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Die vorliegende Erfindung betrifft Infrarotsensoren.
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Infrarot-Temperatursensoren sind seit vielen Jahren in der Prozesssteuerung und der Fabrikation bekannt und werden nun zunehmend in Fahrzeuganwendungen eingesetzt. Silizium-Thermosäulen, die sich zu Kosten herstellen lassen, die sich für Fahrzeuganwendungen eignen, erzeugen sehr niederschwellige Ausgangssignale. Daher werden die Signalverstärkung und die Kalibrierung mit herkömmlichen preiswerten Komponenten aufgrund des Problems des Rauschens schwierig.
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Miniatur-Infrarotsensoren bestehen im Allgemeinen aus drei Bestandteilen. Zunächst wird eine strahlungsabsorbierende Beschichtung verwendet, welche die Bandbreite bestimmt. Ferner wandelt ein Thermosäulen-Detektor Temperaturdifferenzen in Spannungen durch den Seebeck-Effekt um. Eine Thermosäule ist im Wesentlichen eine Anordnung aus einem oder mehreren Thermoelementen. Schließlich wird das Substrat des Thermosäulen-Detektors auf einem Wärmeableiter montiert, der die Temperatur des Sensors stabilisiert.
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Bei der Verwendung einer Siliziumtechnik ist es erforderlich, die hohe thermische Leitfähigkeit des Siliziumsubstrats zu berücksichtigen. Eine Lösung liegt in der Verwendung fein bearbeiteter aufgehängter Strukturen wie etwa Membranen oder Hebeln. Die heißen Übergänge werden in der Nähe einer absorbierenden Zone versammelt, die auf einer Membran oder einem Hebel mit niedriger thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist, sodass die Wärmeleitungsverluste minimiert werden. Die kalten Übergänge sind auf einem Wärmeableiter angeordnet, im Allgemeinen auf das Siliziumsubstrat. Diese Anordnung schafft einen hohen thermischen Widerstand zwischen den heißen und kalten Übergängen des Thermoelements, so dass eine hohe Empfindlichkeit geschaffen wird.
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Es ist bereits eine Vielfalt solcher thermoelektrischer Sensoren erhältlich, die auf einem Siliziumwaver integriert sind und bei denen Polysilizium für die Thermosäule verwendet wird. Das signifikant unterschiedliche thermische Verhalten der beiden Arten von Thermoübergängen macht jedoch diese Sensoren höchst anfällig für Gasleitungs- und Konvektionsphänomene. Die Vorrichtungen müssen daher als verkapselte Strukturen ausgebildet sein.
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Dies führt dazu, dass die erforderliche Verpackung bezüglich der Zuverlässigkeit und der Kosten problematisch ist.
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Es wurden auch bereits verpackungsfreie Sensoren vorgeschlagen, beispielsweise in dem Artikel „Package-free infrared micro sensor using polysilicon thermopile" von M. Boutchich et al, Sensors and Actuators A 121 (2005) Seiten 52–58.
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Erfindungsgemäß wird ein IR-Sensor geschaffen, umfassend:
ein Wärmeableitersubstrat mit Bereichen relativ hoher thermischer Leitfähigkeit und Bereichen relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit;
eine ebene Thermoelementschicht mit einem heißen Übergang und einem kalten Übergang, welcher heiße Übergang auf einem Bereich des Wärmeableitersubstrats mit relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist;
eine dielektrische Schicht mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, die über der Thermoelementschicht angeordnet ist und ein Durchgangsloch aufweist, der zu dem heißen Übergang führt;
eine IR-Reflektorschicht, welche die dielektrische Schicht niedriger thermischer Leitfähigkeit und die Seitenwände des Durchgangslochs abdeckt, wobei eine Öffnung in der IR-Reflektorschicht an der Stelle des heißen Übergangs vorgesehen ist;
und einen IR-Absorber innerhalb des Durchgangslochs.
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Diese Struktur bildet einen planaren IR-Mikrosensor, der ein strukturiertes Substrat und eine dielektrische Schicht verwendet, so dass keine spezifische Verpackung erforderlich ist. Die heißen und kalten Übergänge sind derart verteilt, dass die heißen Übergänge an einem Bereich niedriger thermischer Leitfähigkeit des Substrats angeordnet sind. Die IR-Reflektorschicht bildet eine Strahlungswärmeleitung, die auf dem Sensor anstelle der herkömmlichen bekannten planaren Strahlungsbeschichtungen vorgesehen ist. Diese Wärmeleitung schafft eine höhere Empfindlichkeit durch Schaffung eines Brennpunkts auf dem Thermoelement und erhöht ferner die Unempfindlichkeit gegenüber Gasleitung und Konvektion.
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Vorzugsweise umfasst der Sensor ferner ein integriertes Linsenelement über dem Durchgangsloch. Dies schafft eine zusätzliche Fokussierung auf die Thermoelement-Funktion und erhöht hierdurch die Empfindlichkeit.
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Der IR-Absorber kann das Durchgangsloch ausfüllen, und ferner kann der IR-Absorber lediglich an der Basis des Durchgangslochs über dem heißen Übergang angeordnet sein. Im letzteren Fall kann das verbleibende Volumen des Durchgangslochs vakuumversiegelt sein.
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Die integrierte Linse kann eine Mikrolinse umfassen, beispielsweise aus Quarzglas, Silizium oder Pyrexglas.
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Der kalte Übergang ist vorzugsweise ebenfalls in einem Bereich des Wärmeableitersubstrats mit relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit angeordnet. Das Wärmeableitersubstrat kann eine Basisschicht und eine strukturierte Wärmeableiterschicht umfassen.
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Die planare Thermoelementschicht umfasst vorzugsweise eine Anzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen, wobei jedes Thermoelement einen heißen Übergang und einen kalten Übergang umfasst, wobei jeder heiße Übergang auf einem Bereich eines Wärmeableitersubstrats angeordnet ist.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Sensorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sensorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Sensorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Bekannte Infrarotsensoren verwenden typischerweise einen Ein- oder Vier-Elementchip, der auf eine versiegelte TO-46 oder TO-18-Baugruppe montiert ist, die ferner Filter und Füllgase einschließt. Gewöhnlich wird eine Inert-Atmosphäre wie etwa Krypton dazu verwendet, die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu steigern. Es ist bekannt, eine verteilte planare Anordnung für den Thermoelementdetektor zu verwenden und eine Integration des IR-Filters auf dem Substrat zu schaffen. Dies ermöglicht die Bildung eines dünnen Sensors.
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Die vorliegende Erfindung verbessert das bekannte Design, verwendet jedoch immer noch ein verteiltes Thermoelement-Design mit einem integrierten IR-Filter. Die Erfindung verwendet eine Führungsstruktur, die als Wärmekanal zu betrachten ist, der es ermöglicht, dass die IR-Strahlung auf einen Thermoelement-Übergang fokussiert wird. Ferner wird die Direktivität, nämlich das Gesichtsfeld des Sensors stark verbessert, was eine präzise Ausrichtung ermöglicht.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sensorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Der Sensor umfasst ein Wärmeableitersubstrat 10 mit Bereichen 12 relativ hoher thermischer Leitfähigkeit und Bereichen 14 relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit. Das Substrat kann ein Siliziumsubstrat sein, welches die Bereiche 12 hoher thermischer Leitfähigkeit definiert, und Siliziumoxid-Bereiche können die Bereiche niedriger thermischer Leitfähigkeit definieren. Somit kann ein STI-Substrat (Niedriggraben-Isolation oder shallow trench isolation) verwendet werden.
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Eine ebene Thermoelementschicht 16 umfasst eine Reihe von heißen Übergängen 18 und kalten Übergängen 20. Die Schicht 16 bildet gemeinsam mit dem darunterliegenden Substrat die Wärmesäulenstruktur.
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Zumindest die heißen Übergänge 18 sind auf einen Bereich 14 des Wärmeableitersubstrats mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet.
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Eine dielektrische Schicht 22 niedriger thermischer Leitfähigkeit ist über der Thermoelementschicht 16 angeordnet und umfasst ein Durchgangsloch 24, der zu dem heißen Übergang 18 führt. Das Dielektrikum kann durch ein aufgebrachtes Gel gebildet werden. Die dielektrische Schicht ist mit einer IR-Reflektorschicht 26 abgedeckt, welche das Dielektrikum 22 niedriger thermischer Leitfähigkeit und die Seitenwände jedes Durchgangskontakts 24 abdeckt. Eine Öffnung 28 ist in der IR-Reflektorschcht 26 an der Stelle des heißen Übergangs vorgesehen. Ein IR-Absorber 30 ist innerhalb des Durchgangskontakts vorgesehen. Die IR-Reflektorschicht kann eine Au-Schicht sein, die oben auf den heißen Übergang des Thermoelements aufgestäubt und geöffnet ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die kalten Übergänge ebenfalls in Bereichen relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit angeordnet, so dass die Wärmegradienten maximiert werden können.
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Diese Ausbildung schafft einen IR-Wärmekanal, der in die Chipstruktur integriert ist. Das Betriebsprinzip dieses Sensors entspricht dem Stand der Technik auf Grundlage des thermoelektrischen Effekts. Der Temperaturgradient wird aufrechterhalten durch Vergrößerung des thermischen Widerstands unter den Thermoelementen.
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Der Temperaturgradient wird ferner aufgrund der Fokussierung des Wärmekanals auf das Thermoelement multipliziert. Der Wärmekanal schafft zusätzlich eine verbesserte Direktivität in Richtung des Ziels durch Anpassung des Gesichtsfelds.
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Die Anordnung benötigt keine spezielle Einfassung, da die Thermoelementschicht 16 voll in die Struktur integriert ist, ohne Gasströmungskanäle zwischen unterschiedlichen Teilen der Thermoelementschicht. Dies minimiert die Herstellungskosten und die Nichtlinearitäten in der Leistung, verglichen mit herkömmlichen Anwendungen.
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Die heißen und kalten Übergänge sind auf einem Substrat mit Bereichen mit hohem Kontrast der thermischen Leitfähigkeit verteilt, so dass der Einfluss der Nebenkonvektion minimiert wird, ohne dass jedoch eine Vakuum- oder Xenongasverpackung erforderlich ist.
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Materialien mit einer guten Absorption im IR-Bandbereich, der hier von Interesse ist, werden typischerweise als IR-Absorber verwendet, während Metalle mit geeigneter IR-Reflexion als IR-Reflektoren verwendet werden.
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Der resultierende IR-Filter wird direkt auf den Chip aufgebaut und ist nicht Teil einer separaten Baugruppe.
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1 zeigt ein weiteres optionales Merkmal, nämlich eine Mikrolinse 32 über jedem Durchgangskontakt 24. Diese sind ebenfalls in den Chip integriert. Die Mikrolinsen können aus Silizium oder unter Verwendung eines Polymer-Rückflusses gebildet werden, beispielsweise unter Verwendung des gleichen Polymers als IR-Absorber 30. Auf diese Weise nimmt jeder heiße Übergang fokussierte Strahlung auf, die die Empfindlichkeit der Einstrahlung vergrößert und die Nichtlinearität minimiert, die gewöhnlich in den bekannten Baugruppenvorrichtungen beobachtet werden. Zusätzlich wird das Volumen der gesamten Vorrichtung erheblich reduziert, beispielsweise bei einer Dicke in der Größenordnung von einigen Hundert μm.
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Massenstrukturen oder oberflächenbearbeitete Strukturen wie etwa Niedrigspannungsmembrane können bearbeitet werden, um die Struktur zur Stützung der heißen und kalten Übergänge zu schaffen. Beispielsweise kann ein Siliziumsubstrat mit Ausnehmungen versehen werden und gefüllt werden, um den gewünschten thermischen Widerstand zu erzeugen, der erforderlich ist, um einen großen Temperaturgradienten zu erhalten. Die Vorrichtungen können in Arrays angeordnet werden, um eine kombinierte Messspannung zu erzeugen. In einer Pixelanordnung kann jede Zelle (von einem oder mehreren Thermoelementen) adressiert werden, um eine preiswerte IR-Bildverarbeitungslösung zu schaffen.
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Die symmetrische Anordnung in 1 ermöglicht es, dass die Vorrichtung gegen Konvektion unempfindlich ist. Im Durchschnitt wird die Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Sensors gleichförmig sein. Der Verlust aufgrund von Konvektion wird signifikant reduziert, da die Temperaturdifferenzen an den eingebetteten Übergängen konzentriert sind.
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Der Chip kann auf einen Chipträger mit Standard-Signalverarbeitungskomponenten montiert sein, unter Verwendung von Standard-Verbindungstechniken. Wie in Standard-Thermoelementen, misst die Vorrichtung lediglich Temperaturdifferenzen. Somit kann ein Absoluttemperatur-Referenzsensor dazu verwendet werden, eine absolute Temperatur abzuleiten. Für höchste Genauigkeit und Zuverlässigkeit kann ein Absoluttemperatur-Sensor (thermistor/Pt100) direkt auf den Chip verwendet werden, neben den kalten Übergängen des Thermosäulensubstrats, beispielsweise am Rand der Thermosäule.
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Das Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist, verwendet ein Substrat mit zwei unterschiedlichen Materialien. Anstelle dessen kann ein gemustertes Siliziumsubstrat verwendet werden, das ein Netz von Membranen festlegt, mit einem Zwischenraum (Luft) zwischen den Membranen. Beispielsweise können dieses Membranen an einer Membran mit niedriger mechanischer Spannung und niedriger thermischer Leitfähigkeit angebracht sein, beispielsweise aus Siliziumnitrit oder Siliziumoxid.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses unterscheidet sich von demjenigen aus 1 lediglich bezüglich des IR-Absorbers, und daher wird auf eine Beschreibung der weiteren Komponenten verzichtet.
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In 2 befindet sich der IR-Absorber 30' lediglich an der Basis des Durchgangskontakts über dem heißen Übergang. Der Rest des Volumens des Durchgangskontakts kann vakuumversiegelt sein, wobei die Mikrolinse als Siegel wirkt. Durch die Verwendung dieser Anordnung kann eine schnellere Ansprechzeit erzielt werden, da der thermische Übertragungsweg zu dem heißen Übergang verkürzt ist.
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3 zeigt eine asymmetrische Anordnung der thermischen Übergänge, in der der kalte Übergang 20 thermisch an das Siliziumsubstrat gekoppelt ist. Somit sind Bereiche 14 niedriger thermischer Leitfähigkeit lediglich an den heißen Übergängen 18 angeordnet. Dies ermöglicht eine höhere Integrationsdichte der heißen Übergänge. Eine Unempfindlichkeit gegenüber Konvektion wird erzielt, da die heißen Übergänge wiederum in die Struktur des IR-Kanals eingebettet sind.
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Infrarotsensoren ermöglichen eine direkte, schnelle und genauere Messung der Temperatur, beispielsweise in Fahrzeuganwendungen (zur Steuerung des Passagierkomforts), bei Fernmessungsanwendungen (Sicherheit), und Haushaltsanwendungen (berührungslose Messvorrichtungen). Die thermische Messung kann auch für preiswerte Bilderzeugungsanwendungen verwendet werden, unter Verwendung einer Anordnung thermischer Sensoren.
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Der Chip kann auf einem einzigen Chipträger ohne spezifische Einkapselung montiert werden, so dass das beanspruchte Volumen minimiert wird. Diese Anordnung ist somit unter dem Gesichtspunkt der Verpackung kostengünstig, doch es können auch preiswerte elektronische Komponenten für die erforderliche Signalverarbeitung verwendet werden, da die Empfindlichkeit verbessert ist und das erzeugte Signal stärker ist.
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In den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen werden eine IR-Absorptionsschicht und eine Reflektorschicht verwendet, um die gewünschte Frequenzfilterung zu erzeugen. Eine Alternative besteht darin, die Filterung durch einen Oberflächen-Plasmoneffekt durchzuführen.
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Für eine Situation, in der Licht ein winziges Loch passiert (mit einer Größe unterhalb der Wellenlänge), hat Bethe eine Extinktion vorausgesagt, die der vierten Potenz des Verhältnisses der Wellenlänge zur Lochgröße entspricht. Jüngste Experimente haben jedoch gezeigt, dass sich die durchgelassene Intensität vergrößert, wenn das Loch sich in einer Metallschicht befindet. Dieser Effekt wird vermutlich durch einen „Antenneneffekt” erzeugt.
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Falls das Material, das das Loch umgibt, ein Metall ist, wird unter bestimmten Bedingungen der einfallende Strahl (die elektromagnetische Welle) Oszillationen verursachen, und eine Oberflächenwelle wird das Loch durchqueren. Auf der anderen Seite des Lochs wird diese Oszillation den Lichtstrahl erneut „erzeugen”. An dieser Stelle werden auch Brechungseffekte auftreten, doch die Filterung wird durch die Propagation einer Oberflächenwelle verursacht. Dieses Phänomen wird Oberflächen-Plasmonoszillation oder Oberflächen-Plasmonresonanz (SPR) genannt.
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Zusätzlich zu diesem Effekt ist die Transmission (oder vielmehr Reflexion) unterschiedlich für verschiedene Wellenlängen.
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Diese Filterung kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu verwendet werden, die gewünschte Frequenzfilterung durchzuführen. Der Filter kann gebildet werden durch Anbringung einer Anordnung von Löchern in einem Metallfilm, beispielsweise einer Silberschicht. Die Löcher können durch Ionenstrahlbearbeitung gebildet werden.
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Wenn die Struktur einfallende elektromagnetische Strahlung aufnimmt, wird die übertragene Frequenz durch die Periodizität der Anordnung bestimmt. Wenn weißes Licht eine Anordnung von Löchern mit einer Größe unterhalb der Wellenlänge passiert, kann die Wellenlänge entsprechend einer maximalen Intensität durch die folgende Formel 1 ausgedrückt werden:
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Formel 1 gibt die Mittelfrequenz (λ) an. Der Lochabstand ist p, εm ist die dielektrische Konstante des Substrats und εd ist die effektive dielektrische Konstante des Materials, das die Öffnung ausfüllt.
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i und j sind die Ordnungen der Anordnung. Für eine quadratische Anordnung der Periode p erhält man eine Mittelwellenlänge in der Anordnung mit der Ordnung p, jedoch auch für 2p (bei Betrachtung einer Anordnung aus alternierenden Löchern), sowie für 3p, usw.. Somit kann eine Anordnung mit dem Abstand p betrachtet werden als die Überlagerung verschiedener Unteranordnungen mit größerem Abstand. Wenn die Anordnung 2D ist, können Unteranordnungen auch mit einem Abstand abgeleitet werden, der auf den diagonalen Abmessungen der grundlegenden Anordnung basiert. Im Ergebnis repräsentieren die Terme auf Grundlage von i und j den möglichen Lochabstand für Unteranordnungen, die durch Überlagerung die Anordnung bilden können. Die Hauptintensität ist jedoch niedrig für kleine Zahlen i und j (ähnlich wie bei Berechnungen zu Brechungsanordnungen). Im allgemeinen können die Werte i = 1 und j = 0 oder i = 0 und j = 1 betrachtet werden, so dass der Term mit i und j für die übertragene Hauptwellenlänge ignoriert werden kann. In diesem Fall gilt:
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Der Einfluss der Lochgröße ist in Formel 1 nicht wiedergegeben. Im allgemeinen müssen die Löcher Abmessungen unterhalb der Wellenlänge aufweisen, sonst wird das Licht direkt durchgelassen. Ein Durchmesser entsprechend zumindest der Hälfte der Wellenlänge des zu transmittierenden Lichts ist angemessen. Wenn der Lochabstand so bestimmt ist, dass die gewünschte Filterung festgelegt ist, muss die Lochgröße eindeutig kleiner sein als der Lochabstand und vorzugsweise kleiner als der halbe Lochabstand.
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Die Verwendung dieser Art von Absorber ermöglicht eine einzige Schicht zur Bildung sowohl des IR-Absorbers als auch des Reflektors. Keine Löcher sind in den Bereich des Reflektors (oberhalb der kalten Übergänge) vorgesehen, und die selektive Filterung wird lediglich in dem Bereich der heißen Übergänge durchgeführt.
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Der Sensor kann unter Verwendung der CMOS-Technologie gefertigt werden. Beispielsweise kann ein CMOS-Waver als das STI-Substrat verwendet werden.
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Verschiedene Abwandlungen der Erfindung sind für den Fachmann ersichtlich.
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Zusammenfassung
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Ein IR-Sensor umfasst ein Wärmeableitersubstrat (10) mit Bereichen (12) relativ hoher thermischer Leitfähigkeit und Bereichen (14) relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit, und eine ebene Thermoelementschicht (16) mit einem heißen Übergang (18) und einem kalten Übergang (20), welcher heiße Übergang (18) auf einem Bereich (14) des Wärmeableitersubstrats mit relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist. Eine dielektrische Schicht (22) niedriger thermischer Leitfähigkeit ist über der Thermoelementschicht (16) angeordnet und umfasst ein Durchgangsloch (24), der zu dem heißen Übergang (18) führt. Eine IR-Reflektorschicht (26) deckt die dielektrische Schicht (22) niedriger thermischer Leitfähigkeit und die Seitenwände des Durchgangs (24) ab. Ein IR-Absorber (30; 30') ist innerhalb des Durchgangs angeordnet. Diese Struktur bildet einen planaren IR-Mikrosensor, der ein strukturiertes Substrat und eine dielektrische Schicht verwendet, ohne dass eine spezifische Einfassung vorgesehen sein muss. Dieses Design schafft eine höhere Empfindlichkeit zur Schaffung eines Brennpunkts auf dem Thermoelement und ist weniger empfindlich gegenüber Gasleitung und Konvektion.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Package-free infrared micro sensor using polysilicon thermopile” von M. Boutchich et al, Sensors and Actuators A 121 (2005) Seiten 52–58 [0007]
