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Die Erfindung betrifft ein Thermopile Infrarot-Sensorarray, bestehend aus einem Sensorchip mit einer Vielzahl von Thermopile-Sensorelementen, aufgebaut auf einem Halbleitersubstrat eines Sensor-Chips und zugehörigen Elektronikkomponenten, wie Vorverstärkern, Adressiereinrichtungen, wobei der Sensorchip auf einem Trägersubstrat montiert und mit einer Kappe umhaust ist, in der sich zentrisch über dem Sensorchip eine Eintrittsoptik befindet.
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Bekannt sind Infrarot-Sensoren, die in Si-Mikromechanik Technologie hergestellt werden können, in verschiedenen Spielarten.
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Zum Beispiel wird in R. D. Oliver, K. D. Wise (University of Michigan): „1024 element Bulk micromachined thermopile IR Arrays”; in Sensors & Actuators 73 (1999), p 222–231 ein monolitisches Thermopile-Sensorarray angegeben, das in Si-Mikromechanik-Technologie hergestellt wird.
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Für die Sensorelemente wird eine Nassätztechnologie von der Rückseite her angewendet, wobei durch ein etwas kompliziertes Ätzverfahren Reststege zwischen den Elementen einer mit 12 × 12 mm relativ großen Membran als thermische Trenngräben verbleiben. Insgesamt ergibt sich ein für 32 × 32 Elemente recht großer Chip von 16 × 16 mm Größe.
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Alle Elemente des Arrays werden über einen auf dem Chip integrierten Multiplexer in ein serielles Analogsignal gewandelt und von einem ebenfalls integrierten Vorverstärker verstärkt. Dieser Verstärker muss mindestens die Bandbreite aus Bildfrequenz (z. B. 20 Hz) und der Elementanzahl (im vorgestellten Falle 1024) aufweisen, also z. B. > 20 kHz. Da das Sensorelement- und Vorverstärker Rauschen durch die Bandbreite dieses Verstärkers beeinflusst wird, ergibt sich ein recht hohes Rauschen, was die Nachweisgrenze (thermische Auflösung) zu höheren Temperaturen verschiebt. Folglich wird das vorgestellte Array auch zur Temperaturmessung bei hohen Temperaturen von > 100°C eingesetzt. Für niedrigere Temperaturen (z. B. Raumtemperatur) ergibt sich kein ausreichender Signal/Rausch-Abstand.
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Die mit der vorgestellten Nassätztechnologie erreichten Sensorchips sind relativ groß, was zu hohen Fertigungskosten führt.
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In Kanno, T. et. Al. (NEC Corp.): „Uncooled focal plane array having 128 × 128 thermopile detector elements” in B. Andersen (Ed.), Infrared Technology, Proc. SPIE 2269, Vol XX, San Diego, July 1994, S. 450–459 wird ein monolithisches Thermopile Sensorarray angegeben, in dem die Sensorelemente in einer Oberflächen-Mikromechanik Technologie mit Opferschicht hergestellt werden. Die Auslesetechnik mit CCD-Register erlaubt ein relativ gutes Auflösungsvermögen, aber nur, wenn der Sensorchip im vakuumdichten Gehäuse verkappt ist. Vakuumdichte Gehäuse erhöhen aber die Sensorkosten erheblich und begrenzen die Anwendbarkeit für kostengünstige high volume Anwendungen.
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In Schaufelbühl, A, Münch, U (ETH Zürich): „256 Pixel CMOS integrated Thermoelectric Infrared Sensor Array”; in MEMS 2001, The 14th Intern Conference an Micro Mechanicasl Systems Interlaken, Switzerland, Jan. 21–25, 2001, Proceedings S 200–203 und
Münch, U. et. Al; Thermoelectric Sensor”
US 6,040,579 A wird ein monolitisches Thermopile- Sensorarray angegeben, das in Bulk Si-Mikromechanik-Technologie hergestellt ist. Dabei wird wiederum eine Nassätztechnik von der Rückseite her verwendet. Die entstehende, relativ große Membran wird im Gegensatz zu A. D. Oliver, K. D. Wise durch dicke Goldstege zwischen den Pixeln thermisch separiert.
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Für die Sensorelemente wird eine Nassätztechnologie von der Rückseite her angewendet. Das von Schaufelbühl, A., Münch, U. vorgestellte monolitische 16 × 16 Array Chip ist mit 7,4 × 12 mm ebenfalls recht groß und teuer in der Herstellung. Zur Vorverstärkung sind an zwei Seiten des Chips jeweils zwei Vorverstärker angeordnet. Es ist nicht beschrieben, wie die Vorverstärker verschaltet sind, das Gesamtrauschen der Schaltung mit 256 Elementen ist aber auf Grund der hohen Bandbreite relativ hoch- bzw. die Bildfrequenz bleibt niedrig, es werden nur Bildfrequenzen von 1 Hz angegeben. Die Verlustleistung der an zwei Seiten des Chips angeordnen Vorverstärker trägt auf Grund ihrer Verlustleistung zu einem thermischen Offset bei, sodass alternativ eine Trennung von Sensorchip und Vorverstärkern vorgeschlagen wird.
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Werden jedoch individuelle Vorverstärker außerhalb des Sensorchips angeordnet, so erhöhen sich Platzbedarf und Herstellungskosten weiter.
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In Masaki Hirota et al. (NISSAN Motor Corp.): ”Thermoelectric Infrared Imaging Sensors for automotive applications”; Proc. Of SPIE, Vol 5359, p. 111–125 wird ein monolithisches Thermopile Sensorarray angegeben, in dem die Sensorelemente in einer Oberflächen- Mikromechanik Technologie durch Nassätzen von der Vorderseite hergestellt werden. Jedes Sensorelement enthält nur ein Thermoelement mit einer hohen Empfindlichkeit.
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Prinzipiell werden mit diesem Verfahren akzeptable Temperaturauflösungen erreicht, wobei ein vakuumdichtes Sensorgehäuse vorgeschlagen wird.
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Das vakuumdichte Gehäuse wiederum steht einer kostengünstigen Massenfertigung entgegen.
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In B. E. Cole, C. J. Han (Honeywell Technology Center): ”Monolithic 512 × 512 arrays for infrared scene projection”; Conference Trandiucers '95/Eurosensors; Stockholm, Sweden, 25–29 June, 1995; p. 628–631 oder in der
EP 0 869 341 A1 werden monolithische Bolometerstrukturen für Infrarot-Sensorarrays vorgestellt.
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Bei diesen Infrarot-Sensorarrays werden die Sensorelemente in einer Oberflächen- Mikromechanik Technologie hergestellt, wobei das Entfernen einer Opferschicht zu einer thermisch sehr gut isolierten Sensorbrücke in ca. 2.5 μm über dem Si-Substrat führt, das die Auswerteschaltung enthält.
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Solche Infrarot-Bolometer mit Sensorbrücke gibt es inzwischen in vielen Ausführungen. Weil sie sehr kleine Elementabmessungen erlauben, haben Sie eine weite Verbreitung bei hoch auflösenden Infrarotarrays erfahren.
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Prinzipiell werden mit diesem Verfahren trotz der kleinen Sensorelementabmessungen sehr gute Temperaturauflösungen erreicht. Allerdings erfordern die kleinen Elementabmessungen an der Siliziumoberfläche zwingend eine vakuumdichte Verpackung des Sensorchips, die wiederum einer kostengünstigen Massenfertigung entgegen steht.
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In Q. Q. Zhang; B. Floss et. al. (Hong Kong University): ”Integrated Pyroelectric Array based an PCLT/P(VDF/TrFE) composite” Sensors & Actuators 86(2000); p. 216–219 sowie R. Kennedy McEwen (GEC Marconi): ”European Uncooled Thermal Imaging Technology”; SPIE Vol. 3061, 1997, S. 179–190 werden hybride pyroelektrische Sensorarrays mit Ausleseschaltung in Silizium vorgestellt.
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Pyroelektrische Sensorarrays gestatten wegen der hohen Empfindlichkeit der Sensorelemente eine hohe thermische Auflösung. Allerdings erhöht die hybride Technologie die Kosten im Vergleich zu monolithischen Sensoranordnungen in Siliziumtechnologie. Außerdem haben pyroelektrische Sensoren generell den Nachteil, dass sie nur auf sich ändernde Objekte ansprechen. Für eine Thermobilddarstellung ruhender Objekte – was den Normalfall darstellt – ist eine kontinuierliche Modulation des Strahlungsflusses notwendig, die meist mit einem mechanischen Chopper erreicht wird. Zusätzliche mechanisch bewegte Teile reduzieren die Zuverlässigkeit und erhöhen mechanische Größe sowie Kosten eines Infrarotsensorarrays.
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In Baltes, Henry; Paul, Oliver; Brand, Oliver: Micromachined Thermally Based CMOS Microsensors; Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 8, August 1998, pp. 1660–1678 wird ein Thermopile Infrarot Sensorarray beschrieben, das aus einem Sensorchip mit einer Vielzahl von Thermopile-Sensorelementen besteht, aufgebaut auf einem Halbleitersubstrat eines Sensorchips und zugehörigen Elektronikkomponenten. Der Sensorchip ist auf einem Trägersubstrat montiert und mit einer Kappe umhaust, die zentrisch über dem Sensorchip mit einer Eintrittsoptik ausgestattet ist.
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Ferner verfügt der Sensorchip über eine dünne Membran aus einem nicht leitenden Material, auf der sich Thermopile Sensorelemente in einem Array befinden, deren Daten über eine Interfaceschaltung und einen A/D-Wandler ausgelesen werden.
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Ein solches Thermopile Sensorarray zeigt ein schlechtes Signal/Rausch-Verhältnis und somit eine geringe Temperaturauflösung.
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In Eminoglu, Selim; Tanrikulu, M. Yusuf; Akin, Tayfun: A lowcost 64 × 64 uncooled infrared detector array in standard CMOS, 12th Internat. Conf. an Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, TRANSDUCERS'03, Boston, 8–12 June 2003, Conference Proceedings, Vol. 1, pp. 316–319 wird ein IR-Detektorarray beschrieben, bei dem ein 16-Kanal-Readout-Schaltkreis mit Vorverstärkern neben dem IR-Detektorarray auf dem gleichen Chip zugeordnet sind. Jeder Kanal ist mit einem rauscharmen Differential Transkonduktanz-Verstärker ausgestattet. Auch ein solches Detektorarray zeigt eine schlechte Empfindlichkeit nahe des natürlichen Rauschens.
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Aus der
EP 1 045 233 A2 geht ein schnell auslesbarer Infrarotsensor hervor, bei dem jedes Detektorelement an eine Zeilenleitung angeschlossen ist, die über einen Vorverstärker zu einem Tiefpassfilter und von dort über ein Schieberegister zu einer Messvorrichtung führt. Damit zeigt diese Anordnung eine schlechte Empfindlichkeit, weil auch das Rauschen mit verstärkt wird.
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In der
DE 103 22 860 A1 wird eine Schaltungsanordnung zum Auslesen elektronischer Signale aus hochauflösenden thermischen Sensoren beschrieben, bei der jedem Sensorelement ein Verstärker zugeordnet ist. Eine Verringerung der Rauschbandbreite erfolgt hier nicht, so dass das Rauschen in der vollen Bandbreite zusammen mit dem Nutzsignal verstärkt wird.
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Schließlich zeigt die
DE 103 21 639 A1 einen Infrarotsensor mit optimierter Flächennutzung, der auf einem Trägersubstrat montiert und mit einer Kappe umhaust ist, die zentrisch über dem Sensorchip eine Eintrittsoptik besitzt.
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Weiterhin geht aus der
DE 199 23 606 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung hervor, das in Strahlungseinfallrichtung vor den Detektorelementen mit Zwischenwänden ausgestattet ist, um ein Überkoppeln der einfallenden Wärmestrahlung auf ein benachbartes Detektorelement zu verhindern.
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In dem vorstehend zitierten Stand der Technik werden thermische Infrarot Arraysensoren vorgeschlagen, die entweder
- – wegen eines nicht ausreichenden Signal/Rauch-Abstandes (thermische Auflösung) in DE 103 21 639 A1 ,
- – einer aufwendigen Vakuum-Gehäusetechnologie (Kanno, T. et. al., Masaki Hirota et al., B. E. Cole, C. J. Han und Oda, Naoki) oder
- – einer zusätzlichen mechanischen Chopperbaugruppe für die Fertigung von Infrarot Sensorarrays in Massenstückzahlen Kosten- oder Genauigkeitsnachteile haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein monolithisches Infrarot- Sensorarray anzugeben, das bei kleiner Chipgröße ein hohes thermisches Auflösungsvermögen aufweist und ohne aufwendige Vakuumgehäusetechnologie oder mechanisch bewegte Zusatzteile kostengünstig in Massenstückzahlen hergestellt werden kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die Erfindung wird ein besonders gutes thermisches Auflösungsvermögen erreicht und die thermische Beeinflussung der Thermopile Sensorelemente wird durch die Verlustleistung der nötigen Elektronikkomponenten, wie Vorverstärker, minimiert.
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Durch die Trennstege wird eine Wärmesenke für die kalten Thermopile Sensorelemente und eine thermische Trennung der Thermopile Sensorelemente erreicht. Außerdem wird dadurch eine mechanische Stabilisierung des Arrays ermöglicht.
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Die integrierten Vorverstärker und Tiefpassfilter sorgen für eine Verringerung der Rauschbandbreite und damit zu einer Erhöhung des Signal/Rausch-Abstandes und damit zu einer Verbesserung der Temperaturauflösung.
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Besondere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den zugehörigen Unteransprüchen hervor.
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In weiterer Fortführung der Erfindung enden die Trennwände oberhalb des Trägersubstrates, wodurch eine thermische Entkopplung erreicht wird.
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Das kann dadurch erreicht werden, dass zwischen dem massiven Randbereich und dem Trägersubstrat Abstandshalter angeordnet sind, oder dass die Trennwände durch eine Überätzung verkürzt sind. Der Abstandshalter muss aus einem sehr gut wärmeleitfähigen Material wie z. B. Metall, Keramik oder auch Silizium, bestehen.
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Zur Vermeidung von Beschädigungen der Membran durch Über- oder Unterdruck in der Aushöhlung nach der Montage des Chips auf dem Trägersubstrat kann mindestens für jede Zeile oder Spalte ein dünner Belüftungsschlitz durch die Trennwände und durch den massiven Randbereich vorgesehen sein.
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Schließlich ist vorgesehen, dass die einzelnen Vorverstärker und anderen Elektronikkomponenten derart gleichmäßig auf dem Randbereich des Sensor-Chips verteilt angeordnet sind, dass sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung durch die entstehende Verlustwärme ergibt.
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Bevorzugt ist der Sensorchip mit wenigstens einem auf einer Seite verbreiterten Randbereich versehen, auf dem die Elektronikkomponenten mit höherer Verlustleistung angeordnet sind.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Vorverstärker mit einem oder mehreren Tiefpassfiltern verknüpft sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Vorverstärker mit je einem Tiefpassfilter verknüpft, dessen Grenzfrequenz gleich oder nicht viel höher, höchstens jedoch zwei- bis dreimal höher ist, als die Zeilen- bzw. Spaltenauslesefrequenz.
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Zusätzlich kann jedem Vorverstärker neben den eigentlichen Sensorelementen mindestens ein weiteres Blindelement zur Kompensation von Fehlersignalen zugeordnet sein.
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Die Blindelemente haben dabei einen gleichen oder ähnlichen Innenwiderstand wie die eigentlichen Sensorelemente und sind dabei aus den selben Sensorschichten wie die eigentlichen Sensorelemente hergestellt, wobei unter den Blindelementen entweder keine Aushöhlung angeordnet ist, oder die Blindelemente werden durch vorgeschaltete Blenden von der Infrarotstrahlung des Messobjektes abgeschattet, wobei die den Blindelementen zugewandte Seite der Blenden Infrarotstrahlung absorbierende Eigenschaften aufweisen sollte.
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Die Blindelemente können weiterhin zusätzlich oder alternativ mit den Infrarotstrahlung abblendenden oder reflektierenden Deckschichten versehen sein.
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Um eine thermische Isolation zwischen den Thermopile Sensorelementen und der im Randbereich befindlichen Elektronik zu erreichen, kann das Halbleitersubstrat zwischen der letzten Trennwand der äußeren Reihe von Thermopile- Sensorelementen und dem Randbereich der Sensor-Chips mindestens einen weiteren ausgehöhlten Isolationsbereich aufweisen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Kappe auf der den Sensorelementen zugewandten Seite eine die Infrarotstrahlung absorbierende Oberfläche aufweist.
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Innerhalb der Kappe kann auch eine Apertur angeordnet sein, die aus einem die Infrarotstrahlung nicht reflektierenden Material besteht, oder eine die Infrarotstrahlung absorbierende Oberflächenbeschichtung aufweist.
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Schließlich kann die dünne Membran aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder einem ähnlichen Material bestehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterseite des Sensorchips wenigstens unter dem Sillzium-Tragekörper mit einem Verbindungsstoff sehr hoher Wärmeleitfähigkeit auf dem Trägersubstrat montiert ist. Alternativ kann der Verbindungsstoff auch unter den Trennwänden angeordnet sein.
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Als Verbindungsstoff eignet sich besonders ein metall- oder keramikgefüllter Klebstoff, ein metallisches Lot oder eine metall- oder keramikgefüllte Glasmasse.
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Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:
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1: den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Thermopile-Sensorarraychips;
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2a: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Thermopile-Sensorarraychip nach 1;
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2b: eine Draufsicht auf ein weiteres Thermopile-Sensorarraychip mit auf einer Seite verbreitertem Rand sowie auf diesem angeordneten Elektronikschaltungen;
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3: eine schematische Ausschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Thermopile Sensorarraychips im Querschnitt;
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4: eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Thermopile-Sensorarraychips mit verbesserter thermischer Isolation zwischen Elektronik und Sensorelementen durch einen zusätzlichen Abstandshalter;
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5: eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Thermopile-Sensorarraychips mit verbesserter thermischer Isolation zwischen Elektronik und Sensorelementen durch unterschiedlich tiefe Ätzung der Silizium Trennwände;
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6: eine weitere Modifikation des Grundaufbaues eines Thermopile-Sensorarraychips mit Apertur für verbessertes räumliches Abbildungsvermögen;
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7: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung des Thermopile-Sensorarraychips;
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8a: ein Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit digitaler Signalaufbereitung des Thermopile-Sensorarraychips;
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8b: das Blockschaltbild nach 8a mit zusätzlichen Temperaturreferenzen auf dem Sensorchip sowie im Gehäuse;
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9a: eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorchips mit dünnen Lüftungsschlitzen im Querschnitt;
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9b: die Ausgestaltung nach 9a in der Unteransicht; und
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10: eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorchips mit Blindelementen und zugehörigen Blenden.
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Der Thermopile-Sensorarray Chip (nachfolgend als Sensorchip 1 bezeichnet) ist entsprechend 1 auf dem Trägersubstrat 8, z. B. eine Bodenplatte, zentrisch aufgebracht und mit einer Kappe 9 abgedeckt. Die Kappe 9 enthält eine Öffnung für die Eintrittsoptik 10, die genau über der Mitte der Sensorelemente des Sensorchips 1 angeordnet ist. Die Eintrittsoptik 10 kann einerseits ein planparalleles Filter oder eine Linsenoptik sein. Die Verbindung zwischen dem Sensorchip 1 und dem Trägersubstrat 8 kann mit einem Verbindungsmittel durch Kleben, Löten, Einglasen oder auch durch Schweißen hergestellt werden. Das Verbindungsmittel sollte eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Als Verbindungsmittel geeignet sind z. B. ein mit Metall oder Keramik gefüllter Kleber, eine metallgefüllte Einglasung oder ein Lot.
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Die Variante mit Filter ist in 1 nicht dargestellt, in diesem Falle muss eine Linse zusätzlich außerhalb des Gehäuses montiert werden.
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Bei der in 1 dargestellten Variante wird als Eintrittsoptik 10 eine abbildende Linse vorgesehen. Die Abmessungen von Kappe 9, Sensorchip 1 und Brennweite der Eintrittsoptik 10 werden erfindungsgemäß so gewählt, dass die abzubildenden Objekte über die Linse scharf auf den Sensorelementen abgebildet werden. Auf dem Trägersubstrat 8 sind üblicherweise Kontakte oder Steckverbinder angeordnet (in 1 nicht dargestellt), um die Ausgangssignale des Sensorchips 1 zu anderen Baugruppen weiterzuleiten. Die elektrische Verbindung zwischen Sensorchip 1 und Kontakten auf dem Trägersubstrat 8 erfolgt über Drahtbrücken 11, die durch eine übliche Drahtbondtechnologie hergestellt werden können.
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2a zeigt eine Draufsicht auf den Sensorchip 1. Im mittleren Teil des Sensorchips 1 befinden sich die Sensorelemente (SE) 2, 3, 4, 5 des Sensorarrays, die symbolisch durch Quadrate dargestellt sind. Die Sensorelemente SE sind als zweidimensionales Feld mit m Zeilen und n Spalten angeordnet. Folglich ist das Sensorelement 2 das Sensorelement der ersten Zeile und der ersten Spalte (SE 1,1); das Sensorelement 3 das Sensorelement der ersten Zeile und n-ten Spalte (SE 1, n), und das Sensorelement 4 das Sensorelement der m-ten Zeile und der ersten Spalte (SE m, 1) und das Sensorelement 5 das Sensorelement der m-ten Zeile und der n-ten Spalte (SE m, n).
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Im Beispiel ist ein Array von m = 16 Zeilen und n = 16 Spalten dargestellt.
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Im äußeren Bereich des Sensorchips 1 (d. h. außerhalb der Sensorelemente) befinden sich die für den Betrieb erforderlichen elektronischen Baugruppen. Dazu gehören z. B. Vorverstärker VV und Tiefpassfilter TP, zusammen mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet, 6 oder andere Elektronikkomponenten OE 7. Andere Elektronikkomponenten können z. B. Adressregister, Multiplexer, Treiber, Mikrocontroller, Analog/Digitalwandler (ADC), Temperaturreferenzen, Spannungsreferenzen, Ablaufsteuerungen und Interfacebaugruppen sein.
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Erfindungsgemäß ist mindestens für jede Zeile (oder jede Spalte) ein Vorverstärker VV ausgebildet. D. h. im vorliegenden Fall mit 16 Zeilen sind vorzugsweise mindestens 16 Vorverstärker VV 6 vorhanden.
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Es empfiehlt sich, diesen Vorverstärkern VV je einen Tiefpass TP nachzuschalten, dessen Bandbreite (Grenzfrequenz des Tiefpasses) mindestens der Zeilenfrequenz des Arrays entspricht, um Signalverluste zu vermeiden. Damit beschreibt das Bezugszeichen 6 die Kombination aus Vorverstärker und nachgeschaltetem Tiefpassfilter.
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Natürlich kann durch einen vorgeschalteten Multiplexer auch die Anzahl der einzelnen Vorverstärker gegenüber der Spalten- oder Zeilenanzahl reduzieren. Wenn z. B. nicht für jede Zeile oder Spalte genau ein oder mindestens ein Vorverstärker VV vorgeschaltet ist, können sich z. B. zwei oder vier Zeilen einen Vorverstärker durch einen Multiplexer teilen.
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Wenn z. B. nicht für jeden Vorverstärker ein Tiefpass vorgesehen ist, können sich zwei, drei oder vier Vorverstärker einen Tiefpass über einen vorgeschalteten Multiplexer teilen.
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In der vorgezogenen Ausführungsform mit einem Vorverstärker VV und einem Tiefpass TP je Spalte oder Zeile sollte die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters nicht wesentlich höher als die Zeilenfrequenz (bzw. Spaltenfrequenz) sein, weil die Grenzfrequenz des Tiefpasses das Gesamtrauschen von Sensorelement 1 und Vorverstärker begrenzt.
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Teilen sich hingegen mehrere Spalten in einen Vorverstärker oder mehrere Vorverstärker in einen Tiefpass, so muss die Grenzfrequenz des Tiefpasses zur Vermeidung von Signalverlusten entsprechend angehoben werden. Die höhere Grenzfrequenz führt allerdings zu einem höheren Rauschen und einer schlechteren thermischen Auflösung.
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Die Ausgänge jedes der Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 werden zu einem Ausgangsmultiplexer geführt (z. B. Spaltenmultiplexer 23), der die parallel anliegenden Ausgangssignale der Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 in ein serielles Ausgangssignal wandelt (siehe auch das Blockschaltbild 7).
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Die Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 sollten ein niedriges Rauschen und eine geringe Offsetspannung aufweisen. Vorzugsweise wird das mit an sich bekannten Chopperverstärkern (auch Auto-Zero-Verstärker) erreicht. Um die thermische Beeinflussung der integrierten Sensorelemente niedrig zu halten, sollte die Verlustleistung der Vorverstärker VV klein sein und vor allem gleichmäßig auf dem Umfang des Sensorchips 1 verteilt sein. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 gleichmäßig auf dem Rand des Sensorchips 1 verteilt sind.
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Beispielsweise ergeben sich für das dargestellte Sensorarray von 16 × 16 Elementen vier Vorverstärker VV mit Tiefpassfilter TP 6 auf jeder Seite und bei z. B. 128 × 128 Elementen wären es 32 Vorverstärker VV mit Tiefpassfilter TP 6 auf jeder Seite.
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Weil die Verlustleistung (und damit die Eigenerwärmung) der n Vorverstärker VV mit Tiefpassfilter TP 6 erfahrungsgemäß die dominierende Wärmequelle auf dem Sensorchip 1 sind, hat also die symmetrische und gleichmäßige Anordnung der Vorverstärker VV Vorrang. Wenn eine oder mehrere der weiteren Elektronikbaugruppen OE 7 ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf die Verlustleistung haben, sind diese erfindungsgemäß so zwischen den Vorverstärker mit Tiefpass-Strukturen 6 auf dem Chiprand anzuordnen, dass eine gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht wird.
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Prinzipiell können sich auch mehrere Vorverstärker einen Tiefpass teilen (d. h. je Tiefpass z. B. zwei oder mehrere Vorverstärker). Das reduziert den Platzaufwand, erhöht aber gleichzeitig die Rauschbandbreite, wodurch sich die erreichbare Temperaturauflösung verschlechtert.
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2b zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Sensorchip 1 mit auf einer Seite verbreitertem Randbereich (in 2b unten). Die Elektronikkomponenten OE 7 mit größerer Verlustleistung sind hier auf diesem verbreiterten Randbereich angeordnet, der eine bessere Wärmeableitung zum Substrat gewährleistet. In dieser Ausführungsform wird ein Teil der anderen Elektronikkomponenten OE 7 (z. B. MUX, Teile der Treiber, A/D-Wandler, Mikrokontroller o. ä.) auf einer oder mehreren Seiten des Chips neben den Vorverstärkern und Tiefpassbaugruppen 6 angeordnet. Dadurch wird bei einer oder mehreren Seiten die Breite des Rahmens (Tragekörper 17) gegenüber den anderen Seiten erhöht.
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Ausgeglichen wird die größere Breite durch eine höhere Verlustleistung (Verlustwärme) der zusätzlichen Elektronikkomponenten OE 7. Der breitere Substratrand kann auf Grund der größeren Kontaktfläche proportional mehr Wärme zum Trägersubstrat 8 abführen, die von den weiteren Baugruppen OE 7 herrührt, so dass die homogene Wärmeverteilung auf dem Chip erhalten bleibt.
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3 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der Thermopile-Sensorelemente 13 (thermoelektrische Leitbahnen) mit darüber liegenden Absorberstrukturen 14 für jedes Thermopile-Sensorelement 13. Sämtliche Thermopile-Sensorelemente 13 befinden sich auf einer dünnen, thermisch gut isolierenden Membran 12 und werden mit Schalttransistoren und Adressleitung 15 aktiviert sowie mit dem Auslese-Multiplexer (Zeilen-Multiplexer 21, Spalten-Multiplexer 23) verbunden (siehe 7).
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Das Siliziumsubstrat unter der dünnen Membran 12 ist durch mikromechanische Ätzprozesse wabenförmig zeichnungsgemäß von unten ausgehöhlt (Aushöhlung 16') und es verbleiben nur dünne, vorzugsweise senkrechte die Wabenstruktur begrenzende Trennwände 16 im Siliziumsubstrat zwischen den einzelnen Thermopile-Sensorelementen 13, die mit dem Trägersubstrat 8 verbunden sind. Die Trennwände 16 können zusätzlich unten im Bereich des Trägersubstrates 8 jeweils mit einem Luftschlitz 16'' versehen werden. Dazu wird das Siliziumsubstrat von unten angeätzt, z. B. auf 1/10...1/2 der Substratdicke. 9a zeigt eine schematische Darstellung der in die Trennwände 16 eingebrachten Luftschlitze 16'' und 9b eine Ansicht des Siliziumsubstrates unter der Membran 12 mit den Luftschlitzen 16', die sich über das gesamte Array der Sensorelemente 2, 3, 4, 5 erstrecken. Ein solches Chip enthält mindestens je einen dünnen Luftschlitz 16'' pro Zeile oder Spalte des Sensorarrays, wobei die Tiefe der Luftschlitze geringer als die Tiefe des Substrates bis zur Membran ist.
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Die eingearbeiteten Schlitze gestatten einen Druckausgleich zwischen den einzelnen Aushöhlungen 16' und dem Gehäuseinneren. Selbst wenn bei der Befestigung des Chips 1 auf dem Trägersubstrat 8 die einzelnen Aushöhlungen 16' Komplett mit dem Trägersubstrat 8 abschließen, verhindert der Gasaustausch durch die Luftschlitze 16'' ein Zerbrechen der dünnen Membran 12 durch Unter- oder Überdruck in der Aushöhlung 16'.
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Die dünne Membran 12 besteht aus einem CMOS-kompatiblen dielektrischen Material (z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, bzw. einer Sandwichstruktur daraus), wurde durch CVD Prozesse im CMOS Prozess abgeschieden und hat eine typische Dicke von etwa 1 μm, wobei prinzipiell Dicken zwischen etwa 0,3 und 4,0 μm möglich sind. Die Materialparameter sind im Vergleich zum Siliziumsubstrat so zu wählen, dass nach dem Abscheiden möglichst keine mechanischen Verspannungen auftreten.
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Auf der dünnen Membran 12 sind die einzelnen Thermopile-Sensorelemente SE1,1 bis SE m,n angeordnet. Jedes Thermopile-Sensorelement 13 enthält eine Thermopilestruktur. Die an sich bekannten Thermopiles bestehen aus zwei Materialien mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten. Diese Materialien werden im CMOS-Prozess durch Abscheidung von polykristallinem Silizium oder Silizium/Germanium und Aluminium oder vorzugsweise durch n-leitendes und p-leitendes polykristallines Silizium, hergestellt.
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Die einzelnen Thermopaare bestehen aus je einem Schenkel n-leitendem und p-leitendem Poly-Silizium. Beide Poly-Silizium-Schenkel sind vorzugsweise übereinander liegend angeordnet und an den Enden jeweils mit dem folgenden bzw. dem Vorgänger-Thermopaar verbunden. Dadurch entstehen im Zentrum der Membran „warme” Kontakte und im Silizium-Randbereich 17 über den als Wärmesenke wirkenden Silizium-Trennwänden 16 „kalte” Kontakte. Der Silizium-Randbereich dient zugleich als Silizium-Tragekörper 17.
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Über den heißen Kontakten wird eine Absorberschicht aufgebracht, die für Infrarotstrahlung einen besonders hohen Absorptionskoeffizient aufweist.
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Zur Erhöhung der Signalspannungen werden viele Thermoelemente in Reihe geschaltet, so dass ein Thermopile entsteht.
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Die Ätzung der Aushöhlung 16' unter den Sensorelementen 13 erfolgt z. B. durch reaktiven Ionenätzen (RIE) im an sich bekannten, sogenannten „Deep RIE-Prozess”. Diese Ätzung erfolgt von der Rückseite und stoppt an der Unterseite der Membran 12, z. B. an einer Oxidschicht, die im Vergleich zu Silizium eine sehr niedrige Ätzrate aufweist.
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Der Deep RIE-Prozess gestattet die Herstellung der Trennwände 16 mit praktisch senkrechten Wänden. Diese Silizium-Trennwände 16 haben mehrere Funktionen:
- – als Wärmesenke für die kalten Kontakte der Thermopiles,
- – zur thermischen Trennung der Thermopiles untereinander, (Vermeidung von thermischem Übersprechen) und
- – zur mechanischen Stabilisierung der Membran 12 und des Arrays.
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4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Thermopile-Sensorarrays mit zusätzlichem Abstandshalter 18. Im Gegensatz zum Grundaufbau in 1 ist der Sensorchip 1 im Querschnitt dargestellt.
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Es zeigt die Sensorelemente und Absorberstrukturen 14 und die Siliziumtrennwände 16 zwischen den Sensorelementen dargestellt. Im Randbereich des Sensorchips 1 sind die Vorverstärker VV und Tiefpassfilter TP 6 bzw. weitere elektronische Baugruppen 7 angeordnet. Diese elektronischen Baugruppen sind über dem massiven Randbereich des Silizium-Tragekörpers 17 angeordnet, weil die entstehende Verlustleistung (Wärme) in den Baugruppen 6 und 7 möglichst gut zur Bodenplatte 8 abgeleitet werden soll. Ziel der Dimensionierung ist es, die entstehende Temperaturerhöhung im Randbereich 6, 7 so klein wie möglich zu halten, um eine thermische Beeinflussung der Sensorelemente 14 über der Membran 12 (3) zu verhindern. Die elektronischen Baugruppen 6, 7 und die Sensorelemente und Absorberstrukturen 14 sind über Drahtbrücken 11 mit dem Trägersubstrat 8 elektrisch verbunden.
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4 zeigt auch weitere Ausgestaltungen der Erfindung. So ist zwischen den äußeren Sensorelementen und Absorberstrukturen 14 und dem Siliziumträger 17 im Randbereich eine weitere Aushöhlung als thermischer Isolationsbereich 19 ausgeführt, ohne dass sich über der darüber weitergeführten Membran 12 ein Sensorelement 14 befindet. Der zusätzliche Isolationsbereich 19 soll das thermische Übersprechen der elektronischen Baugruppen 6, 7 auf die Sensorelemente 14 weiter reduzieren. Der zusätzliche Isolationsbereich 19 wird gleichzeitig mit den Aushöhlungen 16' unter den Sensorelementen hergestellt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem Abstandshalter 18, der den Silizium-Tragekörper 17 des Sensorchips 1 mit de Trägersubstrat 8 verbindet, während die Siliziumtrennwände 16 zwischen den Sensorelementen keinen Kontakt zu dem Trägersubstrat 8 haben. Der Abstandshalter 18 muss aus einem sehr gut wärmeleitfähigen Material bestehen (z. B. Metall, Keramik oder auch Silizium). Optional kann der Abstandshalter 18 aber auch Bestandteil des Sensorchips 1 sein.
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Die ganze Anordnung ist durch eine Kappe 9 umhaust, die auf dem Trägersubstrat 8 befestigt ist und in der sich zentrisch über dem Sensorchip 1 eine Eintrittsoptik 10, z. B. eine Linse befindet.
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In 5 sind weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Thermopile Sensorarrays mit unterschiedlich tief geätzten Sillzium-Trennwänden 16 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird die bessere thermische Isolation nicht durch einen Abstandshalter 18, wie in 4 dargestellt, erreicht, sondern durch einen weiteren Abtrag der Silizium-Trennwände 16 zeichnungsgemäß von unten, wodurch ein freigeätzter Spalt 20 über dem Trägersubstrat 8 freigeätzt wird. Dies wird durch einen zusätzlichen Ätzschritt erreicht, bei dem die unteren Enden der Trennwände 16 im Zentralbereich des Sensorchips 1 abgeätzt werden, wobei gleichzeitig die unteren Enden des Siliziumtragekörpers 17 abgedeckt werden müssen.
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Nach der Montage des Sensorchips 1 sitzt der Randbereich des Sensorchips 1, d. h. der Silizium-Tragekörper 17 direkt auf dem Trägersubstrat 8 auf, während zwischen den Silizium-Trennwänden 16 und dem Trägersubstrat 8 der Spalt 20 verbleibt.
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Der übrige Aufbau entspricht dem von 4.
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6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorarrays. Der Grundaufbau des Sensorarrays mit Sensorchip 1 auf dem Trägersubstra 8 mit Drahtbrücken 11 zur elektrischen Kontaktierung und Eintrittsoptik 10 enthält hier eine Apertur 30. Innerhalb der Kappe 9 ist die Apertur 30 umlaufend angeordnet. Diese Apertur 30 kann z. B. aus Kunststoff, Glas bzw. metallischen, keramischen oder anderen isolierenden Materialien hergestellt werden.
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Die dem Sensorchip 1 zugewandte Seite 31 darf nicht für Infrarotstrahlung reflektierend sein. Das kann durch die Wahl des Werkstoffes (die meisten Keramik- und Kunststoffmaterialien sind nicht reflektierend und brauchen keine Zusatzschicht), oder bei Metallen durch eine absorbierende Schicht erfolgen.
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Die die Infrarotstrahlung nicht reflektierende Oberfläche 31 soll verhindern, dass Streudtrahlung von der Eintrittsoptik 10 an der Innenwand der Kappe 9 reflektiert wird und zu den Sensorelementen SE gelangt.
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7 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensorarrays mit einem Zeilenmultiplexer 21 mit zugehöriger Ansteuerung 22 des Zeilen-Multiplexers, einer Vorverstärker- und Tiefpassanordnung 6 für die einzelnen Spalten sowie einem Spaltenmultiplexer 23 mit zugehöriger Ansteuerung 24. Weiterhin ist ein Analog-Ausgang 25 vorgesehen, der mit dem Ausgang des Spaltenmultiplexers 23 verbunden ist.
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In 8a ist ein weiteres Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Hier sind zusätzliche Baugruppen für Adressregister 26, Ablaufsteuerung 27 und Analog/Digital-Wandler 28 vorgesehen. All diese Baugruppen werden nach/von außen über das digitale Interface 29 verbunden. Ansonsten entspricht 8a 7.
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8b zeigt das Blockschaltbild nach 8a, das jedoch mit zusätzlichen Temperaturreferenzen 32, 33 versehen ist. Dabei ist eine Temperaturreferenz 32 im Sensorchip 1 und die Temperaturreferenz 33 innerhalb der Kappe 9 angeordnet. Die zusätzlichen Temperaturreferenzen 32, 33 sind unmittelbar mit dem Spaltenmultiplexer 23 verbunden, und sorgen für eine gute Korrektur der Messwerte.
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Die Steuerung des Arrays kann sowohl von außen über angelegte Adressen als auch intern über einen internen Taktgenerator und die Ablaufsteuerung 27 erfolgen. Dabei werden über den Zeilen-Multiplexer 21 die einzelnen Zeilen des Arraysensorfeldes nacheinander (oder bei Bedarf auch mit wahlfreiem Zugriff) aktiviert.
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Alle Thermopile- Sensorelemente einer Spalte liegen parallel an dem zugehörigen Ausgangsvorverstärker VV 6 der Spalte an und werden von diesem verstärkt. Da nur eines der Zeilenelemente aktiviert ist, liegt zu diesem Zeitpunkt nur die Ausgangsinformation am Spaltenmultiplexer 22 an. Vorzugsweise ist der dem Vorverstärker nach geschaltete Tiefpass 6 mit einem Sample & Hold Verstärker abgeschlossen, der den über eine Zeilenperiode lang integrierten Signalwert konstant hält, während die einzelnen Spaltensignale nacheinander abgefragt und zum Ausgang des Spalten-Multiplexers 23 durchgeschaltet werden.
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Zur Kompensation von Drifteffekten und Inhomogenitäten der einzelnen Vorverstärker VV bzw. Tiefpass TP 6 (z. B. Schwellspannung, Bissstrom) empfiehlt es sich, zu jeder Spalte von Sensorelementen ein Blindelement (z. B. Thermopilestruktur mit identischem Widerstand, aber ohne Signalspannung) einzufügen. Das Blindelement wird als Referenzspannung mit ausgelesen, vorzugsweise mehrere Perioden lang zur Rauschminderung akkumuliert (gemittelt) und zur Kompensation der Drifteffekte ausgenutzt. Dabei kann das Blindelement z. B. ein gegen IR-Strahlung vom Objekt abgeschirmtes Sensorelement mit eigener Membran oder nur die Widerstandsstruktur eines Thermopiles 13 ohne geätzter Membran sein.
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10 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einer Reihe von Blindelementen 34, die auf dem äußeren Rand des Sensorchips 1 angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich unter den Blindelementen jeweils eine eigene Aushöhlung und sind in gleicher Weise wie die eigentlichen Sensorelemente 14 aufgebaut. Eine außerhalb des Sensorchips angeordnete Blende 35 schattet die Blindelemente 34 gegenüber der Infrarotstrahlung vom Messobjekt ab, während die eigentlichen Sensorelemente an der Blende vorbei zur Eintrittsoptik 10 sehen. Diese Lösung gestattet es, sowohl Drifteffekte der einzelnen Vorverstärker und Tiefpassfilter auszugleichen, als auch den so genannten „Heat Schock Effekt” durch schnelle Umgebungstemperatur-Änderungen zu kompensieren.
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In 10 ist die Blende 35 an das Trägersubstrat 8 montiert. Je nach thermischen Verhältnissen (d. h. dem maximalen Wärmeeintrag beim „Heatschock”), kann die Blende 35 auch an der Kappe 9 oder der Apestur 30 montiert werden.
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Die Blende 35 kann entweder auf dem Trägersubstrat 8, wie in 10 dargestellt, montiert werden, oder auch an der Innenseite der Kappe 9 befestigt werden. Ein weiterer möglicher Anbringungsort wäre auch die Innenseite der Apertur 30. Die Befestigung an der jeweiligen Baugruppe kann durch die bekannten Befestigungsverfahren wie Kleben, Löten, Einglasen, oder auch durch Schweifen erfolgen.
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Funktionswesentlich ist allerdings unabhängig vom Anbringungsort, dass die dem Blindelement 34 zugewandte Innenseite der Blende 35 eine die Infrarotstrahlung absorbierende Oberfläche aufweist. Das kann durch die Wahl des Werkstoffes (die meisten Keramik- und Kunststoffmaterialien sind nicht reflektierend) oder die metallen durch eine absorbierende Schicht erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor Chip
- 2
- SE 1,1; Sensorelement 1. Zeile, 1. Spalte
- 3
- SE 1, n; Sensorelement 1. Zeile, n. Spalte
- 4
- SE m, 1; Sensorelement m. Zeile, 1. Spalte
- 5
- SE m, n; Sensorelement m. Zeile, n. Spalte
- 6
- Vorverstärker mit Tiefpassfilter
- 7
- OE, andere Elektronikkomponenten
- 8
- Trägersubstrat
- 9
- Kappe
- 10
- Eintrittsoptik
- 11
- Drahtbrücke
- 12
- Membran
- 13
- Thermopile Sensorelement
- 14
- Absorberstruktur eines Sensorelementes
- 15
- Schalttransistor und Adressleitung eines Sensorelementes
- 16
- Trennwand
- 16'
- Aushöhlung
- 16''
- Luftschlitz
- 17
- Silizium-Tragekörper
- 18
- Abstandshalter
- 19
- Isolationsbereich
- 20
- freigeätzter Spalt
- 21
- Zeilen-Multiplexer
- 22
- Ansteuerung Zeilen-Multiplexer
- 23
- Spalten-Multiplexer
- 24
- Ansteuerung Spaltenmultiplexer
- 25
- Analog-Ausgang
- 26
- Adressregister
- 27
- Ablaufsteuerung
- 28
- Analog/Digital Konverter
- 29
- Digitales Interface
- 30
- Apertur
- 31
- Infrarotstrahlung nicht reflektierende Oberfläche
- 32
- Temperaturreferenz
- 33
- Temperaturreferenz
- 34
- Blindelement
- 35
- Blende für Blindelement
