DE4239330A1

DE4239330A1 - Pyrodetektorelement

Info

Publication number: DE4239330A1
Application number: DE4239330A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Bruchhaus; Bertram Pachaly
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-11-23
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1994-05-26

Description

Ein Pyrodetektor besteht aus einer Detektorschicht aus py roelektrischem Material, die beidseitig oben und unten mit einer Elektrode beschichtet ist. Als pyroelektrisches Materi al werden beispielsweise Bleizirkonattitanate (PZT) vorzugs weise Bleititanat oder organische Pyroelektrika wie Polyviny lidenfluorid (PVDF) verwendet. In einem starken elektrischen Feld können pyroelektrische Materialien dauerhaft polarisiert werden.

Durch Absorption von infraroter Strahlung in einem Pyrodetek tor kommt es zu einer Temperaturerhöhung, die eine Änderung der Polarisation des pyroelektrischen Materials bewirkt, so daß zwischen beiden Elektroden eine Spannung abgegriffen wer den kann. Damit diese Spannung in einem IR-Detektor zu einem Meßsignal führt, muß sie verstärkt werden. Gewünscht ist da bei eine möglichst hohe Spannung, die mit abnehmender Permit tivität steigt. Gleichzeitig soll dabei aber ausreichend Strom fließen, was eine ausreichend hohe Kapazität des Detek torelements erfordert. Diese wiederum ist direkt proportional zur Permittivität und zur Fläche des Detektorelements.

Bei der Integration mehrerer solcher Detektoren zum Beispiel zu einem Array sollte jedes Element eine möglichst kleine Fläche einnehmen, um die Gesamtgröße des Detektors zu mini mieren und damit die Kosten zu senken. Da zur sicheren Detek tion einer IR-Strahlung vom Detektorelement eine ausreichend große Menge Signalladung an den Verstärker (zum Beispiel ei nen Feldeffekttransistor) abgegeben werden muß, läßt sich die aktive Fläche eines Detektorelements nicht beliebig verklei nern. Für diese sogenannte Impedanzanpassung des Detektors an den Verstärker ist es erforderlich, daß die Kapazität des De tektors zumindest so groß ist wie die Kapazität des Verstär kers.

Eine für ein Detektorarray wünschenswerte Flache eines Ein zeldetektors ist etwa 50 × 50 µm². Solch eine kleine Fläche des Einzeldetektors läßt sich höchstens mit einem keramischen Pyroelektrikum wie PZT realisieren, weil einerseits dessen Pyrokoeffizient groß ist und damit viel Signalladung vorhan den ist, andererseits diese Materialien gleichzeitig eine große Permittivität besitzen und damit die Kapazität des Einzeldetektors etwa an diejenige des Verstärkers angepaßt ist. Für eine optimierte Impedanzanpassung ist bei einer Ein zeldetektorfläche von 50 × 50 µm² auch bei keramischem Py roelektrikum aus PZT die Verwendung eines neuen Aufbaus notwendig.

PVDF dagegen besitzt einen viel kleineren Pyrokoeffizienten und eine wesentlich geringere Permittivität als PZT, so daß zu wenig Signalladung vorhanden ist und zusätzlich die Kapa zität des Detektorelementes so klein ist, daß kein verstärk bares Meßsignal mehr erhalten wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Pyrode tektorelement anzugeben, welches mit einer geringeren Ober fläche zu einem auswertbaren Meßsignal führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Pyrode tektorelement nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine bevorzugte Verwendung sind den Unteran sprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Pyrodetektorelement zeigt einen Effekt entsprechend einem sehr großen Kondensator, der n mal gefal tet wurde. Sämtliche in den Detektorschichten erzeugten La dungen addieren sich konstruktiv. Die effektive Gesamtdetek torfläche des Pyrodetektorelements entspricht somit annähernd dem n-fachen der Oberfläche eines Einzeldetektors. Bei rela tiv geringer Oberfläche des Pyrodetektorelements bzw. bei re lativ geringem Flächenbedarf wird so die effektive Fläche des Detektorelements vervielfacht, wobei gleichzeitig die Kapa zität ansteigt. So läßt sich auch aus einem pyroelektrischen Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante (Permitti vität) ein Detektorelement mit relativ kleiner Oberfläche verwirklichen, was mit Detektoren bekannter Bauart nicht möglich war. Auch ein Detektorarray hoher Auflösung bei gleichzeitig relativ geringem Flächenbedarf läßt sich so erzeugen, was für bildgebende Verfahren von besonderem Vor teil ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der durch die Mehr schichtstruktur erhöhten thermischen Masse bzw. der erhöhten Wärmekapazität des Detektorelements. Dadurch wird dieses we niger anfällig gegen "thermisches Rauschen". Bei bekannten Detektorelementen war dies bislang nur durch eine aufwendige thermische Isolation oder durch eine Erhöhung der Schicht dicken zu erreichen. Letztere ist aber wegen der parallel da zu fallenden Kapazität des Detektorelements nur beschränkt möglich.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich bei Verwendung von polykristallinem pyroelektrischen Material, zum Beispiel bei PZT. Die unterste Detektorschicht kann unabhängig von ih ren pyroelektrischen Eigenschaften auf ihre kristallographi sche Orientierung hin optimiert werden. Zusammen mit der dar überliegenden Elektrodenschicht kann sie dann als Puffer schicht für das Aufwachsen von hochwertigen weiteren Detek torschichten dienen. Diese können besser polarisiert werden und zeigen dann ein besseres Ansprechverhalten bei der Ab sorption von Wärmestrahlung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und der dazugehörigen zwei Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen vielschichtigen Pyrodetektorelements, während

Fig. 2 im Querschnitt die Realisierung eines zweischichtigen erfindungsgemäßen Detektorelements zeigt.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Pyrodetektorelement mit vier Detektorschichten DS und den dazugehörigen fünf Elektro denschichten ES. Die erste Detektorschicht DS1 ist zwischen der ersten Elektrodenschicht ES1 und der zweiten Elektroden schicht ES2 angeordnet und bildet zusammen mit diesen einen ersten Einzeldetektor. Der Pfeil in der Detektorschicht sym bolisiert die Polarisationsrichtung. Die zweite Detektor schicht DS2 ist zwischen der zweiten Elektrodenschicht ES2 und der dritten Elektrodenschicht ES3 angeordnet. Die Polari sationsrichtung der zweiten Detektorschicht DS2 ist derjeni gen von DS1 entgegengesetzt. Der weitere Schichtaufbau folgt diesem Schema mit einer dritten Detektorschicht D3, einer vierten Elektrodenschicht ES4, einer vierten Detektorschicht DS4 und der fünften Elektrodenschicht ES5. Von DS2 nach DS3 und von DS3 nach DS4 ändert sich jeweils die Polarisations richtung.

Zur elektrischen Parallelverschaltung der Einzeldetektoren des Pyrodetektorelements werden die jeweiligen Elektroden schichten elektrisch leitend miteinander verbunden, also je weils die ungeradzahligen Elektrodenschichten ES1, ES3 und ES5 miteinander, sowie die geradzahlige Elektrodenschicht ES2 mit ES4. An beliebigen Stellen der beiden Anschlüsse läßt sich nun die beim Betrieb des Pyrodetektorelements erzeugte Pyrospannung U abgreifen und zu einem Verstärker (nicht dar gestellt) leiten. Die Pyrospannung des hier dargestellten vierschichtigen Pyrodetektorelements entspricht der Pyrospan nung eines entsprechenden Einzeldetektors, wohingegen sich die erzeugten Ladungen und somit der Strom der vier Einzel detektoren addieren und dabei ein gut meß- und verstärkbares Signal ergeben.

Die Anzahl n der Detektorschichten DS und damit die Anzahl der Einzeldetektoren eines erfindungsgemäßen Pyrodetektorele ments kann einen beliebigen Wert größer gleich 2 annehmen und ist nach oben nur durch den steigenden Herstellungsaufwand begrenzt. Ein funktionsfähiges erfindungsgemäßes Pyrodetek torelement wird bereits mit zwei Detektorschichten erhalten. Mit jeder zusätzlichen Detektorschicht bzw. mit jedem weite ren Einzeldetektor erhöht sich die Kapazität und somit der aufgrund der Pyrospannung U fließende Strom, der das Meßsi gnal ergibt. Wegen der geringen Dicke der Detektorschichten von üblicherweise ca. 1 um (oder mehr als 0,5 µm) wird auch noch in "tieferen" Detektorschichten, die der Strahlungsein fallsseite des Detektorelements abgewandt sind, einfallende IR-Strahlung absorbiert, so daß auch diese tiefer liegenden Detektorschichten bzw. Einzeldetektoren zum Meßsignal bei tragen können.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Pyrodetektorelements bzw. die Erzeugung von Elektrodenschichten ES und Detektor schichten DS erfolgt nach bekannten Dünnschichtverfahren wie CVD, PECVD, MOCVD, Sputtern, Aufdampfen usw. Werden für die Detektorschichten keramische pyroelektrische Materialien ver wendet, so ist die kristallographische Orientierung bzw. eine geordnete Struktur wichtig. Daher wird die Abscheidung von Elektroden- und Detektorschichten vorzugsweise über einkri stallinen Substraten vorgenommen. Direkt auf dem Substrat wird zunächst eine Elektrodenschicht erzeugt, die ihrerseits für das Aufwachsen der keramischen Detektorschicht als Puf ferschicht dienen kann und das geordnete Aufwachsen der kera mischen Detektorschicht begünstigt.

Geeignete Substrate für Detektorschichten aus PZT-Material sind beispielsweise einkristallines Silizium oder einkri stallines Magnesiumoxid. Auch andere hochgeordnete Substrate können verwendet werden, gegebenenfalls in Verbindung mit weiteren Pufferschichten. Beispielsweise kann eine Magnesiu moxidpufferschicht über einem Galliumarsenidsubstrat ein für das Aufwachsen einer hochwertigen Detektorschicht geeignetes Substrat ergeben.

Die Elektrodenschichten werden in einer Stärke von ca. 100 nm aufgebracht, während die Detektorschichten in einer Dicke von zumindest 1 Bin erzeugt werden. Bei einer Dicke von unterhalb 1 um kommt es zu einem "Rauschen" des Detektors, so daß ein ungünstiges Signal/Rauschverhältnis erhalten wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Detektor schicht bezüglich der Zusammensetzung modifiziert, um unab hängig von den pyroelektrischen Eigenschaften ausschließlich die Kristallstruktur zu optimieren, bzw. eine hochgeordnete polykristalline Struktur zu erzielen. Diese kann dann als Pufferschicht für weitere Elektroden- und Detektorschichten dienen, über der optimale pyroelektrische Schichten erzeugt werden können.

Prinzipiell können die einzelnen Elektroden- und Detektor schichten deckungsgleich übereinander abgeschieden werden, jedoch ist es für die Kontaktierung und Isolierung der Elek trodenschichten vorteilhaft, die Fläche der einzelnen Schich ten in Stapelrichtung zu verringern. Dies kann kontinuierlich erfolgen, wenn zumindest eine Seitenfläche des Stapels, der das Pyrodetektorelement bildet, abgeschrägt wird. Möglich ist es auch, einen stufenartigen Aufbau zu erzeugen, der ein be quemes Kontaktieren der Elektrodenschichten von oben ermög licht. Die Erzeugung der Stufen oder der zumindest einen ab geschrägten Seitenwand des stapelförmigen Pyrodetektorele ments kann Schritt für Schritt mit oder nach Abscheidung je der einzelnen Einzelschicht, oder abschließend nach Erzeugung sämtlicher Schichten vorgenommen werden.

Die Strukturierung kann für jedes einzelne Pyrodetektorele ment vorgenommen werden, wird aber bei Herstellung eines Py rodetektorarrays integriert für sämtliche Pyrodetektorele mente des Arrays zusammen durchgeführt.

Wird ein monokristallines Siliziumsubstrat verwendet, so kann die Herstellung, Isolierung und elektrische Kontaktierung ei nes oder mehrerer Pyrodetektorelemente integriert erfolgen. In vorteilhafter Weise lassen sich so auch die zur Verstär kung des Meßsignals erforderlichen Verstärkerelemente, bei spielsweise Feldeffekttransistoren, auf dem Siliziumsubstrat integrieren.

Wenn sämtliche Elektrodenschichten eines Pyrodetektorelemen tes elektrisch kontaktiert sind, wird die Polarisation der Detektorschichten in einfacher Weise durch das Anlegen einer Polungsspannung bzw. eines elektrischen Polungsfeldes an die erfindungsgemäß verschalteten Elektrodenschichten ES erzeugt. Dabei ist darauf zu achten, daß die Feldstärke unterhalb der Durchbruchfeldstärke jedes einzelnen Einzeldetektors gewählt wird. Bei einer angenommenen Schichtdicke der Detektorschich ten von ca. 1 µm ist eine Polarisationsfeldstärke von ca. 50 kV/cm ausreichend.

Zur thermischen Isolation des Pyrodetektorelements gegen das Substrat wird die unterste Elektrodenschicht vorzugsweise un terätzt, um die Kontaktfläche zwischen Substrat und Pyrode tektorelement zu minimieren.

Zur besseren Absorption von Wärmestrahlung kann über der obersten Elektrodenschicht des Pyrodetektorelements eine Ab sorptionsschicht erzeugt werden. Dies kann beispielsweise eine Goldschwarzschicht sein.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs gemäßen Pyrodetektorelements mit zwei Detektorschichten (DS1, DS2). Auf einer Seite ist das Pyrodetektorelement abge schrägt, was das Aufbringen einer Isolationsschicht IS und das Verschalten der ersten Elektrodenschicht ES1 mit der dritten Elektrodenschicht ES3 oberhalb der Isolationsschicht IS durch eine Verbindungsleitung VL erleichtert. Die andere Seite weist eine Stufe auf, auf der die Elektrodenschicht ES2 über eine Anschlußleitung AL2 elektrisch kontaktiert ist. Die Anschlußleitung AL1 der mit der Elektronenschicht ES3 verbun denen untersten Elektrodenschicht ES1 und die Anschlußleitung AL2 werden auf oder in das Substrat S geleitet, wo sich ein entsprechendes Verstärkerelement, zum Beispiel ein FET be finden kann. Unterhalb der untersten Elektrodenschicht ES1 ist das Substrat unterätzt (siehe Pfeile UA), um eine mög lichst geringe Wärmebrücke zu bilden bzw. um das Pyrodetekto relement thermisch gegen das Substrat zu isolieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Pyrodetektorelement läßt sich ein Pyrodetektorarray realisieren, dessen Detektorelemente eine Oberfläche von zum Beispiel 50 × 50 µm² besitzen und für das ein pyroelektrisches Material mit niedriger Permittivität verwendet wird. PVDF besitzt beispielsweise eine Dielektrizi tätskonstante ε_r von ca. 10. Die Kapazität C eines Detekto relements rechnet sich nach der Formel

wobei A die Fläche des Detektorelements und d die Dicke der Detektorschicht ist. Nach dieser Formel bestimmt sich die Kapazität des Pyrodetektorelements mit der angege benen Fläche zu 0,25 pF. Da die Kapazität C des Detektorele ments jedoch größer als die des Vorverstärkers sein soll, welche im Bereich von größer gleich 1 pF liegt, kann ein funktionsfähiges Pyrodetektorelement nach der Erfindung mit beispielsweise vier Detektorschichten aus PVDF erzeugt wer den. Die Erfindung ist daher insbesondere für pyroelektrische Materialien mit niedriger Permittivität geeignet. Daraus her gestellte Detektorarrays lassen sich beispielsweise für Ver kehrsleitsysteme, Objekterkennung, Objektsicherung sowie für Videokameras einsetzen. Gegenüber entsprechenden Halbleiter bauelementen absorbieren Pyrodetektoren über einen größeren Spektralbereich und sind daher insgesamt empfindlicher.

Claims

1. Pyrodetektorelement mit folgenden Merkmalen:

- n Einzeldetektoren sind in Form eines Stapels übereinander angeordnet
- jeweils zwischen zwei pyroelektrischen Detektorschichten ist nur eine, beiden Einzeldetektoren gemeinsame Elektro denschicht angeordnet
- die Polarisationsrichtung der Detektorschichten alterniert im Stapel von einem Einzeldetektor zum direkt benachbarten
- bei den durchgehend von 1 bis n + 1 durchnumerierten Elek trodenschichten sind jeweils die geradzahligen bzw. die ungeradzahligen Elektrodenschichten miteinander verschal tet, so daß sich eine Parallelverschaltung der Einzeldetek toren ergibt
- n ist eine ganze Zahl und größer gleich 2.

2. Pyrodetektorelement nach Anspruch 1, bei dem die Elektrodenschichten aus Platin sind.

3. Pyrodetektorelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material aus dem System Bleizirkonattitanat aus gewählt ist.

4. Detektorelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material der Detektorschicht Polyvinylidendifluo rid ist.

5. Detektorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dicke einer Detektorschicht zumindest 0,5 um be trägt.

6. Pyrodetektorelement nach einem der vorangehenden Ansprü che, welches mit einer Vielzahl weiterer Pyrodetektorelemente zu einem Pyrodetektorarray angeordnet ist.

7. Verwendung des Pyrodetektorelements in einem Pyrodetektor array für ein bildgebendes Verfahren.