DE69724926T2

DE69724926T2 - Thermoelektrischer Fühler

Info

Publication number: DE69724926T2
Application number: DE69724926T
Authority: DE
Inventors: Ulrich MÜNCH; Dominik Jaeggi; Niklaus Schneeberger
Original assignee: EM Microelectronic Marin SA
Current assignee: EM Microelectronic Marin SA
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-03-01
Also published as: DE69724926D1; NO980851D0; EP0863389B1; IL123214A; SG60199A1; IL123214A0; EP0863389A1; JPH10260084A; ATE250213T1; US6040579A; NO980851L; CA2230545A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Sensor, der aus einer Membran gebildet ist, die mehrere thermoelektrische Elemente umfasst, die ihrerseits mehrere entsprechende Elementarzellen definieren. Im Allgemeinen ist jedes thermoelektrische Element aus mehreren Thermoelementen gebildet und definiert eine von den anderen verschiedene elementare Oberfläche.
Damit der Sensor eine empfangene Wärmeenergiemenge genau messen kann, ist es notwendig, jede Elementarzelle von den anderen so gut wie möglich thermisch zu isolieren. Es muss nämlich vermieden werden, dass die von einer Elementarzelle aufgenommene Wärmeenergie sich anschließend zu den anderen Elementarzellen ausbreitet und erneut erfasst wird.
Die thermoelektrischen Sensoren, die durch eine Membran gebildet sind, die mehrere thermoelektrische Elemente umfasst, unterliegen tatsächlich dem oben erwähnten Problem, sofern die Membran selbst keine Ausbreitung der empfangenen Wärmeenergie in einem wärmeleitenden Substrat ermöglicht, wodurch vermieden würde, dass sich die empfangene Wärmeenergie auf Höhe der Membran selbst ausbreitet.
In 1 ist schematisch und vereinfacht ein thermoelektrischer Sensor des Standes der Technik gezeigt, der in dem Dokument von A. D. Oliver u. a. mit dem Titel "A bulk micromachined 1024-element uncooled infrared imager" beschrieben ist, genauer ist die in 3 dieses Dokuments beschriebene Ausführungsform gezeigt.
In 1 der beigefügten Zeichnung umfasst der thermoelektrische Sensor 2 des Standes der Technik eine von einem Substrat 6 unterstützte Membran 4. Auf der Membran 4 sind mehrere thermoelektrische Elemente 8 angeordnet. Auf der Rückseite der Membran 4, d. h. auf Seiten des Trägers 6, sind mehrere Siliciumstäbe 10 vorgesehen. In der Ebene der Membran 4 begrenzen diese Stäbe 10 die Mehrzahl der Elementarzellen und definieren somit Wärmeleiter, die die Abführung der empfangenen Wärmeenergie durch die thermoelektrischen Elemente ermöglichen. Das Silicium ist ein Wärmeleiter und hat den Vorteil, auch für die Anordnung elektronischer Mittel, insbesondere für die Adressierung verschiedener thermoelektrischen Elemente, verwendet werden zu können.
Der thermoelektrische Sensor 2 weist indessen verschiedene Nachteile auf. Zunächst erfordert seine Herstellung Mikrobearbeitungsschritte auf der Vorderseite und auf der Rückseite der Membran, was gewöhnlich zusätzliche Schwierigkeiten für die Produktion solcher Strukturen zur Folge hat. Zweitens ist zwar Silicium ein korrekter Wärmeleiter, sein Wärmeleitungskoeffizient ist jedoch verhältnismäßig gering. Schließlich bilden die Siliciumstäbe 10 Wärmebrücken zwischen benachbarten thermoelektrischen Elementen. Somit ermöglichen die Siliciumstäbe 10 zwar eine bestimmte Abführung der vom Sensor 2 empfangenen Wärmeenergie, sie isolieren die Elementarzellen voneinander jedoch verhältnismäßig schlecht, was dem Wirkungsgrad und der Genauigkeit dieses Sensors 2 abträglich ist.
FR-A-2 555 312 offenbart einen statischen Sensor im Infrarotbereich, der Metalldrähte umfasst.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen thermoelektrischen Sensor zu schaffen, der ebenfalls durch eine Membran gebildet ist, die mehrere verschiedene thermoelektrische Elemente umfasst und eine genaue thermoelektrische Messung, d. h. eine sehr gute Wärmeisolation der verschiedenen Elementarzellen dieses Sensors, ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung hat außerdem zum Ziel, die Mikrobearbeitungsschritte der Rückseite der Membran soweit wie möglich zu beseitigen. Schließlich hat die Erfindung auch zum Ziel, thermoelektrische Sensoren zu schaffen, die industriell durch Mittel herstellbar sind, die der Fachmann beherrscht, so dass Sensoren verhältnismäßig kostengünstig für hohe Leistungen erhalten werden können.
Hierzu hat die vorliegende Erfindung einen thermoelektrischen Sensor nach Anspruch 1 zum Gegenstand.
Die abhängigen Ansprüche definieren zusätzliche Ausführungsformen.
Kraft der Merkmale des Gegenstandes der Erfindung ist die Abführung der eintretenden Wärmeenergie durch die leitenden Metalldrähte viel höher als die Abführung dieser Wärmeenergie durch eine analoge Struktur aus Silicium wie im Stand der Technik, da Gold insbesondere eine viel höhere Wärmeleitung als Silicium besitzt. Außerdem benötigt der thermoelektrische Sensor gemäß der Erfindung keinen besonderen Mikrobearbeitungsschritt der Rückseite der Membran, um die Leitung der empfangenen Wärmeenergie zu dem die Membran unterstützenden Substrat zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass jede Elementarzelle von jeder benachbarten Elementarzelle durch zwei parallele Metalldrähte, die durch einen Zwischenbereich mit geringer Wärmeleitung getrennt sind, thermisch isoliert ist.
Kraft dieses letzten Merkmals ist die Wärmeisolation zwischen benachbarten Elementarzellen sehr wirksam, da zwischen benachbarten Elementarzellen im Gegensatz zu dem oben genannten Fall des Standes der Technik keine Wärmeleitungsbrücke vorhanden ist.
Gemäß einem besonderen Merkmal ist vorgesehen, die metallischen Drähte oder Leitungen auf einer oberen Passivierungsschicht der Membran durch galvanisches Wachstum gemäß einer Technik, die dem Fachmann im Gebiet der Anordnung von Anschlusshöckern oder -flecken insbesondere auf integrierten Schaltungen für die Ermöglichung externer elektrischer Anschlüsse bekannt ist, anzuordnen.
Die vorliegende Erfindung wird nun genauer mit Hilfe der folgenden Beschreibung erläutert, die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird, die beispielhaft und nicht beschränkend angegeben ist und worin:
1, die bereits beschrieben wurde, schematisch einen Querschnitt eines thermoelektrischen Sensors des Standes der Technik zeigt;
2 und 3 Teildraufsichten eines thermoelektrischen Sensors gemäß der Erfindung sind und
4 und 5 Teilschnitte längs der Schnittlinien IV-IV bzw. V-V in den 2 und 3 sind.
Der thermoelektrische Sensor 12 ist durch eine Membran 14 gebildet, die von einem Substrat 16 unterstützt ist und mehrere Elementarzellen 18 umfasst. Jede Elementarzelle 18 ist aus einem thermoelektrischen Element 20 gebildet, das aus mehreren Thermoelementen aufgebaut ist. Jede Elementarzelle 18 definiert eine jeweils andere elementare Oberfläche der Membran 14, die durch Golddrähte 22 und 23 begrenzt ist. Diese Golddrähte 22 und 23 sind auf der vorderen Fläche 25 der Membran 14 angeordnet. Sie dienen dazu, benachbarte Elementarzellen thermisch zu isolieren, um eine präzise Messung sicherzustellen.
Es wird angemerkt, dass in einer hier nicht im Einzelnen beschriebenen Ausführungsform ein einziger Golddraht 22 vorgesehen werden kann, um benachbarte Elementarzellen thermisch zu isolieren. Die hier mit Hilfe der 2 bis 5 gezeigte Ausführungsform wird jedoch bevorzugt, da die in dieser Ausführungs form vorgesehene Anordnung nicht nur die Beseitigung der vom Sensor 12 empfangenen Wärmeenergie mit großem Wirkungsgrad, sondern auch eine Wärmeisolierung der Elementarzellen untereinander ermöglicht. Die Anordnung von zwei parallelen Golddrähten, die durch einen Zwischenbereich 28 mit geringer Wärmeleitung getrennt sind, gewährleistet nämlich eine gute Wärmeisolation zwischen zwei benachbarten Elementarzellen. In der hier gezeigten Ausführungsform bildet der Zwischenbereich 28 einen Kanal. In anderen Ausführungsformen kann dieser Zwischenbereich mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt sein. Somit sind die Goldleitungen 22 von den Goldleitungen 23 thermisch isoliert, so dass die Goldleitungen 22 und 23 keine Wärmebrücke zwischen benachbarten Elementarzellen bilden.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Goldleitungen 22 und 23 durch einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten gekennzeichnet. Die mehreren Elementarzellen sind matrixförmig angeordnet, wobei die Goldleitungen 22 und 23, die die elementaren Oberflächen dieser Elementarzellen trennen, ein Gitter aus ersten Leitungen, die in einer ersten Richtung orientiert sind, und aus zweiten Leitungen, die in einer zweiten, hierzu senkrechten Richtung orientiert sind, weshalb sich diese ersten und zweiten Leitungen rechtwinklig schneiden, bilden.
Es wird angemerkt, dass der Fachmann weiß, wie thermoelektrische Elemente anzuordnen sind, die aus mehreren Thermoelementen in einer Membran gebildet sind, die insbesondere aus Silicium, Polysilicium und/oder Siliciumoxid gebildet ist.
Die Membran 14 besitzt eine obere Passivierungsschicht 30, die die thermoelektrischen Elemente 20 abdeckt. Die Golddrähte 22 und 23 befinden sich auf der Passivierungsschicht 30.
Die Golddrähte können durch galvanisches Wachstum gemäß einer dem Fachmann im Gebiet bekannten Technik erhalten werden. Diese Technik ermöglicht, Golddrähte mit nennenswerter Höhe zu erhalten. Vorzugsweise ist die Höhe der Drähte oder Leitungen, die die Elementarzellen trennen, größer oder gleich 10 μm. Jede andere Technik zum Bilden der Golddrähte, die dem Fachmann bekannt ist, kann jedoch ebenfalls für die Herstellung des Sensors gemäß der Erfindung verwendet werden.
In verschiedenen Ausführungsvarianten liegt die Breite 34 der Golddrähte 22 und 23 im Bereich von 10 μm bis 50 μm. Die Breite 36 des Zwischenbereichs 28 zwischen den Drähten 22 und 23 liegt im Bereich von 10 μm bis 50 μm. Ein solcher Bereich ermöglicht eine korrekte Sicherstellung der Wärmeisolation zwischen den Drähten 22 und den Drähten 23 in den verschiedenen Ausführungsvarianten.
Jeder Golddraht oder jede Goldleitung 22 und 23 endet in zwei Anschlüssen 38, die durch die Struktur der Membran 14 verlaufen, die sich zum Substrat 16 erstreckt. Somit ist in der oben genannten Struktur eine Öffnung 40 vorgesehen, derart, dass der Anschluss 38, der ebenfalls aus Gold hergestellt ist, den Draht 22 oder 23 mit dem Substrat 16 thermisch verbindet, um die Abführung der von dem Sensor empfangenen Wärmeenergie zu ermöglichen.
Es wird angemerkt, dass in einer Ausführungsvariante vorgesehen ist, dass alle Anschlüsse 38 direkt durch einen Golddraht oder eine Goldleitung verbunden sind, die somit einen die mehreren Elementarzellen umgebenden Rahmen definieren. In einer solchen Ausführungsvariante können mehrere Öffnungen 40 längs des Rahmens vorgesehen sein. Es ist auch möglich, einen die Elementarzellen 18 umgebenden Graben in der die Membran 14 bildenden Struktur vorzusehen, der auf dem Substrat 16 verlängert ist, um eine maximale Wärmekopplung zwischen den Golddrähten und dem Substrat 16, das gewöhnlich aus einem Material auf Siliciumbasis gebildet ist, sicherzustellen.

Claims

Thermoelektrischer Sensor (12), der aus einer Membran (14) gebildet ist, die mehrere Elementarzellen (18) umfaßt, die jeweils aus mehreren thermoelektrischen Elementen (20) gebildet sind, wobei die mehreren Elementarzellen jeweils mehrere verschiedene Elementaroberflächen der Membran definieren, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elementarzelle von benachbarten Elementarzellen durch Metalldrähte, die auf einer Fläche der Membran angeordnet und mit einem die Membran tragenden Substrat (16) thermisch verbunden sind, thermisch isoliert ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elementarzelle (18) von jeder benachbarten Elementarzelle durch zwei Metalldrähte (22 und 23), die zueinander parallel und durch einen Zwischenbereich (28) mit geringer Wärmeleitung getrennt sind, thermisch isoliert ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldrähte (22, 23) aus Gold sind und auf der vorderen Fläche (25) der Membran (14) angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) eine obere Passivierungsschicht (30) besitzt, die die thermoelektrischen Elemente (20) bedeckt, wobei sich die Golddrähte (22, 23) auf der Passivierungsschicht befinden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldrähte (22, 23), die die Elementarzellen (18) trennen, durch galvanisches Wachstum erhalten werden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Drähte (22, 23) größer oder gleich 10 μm ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren thermoelektrischen Elemente (20) in Matrixform angeordnet sind, wobei die die Elementarzellen (18) trennenden Metalldrähte (22, 23) ein Gitter aus ersten Drähten und aus zweiten Drähten, die sich unter einem rechten Winkel kreuzen, bilden.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Metalldraht (22, 23) in zwei Anschlüssen (38) endet, die durch die Struktur der Membran (18) verlaufen und sich zum Substrat (16) erstrecken.