DE19843599C1 - Sensor element to measuring the intensity of IR light has a measuring resistor made of semiconductor metal phase transition material separated from the substrate by an intermediate layer - Google Patents
Sensor element to measuring the intensity of IR light has a measuring resistor made of semiconductor metal phase transition material separated from the substrate by an intermediate layerInfo
- Publication number
- DE19843599C1 DE19843599C1 DE1998143599 DE19843599A DE19843599C1 DE 19843599 C1 DE19843599 C1 DE 19843599C1 DE 1998143599 DE1998143599 DE 1998143599 DE 19843599 A DE19843599 A DE 19843599A DE 19843599 C1 DE19843599 C1 DE 19843599C1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- resistor
- sensor element
- measuring
- substrate
- element according
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 230000007704 transition Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 22
- LYQFWZFBNBDLEO-UHFFFAOYSA-M caesium bromide Chemical compound [Br-].[Cs+] LYQFWZFBNBDLEO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 3
- 229910017768 LaF 3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 15
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 5
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 206010037660 Pyrexia Diseases 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J5/22—Electrical features thereof
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement sowie ein Verfahren zur bolometrischen Messung der Intensität von Infrarotlicht. Unter Infrarotlicht (Infrarot wird im folgenden auch mit IR abgekürzt) wird in dieser Anmeldung insbesondere der Wellenlängenbe reich von 5 µm bis ca. 30 µm verstanden.The invention relates to a sensor element and a method for bolometric Measurement of the intensity of infrared light. Under infrared light (infrared is in the following also abbreviated to IR) in this application in particular the wavelengths understood from 5 µm to approx. 30 µm.
In der Infrarot-Technik sind eine breite Palette verschiedenartiger Sensoren bekannt. Einfache IR-Bewegungsmelder auf der Basis pyroelektrischer Sensoren zum Beispiel sind sehr kostengünstig herzustellen, reagieren jedoch nur auf Veränderungen der Intensität der einfallenden Wärmestrahlung. Andere thermoelektrische Sensoren wie Bolometer, Thermocouples etc. benötigen in der Regel eine aufwendige und daher kostenintensive thermische Isolierung der Pixel und Temperaturstabilisierung. Zur Erlangung hoher Empfindlichkeiten müssen die Sensoren zudem meist gekühlt werden. Photonische Detektoren wie z. B. Quantum Well Detektoren sind mit auf wendigen Depositionsmethoden hergestellte ebenfalls teuere Multischichtdetektoren. In dem Bereich zwischen den einfachen weitverbreiteten pyroelektrischen Sensoren und den hochwertigen, bildgebenden IR-Sensoren existiert ein Bedarf an kostengün stig herzustellenden und mit einfachen Mitteln zu betreibenden IR-Sensoren mittlerer Leistungsfähigkeit, die auch zu bildgebenden Kleinarrays integrierbar sind. Solche Sensoren könnten als Massenprodukt neue Märkte in der Infrarottechnik erschließen.A wide range of different types of sensors are known in infrared technology. Simple IR motion detectors based on pyroelectric sensors, for example are very inexpensive to manufacture, but only react to changes in the Intensity of the incoming heat radiation. Other thermoelectric sensors like Bolometers, thermocouples etc. generally require a complex and therefore costly thermal insulation of the pixels and temperature stabilization. For To achieve high sensitivities, the sensors usually have to be cooled become. Photonic detectors such as B. Quantum Well detectors are included Expensive multilayer detectors also manufactured using agile deposition methods. In the area between the simple widespread pyroelectric sensors and the high-quality, imaging IR sensors, there is a need for cost-effective IR sensors to be manufactured and operated with simple means Efficiency that can also be integrated into small imaging arrays. Such As a mass product, sensors could open up new markets in infrared technology.
Bei den bereits erwähnten IR-Sensorelementen, die nach dem bolometrischen Prinzip arbeiten, wird die einfallende IR-Strahlung in einer geeigneten Schicht, die auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, absorbiert. Die Absorption der IR-Strahlung führt zu einer Temperaturerhöhung in einem Meßwiderstand, dessen temperaturab hängiger Widerstandswert die Meßgröße darstellt. Um eine hinreichende Empfind lichkeit einer solchen Anordnung zu erreichen, wird üblicherweise die Wärmekapazi tät des empfindlichen Elementes so gering wie möglich gehalten (sehr dünne freitragende Membranen) und die thermische Ankopplung an das Trägersubstrat niedrig gehalten. Dieses Prinzip ist technologisch sehr aufwendig und daher teuer.In the case of the IR sensor elements already mentioned, which are based on the bolometric Working principle, the incident IR radiation is applied in a suitable layer a carrier substrate is arranged, absorbed. The absorption of IR radiation leads to an increase in temperature in a measuring resistor whose temperature dependent resistance value represents the measured variable. Adequate sensation Achieving such an arrangement is usually the heat capacity of the sensitive element kept as low as possible (very thin self-supporting membranes) and the thermal coupling to the carrier substrate kept low. This principle is technologically very complex and therefore expensive.
In der WO 88/07180 ist ein Sensorelement zur bolometrischen Messung der Intensität von Infrarotlicht beschrieben, der auf einem Substrat mit geringer Wärmeleitfähigkeit aus Al2O3 einen Meßwiderstand sowie einen Referenzwiderstand, beide aus einem NTC-Widerstandsmaterial, aufweist. Zwischen den beiden Widerständen und dem Substrat ist jeweils eine zum Widerstand benachbarte Wärmeisolationsschicht und eine zum Substrat benachbarte Heizschicht angeordnet. Auf dem Substrat sind außerdem zwei Cermet-Widerstände angeordnet, die mit den beiden NTC- Widerständen zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt sind.WO 88/07180 describes a sensor element for bolometric measurement of the intensity of infrared light, which has a measuring resistor and a reference resistor, both made of an NTC resistor material, made of Al 2 O 3 on a substrate with low thermal conductivity. A heat insulation layer adjacent to the resistor and a heating layer adjacent to the substrate are arranged between the two resistors and the substrate. Two cermet resistors are also arranged on the substrate, which are combined with the two NTC resistors to form a bridge circuit.
In der DE-AS 19 64 190 ist ein Sensorelement zur bolometrischen Messung der Intensi tät von Infrarotlicht beschrieben, der auf einem einem Substrat mit geringer Wärme leitfähigkeit aus Al2O3 oder Quarz einen Meßwiderstand sowie einen Referenzwider stand aufweist. Beide Widerstände bestehen aus einem Halbleiter-Metall- Phasenübergangsmaterial, z. B. VO2. Der Referenzwiderstand wird gleichzeitig als Temperaturdetektor eingesetzt.DE-AS 19 64 190 describes a sensor element for bolometric measurement of the intensity of infrared light which has a measuring resistor and a reference resistor on a substrate with low thermal conductivity made of Al 2 O 3 or quartz. Both resistors consist of a semiconductor metal phase transition material, e.g. B. VO 2 . The reference resistor is also used as a temperature detector.
In der Zeitschrift tm Technisches Messen 64 (1994) 4, S. 164-171 ist ein breitbandi ges Sensorelement zur bolometrischen Messung der Strahlungsintensität beschrie ben, daß auch im Infraroten eingesetzt werden kann. Auf der der Strahlung zuge wandten Oberfläche einer gering wärmeleitenden Trägerfolie ist eine Wärmeleit schicht sowie eine Absorberschicht aufgebracht. Als Referenz befindet sich auf der Trägerfolie außerdem eine weitere Absorberschicht mit zugehöriger Wärmeleit schicht. Auf der der einfallenden Strahlung abgewandten Oberfläche der Träger schicht sind mehrere Meß- und Referenzwiderstände aus Gold aufgebracht, die der Absorberschicht bzw. der Referenzabsorberschicht zugeordnet sind. Die Meß- und Referenzwiderstände sind zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt. In the magazine tm Technisches Messen 64 (1994) 4, pp. 164-171 is a broadband described sensor element for bolometric measurement of the radiation intensity ben that can also be used in the infrared. On the of the radiation facing surface of a low heat-conducting carrier film is a heat conductor layer and an absorber layer applied. For reference is on the Carrier film also another absorber layer with associated thermal conductivity layer. On the surface of the carrier facing away from the incident radiation layer are several measuring and reference resistors made of gold, which the Absorber layer or the reference absorber layer are assigned. The measuring and Reference resistors are combined into a bridge circuit.
In der WO 98/35212 ist ein Sensorelement zur bolometrischen Messung der Intensität von Infrarotlicht beschrieben, bei dem auf einem wärmeleitfähigen Substrat ein Meßwiderstand aufgebracht ist, der von dem Substrat durch eine Wärmeisolations schicht getrennt ist. Darüber hinaus umfaßt dieses Sensorelement einen Referenz widerstand im Wärmekontakt mit dem Substrat, sowie einen auf dem Substrat aufgebrachten Heizwiderstand.WO 98/35212 describes a sensor element for bolometric measurement of the intensity described by infrared light, in which on a thermally conductive substrate Measuring resistor is applied by the substrate by thermal insulation layer is separated. In addition, this sensor element includes a reference resistance in thermal contact with the substrate, as well as one on the substrate applied heating resistor.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes und daher kostengünstig herzustellendes Sensorelement für die bolometrische Messung von IR-Strahlung (Wellenlänge typischerweise zwischen 5 µm und 30 µm) zu schaffen, das zu seinem Betrieb weder gekühlt noch thermisch stabilisiert zu werden braucht.The object of the invention is a simple and therefore inexpensive Sensor element to be manufactured for the bolometric measurement of IR radiation (Wavelength typically between 5 µm and 30 µm) to create that to his Operation does not need to be cooled or thermally stabilized.
Diese Aufgabe wird mit dem Sensorelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sowie eine Meßverfahren unter Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements sind Gegenstand weiterer Ansprüche.This object is achieved with the sensor element according to claim 1. Beneficial Designs and a measuring method using the invention Sensor elements are the subject of further claims.
Gemäß der Erfindung wird die einfallende Strahlung in einer geeigneten Schicht absorbiert und dadurch in einem Meßwiderstand eine Temperaturerhöhung hervor gerufen, dessen temperaturabhängiger Widerstandswert die Meßgröße darstellt. Um eine hinreichende Empfindlichkeit einer solchen Anordnung zu erreichen, ist der Meßwiderstand erfindungsgemäß aus einem Material mit extrem hohem Tempera turgang. Diese sogenannten Phasenübergangsmaterialien (im folgenden auch mit PÜM abgekürzt) zeichnen sich dadurch aus, daß sie innerhalb eines wenige Grad Celsius breiten Temperaturintervalles einen Phasenübergang vom Halbleiter zum Metall durchlaufen, wobei sich der elektrische Widerstand typischerweise um 4-5 Größenordnungen ändert. Vorteilhaft werden solche PÜM eingesetzt, deren elektri sche Leitfähigkeit σ in einem Bereich zwischen 102 und 106 Ω-1cm-1 variiert. Vorteilhaft sollte die Übergangstemperatur des PÜM höher als Raumtemperatur sein. VO2 und Ti2O3 erfüllen beide Anforderungen und sind deshalb für die Anwendung gemäß der Erfindung besonders geeignet.According to the invention, the incident radiation is absorbed in a suitable layer and thereby causes a temperature increase in a measuring resistor, the temperature-dependent resistance value of which represents the measured variable. In order to achieve a sufficient sensitivity of such an arrangement, the measuring resistor according to the invention is made of a material with an extremely high temperature. These so-called phase transition materials (hereinafter also abbreviated to PÜM) are characterized by the fact that they undergo a phase transition from the semiconductor to the metal within a temperature range of a few degrees Celsius, the electrical resistance typically changing by 4-5 orders of magnitude. Such PÜM are advantageously used, whose electrical conductivity σ varies in a range between 10 2 and 10 6 Ω -1 cm -1 . The transition temperature of the PÜM should advantageously be higher than room temperature. VO 2 and Ti 2 O 3 meet both requirements and are therefore particularly suitable for use in accordance with the invention.
Das erfindungsgemäße Sensorelement besitzt gegenüber den bekannten, auf dem
Bolometerprinzip beruhenden IR-Sensoren folgende Vorteile:
The sensor element according to the invention has the following advantages over the known IR sensors based on the bolometer principle:
- - Es besitzt einen dünnschichttechnisch einfach herzustellenden Aufbau, der ohne freitragende sehr aufwendig herzustellende dünne Brücken geringer Wärmekapa zität auskommt, wie sie sonst bei bolometrischen Sensoren üblich sind. Dadurch können mit einfachen Prozeßschritten kostengünstig große Stückzahlen gefertigt werden.- It has a thin-film construction that is easy to manufacture, without self-supporting thin bridges of low heat capa which are very complex to manufacture that comes with it, as is usually the case with bolometric sensors. Thereby can produce large quantities inexpensively with simple process steps become.
- - Eine aufwendige Kühlung und Temperaturstabilisierung des Sensorelements entfällt.- A complex cooling and temperature stabilization of the sensor element not applicable.
- - Eine Integration zu Pixelstrings bzw. Pixelarrays ist möglich.- Integration into pixel strings or pixel arrays is possible.
- - Die berührungslose Messung von Temperaturen ist möglich.- The contactless measurement of temperatures is possible.
Trotz dieser Vorteile ist die Meßempfindlichkeit des Sensorele ments gemäß der Erfindung gegenüber den bekannten gekühlten Meßsystemen nur wenig geringer.Despite these advantages, the measurement sensitivity of the Sensorele elements according to the invention compared to the known cooled measuring systems only slightly less.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on exemplary embodiments with reference to Drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 ein Sensorelement gemäß der Erfindung; Fig. 1, a sensor element according to the invention;
Fig. 2 den hysteretischen Phasenübergang eines PÜM, wobei der spezifische Widerstand über der Temperatur aufgetragen ist; Fig. 2 shows the phase transition of a hysteretic PÜM, wherein the resistivity is plotted against the temperature;
Fig. 3 Mikrohysteresen im Phasenübergangsbereich eines PÜM; Fig. 3 Mikrohysteresen in the phase transition region of a PÜM;
Fig. 4 den zeitlichen Temperaturverlauf des Substrats bei Durchführung des Meßverfahrens gemäß der Erfindung; Fig. 4 shows the temperature history of the substrate while carrying out the measuring method according to the invention;
Fig. 5 die zeitlichen Temperaturverläufe des Referenzwiderstandes und Meßwider standes bei Durchführung des Meßverfahrens gemäß der Erfindung. Fig. 5 shows the temporal temperature profiles of the reference resistance and Meßistor stand when performing the measuring method according to the invention.
Fig. 1 zeigt den grundlegenden Aufbau des Sensorelements. Ein Substrat 1, das eine gute thermische Leitfähigkeit besitzt, wird durch einen Heizwi derstand 2 so beheizt, daß die Oberfläche des Substrats 1 in sehr guter Näherung eine Äquitemperaturfläche darstellt. Das Substrat, im folgenden auch als Träger bezeichnet, kann z. B. aus poliertem Si, Ge, Saphir, Diamant, SiC, SiN, AIN oder anderen hochohmigen guten Wärmeleitern bestehen. Die Temperatur des Substrats 1 wird mit dem Widerstand 3, der ebenfalls auf dem Substrat aufgebracht ist, be stimmt. Zur Strahlungsmessung dienen zwei aus demselben PÜM bestehende Widerstände (Meßwiderstand 5, Referenzwiderstand 4) wobei der Referenzwiderstand 4 direkt an das Wärmebad des Trägers 1 gekoppelt ist und als Referenz dient. Der Meßwiderstand 5 ist durch eine dicke Zwischenschicht 6 mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität vom Wärmebad des Substrats 1 getrennt. Zusätzlich kann auf dem Meßwiderstand 5 eine dünne, hier nicht dargestellte IR- Absorberschicht aufgebracht sein. Die Dicke der Isolationsschicht 6 ist bevorzugt größer als 10 µm. Sie kann z. B. aus Polyimid, LaF3 oder CsBr bestehen. Der Heizwi derstand 2, der Widerstand 3 zur Temperaturmessung oder die Anschlußpads 7 für Meßwiderstand 5 oder Referenzwiderstand 4 können bevorzugt aus Au, Pt, Pd, Al oder Cu bestehen. Fig. 1 shows the basic structure of the sensor element. A substrate 1 , which has good thermal conductivity, is heated by a Heizwi resistor 2 so that the surface of the substrate 1 is a very good approximation of an equi-temperature area. The substrate, also referred to below as the carrier, can, for. B. consist of polished Si, Ge, sapphire, diamond, SiC, SiN, AIN or other high-resistance good heat conductors. The temperature of the substrate 1 is determined with the resistor 3 , which is also applied to the substrate. For radiation measurement serve two consisting of the same PÜM resistors (measuring resistor 5, reference resistor 4) where the reference resistor 4 is coupled directly to the thermal bath of the carrier 1 and serves as a reference. The measuring resistor 5 is separated from the thermal bath of the substrate 1 by a thick intermediate layer 6 with the lowest possible thermal conductivity and thermal capacity. In addition, a thin IR absorber layer, not shown here, can be applied to the measuring resistor 5 . The thickness of the insulation layer 6 is preferably greater than 10 μm. You can e.g. B. consist of polyimide, LaF 3 or CsBr. The Heizwi resistance 2 , the resistor 3 for temperature measurement or the connection pads 7 for measuring resistor 5 or reference resistor 4 can preferably consist of Au, Pt, Pd, Al or Cu.
Die Absorption von IR-Strahlung führt nun im Meßwiderstand 5 durch die schlechte thermische Ankopplung via Zwischenschicht 6 an das Substrat 1 zu einer geringen Temperaturerhöhung, die mit der Temperatur des Referenzwiderstands 4 verglichen wird und so ein Maß für die Intensität der absorbierten IR-Strahlung liefert. Diese Temperaturerhöhung fällt um so höher aus, je schlechter die Wärmeleitfähigkeit der Schicht 6 ist bzw. je dicker die Schicht 6 gewählt wird. Um den sehr hohen Tempe raturgang des PÜM ausnutzen zu können, muß die Messung bei einer Trägertempe ratur vorgenommen werden, die in dem Temperaturintervall des Phasenüberganges des PÜM liegt.The absorption of IR radiation leads in the measuring resistor 5 due to the poor thermal coupling via the intermediate layer 6 to the substrate 1 to a slight temperature increase which is compared with the temperature of the reference resistor 4 and thus provides a measure of the intensity of the absorbed IR radiation . This temperature increase is higher the poorer the thermal conductivity of layer 6 or the thicker layer 6 is chosen. In order to be able to take advantage of the very high temperature transition of the PÜM, the measurement must be carried out at a carrier temperature which lies in the temperature interval of the phase transition of the PÜM.
Auf der Basis eines erfindungsgemäßen Sensorelements können sehr kostengünstig Sensorarrays für die bildgebende IR-Messung hergestellt werden. Zu diesem Zweck genügt es, auf einem z. B. rückwärtig beheizten Substrat einen Referenzwiderstand und ein Array von Meßwiderständen mit den zugehörigen Isolationsschichten aufzubringen, wobei alle Meßwiderstände mit dem Referenzwiderstand verglichen und sequentiell ausgelesen werden. Damit sind Low Cost Wärmebildkameras möglich, die z. B. in der Kfz-Technik (Out of Position Sensor, Insassenüberwachung), in der Objektüberwachung, der Mustererkennung, der Verkehrstechnik u. v. m. eingesetzt werden können.On the basis of a sensor element according to the invention can be very inexpensive Sensor arrays for imaging IR measurement can be produced. To this end it is sufficient on a z. B. backward heated substrate a reference resistor and an array of measuring resistors with the associated insulation layers to apply, all measuring resistors compared with the reference resistor and be read out sequentially. This makes low-cost thermal cameras possible, the z. B. in automotive technology (out of position sensor, occupant monitoring), in object monitoring, pattern recognition, traffic engineering and the like. v. m. can be used.
Im folgenden wird ein vorteilhaftes Meßverfahren, mit dem die Strahlungsmessung unter Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements durchgeführt wird, beschrie ben. The following is an advantageous measuring method with which the radiation measurement is carried out using the sensor element according to the invention, described ben.
Der Phasenübergang der eingesetzten Phasenübergangsmaterialien besitzt, wie in Fig. 2 dargestellt, ein hysteretisches Verhalten. Hysteretische Kennlinien stellen in der Meßtechnik ein grundsätzliches Problem dar, da ein Arbeitspunkt je nach der Vorgeschichte auf verschiedenen Wegen erreicht werden kann, was eine eindeutige Zuordnung eines Signals zu einer Meßgröße unmöglich macht. Das hier beschriebe ne Meßverfahren umgeht dieses Problem und erschließt ganz allgemein den steilen, nichtlinearen Bereich der Kennlinie im Bereich der Hysterese. Da bei kleinen Tempe raturänderungen im Übergangsbereich Mikrohysteresen auftreten (siehe Fig. 3), muß man, um die hohe Steilheit der Kennlinie ausnutzen zu können, den Phasenüber gang periodisch überstreichen, um dann bei einer definierten Temperatur (oder analog: einem definierten Widerstandswert) des Referenzwiderstands 4 die Messung durchzuführen.As shown in FIG. 2, the phase transition of the phase transition materials used has a hysteretic behavior. Hysteretic characteristic curves represent a fundamental problem in measurement technology, since a working point can be reached in different ways depending on the previous history, which makes a clear assignment of a signal to a measurement variable impossible. The measuring method described here circumvents this problem and opens up the steep, non-linear area of the characteristic curve in the area of the hysteresis in general. Since micro hysteresis occurs in the transition area at small temperature changes (see FIG. 3), in order to be able to take advantage of the steepness of the characteristic curve, the phase transition must be swept periodically, in order then at a defined temperature (or analogously: a defined resistance value) Reference resistance 4 to carry out the measurement.
Der Heizwiderstand 2 wird zur Messung von einem periodischen Heizstrom durch flossen, so daß die Temperatur des Trägers 1, bestimmt durch den Widerstand 3 zur Temperaturmessung, periodisch den Phasenübergang des PÜM überstreicht. Der zeitliche Verlauf der Temperatur des Trägers 1 ist dargestellt in Fig. 4. Der Referenz widerstand 4 folgt dann diesem Temperaturverlauf (siehe Fig. 5a; an den Meßkurven von Fig. 4 und Fig. 5 sind einzelne Zeitpunkte t1 bis t5 als Parameter eingezeichnet). Die Wiederholrate dieses Vorgangs darf nur so groß sein, daß zu jeder Zeit das System in einem stationären thermischen Gleichgewichtszustand ist. Praktikable Raten liegen bei 1-10 Hz. Der Meßwiderstand 5 folgt ebenfalls dem Verlauf, jedoch um eine kleine Temperaturdifferenz versetzt gegenüber dem Referenzwiderstand 4, da er schlecht thermisch an das Substrat 1 angekoppelt ist und mit der Umgebung durch Strahlung und eventuell Konvektion Wärme austauscht. Die Situation ist wiedergegeben in Fig. 5b. Nimmt man also auf der Kurve des Referenzwiderstands 4 (Fig. 5a) das Erreichen eines bestimmten festen Widerstandswert (hier z. B. zum Zeitpunkt t5) als Trigger für die Messung am Meßwiderstand 5, so ist der entspre chende Widerstandswert auf der Kurve des Meßwiderstandes 5 zum Zeitpunkt t5 in Fig. 5b abhängig von der Intensität des einfallenden und absorbierten Infrarotlichtes. Je größer die Intensität der IR-Strahlung, desto größer die Differenz der Wider standswerte von Meßwiderstand 5 und Referenzwiderstand 4. Da man bei diesem Verfahren die Hysterese vollständig durchlaufen hat, nutzt man die volle Steilheit der Hysteresekurve am Meßpunkt (Punkt auf der Hysteresekurve zur Zeit t5) aus und hat so die höchstmögliche Empfindlichkeit erreicht. Insbesondere treten dabei keine Mikrohysteresen auf.The heating resistor 2 is flowed through to measure a periodic heating current, so that the temperature of the carrier 1 , determined by the resistor 3 for temperature measurement, periodically sweeps over the phase transition of the PÜM. The time course of temperature of the carrier 1 is shown in Figure 4. The reference resistor 4 follows then this temperature curve (see Figure 5a;. To the measured curves of Figures 4 and 5 individual time points are shown t1 to t5 as parameters..). . The repetition rate of this process may only be so great that the system is in a steady state of thermal equilibrium at all times. Practical rates are 1-10 Hz. The measuring resistor 5 also follows the course, but offset by a small temperature difference compared to the reference resistor 4 , since it is poorly thermally coupled to the substrate 1 and exchanges heat with the environment through radiation and possibly convection. The situation is shown in Fig. 5b. So if you take on the curve of the reference resistor 4 ( Fig. 5a) reaching a certain fixed resistance value (here e.g. at time t5) as a trigger for the measurement at the measuring resistor 5 , then the corresponding resistance value on the curve of the measuring resistor 5 at time t5 in FIG. 5b depending on the intensity of the incident and absorbed infrared light. The greater the intensity of the IR radiation, the greater the difference between the resistance values of measuring resistor 5 and reference resistor 4 . Since the hysteresis has been run through completely in this method, the full steepness of the hysteresis curve at the measuring point (point on the hysteresis curve at time t5) is used and the highest possible sensitivity has been achieved. In particular, no micro hysteresis occurs.
Es wird somit ein Meßverfahren angegeben, das es erlaubt, unter Ausschaltung der Mikrohysteresen die enorme Steilheit der Kurve im Phasenübergangsbereich zur Messung der Intensität einfallender Infrarotstrahlung zu nutzen.A measuring method is thus specified which allows the Micro hysteresis the enormous steepness of the curve in the phase transition area Measurement of the intensity of incident infrared radiation.
Claims (11)
- 1. ein Substrat (1) mit hoher Wärmeleitfähigkeit;
- 2. einen Meßwiderstand (5) aus einem Halbleiter-Metall-Phasenübergangs material, der von dem Substrat (1) durch eine Zwischenschicht (6) mit geringer Wärmeleitfähigkeit getrennt ist,
- 3. einen auf dem Substrat (1) aufgebrachten Referenzwiderstand (4) aus dem gleichen Material wie der Meßwiderstand (5),
- 4. einen auf dem Substrat (1) aufgebrachten Heizwiderstand (2),
- 5. einen auf dem Substrat (1) aufgebrachten Widerstand (3) zur Temperatur messung.
- 1. a substrate ( 1 ) with high thermal conductivity;
- 2. a measuring resistor ( 5 ) made of a semiconductor-metal phase transition material, which is separated from the substrate ( 1 ) by an intermediate layer ( 6 ) with low thermal conductivity,
- 3. a reference resistor ( 4 ) applied to the substrate ( 1 ) and made of the same material as the measuring resistor ( 5 ),
- 4. a heating resistor ( 2 ) applied to the substrate ( 1 ),
- 5. a resistor ( 3 ) applied to the substrate ( 1 ) for temperature measurement.
- 1. an Meßwiderstand (5) und Referenzwiderstand (4) wird ein Temperaturbereich periodisch durchlaufen, welcher den hysteretischen Phasenübergang des Phasenübergangsmaterials vollständig oder teilweise beinhaltet;
- 2. an dem Zeitpunkt, zu dem der Referenzwiderstand (4) einen festen Punkt auf der Hysteresekurve einnimmt, der sich im Bereich der maximalen Steilheit der Hysteresekurve befindet, wird eine Messung des Widerstandswerts des Meß widerstands (5) ausgelöst, wobei der Punkt auf der Hysteresekurve, den der Meßwiderstand (5) zum Zeitpunkt der Messung einnimmt, ein Maß für die In tensität des vom Meßwiderstand (5) absorbierten Infrarotlichts darstellt.
- 1. on measuring resistor ( 5 ) and reference resistor ( 4 ) a temperature range is run through periodically, which includes the hysteretic phase transition of the phase transition material completely or partially;
- 2. at the time when the reference resistor ( 4 ) takes a fixed point on the hysteresis curve, which is in the range of the maximum steepness of the hysteresis curve, a measurement of the resistance value of the measuring resistor ( 5 ) is triggered, the point on the Hysteresis curve, which the measuring resistor ( 5 ) takes at the time of measurement, represents a measure of the intensity of the infrared light absorbed by the measuring resistor ( 5 ).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19861126A DE19861126A1 (en) | 1998-09-23 | 1998-09-23 | Method for measuring an external influencing variable using a hysteretic phase transition |
| EP99114481A EP0989391A3 (en) | 1998-09-23 | 1999-07-23 | Sensor element and sensing method for a bolometric measurement of infrared light intensity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19861126A DE19861126A1 (en) | 1998-09-23 | 1998-09-23 | Method for measuring an external influencing variable using a hysteretic phase transition |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19843599C1 true DE19843599C1 (en) | 2000-03-30 |
Family
ID=7893303
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1998143599 Expired - Fee Related DE19843599C1 (en) | 1998-09-23 | 1998-09-23 | Sensor element to measuring the intensity of IR light has a measuring resistor made of semiconductor metal phase transition material separated from the substrate by an intermediate layer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19843599C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002101342A2 (en) * | 2001-06-11 | 2002-12-19 | National Microelectronic Research Centre | Microelctronic device and method of its manufacture |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1964190B2 (en) * | 1968-12-25 | 1975-09-25 | Matsushita Electric Industrial Co. Ltd., Kadoma, Osaka (Japan) | Infrared radiation detector |
| WO1988007180A1 (en) * | 1987-03-20 | 1988-09-22 | Robert Bosch Gmbh | Thermal radiation sensor |
| WO1998035512A1 (en) * | 1997-02-05 | 1998-08-13 | Hyung Sik Park | Switching system |
-
1998
- 1998-09-23 DE DE1998143599 patent/DE19843599C1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1964190B2 (en) * | 1968-12-25 | 1975-09-25 | Matsushita Electric Industrial Co. Ltd., Kadoma, Osaka (Japan) | Infrared radiation detector |
| WO1988007180A1 (en) * | 1987-03-20 | 1988-09-22 | Robert Bosch Gmbh | Thermal radiation sensor |
| WO1998035512A1 (en) * | 1997-02-05 | 1998-08-13 | Hyung Sik Park | Switching system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DE-Z.: tm Technisches Messen, 64 (1994) 4, S.164-171 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002101342A2 (en) * | 2001-06-11 | 2002-12-19 | National Microelectronic Research Centre | Microelctronic device and method of its manufacture |
| WO2002101342A3 (en) * | 2001-06-11 | 2004-02-12 | Nat Microelectronic Res Ct | Microelctronic device and method of its manufacture |
| GB2394359A (en) * | 2001-06-11 | 2004-04-21 | Nat Microelectronics Res Ct | Microelctronic device and method of its manufacture |
| GB2394359B (en) * | 2001-06-11 | 2005-06-29 | Nat Microelectronics Res Ct | Microelctronic device and method of its manufacture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE68923589T2 (en) | Infrared detector. | |
| DE4102524C2 (en) | Infrared sensor | |
| DE69210497T2 (en) | Infrared detectors | |
| DE69210735T2 (en) | Uncooled infrared detector and manufacturing process therefor | |
| EP0966660B1 (en) | Thermopile sensor and radiation thermometer with a thermopile sensor | |
| DE112009002170B4 (en) | Planar thermopile infrared sensor | |
| DE19843599C1 (en) | Sensor element to measuring the intensity of IR light has a measuring resistor made of semiconductor metal phase transition material separated from the substrate by an intermediate layer | |
| DE69737278T2 (en) | Improvements for thermal imaging systems | |
| DE3235062C2 (en) | ||
| EP0349550A1 (en) | Thermal radiation sensor | |
| EP1198699A1 (en) | Microstructured thermosensor | |
| EP0989391A2 (en) | Sensor element and sensing method for a bolometric measurement of infrared light intensity | |
| DE69637453T2 (en) | Method and system for dew point measurement | |
| Łoziński et al. | Thick-film pyroelectric linear array | |
| DE10113190A1 (en) | Moisture sensor comprises a membrane, a support for the membrane, an element for cooling the support and the membrane, a device for heating the membrane, and a device for determining a change of the precipitation state on the membrane | |
| EP2454571B1 (en) | Sensor element for determining at least one physical measurement variable | |
| DE19516480C1 (en) | Micro-sensor for determn. of thermal flux density and thermal flow throughput | |
| DE69828288T2 (en) | CHOPPERLESS OPERATION OF A THERMAL SENSOR SYSTEM FOR INFRARED RADIATION | |
| EP3963300A1 (en) | Differential calorimeter with high sensitivity | |
| DE10339952A1 (en) | Infra red contactless temperature sensor for laser power control has micropeltier elements in integrated construction between insulating substrates | |
| DE4410315A1 (en) | Micro-sensor for measurement of heat conductivity of thin films | |
| DE102017200873B4 (en) | temperature detector | |
| EP0025529B1 (en) | Bolometric radiation receiver and process for its production | |
| EP3811043B1 (en) | A high bandwidth thermoelectric thin film uv, visible light and infrared radiation sensor and a method for manufacturing thereof | |
| DE102004018809B4 (en) | Sensor arrangement and method for dew point measurement based on miniaturized Peltier elements |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| AH | Division in |
Ref country code: DE Ref document number: 19861126 Format of ref document f/p: P |
|
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| AH | Division in |
Ref country code: DE Ref document number: 19861126 Format of ref document f/p: P |
|
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |