DE69032785T2

DE69032785T2 - Strahlungsdetektormatrix mit strahlungsempfindlichen brücken

Info

Publication number: DE69032785T2
Application number: DE69032785T
Authority: DE
Inventors: Paul A. Canoga Park Ca 91307 Braatz; Jan Los Angeles Ca 90049 Grinberg; Murray S. Chatsworth Ca 91311 Welkowsky; Chiung-Sheng Los Angeles Ca 90007 Wu
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1989-06-21
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2010-01-31
Also published as: IL93311A; WO1990016082A1; IL93311A0; DE69032785D1; EP0429566B1; US4922116A; EP0429566A1; JPH07111371B2; JPH04500437A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Detektoren zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung einschließlich von Infrarot- Strahlung und Mikrowellen-Strahlung. Ferner betrifft die Erfindung einen zweidimensionalen Erfassungs-Array für elektromagnetische Strahlung, mit einem Substrat und einem Array aus Detektorzellen für elektromagnetische Strahlung auf dem Substrat, wobei jede der Zellen einen Detektor für elektromagnetische Strahlung umfaßt, wie zuvor erwähnt.
Ein solcher Detektor für elektromagnetische Strahlung und ein solcher Array sind in dem Dokument DE-A-32 40 180 offenbart.
Der bekannte Detektor umfaßt eine dreilagige Halbleiterdiode mit einer definierten Charakteristik, die sich in Übereinstimmung mit dem Betrag an empfangener elektromagnetischer Strahlung verändert. Die Diode ist gegenüber der Trägerstruktur dadurch thermisch isoliert, daß sie auf einem mittleren Spannweitenabschnitt einer Brücke montiert ist, die aus dem Trägermaterial konstruiert ist. Die Anordnung ist derart, daß unterhalb der Diode ein thermisch isolierender Spalt ausgebildet wird.
Auf dem verwandten Gebiet des Simulierens eines Infrarotbildes zur Verwendung beim Testen von Infrarot-Suchgeräten wäre es in hohem Maße wünschenswert, wenn man in der Lage wäre, ein Infrarotbild (IR - etwa 0,7 - 20 Mikrometer Wellenlänge) in Echtzeit zu simulieren, das im wesentlichen flickerfrei ist. Dies würde einen wirksamen Weg schaffen, um IR-Detektoren zu testen, die auch als "Suchgeräte" und "Brennpunktebenen-Arrays" bezeichnet werden. Derzeit ist es so, daß die Probleme von übermäßigem Flickern den IR-Simulationssystemen erhebliche Einschränkungen auferlegen. Ein Grundproblem beim Bildflickern liegt darin, daß eine falsche Zielanzeige erzeugt wird, da das Flickern einer Veränderung der Temperatur des IR-Bildes entspricht. Im Unterschied zum menschlichen Auge, das Lichtflickern über eine Zeitspanne von etwa 30-50 msec. integriert, integrieren IR-Detektoren Flickern über Zeitspannen bzw. Perioden von nur etwa 1-5 msec. Daher gibt es einen erheblichen Bereich, in dem ein Flickern (im sichtbaren Spektrum) vom menschlichen Auge nicht erfaßt werden würde, von einem IR-Detektor jedoch wahrgenommen würde, wenn sich das Flickern im IR- Spektrum befindet.
Bislang hat man übermäßiges Flickern vermieden durch die Verwendung einer Bly-Zelle zur Projektion eines statischen Bildes, das auf die Zelle aufgebracht wird. Bly-Zellen sind beschrieben in "Passive Visible to Infrared Transducer for Dynamic Infrared Image Simulation" von Vincent T. Bly in Optical Engineering, November/Dezember 1982, Band 21, Nr. 6, Seiten 1079-1082. Die Anforderung, daß diese Art von System mit einem statischen Bild betrieben werden muß, stellt jedoch eine beträchtliche Einschränkung dar, da ein aussagekräftigerer Test von IR-Detektoren die Erfassung von Bildern verlangt, die sich in Echtzeit verändern.
Es besteht eine Notwendigkeit nach einem zweidimensionalen IR-Detektor-Array und nach Detektor-Arrays für Wellenlängen anderer elektromagnetischer Strahlung (emr), wie Mikrowellen, die ein schnelles Ansprechverhalten haben und die verfügbare Fläche wirksam ausnutzen.
Derzeit sind verschiedene Typen von thermischen IR-Detektoren verfügbar. Bei pyroelektrischen Detektoren ändert eine Temperaturveränderung das Dipolmoment des Materials, was zu einer Ladungsdifferenz zwischen Kristallflächen führt. Diese Art von Detektor wird in einem Artikel von Watton beschrieben mit dem Titel "Ferroelectrics for Infrared Detection and Imaging" in Proceedings of the Sixth IEEE International Symposium on the Application of Ferroelectrics, Juni 1986, Bethlehem, Pennsylvania, Seiten 172-181. Eine weitere Art von IR-Detektor ist das sogenannte Bolometer, bei dem die Energie der absorbierten Strahlung die Temperatur des erfassenden Elementes anhebt, so daß sich dessen elektrischer Widerstandswert verändert, wobei diese Veränderung gemessen wird als Anzeige des Maßes bzw. Betrages an empfangener Strahlung. Ein Array von solchen Bauteilen ist offenbart in "Low Temperature Bolometer Array" von Boninsegni et al. in Review of Scientific Instruments, Band 60, Nr. 4, April 1989, Seiten 661-665. Sowohl pyroelektrische als auch Bolometer-Bauelemente zeigen gegenüber Veränderungen des IR-Pegels eine relativ niedrige Ansprechgeschwindigkeit und benötigen ferner relativ große Flächen. Der thermische pyroelektrische Detektor leidet auch daran, daß die auflösbaren Temperaturdifferenzen eingeschränkt sind, an einer geringen Ausbeute und hohen Kosten der Verarbeitung sowie an der notwendigen Hybrid-Integration und dem Wechselstrom-Betrieb mit einem Chopper bzw. Zerhacker. Die eingeschränkte Temperaturauflösung, die sich hauptsächlich ergibt aufgrund der inhärenten thermischen Leitungsverluste und der großen thermischen Masse, kann verbessert werden, wenn man den pyroelektrischen Wafer dünner ausgestaltet und netzförmig ausgestaltet. Dies beinhaltet jedoch eine außerordentlich schwierige und teure Verarbeitung.
Ein weiterer Lösungsansatz für die IR-Erfassung beinhaltet einen Array aus Einkristall-Schottky-Grenzschichten bzw. Übergängen, wie es offenbart ist in "IR Si Schottky-Barrier Infrared Detectors With 10-um Cutoff Wavelength" von Tsaur et al. in IEEE Electron Device Letters, Band 9, Nr. 12, Dezember 1988, Seiten 650-653. Dieses Bauteil wird als Photonendetektor verwendet und nicht als thermischer Detektor, besitzt einen außerordentlich begrenzten Spektralbereich und muß bei Cryo-Temperaturen betrieben werden.
Thermoelement-Bauteile stellen einen weiteren Typ von thermischem IR-Detektor bereit. Bei dieser Art von Bauteilen sind Übergänge bzw. Lötstellen zwischen ungleichen Materialien gebildet, wobei in Antwort auf eine Erwärmung eine Spannung über der Lötstelle induziert wird. Ein solches Bauteil ist offenbart in "A Batch-Fabricated Silicon Thermopile Infrared Detector" von Lahiji et al. in IEEE Transactions on Electron Devices, Januar 1982, Seiten 14-22. In diesem Artikel ist offenbart eine Reihe von Thermoelementen, die Meßstellen besitzen, die auf einer dünnen Siliciummembran gelagert werden, und zwar auf der Grundlage von Techniken von integrierten Schaltungen. Die Membranfläche ist mit einer Schicht aus IRabsorbierendem Material beschichtet, um wirksam Energie vom sichtbaren Bereich bis hinein in das ferne Infrarot zu absorbieren. Die Empfindlichkeit des Bauteils ist begrenzt, da die Thermoelemente direkt auf dem Substrat ausgebildet werden und sich daher aufgrund der thermischen Leitungsverluste nicht so stark erwärmen können wie gewünscht ist. Ferner ist für den Detektor eine relativ große Fläche erforderlich.
Bolometer und Kristalldetektoren sind gleichfalls dazu verwendet worden, um elektromagnetische Strahlung mit Mikrowellenfrequenzen zu erfassen. Da relativ große Sensorabmessungen notwendig sind, sind einzelne Detektoren dazu verwendet worden, um ein ankommendes Bild abzutasten, anstelle eines Detektor- Arrays, um das gesamte Bild auf einmal zu erfassen. Dies hat zu geringen Einzelbildraten bzw. -geschwindigkeiten geführt. Dasselbe Problem ging einher mit der Verwendung von einzelnen abtastenden Grenzschicht-Detektoren im IR-Bereich.
In Anbetracht der obenstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Detektor für elektromagnetische Strahlung und einen zweidimensionalen Array aus solchen Detektoren anzugeben, wobei die Detektoren im wesentlichen flickerfrei sind, leichtgewichtig sind, einen großen thermischen Dynamikbereich und ein schnelles Ansprechverhalten besitzen, Leistung effizient verwenden, den größten Teil der Pixelfläche dem detektierenden Element zuweisen und kapazitive Kopplungen und Isolationsdefektprobleme vermeiden, die mit langen Anschlußleitungen auf einem Einkristall-Halbleitersubstrat einhergehen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Detektor für elektromagnetische Strahlung, mit einem Substrat, einer Brückenstruktur für elektromagnetische Strahlung, wobei die Brückenstruktur einen Abschnitt des Substrates überbrückt, von dem Substrat durch einen generell thermisch isolierenden Zwischenraum bzw. Spalt getrennt ist und eine definierte Charakteristik besitzt, die in Übereinstimmung mit dem Betrag an elektromagnetischer Strahlung variiert, die von ihr empfangen wird, Mitteln zum Emporheben der Brückenstruktur über das Substrat, wobei die Brückenstruktur und die Emporhebungsmittel dasselbe Material aufweisen, und mit Mitteln zum Überwachen der definierten Charakteristik, wobei die Überwachungsmittel auf dem Substrat angeordnet sind.
Die Erfindung beinhaltet ferner zweidimensionale Erfassungs-Arrays für elektromagnetische Strahlung, die jeweils aus einem Array aus Detektorzellen für elektromagnetische Strahlung bestehen, die auf einem Substrat ausgebildet sind. Jede Zelle umfaßt eine für elektromagnetische Strahlung empfindliche Brükkenstruktur. Die Form der Brückenstruktur ist so ausgelegt, daß ein generell isolierender Zwischenraum zwischen der Brücke und dem Substrat ausgebildet wird. Die Brückenstruktur besitzt eine definierte Chakteristik, die mit dem Betrag an empfangener elektromagnetischer Strahlung variiert. Ferner sind Mittel vorgesehen zum Überwachen dieser Chakteristik für jede der Zellen, um den Pegel der auf die jeweilige Zelle einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen.
Die Brückenstrukturen können implementiert sein durch Widerstandsbrücken, Thermoelement-Übergangs- bzw. Thermoelement-Lötstellenbrücken oder Schottky-Grenzschichtbrücken.
Bei Widerstandsbrücken können verschiedene Brückengeometrien ausgewählt werden, um die Fläche der Brückenträgerbeine in bezug auf einen mittleren Spannweitenabschnitt zu reduzieren und dazu beizutragen, daß der mittlere Spannweitenabschnitt gegenüber dem Substrat thermisch isoliert ist. Vorzugsweise werden mehrstufige Ausleseschaltungen mit Verstärker in Verbindung mit Ausgangsspannungsteilerschaltungen verwendet, um die wirksamen Brückenwiderstandswerte bei reduziertem Johnson- Rauschen zu überwachen. Dünne Schichten aus leitendem Material können zusätzlich auf die Stütz- bzw. Trägerbeine aufgebracht werden, um den mittleren Spannweitenabschnitt elektrisch mit den darunter liegenden Überwachungsschaltungen zu verbinden, wobei die leitenden Materialschichten dünn genug sind, um die thermische Isolation der mittleren Spannweitenabschnitte der Brücke gegenüber dem Substrat im wesentlichen aufrechtzuerhalten. Die Widerstandsbrücken werden vorzugsweise aus einem amorphen Halbleitermaterial gebildet.
Bei einem Detektor-Array aus Thermoelementbrücken umfassen die Thermoelemente vorzugsweise eine gestapelte Vielzahl von abwechselnd Halbleiter- und Metallschichten. Die Lötstellen- Bauelemente ("junction devices") sind seriell mit Widerständen und Ausgangsspannungs-Teilerschaltungen verbunden, wobei die Spannungen über den Ausgangswiderständen überwacht werden als Funktion der von den Thermoelementbrücken empfangenen elektromagnetischen Strahlung.
Die Ausführungsform mit Schottky-Grenzschichtbrücken verwendet eine Brücke, die mit benachbarten Schichten aus einem Halbleitermaterial und einem Metall oder dotiertem Halbleiter konfiguriert ist, die sich entlang einer Schottky-Kontaktgrenzschicht bzw. entlang eines Schottky-Kontaktüberganges treffen. Das Halbleitermaterial ist vorzugsweise amorphes Germanium oder amorphes Zinn.
Die Detektorbrücken sind vorzugsweise mit einer Schicht aus einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Material beschichtet, um deren Empfindlichkeit zu steigern. Vorzugsweise sind Ausleseschaltungen für jede Detektorzelle auf dem Substrat wenigstens teilweise unter ihren jeweiligen Brücken angeordnet, um Substratfläche einzusparen. Ferner können sich verschiedene Anschlußleitungen ebenfalls unter den Brückenstrukturen erstrecken, um noch mehr Substratfläche einzusparen. Eine Linse wird dazu verwendet, eine Quelle für elektromagnetische Strahlung auf den zweidimensionalen Array abzubilden. Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für Fachleute aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines IR-Simulatorsystems ist;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Abschnitt des Pixelzellen-Arrays ist, der dazu verwendet wird, um ein IR- Bild zu erzeugen;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm des Ansteuerschaltkreises zeigt, der in jeder Pixelzelle verwendet wird;
Fig. 4-6 Schnittansichten sind, die unterschiedliche Ausführungsformen der Widerstandsbrücke zeigen, die das IR- Strahlungselement für jeden Pixel bereitstellt;
Fig. 7-9 Schnittansichten sind, die verschiedene Ausführungsformen der Beziehung zwischen der Widerstandsbrücke von jedem Pixel und dem Ansteuerschaltkreis hierfür darstellen;
Fig. 10 eine illustrative Draufsicht ist, die die Anordnung von elektrischen Anschlußleitungen in bezug auf die Widerstandsbrücke zeigt;
Fig. 11 eine Schnittansicht eines Detektors für elektromagnetische Strahlung mit einer Widerstandsbrücke und einer Ausleseschaltung gemäß der Erfindung ist;
Fig. 12(a), 13(a) und 14(a) Draufsichten und Fig. 12(b), 13(b) und 14(b) Vorderansichten von drei unterschiedlichen Widerstandsbrückenkonfigurationen sind, die den mittleren Spannweitenabschnitt der Brücke gegenüber dem darunter liegenden Substrat thermisch isolieren;
Fig. 15 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausleseschaltung für einen Detektor für elektromagnetische Strahlung mit Widerstandsbrücke ist;
Fig. 16 ein vollständigeres schematisches Diagramm der in Fig. 15 gezeigten Schaltung ist;
Fig. 17 eine Schnittansicht ist, die die Ausbildung eines Transistors und eines Kondensators von Fig. 16 in einer einzelnen, monolithischen Konstruktion zeigt;
Fig. 18 ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausleseschaltung für einen Detektor für elektromagnetische Strahlung mit Widerstandsbrücke ist, wobei das Johnson-Rauschen reduziert wird;
Fig. 19 eine Schnittansicht eines Detektors für elektromagnetische Strahlung mit Thermoelementbrücke ist;
Fig. 20 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausleseschaltung für den Detektor von Fig. 19 ist;
Fig. 21 eine Schnittansicht eines Detektors für elektromagnetische Strahlung mit einer Schottky-Grenzschichtbrücke ist;
Fig. 22 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausleseschaltung für den Detektor für elektromagnetische Strahlung von Fig. 21 ist; und
Fig. 23 ein Schemadiagramm ist, das die Abbildung einer Quelle für elektromagnetische Strahlung auf einen Detektor- Array zeigt, der erfindungsgemäß konstruiert ist.
Fig. 1 zeigt die grundlegenden Elemente eines IR- Simulationssystems. Ein IR-Strahlungsmechanismus 2 ist innerhalb einer Vakuumkammer 4 angeordnet, die an ihrem vorderen Ende ein IR-Fenster 6 besitzt. Eine Vakuumpumpe 8 evakuiert die Kammer auf herkömmliche Art und Weise. Die IR-Struktur umfaßt ein isolierendes Substrat 10, vorzugsweise Saphir, einen zweidimensionalen Array 12 aus IR-emittierenden Elementen auf der Vorderseite des Substrates 10 und einen Kühlmechanismus 14, der die Rückseite des Substrats kontaktiert. Das Kühlelement ist vorzugsweise ein Kupferblock, der durch Wasser oder Freon gekühlt wird, das durch Einlaß- und Auslaßrohre 16 strömt. Das IR-Fenster 6 ist aus einem geeigneten Material wie Germanium oder Zinkselenid gebildet und ist vorzugsweise mit einer Antireflexbeschichtung versehen, um Reflektionen von emittierter IR-Strahlung zurück in die Kammer zu vermeiden.
Die einzelnen IR-emittierenden Elemente innerhalb des Arrays 12 liefern gesteuerte Emissionen, die von einer Linse 18 auf einen gerade getesteten IR-Detektor 20 gerichtet werden. Die Emissionen aus den jeweiligen einzelnen IR-abstrahlenden Elementen werden durch elektrische Signale gesteuert, die an den Array angelegt werden. Die elektrischen Anschlußleitungen in den Array umfassen eine Leistungs-Leitung 22, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, eine Reihe von Datenleitungen 24, die Bildinformationssignale zu den verschiedenen IR-Elementen führen, eine Reihe von Strobe-Leitungen 26, die in Folge koordiniert bezüglich des Bildsignals Zeilen von IR- Elementen takten, und eine Masseleitung 28. Die Eingangssignale mit Bilddaten können ein aktuelles Videobild, eine Computersimulation oder andere gewünschte Muster darstellen.
Der IR-abstrahlende Array ist in eine Matrix von Pixelzellen unterteilt, von denen jede individuell gesteuert ist, um einen gewünschten Betrag an IR-Strahlung zu emittieren. Die Auflösung des IR-Bildes wird bestimmt durch die Anzahl von Pixeln, die vorzugsweise in einem 256·256-Array, einem 512·512- Array oder in einem 1024·1024-Array vorgesehen werden. Ein Ausschnitt aus einem solchen Array ist in Fig. 2 dargestellt. Jede Pixelzelle enthält eine Widerstandsbrücke 30, die das tatsächlich IR-abstrahlende Element darstellt, und eine Ansteuerschaltung bzw. Antriebsschaltung 32 für die Widerstandsbrücke. Jede Pixelzelle beträgt typischerweise 150 Mikrometer im Quadrat, wobei die Widerstandsbrücken etwa 120 Mikrometer im Quadrat betragen. Die Ansteuerschaltungen verwenden zwei Transistoren, von denen jeder typischerweise etwa 50 Mikrometer im Quadrat beansprucht. Die elektrischen Anschlußleitungen aus Aluminium sind typischerweise etwa 25 Mikrometer breit.
Fig. 2 ist eine vereinfachte Zeichnung, die die funktionellen Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen in dem Array darstellt, nicht jedoch deren bevorzugte physikalische Anordnung zeigt; diese wird weiter unten erörtert. Ein Ende von jeder Widerstandsbrücke 30 ist mit einer Gleichspannungsleitung 22 verbunden, während das andere Ende mit ihrer zugeordneten Ansteuerschaltung 32 verbunden ist. Jede Ansteuerschaltung wirkt in Antwort auf ein angelegtes Bildsignal von der Leitung 24 so, daß der Stromfluß von der Leistungsleitung durch die Widerstandsbrücke und die Ansteuerschaltung zur Masse hin gesteuert wird.
Die Pixelzellen sind in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet. Elektrische Eingangssignale werden auf eine Art und Weise bereitgestellt, die es ermöglicht, daß jeder Pixel separat programmiert wird und dennoch die Notwendigkeit von separaten Anschlußleitungen für jeden Pixel vermieden wird. Diskrete Signale werden an die Leitung 24 für jede Spalte angelegt, so daß jede Ansteuerschaltung in einer gegebenen Spalte dasselbe Signal empfängt, die Signale jedoch von Spalte zu Spalte variieren. Jede Zeile von Pixelzellen wird in Folge über Strobe-Leitungen 26 getaktet, die mit den Pixel-Ansteuerschaltungen verbunden sind. Die Anwendung eines Strobe-Signals ermöglicht den Betrieb einer Ansteuerschaltung, die ansonsten jeden Stromfluß durch die Widerstandsbrücke unterbindet. Indem das Muster der Datensignale des Bildes synchron zu dem Fortschreiten des Strobe-Signals von Zeile zu Zeile variiert wird, kann an jede Pixelzelle ein einzigartiges Signal angelegt werden, um den Widerstandsstrom durch jene Zelle mit einem einzigartigen Wert einzurichten. Die Ansteuerschaltungen sind so ausgelegt, daß sie ein Datensignal eines Bildes nur während der kurzen Periode erlangen können, wenn die Schaltung getaktet wird, so daß das sich verändernde Muster der Signale, während andere Zeilen getaktet werden, keine Wirkung auf das Signal besitzt, das von einem bestimmten Pixel erlangt wird. Jede Ansteuerschaltung umfaßt eine Abtast- und Halteschaltung, die das erlangte Datensignal des Bildes während der Zeitspanne hält, die erforderlich ist, um alle anderen Zeilen zu takten. Bei einer Einzelbildrate in der Größenordnung von 100 Hz halten die Abtast- und Halteschaltungen das Abklingen der von ihren jeweiligen Pixeln erlangten Videosignale auf einem Wert mit weniger als 1% Abweichung. Dies führt zu einem im wesentlichen flickerfreien Betrieb.
Eine schematische Darstellung der bevorzugten Ansteuerschaltung für jeden Pixel ist in Fig. 3 gezeigt. Die Schaltung ist vorzugsweise in einem Silicium-auf-Saphir-Wafer (SOS-Wafer) implementiert, bei dem die aktiven Schaltungselemente aus einer Siliciumschicht 12 auf dem Saphirsubstrat 10 gebildet sind.
SOS-Wafer sind derzeit verfügbar mit Durchmessern von 5 Zoll, und zukünftig werden möglicherweise größere Wafer produziert. Da ein isolierendes Substrat verwendet wird, ist das frühere Problem von Kurzschlüssen und kapazitiven Kopplungen, ausgehend von den Anschlußleitungen, im wesentlichen eliminiert, so daß die Verwendung von großen Arrays ermöglicht ist.
Jede Abtast- und Halteschaltung umfaßt einen ersten FET T1, dessen Source-Drain-Schaltung den Bilddateneingang mit einem Haltekondensator C1 verbindet. Das von C1 gehaltene Signal wird an das Gatter eines zweiten FET T2 angelegt und steuert den Betrag des durch T2 zugelassenen Stromflusses. Der Brückenwiderstand 30 ist zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Drain oder Source von T2 angeschlossen, in Abhängigkeit von der Transistorbeschaltung; das entgegengesetzte bzw. andere Source-Train-Terminal von T2 ist mit Masse verbunden. Somit wird der Betrag des durch den Widerstand 30 zugelassenen Stromflusses und demgemäß der Betrag der von dem Widerstand 30 emittierten IR-Strahlung gesteuert durch das von C1 gehaltene und an das Gate von T2 angelegte Videosignal.
Eine einfache Implementierung des Brückenwiderstandes 30 ist in Fig. 4 gezeigt. Der Widerstand besitzt einen mittleren Spannweitenabschnitt 34, der sich über die Oberfläche eines Saphirsubstrates 10 erhebt, und zwar mittels eines Paars von Beinen 36 an gegenüberliegenden Enden des mittleren Spannweitenabschnittes. Der Freiraum in Form eines vertikalen Luftspaltes zwischen dem mittleren Spannweitenabschnitt 34 und dem Substrat beträgt vorzugsweise etwa 2-5 Mikrometer, ein Wert, der hinreichend ist, um wesentliche thermische Leitungsverluste aus dem Widerstand in das Substrat zu verhindern. Das Verfahren zum Bilden eines solchen Brückenwiderstandes ist bekannt und beschrieben in dem US-Patent Nr. 4,239,312 von Myer et al., wobei das Patent auf Hughes Aircraft Company umgeschrieben worden ist, dem Anmelder der vorliegenden Erfindung. Der Brückenwiderstand könnte auch implementiert werden mit elektrisch leitenden, metallischen vertikalen Beinen und einem ebenen mittleren Spannweitenabschnitt aus Widerstandsmaterial. Da die Beine bei dieser Konfiguration eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, ergibt sich eine proportionale Reduktion der spannungsinduzierten thermischen Gradienten und somit eine Reduktion der mechanischen Spannungen bzw. Belastungen.
Während die bei dem IR-Simulator von Daehler verwendeten Widerstände auf Boron-dotiertes Silicium eingegrenzt waren, und zwar aufgrund des massiven Siliciumsubstrates, kann mit der vorliegenden Struktur ein Material des Widerstandes so ausgewählt werden, daß seine Chakteristik optimiert wird. Idealerweise sollte der Widerstand eine niedrige thermische Leitfähigkeit besitzen, um den Wärmetransfer zum Substrat einzugrenzen, eine elektrische Leitfähigkeit, die die Impedanz des Widerstandes an die Impedanz der Ansteuerschaltung anpaßt, einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, um zu verhindern, daß sich der Widerstand in bezug auf das Substrat niedrigerer Temperatur signifikant ausdehnt, und einen hohen Schmelzpunkt. Ein geeignetes Widerstandsmaterial ist Polysilicium, das eine hohe Schmelztemperatur besitzt, einen steuerbaren Widerstandswert, einen Widerstandswert mit kleiner Temperaturabhängigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Andere geeignete Materialien umfassen Graphit, das gute Temperatureigenschaften besitzt, sowie ein hohes Emissionsvermögen, Titanoxide, Tantaloxide, Siliciumoxide und Metall-Keramik- Verbundwerkstoffe (Cermets).
Um die thermischen Spannungen an dem Übergang zwischen dem Brückenwiderstand und dem Substrat zu minimieren, kann die Brücke hergestellt sein wie es in Fig. 5 gezeigt ist, daß also die Beine 36 der Brücke relativ dick sind dort, wo sie das Substrat kontaktieren, und in Richtung auf den mittleren Spannweitenabschnitt 34 sich in ihrer Querschnittsfläche progressiv verjüngen. Diese Anordnung vermindert den Widerstandswert der Beine, insbesondere in der Nachbarschaft des Substrates, und erhöht die mechanische Tragfestigkeit. Demgemäß werden ein Großteil des Spannungsabfalls und die sich ergebende hohe Temperatur an dem mittleren Spannweitenabschnitt 34 auftreten, was wünschenswert ist sowohl zur Verminderung von mechanischen Spannungen und zum Steigern der IR-Strahlung. Die Temperatur der Brücke wird entlang ihrer Beine niedriger werden, insbesondere in der Nähe des Substrates, da dort weniger Leistung in Verlustwärme umgesetzt wird.
Ein weiterer Schutz gegenüber Wärmeverlusten kann erhalten werden, indem man die Porosität des Widerstandsmaterials steigert durch Elektronenstrahlabscheidung oder andere geeignete Techniken. Eine gesteigerte Porosität vermindert die thermische Leitfähigkeit des Materials, macht es sogar weniger empfindlich bzw. empfänglich.
Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, ist die Widerstandsbrücke aus einer Grundbrücke 38 aus isolierendem Material wie SiO&sub2; gebildet, wobei eine dünne Widerstandsschicht 40 über der Grundbrücke 38 vorgesehen ist. Der Widerstandswert und die Dicke der Widerstandsschicht 40 sind so ausgewählt, daß der gewünschte Widerstandswert für die Brücke erzeugt wird. Eine sehr dünne Schicht aus Metall oder Keramik-Metall (Cermet), vorzugsweise mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 50 Ängström, wäre geeignet. Die isolierende Grundbrücke 38 sollte ihrerseits so dünn wie möglich ausgebildet werden, und zwar in Übereinstimmung mit den geforderten mechanischen Trageigenschaften, um ein schnelles Ansprechverhalten und eine niedrige thermische Leitfähigkeit bereitzustellen. Hierfür wäre geeignet SiO&sub2; mit einer Dicke von etwa 0,5-1 Mikrometer. Die Widerstandsschicht 40 könnte mit einer Schicht aus einem Material 42 mit einem hohen thermischen Emissionsvermögen beschichtet sein, wie Carbon-Black oder Gold-Black, um die Strahlungseffizienz der Brücke zu verbessern. Die Schicht mit thermischem Emissionsvermögen kann dann mit einer dichtenden Decke aus SiO&sub2; mit einer Dicke von etwa 50-100 Ängström abgedichtet sein.
Um auf dem Substrat Raum einzusparen und um für die Widerstandsbrücken mehr Fläche freizusetzen, sind die Ansteuerschaltungen 32 vorzugsweise unterhalb der Brücken angeordnet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Um die Ansteuerschaltkreise auf angemessenen Betriebstemperaturen zu halten, können sie gegenüber der Wärme des Widerstandes mittels einer zweiten Brücke 44 abgeschirmt sein, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Diese zweite Brücke ist sowohl gegenüber der Widerstandsbrücke 30 als auch gegenüber der Ansteuerschaltung 32 beabstandet und ist aus einem thermisch reflektierenden Material wie Aluminium gebildet. Zusätzlich dazu, daß die reflektierende Brücke 44 die Schaltungselemente gegenüber Überhitzung schützt, steigert sie die Pixelausgangsleistung, da der größte Teil der IR-Strahlung, den sie reflektiert, durch die dünne Widerstandsbrücke hindurch gelassen wird, so daß der Ausgang an IR-Strahlung gesteigert ist.
Fig. 9 stellt eine Alternative gegenüber der diskreten reflektierenden Brücke 44 dar. Eine elektrisch isolierende Schicht 46 wie SiO&sub2; wird über der Ansteuerschaltung 32 abgelegt, gefolgt von einer thermisch reflektierenden Schicht 48 wie Aluminium auf der isolierenden Schicht.
Zusätzliche Fläche auf dem Array kann eingespart werden und den abstrahlenden Widerstandselementen zugewiesen werden, indem man zumindest einige der Anschlußleitungen unter die Brückenwiderstände führt. Eine solche Anordnung ist in Fig. 10 dargestellt. Bei diesem Metallisierungsschema mittels einer einzigen Schicht verlaufen die Leitungen für Bilddaten, Leistung und für Masse für jeden Pixel 50 unterhalb der Widerstandsbrücke 30, wohingegen sich die Strobe-Leitung seitlich entlang des Widerstands erstreckt. Bei einer Metallisierung mit zwei Schichten könnten sämtliche vier Leitungen durch Isolationsschichten getrennt sein und unterhalb der Brücke verlaufen. Metallisierungstechniken mit einer und mit zwei Schichten sind im Stand der Technik bekannt. Um an Grundfläche weitere Einsparungen vorzunehmen, könnten sich benachbarte Pixel dieselben Leistungs- und Masseleitungen teilen.
Die bevorzugte Technik zum Herstellen des Arrays besteht darin, zunächst die Ansteuerschaltungen auf einem SOS-Wafer herzustellen. Das gesamte Substrat wird dann mit einer Abstandsschicht bedeckt, wie Kaliumchlorid oder Aluminium, wobei diese Schicht selektiv geätzt werden kann. Eine Resist-Schicht wird dann auf der Oberseite der Abstandsschicht abgelegt, um die Pixel zu definieren. Der Resist wird als nächstes an den beabsichtigten Orten von Widerstandsbrücken belichtet, der nicht belichtete Resist wird abgewaschen, und die Abstandsschicht unterhalb des entfernten Resists wird weggeätzt. Nach dem Entfernen des verbleibenden Resists wird das Brückenmaterial auf der verbleibenden Abstandsschicht durch eine Technik wie Sputtern oder Elektronenstrahlbedampfung überzogen, und zwar in Abhängigkeit von dem Brückenmaterial und von den gewünschten Eigenschaften. Zur Bildung der Brücken könnte auch eine Schattenmaskentechnik verwendet werden, mit dieser Technik ist es jedoch schwierig, die gewünschte hohe Pixeldichte und die kleinen Brückenabmessungen zu erzielen. Schließlich wird das verbleibende Abstandsmaterial durch Standardtechniken entfernt, wie das Anlösen von Kaliumchlorid oder das Wegätzen von Aluminium.
Bei dem beschriebenen IR-Simulationssystem kann 60-65% der Pixelfläche dem Widerstand zugewiesen werden. Im Ergebnis müssen die Widerstände zum Erzielen einer vorgegebenen effektiven Pixeltemperatur nicht auf so hohe Temperaturen erwärmt werden wie bei dem System des Standes der Technik, das sehr viel kleinere Widerstände verwendete. Die Widerstände können so zugeschnitten sein, daß eine Impedanzanpassung an die Ansteuerschaltung erzielt wird, wodurch der Wirkungsgrad des Bauteils signifikant verbessert wird. Die Probleme von kapazitiven und elektrischen Kurzsschlüssen, die mit den Anschlußleitungen einhergehen, sind gleichfalls wesentlich verringert. Das Bauteil ist so kalkuliert, daß es einen wirksamen thermischen Dynamikbereich von 1.000ºC im Bereich von 3-5 Mikrometern und 600ºC- 700ºC im Bereich von 8-12 Mikrometern besitzt (wobei das Substrat sich auf Raumtemperatur befindet). Vollbildraten von 200 Hz sind ohne lästiges Flickern erreichbar.
Die Brückenstruktur der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden als empfindlicher und raumeffizienter Detektor für elektromagnetische Strahlung, und zwar für IR, Mikrowellen und andere Wellenlängen. Durch geeignete Auswahl der Brückenabmessungen kann ein bestimmter Bereich von Wellen längen zur Erfassung ausgewählt werden, wobei diese Auswahl generell der Regel folgt, daß die Länge der Brücken wenigstens halb so lang sein sollte wie die gewünschte Wellenlänge. IR-Wellenlängen sind relativ kurz, so daß die Brücken in diesem Bereich generell beträchtlich größer sein werden als eine halbe Wellenlänge. Mikrowellen-Wellenlängen sind sehr viel länger, in der Größenordnung von cm, so daß Mikrowellen-Detektorbrücken nicht sehr viel größer sein müßten als eine halbe Wellenlänge. Bei der Verwendung einer refraktiven Linse oder, im Falle von Mikrowellen, eines fokussierenden Reflektors, kann die elektromagnetische Strahlung wenigstens teilweise fokussiert werden, um die Verwendung von kleineren Detektorbrücken zu gestatten.
Fig. 11 stellt einen Widerstandsbrücken-Detektor dar, der zu diesem Zweck verwendet werden kann. Die Brücke 52 besteht aus einem mittleren Spannweitenabschnitt 54 mit Trägerbeinen 56 an jedem Ende, die sich von einem Substrat 57 nach oben erstrecken, und aus einer Ausleseschaltung 58 auf dem Substrat unterhalb des Chips und zumindest teilweise von diesem gegenüber einfallender elektromagnetischer Strahlung abgedeckt.
Ein bevorzugtes Material für die Brücke ist amorphes Silicium, das einen relativ hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes besitzt, kompatibel ist mit der Verarbeitung von integrierten Schaltungen und mit gesteuerten mechanischen Spannungen gebildet werden kann. Auch andere amorphe Halbleiter sind geeignet, wie Ge, SiGe und SiC. Materialien, die für die Widerstandsbrücke generell ungeeignet sind, enthalten Metalle, und zwar aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit und einem niedrigen elektrischen Widerstandswert und einem niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes, Isolatoren, und zwar aufgrund der niedrigen Leitfähigkeit, als auch Metall- Keramik-Verbundmaterialien (Cermets), und zwar aufgrund des niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes. Das Substrat 57 ist für relativ kleine Abmessungen im IR-Bereich vorzugsweise Einkristall-Silicium, oder für größere Mikrowellen-Dimensionen eine Konstruktion von Silicium auf einem Isolator.
Eine Schicht 60 aus einem Material, das elektromagnetische Strahlung absorbiert, wie metallisches Schwarz oder schwarze Farbe für IR, ist auf dem mittleren Spannweitenabschnitt der Brücke vorgesehen, der die Zielfläche für elektromagnetische Strahlung darstellt, um durch elektromagnetische Strahlung induzierte Temperaturveränderungen zu steigern. Es können auch verschiedene geometrische Konfigurationen der Brüche so konstruiert sein, daß sie dazu beitragen, den mittleren Spannweitenabschnitt gegenüber dem Substrat thermisch zu isolieren, und hierdurch das potentielle Maß an Erwärmung des mittleren Spannweitenabschnittes und damit die Empfindlichkeit des Bauteils zu steigern. Dieses Ziel kann erreicht werden, indem man die Querschnittsflächen der Beine, die den mittleren Spannweitenabschnitt tragen, sehr viel kleiner macht als die Fläche des mittleren Spannweitenabschnittes, der die Zielfläche für elektromagnetische Strahlung darstellt. In den Fig. 12(a) und 12(b) ist der mittlere Spannweitenabschnitt 54a rechteckförmig, wobei sich ein Paar von Trägerbeinen 56a von gegenüberliegenden Seiten des mittleren Spannweitenabschnittes erstreckt und dort ziemlich schmal ist, wo es auf den mittleren Spannweitenabschnitt trifft. Die Trägerbeine erweitern sich entlang des Substrates auf dieselbe Breite wie der mittlere Spannweitenabschnitt, um die Brücke sicherer zu halten. Im Gegensatz hierzu besitzt der mittlere Spannweitenabschnitt 54b in den Fig. 13(a) und 13(b) zwar dieselbe rechteckförmige Konfiguration, die Trägerbeine 56b bestehen jedoch aus schmalen Zungen 56b an jeder Ecke des mittleren Spannweitenabschnittes. In den Fig. 14(a) und 14(b) besitzt der mittlere Spannweitenabschnitt 56 (54c) eine generell serpentinenförmige Konfiguration, um seine wirksame Länge zu steigern und hierdurch seine thermische Isolierung zu erhöhen, und zwar indem die Länge des mittleren thermischen Pfades zwischen dem mittleren Spannweitenabschnitt und dem Substrat verlängert wird. Die Trägerbeine 56c bestehen aus schmalen Zungen bzw. Nasen an gegenüberliegenden Enden des mittleren Spannweitenabschnittes.
Über jedem der Trägerbeine wird eine dünne Metallschicht, typischerweise mit einer Dicke in der Größenordnung von 100 Ängström, errichtet, um einen elektrischen Nebenschluß zwischen dem mittleren Spannweitenabschnitt und der darunter liegenden Ausleseschaltung bereitzustellen. Dies vermindert eine I²R- Erwärmung in den Beinen signifikant. Da diese so dünn sind, leiten die Metallschichten selbst Wärme nicht in signifikantem Umfange.
Fig. 15 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausleseschaltung, die dazu verwendet werden kann, den Brückenwiderstandswert von jeder Detektorzelle zu überwachen und hierdurch den Pegel der von jener Zelle empfangenen elektromagnetischen Strahlung zu überwachen. Ähnliche Ausleseschaltungen würden in identischer Weise für jede der einzelnen Zellen vorgesehen werden. Die Schaltung besteht aus einem Grundspannungsteiler, der gebildet ist durch den variablen Brückenwiderstandswert RB in Reihe mit einem Lastwiderstand RL. An das Seriennetzwerk werden eine positive und eine negative Vorspannung Vb angelegt, wohingegen der Ausgang am Mittelpunkt der zwei Widerstände mittels eines Verstärkers A1 verstärkt und als Ausgangsspannung V0 abgegeben wird. Jede durch elektromagnetische Strahlung induzierte Änderung des Wertes von RB ändert die Brückenschaltung und stellt V0 entsprechend nach.
Es ist ein Computermodell erdacht worden, um die Leitfähigkeit eines Brückendetektors jenes Typs aus dünnem amorphen Silicium abzuschätzen. Die sich ergebende Abschätzung für das Ansprechverhalten der Brücke auf angelegte elektromagnetische Strahlung im Vakuum beträgt 4·10³ Volt/Watt, und zwar für eine Brücke aus amorphem Silicium mit einer thermischen Leitfähigkeit von etwa 0,0256 J/cm/ºK, einem thermischen Koeffizienten von 2%, einem Widerstandswert von 100 Ohm-cm, Abmeasungen von 100·40·1 Mikrometern und einer Vorspannung Vb von 5 Volt. Wenn man annimmt, daß das Johnson-Rauschen (oder Widerstands- Rauschen) eine einschränkende Quelle für das Rauschverhalten ist, beträgt die abgeschätzte dem Rauschen äquivalente Leistung in der Nähe von 3,4·10&supmin;¹&sup0; W, und das entsprechende Erfassungsverhalten beträgt 1,8·10&sup8; cm - Hz0,5/W für eine effektive Bandbreite von 100 Hz. Die minimal auflösbare Temperaturdifferenz bei einem Hintergrund von 300ºK liegt dann nahe an 0,17ºC, und der gesamte Leistungsverbrauch für einen Detektor-Array mit 320 · 160 Elementen beträgt in der Größenordnung von 2 Watt. Dieses abgeschätzte Leistungsvermögen ist für Anwendungen in ungekühlten bildgebenden IR-Systemen vergleichsweise geeignet. Eine detailliertere schematische Darstellung einer Ausgangsschaltung für jeden Widerstandsbrückendetektor ist in Fig. 16 angegeben. Die Widerstände R1 und R2 werden so gewählt, daß das Produkt der Transistor-Transkonduktanz und der Ausgangswiderstandswerte maximiert ist. Der obere Transistor T2 stellt eine große dynamische Last, jedoch eine relativ geringe statische Last für den unteren verstärkenden Transistor T1 bereit, was zu einer großen Verstärkung bzw. einem großen Gewinn führt.
Da der Detektor-Array eine große Anzahl von Ausgangsschaltungen dieses Typs besitzen wird, und zwar eine für jeden Brükkendetektor, sind die Ausgangsschaltungen in einer Matrixkonfiguration angeordnet, wobei ein Strobe-Signal bzw. Taktsignal S an einen Ausgangstransistor T3 angelegt wird, um zu einer gewünschten Taktzeit einen Ausgang von der jeweiligen individuellen Ausleseschaltung zu erhalten. Ein Kondensator C über dem Drain und dem Gate des Verstärkertransistors T1 stellt einen großen äquivalenten Kapazitätswert bereit und einen entsprechend niedrigen Pegel an Johnson-Rauschen; der Takt- Auslesevorgang über T3 entlädt gleichfalls den Kondensator C (bzw. setzt diesen zurück). Der äquivalente Kapazitätswert der Schaltung ist gegeben durch die Formel C(1+A), wobei A die Verstärkung des Verstärkers ist.
Ein physikalischer Aufbau, mittels dessen T1 und C monolithisch in derselben Struktur integriert werden können, ist in Fig. 17 gezeigt. Eine Gate-Metallisierung 58 ist über einer Oxidschicht 60 auf dem Substrat ausgebildet, wobei eine stark dotierte Halbleiterschicht 62 unterhalb eines Abschnittes der Metallisierung 58 und des Oxids 60 liegt und sich lateral zu einer Seite hin erstreckt. Eine Gate-Verbindung wird hergestellt an der Metallisierungsschicht 58, eine Drain-Verbindung wird hergestellt an der dotierten Halbleiterschicht 62, und eine Source-Verbindung wird hergestellt an einer stark dotierten Region 64 an der der Drain-Schicht 62 gegenüberliegenden Seite der Oxidschicht 60. Der Transistorkanal umfaßt den Abschnitt des Substrates zwischen Drain 62 und Source 64, wohingegen der Kondensator C etabliert wird durch die ausgerichteten Abschnitte von Gate-Metallisierung 58 und Drain-Schicht 62.
Während das Bereitstellen eines großen äquivalenten Kapazitätswertes in der Schaltung der Fig. 16 zu einer signifikanten Verminderung des Johnson-Rauschens führt, ist dies dennoch ein begrenzender Faktor beim Betrieb der Schaltung. Eine alternative Ausleseschaltung ist in Fig. 18 gezeigt, die den Pegel des Johnson-Rauschens weiter vermindert. Diese Schaltung verwendet einen zweistufigen Verstärker, wobei der Kondensator C über dem zweiten Verstärker A2 angeschlossen und ein Eingangswiderstand R2 für A2 vorgesehen ist. Das Johnson-Rauschen wird um einen Faktor von R2/RL reduziert. Zusätzlich kann der Kapazitätswert von C verringert werden, bei einer entsprechenden Reduktion der für den Kondensator erforderlichen Chipfläche, und zwar bis zu dem Punkt, bei dem die Gesamtverstärkung des zweistufigen Verstärkers der Fig. 18 die Verstärkung des einstufigen Verstärkers überschreitet, der oben erläutert wurde.
Fig. 19 zeigt eine andere Form von Brückendetektor für elektromagnetische Strahlung, der, wie der oben erwähnte Detektor mit Widerstandsbrücke, so dimensioniert werden kann, daß verschiedene Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung erfaßt werden. Der Sensor besteht im Grunde aus der Thermoelementbrücke 66, die in Antwort auf den Empfang von elektromagnetischer Strahlung eine thermisch induzierte Spannung erzeugt. Die Brücke besteht aus einer Brückenstruktur mit sich abwechselnden Schichten aus unähnlichen Materialien. Obgleich theoretisch beliebige zwei unterschiedliche Materialien verwendet werden könnten, um eine thermische Übergangs- bzw. Lötstellenspannung zu erzeugen, hat man generell herausgefunden, daß Übergänge von Metall auf Halbleitermaterialien die höchsten Spannungspegel erzeugen. Die Brücke wird vorzugsweise hergestellt als Stapel von Schichten, wobei sich dünne Metallschichten 68, wie Platinschichten, mit Halbleiterschichten 70, wie Schichten aus amorphem SiGe, abwechseln. Die Metallschichten haben vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,1 bis 0,2 Mikrometer, wohingegen die Halbleiterschichten eine Dicke von etwa 0,5-2 Mikrometer besitzen, um eine hinreichende mechanische Festigkeit zu erreichen. Über dem Thermoelementstapel wird eine stark dotierte Halbleiter-Rückenkontaktschicht 72 montiert, die wiederum von einer Schicht 74 aus einem strahlungsabsorbierenden Material kappenartig überdeckt wird. Die Rückenkontaktschicht 72 kann gebildet werden durch eine Niederenergie-Ionenimplantierung bis auf eine Tiefe in der Größenordnung von 0,1 Mikrometer. Eine Öffnung oder eine Durchkontaktierung ("via") 76 wird in der strahlungsabsorbierenden Beschichtung 74 ausgebildet, um einen Durchgang für eine elektrische Anschlußleitung 78 bereitzustellen, um einen Kontakt zu der Rückenkontaktschicht 72 herzustellen. Auf dem Substrat ist eine Ausleseschaltung 80 vorgesehen, die unterhalb der Brücke 66 angeordnet ist und wenigstens teilweise von der Brücke 66 abgedeckt ist, um die durch elektromagnetische Strahlung induzierte Thermoelement-Spannung zu überwachen.
Eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausleseschaltung für diese Ausführungsform ist in Fig. 20 angegeben. Ein Lastwiderstand 1% ist in Reihe verbunden mit der Thermoelementlötstelle bzw. dem Thermoelementübergang, der dargestellt ist durch eine variable Spannungsquelle 82. Eine Quelle 84 für eine Vorspannung ist über dieser Spannungsteilerschaltung angeschlossen, wobei die Spannung V0 über RL als Anzeige der durch elektromagnetische Strahlung über der Lötstelle induzierten Spannung überwacht wird.
Der Detektor-Array der vorliegenden Erfindung kann auch implementiert werden als Schottky-Grenzschichtbrücke bzw. Schottky-Übergangsbrücke 86, wie es in Fig. 21 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine Halbleiterschicht 88 über einer brückenförmigen Metallschicht 90 ausgebildet, um einen Schottky-Übergang bzw. eine Schottky-Grenzschicht zu bilden. Die Halbleiterschicht 88 sollte eine kleine Bandlücke besitzen, um über der Grenzschicht einen hohen Leckstrom zu erreichen, bei entsprechend hoher Empfindlichkeit. Zu diesem Zweck sind Halbleiter wie amorphes Germanium oder amorphes Zinn geeignet. Anstelle der Metallschicht 90 kann auch ein stark dotierter Halbleiter verwendet werden, der im wesentlichen leitend ist. Wie bei der Ausführungsform mit dem Thermoelement ist über der Brücke eine dotierte Rückenkontaktschicht 92 vorgesehen sowie eine strahlungsabsorbierende Schicht 94, wobei ein Anschluß 96 die Rückenkontaktschicht durch eine Durchkontaktierung 98 in der strahlungsabsorbierenden Beschichtung elektrisch kontaktiert.
Die Ausleseschaltung 100 für jede Brücke ist wiederum vorzugsweise unterhalb der Brücke angeordnet und zumindest teilweise von dieser abgedeckt. Eine vereinfachte Form einer geeigneten Ausleseschaltung ist in Fig. 22 dargestellt. Die Schottky-Grenzschichtbrücke, dargestellt durch eines Schottky- Diode 102, ist in Reihe verbunden mit einem Lastwiderstand RL. Eine Spannungsquelle 104 ist über der Reihenschaltung angeschlossen, um die Schottky-Grenzschicht in Gegenrichtung vorzuspannen. Veränderungen des Schottky-Leckstromes treten als Ausgangsspannung V0 über RL auf, wobei diese Spannung als Anzeige der auf die Brücke einfallenden elektromagnetischen Strahlung überwacht wird.
Die Detektorbrücken werden bei jeder der drei Ausführungsformen, Widerstand, Thermoelement und Schottky-Grenzschicht, auf ähnliche Weise hergestellt wie die zuvor beschriebenen IR- Simulatorbrücken. Es werden Abstandsschichten an den beabsichtigten Orten von Brücken vorgesehen, die Brücken werden über den Abstandsschichten ausgebildet, und das Abstandsmaterial wird dann gelöst oder weggeätzt.
Es kann eine Quelle 106 für elektromagnetische Strahlung auf den Array 108 der beschriebenen Detektoren für elektromagnetische Strahlung abgebildet werden bzw. gerichtet werden, indem man in den Pfad der in Richtung auf den Detektor-Array wandernden elektromagnetischen Strahlung eine kollimierende bzw. sammelnde Linse 110 anordnet. Obgleich an dem Detektor- Array 108 aus Gründen einer einfachen Darstellung nur eine kleine Anzahl von einzelnen Detektorbrücken gezeigt ist, hätten die Arrays in der Praxis eine große Anzahl von einzelnen Brükkendetektoren. Die tatsächliche Anzahl würde bei jeder bestimmten Anwendung von den geforderten Brückenabmessungen für die zu erfassende Strahlung abhängen, von den verfügbaren Dimensionen für den Gesamt-Array und von der gewünschten Auflösung. Ein Array von 360·160 einzelnen Detektorelementen könnte als typisch angesehen werden.
In der Praxis ist es aufgrund der Empfindlichkeit des Widerstandswertes des Brückenwiderstandes und jener des Lastwiderstandes gegenüber Veränderungen in ihren Abmessungen als auch aufgrund von Veränderungen der Ausgangsspannung der Pixelschaltungen aufgrund von Ungleichförmigkeiten der Vorspannung und der Verstärkungen der Verstärker wichtig, an Bord eine Kompensationstechnik zu besitzen, um die sich ergebenden Ungleichförmigkeiten des Bildes zu korrigieren. Da die dimensionsmäßigen Veränderungen klein sind und prinzipiell auch durch mechanische und/oder thermische Umgebungsspannungen bzw. Belastungen hervorgerufen sein könnten, ist es notwendig, auf einer periodischen Basis zu korrigieren. Um solche Ungleichförmigkeiten zu korrigieren, kann vor dem Detektor-Array ein Verschluß angeordnet werden und periodisch geschlossen werden, um eine Schwarz-Auslesung zu erhalten. Diese Auslesung wird in einem ROM oder einer anderen geeigneten Speichereinrichtung gespeichert und dazu verwendet, Auslesewerte bei geöffnetem Verschluß zu kompensieren. Der Betrieb des Systems wird vorzugsweise in analoger Form durchgeführt, wobei Kalibrierungsinformation digital gespeichert wird. Bei einer Videoabtastrate von 30 Vollbildern pro Sekunde müssen erneute Kalibrierungen vermutlich einmal pro Stunde durchgeführt werden.
Die elektrischen Eingangs- und Ausgangsleitungen können geeignet entlang des Substrates verlaufen, wobei sie unterhalb der einzelnen Detektorbrücken durchgeführt werden, um Substratfläche einzusparen, ähnlich wie es in den Fig. 2 und 10 für den IR-Simulator-Array gezeigt ist. Typischerweise würden Leistungsleitungen, Masseleitungen, Ausgangsleitungen und Strobe- Leitungen verwendet werden.

Claims

1. Detektor für elektromagnetische Strahlung, mit:

einem Substrat (57),

einer Brückenstruktur (52; 66; 86) für elektromagnetische Strahlung, wobei die Brückenstruktur (52; 66; 86) einen Abschnitt des Substrats (57) überbrückt, von dem Substrat durch einen generell thermisch isolierenden Zwischenraum getrennt ist und eine definierte Charakteristik besitzt, die in Übereinstimmung mit dem Betrag an elektromagnetischer Strahlung variiert, die von ihr empfangen wird,

Mitteln (56) zum Emporheben der Brückenstruktur (52; 66; 86) über das Substrat (57), wobei die Brückenstruktur (52; 66; 86) und die Emporhebungsmittel (56) dasselbe Material aufweisen, und

Mitteln (58, 80, 100) zum Überwachen der definierten Charakteristik, wobei die Überwachungsmittel (58, 80, 100) auf dem Substrat (57) angeordnet sind.

2. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenstruktur eine Widerstandsbrücke (52) aufweist.

3. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenstruktur (52) und die Emporhebungsmittel (56) einen mittleren Spannweitenabschnitt (54) mit einer Zielfläche zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung und eine Vielzahl von Trägerbeinen (56) aufweisen, die den mittleren Spannweitenabschnitt (54) über das Substrat (57) emporheben, wobei die Geometrie des; mittleren Spannweitenabschnittes (54) und die der Trägerbeine (56) so ausgewählt sind, daß die Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch den mittleren Spannweitenabschnitt (54) in Relation zu thermischen Verlusten von dem mittleren Spannweitenabschnitt (54) an das Substrat (57) durch die Trägerbeine (56) gesteigert ist.

4. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der Trägerbeine (56) wesentlich kleiner sind als die Zielfläche des mittleren Spannweitenabschnittes (54), um den mittleren Spannweitenabschnitt (54) gegenüber dem Substrat (57) thermisch zu isolieren.

5. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den mittleren Spannweitenabschnitt (54a) ein Paar von Trägerbeinen (56a) vorgesehen ist, die generell an gegenüberliegenden Seiten des mittleren Spannweitenabschnittes (54a) zentriert angeordnet sind.

6. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Spannweitenabschnitt (54b) generell einen rechteckigen Abschnitt aufweist, wobei benachbart zu jeder Ecke des Rechteckes ein Trägerbein (56b) vorgesehen ist.

7. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Spannweitenabschnitt (54c) eine generell serpentinenartige Konfiguration besitzt, um die effektive Länge des mittleren Spannweitenabschnittes (54c) zu erhöhen und thermische Leitungsverluste von dem mittleren Spannweitenabschnitt (54c) zu verringern.

8. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel (58; 80; 100) eine Überwachungsschaltung auf dem Substrat (57) aufweisen, und ferner mit einer dünnen Schicht (72; 92) aus leitendem Material auf den Trägerbeinen (56), die den mittleren Spannweitenabschnitt (54) elektrisch mit der Überwachungsschaltung (58; 80; 100) verbindet, wobei die Schichten (72; 92) aus leitendem Material dünn genug sind, um die thermische Isolierung des mittleren Spannweitenabschnittes (54) gegenüber dem Substrat (57) im wesentlichen aufrechtzuerhalten.

9. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel (58) einen Widerstand (RL), der mit der Widerstandsbrücke (52) unter Bildung einer Spannungsteilerschaltung seriell verbunden ist, Mittel zum Anlegen einer Spannung (Vb) an die Spannungsteilerschaltung und Mittel (A&sub1;) aufweist, um die Spannung über dem Widerstand (RL) als Funktion der elektromagnetischen Strahlung zu überwachen, die von der Widerstandsbrücke (52) empfangen wird.

10. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel (58) eine Mehrstufenverstärker-Ausleseschaltung aufweisen, um das Johnson-Rauschen zu reduzieren, das mit der Spannungsteilerschaltung einhergeht.

11. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbrücke (52) aus einem amorphen Halbleitermaterial gebildet ist.

12. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenstruktur (66; 86) ein Sperrschicht-Bauelement aufweist, das eine elektrische Charakteristik besitzt, die in Übereinstimmung mit dem Betrag an elektromagnetischer Strahlung variiert, die von dem Sperrschicht-Bauelement empfangen wird, und daß die Überwachungsmittel (80; 100) Mittel zum Überwachen der elektrischen Charakteristik aufweisen.

13. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrschicht- Bauelement eine Kontaktstelle ungleicher Materialien aufweist, die ausgewählt sind, um eine thermisch induzierte Spannung zu erzeugen, und konfiguriert sind, um sich in Antwort auf angelegte elektromagnetische Strahlung innerhalb eines gewünschten Wellenlängenbereiches zu erwärmen, und daß die Überwachungsmittel (80; 100) Mittel zum Erfassen einer thermisch induzierten Spannung in dem Sperrschicht-Bauelement aufweisen.

14. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrschicht-Bauteil eine Halbleiter-Metall-Kontaktstelle aufweist.

15. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrschicht-Bauteil eine stapelartig angeordnete Vielzahl von abwechselnd Halbleiter- und Metallschichten (68, 70; 88, 90) aufweist.

16. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel (80; 100) einen Widerstand (RL), der mit dem Sperrschicht- Bauelement unter Bildung einer Spannungsteilerschaltung seriell verbunden ist, Mittel (84; 104) zum Anlegen einer Spannung an die Spannungsteilerschaltung und Mittel zum Überwachen der Spannung über dem Widerstand (RL) als Funktion der von dem Sperrschicht-Bauelement empfangenen elektromagnetischen Strahlung aufweisen.

17. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrschicht- Bauelement eine Schottky-Dioden-Brückenstruktur (86) aufweist und daß die Überwachungsmittel (100) Mittel (104) aufweisen, um die Schottky-Dioden-Brückenstruktur (86) in Sperrichtung zu betreiben und deren Leckstrom als Funktion der durch elektromagnetische Strahlung induzierten Erwärmung zu überwachen.

18. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Kontakt- Brückenstruktur (86) benachbarte Schichten (88, 90) aus einem Halbleiter mit einem Metall oder einem dotierten Halbleiter- Leiter aufweist, wobei sich die Schichten (88, 90) entlang einer Schottky-Kontaktstelle treffen.

19. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial amorphes Germanium oder amorphes Zinn ist.

20. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für elektromagnetische Strahlung empfindliche Brückenstruktur (52; 66; 86) eine Schicht (60; 74; 94) aus einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Material zum Empfangen von elektromagnetischer Strahlung und zum Aktivieren des Restes der Brückenstruktur (52; 66; 86) aufweist, um die definierte Charakteristik in Antwort auf elektromagnetische Strahlung zu variieren, die von dem absorbierenden Material empfangen wird.

21. Detektor für elektromagnetische Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel (58; 60; 100) eine Ausleseschaltung (58; 60; 100) aufweisen, die auf dem Substrat (57) wenigstens teilweise unter der Brükkenstruktur (52; 66; 86) und hierdurch wenigstens teilweise gegenüber angelegter elektromagnetischer Strahlung im Schatten liegend angeordnet ist.

22. Zweidimensionaler Array zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung (emr) mit einem Substrat (57) und einem Array aus emr-Detektorzellen auf dem Substrat (57), wobei jede der Zellen einen Detektor für elektromagnetische Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 aufweist.

23. Array zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel (58; 80; 100) jeweilige Überwachungsschaltungen (58; 80; 100) bei jeder Zelle aufweisen und daß die Überwachungsmittel (58; 80; 100) eine Mehrfachstufenverstärker-Ausleseschaltung aufweisen, um das Johnson-Rauschen zu reduzieren, das mit der Spannungsteilerschaltung einhergeht.

24. Array zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsmittel (58; 80; 100) Betätigungs- und Überwachungs- Anschlußleitungen aufweisen, die sich entlang des Substrates (57) erstrecken, um Antwortverhalten der Brückenstrukturen (52; 66; 86) auf empfangene elektromagnetische Strahlung auszulösen und die Antwortverhalten zu überwachen, wobei sich wenigstens einige der Leitungen unter wenigstens einigen der Brückenstrukturen (52; 66; 86) erstrecken.

25. Array zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Array eine Linse (110) aufweist, um eine Quelle (106) für elektromagnetische Strahlung auf den Array abzubilden.