DE3617910A1 - Matrixsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Matrix­ sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Als Thermografiesystem ist ein Quantendetektor mit einen Spiegelscanner bekannt. Ein Sensor hat hohe Ortsauflö­ sung, bedarf aber der Kühlung auf Temparaturen des flüs­ sigen Stickstoffs. Seine Handhabung ist kompliziert und der Preis eines solchen Sensors sehr hoch.

Gebräuchlich sind auch pyroelektrische Vidicons z. B. mit einem Triglycinsulfat (-TGS) -Kristall. Infolge be­ trächtlicher Wärme-Querleitung im Kristall hat ein sol­ ches Vidicon relativ begrenzte Ortsauflösung. Bei TGS- Kristall kann der Sensor nur bei Temperaturen unter 40°C betrieben werden.

Für Pyro-Sensoren ist es weiterhin bekannt, Bleititanat zu verwenden, das auf ein Substrat aus Silizium aufge­ sputtert ist. Nach diesem Prinzip sind auch zweidimensio­ nale Matrixsensoren aufgebaut worden. Ein Vorteil sol­ cher Sensoren ist deren Kompatibilität mit konventionel­ ler Silizium-Technologie. Auch bei einem solchen Matrix­ sensor liegt beträchtliches Übersprechen infolge querge­ richteter Wärmeleitung vor. Die Größe zur Verfügung ste­ hender Substratchips begrenzt die mögliche Größe einer solchen Matrix.

Für einen Matrixsensor besteht der Wunsch, eine Ortsauf­ lösung von wenigstens 1 bis 2 Sensorelementen pro mm Länge zu haben. Als maximale Baugröße werden Kantenlängen der Sensormatrix bis zu einigen cm gewünscht. Mit sol­ chen Abmessungen lassen sich Sensoren mit bis zu 100×100 Bildpunkten, typischerweise 30×30 Bildpunk­ ten erreichen. Die Zeitauflösung soll einige Zehntelse­ kunden nicht überschreiten. Dies ergibt eine Abtastfre­ quenz kleiner als 100 KHz bei seriellem Abfragen. Solche Matrixsensoren können vorteilhafthaft zusammen mit einer abbildenden Optik wie einem Cassegrainspiegel, einer Fresnellinse und dergl. betrieben werden, wobei die Sen­ sorfläche des Matrixsensors senkrecht zur optischen Achse dieser abbildenden Systeme gerichtet ist.

Anwendungsgebiete solcher Matrixsensoren sind die Feh­ lersuche in elektronischen Schaltungen, Wärmelecksuche an Bauten, medizinische Diagnostik, Raum- und Objekt­ schutz, Ortung und dergl.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Matrix­ sensor anzugeben, der alle oder wenigstens eine große Anzahl voranstehend genannter Wünsche erfüllt und der in technisch ohne Probleme einzuhaltenden Temparaturbe­ reichen arbeitet, leicht zu handhaben und technologisch einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Matrixsensor mit den Merk­ malen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausge­ staltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Matrixsensor bzw. dessen pyroelektrische Sensorele­ mente so auszugestalten bzw. für diese eine solche Tech­ nologie zu finden, die mit den zwangsläufig erforder­ lichen elektronischen Verstärkerschaltungen in einer Einheit zu kombinieren sind. Vorzugsweise ist die für die Matrix des Sensors bzw. für dessen Sensorelemente verwendete Folie eine solche aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) zu verwenden. Speziell dieses pyroelektrische Ma­ terial hat geringe Quer-Wärmeleitfähigkeit, hohe Detek­ torempfindlichkeit und läßt sich auch bei Temperaturen verwenden, die erheblich über Raumtemperatur liegen.

Auf der für die Sensorelemente erfindungsgemäß vorge­ sehenen Folie befindet sich zur Realisierung der Er­ findung amorphes Halbleitermaterial, insbesonders amorp­ hes, vorzugsweise wasserstoffhaltiges Silizium (a-Si:H). Z. B. ist die gesamte Folienoberfläche mit dem amorphen Halbleitermaterial beschichtet, jedoch kann es auch von Vorteil sein, nur bereichsweise am Ort des jeweiligen Sensorelements oder in dessen unmittelbarer Nachbarschaft einen solchen abgeschiedenen Halbleiterbereich vorzuse­ hen. Das eigentliche Sensorelement ist ein jeweiliger Bereichsanteil der Folie und umfaßt zwei Elektroden. Ein Sensorelement einer erfindungsgemäßen Matrix arbeitet prinzipiell aufgrund bekannter physikalischer Zusammen­ hänge. Die Verstärkerschaltung ist in dem Bereich des amorphen Halbleitermaterials plaziert. Jedem Sensorele­ ment ist eine elektrische Verstärkerschaltung zugeord­ net, deren Ausgang der eigentliche Ausgang des betreffen­ den Sensorelements ist. Die Organisation dieser Ausgänge kann in prinzipiell bekannter Weise vorgenommen werden, z. B. kann simultanes Auslesen oder auch serielles Ab­ fragen vorgesehen sein.

Wird z. B. PVDF-Folie für einen erfindungsgemäßen Ma­ trixsensor verwendet, so ist die Dicke der Folie vor­ teilhafterweise kleiner als 20 µm zu wählen. Die Dicke einer amorphen Halbleiterschicht aus z. B. Silizium auf dieser Folie beträgt vorteilhafterweise um 1 µm.

Die für ein jedes einzelne Sensorelement vorgesehene elektronische Verstärkerschaltung kann einen elektro­ nischen Umfang haben, der von einem Vorverstärker bis zu einer ganzen Auswerteschaltung reichen kann.

Anstelle von PVDF-Folie kann für die Erfindung auch Triglycinsulfat-Folie, Folie aus pyroelektrischer Keramik wie Bleititanat-Zirkonat und dergl. sein.

Bevorzugt ist es, als erste Stufe für die vorgesehene Verstärkerschaltung eines jeden Sensorelementes einen Feldeffekttransistor (FET) vorzusehen. Der Feldeffekt­ transistor ist mit seinem Gateanschluß mit der einen Elektrode des Sensorelementes verbunden, dessen andere Elektrode mit einem Referenzpotential bzw. mit Masse verbunden ist. Mit einem solchen Anschluß des Sensor­ elementes wird genügende Hochohmigkeit für den Sensor­ element-Ausgang erreicht. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Folie im Bereich des jeweiligen Sensorelementes einen Teil der Gateisolationsschicht des Eingangs-Feld­ effekttransistors der Verstärkerschaltung bildet. Eine separate Gateisolationsschicht kann dann entfallen.

Für den Betrieb ist über einen hinreichend hohen Wider­ stand eine Gatevorspannung (bias) zuzuführen, um mit dem Feldeffekttransistor in einem günstigen Arbeitsbereich desselben zu liegen.

In prinzipiell an sich bekannter Weise kann eine matrix­ artige Ansteuerung der Sensorelemente, und zwar über die erfindungsgemäß einem jeden Sensorelement zugeordneten elektronischen Verstärkerschaltungen, erfolgen. Es kann z. B. simultan jedes einzelne Sensorelement für sich an­ gesteuert werden. Vorteilhaft kann auch eine Multiplex­ ansteuerung sein. Die zweckmäßigste Ansteuerweise er­ gibt sich im Regelfall aus den Systemen, mit denen ein erfindungsgemäßer Matrixsensor zusammenarbeiten soll.

Von besonderem Vorteil kann auch sein, eine optische Punktanzeige vorzusehen, wobei einem jeden Sensorelement als Punkt des Matrixsensors ein optisches Leuchtelement, z. B. eine Lumineszenzdiode zugeordnet ist. Man kann auf diese Weise eine direkte Umsetzung des Thermobildes der detektierten Infrarotstrahlung in ein optisch sichtbares Bild erreichen, nämlich nach Art eines Ultrarot-Bildver­ stärkers bzw. - Bildwandlers.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einem jeweiligen Sensorelement die jeweils eine Elektrode elektrisch voneinander iso­ liert in zwei benachbarte Teilelektroden geteilt ist, wobei im Bereich dieser beiden Teilelektroden die zu den Elektroden senkrechte Polarisation der Folie entgegen gesetzt gerichtet ist. Hierbei können eventuell erfor­ derliche Durchkontaktierungen der Folie entfallen.

Es ist aber auch möglich, daß sämtliche Elektroden die auf der den Verstärkerschaltungen gegenüberliegenden Seite der Folie angeordnet sind, auf ein gemeinsames Potential gelegt sind. Durch diese Maßnahme, die bei­ spielsweise durch eine ganzflächige Metallisierung reali­ siert werden kann, kann dann das gemeinsame Potential über eine einzige Leitung auf die andere Seite der Folie geführt und dort über weitere Leitungen sämtlichen Ver­ stärkerschaltungen zugeführt werden. Eventuell erforder­ liche Durchkontaktierungen der Folie sind somit auch in diesem Fall entbehrlich.

Eine weitere Vereinfachung der gesamten Schaltungsan­ ordnung eines Matrixsensors kann dadurch erreicht wer­ den, daß der durch die Gatevorspannung vorgebbare Ar­ beitspunkt eines eingangsseitgen Feldeffekttransistors auf das Potential der positiven Versorgungsspannung der jeweiligen Verstärkerschaltung gelegt ist. Durch diese Maßnahme können dann sonst bei der Zufuhr der Gatevor­ spannung ggf. erforderliche Spannungsteiler oder Leiter­ bahnüberkreuzungen entfallen.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nach­ folgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Ansicht eines Ausschnitts einer Variante eines erfindungsgemäßen Matrixsensors 1 mit Sensorelementen 2. Das das Sensorelement 2 darstel­ lende Quadrat ist z. B. die eine Elektrode 12 eines sol­ chen Sensorelementes 2. Mit 3 ist ein jeweiliger Halb­ leiterbereich aus amorphen Halbleitermaterial, vorzugs­ weise amorphen Silizium, bezeichnet. In diesem Halblei­ terbereich 3 ist die elektronische Verstärkerschaltung 30 plaziert, die mit der Elektrode des zugeordneten, be­ nachbarten Sensorelements 2 elektrisch verbunden ist. Sowohl die Sensorelemente 2 bzw. deren schon oben ange­ sprochenen Elektroden als auch die Halbleiterbereiche 3 befinden sich hier auf einer Folie 5 aus z. B. PVDF. Diese Folie ist in einem mit 6 bezeichneten Rahmen des Sensors freitragend gehalten. Damit ist geringste Quer- Wärmeleitung erzielt und das Übersprechen minimiert. Auch ist damit geringste Wärmekapazität für das einzelne Sensorelement und dementsprechend kleine Ansprechzeit erreicht.

Die in Fig. 1 benachbart neben den jeweiligen Sensor­ element 2 jeweils angeordneten Halbleiterbereiche 3 können auch (in der Anschicht der Fig. 1) oberhalb von bzw. auf einem solchen Sensorelement 2 angeordnet sein, wodurch Platz eingespart wird. Die Seitenansicht der Fig. 2 zeigt eine solche im übrigen an sich der Fig. 1 entsprechende Variante, in der der Halbleiterbereich mit 13 bezeichnet ist. Mit 12 in Fig. 2 die eine Elektrode des jeweiligen Sensorelementes 2 und mit 14 die zuge­ hörige Gegenelektrode bezeichnet. Die Elektroden 12 und 14 entsprechen flächenmäßig dem jeweiligen Sensorele­ ment 2. Der Halbleiterbereich 13 kann gleich groß oder kleiner als die darunterliegende Elektrode 12 sein. Mit 15 sind lediglich prinzipiell dargestellte Verbindungen der Gegenelektroden 14 untereinander bezeichnet.

Mit 4 sind Anschlußleitungen für die Sensorelemente 2 bzw. deren Verstärkerschaltungen 30 bezeichnet. Für den Fall der direkten Einzelansteuerung eines jeden Sensor­ elements ist eine dementsprechende Anzahl von Leitungen 4 erforderlich. Für eine noch näher zu erörternde An­ steuerung nach Zeilen und Spalter ist für jede Zeile und für jede Spalte je eine Anschlußleitung (siehe auch Fig. 3) vorzusehen.

Eine PVDF-Folie 5 hat z. B. eine Dicke von 5-10, max. 20 µm wohingegen die Schichtdicke des Halbleiterbereiches 13 vorzugsweise etwa um 1 µm liegt. Die Elektroden 12 und 14 können so dünn gemacht werden, wie dies für die er­ forderliche (relativ geringe) elektrische Leitfähigkeit notwendig ist.

Mit dem Pfeil St ist auf die eine mögliche Einstrahl­ richtung zu detektierender Infrarot- bzw. Wärmestrahlung hingewiesen. Prinzipiell ist aber auch Detektion mit der gegenüberliegenden (oberen) Seite möglich, sofern, wie dies im Regelfall zutrifft, die Temperaturerhöhung in einem detektierenden Sensorelement 2 gering ist. Das phy­ sikalische Prinzip eines solchen Sensors mit pyroelek­ trischem Material besteht darin, daß eine von der aufge­ nommenen Strahlungsintensität abhängige Kapazitätsver­ änderung bzw. Veränderung der Oberflächenladung des durch die Elektroden 12 und 14 gebildeten Kondensators eintritt, nämlich mit entsprechender Spannungsver­ änderung zwischen diesen Elektroden 12 und 14. Diese Spannungsveränderung wird über die jeweilige in den zugeordneten Halbleiterbereich 13 (Halbleiterbereich 3 in Fig. 1) angeordnete Verstärkerschaltung verstärkt und am jeweiligen Anschluß 4 steht ein entspechendes elektrisches Signal zur Verfügung.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß eine erfindungsge­ mäße Sensormatrix vorzugsweise nach Zeilen und Spalten (anstatt mit direktem Zugriff zu jedem einzelnen Sensor­ element 2) organisiert ist. Hierzu ist je eine Zuleitung für die Elektroden 12 einer jeden Zeile der Oberseite der Folie 5 und jeweils eine Zuleitung für die einer je­ den Spalte (Elektroden 14) der Unterseite der Folie 5 erforderlich. Z. B. durch serielles Abfragen von Zeilen und Spalten eines derart organisierten Matrixsensors läßt sich ebenfalls bekanntermaßen ein jeder Bildpunkt der Sensormatrix bzw. ein jedes einzelnes Sensorelement der Matrix eindeutig ansteuern.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß in einem Halbleiterbereich 3, 13 lediglich ein Vorverstärker je­ doch aber auch eine ganze Auswerteschaltung realisiert sein kann, nämlich je nach technischem und technolo­ gischem Erfordernis. Fig. 3 zeigt einen Auschnitt eines Schemas einer Sensormatrix mit Zeilen- und Spalten-Or­ ganisation der Ansteuerung bzw. des Zugriffs entspre­ chend der vorangehenden Beschreibung. Mit 41, 42 und 43 sind drei Zeilen-Anschlußleitungen bezeichnet. Mit der Zeilenleitung 41 sind die Verstärkerschaltungen 30 der Sensorelemente 2 der ersten Zeile verbunden. Entspre­ chendes gilt für die Leitungen 42 und 43 bezüglich der Sensorelemente der zweiten und der dritten Leitung. Die Spaltenleitung 141 ist mit den Gegenelektroden 14 der Sensorelemente 2 der ersten Spalte verbunden. Ent­ sprechendes gilt für die Spaltenleitungen 142 und 143 für die Gegenelektroden 14 der Sensorelemente 2 der zweiten Spalte und der dritten Spalte. Für das Sensor­ element 2 der ersten Zeile und ersten Spalte, d. h. für das in Fig. 1 oben links plazierte Sensorelement ist in Fig. 3 das prinzipielle Ersatzschaltbild eines Sensorele­ ments 2 mit einem Feldeffekttransistor als elektronische Verstärkerschaltung dargestellt. Die dem Sensorelement entsprechende Kapazität ist dort ebenfalls mit 2 und mit 30 ist der die Verstärkerschaltung repräsentierende FET bezeichnet. Source und Drain des FET sind an die Zeilen- Anschlußleitung 41 und die Spalten-Anschlußleitung 141 angeschlossen. Die Fig. 4 zeigt eine erste praktische Ausführungsform einer elektronischen Verstärkerschaltung eines jeweiligen Sensorelementes eines erfindungsgemäßen Matrixsensors. Mit R _V und R _L sind übliche Widerstände bezeichnet. Mit U _G ist die vorstehend bereits erwähnte Gatevorspannung eines eingangsseitigen Feldeffekttran­ sistors bezeichnet.

Für die Beispiele der Figuren ist von einer rechtwink­ ligen Matrixanordnung der Sensorelemente 2 zueinander ausgegangen worden. Für die Erfindung kommen aber auch andere, dem Prinzip nach ohnehin bekannte zweidimen­ sionale Anordnungen von Sensorelementen mit erfindungs­ gemäß integrierter elektronischer Verstärkerschaltung in Betracht.

Es ist bereits oben darauf hingewiesen worden, daß für eine technologische Realisierbarkeit eines erfindungs­ gemäßen Matrixsensors von besonderem Vorteil sein kann die Folie 5 auch als Gate-Isolationsschicht zu verwen­ den. Damit ist u. a. auch die für eine Anordnung nach Fig. 3 und Fig. 4 eventuell erforderliche Durchkontak­ tierung der Folie entbehrlich.

Es kann auch vorgesehen sein, die jeweils eine Elektrode 12 oder 14 des jeweiligen Sensorelementes in zwei elek­ trisch voneinander isolierte, nebeneinanderliegende Teilelektroden aufzuteilen. Die zu den Elektroden 12 bzw. 14 senkrecht gerichte Polarisation der Folie (5) wird für diesen Fall so modifiziert, daß die Polarisa­ tion unter der einen Teilelektrode entgegengesetzt ge­ richtet ist zu der Polarisation der anderen Teilelektro­ de des jeweiligen Sensorelementes. Bezogen auf den Ein­ gangstransistor der Schaltung nach Fig. 4 wird die eine Teilelektrode mit dem Gate und die andere Teilelektrode mit dem Ausgang dieses Eingangstransistors verbunden.

Fig. 5 zeigt eine zweite praktische Ausführungsform einer elektronischen Verstärkerschaltung eines jeweili­ gen Sensorelements eines erfindungsgemäßen Matrixsen­ sors. Auch hier ist wie in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 2 ein Sensorelement und mit R _L ein üblicher Widerstand bezeichnet. Die Gatevorspannung U _G ist direkt an eine Elektrode des Sensorelements 2 angelegt, wobei zur Be­ grenzung der Potentialdifferenz zwischen beiden Elektro­ den des Sensorelements 2 eine hier durch zwei antiparal­ lele Dioden aufgezeigte Potentialbegrenzung P _B vorge­ sehen ist. Gemäß einer Variante kann die Gatevorspannung U _G über eine gestrichelt angedeutete Leitung L direkt von der positiven Versorgungsspannung der Verstärker­ schaltung 30 (vergl. Fig. 1 und 2) abgeleitet sein. In diesen Fall, der auch bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 4 möglich ist, können sonst bei der Zufuhr der Gatevorspannung ggf. erforderliche Spannungsteiler oder isolierte Leiterbahnüberkreuzungen eingespart werden.

Claims (14)

1. Matrixsensor mit

• - zweidimensional verteilt angeordneten Sensorelemen­ ten (2) mit Elektroden (12, 14) und mit
• - elektronischen Verstärkerschaltungen (30) gekennzeichnet dadurch,
• - daß die einzelnen Sensorelemente (2) bzw. deren Elektroden (12, 14) in Bereichen einer Folie (5) angeordnet sind, die zumindest in diesen Bereichen pyroelektrische Eigenschaft hat,
• - daß einem jeden Sensorelement (2) jeweils eine sol­ che elektronische Verstärkerschaltung (30) zugeord­ net ist,
• - die als Halbleiterschaltung in mindestens einem aus amorphen Halbleitermaterial bestehenden Bereich (3, 13) angeordnet ist,
• - der in wenigstens unmittelbarer Nachbarschaft des der Zuordnung entsprechenden jeweiligen Sensorelementes (2) auf der Folie (5) oder auf dem Sensorelement abgeschieden ist und
• - daß die Folie (5) zumindest im Bereich eines jewei­ ligen Sensorelementes (2) freitragend gehaltert ist.

2. Matrixsensor nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet dadurch, daß das Halbleitermaterial amorphes Silizium ist.

3. Matrixsensor nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet dadurch, daß sich der Halbleiter­ bereich (3) auf der Folie (5) neben dem jeweiligen Sensorelement (2) befindet (Fig. 1).

4. Matrixsensor nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet dadurch, daß sich der jeweilige Halbleiterbereich (13) auf dem jeweiligen Sensorele­ ment befindet (Fig. 2).

5. Matrixsensor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ge­ kennzeichnet dadurch, daß die Folie eine PVDF-Folie (5) mit einer Dicke kleiner als 20 µm ist.

6. Matrixsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Dicke des amorphen Halbleitermaterials in der Größenord­ nung 1 µm beträgt.

7. Matrixsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einzeln ange­ schlossene (4) Sensorelemente (2) (Fig. 1).

8. Matrixsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Matrix nach Zeilen und Spalten organisiert ist (Fig. 3).

9. Matrixsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß jede elektronische Verstärkerschaltung (30) mindestens einen Feldeffekttransistor umfaßt.

10.Matrixsensor nach Anspruch 9, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Folie (5) im Be­ reich des jeweiligen Sensorelementes (2) zumindest einen Teil der Gateisolationsschicht des eingangssei­ tigen Feldeffekttransistors der Verstärkerschaltung (30) bildet.

11.Matrixsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem jeweiligen Sensorelement die jeweils eine Elektrode (12 oder 14) elektrisch voneinander isoliert in zwei benachbarte Teilelektroden geteilt ist, wobei im Be­ reich dieser beiden Teilelektroden die zu den Elek­ troden senkrechte Polarisation der Folie entgegenge­ setzt gerichtet ist.

12. Matrixsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß sämtliche Elektroden (14) die auf der den Verstärkerschaltungen (30) gegenüberliegenden Seite der Folie (5) angeord­ net sind, auf ein gemeinsames Potential gelegt sind.

13. Matrixsensor nach Anspruch 12, gekenn­ zeichnet dadurch, daß das gemeinsame Poten­ tial über eine einzige Leitung auf die andere Seite der Folie (5) geführt ist und dort über weitere Lei­ tungen sämtlichen Verstärkerschaltungen (30) zuge­ führt ist.

14. Matrixsensor nach Anspruch 9 oder nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 11 bis 13, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der durch die Gate­ vorspannung vorgebbare Arbeitspunkt eines eingangs­ seitigen Feldeffekttransistors auf das Potential der positiven Versorgungsspannung der jeweiligen Verstär­ kerschaltung (30) gelegt ist.