DE602004009980T2

DE602004009980T2 - Vorrichtung zum Detektieren von Infrarotstrahlung

Info

Publication number: DE602004009980T2
Application number: DE602004009980T
Authority: DE
Inventors: Theodore J. Krellner; Insik Kim; Hunnam Lim; Kyurull Jang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: EP1464933B1; ATE378578T1; US20040187904A1; JP2004361386A; EP1464933A3; DE602004009980D1; ES2295779T3; JP5016182B2; EP1464933A2

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Detektion von Infrarotstrahlung und im Besonderen eine Detektion von Infrarotstrahlung mittels Thermosäulen.
Eine Thermosäule ist eine seriell miteinander verschaltete Matrix von Thermoelementen, wobei jedes Thermoelement durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien gebildet wird. Die Thermoelementmatrix ist über den heißen und kalten Bereiche einer Konstruktion angeordnet, und die heißen Verbindungen sind von den kalten Verbindungen thermisch isoliert. Die kalten Verbindungen sind gewöhnlich auf einem Siliziumsubstrat angeordnet, um eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr zu erlauben, während die heißen Verbindungen über einer dünnen Membran ausgebildet sind, die die heißen Verbindungen effizient von den kalten Verbindungen thermisch isoliert. In dem heißen Bereich ist ein schwarzer Körper angeordnet, um Infrarotenergie zu absorbieren, so dass sich die Temperatur in Abhängigkeit von der Intensität der einfallenden Infrarotenergie erhöht. Thermosäulen weisen eine stabile Antwort auf DC-Strahlung auf, sind unempfindlich gegenüber Umgebungstemperaturgefällen und sprechen auf ein breites Infrarotspektrum an. Thermosäulen erfordern außerdem keine Quelle für eine Vorspannung oder einen Vorstrom. Für die Weiterentwicklung der Nutzung thermoelektrischer Detektion von Infrarotstrahlung wäre es von Vorteil, die Leistungsmerkmale eines derartigen Detektors zu verbessern.
Die Patentveröffentlichung US 2002/0139410 beschreibt einen thermischen Strahlungssensor, der eine Thermosäule enthält.
Das Patent US 6 294 787 beschreibt ein Sensorsystem für die Erfassung thermischer Strahlung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung verwirklichen eine thermische Detektionsvorrichtung wie sie in Anspruch 1 offenbart ist.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Detektion von Infrarot-(IR)-Strahlung. Die Vorrichtung enthält ein IR-Strahlungssensorelement und einen Basiskopf. Das IR-Strahlungssensorelement enthält einen Infrarotstrahlungsrezeptor und erste und zweite Anschlüsse, wobei der Rezeptor bei einem heißen Bereich angeordnet ist, jeder Anschluss bei einem kalten Bereich angeordnet ist, und jeder Anschluss eine Signalverbindung mit dem Rezeptor aufweist. Der Basiskopf enthält eine Trägerfläche, um das IR-Strahlungssensorelement zu tragen, und eine von der Trägerfläche beabstandete Nicht-Trägerfläche, wobei die Wärmeübertragung zwischen dem kalten Bereich und der Trägerfläche Wärmeleitung verwendet, und die Wärmeübertragung zwischen dem heißen Bereich und der Nicht-Trägerfläche thermische Konvektion einsetzt.
Noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Detektion von IR-Strahlung zu dem ein IR-Strahlungssensorelement mit einem heißen Bereich und einem kalten Bereich sowie ein Basiskopf gehören. Der Basiskopf weist eine Trägerfläche, die dazu dient, das IR-Strahlungssensorelement zu tragen, und eine von der Trägerfläche beabstandete Nicht-Trägerfläche auf. Ein bei dem kalten Bereich angeordneter Abschnitt des IR-Strahlungssensorelements liegt einem Abschnitt der Trägerfläche gegenüber, und ein bei dem heißen Bereich angeordneter Abschnitt des IR-Strahlungs sensorelements liegt einem Abschnitt der Nicht-Trägerfläche gegenüber.
Es wird nun auf die exemplarischen Zeichnungen eingegangen, wobei gleichartige Elemente in den beigefügten Figuren mit denselben Bezugsnummern versehen sind:
1 veranschaulicht eine isometrische auseinandergezogene Explosionszeichnung eines exemplarischen Infrarotstrahlungsdetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt eine seitliche Schnittansicht des exemplarischen Infrarotstrahlungsdetektors nach 1;
3–4 veranschaulichen isometrische Ansichten von Abschnitten des exemplarischen Infrarotstrahlungsdetektors nach 1;
5–6 zeigen ein gegenüber dem exemplarischen Infrarotstrahlungsdetektor nach 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel; und
7 veranschaulicht in einer grafischen Darstellung normierte Ausgangssignale von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung verwirklichen einen (auch als IR-Detektor oder IR-Sensor, oder allgemeiner als thermische Detektionsvorrichtung bezeichneten) Infrarot-(IR)-Strahlungsdetektor, der eine gesteigerte thermische Isolierung zwischen den Sensorkomponenten aufweist, um den Signalausgangsstrom zu erhöhen.
Die Erfindung schafft einen IR-Detektor mit heißen und kalten Temperaturbereichen. Der IR-Detektor enthält eine Thermosäule mit seriell miteinander verschalteten Thermoelementen, wobei jedes Thermoelement geeignet über den heißen und kalten Temperaturbereichen angeordnet ist, so dass zusätzliche Thermoelementpolaritäten entstehen. Ein Wärmeabsorber, oder im Besonderen ein Infrarotabsorber, beispielsweise ein schwarzer Körper, ist bei dem heißen Bereich angeordnet und in thermischer Verbindung mit der Thermosäule stehend an diese thermisch gekoppelt. Ein Basiskopf mit einer Trägerfläche zum Tragen der Thermosäule ist an der Trägerfläche mit einen Hohlraum ausgebildet, der eine Nicht-Trägerfläche erzeugt. Eine zwischen der Trägerfläche und der Thermosäule eingefügte Membran ist so angeordnet, dass ein Abschnitt des Hohlraums einem Abschnitt der Thermosäule gegenüberliegt. Durch die Bereitstellung eines Hohlraums auf der einen Seite der Membran und gegenüberliegend zu der auf der anderen Seite der Membran befindlichen Thermosäule ist eine Steigerung der thermischen Isolierung zwischen der Thermosäule und dem Basiskopf verwirklicht, was einen Anstieg des Spannungssignalausgangsstroms des Infrarotstrahlungsdetektors herbeiführt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines IR-Sensors 100 mit einem Infrarotsensorelement 200, das durch einen Basiskopf 300 getragen wird und zwischen einer Metallkappe 400 und dem Basiskopf 300 angeordnet ist. Das Infrarotsensorelement 200 und der Basiskopf 300 bilden eine Basiskopfanordnung 415 (siehe 2). Obwohl das Infrarotsensorelement 200 rechteckig geformt dargestellt ist, kann dieses eine beliebige, für den hier offenbarten Zweck geeignete Form aufweisen. Der Basiskopf 300 kann auf Metall oder einem für den hier offenbarten Zweck geeigneten beliebigen Stoff basieren, beispielsweise auf einem Siliziumsubstrat. In der Metallkappe 400 ist ein Fensterfilter 420 angeordnet, um IR-Strahlung einer vordefinierten Wellenlänge zu übertragen. Das Fensterfilter 420 beinhaltet sowohl ein Breitbandfilter (BBP = Broad Band Pass) als auch ein Schmalbandfilter (NBP = Narrow Band Pass). In einem Ausführungsbeispiel enthält das Infrarotsensorelement 200 eine MEMS-(Microelectromechanical System = mikroelektromechanisches System)-Silizium-Thermosäule 210, die durch Membranfilme 270 und einen Trägerrand 215 getragen wird, wie am besten zu sehen ist, indem nun auf 2 eingegangen wird.
Die Thermosäule 210 enthält eine seriell miteinander verschaltete Matrix von Thermoelementen, die in 2 als erstes und zweites Thermoelement 220, 230 dargestellt sind, die über heißen 240 und kalten 250 Bereichen des IR-Sensors 100 angeordnet sind. Die Thermoelemente 220, 230 werden jeweils durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien gebildet, z. B. Polysilizium und Aluminium, dargestellt als Thermoelementabschnitte 222, 232 bzw. 224, 234, und sind in Bezug zueinander mit entgegengesetzten Polaritäten angeordnet, so dass das über Anschlüsse 226 und 236 auftretende Spannungssignal die Summe der über die Thermoelemente 220, 230 auftretenden Spannungssignale ist. Die Anschlüsse 226, 236 sind jeweils über Drähte 286, 296 mit Stiften 436, 426 verbunden. Die (auch als heiße und kalte Verbindungen bezeichneten) heißen und kalten Bereiche 240, 250 der Thermoelemente 220, 230 sind durch einen thermischen Isolator 260 und durch die Membranfilme 270 voneinander thermisch isoliert. Die Membranfilme 270 weisen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und -kapazität auf und sind als drei übereinander geschichtete Filme 272, 274, 276 dargestellt, können allerdings auf einer für die hier offenbarten Zwecke der thermischen Isolierung geeigneten beliebigen Anzahl von Filmen beliebiger Dicke basieren. Bei dem heißen Bereich 240 ist an die Thermoelemente 220, 230 ein schwarzer Körper 280 thermisch gekoppelt, der dadurch dazu dient, Infrarotstrahlung zu absorbieren und die Temperatur bei dem heißen Bereich 240 zu erhöhen. Die Temperatursteigerung bei dem heißen Bereich 240 entspricht der Intensität der einfallenden Infrarotenergie. In dem Maße wie die Temperatur bei dem heißen Bereich 240 ansteigt, wächst auch das über die Anschlüsse 226, 236 auftretende Spannungssignal. Je besser die thermische Isolierung zwischen den heißen und kalten Verbindungen 240, 250 der Thermoelemente 220, 230 ist, desto besser wird das über die Anschlüsse 226, 236 entstehende Spannungssignal sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung haben die Erfinder nachgewiesen, dass eine Vergrößerung des Abstands zwischen dem Material der Membranfilme 270 und dem Material des Basiskopfs 300, wie weiter unten mit Bezug auf 7 erörtert, zu einer Erhöhung des von dem Infrarotsensorelement 200 abgegebenen Ausgangssignals führt. Wie in 2 und 3 dargestellt, kann diese Vergrößerung des Abstands ohne eine Änderung der Gesamtabmessungen des IR-Sensors 100 erreicht werden, indem von dem Basiskopf 300 Material, z. B. durch Mikrobearbeitung oder Ätzen, entfernt wird, so dass ein Hohlraum 310 mit einer Nicht-Trägerfläche 312 entsteht. Das durch die Mikrobearbeitung nicht entfernte Material des Basiskopfs 300 stellt eine Trägerfläche 320 bereit, um das Infrarotsensorelement 200 zu tragen. In 3 ist ein exemplarischer Hohlraum 310 dargestellt, jedoch kann der Hohlraum 310 mit einer beliebigen Gestalt, beispielsweise kreisförmig oder sternförmig, ausgebildet sein, die sich für eine Erhöhung des Signalausgangsstroms des Infrarotsensorelements 200 eignet.
Wie in 3 dargestellt, kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hohlraum 310 ausgebildet sein, der auf drei mikrobearbeiteten Pfaden basiert, wobei der erste Pfad 330 mit einer Länge von etwa 10 Millimeter (mm) bemessen ist, und der zweite 340 und dritte 350 Pfad den ersten Pfad 330 kreuzen und mit etwa 6 mm Länge bemessen sind. Jeder der exemplarischen Pfade 330, 340, 350 kann bis in eine (durch ein Maß "d" veranschaulichte) Tiefe von etwa 1,1 mm mikrobearbeitet sein und weist einen (durch Radius "r" dargestellten) Werkzeugradius von etwa 1 mm auf. In einem Ausführungsbeispiel ist das Maß "d" größer gleich etwa 0,1 mm und kleiner gleich etwa 10 mm, und in noch einem Ausführungsbeispiel beträgt es etwa 1 mm. Das Maß "d" bezeichnet eine inkrementelle Erhöhung des durch die spanabhebende Bearbeitung des Hohlraums 310 erzeugten Luftraumabstands zwischen den Membranfilmen 270 und dem Basiskopf 300.
4 veranschaulicht das durch die Trägerfläche 320 getragene Infrarotsensorelement 200 mit einem Abschnitt, der sich über die Nicht-Trägerfläche 312 erstreckt bzw. dieser gegenüberliegt. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke des Infrarotsensorelements 200 etwa 500 μm und die Dicke der Membranfilme 270 etwa 1 μm.
5 und 6 veranschaulichen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Abstandhalter 430 verwendet, die auf dem Basiskopf 300 angeordnet sind, um das zusätzliche Maß "d" zwischen den Membranfilmen 270 und dem Basiskopf 300 hervorzurufen. In einer Abwandlung können die Membranfilme 270 geeignet gestaltet sein, um einen inkrementellen Abstand "d" zu erzeugen. Ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel kann einen mikrobearbeiteten Basiskopf 300 mit Halterungssäulen enthalten, die sich von der Unterseite des Hohl raums 310 ausgehend erstrecken, um die Trägerfläche 320 bereitzustellen.
7 veranschaulicht einen Graph des Signalausgangsstroms 450 des IR-Sensors 100 in Abhängigkeit von einer inkrementellen Beabstandung "d" 460 für das in den 1–4 dargestellte erste Ausführungsbeispiel und für das in den 5–6 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel. Wie veranschaulicht, ist der Signalausgangsstrom 450 normiert, so dass sich für einen IR-Sensor 100, der keinen inkrementellen Luftraumabstand "d" zwischen den Membranfilmen 270 und dem Basiskopf 300 aufweist (d. h. d = 0) ein Signalausgangsstrom von 1,0 ergibt. Erste und zweite Ausführungsbeispiele der Erfindung, die einen inkrementellen Luftraumabstand "d" aufweisen, sind mit Ausgangssignalen 470 bzw. 480 gezeigt. Wie dargestellt, weisen erste und zweite Ausführungsbeispiele bei einem Maß "d" von d gleich etwa 0,8 mm normierte Ausgangssignale von etwa 1,65 bzw. etwa 1,75 auf. Dementsprechend ruft ein Sensor mit d gleich etwa 0,8 mm eine Ausgangssignalstromstärke hervor, die etwa 65% bis ungefähr 75% größer ist als diejenige eines Sensors mit d = 0 mm.
In einem vollständig eingebauten IR-Sensor 100 ist die Metallkappe 400 an dem Metallbasiskopf 300 angebracht, um eine dicht verschlossene Einheit zu bilden, die das Infrarotsensorelement 200 einkapselt. Das Infrarotsensorelement 200 kann mittels einer beliebigen geeigneten Verbindungstechnologie, z. B. einem Klebstoff, an den Basiskopf 300 gebunden sein. Der zwischen der Metallkappe 400 und dem Metallbasiskopf 300 definierte innere Hohlraum, bzw. das innere Volumen, kann mit einem Füllgas gefüllt sein, das geeignete thermische Eigenschaften aufweist, um dadurch eine berechenbare Wärmeübertragung zwischen den in dem inneren Hohlraum angeordneten vielfältigen Flächen, einschließlich der Nicht-Trägerfläche 312 zu ermöglichen. In Abwesenheit des durch das inkrementelle Luftraummaß "d" gebildeten Hohlraums 310 geschieht die Wärmeübertragung zwischen den Membranfilmen 270 und dem Basiskopf 300, nachdem ein wie in 2 und 6 gezeigter Luftspalt "D" vorhanden ist, in erster Linie durch Wärmeleitung, und das durch den Spalt "D" eingegrenzte Füllgas kann sich nicht ohne weiteres mit dem übrigen zwischen der Metallkappe 400 und dem Metallbasiskopf 300 befindlichen Füllgas mischen. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff Luftraum einen Raum zwischen Komponenten, unabhängig davon, ob der Raum mit Luft oder mit einem Füllgas gefüllt ist. Mit der Einführung des inkrementellen Luftraums "d", weist die Wärmeübertragung zwischen den Membranfilmen 270 und dem Basiskopf 300 eine Konvektionskomponente auf, die eine geringere Wärmeübertragung zur Verfügung stellt als die Wärmeleitungskomponente, so dass die thermische Isolierung zwischen den Membranfilmen 270 und dem Basiskopf 300 gesteigert ist. Darüber hinaus kann sich das unterhalb des Infrarotsensorelements 200 vorhandene Füllgas mit der Einführung der in 3–4 gezeigten Seitenkanäle 490 besser mit dem zwischen der Metallkappe 400 und dem Metallbasiskopf 300 befindlichen Füllgas vermischen, wodurch ein Wärmestau unterhalb des Infrarotsensorelements 200 verringert wird, um eine weitere Verbesserung der thermischen Isolierung zu erzielen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung können mehrere der folgenden Vorteile ermöglichen: eine Erhöhung des Signalausgangsstroms; eine Verringerung einer benötigten Signalverstärkung; und eine gesteigerte Unempfindlichkeit gegenüber Signalrauschen.

Claims

Gekapselte thermische Detektionsvorrichtung mit einem heißen und einem kalten Bereich (240, 250), wobei zu der Vorrichtung gehören: ein Infrarotsensorelement (200) mit: a) einem ersten Thermoelement (220), das über der heißen und kalten Region (240, 250) angeordnet ist, wobei das erste Thermoelement (220) einen ersten Anschluss (226) bei dem kalten Bereich (250) und eine definiert Polarität aufweist; und b) einem zweiten Thermoelement (230), das über der heißen und kalten Region (240, 250) angeordnet ist, wobei das zweite Thermoelement (230) einen zweiten Anschluss (236) bei dem kalten Bereich (250) und eine gegenüber der Polarität des ersten Thermoelements (220) entgegengesetzte Polarität aufweist und mit dem ersten Thermoelement (220) in Reihe liegt; ein Wärmeabsorber (280), der bei dem heißen Bereich (240) angeordnet ist und in thermischer Verbindung mit dem ersten und zweiten Thermoelement (220, 230) steht; ein Basiskopf (300), der eine Trägerfläche (320) zum Tragen des Infrarotsensorelements (200) und eine Nicht-Trägerfläche (312) aufweist, die von der Trägerfläche (320) beabstandet und in einem Hohlraum (310) ausgebildet ist, der in dem Basiskopf (300) ausgebildet ist und dem Infrarotsensorelement (200) gegenüberliegt; wobei ein Abschnitt der Trägerfläche (320) einem Abschnitt des kalten Bereichs (250) gegenüberliegt, und ein Abschnitt der Nicht-Trägerfläche (312) einem Abschnitt des heißen Bereichs (240) gegenüberliegt; und eine Kappe (400), die an dem Basiskopf (300) angebracht ist, um eine dicht verschlossene Einheit zu bilden, die das Infrarotsensorelement (200) einkapselt; dadurch gekennzeichnet, dass: der Hohlraum (310) Seitenkanäle (490) aufweist, um einem unterhalb des Infrarotsensorelements (200) befindlichen Füllgas zu ermöglichen, sich mit dem Füllgas zwischen der Kappe (400) und dem Basiskopf (300) zu vermischen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einer Membran (270), die zwischen der Trägerfläche (320) und dem ersten und zweiten Thermoelement (220, 230) angeordnet ist, so dass ein Abschnitt der Membran (270) der Nicht-Trägerfläche (312) gegenüberliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das erste und zweite Thermoelement (220, 230) auf thermische Strahlung ansprechen, die bei dem Wärmeabsorber (280) absorbiert wird, um an dem ersten und zweiten Anschluss (226, 236) ein zusammengeführtes elektrisches Signal zu erzeugen; und das zusammengeführte elektrische Signal für die Vorrichtung, die einen Abstand von etwa 0,8 Millimeter zwischen der Trägerfläche (320) und der Nicht-Trägerfläche (312) aufweist, gleich oder größer ist, als etwa das 1,65fache des zusammengeführten elektrischen Signals einer abgewandelten Vorrichtung, die einen Abstand zwischen der Trägerfläche (320) und der Nicht-Trägerfläche (312) aufweist, der ungefähr gleich Null Millimeter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tiefe des Hohlraums (310) größer gleich etwa 0,1 Millimeter und kleiner gleich etwa 10 Millimeter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kappe (400) ein dem heißen Bereich (240) unmittelbar benachbartes Fenster (420) aufweist, um durch dieses hindurch thermische Strahlung zu übertragen.
Vorrichtung zur Detektion von Infrarotstrahlung, wobei die Vorrichtung die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.