DE3925391A1 - THERMAL COLUMN - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Thermosäule nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a thermopile according to the preamble of Claim 1.
Thermosäulen bestehen aus mehreren, hintereinander geschalteten Thermoelementen und werden oft zur Intensitätsmessung von Infra rotstrahlung verwendet. Dabei wird bei jedem Thermoelement einem von zwei sogenannten "Thermokontakten", nämlich dem sogenannten "heißen" Thermokontakt, dadurch Wärme zugeführt, daß eine strah lungsempfangende Fläche der Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, während der andere, sogenannte "kalte" Thermokontakt vor Bestrah lung geschützt wird. Die Größe des der von der Thermosäule er zeugten thermoelektrischen Signal wächst mit der Intensität der auf die strahlungsempfangende Fläche auftreffenden Infrarotstrah lung.Thermopiles consist of several series connected Thermocouples and are often used to measure the intensity of infra red radiation used. There is one for each thermocouple of two so-called "thermal contacts", namely the so-called "hot" thermal contact, heat supplied by a radiant exposure receiving area is exposed to infrared radiation, while the other, so-called "cold" thermal contact before irradiation is protected. The size of the from the thermopile he generated thermoelectric signal grows with the intensity of the infrared ray striking the radiation-receiving surface lung.
Grundsätzlich müssen Absorber, Wärmewiderstand und Kühlkörper einer Thermosäule der Art der jeweils nachzuweisenden Infrarot strahlung angepaßt werden. Im einfachsten Fall dienen die heißen Thermokontakte selbst als Absorber, die Verbindungsleitungen zwi schen heißen und kalten Thermokontakten als Wärmewiderstand, wäh rend der Kühlkörper aus einem Metallring besteht, der in gutem Wärmekontakt mit den kalten Thermokontakten steht.Basically, absorbers, heat resistance and heat sinks a thermopile of the type of infrared to be detected radiation can be adjusted. In the simplest case, they are used Thermal contacts themselves as absorbers, the connecting lines between hot and cold thermal contacts as thermal resistance, weh The heat sink consists of a metal ring that is in good condition There is thermal contact with the cold thermal contacts.
Der Absorber sollte so gut wärmeisoliert sein, daß vom Wärmestrom fast nichts an die Umgebung abgegeben wird, so daß dieser über den Wärmewiderstand nahezu vollständig dem Kühlkörper zufließt.The absorber should be so well insulated from heat flow almost nothing is released to the environment, so this over the heat resistance flows almost completely to the heat sink.
Eine derartige Thermosäule ist beispielsweise aus der Produktbe schreibung S07 der Fa. Isabellenhütte, Postfach 1453, D-6430 Dil lenburg, bekannt. Die dort beschriebene Thermosäule besteht aus 16 hintereinander geschalteten Cu-CuNi-Thermoelementen, die zwi schen zwei Kapton-Folien (Stärke 25-50 µm) eingesiegelt sind. Die heißen Thermokontakte der Thermoelemente sind auf einer kreisförmigen Fläche (6 mm Durchmesser) gleichmäßig verteilt, während die kalten Thermokontakte auf einem Kreis mit 10 mm Durchmesser angeordnet sind.Such a thermopile is, for example, from the product area letter S07 from Isabellenhütte, PO Box 1453, D-6430 Dil lenburg, known. The thermopile described there consists of 16 series-connected Cu-CuNi thermocouples, the two two Kapton foils (25-50 µm thick) are sealed. The hot thermal contacts of the thermocouples are on one circular surface (6 mm diameter) evenly distributed, while the cold thermal contacts on a 10 mm circle Diameter are arranged.
Diese Thermosäule liefert dann ein thermoelektrisches Signal, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den innenliegenden (hei ßen) und den außenliegenden (kalten) Thermokontakten existiert. Die Temperaturdifferenz wird durch die auf die heißen Thermokon takten auftreffende Infrarotstrahlung erzeugt, die in den als Ab sorber wirkenden Kapton-Folien in Wärme umgewandelt und über einen Wärmewiderstand in eine Wärmesenke (Kühlkörper) abgeführt wird.This thermopile then delivers a thermoelectric signal, if there is a temperature difference between the internal (hot essen) and the external (cold) thermal contacts exist. The temperature difference is due to the hot thermocon clock impinging infrared radiation generated, which in the as Ab sorber-acting Kapton foils converted into heat and over dissipated a thermal resistor in a heat sink (heat sink) becomes.
Die Herstellung der aus der genannten Produktbeschreibung bekann ten Thermosäule ist in Anbetracht der geringen Empfindlichkeit relativ aufwendig und damit teuer.The manufacture of the from the product description mentioned ten thermopile is considering the low sensitivity relatively complex and therefore expensive.
Aus der Zeitschrift "Measurement", Vol. 6, No. 1, Jan.-Mar. 1988, Seiten 2 ff., ist eine in Dünnschichttechnik hergestellte Thermo säule bekannt, die auf einem aus Silizium bestehenden, sogenann ten "Substrat" aufgebracht ist, wobei im folgenden das mit der Thermosäule versehene Substrat als "Chip" bezeichnet wird. Zur Herstellung des Chips werden aus der Fertigung von integrierten Schaltkreisen und aus der Mikromechanik her bekannte Verfahren, wie anisotropes Ätzen.From the magazine "Measurement", Vol. 6, No. Jan. 1-Mar. 1988, Pages 2 ff., Is a thermo made in thin-film technology pillar known, the so-called on a silicon ten "substrate" is applied, the following with the Thermopile-provided substrate is referred to as a "chip". To Manufacturing of the chips are integrated from the manufacturing Circuits and methods known from micromechanics, like anisotropic etching.
Die strahlungsempfangende Fläche der Thermoelemente der aus der Zeitschrift "Measurement" bekannten Thermosäule ist auf einer aus Siliziumnitrit (Si3N4) und Quarz (SiO2) bestehenden Membran angebracht, die durch anisotropes Ätzen hergestellt wird. Zur Erzeugung des thermoelektrischen Signals werden Wismut-Antimon- Thermokontakte verwendet. Diese Thermosäule hat den Vorteil, daß aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Membran das thermo elektrische Signal relativ hoch ist. Andererseits weist diese Thermosäule den Nachteil auf, daß sie schwierig herzustellen ist und der Chip bei seiner Handhabung während des Fertigungsprozes ses leicht beschädigt werden kann. Darüber hinaus weist der für eine derartige Thermosäule zu verwendende Chip immer noch eine relativ große Fläche von über 9 mm2 auf.The radiation-receiving surface of the thermocouples of the thermopile known from the magazine "Measurement" is attached to a membrane consisting of silicon nitrite (Si 3 N 4 ) and quartz (SiO 2 ), which is produced by anisotropic etching. Bismuth-antimony thermal contacts are used to generate the thermoelectric signal. This thermopile has the advantage that the thermoelectric signal is relatively high due to the low thermal conductivity of the membrane. On the other hand, this thermopile has the disadvantage that it is difficult to manufacture and the chip can be easily damaged during its handling during the manufacturing process. In addition, the chip to be used for such a thermopile still has a relatively large area of over 9 mm 2 .
Aus der Dissertation von Alexander Willem van Herwaarden (Tech nische Universität Delft in Holland, 24. Juni 1987 und J. Vac. Sci. Techn. AS, 2454 (1987)) ist eine weitere Thermosäule be kannt, bei der die strahlungsempfangende Fläche nicht mehr auf einer allseits mit dem Chip mechanisch und damit auch thermisch verbundenen Membran aufgebracht ist, sondern auf einer im Innen bereich des Chips frei schwebenden, an vier Bändern aufgehängten Membran ("floating membrane"). Darüber hinaus werden zur Erzeu gung des thermoelektrischen Signals Thermokontakte verwendet, die aus p-dotiertem Silizium und Aluminium bestehen.From the dissertation by Alexander Willem van Herwaarden (Tech University of Delft in Holland, June 24, 1987 and J. Vac. Sci. Techn. AS, 2454 (1987)) is another thermopile knows, in which the radiation receiving surface no longer one mechanically and therefore also thermally with the chip connected membrane is applied, but on an inside area of the chip freely suspended on four belts Membrane ("floating membrane"). In addition, tion of the thermoelectric signal uses thermal contacts consist of p-doped silicon and aluminum.
Neben den Vorteilen, die darin bestehen, daß sie bei guter Em pfindlichkeit mit aus der Herstellung von integrierten Schalt kreisen her bekannten Standardmethoden relativ preiswert her stellbar ist, gibt die aus der vorgenannten Dissertation bekannte Thermosäule bezogen auf die relativ große Chipfläche nur ein re lativ kleines thermoelektrisches Signal ab, was angesichts der Tatsache, daß die Größe der Fläche des Chips direkt dessen Preis bestimmt (kleine Chipfläche = niedriger Preis), von Nachteil ist.In addition to the advantages of being good Em sensitivity with from the manufacture of integrated switching circle around known standard methods relatively inexpensively is available, gives the known from the aforementioned dissertation Thermopile based on the relatively large chip area only a re relatively small thermoelectric signal, which in view of the Fact that the size of the area of the chip directly its price determined (small chip area = low price), is a disadvantage.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine noch preiswertere Ther mosäule zu schaffen, bei der zum einen die Chipfläche noch weiter verkleinert wird und die zum anderen ein noch größeres thermo elektrisches Signal abgibt, ohne daß die Funktionsfähigkeit der Thermosäule beeinträchtigt wird.It was therefore an object of the invention, an even cheaper Ther creating a pillar, on the one hand, the chip area even further is reduced and the other an even greater thermo emits electrical signal without the functionality of the Thermopile is affected.
Diese Aufgabe wird für eine Thermosäule nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in dessen kennzeichnenden Teil ent haltenen Merkmale gelöst.This task is for a thermopile according to the generic term of Claim 1 ent in the characterizing part characteristics kept resolved.
Dadurch, daß die strahlungsempfangende Fläche über ein einziges Band und damit über einen Wärmewiderstand äußerst geringer Wärme leitfähigkeit mit dem Rand des Chips verbunden ist, erhält man eine Thermosäule minimaler Chipfläche, aber guten thermischen Wirkungsgrads, d.h. ein relativ großes thermoelektrisches Signal bei gegebener Infraroteinstrahlung.The fact that the radiation-receiving surface over a single Band and thus over a heat resistance extremely low heat conductivity is connected to the edge of the chip, one obtains a thermopile with minimal chip area but good thermal Efficiency, i.e. a relatively large thermoelectric signal given infrared radiation.
In einer Weiterbildung der Erfindung (Anspruch 2) ist es vorge sehen, daß sich das Band im Inneren des durch vier Einfassungen gebildeten Randes erstreckt und spiralförmig ausgebildet ist. Eine spiralförmige Ausbildung des Bandes bietet den Vorteil, daß gegenüber z.B. einer mäanderartigen Anordnung der Flächenbedarf für den gesamten Chip geringer ist. Weiterhin kann die strah lungsempfangende Fläche bei spiralförmiger Ausbildung des Bandes im Zentrum des Chip angeordnet werden, was einen einfachen ro tationssymmetrischen Aufbau gestattet.In a further development of the invention (claim 2) it is featured see that the tape is inside the through four bezels formed edge extends and is formed spirally. A spiral formation of the band offers the advantage that compared to e.g. a meandering arrangement of space is lower for the entire chip. Furthermore, the strah lungs receiving surface with spiral formation of the tape be placed in the center of the chip, making a simple ro tionally symmetrical structure allowed.
Dadurch, daß die Leiterbahnen auf dem Band angeordnet sind (An spruch 3), ergibt sich der Vorteil, daß das Material des Bandes unabhängig von der Wahl der Materialien für die Thermokontakte festlegbar ist.The fact that the conductor tracks are arranged on the tape (An Say 3), there is the advantage that the material of the tape regardless of the choice of materials for the thermal contacts is definable.
Vorteilhaft ist es, wenn das Band in denjenigen Bereichen, in denen keine Leiterbahnen verlaufen, mit Löchern oder Schlitzen versehen ist (Anpruch 4). Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit weiter herabgesetzt und das Sensorsignal erhöht. Dies ist sehr wichtig bei Verwendung von monokristallinem Silizium als Band material, da dieses eine höhere Wärmeleitfähigkeit - was bei ge schlossenem Band von Nachteil wäre - als polykristallines Sili zium bei besseren mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) - was bei geschlossenem Band von Vorteil ist - aufweist.It is advantageous if the tape in those areas in with no traces, with holes or slits is provided (Claim 4). This will increase the thermal conductivity further reduced and the sensor signal increased. It is very important when using monocrystalline silicon as a ribbon material, as this has a higher thermal conductivity - which at ge closed band would be disadvantageous - as a polycrystalline sili zium with better mechanical properties (strength) - what when the band is closed is advantageous - has.
Zur Erzielung eines geringen Flächenbedarfs für den Gesamtchip und dem damit verbundenen Kostenvorteil wird vorgeschlagen, je weils die beiden, zu einem Thermokontakt führenden Leiterbahnen auf dem Band übereinander anzuordnen (Anspruch 5), wobei zwischen allen Leiterbahnen eine isolierende Schicht, beispielsweise aus Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrit (Si3Ni4) liegt. Da bei weist die isolierende Schicht im Bereich der Thermokontakte Öffnungen auf, innerhalb derer sich die beiden Leiterbahnen be rühren.In order to achieve a small footprint for the overall chip and the associated cost advantage, it is proposed to arrange the two conductor tracks leading to a thermal contact one above the other on the strip (claim 5), an insulating layer, for example made of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 Ni 4 ). Since the insulating layer has openings in the area of the thermal contacts, within which the two conductor tracks are moving.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß sowohl für die kalten als auch die heißen Thermokontakte einerseits dotiertes Silizium und an dererseits ein Metall als thermoelektrische Materialien verwendet werden (Anspruch 6), da eine derartige Anordnung mit aus der Her stellung von integrierten Schaltkreisen bekannten Standardverfah ren (CMOS oder bipolar) hergestellt werden kann.It is also advantageous that both for the cold and the hot thermal contacts on the one hand doped silicon and on on the other hand, a metal is used as thermoelectric materials are (claim 6), since such an arrangement with the Her position of integrated circuits known standard procedure ren (CMOS or bipolar) can be produced.
Es ist vorteilhaft (vgl. Ansprüche 7 und 8), daß das Band aus poly- oder monokristallinem oder amorphem Silizium oder aus Sili ziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrit (Si3N4) besteht. Der artige Materialien haben nämlich den Vorteil, daß sie eine be sonders geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was zu einer Er höhung des thermoelektrischen Signals führt. It is advantageous (cf. claims 7 and 8) that the band consists of polycrystalline or monocrystalline or amorphous silicon or of silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). The like materials have the advantage that they have a particularly low thermal conductivity, which leads to an increase in the thermoelectric signal.
Dadurch, daß als thermoelektrische Materialien bei beiden Thermo kontakten einerseits p-dotiertes Silizium und andererseits Alumi nium verwendet werden (Anspruch 9), lassen sich wiederum Verfah ren verwenden, die aus der Herstellung von integrierten Schalt kreisen bekannt sind, wobei der besondere Vorteil in der Tempera turabhängigkeit des thermoelektrischen Koeffizienten bei geeignet gewählter Dotierung des Siliziums liegt.The fact that as thermoelectric materials in both thermo contacts on the one hand p-doped silicon and on the other hand alumi nium can be used (claim 9), again procedure ren use that from the manufacture of integrated switching circles are known, with the particular advantage in tempera suitable as a function of the thermoelectric coefficient selected doping of the silicon.
Um nur mit einer Maske für die Leiterbahnen und die Kontakte aus zukommen, können die zur Reihenschaltung der Thermoelemente die nenden Leiterbahnen aus dem gleichen Material wie die entspre chenden Kontaktflächen der Thermokontakte selbst bestehen (An spruch 10) . Dies führt zu einer Kosteneinsparung, da die Anzahl der Masken vermindert wird und auch im weiteren Herstellungspro zeß ein Fertigungsschritt wegfällt.To look only with a mask for the conductor tracks and the contacts to come, the for the series connection of the thermocouples traces made of the same material as that appropriate contact surfaces of the thermal contacts themselves (An Proverb 10). This leads to a cost saving as the number the mask is reduced and also in the further manufacturing pro a manufacturing step is eliminated.
Eine Aufhängung der strahlungsempfindlichen Fläche an einem ein zigen Band ist nicht einfach durchführbar. Der Schichtenaufbau auf dem Chip muß auf die Materialien und die Schichtdicken abge stimmt sein, da sonst aufgrund innerer Spannungen sich die Bänder verkrümmen oder verwerfen. Ein Thermosäulenchip mit deformierten Bändern ist aber unbrauchbar. Wählt man für eine Anordnung nach Anspruch 5 für das Band, die isolierende Schicht, die Thermo kontakte und die Leiterbahnen Materialien nach den Ansprüchen 8-11 und legt man für deren Dimensionierung Abmessungen nach An spruch 12 zugrunde, so lassen sich die beiden nachstehend be schriebenen Effekte so weitgehend kompensieren, daß Verwerfungen oder Verkrümmungen nicht mehr auftreten.A suspension of the radiation sensitive area on one umpteenth volume is not easy to carry out. The layer structure on the chip must abge on the materials and the layer thicknesses be correct, because otherwise the straps will be due to internal tensions warp or discard. A thermopile chip with deformed But tapes are unusable. One selects for an arrangement Claim 5 for the tape, the insulating layer, the thermo contacts and the conductor tracks materials according to the claims 8-11 and if you dimension them according to An Proof 12, the two can be below largely compensate for the effects that have been written so that faults or curvatures no longer occur.
Aus der Dünnschichttechnik ist bekannt, daß Schichten, die durch Bedampfen eines Substrates hergestellt werden, bei der Konden sation beträchtliche Spannungen aufbauen. Grund hierfür ist, daß die Materialien zur Aufdampfung beträchtlich heißer sind als das Substrat; beim Abkühlen werden deshalb z.B. bei Aluminium auf Si lizium Zugspannungen auftreten.It is known from thin-film technology that layers that pass through Evaporation of a substrate can be produced using the condensate sation build up considerable tensions. The reason for this is that the materials for vapor deposition are considerably hotter than that Substrate; when cooling, e.g. for aluminum on Si silicon tensile stresses occur.
Im Gegensatz hierzu entstehen bei der Herstellung der aus SiO2 bestehenden isolierenden Schicht auf dem Siliziumsubstrat Druck spannungen. Grund hierfür ist, daß das SiO2 bei höheren Tempe raturen (größer als Umgebungstemperatur) auf dem Siliziumsubstrat erzeugt wird. Beim Abkühlen entsteht eine Druckspannung, da der thermische Ausdehnungskoeffizient von SiO2 wesentlich kleiner als der von Silizium ist.In contrast to this, pressure stresses arise on the silicon substrate during the production of the insulating layer consisting of SiO 2 . The reason for this is that the SiO 2 is generated at higher temperatures (greater than ambient temperature) on the silicon substrate. A compressive stress occurs during cooling, since the thermal expansion coefficient of SiO 2 is significantly smaller than that of silicon.
Um eine flache Ausführung der Thermosäule ohne Verwerfungen zu erreichen, muß deshalb das SiO2 so dünn wie möglich sein. Wei terhin sollten Dicke und Breite der Aluminiumleiterbahnen so klein wie möglich sein, um die Spannungen zu minimieren.In order to achieve a flat design of the thermopile without warping, the SiO 2 must therefore be as thin as possible. Furthermore, the thickness and width of the aluminum conductor tracks should be as small as possible in order to minimize the stresses.
Es ist weiterhin vorgesehen, daß die strahlungsempfangende Fläche kreisförmig ausgebildet und bis in den Bereich der Öffnungen mit einer Infrarotstrahlung gut absorbierenden Schicht, beispiels weise aus Ruß (Anspruch 13), überzogen ist, um die Thermospannung zu erhöhen.It is further contemplated that the radiation receiving surface circular and up to the area of the openings an infrared radiation absorbing layer, for example as made of carbon black (claim 13), is coated to the thermal voltage to increase.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen (An spruch 14), daß zur Messung der Temperatur des Randes des Chips auf einem seiner Einfassungen ein elektronisches Bauelement ange bracht ist, bei welchem sich zumindest eine Materialeigenschaft im bekannten Ausmaß mit dessen Temperatur ändert. Dabei liefert das Bauelement ein Eingangssignal für eine Kompensationsschal tung, um die bei bestimmten thermoelektrischen vorhandene Tempe raturabhängigkeit der Thermospannung auszugleichen.A further development of the invention provides (An Proverb 14) that to measure the temperature of the edge of the chip an electronic component is attached to one of its mounts is brought, in which there is at least one material property changes to the known extent with its temperature. It delivers the component receives an input signal for a compensation scarf to determine the temp at certain thermoelectric to compensate for the temperature dependence of the thermal voltage.
Es wird ferner vorgeschlagen, daß auf dem Rand des Chips zusätz lich eine elektronische Schaltung angeordnet ist, die das thermo elektrische Signal verstärkt, nötigenfalls linearisiert und/oder temperaturkompensiert (Anspruch 15), um sehr schwache Infrarot strahlung, die von einem entfernten Objekt emittiert wird, in ein der Temperatur des Objekts proportionales elektrisches Signal mit einer Spannungshöhe in der Größe einiger Volt umzuwandeln.It is also proposed that additional on the edge of the chip Lich an electronic circuit is arranged, the thermo electrical signal amplified, linearized if necessary and / or temperature compensated (claim 15) to very weak infrared radiation emitted by a distant object into one electrical signal proportional to the temperature of the object to convert a voltage level in the size of a few volts.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigt:The invention is described below using an exemplary embodiment described. The drawing shows:
Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Thermo säule, Fig. 1 column the schematic structure of the thermal according to the invention,
Fig. 2 einen teilweise dargestellten Schnitt durch die strah lungsempfangende Fläche entlang der in Fig. 1 mit A-A be zeichneten Richtung und in perspektivischer Darstellung den teilweisen Verlauf des Bandes samt der auf ihm ange brachten Leiterbahnen, Fig. 2 is a partial sectional represented by the radia tion receiving surface along the BE in Fig. 1 with AA recorded direction and in the perspective view of the partial passing of the band together with the attached to it applied conductor tracks,
Fig. 3a und 3b den schematischen Verlauf der beiden auf dem Band angeordneten Leiterbahnen. FIGS. 3a and 3b shows the schematic course of the two arranged on the strip traces.
Fig. 1 zeigt einen quadratisch ausgebildeten Chip 1 aus mono kristallinem, p-dotiertem Silizium mit einer Gesamtdicke im Be reich von 300-750 µm, der auf seiner ganzen Oberfläche mit einer Schicht aus n-dotiertem Silizium mit einer Dicke von 5-10 µm ver sehen und dessen Rand mit 2 bezeichnet ist. Der Chip 1 läßt sich mit aus der Fertigung von integrierten Schaltkreisen bekannten Methoden herstellen und dient als Ausgangsprodukt (Substrat) für die Fertigung der erfindungsgemäßen Thermosäule. Die Breite und die Länge des Chips 1 betragen jeweils etwa 2 mm, so daß er etwa eine Fläche von 4 mm2 aufweist. Fig. 1 shows a square chip 1 made of monocrystalline, p-doped silicon with a total thickness in the loading range of 300-750 microns, the entire surface with a layer of n-doped silicon with a thickness of 5-10 microns see ver and the edge of which is labeled 2 . The chip 1 can be produced using methods known from the manufacture of integrated circuits and serves as the starting product (substrate) for the manufacture of the thermopile according to the invention. The width and the length of the chip 1 are each approximately 2 mm, so that it has an area of approximately 4 mm 2 .
Ebenfalls wieder mittels aus der Herstellung von integrierten Schaltkreisen bekannter mikromechanischer Verfahren, beispiels weise Ätzen, wird der ursprünglich als quadratischer Quader aus gebildete Chip 1 so weiterbearbeitet, daß er an seinem Rand 2 nur noch aus vier Einfassungen 2′, 2′′, 2′′′, 2′′′′ mit einer unveränder ten Dicke von 300-750 µm besteht, die ein Rechteck begrenzen. Um zumindest schematisch die räumliche Struktur des Chips 1 erkenn bar zu machen, ist die in der Fig. 1 vorne rechts verlaufende Einfassung 2′ des Chips 1 aufgebrochen dargestellt, obgleich alle vier Einfassungen 2′, 2′′, 2′′′, 2′′′′ des quadratischen Chips 1 durchgehend ausgebildet sind.Also by means of the production of integrated circuits of known micromechanical methods example, etching is further processed originally as a rectangular parallelepiped of formed chip 1 so that it at its edge 2, only four mounts 2 ', 2' ', 2' '', 2 '''' with an unchanged thickness of 300-750 microns, which delimit a rectangle. In order to make the spatial structure of the chip 1 recognizable at least schematically, the border 2 'of the chip 1 which runs to the right in FIG. 1 is shown broken away, although all four borders 2 ', 2 '', 2 ''', 2 '''' Of the square chip 1 are continuously formed.
Nach Anwendung weiterer, entsprechender mikromechanischer Ver fahren verbleibt an der Einfassung 2′ ein rechtswinklig angelenk tes und dann ein dreimal in Richtung des Uhrzeigersinns recht winklig abgeknicktes Band 3, das vollkommen aus monokristallinem, n-dotiertem Silizium besteht. Dem Ende des Bandes 3 ist ein scheibenförmiger Körper angeformt, auf welchem durch weitere Ver fahrensschritte die strahlungsempfangende Fläche 4 erzeugt wird. Die Dicke des Bandes 3 und des scheibenförmigen Körpers liegt in der Größenordnung von 5 µm, so daß von dem ursprünglich etwa 300 µm dicken Substrat ein beträchtlicher Anteil entfernt, bei spielsweise also weggeätzt ist. Das etwa 130 µm breite Band 3 ist so entlang den Einfassungen 2′, 2′′, 2′′′, 2′′′′ geführt, daß zwi schen der betreffenden Einfassung und dem Band 3 ein Spalt 5 vor handen ist.After application of further, corresponding micromechanical Ver remain on the bezel 2 'a right-angled articulated tes and then a right angled three times in the clockwise direction band 3 , which consists entirely of monocrystalline, n-doped silicon. The end of the band 3 is a disc-shaped body, on which the radiation-receiving surface 4 is generated by further process steps. The thickness of the band 3 and the disc-shaped body is of the order of 5 microns, so that a considerable proportion of the originally about 300 microns thick substrate is removed, so for example is etched away. The approximately 130 microns wide band 3 is so along the borders 2 ', 2 '', 2 ''', 2 '''' that that between the relevant border and the band 3, a gap 5 is available before.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Band 3 geschlitzt, gelocht oder mit anderen Aussparungen versehen sein. Die so vorgenommene Materialabtragung hat den Zweck, die ther mische Leitfähigkeit des Bandes 3 weiter herabzusetzen, ohne daß dessen mechanische Stabilität entscheidend beeinträchtigt wird.In a further embodiment of the invention, the band 3 can be slotted, perforated or provided with other cutouts. The removal of material made in this way has the purpose of further reducing the thermal conductivity of the strip 3 without its mechanical stability being decisively impaired.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der heißen Thermokontakte der Thermosäule. Über den gesamten Verlauf des Bandes 3 sind in das n-dotierte Siliziummaterial insgesamt sechs parallel zueinan der verlaufende, rinnenförmige Einlagerungen 6 mit p-dotiertem Silizium angeordnet. Die Einlagerungen 6 erstrecken sich von dem scheibenförmigen Körper über das diesem zugewandte Ende 14 des Bandes 3 entlang des gesamten Bandes 3 über das dem Rand 2 zuge wandte Ende 13 des Bandes 3 bis zur Einfassung 2′ des Chips 1. Das eingelagerte, p-dotierte Silizium bildet Leiterbahnen 10b (vgl. Fig. 3b), von denen auf dem Band 3 insgesamt sechs angeord net sind und von denen in Fig. 2 lediglich deren Enden 7 erkenn bar sind. Fig. 2 shows the basic structure of the hot thermal contacts of the thermopile. A total of six trough-shaped inclusions 6 with p-doped silicon are arranged in the n-doped silicon material over the entire course of the band 3 . The deposits 6 extending from the disc-shaped body on the facing this end 14 of the strip 3 along the entire strip 3 on the edge of the two facing end 13 of the strip 3 to the skirt 2 'of the chip. 1 The stored, p-doped silicon forming interconnects 10 b (see. Fig. 3b), of which angeord net on the tape 3 and a total of six of them in Fig. 2, only the ends 7 of clearly shown.
Die Herstellung des p-dotierten Siliziums in den Einlagerungen 6 erfolgt mit bekannten Methoden, beispielsweise Diffusions- oder Ionenimplantationsverfahren.The p-doped silicon in the deposits 6 is produced using known methods, for example diffusion or ion implantation methods.
Weiter ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß über dem Band 3 jeweils außer im Bereich der Schnittstelle A-A vorhandener Öffnungen 8 eine etwa 0,15 µm dicke, elektrisch isolierende Schicht 9 aus Si liziumdioxid (SiO2) angebracht ist, deren Breite etwa der Brei te des Bandes 3 entspricht. Die Öffnungen 8 haben den Zweck, daß dort die Enden 15 weiterer, aus Aluminium bestehender und auf der isolierenden Schicht 9 verlaufender Leiterbahnen 10a (vgl. auch Fig. 3a) mit den entsprechenden Enden 7 der aus p-dotiertem Sili zium bestehenden Leiterbahnen 10b in elektrischen Kontakt gelan gen. Die derart entstehende elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 10a und 10b bildet den heißen Thermokontakt der Thermoelemente, von denen in Fig. 2 nur drei von insgesamt sechs vorhandenen gezeigt sind. Die Dicke bzw. maximale Dicke der Lei terbahnen 10a und 10b beträgt etwa 0,6 µm, ihre Breite bzw. maxi male Breite etwa 12 µm.From Fig. 2 it can be seen that above the band 3 each except in the area of the interface AA existing openings 8, an approximately 0.15 micron thick, electrically insulating layer 9 of Si silicon dioxide (SiO 2 ) is attached, the width of which is about the slurry te of volume 3 corresponds. The openings 8 have the purpose that there the ends 15 of further, made of aluminum and running on the insulating layer 9 conductor tracks 10 a (see also Fig. 3a) with the corresponding ends 7 of the p-doped silicon existing conductor tracks 10th b gelan electrical contact gen. The resulting electrical connection between the conductor tracks 10 a and 10 b forms the hot thermal contact of the thermocouples, of which only three of a total of six are shown in Fig. 2. The thickness or maximum thickness of the conductor tracks 10 a and 10 b is approximately 0.6 μm, their width or maximum width is approximately 12 μm.
Schneidet man das Band 3 längs der in Fig. 1 mit B-B′ bezeichneten Richtung, so erhält man ein Schnittbild, das mit dem längs der Richtung A-A′ weitgehend identisch ist und dessen Elemente eben falls wieder mit einem Ionen- oder einem Diffusionsverfahren er zeugt werden. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Ein fassung 2′ wesentlich dicker (zwischen 300-750 µm) ist als die strahlungsempfangende Fläche 4 (Dicke etwa 5 µm). Die Anordnung am Übergang vom Band 3 zu der ersten Einfassung 2′ enthält dabei die kalten Thermokontakte der Thermosäule.If you cut the tape 3 along the direction designated in Fig. 1 with BB ', you get a sectional image that is largely identical to that along the direction AA' and the elements of which are again generated with an ion or diffusion process . The only difference is that the socket 2 'is much thicker (between 300-750 microns) than the radiation-receiving surface 4 (thickness about 5 microns). The arrangement at the transition from tape 3 to the first enclosure 2 'contains the cold thermal contacts of the thermopile.
In den Fig. 3a und 3b ist der Verlauf der Leiterbahnen 10a und 10b schematisch dargestellt, die sich längs des Bandes 3 er strecken. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 handelt es sich dabei um jeweils sechs Leiterbahnen. Die Leiterbahnen 10a und 10b werden mittels einer ersten und zweiten Kontaktfahne 11 und 12 elektrisch kontaktiert, wobei die erste Kontaktfahne 11 mit einer aus Aluminium bestehenden Leiterbahn 10a und die zweite Kontaktfahne 12 mit einer aus p-dotiertem Silizium bestehenden Leiterbahn elektrisch verbunden ist. Damit weist die beschriebene Thermosäule sechs hintereinander geschaltete, aus einer Kombina tion von p-dotiertem Silizium und Aluminium bestehenden Thermo elemente auf.In FIGS. 3a and 3b of the conductor leads 10 a and b is shown schematically 10 extending longitudinally of the belt 3 it stretch. In the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, there are six conductor tracks each. The conductor tracks 10 a and 10 b are electrically contacted by means of a first and second contact lugs 11 and 12 , the first contact lug 11 being electrically connected to a conductor track 10 a made of aluminum and the second contact tab 12 being electrically connected to a conductor track consisting of p-doped silicon . The thermopile described thus has six thermocouples connected in series, consisting of a combination of p-doped silicon and aluminum.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die Thermokon take aus anderen Elementen, z.B. n-dotiertem Polysilizium oder Gold, bestehen. Weiterhin können Teile des Chips 1 (z.B. das Band 3) zur Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit aus Polysilizium oder anderen Materialien, z.B. Siliziumdioxid (SiO2) oder Sili ziumnitrit (Si3N4), aufgebaut sein.In further embodiments of the invention, the thermal contacts can consist of other elements, for example n-doped polysilicon or gold. Furthermore, parts of the chip 1 (for example the band 3 ) can be constructed from polysilicon or other materials, for example silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ), to reduce the thermal conductivity.
Um möglichst viel Strahlungsenergie aus der einfallenden Infra rot-Strahlung zu absorbieren, wird die gesamte strahlungsempfan gende Fläche 4 mit einer nicht dargestellten Schwärzungsschicht überzogen, die beispielsweise aus Ruß oder in einer anderen Ausführungsform zur wellenlängenselektiven Absorption aus einer dielektrischen Schicht besteht. Weiterhin in den Figuren nicht dargestellt ist ein den Chip 1 umgebendes Gehäuse, welches mit einem Schutzgas, beispielsweise Xenon, gefüllt und nach außen gasdicht verschlossen ist.In order to absorb as much radiation energy as possible from the incident infrared radiation, the entire radiation-receiving surface 4 is coated with a blackening layer, not shown, which consists, for example, of carbon black or, in another embodiment, for wavelength-selective absorption, from a dielectric layer. Also not shown in the figures is a housing surrounding the chip 1 , which is filled with a protective gas, for example xenon, and is sealed gas-tight to the outside.
Darüber hinaus kann auf der Einfassung 2′ des Randes 2 des Chips 1 eine Diode, ein Widerstand oder ein anderes Element angeordnet sein, um an dieser Stelle die Temperatur messen zu können. Dabei nutzt man die Tatsache aus, daß die genannten Bauelemente Mate rialeigenschaften besitzen, die sich in bekanntem Ausmaß mit der Temperatur ändern. Die Einfassung 2′ kann darüber hinaus noch mit einer elektronischen Schaltung versehen werden, die das Sensor signal verstärkt, nötigenfalls temperaturkompensiert und/oder li nearisiert.In addition, a diode, a resistor or another element can be arranged on the border 2 'of the edge 2 of the chip 1 in order to be able to measure the temperature at this point. It takes advantage of the fact that the components mentioned have material properties that change to a known extent with temperature. The border 2 'can also be provided with an electronic circuit that amplifies the sensor signal, if necessary temperature compensated and / or linearized.
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