist es gerade bei den miniaturisierten Strahlungssensoren wichtig, eine möglichst hohe Absorption der Infrarotstrahlung im Absorbersystem zu erzielen und die Absorberfläche möglichst gut thermisch von der Umgebung zu isolieren, um eine möglichst große Temperaturerhöhung und damit ein großes Sensorausgangssignal zu erzeugen.Therefore it’s especially important for miniaturized radiation sensors, one if possible To achieve high absorption of infrared radiation in the absorber system and the absorber surface preferably good thermal insulation from the environment, in order to make one as possible size temperature increase and therefore a big one Generate sensor output signal.
Es sind bereits Infrarotsensoren bekannt, die ein Detektorelement aufweisen, wobei das Detektorelement ein Absorberelement, das Strahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt, und einem Tragkörper mit einer Tragkörperfläche zur Aufnahme des Absorberelements aufweist, wobei die Tragkörperfläche eine Ausnehmung aufweist und das Absorberelement derart auf der Tragkörperfläche und über der Ausnehmung angeordnet ist, daß ein Abschnitt des Absorberelements den Tragkörper nicht berührt. Meist ist über der Ausnehmung zunächst eine Membran mit sehr geringer thermischer Leitfähigkeit angeordnet, auf der wiederum das Absorberelement angeordnet ist. Dadurch ist eine weitgehende thermische Entkopplung zwischen dem Absorberelement einerseits und dem als Wärmesenke dienenden Tragkörper andererseits gewährleistet, was wiederum zu einer hohen Temperaturdifferenz zwischen Absorberelement und Tragkörper und damit zu einer großen Signalstärke führt.Infrared sensors are already known which have a detector element, the detector element ment an absorber element, which absorbs radiation and heats up, and has a support body with a support body surface for receiving the absorber element, the support body surface having a recess and the absorber element is arranged on the support body surface and above the recess such that a portion of the absorber element Carrier not touched. Usually a membrane with very low thermal conductivity is arranged above the recess, on which in turn the absorber element is arranged. This ensures extensive thermal decoupling between the absorber element on the one hand and the support body serving as a heat sink on the other hand, which in turn leads to a high temperature difference between the absorber element and support body and thus to a high signal strength.
Ein
solcher Sensor ist bereits in der
Der
in der
Bei nahezu allen bekannten Infrarotsensoren ist die Größe des Absorberelements im Vergleich zur Gesamtgröße des beispielsweise als Chip ausgebildeten Detektors relativ klein, was zu einer geringen Signalausbeute führt.at almost all known infrared sensors have the size of the absorber element compared to the overall size of the for example Detector designed as a chip is relatively small, resulting in a low Signal yield leads.
In
der
Bei den bekannten Infrarotsensoren besteht zudem ein relativ großer Abstand zwischen dem Rand des Absorberelements und der Siliziumwärmesenke. Darüber hinaus ist die Absorberfläche im Vergleich zur Gesamtdetektorfläche relativ klein.at the known infrared sensors also have a relatively large distance between the edge of the absorber element and the silicon heat sink. About that is also the absorber surface relatively small compared to the total detector area.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlungssensor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welcher auf möglichst kleiner Chipfläche ein verstärktes Signal erzeugt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, einen Infrarotsensor zur Verfügung zu stellen, der einen kleinen Meßfleck erlaubt und mit bekannten standardisierten Technologien hergestellt werden kann.outgoing from this prior art it is therefore the task of the present Invention, a radiation sensor of the type mentioned disposal to ask which on as possible small chip area a reinforced one Signal generated. About that it is also an object of the invention to provide an infrared sensor make a small measurement spot allowed and manufactured with known standardized technologies can be.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ausnehmung zumindest an ihrer dem Absorberelement zugewandten Seite eine Flächenausdehnung hat, die mindestens 45% der Tragkörperfläche entspricht. Mit anderen Worten wird durch das Einbringen der Ausnehmung in den Tragkörper mindestens 45% der Tragkörperoberfläche entfernt. Der die Ausnehmung umgebende verbleibende Rest der Tragkörperfläche hat somit eine gesamte Flächenausdehnung von maximal 55% der gesamten Tragkörperfläche. Dadurch kann die Gesamtsensorfläche bei gleichbleibender Signalstärke verkleinert werden, was zu einer Reduzierung der Herstellungskosten führt. Mit Vorteil wird der Tragkörper mit einem Trockenätzverfahren hergestellt.According to the invention Task solved by that the Recess at least on its side facing the absorber element an area extension has at least 45% of the area of the supporting body. With others Words is at least through the introduction of the recess in the support body 45% of the supporting body surface removed. The remaining rest of the support body surface surrounding the recess has thus an entire area of a maximum of 55% of the total support area. As a result, the total sensor area at constant signal strength to be downsized, resulting in a reduction in manufacturing costs leads. The supporting body is advantageous with a dry etching process manufactured.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Ausnehmung eine Ausdehnung, die zwischen 45 und 75%, vorzugsweise zwischen 50 und 70% und besonders bevorzugt etwa 65% der Tragkörperfläche ausmacht. Es hat sich gezeigt, daß durch die Dimensionierung der Ausnehmung eine besonders gute Signalausbeute erzielt werden kann und gleichzeitig noch eine genügende Stabilität des Tragkörpers gewährleistet ist.In a particularly preferred embodiment the recess has an extension that is between 45 and 75%, preferably accounts for between 50 and 70% and particularly preferably about 65% of the support body area. It has been shown that through the dimensioning of the recess has a particularly good signal yield can be achieved while ensuring sufficient stability of the support body is.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform weist die Ausnehmung Seitenwände auf, die mit der Tragkörperoberfläche bzw. der Oberseite des Tragkörpers einen Winkel zwischen 80 und 100°, vorzugsweise zwischen 85 und 95° und besonders bevorzugt etwa 90° einschließen. Auch durch diese Maßnahme kann erreicht werden, daß das Verhältnis der Fläche des Absorberelements zu der gesamten Detektorfläche bzw. Tragkörperfläche vergrößert wird.In a particularly useful embodiment the recess has side walls with the surface of the supporting body or the top of the support body an angle between 80 and 100 °, preferably between 85 and 95 ° and particularly preferably include about 90 °. Also through this measure can be achieved that relationship the area of the absorber element is enlarged to the entire detector surface or support body surface.
Es hat sich gezeigt, daß vorzugsweise die Ausnehmung derart ausgeführt ist, daß sie sich durch den gesamten Tragkörper hindurch erstreckt. Mit anderen Worten hat der Tragkörper, der auf eine Grundplatte des Sensors montiert werden kann, eine durchgehende Öffnung. Dadurch wird ein möglichst großer Abstand zwischen Absorberelement und Tragkörper bzw. Bodenplatte des Sensors erzielt, was wiederum die Signalreduktion, die aufgrund der thermischen Leitfähigkeit des sich zwischen Absorberelement bzw. Membran und dem Boden bzw. Grund der Ausnehmung befindlichen Gases, hervorgerufen wird, verkleinert.It has been shown to be preferred the recess executed in this way is, that you through the entire supporting body extends through. In other words, the support body has the can be mounted on a base plate of the sensor, a continuous opening. This will make one as possible greater Distance between the absorber element and the supporting body or base plate of the sensor achieved what in turn the signal reduction due to the thermal conductivity between the absorber element or membrane and the floor or Due to the recess of the gas that is produced, reduced.
Der Tragkörper ist vorzugsweise mittels Siliziumtechnologie hergestellt. Weiterhin ist das Absorberelement mit Vorteil derart ausgebildet, daß es mindestens eine CMOS-kompatible Deckschicht aufweist. Dabei wird diese CMOS-kompatible Deckschicht in einer zweckmäßigen Ausführungsform auf zumindest einer strahlungsempfindlichen Funktionsschicht angeordnet.The supporting body is preferably manufactured using silicon technology. Farther the absorber element is advantageously designed such that it at least has a CMOS-compatible cover layer. This makes it CMOS compatible Top layer in an expedient embodiment arranged on at least one radiation-sensitive functional layer.
Es hat sich gezeigt, daß mit Vorteil die Deckschicht eine Fläche von mindestens 30%, vorzugsweise zwischen 35 und 70%, besonders bevorzugt zwischen 40 und 60% der gesamten Tragkörperoberfläche einnimmt. Es sei an dieser Stelle noch einmal betont, daß unter der gesamten Tragkörperoberfläche die Oberfläche des Tragkörpers einschließlich der Ausnehmung verstanden wird.It has been shown that with Advantage the top layer is a surface of at least 30%, preferably between 35 and 70%, particularly preferably occupies between 40 and 60% of the total support surface. It was on this Again emphasize that under the entire surface of the supporting body surface of the supporting body including the recess is understood.
Es versteht sich, daß die hier beschriebenen Absorberelemente nicht notwendigerweise in Kombination mit Thermoelementen oder Thermopiles verwendet werden müssen, sondern beispielsweise auch in Kombination mit pyroelektrischen Elementen oder Bolometern eingesetzt werden können.It it is understood that the Absorber elements described here are not necessarily in combination must be used with thermocouples or thermopiles, but for example in combination with pyroelectric elements or bolometers can be used.
Weiterhin konnte in Versuchen nachgewiesen werden, daß die Signalausbeute weiter verstärkt werden kann, wenn zumindest der Boden bzw. der Grund der Ausnehmung aus einem Material besteht, das Infrarotstrahlung reflektiert. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen einer Metallschicht, beispielsweise einer Goldschicht, erreicht werden, wobei die Schicht vorzugsweise eine Dicke von weniger als 1 μm aufweist.Farther could be demonstrated in experiments that the signal yield continues reinforced can be if at least the bottom or the bottom of the recess consists of a material that reflects infrared radiation. This can for example by applying a metal layer, for example a gold layer, the layer being preferred a thickness of less than 1 μm having.
Weiterhin ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß der Sensor ein Gehäuse aufweist, das aus einer Bodenplatte und einer mit dieser verbundenen Kappe besteht, wobei das Detektorelement bzw. der Tragkörper auf der Bodenplatte angeordnet ist. Dabei ist die Bodenplatte mit Vorteil so ausgebildet ist, daß sie zumindest an den den Tragkörper umgebenden Bereichen Infrarotstrahlung nicht reflektiert. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, daß die Bodenplatte aus einem entsprechenden nichtreflektierenden Material hergestellt ist. Alternativ dazu kann die Bodenplatte an den den Tragkörper umgebenden Bereichen mit einem nichtreflektierenden Material, vorzugsweise einem Lack oder einem Photoresist, beschichtet werden.Farther is provided in a particularly preferred embodiment that the sensor a housing has, which consists of a base plate and a connected to this Cap exists, with the detector element or the support body the bottom plate is arranged. The bottom plate is an advantage is designed so that it at least to the supporting body surrounding areas not reflecting infrared radiation. This can be realized, for example, in that the base plate from one corresponding non-reflective material is made. Alternatively can the base plate with the areas surrounding the support body a non-reflective material, preferably a paint or a photoresist.
Weitere besonders bevorzugte Ausführungsformen verwirklichen die Merkmale der Unteransprüche.Further particularly preferred embodiments realize the features of the subclaims.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der begleitenden Figuren. Es zeigen:Further Advantages, features and possible uses of the present Invention will become more preferred from the following description embodiments as well as the accompanying figures. Show it:
In
den
Alternativ
dazu kann das Referenzelement auch in einem Siliziumschaltkreis
Die
mechanische Verbindung zwischen Referenzelement
Das
Detektorelement
Das
Detektorelement
Die
das Detektorelement
Wie
bereits erwähnt
und in
Die
Bodenplatte
In
den
Diese
Metallschicht
Die
Befestigung der Kappe
In
der gezeigten Ausführungsform
ist die metallische Schicht
Rund
um das Detektorelement
Zu
erkennen sind weiterhin die Durchführungslöcher
An
der Unterseite der Bodenplatte
In
Infrarotstrahlung
In
dem Absorbersystem
Auf
der Grundplatte
Die
Membranschicht weist eine Sandwichstruktur mit mindestens zwei Schichten
auf. Dabei ist die unterste Schicht
Die
einzelnen Thermopaare weisen jeweils einen Schenkel aus n-leitendem
Poly-Silizium und einen aus p-leitendem Poly-Silizium auf. Diese
beiden Schenkel werden vorzugsweise übereinanderliegend angeordnet
und sind an den Enden jeweils mit dem vorherigen bzw. dem folgenden
Thermopaar verbunden. Dadurch entstehen im Zentrum der Membran sogenannte "warme" Kontakte
Die Isolation zwischen den beiden übereinanderliegenden Poly-Siliziumschenkeln wird in der bevorzugten Ausführungsform mittels eines CMOS-Standardverfahren, z.B. unter Verwendung einer dünnen Schicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrit, verwirklicht.The Isolation between the two superimposed Poly-silicon legs are used in the preferred embodiment using a standard CMOS method, e.g. using a thin layer made of silicon dioxide or silicon nitrite.
Oberhalb
der warmen Kontakte
Der
erfindungsgemäße Sensorchip
kann im Verbund auf einem Siliziumwafer von meist 100 bis 200 mm
Durchmesser hergestellt werden. Dabei können typischerweise 2.000 bis
20.000 Chips auf einem Wafer angeordnet werden. Die sensitiven Schichten
befinden sich hierbei auf der Oberseite des Wafers. Zu diesem Zweck
werden auf das Silizium dielektrische Schichten
In
der
Deutlich
zu erkennen ist, daß der
Tragkörper
Die Breite bzw. Länge A2 des Absorberelements beträgt vorzugsweise, bezogen auf die Seitenlänge des Chips, mindestens 52%, insbesondere bei Detektorgrößen von kleiner als ca. 1 mm, und vorzugsweise zwischen 65 und 80%, insbesondere bei Detektorgrößen mit einer Seitenlänge von mehr als 1,5 mm.The Width or length A2 of the absorber element preferably, based on the side length of the chip, at least 52%, especially with detector sizes of less than about 1 mm, and preferably between 65 and 80%, in particular with detector sizes with one side length of more than 1.5 mm.
In Versuchen haben sich die in der folgenden Tabelle angegebenen Größenverhältnisse bewährt. The size ratios given in the following table have proven themselves in tests.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Chipgeometrie wird erreicht, daß die bezogen auf die Detektorfläche erreichbare Signalspannung gegenüber den bekannten Sensoren deutlich erhöht wird. So wurden in Versuchen Signalspannungen gemessen, die zwischen 1,4- und 2-mal größer als die Signalspannungen bekannter Sensorchips gleicher Detektorfläche waren.By the configuration according to the invention The chip geometry ensures that the achievable in relation to the detector area Signal voltage opposite the known sensors is significantly increased. So have been in trials Signal voltages measured that are between 1.4 and 2 times greater than the signal voltages of known sensor chips were of the same detector area.
Zusätzlich wird durch den im Vergleich zu den Sensoren des Standes der Technik stark reduzierten Rand des Tragkörpers die Wahrscheinlichkeit von Reflexionen, die zu einer unerwünschten Erweiterung des Meßfleckes führen können, verringert. Dadurch wird die Meßgenauigkeit des erfindungs gemäßen Infrarotstrahlungsthermometers für die Messung räumlich begrenzter Meßobjekte deutlich erhöht.In addition, by the strong compared to the sensors of the prior art reduced edge of the supporting body the likelihood of reflections leading to an unwanted Extension of the measuring spot to lead can, reduced. This makes the measurement accuracy of the Invention infrared radiation thermometer for the Spatial measurement limited measuring objects clearly increased.
Es
hat sich gezeigt, daß mit
Vorteil die kalten Kontakte
In
den
Alternativ dazu ist es auch möglich, innerhalb der Abfolge von dielektrischen Schichten der Absorptionsschichten eine Reflexionsschicht einzubringen, so daß die Mehrfachreflexionen nur in einem Teil des Schichtsystems stattfinden. Weiterhin kann es für manche Anwendungsfälle von Vorteil sein, die Dicken der dielektrischen Schichten im Hinblick auf Interferenzeffekte zu optimieren, um eine möglichst vollständige Absorption des eingefallenen Lichtes in der Absorptionsschicht zu erreichen.alternative it is also possible within the sequence of dielectric layers of the absorption layers to introduce a reflective layer so that the multiple reflections only take place in part of the layer system. Furthermore, it can for some use cases be advantageous in terms of the thicknesses of the dielectric layers to optimize for interference effects in order to achieve the most complete absorption possible to reach the incident light in the absorption layer.
So kann beispielsweise über der zusätzlichen Reflexionsschicht eine 0,5 bis 1 μm dicke dielektrische Schicht, beispielsweise aus Siliziumoxid, aufgebracht werden. Bei recht breitbandigen Sensoren kann es von Vorteil sein, die Gesamtdicke der dielektrischen Schichten auf bis zu 1,5 bis 2,5 μm zu erhöhen.So can for example about the additional Reflection layer a 0.5 to 1 μm thick dielectric layer, for example made of silicon oxide, applied become. With quite broadband sensors it can be an advantage the total thickness of the dielectric layers up to 1.5 to 2.5 μm too increase.
Erfindungsgemäß sind, um die einfallende Strahlung möglichst vollständig zu absorbieren, die thermoelektrischen Schichten im wesentlichen auf der gesamten Membran angeordnet. Darüber hinaus füllt die Absorberdeckschicht mit Vorteil die freitragende Membranfläche, d.h. die Fläche der Membran, die keinen Kontakt zu dem Tragkörper hat, zu zumindest 70 bis 85% aus.According to the invention, in order to absorb the incident radiation as completely as possible, the thermoelectric layers are arranged essentially on the entire membrane. In addition, the absorber cover layer advantageously fills the self-supporting membrane surface, ie the surface of the membrane that does not have a con clock to the support body has at least 70 to 85%.
Das
Schichtsystem besteht aus der Basisoxidschicht
Die
Absorberdeckschicht
Bei
der ersten Variante wird eine dünne
reflexionsmindernde Metallschicht, die beispielsweise aus Titannitrit
besteht, auf die Passivierungsschicht
In der zweiten Variante wird eine Polymerschicht als Absorberdeckschicht verwendet. Die Dicke der Polymerschicht beträgt ca. 2 bis 10 μm. Als Polymerschicht kommen vorzugsweise Photoimid oder andere Polymere, wie z.B. Polyimid, zum Einsatz.In The second variant uses a polymer layer as an absorber cover layer used. The thickness of the polymer layer is approximately 2 to 10 μm. As a polymer layer come preferably photoimide or other polymers, e.g. polyimide, for use.
Darüber hinaus können die beiden beschriebenen Varianten zur Erhöhung der Absorption auch kombiniert werden. Dann wird die reflexionsmindernde Metallschicht über der Polymerschicht abgeschieden.Furthermore can the two variants described to increase absorption are also combined become. Then the reflection-reducing metal layer over the Polymer layer deposited.
Um
den Meßfleck
weiter zu begrenzen, weist der verwendete Siliziumtragkörper des
Detektorelements
Falls
Teile der Infrarotstrahlung
Bei
der in
Bei
der in
In
den
So
ist in der in
Das
untere Ende
Eine
weitere Ausführungsform
mit optischer Fokussierung ist in
Es
versteht sich, daß auch
mehr als ein Detektorelement
In
Es
versteht sich, daß der
Aperturkörper
Die
Kappe
Mit
der in
Darüber hinaus
kann es von Vorteil sein, wenn zusätzlich auch die Außenseite
der Kappe reflektierend beschichtet ist, um ein unerwünschtes
Aufheizen der Kappe
Die
in
Eine
zusätzliche
Blende
- 11
- Bodenplattebaseplate
- 22
- Detektorelementdetector element
- 33
- TemperaturreferenzelementTemperature reference element
- 44
- Verbindungsdrahtconnecting wire
- 55
- Anschlußstiftepins
- 66
- Kontaktflächecontact area
- 77
- reflektierende Schichtreflective layer
- 88th
- absorbierende Schichtabsorbing layer
- 99
- Kappecap
- 1010
- Filterfilter
- 1111
- SignalverarbeitungsschaltkreisSignal processing circuit
- 1212
- Tragkörpersupporting body
- 1313
- Membranschichtmembrane layer
- 1414
- Basisschicht/untere MembranschichtBase layer / lower membrane layer
- 15, 1615 16
- thermoelektrische Schichtenthermoelectric layers
- 1717
- kalte Kontaktecold contacts
- 1818
- warme Kontaktewarmth contacts
- 1919
- Absorberstrukturabsorber structure
- 2020
- reflektierende Schichtreflective layer
- 2121
- BondinselBond island
- 2424
- Teil der Infrarotstrahlungpart of infrared radiation
- 2525
- Randbereiche der Absorberschichtborder areas the absorber layer
- 2626
- Teil der Infrarotstrahlungpart of infrared radiation
- 2727
- Filterkleberfilter glue
- 2828
- Blendecover
- 2929
- Kappecap
- 3030
- Spiegelmirror
- 3131
- Spiegelschichtmirror layer
- 3232
- Unterseite des Spiegelsbottom of the mirror
- 3333
- reflektierende Schichtreflective layer
- 3434
- Linselens
- 3535
- Oberflächesurface
- 3636
- AperturkörperAperturkörper
- 3737
- Vertiefungdeepening
- 3838
- Nutgroove
- 3939
- unteres Ende der Blendelower End of aperture
- 4040
- Ausnehmungrecess
- 4141
- Metallschichtmetal layer
- 4242
- InselnIslands
- 4343
- absorbierende Schichtabsorbing layer
- 4444
- Durchführungenbushings
- 4545
- LotverschlußLotverschluß
- 4646
- Lothügelsolder bumps
- 4848
- Kontaktecontacts
- 5151
- Passivierungsschichtpassivation
- 5252
- Absorberdeckschichtabsorber top layer
- 5353
- Infrarotstrahlunginfrared radiation
- 5454
- Wände des SiliziumtragkörpersWalls of the Silicon support body
- A1A1
- Abstand zwischen Absorberrand und Membrandistance between the edge of the absorber and the membrane
- A2A2
- Länge des AbsorberelementsLength of absorber element
- DD
- Dicke des Tragkörperrahmensthickness of the support frame
- SS
- Seitenlänge des DetektorelementsSide length of the detector element
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