DE19732078C1

DE19732078C1 - Miniaturisierter thermoelektrischer Dünnschichtdetektor

Info

Publication number: DE19732078C1
Application number: DE19732078A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Dillner; Ernst Dr Kesler; Johann Michael Dr Koehler; Guenter Dr Mayer; Martin Dipl Phys Zieren
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2017-07-26

Description

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten thermoelektrischen Dünnschichtdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Detek toren sind aus den GB 2 154 367 A bekannt und finden bspw. zur berührungslosen IR- Temperaturmessung Verwendung.

Die gattungsgemäßen Detektoren sind solche vom sogenannten Aufhängetyp. Bei diesen Bauformen überspannt eine dünne Membran einen als Wärmesenke wirkenden Trägerrahmen, wobei verteilt auf der freitragenden Membranfläche die heißen Kontaktstellen und über den Bereichen des Trägerrahmens die kalten Kontaktstellen von mehreren in Reihe verschalteten thermoelektrischen Schenkelpaarungen angeordnet sind. Um zu gewährleisten, daß alle heißen Kontaktstellen der gleichen Temperatur unterliegen, ist eine radialsymmetrische Verteilung der heißen Kontaktstellen erforderlich. Das Bestreben bei der Konzipierung derartiger Anordnungen geht dahin, eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Dazu sind bereits in der GB 2 154 367 A auf einer Empfängerfläche in der Größenordnung von 1 mm² eine Anzahl von mindestens fünfundzwanzig Schenkelpaarungen mit einem bestimmten Längen/Breitenverhältnis der einzelnen Thermoschenkel beschrieben. Eine weitere Erhöhung der Schenkelanzahl pro Fläche wurde nach DD 233 014 derart beschrieben, daß zumindest die auf der freitragenden Membran liegenden Schenkelbereiche zueinander deckungsgleich übereinanderliegend und voneinander durch eine dünne Lackschicht getrennt ausgeführt werden. Mit einer solchen Ausbildung kann prinzipiell die Anzahl der Schenkelpaarungen bei gleicher Empfängerfläche verdoppelt werden. Da die thermoelektrischen Schenkel aber zur Gewährleistung eines bestimmten elektrischen Widerstands im Querschnitt nicht beliebig verkleinerbar sind, bestimmt die mittlere Länge der Thermopaare den Innenwiderstand und damit die Detektivität. Des weiteren stößt die weitere Erhöhung der Schenkelzahl zur Anhebung der Empfindlichkeit an ihre Grenze durch die technologisch realisierbare Mindestbreite der Schenkel von z. Z. ca. 5 µm, so daß sich längs einer kreisförmigen Empfängerfläche von 1 mm Durchmesser 300 Schenkelpaarungen mit einem Abstand von jeweils 5 µm anordnen lassen. Der ohmsche Innenwiderstand als weiterer wichtiger Parameter eines thermoelektrischen Dünnschichtsensors ist bei gegebenen Schichtdicken durch die Länge der Thermopaarkette bzw. durch die mittlere Länge der Thermopaare gegeben. Letztere hat als Maß für die thermische Entkopplung der "heißen" und der Referenzkontakte der Thermoschenkel wiederum Einfluß auf die Empfindlichkeit des Dünnschichtsensors.

Nach dem gegenwärtig fortgeschrittensten Stand der Technik werden die Trägerrahmen durch Silizium gebildet, die durch anisotropes naßchemisches Ätzen eines (100)-Siliziumchips, das mit einem SiO₂/Si₃N₄-Dünnschichtsystem zur Bildung der Membran belegt ist, hergestellt sind (siehe Elbel, Th.; Poser, S.; Fischer, H.: Sensors and Actuators A, Bd. 41-42 (1994), S. 493-496). Dabei werden rechteckige Membranfenster erhalten. Das hat zur Folge, daß die Länge der Thermoschenkel zwischen den zentralen heißen Kontaktstellen und den auf dem Trägerrahmen befindlichen kalten Kontaktstellen bei einer radialsymmetrischen Anordnung der heißen Kontaktstellen stark variiert. Der dabei große Anteil von langen Thermoschenkeln, die im Bereich der Diagonalen der quadratischen Membranfenster auf die kalten Wärmesenkenbereiche herauszuführen sind und der damit hohe Anteil am ohmschen Innenwiderstand der Thermosäule beeinträchtigen die Detektivität des thermoelektrischen Dünnschichtsensors, andererseits limitiert sie bei gegebener Detektivität die maximal anordenbare Anzahl von Thermoschenkelpaarungen und somit die Empfindlichkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer vergleichbaren Anzahl, Geometrie und Materialauswahl von thermoelektrischen Schenkelpaarungen, wie nach dem Stand der Technik realisierbar, die Detektivität eines thermoelektrischen Dünnschichtdetektors und im weiteren auch seine Empfindlichkeit zu erhöhen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Geometrie eines in ein Siliziumsubstrat eingebrachten Membranfensters weitestgehend einer vorgegebenen kreisförmigen Thermoschenkelverteilung anzupassen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Verhältnisse bei einer radialsymmetrisch verteilten Dünnschichtthermosäule, die auf einer quadratischen Membran unter Einsatz eines tiefengeätzten (100)- Siliziumchips nach dem Stand der Technik aufgebracht sind,

Fig. 2 die Verhältnisse bei einer radialsymmetrisch verteilten Dünnschichtthermosäule, die auf einer Membran unter Einsatz eines tiefengeätzten (110)-Siliziumchips gemäß vorliegender Erfindung aufgebracht sind.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht einen Siliziumrahmen 1, der aus einem nach dem Stand der Technik üblicherweise eingesetzten (100)-Siliziumchip mittels naßchemischer Ätztechnologien präpariert wurde. Den Rahmen 1 überspannt ganzflächig ein SiO₂/Si₃N₄-Dünnschichtsystem, gegen das das Siliziumchip selektiv ätzbar ist. Auf diese Weise entsteht eine freitragende, im Beispiel nach Fig. 1 quadratische SiO₂/Si₃N₄-Membran 2. Auf dieser Membran werden thermoelektrische Schenkelpaarungen derart angeordnet, daß ihre heißen Kontaktstellen auf einem strichlinierten Kreis 3 und ihre kalten Kontaktstellen auf dem als Wärmesenke wirkenden Siliziumrahmen 1 zu liegen kommen. Alle diese Schenkelpaarungen sind untereinander in Reihe verschaltet, von denen aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 1 lediglich zwei Paarungen in den jeweils extremsten Positionen dargestellt sind. So weisen die von der heißen Kontaktstelle 4 abgehenden und zu den Referenzkontaktstellen 7 auf dem Siliziumrahmen 1 geführte Thermoschenkel 5, 6 die kürzeste mögliche Schenkellänge auf, während die über die Diagonale der quadratischen Membran 2 von der heißen Kontaktstelle 4' zu den Referenzkontaktstellen 7' zu führenden Thermoschenkel 5', 6' erheblich länger ausgeführt sein müssen. Dadurch wird der ohmsche Innenwiderstand der gesamten Thermosäule erhöht, was zu einer Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses und damit zu einer beschränkten Detektivität führt.

Fig. 2 zeigt ebenfalls in Draufsicht einen nach vorliegender Erfindung präparierten Siliziumrahmen 1, der jedoch aus einem Siliziumchip mit (110)-Orientierung präpariert wurde. Dazu findet eine nicht näher dargestellte Tiefenätzmaske Verwendung, die unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Ätzraten der verschiedenen Siliziumkristallebenen derart ausgeführt ist, daß bei Freilegung der SiO₂/Si₃N₄-Membran 2' die freistehenden Siliziumkanten weitestgehend Tangenten an den strichlinierten Kreis 3, auf dem die heißen Kontaktstellen positioniert werden sollen, bilden. Bedingt durch die Kristallorientierung des eingesetzten Siliziumsubstrates, die entsprechenden Ebenen (100), (110) und (111) sind in Fig. 2 angedeutet, entsteht somit die freitragende Membran 2' in Form eines unregelmäßigen Achtecks, wobei die in Fig. 2 angegebenen Winkel betragen α = 70,53°, β = 125,27° und γ = 144,74°. Ausreichend stabile Membranen lassen sich, bezogen auf den Abstand gegenüberliegender Ebenen [z. B. (111)-(111)] in der Größenordnung von 4-12 mm bei Membrandicken von ca. 0,8 µm herstellen. Die auf diese Membran 2' aufgebrachten Thermoschenkel lassen sich im Mittel mit einer wesentlich geringeren Länge zwischen den heißen 4, 4' und kalten 7, 7' Kontaktstellen fertigen, wie es in Fig. 2 wieder anhand von zwei beispielhaften Thermoschenkelpaarungen 5, 6 und 5', 6' dargestellt ist, was den ohmschen Innenwiderstand der Thermosäule deutlich verringert und somit ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis und damit eine erhöhte Detektivität gegenüber einer Ausführung nach Fig. 1 bei Einsatz einer gleichen Anzahl von thermoelektrischen Paarungen ermöglicht. Bei einem vorgegebenen Innenwiderstand läßt sich so gegenüber einer Ausführung nach Fig. 1 eine höhere Anzahl an Thermoelementenpaarungen realisieren und so eine größere Thermokraft erzielen. Mit zunehmender Größe der im Einzelfall vorgegebenen Empfängerfläche läßt sich bei ansonsten identischen Verhältnissen einer Detektorausführung nach Fig. 1 eine Erhöhung der Thermokraft realisieren, die bspw. bei einem Durchmesser der Empfängerfläche von 1 mm bis zu 15%, bei 4 mm bis zu 30%, bei 8 mm bis zu 50% und bei 12 mm bis zu 60% beträgt. Weiterhin ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Thermoschenkel über Seitbereiche 8 des Achtecks auf den Siliziumchiprahmen 1' herausgeführt werden, die weitestgehend eine Tangente an dem vom Achteck umfaßten, gedacht gezogenen Kreis 3 bilden. Insbesondere sind die thermoelektrischen Schenkel (5, 6, 5', 6') ausschließlich über die Seitbereiche 8, die in Fig. 2 jeweils von einem dünnen Rechteck umfaßt dargestellt sind, der Seitberandungen (100), (110), (111) des Achtecks auf den Siliziumchiprahmen 1' herausgeführt, wobei die Länge der mittig zur jeweiligen Seitberandung angeordneten Seitbereiche 8 unterhalb von 80% der jeweiligen Seitberandungslänge festgelegt ist.

Abhängig vom Umfang der kreisförmigen Empfängerfläche, der gewählten Breite der Thermoelemente und deren Abstand voneinander ist deren maximale unterbringbare Anzahl und damit die Thermokraft der Thermosäule sowie der erreichbare Innenwiderstand festgelegt. Mit einer Länge des jeweils kürzesten Thermoschenkels 1 = 0,2 mm lassen sich bei Realisierung verschiedener Breiten der Thermoelemente, für die im Beispiel Schenkelpaarungen aus BiSb/Sb gewählt sind, die in nachstehender Tabelle bei Vorgabe identischer Thermoschenkelbreiten, d. h. identischer Thermokraft, im Vergleich zwischen zweier Sensoren vom Aufhängetyp mit einer Ausnehmung in (100)- und (110)- Orientierung dargestellten Parameter erzielen:

Dabei steht D [mm] für den Durchmesser der Empfängerfläche, b [µm] für die Thermoschenkelbreite und z [mm] fur den Thermopaarabstand.

In einer weiteren Tabelle sind bei Vorgabe identischer Detektivitäten für zwei unterschiedliche Empfängerflächen und Innenwiderstände R [kΩ] der Thermosäule beispielhaft erzielbare Parameter, insbesondere ein erreichbarer Netto-Empfindlichkeitsgewinn, gegenüber einer sonst baugleichen Ausführung nach dem Stand der Technik gegenübergestellt.

Bezugszeichenliste

1

- Siliziumrahmen nach dem Stand der Technik

1

'- Siliziumrahmen nach der Erfindung

2

- quadratische Membran nach dem Stand der Technik

2

'- achteckförmige Membran nach der Erfindung

3

- Kreis (Plazierung von heißen Kontaktstellen)

4

,

4

'- heiße Kontaktstellen

5, 6,

5

',

6

'- Thermoschenkelpaarungen

7

,

7

'- Referenzkontaktstellen

8

- Seitbereiche über die Thermoschenkel auf den Rahmen

1

' geführt werden

Claims

1. Miniaturisierter thermoelektrischer Dünnschichtdetektor mit einem Siliziumrahmen (1), der eine anorganische Dünnschichtmembran (2) trägt, auf der eine Dünnschichtthermosäule, gebildet durch mehrere radialsymmetrisch verteilte und elektrisch in Reihe verschalteter Thermoschenkelpaarungen (5, 6, 5', 6') im wesentlichen gleicher Länge, angeordnet ist, wobei die Thermoschenkel einseitig auf den Siliziumrahmen herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein (110)-Siliziumchip eingesetzt ist, in den ein achteckiger Bereich zur Bildung der freitragenden Membran (2') eingebracht ist, derart dessen daß Seitberandungen, gebildet durch die Kristallebenen (100), (110), (111) des Siliziums, weitestgehend Tangenten arg einen vom Achteck umfaßten, gedacht gezogenen Kreis (3) bilden.

2. Miniaturisierter thermoelektrischer Dünnschichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Schenkel (5, 6, 5', 6') ausschließlich über Seitbereiche (8) der Seitberandungen des Achtecks auf den Siliziumchiprahmen (1') herausgeführt sind, wobei die Länge der mittig zur jeweiligen Seitberandung angeordneten Seitbereiche (8) unterhalb von 80% der jeweiligen Seitberandungslänge festgelegt ist.