DE4105591C1 - IR sensor in the form of pyroelectric detector - has silicon@ substrate with pyroelectric sensor film metallise to a pattern - Google Patents
IR sensor in the form of pyroelectric detector - has silicon@ substrate with pyroelectric sensor film metallise to a patternInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Infrarotsensor aus dünnem pyroelektrischem Material, insbesondere aus einer Folie auf Polymer-Basis zur Erfassung von flächenhaft auf eine Oberfläche auftreffende Wärmestrahlung.The invention relates to an infrared sensor made of thin pyroelectric Material, in particular from a polymer-based film for detection heat radiation that strikes a surface.
Aus der DE 36 33 286 A1 ist ein Matrixsensor zur Detektion von Infrarot strahlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Die Elektroden sind bei diesem Matrixsensor von Streifen auf gegenüberliegenden Ober flächen gebildet.DE 36 33 286 A1 describes a matrix sensor for the detection of infrared radiate known according to the preamble of claim 1. The electrodes are in this matrix sensor from stripes on opposite upper surfaces formed.
Aus der DE 34 25 377 A1 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt, bei der metallisierte Bereiche mit einem Gate verbunden sind.A similar device is known from DE 34 25 377 A1, in which metallized areas are connected to a gate.
Ein weiterer Stand der Technik, der sich mit Strahlungsdetektoren in Form von Dünnfilmen auf Polymer-Basis befaßt, ist den Druckschriften DE 36 33 199 A1 und US 49 06 849 A zu entnehmen.Another state of the art that deals with radiation detectors in Forms of polymer-based thin films is the subject of the publications DE 36 33 199 A1 and US 49 06 849 A.
Bei bekannten Sensoren besteht vor allem das Problem, daß die empfangene Infrarotstrahlung in einer, wenn auch relativ dünnen Schicht, absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Vorhandene abbildende Sensoren sind z. B. über eine Löt-Pump-Technik mit dem die Ausleseschaltung enthaltenden Substrat verbunden. Nachteilig ist dabei insbesondere, daß die starke thermische Kopplung mit dem Substrat die Sensorempfindlichkeit beein trächtigt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Substrat selbst - wie im Falle eines Siliziumsubstrats - ein Material relativ hoher Wärmeleit fähigkeit ist.In known sensors, the main problem is that the received one Infrared radiation is absorbed in a layer, albeit a relatively thin one and is converted into heat. Existing imaging sensors are e.g. B. via a soldering pump technique with the one containing the readout circuit Substrate connected. A particular disadvantage is that the strong thermal coupling with the substrate affects sensor sensitivity is pregnant. This is especially true if the substrate itself - like in the case of a silicon substrate - a material of relatively high thermal conductivity ability is.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, Substratmaterial und Sensormate rial thermisch möglichst weitgehend zu entkoppeln, auf chemisches Ätzen, wenn nicht nötig, zu verzichten und nicht zuletzt einen Infrarotsensor zu schaffen, der eine integrierte Auslese- bzw. Auswerteschaltung zum Erfassen und Auswerten von flächenhaft auf einer Oberfläche auftretender Wärmestrahlung aufweist, insbesondere in Form eines Sensorarrays. The object of the present invention is substrate material and sensor formats rial thermally as far as possible to decouple, on chemical etching, if not necessary to do without and last but not least an infrared sensor to create an integrated readout or evaluation circuit for Acquisition and evaluation of areas occurring on a surface Has heat radiation, in particular in the form of a sensor array.
Die Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 1 enthalten und es ist festzuhal ten, daß sich aus dieser Lösung hervorragende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben. Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen enthalten sowie in der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen.The solution to the problem is contained in claim 1 and it is to be noted ten that this solution has excellent advantages over the State of the art. Training and further developments of the invention included in further claims as well as in the description and drawing of embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1a ein Halbleitersubstrat mit damit verbundener pyroelektrischer Sensorfolie im Querschnitt, Fig. 1a, a semiconductor substrate with associated pyroelectric sensor film in cross section,
Fig. 1b eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1a, FIG. 1b shows a top view of the arrangement according to Fig. 1a,
Fig. 2a ein Halbleitersubstrat mit Gate-Metallisierung, Fig. 2a, a semiconductor substrate with gate metallization,
Fig. 2b ein dünnes pyroelektrisches Material mit vertiefter Strukturie rung, Fig. 2b a thin pyroelectric material with recessed structuring tion,
Fig. 3a ein Halbleitersubstrat mit metallisierten Bereichen (Kontakten), Fig. 3a, a semiconductor substrate having metallized areas (contacts),
Fig. 3b ein Pyroelektrikum mit erhabener Metallisierung und/oder -struk turierung in zu den Kontaktbereichen der Metallisierung des Sub strats korrespondierendem, also genau passendem, Muster, FIG. 3b is a pyroelectric element with raised metallization and / or -struk turing in the contacting regions of the metallization of the sub strats Corresponding, exactly matching, pattern,
Fig. 4a eine Metallisierung und/oder Strukturierung (erhaben) auf einem Substrat und FIG. 4a, a metallization and / or structuring (raised) on a substrate and
Fig. 4b eine schichtweise in Maskentechnik aufgebrachte Metallisierung im gleichen Muster wie auf dem Substrat. FIG. 4b is a layer-wise applied in mask technique metallization in the same pattern as on the substrate.
Bei der Erfindung ist im Gegensatz zum eingangs erwähnten Stand der Technik mit Sensoren auf Siliziumsubstrat oder anderen Halbleiterdetek toren mit zwei solcher Siliziumscheiben übereinander ein Verzicht auf chemisches Ätzen möglich, wenn pyroelektrische Detektormaterialien, ins besondere auf Polymerbasis, verwendet werden, wie Fig. 1a und Fig. 1b zeigen, nämlich eine an sich bekannte Polyvinylidenfluoridfolie (PVDF). PVDF-Folien sind bekannt aus "Siemens Forschungs- und Entwicklungsbe richte", Bd. 15, Nr. 3, Seite 105 (1986). Die Folie ist in einer Halte rung über Stecker mit einer Auswerteschaltung auf einer gesonderten Pla tine verbunden. Auch dies bringt die oben erwähnten Nachteile einer thermischen Kopplung bei diesem Stand der Technik.In the invention, in contrast to the aforementioned prior art sensors on silicon substrate or other Halbleiterdetek is tors with two such silicon wafers above one another to dispense with chemical etching possible if pyroelectric detector materials are in particular based on polymers used as shown in Fig. 1a and . 1b show, namely, a known polyvinylidene fluoride (PVDF). PVDF films are known from "Siemens Research and Development Reports", Vol. 15, No. 3, page 105 (1986). The film is connected in a holder via a connector to an evaluation circuit on a separate circuit board. This also brings the above-mentioned disadvantages of thermal coupling in this prior art.
Erfindungsgemäß wird dagegen die Folie nach einem gewählten Muster me tallisiert und mit einem Substrat, das auf einer Seite Ausleseelektroden aufweist, so verbunden, daß nur die metallisierten Bereiche (Gate-Berei che) des Substrats mit Teilen der metallisierten Bereiche der Folie di rekt oder indirekt (über Zwischenschichten) in Kontakt stehen. Dabei schaffen die Strukturierungen bzw. die Formgebung des Sensormaterials bzw. die Metallisierungen einen bestimmten Abstand zwischen Sensormate rial und Substrat. Ein solcher kann gewählt werden durch die Schicht dicke beim Herstellungsverfahren der Strukturierung und/oder durch ge eignete Formgebung des Sensormaterials. Hierfür sind bekannte Dünn- und Dickschichttechniken, wie Aufdampfen (Sputtern) usw. mit Vorteil anwend bar. Teile der metallisierten Bereiche sind als Kontakte vorgesehen, die es zu verbinden gilt. Diese Kontaktstellen sind jedoch in ihrer räumli chen Ausdehnung im Verhältnis zur Detektorfläche so gering, daß man von einer thermischen Entkopplung bei der Erfindung sprechen kann. Metalli sierungs- und Strukturierungsverfahren können mit Vorteil ebenfalls be kannter und bewährter Art sein, insbesondere solche der Photolitho graphie (LIGA-Verfahren), Photoätztechniken und anderer Verfahren der Maskentechnik und Musterherstellung bzw. -strukturierung. Als Verbin dungstechniken sind Kleben, Bonden usw. geeignet.In contrast, according to the invention, the film is me according to a selected pattern tallized and with a substrate that read electrodes on one side has, so connected that only the metallized areas (gate area che) of the substrate with parts of the metallized areas of the film di are in direct or indirect contact (via intermediate layers). Here create the structuring or the shape of the sensor material or the metallizations a certain distance between the sensor format rial and substrate. Such can be chosen by the layer thickness in the manufacturing process of structuring and / or by ge suitable shaping of the sensor material. Known thin and Thick film techniques, such as evaporation (sputtering), etc. can be used with advantage bar. Parts of the metallized areas are provided as contacts that it has to be connected. However, these contact points are in their spatial Chen expansion in relation to the detector area so small that one of can speak of a thermal decoupling in the invention. Metalli sierungs- and structuring can also be advantageous be known and proven type, especially those of the photolitho graphics (LIGA process), photoetching techniques and other processes of Mask technology and pattern production or structuring. As a verb Manure techniques are suitable for gluing, bonding, etc.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die integrierte Auslesung der Meßsignale des Sensors auf einem Chip, insbesondere die integrierte Sig nalauswertung auf einem einzigen Chip, sogenannte intelligente Sensoren, siehe "Elektronik"-Heft 9 vom 29.04.1988, Seiten 112 bis 117. Selbstver ständlich kann die Erfindung auch für Infrarotsensoren mit integriertem A/D-Wandler und digitalem Signalausgang zum direkten Anschluß an Mikro prozessoren oder Mikrocontroller (MP oder MC) angewandt werden.A major advantage of the invention is the integrated reading of the Measuring signals of the sensor on a chip, especially the integrated Sig nal evaluation on a single chip, so-called intelligent sensors, see "Electronics" booklet 9 of April 29, 1988, pages 112 to 117. Self ver Of course, the invention can also be used for infrared sensors with integrated A / D converter and digital signal output for direct connection to microphones processors or microcontrollers (MP or MC) can be used.
Die das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 1a zeigt, wird ein Halbleitersubstrat, hier ein Siliziumsubstrat 1, mit einer Sensorfolie aus pyroelektrischem Material 2 verbunden. Hier durch Klebung an Stellen 3 zur Verbindung mit Elektroden, insbesondere Gate-Elektroden, die durch Metallisierung nach den o.g. Techniken auf dem Substrat aufgebracht sind. Die Elektroden haben das Bezugszeichen 4 und sind ihrerseits mit Elektroden oder Metallisierungen 5 der Sensorfolie 2 verbunden.The invention according to the embodiment of Fig. 1A shows, a semiconductor substrate, herein a silicon substrate 1, connected to a sensor film of pyroelectric material 2. Here by gluing at points 3 for connection to electrodes, in particular gate electrodes, which are applied to the substrate by metallization according to the abovementioned techniques. The electrodes have the reference symbol 4 and are in turn connected to electrodes or metallizations 5 of the sensor film 2 .
Wie Fig. 1b zeigt, sind die Metallisierungsbereiche 5 auf den Sensorfo lien größer als die Kontaktbereiche auf den metallisierten Elektroden 4 des Substrats 1 und, wie Fig. 1b weiter zeigt, quer zu diesen angeordnet in einem Rastermaß, also matrixförmig oder insgesamt ein Sensorarray bildend, wobei die Gate-Elektroden 4 korrespondieren mit den hierzu ge nau passenden Metallisierungsbereichen 5 der Sensorfolie 2. Die Sensor folie ist sehr dünn, z. B. 10 µm dick und das verwendete Substrat 1 ent hält die Ausleseschaltung integriert (in Fig. 1a rechts) im folgenden der Deutlichkeit halber nicht dargestellt. Die Gate-Bereiche 4 der Impe danzwandlertransistoren liegen als Metallisierungen frei und die übrigen Bereiche dazwischen sind passiviert bzw. durch eine weitere Metallage auf dem Substrat 1 abgeschirmt. Infrarotstrahlung aus dem Substrat kann somit nicht zum Sensor gelangen. Die Sensorfolie 2 ist, wie Fig. 1a zeigt, in gewellter Form vorliegend. In diese Form wird sie mittels einer Hilfsvorrichtung (Presse oder dgl.) vor dem Verbinden gebracht. Beim Verbinden werden die Metallisierungen so gelegt, daß nach Einjustieren der Kontakte jeder Gate-Kontakt 4 auf dem Substrat genau passend mit einem gegenüberliegenden Metallisierungskontaktbereich 5 der Folie 2 verbunden wird. Das Verbinden kann durch Leitkleber oder andere Verfahren mittels Druck und/oder Wärme erfolgen.As FIG. 1b shows, the metallization areas 5 on the sensor foils are larger than the contact areas on the metallized electrodes 4 of the substrate 1 and, as FIG. 1b further shows, arranged transversely to them in a grid dimension, that is to say in the form of a matrix or overall forming a sensor array , with the gate electrodes 4 corresponding to the metallization regions 5 of the sensor film 2 which are exactly suitable for this. The sensor film is very thin, e.g. B. 10 microns thick and the substrate 1 used ent holds the readout circuit integrated (in Fig. 1a right) not shown below for the sake of clarity. The gate regions 4 of the impedance transducer transistors are exposed as metallizations and the remaining regions in between are passivated or shielded by a further metal layer on the substrate 1 . Infrared radiation from the substrate cannot reach the sensor. As shown in FIG. 1a, the sensor film 2 is present in a corrugated form. It is brought into this form by means of an auxiliary device (press or the like) before the connection. When connecting, the metallizations are placed in such a way that, after the contacts have been adjusted, each gate contact 4 on the substrate is connected to an opposite metallization contact region 5 of the film 2 in a precisely fitting manner. The connection can be made by conductive adhesive or other methods using pressure and / or heat.
Eine Möglichkeit der Verbindung besteht nun mit einem pyroelektrischen Material durch kapazitive Kopplungen im Bereich der Gate-Elektroden und Verwendung einer dünnen isolierenden Gate-Beschichtung 6. Nach Herstel lung der Verbindung wird das auf der Oberseite in Fig. 1a auf die Sen sorfolie 2 drückende Preßwerkzeug entfernt und es entsteht der Quer schnitt nach Fig. 1a mit gewelltem Sensor. Die Metallisierung auf der dem Substrat abgewandten Seite sowie die zur Absorption der infraroten Strahlung erforderliche Schwärzung kann vor oder nach dem Aufbringen auf das Substrat erfolgen. Gleiches gilt für die elektrische Polarisierung der Folie, d. h. die Aufbringung der elektrischen Anschlüsse. Selbstver ständlich kann auch noch eine Kapselung oder sonstige Abschirmung gegen Störeinflüsse von außen die Anordnung wenigstens teilweise umgeben oder kapseln. Die Anschlüsse müssen dann dicht durch eine solche Kapselung nach außen geführt werden, wenn Steuer- oder Regelfunktionen der elek tronischen Signalauswertung folgen sollen, z. B. in einem MP oder MC. One possible connection is now with a pyroelectric material through capacitive couplings in the region of the gate electrodes and use of a thin insulating gate coating 6 . After the connection has been made, the pressing tool on the top in FIG. 1a on the sensor foil 2 is removed and the cross section according to FIG. 1a is formed with a corrugated sensor. The metallization on the side facing away from the substrate and the blackening required for absorption of the infrared radiation can take place before or after application to the substrate. The same applies to the electrical polarization of the film, ie the application of the electrical connections. Of course, encapsulation or other shielding against interference from the outside can at least partially surround or encapsulate the arrangement. The connections must then be tightly guided through such encapsulation to the outside if control or regulating functions of the electronic signal evaluation are to follow, e.g. B. in an MP or MC.
In Fig. 2a ist ein Substrat 1 mit darauf aufgebrachter - erhabener - Me tallisierung 4 in Form von Gate-Elektroden dargestellt und Fig. 2b zeigt ein dünnes pyroelektrisches Material 2 mit korrespondierenden Metalli sierungen 5, ähnlich wie in Fig. 1b, jedoch mit dem Unterschied, daß die metallisierten Kontakte 4 und 5 direkt und ohne Klebung miteinander ver bunden werden, z. B. mittels Druck und/oder Wärme durch Bonden. Das pyro elektrische Material 2 mit der zu den Metallisierungen des Substrats 1 passenden Metallisierungen 5 ist jedoch von etwas größerer Dicke als im Beispiel der Fig. 1 und die metallisierten Bereiche 5 weisen zwischen sich Strukturierungen in Form von Vertiefungen 7 auf, die auf mechani schem oder auf chemischem Wege hergestellt werden. Dabei ist anwendbar z. B. das Strukturieren feiner Gruben oder ein Ätzverfahren wie bei Halb leitern oder anderem Kristall angewandt.In Fig. 2a, a substrate 1 is applied with - raised - Me tallization 4 in the form of gate electrodes and Fig. 2b shows a thin pyroelectric material 2 with corresponding metallizations 5 , similar to Fig. 1b, but with the Difference that the metallized contacts 4 and 5 are connected directly and without gluing together, z. B. by means of pressure and / or heat by bonding. However, the pyroelectric material 2 with the metallizations 5 matching the metallizations of the substrate 1 is of somewhat greater thickness than in the example in FIG. 1 and the metallized regions 5 have structures in the form of depressions 7 between them, which are based on mechanical or mechanical means are manufactured chemically. It is applicable for. B. the structuring of fine pits or an etching process as applied to semiconductors or other crystal.
In Fig. 3a werden Substrate gleich oder ähnlich wie in Fig. 2a verwendet mit erhaben metallisierten Bereichen und darüber gemäß Fig. 3b ein Pyroelektrikum mit erhabener Metallisierung 5 nach vorgegebenem Muster oder vorgegebener Strukturierung 3, wie bei dem pyroelektrischen Material 2 nach Fig. 2b, jedoch ohne die dort vorhandenen mikromechanisch oder chemisch hergestellten Gruben zwischen den Metallisierungsbereichen.In FIG. 3a substrates are used in the same way or similarly as in FIG. 2a with raised metallized areas and above that according to FIG. 3b a pyroelectric with raised metallization 5 according to a predetermined pattern or structured 3 , as in the pyroelectric material 2 according to FIG. 2b, however, without the micromechanically or chemically produced pits between the metallization areas.
In Fig. 4a ist ein Substrat 1 mit darauf aufgebrachter Metallisierung und zusätzlicher Strukturierung darüber in Mehrschichttechnik übereinan der mit Zwischen- und/oder Deckschichten 8, 9 zur Verbindung mit der Me tallisierung als Dünn- oder Dickschicht 5 in gewissen Bereichen nach vorgewähltem Muster oder Strukturierung auf dem Pyroelektrikum 2 verbun den, bevorzugt nach einer der Methoden nach Fig. 2 oder Fig. 3.In Fig. 4a is a substrate 1 with metallization applied thereon and additional structuring above it in multi-layer technology with the intermediate and / or cover layers 8 , 9 for connection to the metalization as thin or thick layer 5 in certain areas according to a selected pattern or structuring on the pyroelectric 2-jointed preferably by one of the methods of FIG. 2 or FIG. 3.
Abwandlungen und Kombinationen der dargestellten und beschriebenen Aus führungsbeispiele sind im Rahmen der Ansprüche ohne weiteres vom Fach mann durchführbar, ohne hierdurch die Erfindung zu verlassen.Modifications and combinations of the illustrated and described Aus Management examples are within the scope of the claims without further ado from the subject man feasible without thereby leaving the invention.
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