DE10339319B4

DE10339319B4 - Edelgasgefülltes Sensorelement für optische Sensoren

Info

Publication number: DE10339319B4
Application number: DE10339319A
Authority: DE
Inventors: Jochen Franz; Michael Arndt; Gerd Lorenz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: DE10339319A1

Abstract

Sensorelement zur Detektion infraroter Strahlung in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich, bestehend aus wenigstens
– einem ersten Hohlraum (400), dessen Umrandung wenigstens ein Fensterelement (200, 201) zum Einlass der infraroten Strahlung aufweist, und
– einem Intensitätsdetektionselement (800) zur Detektion der Intensität der durch das Fensterelement eingelassenen infraroten Strahlung,
wobei der erste Hohlraum (400) mit einem Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– ein Absorptionselement (600) vorhanden ist, welches sich durch die infrarote Strahlung in dem vorgebbaren Wellenlängenbereich erwärmt und
– das Intensitätsdetektionselement (800) so ausgestaltet ist, dass es aufgrund der Erwärmung des Absorptionselements (600) eine elektrische Spannung erzeugt, welche ein Maß für die Intensität der infraroten Strahlung im vorgebbaren Wellenlängenbereich ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Detektion infraroter Strahlung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
In der nicht vorveröffentlichten DE 102 43 014 werden eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Stoffes vorgeschlagen, wobei ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf einem ersten Chip vorgesehen sind und wobei ein erster Filter und ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen sind. Dabei sind der erste Chip und der zweite Chip hermetisch dicht miteinander verbunden.
Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sind der nicht vorveröffentlichten DE 102 43 014 entnommen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Detektion infraroter Strahlung in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich, bestehend aus wenigstens

– einem ersten Hohlraum, dessen Umrandung wenigstens ein Fensterelement zum Einlass der infraroten Strahlung aufweist, und
– einem Intensitätsdetektionselement zur Detektion der Intensität der durch das Fensterelement eingelassenen infraroten Strahlung.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der erste Hohlraum mit einem Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
Durch den Einsatz des nur schlecht wärmeleitenden Gases anstelle eines Vakuums kann bei der Herstellung des Sensorelements auf einen aufwendigen vakuumdichten Bondprozessverzichtet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass

– ein Absorptionselement vorhanden ist, welches sich durch die infrarote Strahlung in dem vorgebbaren Wellenlängenbereich erwärmt und
– das Intensitätsdetektionselement so ausgestaltet ist, dass es aufgrund der Erwärmung des Absorptionselements eine elektrische Spannung erzeugt, welche ein Maß für die Intensität der infraroten Strahlung im vorgebbaren Wellenlängenbereich ist.

Durch die direkte Erzeugung der elektrischen Spannung im Intensitätsdetektionselement wird eine besonders einfache elektronische Auswertung der Signale ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Fensterelement

– aus einem optischen Filterelement, welches infrarote Strahlung in dem vorgebbaren Wellenlängenbereich besonders gut passieren lässt, sowie
– einem Kappenelement, welches sich zwischen dem Filterelement und dem Absorptionselement befindet,

– sich zwischen dem Kappenelement und dem Absorptionselement befindet und
– von der einfallenden infraroten Strahlung nach Durchlaufen des Kappenelements und vor dem Auftreffen auf das Absorptionselement passiert wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gas geringer Wärmeleitfähigkeit um ein Edelgas handelt. Durch die Reaktionsträgheit der Edelgase wird eine besonders hohe Sicherheit des Bauelements gewährleistet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Edelgas um Argon, Krypton oder Xenon oder Mischungen dieser Gase handelt
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass das Absorptionselement und das Intensitätsdetektionselement auf einem Chip aufgebracht sind,
– wobei der Chip so ausgestaltet ist, dass er einen zweiten Hohlraum enthält, dessen eine Seite mit einer Membran bedeckt ist,
– das Absorptionselement und das Intensitätsdetektionselement auf der dem zweiten Hohlraum abgewandten Seite der Membran angebracht sind und
– der zweite Hohlraum ebenfalls mit dem Gas geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.

Durch den zweiten Hohlraum wird eine gewünschte thermische Isolation in Richtung der strahlungsabgewandten Seite des Absorptionselements erreicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass

– dass das optische Filterelement und das Kappenelement (oder wenigstens das optische Filterelement und das Kappenelement) in einem ersten Bauelement vereint sind,
– wobei es sich bei dem ersten Bauelement um einen mit optischen Schichten beschichteten Siliziumchip handelt.

Durch die Zusammenfassung zu einem Bauelement und die dadurch mögliche Fertigung unabhängig von den restlichen Sensorkomponenten wird eine besonders wirtschaftliche Fertigung des Sensorelements ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass das Absorptionselement und das Intensitätsdetektionselement auf einem Chip aufgebracht sind,
– wobei der Chip so ausgestaltet ist, dass er einen zweiten Hohlraum enthält, dessen eine Seite mit einer Membran bedeckt ist,
– dass das Absorptionselement und das Intensitätsdetektionselement auf der dem zweiten Hohlraum abgewandten Seite der Membran angebracht sind,
– dass das Absorptionselement, das Intensitätsdetektionselement, der Chip, die Membran sowie der zweite Hohlraum (oder wenigstens das Absorptionselement, das Intensitätsdetektionselement, der Chip, die Membran sowie der zweite Hohlraum) ein zweites Bauelement bilden und
– dass das erste Bauelement und das zweite Bauelement durch eine Klebeverbindung verbunden sind.

Damit können beide Bauelemente separat hergestellt und anschließend durch eine einfache Klebeverbindung verbunden werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlraum durch Zusammenkleben des ersten und zweiten Bauelements erzeugt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Intensitätsdetektionselement um einen Thermopile handelt. Infolge Ihrer kompakten Baugröße haben sich Thermopiles als besonders geeignet zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung erwiesen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine mikromechanische Vorrichtung handelt. Durch die dadurch erreichte kleine Bauform wird damit eine besonders gute Eignung für den Einsatz in Kraftfahrzeugen erreicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Kohlendioxidkonzentration im Innern eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Insbesondere ist hierbei an die Überwachung von kohlendioxidbasierten Fahrzeugklimaanlagen gedacht, bei welchen ein möglicherweise auftretendes Leck sicher und schnell erkannt werden muss.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 1 und 2 dargestellt.
1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung, von welcher die Erfindung ausgeht.
2 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung ist eine Weiterentwicklung des in 1 dargestellten Sensorelements, welches zur Detektion der Intensität infraroter Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich verwendet wird.
Über eine Antireflexionsbeschichtung 1 passiert die von oben einfallende infrarote Strahlung einen Filter 2, bei welchem es sich z. B. um einen Fabry-Perot-Filter handeln kann. Durch diesen wird lediglich ein durch den Filteraufbau vorgegebener Wellenlängenbereich der infraroten Strahlung durchgelassen. Für den niedrigen und hohen Wellenlängenbereich kann ein Blockfilter verwendet werden.
Unter dem Filter 2 befindet sich eine Antireflexionsbeschichtung 3, darunter eine Kleberschicht 4 und darunter erneut eine Antireflexionsbeschichtung 5. Mit 6 ist eine Kappe bezeichnet, welche den Vakuumbereich 8 nach oben abschließt. 7 stellt eine Antireflexionsbeschichtung dar.
Auf der Unterseite des Vakuumsbereichs 8 befindet sich ein Absorber 12, welcher sich infolge der von oben einfallenden infraroten Strahlung erwärmt. Infolge dieser Erwärmung (bzw. der Temperaturdifferenz zwischen dem erwärmten Absorber 12 und der Umgebungstemperatur) wird in einem in der Schicht 13 eingelassenen Thermopile eine elektrische Spannung erzeugt. Die den Thermopile enthaltende Schicht 13 ist auf einem Detektorchip 11 aufgebracht, aus welchem zwecks thermischer Isolierung ein Vakuumbereich (Kaverne) 10 freigeätzt wurde. Deshalb verbleibt zwischen der Kaverne 10 und der Schicht 13 lediglich eine Membran 14. Die Schicht 13 und die Kappe 6 sind durch eine Seal-Glas-Bondung 9 verbunden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das isolierende Vakuum (in den Bereichen 8 und 10 von 1) im Detektorelement des optischen Sensors durch ein schlecht wärmeleitendes Gas bei Normaldruck ersetzt. Es kann bei Einsatz eines schlecht wärmeleitenden Gases wie z. B. Argon, Krypton oder Xenon bei Normaldruck (atmosphärischem Druck) als Füllung der Kaverne zwischen Detektor- und Kappenchip auf ein vakuumdichtes Bondverfahren zwischen Detektor und Kappe verzichtet werden. Dies äußert sich darin, dass anstelle der Seal-Glas-Bondung 9 in 1 eine gewöhnliche Klebeschicht verwendet werden kann.
Vakuumdichte Bondverfahren wie bspw. Sealglasbonden führen zu thermischer Belastung der Komponenten. Da die erforderlichen schmalbandigen Filter 2 eine entsprechende thermische Belastung nicht unbeschadet überstehen, muss ein Aufbau gewählt werden, bei dem in einem ersten Schritt unter Vakuum (und unter thermischer Belastung) eine dichte Verbindung 9 zwischen Detektor und Kappe hergestellt wird. In einem zweiten Schritt wird ohne thermische Belastung z. B. in einem Klebeverfahren das wenig temperaturbeständige Filter 2 auf die Kombination Detektor/Kappe aufgesetzt.
Bei diesem Aufbau entstehen beim Durchtritt der zu erfassenden Strahlung erhebliche Transmissionsverluste beim Passieren der Schichten Filter (2), Kleber (3) und Kappenchip (6). Diese Transmissionsverluste kompensieren – zumindest teilweise – den Empfindlichkeitsgewinn, den man durch das Evakuieren der Umgebung des Detektorchips erreicht.
Verzichtet man auf das isolierende Vakuum am Detektor und nutzt anstelle dessen ein schlecht wärmeleitendes Gas, so sinkt zwar aufgrund der schlechteren thermischen Isolation des Detektors dessen Empfindlichkeit, man kann aber anstelle der vakuumdichten Verbindungstechnik eine lediglich gegen geringe Druckdifferenzen dichte Verbindungstechnik wie z. B. Klebeverfahren einsetzen. Diese Verbindungstechnik vermindert den Temperaturstress auf die zu verbindenden Teile deutlich, so dass es möglich ist, als Kappe einen mit optischen Schichten beschichteten Siliziumchip einzusetzen, der die Funktion der isolierenden Kappe und des optischen Filters in einem Bauelement vereint.
Neben dem kostensenkenden Effekt dieser Aufbautechnik werden deutlich geringere Transmissionsverluste für die kombinierte Filterkappe erreicht.
Ein Prüfverfahren für die Dichtheit des Aufbaus ist ebenfalls möglich, indem nach Verkleben der Filterkappe unter bspw. Xenon-Atmosphäre und Normaldruck über eine im Detektor vorhandene thermische Teststruktur die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases gemessen wird. In einem zweiten Prüfschritt wird die miteinander verbundene Kombination Detektorchip/Filterkappe mit einem gut wärmeleitfähigen Prüfgas (z. B. Helium) bei einem Druck höher als Atmosphärendruck beaufschlagt. Tritt keine Änderung der Wärmeleitfähigkeit des eingeschlossenen Gases auf, ist die Dichtheit des Aufbaus nachgewiesen. Ist jedoch eine Undichtigkeit im Aufbau vorhanden, dann dringt des gut wärmeleitfähige Gas infolge des größeren Druckes in den Aufbau ein. Durch die dann im Aufbau vorhandene Mischung des Xenon-Gases mit dem von außen eingedrungenen Heliumgas ist eine größere Wärmeleitfähigkeit gegeben
Bei dem in 1 beschriebenen Aufbau des Detektorelements muss zur Verbindung des Detektorchips und des Kappenchips ein vakuumdichtes Bondverfahren eingesetzt werden. Übliche Verfahren sind beispielsweise Sealglasbonden, eutektisches Bonden oder anodisches Bonden. Allen Verfahren gemeinsam ist aufgrund der erforderlichen Bondtemperaturen eine thermische Belastung des Detektors, der Kappe und – sofern mit der Kappe verbunden – auch des Filterelements. Aufgrund der üblicherweise für das Filterelement eingesetzten mehrschichtig aufgebrachten Filtermaterialien ist aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der beim Bonden entstehende thermische Stress für das Filterelement schädlich. Üblicherweise wird daher das Filterelement auf das verkappte Detektorelement nachträglich ohne thermischen Stress aufgeklebt.
Es ergibt sich damit für die zu detektierende Strahlung ein Strahlungspfad durch Filter, Kleberschicht und Kappenchip in die evakuierte Kaverne und damit letztlich zum Detektor. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass beim Durchgang der Strahlung durch jede der Schichten Transmissionsverluste auftreten. Weiterhin nachteilig ist, dass an jedem Übergang zwischen Materialien unterschiedlicher optischer Brechungsindizes zusätzliche Verluste durch Reflexion auftreten. Als vorteilhaft hat sich daher der Einsatz von Antireflexschichten (ARC) zur Anpassung der Brechungsindizes an Materialgrenzen erwiesen. Beim oben beschriebenen Aufbau aus Filter, Kleber, Kappenchip ergibt sich, dass aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex des Klebers der sich zwischen Filter und Kappe befindet und des darunter liegenden Vakuums oder Gases eine Antireflexbeschichtung (ARC) des Kappenchips immer nur einen Kompromiss zwischen Reflexvermeidung an der Grenzschicht Kleber/Kappe und der Grenzschicht Kappe/Vakuum darstellen kann. Eine unterschiedliche ARC auf Ober- und Unterseite der Kappe ist aus Kosten- und Prozessgründen wenig sinnvoll.
Zwangsläufig ist damit eine ARC auf der Kappe ein Kompromiss zwischen den erforderlichen ARC für das angrenzende Medium Kleber und das angrenzende Medium Vakuum (bzw. Gas, in beiden Fällen Brechungsindex ca. 1). Reflexionsverluste an der Kappe sind daher bei diesem Aufbau unvermeidbar.
Darüber hinaus ergibt sich für die ARC des aufgeklebten Filters entweder die Notwendigkeit, auf Filter-Ober- und Unterseite unterschiedliche ARC einzusetzen. Aus Kosten- und Prozessgründen (Gefahr des verkehrten Aufklebens – schwer prüfbar) sind auch hier unterschiedliche ARC nicht sinnvoll. Wegen der angrenzenden Medien Gas und Kleber mit unterschiedlichem Brechungsindex sind auch hier wieder Reflexionsverluste in Kauf zu nehmen.
Anders verhält es sich bei der erfindungsgemäßen Ausführung, welche in 2 dargestellt ist.
Analog zur 2 falle das infrarote Licht wieder von oben ein. Nach durch Durchgang durch die Antireflexionsbeschichtung 100 passiert das infrarote Licht die Filterkappe 200 und anschließend die Kappe 201, bevor es durch die Antireflexionsbeschichtung 300 und das mit dem Füllgas gefüllte Volumen 400 auf den Absorber 600 trifft. Analog zu 1 ist der Absorber wiederum auf einer den Thermopile enthalten Schicht 800 aufgebracht, Der Detektorchip 900 enthält wiederum eine Kaverne 70, welche anstelle von Vakuum jedoch mit dem Füllgas gefüllt ist. Zwischen der Kaverne 700 und der Schicht 800 befindet sich wiederum eine Membran (analog zur Membran 14 in 1).
Bei der Ausführungsform nach 2 erfolgt durch Aufbringen der Filterschichten auf die Kappe eine Integration der Funktionen Filter und Verkappen. Angrenzende Medien im Strahlengang sowohl vor als auch nach dem Filter sind hier immer Gase mit Brechungsindex 1, d. h. eine identische ARC auf Vorder- und Rückseite des Kappenfilters erfüllt hier die Forderung nach bestmöglicher Vermeidung von Reflexionen.
Zur Dichtigkeitsprüfung der Verbindung Filterkappe/Detektorchip kann die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Füllgases und eines Prüfgases mit höherer Wärmeleitfähigkeit ausgenutzt werden. Die Wärmeleitfähigkeit eines Füllgases Argon (0,0177 W/mK), Krypton (0,0095 W/mK) oder Xenon (0,0055 W/mK) unterscheiden sich deutlich von Umgebungsluft (0,026 W/mK) und einem möglichen Prüfgases wie Helium (0,15 W/mK). Zur Dichtigkeitsprüfung wird zunächst die Wärmeableitung mit einer Teststruktur und einem Heizleiter für das verkappte Sensorelement geprüft. Diese Prüfung kann sowohl dynamisch als auch statisch erfolgen. Danach wird der Sensor einem erhöhten Umgebungsdruck eines Prüfgases mit höherer Wärmeleitfähigkeit ausgesetzt. Dabei kann es sich sowohl um Umgebungsluft als auch um ein spezielles Prüfgas wie z. B. Helium handeln. Erhöht sich bei dieser Prüfung die Wärmeableitung der Teststruktur, so ist durch eine Undichtigkeit Prüfgas in den Sensorraum eingedrungen. Bei dem Gas geringer Wärmeleitfähigkeit, welches zur Befüllung des Hohlraums verwendet wird, handelt es sich beispielsweise um Argon, Krypton, Xenon oder um ein Gas vergleichbarer oder noch geringerer Wärmeleitfähigkeit. Insbesondere ist ein Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit, welche geringer als 0,018 W/(m·K) ist, besonders geeignet.

Claims

Sensorelement zur Detektion infraroter Strahlung in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich, bestehend aus wenigstens – einem ersten Hohlraum (400), dessen Umrandung wenigstens ein Fensterelement (200, 201) zum Einlass der infraroten Strahlung aufweist, und – einem Intensitätsdetektionselement (800) zur Detektion der Intensität der durch das Fensterelement eingelassenen infraroten Strahlung, wobei der erste Hohlraum (400) mit einem Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Absorptionselement (600) vorhanden ist, welches sich durch die infrarote Strahlung in dem vorgebbaren Wellenlängenbereich erwärmt und – das Intensitätsdetektionselement (800) so ausgestaltet ist, dass es aufgrund der Erwärmung des Absorptionselements (600) eine elektrische Spannung erzeugt, welche ein Maß für die Intensität der infraroten Strahlung im vorgebbaren Wellenlängenbereich ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fensterelement – aus einem optischen Filterelement (200), welches infrarote Strahlung in dem vorgebbaren Wellenlängenbereich besonders gut passieren lässt, sowie – einem Kappenelement (201), welches sich zwischen dem Filterelement (200) und dem Absorptionselement (600) befindet, besteht und der erste Hohlraum (400) – sich zwischen dem Kappenelement (201) und dem Absorptionselement (600) befindet und – von der einfallenden infraroten Strahlung nach Durchlaufen des Kappenelements (201) und vor dem Auftreffen auf das Absorptionselement (600) passiert wird.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gas geringer Wärmeleitfähigkeit um ein Edelgas handelt.
Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Edelgas um Argon, Krypton oder Xenon handelt.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass das Absorptionselement (600) und das Intensitätsdetektionselement (800) auf einem Chip (900) aufgebracht sind, – wobei der Chip so ausgestaltet ist, dass er einen zweiten Hohlraum (700) enthält, dessen eine Seite mit einer Membran (14) bedeckt ist, – das Absorptionselement (600) und das Intensitätsdetektionselement (800) auf der dem zweiten Hohlraum (700) abgewandten Seite der Membran (14) angebracht sind und – der zweite Hohlraum (700) ebenfalls mit dem Gas geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass wenigstens das optische Filterelement (200) und das Kappenelement (201) in einem ersten Bauelement vereint sind, – wobei es sich bei dem ersten Bauelement um einen mit optischen Schichten beschichteten Siliziumchip handelt.
Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass das Absorptionselement (600) und das Intensitätsdetektionselement (800) auf einem Chip (900) aufgebracht sind, – wobei der Chip so ausgestaltet ist, dass er einen zweiten Hohlraum (700) enthält, dessen eine Seite mit einer Membran (14) bedeckt ist, – dass das Absorptionselement (600) und das Intensitätsdetektionselement (800) auf der dem zweiten Hohlraum (700) abgewandten Seite der Membran (14) angebracht sind, – dass wenigstens das Absorptionselement (600), das Intensitätsdetektionselement (800), der Chip (900), die Membran (14) sowie der zweite Hohlraum (700) ein zweites Bauelement bilden und – dass das erste Bauelement und das zweite Bauelement durch eine Klebeverbindung verbunden sind.
Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlraum durch Zusammenkleben des ersten und zweiten Bauelements erzeugt wird.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Intensitätsdetektionselement (800) um einen Thermopile handelt.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine mikromechanische Vorrichtung handelt.