DE4091364C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Thermosäulen-Strahlungsdetektoren bestehen aus mehreren, hinter­ einandergeschalteten Thermoelementen und werden oft zur Intensi­ tätsmessung von Infrarotstrahlung verwendet. Dabei wird bei jedem Thermoelement einem von zwei sogenannten "Thermokontakten", näm­ lich dem sogenannten "heißen" Thermokontakt, dadurch Wärme zuge­ führt, daß eine strahlungsempfangende Fläche der Infrarotstrah­ lung ausgesetzt wird, während der andere, sogenannte "kalte" Thermokontakt vor Bestrahlung geschützt wird. Die Größe des von dem Thermosäulen-Strahlungsdetektor erzeugten thermoelektrischen Signals wächst mit der Intensität der auf die strahlungsempfan­ gende Fläche auftreffenden Infrarotstrahlung.

Grundsätzlich müssen Absorber, Wärmewiderstand und Kühlkörper eines Thermosäulen-Strahlungsdetektors der Art der jeweils nach­ zuweisenden Infrarotstrahlung angepaßt werden. Im einfachsten Fall dienen die heißen Thermokontakte selbst als Absorber, die Verbindungsleitungen zwischen heißen und kalten Thermokontakten als Wärmewiderstand, während der Kühlkörper aus einem Metallring besteht, der in gutem Wärmekontakt mit den kalten Thermokontakten steht.

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.

Ein derartiger Thermosäulen-Strahlungsdetektor ist beispielsweise aus der Produktbeschreibung S07 der Fa. Isabellenhütte, Postfach 1453, D-6430 Dillenburg, bekannt. Der dort beschriebene Thermo­ säulen-Strahlungsdetektor besteht aus 16 hintereinandergeschal­ teten Cu-CuNi-Thermoelementen, die zwischen 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 Thermokon­ takte auf einem Kreis mit 10 mm Durchmesser angeordnet sind.

Dieser Thermosäulen-Strahlungsdetektor liefert dann ein thermo­ elektrisches Signal, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den innenliegenden (heißen) und den außenliegenden (kalten) Thermo­ kontakten existiert. Die Temperaturdifferenz wird durch die auf die heißen Thermokontakte auftreffende Infrarotstrahlung er­ zeugt, die in den als Absorber wirkenden Kapton-Folien in Wärme umgewandelt und über einen Wärmewiderstand in eine Wärmesenke (Kühlkörper) abgeführt wird.

Die Herstellung des aus der genannten Produktbeschreibung bekann­ ten Thermosäulen-Strahlungsdetektors ist in Anbetracht der gerin­ gen Empfindlichkeit relativ aufwendig und damit teuer.

Aus der Zeitschrift "Measurement", Vol. 6, No. 1, Jan.-Mar. 1988, Seiten 2 ff., ist ein in Dünnschichttechnik hergestellter Thermo­ säulen-Strahlungsdetektor bekannt, der auf einem aus Silizium be­ stehenden, sogenannten "Substrat" aufgebracht ist, wobei im fol­ genden das mit dem Thermosäulen-Strahlungsdetektor 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 beispielsweise anisotropes Ätzen, verwendet.

Die strahlungsempfangende Fläche des aus der Zeitschrift "Measurement" bekannten Thermosäulen-Strahlungsdetektors ist auf einer aus Siliziumnitrit (Si₃N₄) und Quarz (SiO₂) bestehen­ den Membran angebracht, die durch anisotropes Ätzen hergestellt wird. Zur Erzeugung des thermoelektrischen Signals werden Wismut/Antimon-Thermokontakte verwendet. Dieser Thermosäu­ len-Strahlungsdetektor hat den Vorteil, daß aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Membran das thermoelektrische Signal rela­ tiv hoch ist. Andererseits weist dieser Thermosäulen-Strahlungs­ detektor den Nachteil auf, daß er schwierig herzustellen ist und der Chip bei seiner Handhabung während des Fertigungsprozesses leicht beschädigt werden kann. Darüber hinaus weist der für einen derartigen Thermosäulen-Strahlungsdetektor zu verwendende Chip immer noch eine relativ große Fläche von über 9 mm² auf.

Aus der Dissertation von P. M. Sarro (Technische Universität Delft in Holland, 1. Oktober 1987), vgl. z. B. die Seiten 68 und 86, sowie aus J. Elektrochem Soc., Bd. 133, 1986, Nr. 8, S. 1724-29 ist ein weiterer Thermosäulen- Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art bekannt, bei der die strahlungsempfangende Fläche nicht mehr auf einer allseits mit dem Substrat mechanisch und damit auch thermisch verbundenen Membran, sondern am Ende eines oder mehrerer im Innenbereich des ansonsten nur noch aus vier Einfassungen bestehenden Substrats sich erstreckenden Ausleger (cantilever beam infrared detector) aufgebracht ist. Dabei ist ein solcher Ausleger erheblich dünner ausgebildet als die vier den Innenbe­ reich des Chips begrenzenden Einfassungen. Es können auch mehrere Ausleger in einem Chip vorgesehen sein.

Neben den Vorteilen, die darin bestehen, daß er mit aus der Her­ stellung von integrierten Schaltkreisen her bekannten Standard­ methoden herstellbar ist, gibt der aus der vorgenannten Disserta­ tion bekannte Thermosäulen-Strahlungsdetektor bezogen auf die re­ lativ große Chipfläche nur ein relativ 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. Ursache für das relativ kleine thermoelektrische Signal ist die im Verhältnis zum Wärmewiderstand des Auslegers zu kleine strahlungsempfangende Fläche.

Thermosäulen können auch zur Messung des Druckes für Drucke un­ terhalb von etwa 10 kPa in gasgefüllten Behältern benutzt werden. Der entscheidende Unterschied zu den strahlungsdetektierenden Thermosäulen besteht darin, daß der Wärmewiderstand einer flächenhaften Struktur zum umgebenden Gas als Meßgröße für den sich ändernden Druck des Gases benutzt wird. Hierzu wird die flächenhafte Struktur in der Weise beheizt, daß ein zeitlich konstanter Wärmestrom über den veränderlichen Wärmewiderstand des umgebenden Gases eine Temperaturdifferenz zwischen der flächen­ haften Struktur und der Umgebung erzeugt. Diese in der Regel sehr kleine Temperaturdifferenz wird mit einer Thermosäule in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Aus der Dissertation von A. W. van Herwaarden (Technische Univer­ sität Delft in Holland, 24. Juni 1987, vgl. dort z. B. die Seite 41) und J. Vae. Sci. Techn. A5 2454-S7 (1987)) ist eine Thermosäule zur Druckmessung im Vakuum bekannt, bei der die mit dem Gas in Wärmekontakt stehende Fläche nicht auf einer allseits mit dem Substrat mechanisch und damit auch thermisch verbundenen Membran aufgebracht ist, sondern auf einer im Innenbereich des Chips freischwebenden, an vier Stegen aufgehängten Membran ("floating membrane").

Würde man eine derartige Anordnung als Strahlungsdetektor ein­ setzen, so wäre dieser dafür ungeeignet, da aufgrund der hohen Anzahl (vier) und der relativ geringen Länge der Stege der Wärmewiderstand zwischen strahlungsempfangender Fläche und Kühl­ körper sehr klein ist. Ein kleiner Wärmewiderstand bewirkt aber grundsätzlich eine Verringerung der Empfindlichkeit des Strah­ lungsdetektors. Da es aber grundsätzlich wünschenswert ist, die gesamte Oberfläche eines Thermosäulen-Strahlungsdetektors und damit auch dessen strahlungsempfangende Fläche klein zu halten, ist bei relativ kleinen Wärmewiderständen kein ausreichend großes thermoelektrisches Signal mehr erhältlich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen noch preiswerteren Thermosäulen-Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem zum einen die Chipfläche noch weiter verkleinert wird und der zum anderen ein noch größeres thermoelektrisches Signal abgibt, ohne daß da­ durch seine Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird für einen Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in dessen kenn­ zeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die strahlungsempfangende Fläche am freien Ende eines spiral- oder mäanderförmig verlaufenden dünnen Bandes ange­ formt und damit über einen Wärmewiderstand äußerst geringer Wärmeleitfähigkeit mit dem Rand des Chips verbunden ist, erhält man einen Thermosäulen-Strahlungsdetektor minimaler Chipfläche, aber guten thermischen Wirkungsgrads, d. h. ein relativ großes thermoelektrisches Signal bei gegebener Infraroteinstrahlung.

Durch den mäander- oder spiralförmigen Verlauf des Bandes ergibt sich der Vorteil, daß der Flächenbedarf für den gesamten Chip ge­ ringer ist. Weiterhin kann die strahlungsempfangende Fläche bei spiralförmiger Ausbildung des Bandes im Zentrum des Chip angeord­ net werden, was einen einfachen rotationssymmetrischen Aufbau gestattet.

Wählt man ein Band, welches im Vergleich zu den Längsabmessungen der strahlungsempfangenden Fläche eine geringe Breite aufweist (Anspruch 2), so wird dessen Wärmeleitfähigkeit weiter verrin­ gert, was den Wirkungsgrad des Thermosäulen-Strahlungsdetektors weiter erhöht.

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.

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 Detektorsignal 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 Silizi­ um bei besseren mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) - was bei geschlossenem Band von Vorteil ist - aufweist.

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.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß sowohl für die kalten als auch die heißen Thermokontakte einerseits dotiertes Silizium und andererseits ein Metall als thermoelektrische Materialien ver­ wendet werden (Anspruch 6), da eine derartige Anordnung mit aus der Herstellung von integrierten Schaltkreisen bekannten Stand­ ardverfahren (CMOS oder bipolar) hergestellt werden kann.

Wenn man für das Material des Bandes (vgl. Anspruch 7) poly- oder monokristallines oder amorphes Silizium oder Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrit (Si₃N₄) wählt, ergibt sich der Vorteil, daß dieses eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, was zu einer Erhöhung des thermoelektrischen Signals führt.

Wenn man das Band aus monokristallinem, n-dotiertem Silizium (An­ spruch 8) herstellt, ergibt sich der Vorteil, daß das Material des Bandes nicht in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf den Wafer aufgebracht werden muß. Die für die Herstellung der strah­ lungsempfangenden Fläche ohnehin notwendige Epitaxieschicht aus n-dotiertem Silizium dient nämlich gleichzeitig als Grundmaterial für das Band.

Dadurch, daß als thermoelektrische Materialien bei beiden Thermo­ kontakten einerseits p-dotiertes Silizium und andererseits Alu­ minium verwendet werden (Anspruch 9), lassen sich wiederum Ver­ fahren verwenden, die aus der Herstellung von integrierten Schaltkreisen bekannt sind, wobei der besondere Vorteil in der geeignet gewählter Dotierung des Siliziums liegt.

Um mit nur einer Maske für die Leiterbahnen und die Kontakte aus­ zukommen, können die zur Reihenschaltung der Thermoelemente dienenden Leiterbahnen aus dem gleichen Material wie die ent­ sprechenden Kontaktflächen der Thermokontakte selbst bestehen (Anspruch 10). Dies führt zu einer Kosteneinsparung, da die An­ zahl der Masken vermindert wird und auch im weiteren Herstel­ lungsprozeß ein Fertigungsschritt wegfällt.

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 das Band verkrümmen oder verwerfen kann. Ein Thermosäulen-Strahlungsdetek­ tor mit deformierten Bändern ist aber unbrauchbar. Wählt man für eine Anordnung nach Anspruch 5 für das Band, die isolierende Schicht, die Thermokontakte und die Leiterbahnen Materialien nach den Ansprüchen 8-11 und legt man für deren Dimensionierung Abmes­ sungen nach Anspruch 12 zugrunde, so lassen sich die beiden nach­ stehend beschriebenen Effekte so weitgehend kompensieren, daß Verwerfungen oder Verkrümmungen nicht mehr auftreten.

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 Silizium Zugspannungen auftreten.

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.

Um eine flache Ausführung des Thermosäulen-Strahlungsdetektor ohne Verwerfungen zu erreichen, muß deshalb das SiO₂ so dünn wie möglich sein. Weiterhin sollten Dicke und Breite der Alumini­ umleiterbahnen so klein wie möglich sein, um die Spannungen zu minimieren.

Es ist weiterhin vorgesehen (Anspruch 13), daß die strahlungsempfangende Fläche kreisförmig ausgebildet und bis in den Bereich der Öffnungen mit einer Infrarotstrahlung gut absorbierenden Schicht, überzogen ist, um die Thermospannung zu erhöhen.

Wird die strahlungsempfangende Fläche mit einer dielektrischen Schicht zur Erhöhung der Absorption oder mit einer Antireflex­ schicht in Verbindung mit einer geeigneten Dotierung des Basis­ materials versehen (Anspruch 14), so ist es möglich, einen Ther­ mosäulen-Strahlungsdetektor mit einer wellenlängenabhängigen Em­ pfindlichkeit herzustellen. Bei einem solchen Thermosäulen-Strah­ lungsdetektor kann man dann auf eine zusätzliche Verwendung von Filtern zur selektiven Auswahl des interessierenden Wellenlängen­ bereichs der einfallenden Strahlung verzichten, was die Herstel­ lung bedeutend verbilligt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen (An­ spruch 15), 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 Paarungen von thermoelektrischen Kontakten vorhandene Temperaturabhängigkeit der Thermospannung auszugleichen.

Es ist ferner vorteilhaft, auf dem Rand des Chips zusätzlich eine elektronische Schaltung anzuordnen, die das thermoelektrische Signal verstärkt, nötigenfalls linearisiert und/oder temperatur­ kompensiert (Anspruch 16), um sehr schwache Infrarotstrahlung, die von einem entfernten Objekt emittiert wird, in ein der Tem­ peratur des Objekts proportionales elektrisches Signal mit einer Spannungshöhe in der Größe einiger Volt umzuwandeln.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thermo­ säulen-Strahlungsdetektors mit spiralförmigen Band,

Fig. 1a in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Thermosäulen-Strahlungsdetektors mit mäanderförmigem Band,

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. 3a und 3b den schematischen Verlauf der beiden auf dem Band angeordneten Leiterbahnen.

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 des Thermosäulen-Strahlungsdetek­ tors. Die Breite und die Länge des Chips 1 betragen jeweils etwa 2 mm, so daß er etwa eine Fläche von 4 mm² aufweist.

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.

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 freien Ende des Bandes 3 ist ein scheibenförmiger Körper angeformt, auf welchem durch weitere Verfahrensschritte 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 300-780 µm dicken Substrat ein beträchtlicher Anteil ent­ fernt, beispielsweise also weggeätzt ist. Das etwa 130 µm breite Band 3 ist so entlang den Einfassungen 2′, 2′′, 2′′′, 2′′′′ geführt, daß zwischen der betreffenden Einfassung und dem Band 3 ein Spalt 5 vorhanden ist.

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 einem weiteren, in Fig. 1a gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Band mäanderförmig ausgebildet sein. Wie bei einer spiralförmigen Ausbildung kommen dabei wiederum dieselben erfin­ dungswesentlichen Vorteile zum Tragen, nämlich, daß bei einer großen Länge des Bandes und gleichzeitig minimalem Platzbedarf ein Thermosäulen-Strahlungsdetektor mit einer hohen Empfindlich­ keit entsteht. Die strahlungsempfangende Fläche liegt hierbei außerhalb der Mitte des Chips, was dann von Vorteil sein kann, wenn man diese bewußt außerhalb der Symmetrieachse des Chips an­ bringen will. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn nur die außer­ halb seiner Symmetrieachse auf den Thermosäulen-Strahlungsdetek­ tor einfallende Strahlung gemessen werden soll.

In Fig. 1a sind die einander entsprechenden Elemente des Thermo­ säulen-Strahlungsdetektors mir den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der heißen Thermokontakte des Thermosäulen-Strahlungsdetektors. Über den gesamten Verlauf des Bandes 3 sind in das n-dotierte Siliziummaterial insgesamt sechs parallel zueinander verlaufende, rinnenförmige Einlagerun­ gen 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 zugewandte Ende 13 des Bandes 3 bis zur Ein­ fassung 2′ des Chips 1. Das eingelagerte, p-dotierte Silizium bildet Leiterbahnen 10b (vgl. Fig. 3b), von denen auf dem Band 3 insgesamt sechs angeordnet sind und von denen in Fig. 2 lediglich deren Enden 7 erkennbar sind.

Die Herstellung des p-dotierten Siliziums in den Einlagerungen 6 erfolgt mit bekannten Methoden, beispielsweise Diffusions- oder Ionenimplantationsverfahren.

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 Siliziumdioxid (SiO₂) angebracht ist, deren Breite etwa der Breite 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 Silizium bestehenden Leiterbahnen 10b in elektrischen Kontakt ge­ langen. 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 Leiterbahnen 10a und 10b beträgt etwa 0,6 µm, ihre Breite bzw. maximale Breite etwa 12 µm.

Schneidet man das Band 3 längs der in Fig. 1 mit B-B′ bezeichne­ ten Richtung, so erhält man ein Schnittbild, das mit dem längs der Richtung A-A′ weitgehend identisch ist und dessen Elemente ebenfalls wieder mit einem Ionen- oder einem Diffusionsverfahren erzeugt werden. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Einfassung 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 des Thermosäulen-Strahlungsdetektors.

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 der beschriebene Thermosäulen-Strahlungsdetektor sechs hintereinandergeschaltete, aus einer Kombination von p-dotiertem Silizium und Aluminium be­ stehenden Thermoelemente auf.

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 Siliziumnitrit (Si₃N₄), aufgebaut sein.

Um möglichst viel Strahlungsenergie aus der einfallenden Infra­ rot-Strahlung zu absorbieren, wird die gesamte strahlungsempfan­ gende Fläche 4 mit einer nicht dargestellten Schicht überzogen, die beispielsweise aus Ruß oder in einer anderen Ausführungsform zur wellenlängenselektiven Absorption aus einer dielektrischen Schicht oder aus dielektrischem Material besteht, welches im infraroten Strahlungsbereich antireflexive Eigenschaften auf­ weist. Weiterhin in den Figuren nicht dargestellt ist ein den Chip 1 umgebendes Gehäuse, welches mit einem Schutzgas, bei­ spielsweise Xenon, gefüllt und nach außen gasdicht verschlossen ist.

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 Materialeigenschaften 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 Sen­ sorsignal verstärkt, nötigenfalls temperaturkompensiert und/oder linearisiert.

Claims (16)

1. Thermosäulen-Strahlungsdetektor mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten und auf einem aus Silizium bestehenden Chip ausgebildeten Thermoelementen, wobei von dem ursprüng­ lich plattenförmigen Chip derart Silizium abgetragen ist, daß neben einem durch mehrere Einfassungen gebildeten Rand, der einen Körper hoher Wärmekapazität bildet, nur noch ein mit dem Rand verbundener, sich im Innern der Einfassungen er­ streckender und als Wärmewiderstand wirkender Vorsprung be­ stehen bleibt, dessen Dicke erheblich unterhalb der des Randes liegt und an dessen mit dem Rand verbundenen Ende die kalten Thermokontakte und an dessen freiem Ende die heißen Thermokontakte der Thermoelemente ausgebildet sind und eine strahlungsempfangende Fläche angeformt ist, wobei die heißen und kalten Thermokontakte durch Leiterbahnen elektrisch mit­ einander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Vorsprung als mäander- oder spiralförmig verlaufendes Band (3) ausgebildet ist.

2. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (3) im Vergleich zu den Längsabmessungen der strahlungsempfangenden Fläche (4) eine geringe Breite auf­ weist.

3. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (10a, 10b) auf dem Band (3) angeordnet sind.

4. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (3) in denjenigen Bereichen, in denen keine Leiterbahnen (10a, 10b) verlaufen, mit Löchern oder Schlitzen versehen ist.

5. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die beiden, zu einem Thermokontakt führenden Leiterbahnen (10a, 10b) auf dem Band (3) übereinander ange­ ordnet sind, wobei zwischen allen Leiterbahnen (10a, 10b) eine isolierende Schicht (9) liegt, und daß die isolierende Schicht (9) im Bereich der kalten und heißen Thermokontakte Öffnungen (8) aufweist, innerhalb derer sich die Enden (15, 7) der beiden Leiterbahnen (10a, 10b) berühren.

6. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die kalten als auch die heißen Thermokontakte einerseits dotiertes Silizium und andererseits ein Metall als thermoelektrische Materialien verwendet werden.

7. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (3) aus Silizium, Siliziumoxid (SiO₂) oder aus Siliziumnitrit (Si₃N₄) besteht.

8. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (3) aus monokristallinem, n-dotiertem Silizium besteht.

9. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoelektrische Materialien bei beiden Thermokon­ takten einerseits p-dotiertes Silizium (7) und andererseits Aluminium (15) verwendet werden.

10. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Reihenschaltung der Thermoelemente dienenden Leiterbahnen (10a, 10b) aus dem gleichen Material wie die entsprechenden Kontaktflächen (15, 7) der Thermokontakte selbst bestehen.

11. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (9) aus Siliziumdioxid (SiO₂) besteht.

12. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der isolierenden Schicht (9) etwa 0,15 µm, die Dicke der Leiterbahnen (10a, 10b) etwa 0,6 µm, deren Breite etwa 12 µm, die Dicke des Bandes (3) etwa 5 µm, dessen Breite etwa 130 µm und daß der Durchmesser der strahlungsempfangen­ den Fläche (4) etwa 500 µm beträgt.

13. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfangende Fläche (4) kreisförmig ausge­ bildet und bis in den Bereich der Öffnungen (8) derart ausgebildet ist, daß sie die auf sie auftreffende Infrarotstrahlung gut absorbiert.

14. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfangende Fläche (4) mit einer Schicht aus Ruß, mit einer absorbierenden dielektrischen Schicht oder mit einer dielektrischen Antireflexbeschichtung überzogen ist, wobei in letzterem Fall die strahlungsempfangende Fläche (4) selbst durch entsprechende Dotierung ein hohes Absorb­ tionsvermögen erhält.

15. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Temperatur des Randes (2) des Chips (1) auf einem seiner Einfassungen (2′, 2′′, 2′′′, 2′′′′) ein elektro­ nisches Bauelement angebracht ist, bei welchem sich zumindest eine Materialeigenschaft im bekannten Ausmaß mit dessen Tem­ peratur ändert.

16. Thermosäulen-Strahlungsdetektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rand (2) des Chips (1) zusätzlich eine elektro­ nische Schaltung angeordnet ist, die das thermoelektrische Signal verstärkt, nötigenfalls linearisiert und/oder tempera­ turkompensiert.