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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Sensor mit einer Membran.
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Ein eine Membranstruktur aufweisender Sensor
100 im Stand der Technik ist in den 8A und 8B gezeigt. Der Sensor 100 ist
ein Infrarotsensor mit Thermosäule
und in der Japanischen ungeprüften
Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. N04-98883
offenbart. Der Sensor 100 weist eine Dünnfilmmembran 112 auf.
Ein Heißkontaktpunkt 115a einer
Thermosäule 115 (das
heißt
ein Heiß-Anschluß 115a einer
Thermosäule 115)
ist derart auf der Membran 112 angeordnet, daß eine thermische Trennung
zwischen dem Heißkontaktpunkt 115a und einem
Kaltkontaktpunkt 115b der Thermosäule 115 (das heißt einem
Kalt-Anschluß 115b der
Thermosäule 115)
verbessert wird.
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Bei dem vorhergehenden Sensor ist
eine obere Oberfläche
des Sensors 100, der auf der Thermosäule 115 angeordnet
ist, uneben, das heißt
die obere Oberfläche
weist eine wellige Struktur auf, wie es in 7 gezeigt ist. Andererseits ist die andere Oberfläche des
Sensors 100 (nicht gezeigt), an der die Thermosäule 115 nicht
ausgebildet ist, eben, das heißt
flach. Mittels der welligen Struktur wird eine Spannung in diesem
unebenen Abschnitt konzentriert.
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Wenn in einem Falle eines Herstellungsverfahrens
oder einem Fall eines Betreibens des Sensors eine verhältnismäßig große Spannung
mittels einer thermischen Spannung oder Verzerrung des Sensors 100 auf
den Sensor 100 ausgeübt
wird, reißt die
Membran 112 leicht, da die mechanische Festigkeit der Membran 112 verhältnismäßig schwach
ist. Weiterhin kann die Membran 112 durch die große Spannung
gebrochen werden.
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Es wird erachtet, daß eine Dicke
eines Films zum Vorsehen der Membran 112 dicker wird, um
die Membran vor einem Reißen
oder Brechen zu schützen.
Jedoch wird in Übereinstimmung
mit einem Dickerwerden eine thermische Leitfähigkeit des Films groß, so daß eine thermische
Trennung zwischen dem Heißkontaktpunkt 115a und
dem Kaltkontaktpunkt 115b verschlechtert wird. Deshalb
wird eine Empfindlichkeit des Sensors verringert. Weiterhin wird
es erachtet, daß ein
Material des Films zu einem neuen Material geändert wird, welches eine verhältnismäßig niedrige
thermische Leitfähigkeit
aufweist, um die Verschlechterung der thermischen Trennung zu kompensieren.
Jedoch erhöht
dies die Herstellungskosten.
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Im Hinblick auf das vorhergehende
Problem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor
zu schaffen, der eine Membran aufweist, bei der eine auf diese ausgeübte Spannung
derart verringert wird, daß es
beschränkt
wird, daß der
Sensor reißt
und bricht.
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch
1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Genauer gesagt beinhaltet ein Sensor
einen Detektor zum Erfassen einer physikalischen Größe, eine
Membran und einen Spannungsrelaxationsbereich. Es wird erwartet,
daß sich
eine Spannung in einem Fall eines Herstellungsverfahrens des Sensors oder
einem Fall eines Betreibens des Sensors in dem Spannungsrelaxationsbereich
konzentriert. Der Detektor ist ausgenommen des Spannungsrelaxationsbereichs
auf der Membran angeordnet.
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Da der vorhergehende Sensor den Spannungsrelaxationsbereich
aufweist, in welchem die Spannung konzentriert wird, wird es beschränkt, daß der Sensor
reißt
und bricht. Weiterhin wird der Spannungsrelaxationsbereich einfach
ohne ein Hinzufügen
eines neuen Teils oder ein Hinzufügen eines neuen Herstellungsverfahrens
ausgebildet, da der Spannungsrelaxationsbereich durch ledigliches
Senden eines Musters des Detektors ausgebildet werden kann. Deshalb
wird das Herstellungsverfahren des Sensors nicht wesentlich geändert, so
daß die
Herstellungskosten des Sensors weitestgehend die gleichen wie diejenigen
eines Sensors ohne den Spannungsrelaxa tionsbereich sind.
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Vorzugsweise weist die Membran eine
rechteckige Form auf. Genauer gesagt weist die rechteckige Form
der Membran eine Breite und eine Länge auf und weist der Spannungsrelaxationsbereich
eine rechteckige Form auf, die eine Breite und eine Länge aufweist.
Die Breite des Spannungsrelaxationsbereichs ist ein bis zwei Hundertstel
der Breite der Membran und die Länge
des Spannungsrelaxationsbereichs ist ein Fünfzehntel der Länge der
Membran. Der Spannungsrelaxationsbereich ist in einer Mitte einer
Kante der rechteckigen Form angeordnet und innerhalb von der Kante
der rechteckigen Form angeordnet.
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Vorzugsweise beinhaltet die Thermosäule eine
Mehrzahl von Thermoelementen mit einem Paar eines Heißkontaktabschnitts
und eines Kaltkontaktabschnitts und ist der Heißkontaktabschnitt auf der Membran
angeordnet und ist der Kaltkontaktabschnitt außerhalb der Membran angeordnet.
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Vorzugsweise ist der Spannungsrelaxationsbereich
in einem Bereich zwischen 0 μm
und 5 μm gemessen
von einer Kante der Membran angeordnet.
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Vorzugsweise besteht die Membran
aus einem Dünnfilm,
der auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, und ist die Thermosäule auf
dem Dünnfilm
angeordnet. Bevorzugter weist das Halbleitersubstrat eine rechteckige Öffnung auf,
die derart dem Dünnfilm
gegenüberliegend
ausgebildet ist, daß die Membran
eine rechteckige Form aufweist. Der Heißkontaktabschnitt ist derart
auf dem Dünnfilm
der Membran angeordnet, daß der
Heißkontaktabschnitt auf
der rechteckigen Öffnung
des Halbleitersubstrats angeordnet ist, und der Kaltkontaktabschnitt
ist auf dem Dünnfilm
auf dem Halbleitersubstrat angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1A eine
schematische Draufsicht eines Sensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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1B eine
entlang einer Linie IB-IB in 1A genommene
Querschnittsansicht;
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2 einen
Teil-Stromlaufplan eines Ersatzschaltbilds einer Thermosäule des
Sensors gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
eine Position eines Spannungsrelaxationssbereichs erläuternde
Draufsicht eines Sensorchip des Sensors gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4A ein
Balkendiagramm einer Beziehung zwischen der Anzahl von Rissen und
einem Abstand Y;
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4B eine
den Abstand Y und eine Simulationsfläche S erläuternde schematische Draufsicht des
Sensorchip gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Teildraufsicht einer Membran in der eine Kontur von Rissen zeigenden
Simulationsfläche
S gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
schematische Draufsicht eines Sensors gemäß einem Vergleich des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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7A eine
entlang einer Linie VIIA-VIIA in 6 genommene
Querschnittsansicht;
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7B eine
entlang einer Linie VIIB-VIIB in 6 genommene
Querschnittsansicht;
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8A eine
Draufsicht eines Sensors im Stand der Technik;
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8B eine
entlang einer Linie VIIB-VIIB in 8 genommene
Querschnittsansicht; und
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9 eine
teilweise vergrößerte perspektivische
Querschnittsansicht des Sensors im Stand der Technik.
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Ein Sensor 10 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in den 1A und 1B gezeigt. Der Sensor 1 besteht aus
einem Sensorchip 11 zum Erfassen von Infrarotlicht. Der
Sensorchip 11 ist durch Herstellen eines Siliziumsubstrats 11a ausgebildet.
Auf einer oberen Oberfläche
des Sensorchip 11 ist ein Dünnfilm 13 zum Vorsehen
einer Membran 12 ausgebildet. Die Membran 12 ist
auf eine derartige Weise ausgebildet, daß eine untere Oberfläche des
Siliziumsubstrats 11a geätzt ist, um den Dünnfilm 13 freizulegen.
Auf der unteren Seite des Siliziumsubstrats 11a ist der Dünnfilm 13 derart
freigelegt, daß er
eine rechteckige Form aufweist. Deshalb weist die Membran 12 in
einer Draufsicht die rechteckige Form auf.
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Auf dem Dünnfilm 13 ist eine
Thermosäule 14 ausgebildet.
Die Thermosäule 14 ist
durch eine Mehrzahl von Thermoelementen 15 vorgesehen,
die in Reihe geschaltet sind. Jedes Thermoelement 15 weist
einen Heißkontaktpunkt 15a und
einen Kaltkontaktpunkt 15b auf. Der Heißkontaktpunkt 15a ist
auf der Membran 12 angeordnet und der Kaltkontaktpunkt 15b ist
auf dem Siliziumsubstrat 11a angeordnet. Die vorbestimmte
Anzahl von Thermoelementen 15 ist in einem Mittenabschnitt
jeder Kante der rechteckigen Form der Membran 12 angeordnet.
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Hierbei ist in der Mitte der Kante
der rechteckigen Form der Membran 12 ein Spannungsrelaxationsbereich 16 angeordnet.
In dem Spannungsrelaxationsbereich 16 ist die Thermosäule 14 nicht
ausgebildet. Eine Spannung wird aufgrund eines Aufbaus der Membran 12 hauptsächlich in
diesem Spannungsrelaxationsbereich 16 konzentriert und
auf die Membran 12 ausgeübt. Anders ausgedrückt wird durch
die Thermosäule 14 eine
Stufenstruktur ausgebildet, wenn die Thermosäule 14 in diesem Spannungsrelaxationsbereich 16 auf
der Membran 12 ausgebildet ist. Die Membran 12 wird
durch diese Stufenstruktur schwächer,
so daß die
Membran 12 mit der Thermosäule 14 leicht reißen kann.
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Um ihn mit dem in 1 gezeigten Sensor zu vergleichen, wird
ein Vergleichssensor 1 vorbereitet, wie es in 6 gezeigt ist. Der Vergleichssensor 1 weist
keinen Spannungsrelaxationsbereich 16 in der Mitte der
Kante der Membran 12 auf. Wie es in 7A gezeigt ist, ist die Thermosäule 14 durch
einen Isolationsfilm 5 isoliert. Auf dem Isolationsfilm 5 ist
ein Passivierungsfilm 6 ausgebildet. Deshalb ist eine Stufe
auf der Thermosäule 15 ausgebildet.
Andererseits ist in einem Abschnitt, welcher keine Thermosäule 15 aufweist,
keine Stufe, wie es in 7B gezeigt
ist. Die Spannung wird an der Stufe konzentriert und die Stufe macht
die Membran 12 schwächer.
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Die Erfinder haben durch das Experiment
bestätigt,
daß die
Festigkeit der Membran 12 mit der Thermosäule 14 schwächer als
70 % der Festigkeit der Membran 12 ohne die Thermosäule 14 ist.
Weiterhin wird, wie es später
beschrieben wird, die Spannung einfach in der Mitte der Kante der
Membran 12, d.h. im Spannungsrelaxationsbereich 16,
konzentriert. Deshalb ist die Thermosäule 14 in dem Spannungsrelaxationsbereich 16 nicht
auf der Membran 12 ausgebildet.
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Als nächstes wird ein Infrarotabsorptionsfilm 17 auf
der Thermosäule 14 auf
der Membran 12 ausgebildet. Der Infrarotabsorptionsfilm 17 ist
darauf beschränkt
im wesentlichen das empfangene Infrarotlicht zu reflektieren und
zu übertragen,
so daß die thermische
Absorption des Infrarotabsorptionsfilms 17 gefährdet wird.
Zwei Ausgangsanschlüsse 14a, 14b sind
an beiden Enden der Thermosäule 14 angeordnet.
Die Ausgangsanschlüsse 14a, 14b sind
als eine Kontaktierungsanschlußfläche elektrisch
mit einer äußeren Schaltung
außerhalb
des Sensors 10 verbunden. Jeder Ausgangsanschluß 14a, 14b weist eine
vorbestimmte Fläche
zum Verbinden eines Kontaktierungsdrahts oder eines Kontakthöckers auf.
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Die Thermosäule 14 weist ein Ersatzschaltbild
auf, das in 2 gezeigt
ist. Jedes Thermoelement 15 besteht aus einem Paar von
Elektroden. Jede Elektrode besteht aus einem Material, welches zueinander
unterschiedlich ist. In 2 zeigt
ein Paar von schmalen und breiten Linien ein Paar von Elektroden.
Eine Mehrzahl von Thermoelementen 15 ist in einer Reihen schaltung
verbunden. Alle der Heißkontaktpunkte 15a sind
auf der Membran 12 angeordnet und alle der Kaltkontaktpunkte 15b sind
auf dem Siliziumsubstrat 11a angeordnet.
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Wenn der Sensor 10 Infrarotlicht
erfaßt,
wird das Infrarotlicht in den Infrarotabsorptionsfilm 17 absorbiert.
Dann wird der Heißkontaktpunkt 15a erwärmt, so
daß eine
Temperatur des Heißkontaktpunkts 15a hoch
wird. Das heißt,
der Heißkontaktpunkt 15a weist
keinen thermischen Diffusionsabschnitt zum im wesentlichen Leiten
von Wärme
nach außen
auf. Andererseits ist der Kaltkontaktpunkt 15b bezüglich der
Wärme beschränkt, da
das Siliziumsubstrat 11a als eine Wärmesenke zum Leiten von Wärme nach
außen
arbeitet. Deshalb unterscheidet sich eine Temperatur des Heißkontaktpunkts 15a von der
des Kaltkontaktpunkts 15b. Diese Temperaturdifferenz bewirkt
eine Differenz einer elektromotorischen Kraft (das heißt der Potentialdifferenz)
zwischen dem Heißkontaktpunkt
und dem Kaltkontaktpunkt in Übereinstimmung
mit dem Seebeck-Effekt. Daher weist jedes Thermoelement 15 jeweils
eine Potentialdifferenz auf. Alle der Potentialdifferenzen werden
derart aufsummiert, daß eine
Ausgangsspannung VOUT vorgesehen wird, da die Thermoelemente 15 in
einer Reihenschaltung verbunden sind. Die Ausgangsspannung VOUT
wird aus einem Paar von Ausgangsanschlüssen 14a, 14b ausgegeben.
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Der Spannungsrelaxationsbereich 16 ist
wie folgt definiert. Wie es in 3 gezeigt
ist, weist der Spannungsrelaxationsbereich eine rechteckige Form auf,
welche eine Länge
L und eine Breite W aufweist. Unter der Annahme, daß jede Länge von
Kanten der Membran 12A bzw. B ist, sind die Länge L und
die Breite W wie folgt vorgesehen. L = A/15 (1) W = B/200 (2)
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Der Spannungsrelaxationsbereich 16 ist
in der Mitte der Kante der Membran 12 angeordnet. Anders
ausgedrückt
ist eine obere Restlänge
C der Kante gleich einer unteren Restlänge E der Kante.
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Die Spannung wird in diesem Bereich,
das heißt
in dem Spannungsrelaxationsbereich 16, konzentriert, wie
es nachstehend beschrieben wird.
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Eine Beziehung zwischen der Anzahl
von Rissen und einer Position, an der der Riß vorgesehen wird, ist in 4A gezeigt. Wie es in 4B gezeigt ist, ist die
Position des Risses durch Y definiert, welches von einer Kante der
Membran 12 gemessen wird. In 4A ist
die gesamte Anzahl von Rissen 38, ist der Mittelwert der
Position des Risses 1,65 μm, ist
eine Abweichung 3σ,
das heißt
drei Sigma der Standardabweichung, 3,37 μm, ist der Maximalwert der Position
des Risses 4,0 μm,
ist der Minimalwert der Position des Risses 0,0 μm und ist jede Länge A, B
von Kanten der Membran 12 1000 μm.
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Wie es in 4A gezeigt ist, entsteht der Riß hauptsächlich in
einem Bereich zwischen 0 μm,
das heißt
der Kante der Membran, und 3 μm.
In einem Bereich zwischen 0 μm
und 4,5 μm
entstehen weitestgehend alle der Risse. Gemäß diesem Ergebnis wird die
Breite W des Spannungsrelaxationsbereichs 16 als 5 μm bestimmt.
Dieser Wert, das heißt
5 μm, ist
ein bis zwei Hundertstel der Breite B der Membran 12. Hierbei
ist die Breite B der Membran 12 1000 μm. Auf diese Weise wird die
vorhergehende Formel (2) abgeleitet.
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Andererseits wird die Formel (1)
aus einer Simulation abgeleitet, die von den Erfindern durchgeführt worden
ist. Die Simulation wird durch ein Finite-Elemente-Verfahren (das
heißt
FEM) derart durchgeführt,
daß ein
Bereich, in dem die Spannung konzentriert ist, bestätigt wird.
Wie es in 4B gezeigt ist,
wird die Spannung in einem Simulationsbereich S analysiert, welcher
auf einer oberen linken Seite der Membran 12 angeordnet
ist. Das Ergebnis der Simulation ist in 5 gezeigt. In 5 ist eine Konturlinie der Spannung gezeigt.
Hierbei wird die mit der Konturlinie einhergehende Spannung äquivalent
ausgeübt.
In der Mitte der Kante der rechteckigen Form der Membran 12 wird
ein Bereich M einer großen
Spannung ausgebildet. Der Bereich M einer großen Spannung ist als ein schraffierter
Abschnitt in 5 gezeigt.
Ein Bereich N einer kleinen Spannung ist auf einem kleinen Bereich
angeordnet, welcher von der Kante der rechteckigen Form der Membran 12 getrennt
ist. Gemäß diesem
Ergebnis wird die Länge
L des Spannungsrela xationsbereichs 16 zu einem Fünfzehntel
der Breite A der Membran 12 bestimmt. Hierbei ist die Breite
A der Membran 12 1000 μm.
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Auf diese Weise ist der Spannungsrelaxationsbereich 16 definiert.
Da der Sensor 10 den Spannungsrelaxationsbereich 16 aufweist,
in welchem die Spannung konzentriert wird, ist der Sensor 10 darauf beschränkt, die
Spannung derart zu erhöhen,
daß der
Sensor 10 darauf beschränkt
ist, zu reißen
oder zu brechen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der, Spannungsrelaxationsbereich 16 zum
Schützen
des Sensors vor einem Reißen
oder Brechen ausgebildet. Der Spannungsrelaxationsbereich 16 ist
einfach ohne ein Hinzufügen
eines neuen Teils oder ein Hinzufügen eines neuen Herstellungsverfahrens
ausgebildet, da der Spannungsrelaxationsbereich 16 durch ledigliches Ändern eines
Musters der Thermosäule 14 ausgebildet
werden kann. Deshalb wird das Herstellungsverfahren des Sensors 10 nicht
wesentlich geändert,
so daß die
Herstellungskosten des Sensors 10 weitestgehend die gleichen
wie die des Sensors 1 sind.
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Obgleich die Membran 12 eine
rechteckige Form aufweist, können
andere Polygone, wie zum Beispiel ein Fünfeck oder ein Sechseck, als
die Form der Membran 12 verwendet werden. Insbesondere wird
in einem Fall, in dem die Membran 12 eine bestimmte Form
aufweist, in welcher die Spannungskonzentration einfach entsteht,
ein Abschnitt, in dem die Spannung konzentriert ist, als der Spannungsrelaxationsbereich 16 definiert,
und ist die Thermosäule
nicht auf dem Spannungsrelaxationsbereich 16 ausgebildet.
Daher ist der Sensor 10 darauf beschränkt, eine Spannung zu erhöhen, um
sich vor einem Reißen
oder Brechen zu schützen.
Weiterhin wird der Freiheitsgrad des Entwurfs des Sensors 10 erhöht, da der
Sensor 10 vor einem Reißen oder Brechen geschützt wird,
wenn er mit einem Fall verglichen wird, in dem die Thermosäule 14 gleichmäßig auf
der Membran 12 ausgebildet wird, so daß der Sensor 1 einfach
reißt
und bricht.
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Obgleich der Sensor 10 der
Infrarotlichtsensor ist, können
andere Sensoren, wie zum Beispiel ein Temperatursensor mit Kollecktor
und Drucksensor, welche eine Membran zum Erfassen einer physikalischen
Größe auf weisen,
als der Sensor 10 verwendet werden.
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Es versteht sich, daß derartige Änderungen und
Ausgestaltungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung
sind, wie er durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
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Wie es zuvor beschrieben worden ist,
beinhaltet ein erfindungsgemäßer Sensor
einen Detektor zum Erfassen einer physikalischen Größe, eine Membran
und einen Spannungsrelaxationsbereich. Es wird erwartet, daß sich in
einem Fall eines Herstellungsverfahrens des Sensors oder einem Fall
eines Betreibens des Sensors eine Spannung in dem Spannungsrelaxationsbereich
konzentriert. Der Detektor ist ausgenommen des Spannungsrelaxationsbereichs
auf der Membran angeordnet.