DE69736225T2

DE69736225T2 - Infrarot-bildwandler mit einem für zimmertemperatur geeigneten kapazitiven sensor

Info

Publication number: DE69736225T2
Application number: DE69736225T
Authority: DE
Inventors: J. Donald Allentown SAUER; U. Ramon Hightstown MARTINELLI; Robert Manalapan AMANTEA; A. Peter Trenton LEVINE
Original assignee: Sarnoff Corp
Current assignee: Sarnoff Corp
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: AU2723997A; JP2001516443A; EP0892917B1; US5965886A; US6249001B1; JP3738036B2; WO1997036155A1; US6498347B2; EP0892917A4; US5844238A; DE69736225D1; EP0892917A1; US20020033453A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen für Raumtemperatur geeigneten kapazitiven Sensor und insbesondere einen kostengünstig herstellbaren Infrarot-Bildwandler, der bei Raumtemperatur betrieben wird und eine wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit hat, die sich der theoretischen, durch den Hintergrund (bzw. Hintergrundstrahlung) begrenzten Leistungsfähigkeit annähert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Instrumente für die Messung von Infrarot-(IR-) Strahlung werden für eine Vielzahl kommerzieller und nicht-kommerzieller Anwendungen immer wichtiger. Die Forschung hinsichtlich der Entwicklung ungekühlter Sensoren, die im gesamten Infrarotspektrum reagieren, war aufgrund der Einschränkungen des Betriebs von Kühlsystemen besonders wichtig.
Während der letzten 40 Jahre wurde eine breite Palette von Infrarotdetektoren entwickelt. In den meisten Fällen können sie entweder als Quanten- oder als Wärmedetektoren eingestuft werden, je nachdem, ob die einfallende Strahlung in angeregte Zustände umgewandelt wird, die gesammelt werden, oder ob sie in Wärme umgewandelt und durch Veränderungen in der Temperatur erfaßt wird. Nur thermische Infrarotsensoren wirken bei Raumtemperatur im mittleren bis weiten Infrarotbereich (λ > 10 μm).
Der pneumatische Infrarotdetektor, der ursprünglich von Golay entwickelt wurde, wird als Thermodetektor eingestuft. Der Detektor von Golay besteht aus einem kleinen Hohlraum, der mit Gas gefüllt ist, das Raumtemperatur hat. Der Hohlraum ist durch ein Fenster und eine dünne, flexible Membran von der Umgebung getrennt. Die Membran ist auf einer Seite mit einem dünnen metallischen Film beschichtet, welcher über das gesamte Infrarotspektrum hinweg eine signifikante Absorption aufweist, wann immer der Flächenwiderstand des Films ungefähr die Hälfte der Impedanz des freien Raums beträgt. Das in der Golay-Zelle eingeschlossene Gas wird durch Kontakt mit der Membran erhitzt und thermisch ausgedehnt, was die Membran dazu zwingt, sich nach außen zu biegen bzw. zu wölben. Dieses Wölben bzw. diese Verbiegung wird für gewöhnlich mit optischen oder kapazitiven Wegaufnehmern erfaßt. Derzeit sind diese Detektoren unhandlich, zerbrechlich, schwierig herzustellen und teuer. Dennoch wurden sie weitverbreitet eingesetzt, und zwar in erster Linie aufgrund ihrer gegenüber allen anderen bei Raumtemperatur betriebenen Detektoren verbesserten Empfindlichkeit im mittleren bis weiten Infrarotbereich. Versuche, die Golay-Zelle zu verkleinern, um sie in Arrays einer Brennebene einzubauen, waren aufgrund der Skalierungsgesetze, welche die Empfindlichkeit herkömmlicher Wegaufnehmer (unmittelbar) mit deren aktiver Fläche verknüpfen, nicht erfolgreich. Der Bedarf nach Arrays von ungekühlten Detektoren in einer Brennebene förderte die Entwicklung von pyroelektrischen Detektorarrays, von denen die besten 5- bis 10-mal weniger empfindlich sind als die Golay-Zelle.
Derzeitige ungekühlte IR-Arrays in einer Brennebene nach dem Stand der Technik verwenden viele verschiedene thermische Erfassungsmechanismen, wie bolometrische (der Sensorwiderstand wird durch die Temperatur moduliert), pyroelektrische (die dielektrische Konstante wird durch die Temperatur moduliert) und thermoelektrische Effekte. Wie es oben diskutiert wurde, wurden die thermomechanischen Effekte unter Verwendung von Modifikationen der Golay-Zelle erforscht. Die Leistungsfähigkeit der auf diesen Technologien basierenden IR-Bildwandler ist im Vergleich zu Bildwandlern, die auf der direkten Photonenumwandlung basieren, wie PtSi-Detektoren, die bei 77 K betrieben werden, beschränkt, und sie ist auch erheblich schlechter als die durch den Hintergrund beschränkte theoretische Leistungsfähigkeit. Bei allen Ansätzen werden die grundlegenden Einschränkungen der Leistungsfähigkeit durch die Fähigkeit, den Detektor thermisch von seiner Umgebung zu isolieren, durch die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber einer Veränderung der Temperatur und durch die Einbringung von externen Rauschquellen bestimmt. Einen der Gründe für eine verminderte Leistungsfähigkeit stellen die parasitären thermischen Widerstandspfade, die den Trägerstrukturen der Abtastelemente innewohnen, dar. Ein weiterer Grund ist das elektronische Rauschen, das im Auslese-Abtastschaltkreis vorliegt.
Das Dokument EP 0 716 293 A1 , welches nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Erfindung veröffentlicht wurde und Teil des Standes der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ bildet, offenbart einen Strahlungsdetektor mit einem empfindlichen bimetallischen Auslegerarm, der an einem Ende mit einer fixierten, Strahlung absorbierenden Membran verbunden ist, sowie einen Referenz-Auslegerarm (der bimetallisch sein kann). Unter dem Einfluß von auf die Membran einfallender Strahlung nähert sich das freie Ende des empfindlichen Arms dem freien Ende des Referenzarms, um die elektrische Kapazität zwischen den beiden freien Enden zu verändern. Weitere Beispiele von Strahlungsdetektoren unter Verwendung eines aus zwei Materialien bestehenden Elements sind in der US 3,415,712 A offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Infrarotsensor bereitgestellt, der auf einem monolithischen, integrierten Halbleiterschaltkreissubstrat ausgebildet ist, und welcher aufweist:
einen Referenzkondensator, der eine obere elektrisch leitfähige Platte und eine untere elektrisch leitfähige Platte hat,
eine dielektrische Schicht, die auf der oberen elektrisch leitfähigen Platte des Referenzkondensators ausgebildet ist,
einen Wahrnehmungskondensator, der eine obere elektrisch leitfähige Platte und eine untere elektrisch leitfähige Platte hat, wobei die obere elektrisch leitfähige Platte des Wahrnehmungskondensators oberhalb der dielektrischen Schicht ausgebildet ist und die untere elektrisch leitfähige Platte die obere elektrisch leitfähige Platte des Referenzkondensators ist,
ein aus zwei Materialien bestehendes Element, welches eine obere Schicht und eine untere Schicht hat, und
ein Trägerelement, welches eine erste Seite hat, die mit dem Element aus zwei Materialien verbunden ist, und eine zweite Seite hat, die mit dem Substrat verbunden ist, um das aus zwei Materialien bestehende Element und die obere elektrisch leitfähige Platte des Wahrnehmungskondensators an dem Substrat zu verankern,
wobei das aus zwei Materialien bestehende Element und die obere elektrisch leitfähige Platte des Wahrnehmungskondensators ein biegbares Teil bilden.
Da der Infrarotsensor der vorliegenden Erfindung sowohl den Wahrnehmungskondensator als auch den Referenzkondensator verwendet, hat er den Vorteil, daß er einen Ausgleich lokaler räumlicher Verschiebungen bzw. Offsets und eine Reduzierung des dem Rauschen entsprechenden Temperaturunterschieds bereitstellt, wenn der Sensor verwendet wird, um eine bei Raumtemperatur betriebene thermische Abbildungseinrichtung bereitzustellen. Dieser Vorteil ist bei dem Detektor aus der EP 0 716 293 A1 , der nur einen einzigen Kondensator bereitstellt, nicht möglich.
Vorzugsweise beinhaltet der Sensor weiterhin einen wärmeabsorbierenden Film, der der Struktur gegenüberliegt, um den durch die Struktur absorbierten Strahlungsfluß zu erhöhen.
Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht an der unteren elektrisch leitfähigen Platte ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung besteht jede der unteren und oberen elektrisch leitfähigen Platten entweder aus einem Metall, aus Polysilicium oder Indiumzinnoxid.
Der Sensor kann weiterhin Schaltkreise umfassen, die mit dem Wahrnehmungskondensator, welcher die obere und die untere elektrisch leitfähige Platte umfaßt, verbunden sind, um eine Veränderung der Kapazität in Reaktion auf ein Wegbiegen des aus zwei Materialien bestehenden Elements und der oberen elektrisch leitfähigen Platte des Wahrnehmungskondensators zu erfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl solcher Sensoren in einem Array, vorzugsweise in Reihen und/oder Spalten angeordnet.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines Wandlers auf einem monolithischen, integrierten Halbleiterschaltkreissubstrat bereit, welches die Schritte aufweist: Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Platte einer Referenzkapazität auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreissubstrates, Ausbilden einer Isolierschicht über der elektrisch leitfähigen Platte der Referenzkapazität, Ausbilden einer ersten elektrisch leitfähigen Sensorplatte auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreissubstrats, Abscheiden einer dielektrischen Schicht, Abscheiden einer Freigabeschicht bzw. Trennschicht über der dielektrischen Schicht, Ausbilden einer Verbindungsschicht über einem ersten Bereich der Freigabeschicht, Ausbilden eines aus zwei Materialien bestehenden Elementes über einem Bereich der Verbindungsschicht und über einem zweiten Bereich der Freigabeschicht, Ausbilden einer zweiten elektrisch leitfähigen Sensorplatte über einem dritten Bereich der Freigabeschicht, Ausbilden eines Durchganges durch die Freigabeschicht und die dielektrische Schicht, wobei der Durchgang die Verbindungsschicht kontaktiert und einen Kontakt mit dem aus zwei Materialien bestehenden Element vermeidet, Ausbilden eines Trägerelementes über der Verbindungsschicht und des Durchganges, und welches mit dem aus zwei Materialien bestehenden Element in Kontakt steht, und chemisches Entfernen der Freigabeschicht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Erfassen bzw. Detektieren von Strahlung bereit, welches die Schritte aufweist: einen Infrarotsensor, wie er gemäß der Erfindung beschrieben ist, einer Quelle von Infrarotstrahlung Aussetzen, Überwachen eines Wegbiegens des biegbaren Teiles in Reaktion auf die Infrarotstrahlung durch Überwachen einer Kapazität des Wahrnehmungskondensators und Bestimmen eines Maßes der Strahlung aus der Kapazität des Wahrnehmungskondensators durch Vergleich der Kapazität des Wahrnehmungskondensators mit der Kapazität des Referenzkondensators.
Das Verfahren kann weiterhin den Schritt umfassen, daß zumindest eine Beschichtung auf dem wegbiegbaren Teil aufgebracht wird, wobei die zumindest eine Beschichtung aus einem Material hergestellt ist, welches mit der Strahlung in Wechselwirkung tritt, um die Verbiegung des wegbiegbaren Teiles zu verstärken, wobei der Schritt des (einer Strahlung) Aussetzens das Exponieren des beschichteten wegbiegbaren Teiles aufweist.
Das Verfahren kann weiterhin das Ausbilden eines Arrays der Infrarotsensoren aufweisen, wobei der Schritt des Aussetzens das einer Strahlung Aussetzen des Arrays von Infrarotsensoren umfaßt, um Signale zu entwickeln, die einem Infrarotbild entsprechen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern einen Hochleistungs-Infrarot-Bildwandler, der bei Raumtemperatur betrieben wird. Insbesondere verwendet eine Ausführungsform dieser Erfindung eine Infrarot-(IR-) Kapazitätsstruktur, um Veränderungen in der Temperatur zu erfassen. Wärmeenergie deformiert bzw. verformt die Struktur der vorliegenden Erfindung, was zu einer Verbiegung führt, die eine Wahrnehmungskapazität im Vergleich zu einer Referenzkapazität verändert.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen Infrarot-Kapazitätssensor bereit, der aus einem Streifen aus zwei Materialien besteht, welcher die Position einer Platte eines Wahrnehmungskondensators in Reaktion auf Temperaturveränderungen aufgrund von absorbierter einfallender thermischer Strahlung verändert. Die physikalische Struktur dieses Kapazitätssensors stellt einen hohen thermischen Strahlungswiderstand und eine hohe Wärmeempfindlichkeit bereit, indem ein Streifen aus zwei Materialien verwendet wird, der aus zwei Materialien mit einer großen Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z.B. Si₃N₄ und Al) besteht und der mechanisch von einem langen Streifen aus einem Material mit einem großen thermischen Widerstand (z.B. Si₃N₄) getragen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 veranschaulicht eine physikalische Struktur eines beispielhaften Kapazitätssensors aus zwei Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Pixels, die die verschiedenen Elemente aus 1 zeigt.
3(a) ist eine Draufsicht von oben auf ein lineares Array von Pixeln.
3(b) ist eine Draufsicht von oben auf ein zweidimensionales Array von Pixeln.
4 ist ein schematisches Schaltkreisdiagramm, welches geeignet ist, um die Pixeladressierung zu beschreiben.
5(a) ist eine stilisierte Querschnittsdarstellung des Pixels aus 2.
Die 5(b) bis 5(m) veranschaulichen die Verfahrensschritte für die Bildung des Pixels aus 2.
6 ist ein geometrisches Diagramm der beispielhaften Vorrichtung aus 1.
7 ist eine Querschnittsansicht eines angeregten Pixels, die die Verschiebung des Kondensators zeigt.
8 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Frontend-Kapazitätsnetzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften thermischen Schaltung, die geeignet ist, um das thermische Verhalten der in 2 gezeigten Struktur zu beschreiben.
10 ist ein Diagramm des gemessenen Verstärkerrauschens, das geeignet ist, um die Betriebsweise des in 4 gezeigten Schaltkreises zu beschreiben.
11 zeigt ein Auslegerhebel-Pixel mit gefaltetem Trägerelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 veranschaulicht ein brückenartiges Pixel mit ausgedehntem Trägerelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Schaltkreisdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Pixelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung, eingebaut in ein Sensorarray.
14 ist ein Zeitablaufdiagramm der an der Ausführungsform aus 13 angelegten Signalpegel.
15 ist ein Ausgestaltungsdiagramm des Aufbaus eines Arrays von symmetrischen brückenartigen Pixeln gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine vergrößerte Ansicht eines der Pixel der beispielhaften Ausführungsform aus 15.
17 ist ein Ausgestaltungsdiagramm des Aufbaus eines Auslegerhebel-Pixels gemäß der vorliegenden Erfindung.
18 ist eine Schaltkreisdarstellung eines beispielhaften Übertragungsgates zur Verwendung in der Ausführungsform aus 13.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft einen für Raumtemperatur geeigneten Infrarot-Bildsensor, der ein Leistungsniveau, bekannt als NEΔT, im Bereich von 1 Millikelvin (mK) erreichen kann, welches sich dem theoretischen Grenzwert von 0,36 mK annähert. Diese Erfindung, die zu 100% mit der IC-Halbleiterherstellung kompatibel ist, verwendet eine neue Kombination von Oberflächenmikrobearbeitung und konventionellen Techniken der Herstellung integrierter Schaltkreise, um ein wärmeempfindliches Element aus zwei Materialien zu erzeugen, welches die Position einer kapazitiven Platte steuert, die an den Eingang eines MOS-Verstärkers mit geringem Rauschen angeschlos sen ist. Diese Kombination kann einen für Raumtemperatur geeigneten Bildwandler erzeugen, dessen Empfindlichkeit und dessen Bilder mit den derzeit besten gekühlten Bildwandlern vergleichbar sind und dessen Kosten mit den Kosten von im sichtbaren Bereich arbeitenden Bildwandlern in Camcordern vergleichbar sind. Diese Erfindung erzielt die hohe Empfindlichkeit, das geringe Gewicht und die geringen Kosten, die für Ausrüstungen, wie an einem Helm angebrachte IR-Sichtgeräte und IR-Zielfernrohre, notwendig sind.
Tabelle 1 zeigt einen für entsprechende Geräte charakteristischen Vergleich der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen pyroelektrischen und bolometrischen Einrichtungen.
Tabelle 1. Vergleich – Zusammenfassung
Die Pixelausgestaltung der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile: 1) eine Verbesserung bzw. Steigerung der Größenordnung von NEΔT aufgrund einer extrem hohen Empfindlichkeit und geringem Rauschen, 2) geringe Kosten aufgrund einer 100%-igen Kompatibilität zu Silicium-ICs, 3) hohe Bildqualität bei erhöhter Ausbeute aufgrund der Fähigkeit, pixelweise Offset- und Empfindlichkeitskorrekturen an dem Bildwandler vorzunehmen, 4) es werden kein kryogener Kühler und keine Verarbeitung unter Hochvakuum benötigt und 5) Anwendbarkeit auf kommerzielle Anwendungen, wie Strafverfolgung und Transportsicherheit.
Infrarot-Kapazitätssensor
Eine physikalische Struktur eines beispielhaften Kapazitätssensors aus zwei Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. Die Kondensatorplatte 100 wird durch einen Streifen 110 aus zwei Materialien, der mit einem Wärmeisolierungsstreifen 120, welcher an einem Ende an dem Substrat verankert ist, verbunden ist, mechanisch im freien Raum (Vakuum) getragen. Das Längen-/Flächenverhältnis des Wärmeisolierungsstreifens 120 ist groß, um den thermischen Widerstand dieses Trägers zu maximieren. Der aus zwei Materialien bestehende Streifen 110 setzt sich aus einer unteren Metallschicht (z.B. Aluminium) und einer oberen Schicht (z.B. Siliciumnitrid), die einen viel kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als die untere Schicht, zusammen. Die obere Platte 100 des Kondensators ist mit einem thermische Strahlung absorbierenden Material 130 bedeckt, welches Temperaturveränderungen der Platte 100 in Reaktion auf einfallende IR-Strahlung verursacht. Die von der Platte 100 absorbierte Wärme wird durch die untere Metallschicht, die eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit hat, zu dem aus zwei Materialien bestehenden Streifen 110 geleitet. Der aus zwei Materialien bestehende Streifen 110 und die Kondensatorplatte 100 sind in einer Reihe angeordnet, um die Verschiebungsempfindlichkeit zu maximieren.
Die 2, 3(a) und 3(b) zeigen die wesentlichen Merkmale eines einzelnen Pixels im Querschnitt bzw. die wesentlichen Merkmale mehrerer Pixel in bildhaft dargestellten Draufsichten von oben. In der Praxis können die tatsächliche Struktur, die Positionierung der Elemente und die elektronische Adressierung beträchtlich variieren.
Der Sensorabschnitt der Pixel beinhaltet drei Elemente: den absorbierenden Bereich 130, der aus einem Photon en absorbierenden Material 210 gebildet ist, welches eine elektrisch leitfähige Platte 220 überlagert, und wobei der Bereich 130 IR-Strahlung in Wärme umwandelt, das aus zwei Materialien bestehende Element 110, welches Wärme in mechanische Bewegung umwandelt (wie z.B. in einem Thermostat in der Wohnung), und das thermisch isolierende Trägerelement 120, um zu verhindern, daß Wärme nach unten zu dem Substrat 200 abgeleitet wird. Die elektrisch leitfähige Platte kann beispielsweise aus Aluminium, Polysilicium oder Indiumzinnoxid bestehen.
Wie es oben beschrieben wurde, setzt sich das aus zwei Materialien bestehende Element 110 aus zwei Schichten zusammen, deren lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten sich stark unterscheiden (beschrieben in Riethmuller, W. und Benecke, W., "Thermally Excited Silicon Microactuators", IEEE Trans. Electr. Dev., Band 35, Nr. 6, S. 758, Juni 1988, und aufgrund seiner Lehren über lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten durch Bezugnahme hierin aufgenommen). Da die beiden Schichten miteinander verbunden sind, wird eine Spannung erzeugt und die Struktur verbiegt sich, wodurch die obere Platte des Kondensators mit einer Empfindlichkeit von α = (1/C)(ΔC/ΔT) ≈ 40%/°C bewegt wird. Diese ist ungefähr 20-mal größer als die Empfindlichkeit von Vanadiumoxid (welches eine Empfindlichkeit von 2%/°C hat), das derzeit in den meisten empfindlichen Bolometern verwendet wird.
Der in 4 gezeigte vereinfachte Schaltkreis veranschaulicht drei angelegte Signale, V_A, V_B und V_R, und drei Transistoren: den Rücksetztransistor M₁, den Sourcefollower-Verstärker M₂ und den Reihenauswahltransistor M₃. Zusätzliche Transistoren (nicht gezeigt) sind mit V_A und V_B verbunden, um die Submikrosekunden langen Abtastimpulse mit entgegengesetzter Polarität, die auf C₁ und C₂ angelegt werden, zu steuern. Wenn C₂V_B = –C₁V_A ist, dann ist das nominale Signal, welches auf den Verstärkertransistor angelegt wird, Null. Somit können die relativen Amplituden von V_B und V_A verwendet werden, um die Verschiebung bzw. den Offset bei jedem Pixel einzustellen bzw. anzupassen. Weiterhin kann V_A verwendet werden, um die Verstärkung an jedem Pixel einzustellen. Die Verstärkungs- und Offsetkorrektur an jedem Pixel ist wünschenswert, um die Bildqualität zu optimieren und die Ausbeute zu steigern.
Die Herstellungstechniken, die zur Herstellung der aus zwei Materialien bestehenden Detektoren verwendet werden, umfassen die Mikroverarbeitungsschritte sowie die Silicium-IC-Verarbeitung, die mit der standardmäßigen Halbleiterherstellung kompatibel ist und auf diese übertragen werden kann.
5(a) zeigt eine stilisierte Querschnittsansicht eines einzelnen Pixelelements, wobei die obersten Schichten des IC in der Zeichnung unten liegen. Die 5(b)–5(m) veranschaulichen die Verarbeitungsschritte zur Bildung des einzelnen Pixelelements. Es sei angemerkt, daß das Pixelelement in den 5(a)–5(m) ein einzelnes Auslegerhebel-Pixelelement ist. Die IR- Pixelelemente sind mittels Oberflächenmikrobearbeitung oberhalb der Oberfläche eines CMOS-IC in einer einzelnen Metallschicht angeordnet.
Die Herstellung eines Pixels beginnt in 5(b) mit der Planarisierung einer Schicht eines IC aus Metall-1. Das bevorzugte Material 580 für die Planarisierung ist ein fließfähiges Oxid (FOX), das ungefähr 800 nm dick ist. 5(c) zeigt einen Ätzschritt, der verwendet wird, um den Durchgang zu definieren, der den Pixelauslegerträger und die untere Platte des Wahrnehmungskondensators C₁ 540 miteinander verbindet.
Die Herstellung des Oberflächenpixels wird in 5(d) mit der Abscheidung und der musterartigen Anordnung einer Schicht aus Metall-2, beispielsweise Aluminium, fortgesetzt. Die Metall-2-Schicht wird in Form einer Kondensatorplatte 510 mit Durchgängen 515 musterartig ausgebildet. Es ist wünschenswert, daß die Metall-2-Schicht 800 nm bis 1000 nm dick ist und eine 20 nm bis 50 nm dicke Ti-Schicht (nicht gezeigt) aufweist, um die Bildung kleiner Beulen zu unterdrücken. In 5(e) wird mittels Plasmarückätzung ein zweites Planarisierungsmaterial 582 abgeschieden, um eine einheitliche ebene Oberfläche bereitzustellen, um die obere Ebene des Kondensators zu definieren.
Eine dielektrische Überzugsschicht 520 aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid von ungefähr 500 nm Dicke wird dann in 5(f) abgeschieden und musterartig angeordnet, um als "Stop"-Schicht zu wirken und einen elektrischen Kontakt zwischen der zu einem Ausleger geformten Kondensatorplatte 220, die aus Metall-3 (z.B. Aluminium) besteht, und der aus Metall-2 gebildeten, darunter liegenden Platte 510 zu verhindern.
Es ist wünschenswert, daß die Schichten aus Metall-1, Metall-2 und Metall-3 elektrisch leitfähig sind. Es sei angemerkt, daß diese Schichten aus Aluminium, Polysilicium oder Indiumzinnoxid bestehen können.
Die Herstellung wird in 5(g) mit der Abscheidung und der musterförmigen Anordnung einer Trenn- bzw. Freigabeschicht 530 für das mikrobearbeitete Pixelelement fortgesetzt. Die Trennschicht 530 ist typischerweise eine Oxidschicht mit einer Dicke von zwischen 200 und 500 nm, je nach dem gewünschten Verhältnis zwischen Wärmeempfindlichkeit und mechanischer Rauheit. Die Trennschicht 530 kann auch aus Polysilicium bestehen. Die Trennschicht 530 dient sowohl als Abstandsschicht für die Kondensatorstruktur als auch als das Opfermaterial, das am Ende der Verarbeitung komplett weggeätzt wird. Daher sollten die Eigenschaften der Trennschicht 530 so gewählt werden, daß sie mit den anderen Schichten in der Pixelstruktur kompatibel sind.
Es sei angemerkt, daß die Dicken der Überzugsschicht 520 und der Trennschicht 530 die Spaltbreite des Wahrnehmungskondensators C₁ 540 und dadurch die Wärmeempfindlichkeit bestimmen. In 5(h) werden die Überzugsschicht 520 und die Trennschicht 530 geätzt, um die Ankerstruktur für den Pixelauslegerträger zu bilden. Dies ist eine Hauptmaßnahme des Verfahrens, da diese Anker- bzw. Verankerungsstruktur in wünschenswerter Weise nicht nur das korrekte Wandprofil hat, sondern auch eine ausreichend große und freie Öffnung zu der darunter liegenden Ebene aus Metall-2 bildet.
Die Herstellung wird in 5(i) mit der Abscheidung und der musterförmigen Anordnung der ersten Komponente aus zwei Materialien fortgesetzt. Diese Schicht aus Metall-3 besteht vor zugsweise aus Aluminium und ist 300 nm dick und ist Teil der Struktur 110 aus zwei Materialien, der oberen Platte 220 des Wahrnehmungskondensators 540 und der thermisch leitenden Schicht von dem Absorptionsbereich zu dem aus zwei Materialien bestehenden Element.
Die nächste abzuscheidende und musterförmig anzuordnende Schicht ist die zweite Komponente 560 der Struktur aus zwei Materialien, wie es in 5(j) gezeigt ist. Diese Schicht kann aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid bestehen und ungefähr 300 nm dick sein und dient als das thermische Isolierungselement zwischen dem Pixel und dem Substrat.
5(k) veranschaulicht die Abscheidung und die musterförmige Anordnung einer sehr dünnen Verbindungsschicht 570 aus Metall, die 20 nm bis 40 nm dick ist und die eine elektrische Verbindung zwischen dem Durchgang/der Verankerungsstruktur und der oberen Platte des Wahrnehmungskondensators 540 herstellt. Platin, Titan, Titannitrid oder Indiumzinnoxid sind für diesen Schritt wünschenswerte Materialien. Diese Schicht ist in wünschenswerter Weise dünn, um nur eine geringe thermische Leitfähigkeit bereitzustellen.
Es sei angemerkt, daß die beiden Schichten der aus zwei Materialien bestehenden Struktur umgedreht werden können, wobei die abgeschiedene Verbindungsschicht 570 aus Metall zwischen der Nitrid- oder Carbidschicht und der Aluminiumschicht angeordnet wird. Diese Verarbeitung ist jedoch schwieriger.
Der in 5(l) gezeigte nächste Schritt ist die Abscheidung und die musterförmige Anordnung der IR-Absorptionsschicht 210 am Ende des Ausleger-Trägeraufbaus. Dieses Material kann aufgedampftes schwarzes Aluminium, Ruß, schwarzes Aluminium oder ein anderes Material mit überlegenen Absorptionseigenschaften sein. Diese Schicht kann unter Verwendung konventioneller Abhebetechniken zu Mustern ausgebildet werden. Die Dicke der Schicht wird durch das Ausmaß bestimmt, in welchem das Material das Ende des Pixelelements "belastet".
Der in 5(m) gezeigte letzte Schritt ist das chemische Naßätzen der Freigabe- bzw. Trennschicht 530, um das Pixelelement freizusetzen. Ein herkömmliches Ätzmittel wird verwendet, um die Trennschicht 530 zu entfernen. Es ist wünschenswert, ein Ätzmittel zu verwenden, welches keine der Schichten, die mit der Trennschicht 530 in Kontakt stehen, in signifikantem Ausmaß entfernt. Das Element ist dann bereit für eine Einbindung in eine geeignete Verpackung und zum Testen.
Im Betrieb verformt Wärmeenergie die Struktur, was zu einem Wegbiegen des Auslegers führt, was eine Veränderung der Kapazität des Wahrnehmungskondensators verursacht. Mit zunehmender Verbiegung vergrößert sich der Abstand zwischen den Platten des Wahrnehmungskondensators C₁ 540, wodurch sich die Kapazität des Wahrnehmungskondensators 540 verringert. Die Umkehrung dieser thermischen Wechselwirkung oder eine Vibration oder eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Platten 220 und 510 des Wahrnehmungskondensators 540 können dazu führen, daß die obere Platte 220 des Wahrnehmungskondensators 540 auf die Überzugsschicht 520 auftrifft, die die untere Platte 510 des Wahrnehmungskondensators 540 bedeckt. Dieses Problem wird durch die Einfügung von Vertiefungen in die Struktur abgeschwächt.
Vertiefungen werden in die Struktur eingefügt, indem Gruben bzw. Wells ungefähr zu einem Drittel durch die Trennschicht 530 geätzt werden, nachdem die Trennschicht 530 in 5(g) abgeschieden und musterförmig angeordnet wurde. Wenn in 5(i) die erste aus zwei Materialien bestehende Komponente abgeschieden wurde, füllt dann die erste Komponente aus zwei Materialien diese Gruben, was dazu führt, daß die Vertiefungen auf der Seite der aus zwei Materialien bestehenden Struktur mit der Trennschicht 530 in Kontakt kommen.
Es kann gezeigt werden, daß die vertikale Verschiebung des Mittelpunkts bzw. Zentrums der Kondensatorplatte aufgrund der Wirkung der beiden Materialien ungefähr um dx/dt = 0,72(α_Al – α_SiN)L²/t variiert, wobei L die Länge des Elements ist, t die Dicke jedes Materials ist und α_x der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient für das Material x ist. Für t = 0,2 μm und L = 50 μm ist dx/dT = 0,18 μm/°C. Für einen Abstand von 0,4 μm zwischen Metall-3 und dem Überzug und für einen 0,4 μm dicken Überzug aus Si₃N₄ beträgt der effektive Kondensatorabstand zwischen Metall-3 und Metall-2 0,5 μm. Die Wärmeempfindlichkeit des Erfassungsmechanismus ist daher α = (Δx/xΔT)(ΔC/CΔT) = 36%/°C. Die Ausgestaltungsregeln für das Verfahren und das Material sind kompatibel mit der derzeitigen Halbleiterherstellung mit 1 μm, was drei Generationen hinter dem Stand der Technik zurückliegt. Die Verwendung dieser gelockerten Ausgestaltungsregeln führt zu einer Herstellung zu geringen Kosten und mit hohem Ertrag. Eine Analyse des Wahrnehmungsschaltkreises aus 8 (der unten genau beschrieben wird) zeigt, daß die Spannungsantwort des Verstärkers auf eine Temperaturveränderung mit V_A = 10 V dV/dT = (α/3)V_A ≈ 1,2 V/°C beträgt, wobei α die Wärmeempfindlichkeit ist. Alternative Ansätze beispielsweise mit Vanadiumoxid haben eine Spannungsantwort, die mehrere Größenordnungen unter dieser liegt.
Eine geometrische Darstellung der Struktur aus 1 ist in 6 gezeigt und wird zur Berechnung der thermisch induzierten Verbiegung der Kondensatorplatte 100 verwendet. Die Gesamtverschiebung der Kondensatorplatte 100 wird wie folgt berechnet. Für diese Analyse sei angenommen, daß die Kondensatorplatte 100 eben bzw. planar bleibt und die gesamte Verbiegung in dem aus zwei Materialien bestehenden Streifen 110 stattfindet, der an einem Ende mit der Platte 100 verbunden ist. Dies wäre der Fall, wenn das Absorptionsmaterial sehr dünn ist oder wenn es in etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie die Aluminiumschicht, die die obere Platte des Wahrnehmungskondensators C₁ bildet. Die Gesamtverschiebung wird von der mittleren (durchschnittlichen) Entfernung der Kondensatorplatte 100 zu einer Referenz-x-Achse berechnet. Bei dieser Verschiebung ist d gleich d₁ + d₂, wobei d₁ die Verschiebung am Ende des aus zwei Materialien bestehenden Streifens 110 ist (gegeben durch die Gleichungen (1) und (2)) und d₂ die zusätzliche Verschiebung in der Mitte der Kondensatorplatte 100 ist (gegeben durch Gleichung (3)). Aus 6 ergibt sich: d1 = R(1 – cosθ) (1)wobei θ der Abweichungswinkel oberhalb der Horizontalen ist, gemessen in Radian, für θ << 1, cos θ = 1 – θ²/2 und sin θ = θ, d1 = Rθ2/2 = (wobei θ = L1/R) L1 2/2R (2) d2 = (L2/2) sin θ = (L1L2)/(2R) (3)
Aus einer Analyse eines aus zwei Materialien bestehenden Streifens (beschrieben in Shanley, F. R., "Strength of Materials", McGraw-Hill, 1957, S. 321) erhält man Gleichung (4): 1/R = KΔT (α2 – α1)/t (4)wobei:
K ein Korrekturfaktor ist, der auf die verschiedenen Elastizitätsmodule der beiden Materialien zurückzuführen ist,
ΔT die Temperaturdifferenz ist,
α₂ – α₁ die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien ist und t = t₁ = t₂ die Dicke jeder Schicht ist.
Substituiert man (4) in (2), resultiert Gleichung (5): d1 = L1 2 KΔT (α2 – α1)/2t (5)
Falls L₁ = L₂ ist, wird die Gesamtverschiebung durch Gleichung (6) gegeben: d = d1 + d2 = L1 2 KΔT (α2 – α1)/t (6)
Als praktisches Beispiel wird d für die folgenden Bedingungen berechnet: der aus zwei Materialien bestehende Streifen besteht aus Aluminium/Siliciumnitrid, α(Al) = 23 × 10^–6, α(Si₃N₄) = 2,8 × 10^–6, L₁ = L₂ = 50 μm, t = 0,5 μm und K = 0,72. Somit ist d = 0,073 μm/ΔT.
7 zeigt eine bildhafte Querschnittsdarstellung eines einzelnen Auslegerpixels, welches eine im Vergleich zum Nominalwert leicht erhöhte Temperatur hat. Die Wirkung der beiden Materialien (beschrieben in Shanley, was bezüglich seiner Lehren zu den Wirkungen von Bimaterialien durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist) berechnet im Voraus die Verschiebung am Ende des Elements aufgrund einer Einheitsveränderung in der Temperatur als KΔαL² _b/2t_b. Für den weggebogenen Sensor besteht eine zusätzliche Verschiebung des Mittelpunkts des Absorptionsmaterials, die die Empfindlichkeit verdoppelt, z.B. Δx/ΔT = KΔαL² _b/t_b. Tabelle 2, die Ausgestaltungsparameter beinhaltet, faßt die hohe Leistungen erbringenden und kostengünstigen Dimensionen der Struktur zusammen.
Tabelle 2. Parameter der Pixelausgestaltung
Die Spannungsantwort des Pixels kann durch Verwenden des äquivalenten Schaltkreises aus 8 analysiert werden. Dieser Schaltkreis beinhaltet einen Wahrnehmungskondensator C₁, einen Referenzkondensator C₂ und die Kapazität C₃ am Gateknoten des Sourcefollower-Verstärkers (nicht gezeigt). Die Spannung am Gate V_G wird durch Gleichung (7) gegeben: VG = (C1VA + C2VB)/(C1 + C2 + C3) (7)
Die differentielle Antwort (ΔV_G/ΔC₁), die auf eine Veränderung im Wahrnehmungskondensator zurückzuführen ist, wird durch Gleichung (8) gegeben: ΔVG/ΔC1 =((C2 + C3)VA – C2VB)/(C1 + C2 + C3)2 (8)
Wenn C₁V_A = –C₂V_B ist, so daß V_G = 0 ist, wenn das Pixel seine Nominaltemperatur hat, dann ist ΔV_G/ΔC₁ = V_A/C_T, wobei C_T = C₁ + C₂ + C₃ die Gesamtkapazität an dem Knoten ist.
Die Sensorkapazität wird durch Gleichung (9) gegeben: C1 = ε0A/xe (9)wobei A der Pixelbereich ist und x_e die äquivalente Dicke des Kondensatorabstands ist und x_e = t_r + t_c/ε_c ist, wobei t_r die Dicke der Trennschicht ist und t_c und ε_c die Dicke bzw. die relative Durchlässigkeit der Deckschicht (der dielektrischen Überzugsschicht 520 aus 5(a)) sind. Die Veränderung der Kapazität, die durch eine Verschiebung Δx induziert wird, wird durch Gleichung (10) gegeben: ΔC1 = –ε0AΔx/x2 = –C1Δx/x (10)
Daher wird die Spannungsantwort auf eine Veränderung der Temperatur, R_V = ΔV_G/ΔT, am Detektor durch Gleichung (11) gegeben: RV =(ΔVG/ΔC1)(ΔC1/Δx)(Δx/ΔT) (11)
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3. Pixelleistung
Die thermische Reaktion des Pixels kann mit Hilfe des in 9 gezeigten äquivalenten Schaltkreises analysiert werden. Der Strahlungswiderstand von der Szene zu dem Detektor ist R_thr.
Der Strahlungswiderstand zwischen dem Detektor und dem Substrat ist R'_thr. Die gesamte thermische Kapazität C_th ist proportional zur Masse, der spezifischen Wärme und dem Volumen des absorbierenden Elements, das aus der Aluminiumplatte und einer Schicht Silberschwarz mit einer Flächendichte von 50 μgm/cm² besteht (beschrieben in Lang, W. et al., "Absorbing Layers for Thermal Infrared Radiation", Sensors & Actuators A, 34, (1992), 243-248). Der gesamte thermische Leitfähigkeitwiderstand gegenüber dem Siliciumsubstrat wird durch Gleichung (12) gegeben: Rc = Rbm ||Rbi + Rsm|| Rsi (12)wobei R_bm parallel zu R_bi ist und R_sm parallel zu R_si ist und R_s, R_bi, R_bm, R_si und R_sm die äquivalenten gesamten thermischen Widerstände des absorbierenden Elements (vernachlässigt), des Isolators bzw. der Metallschichten des aus zwei Materialien bestehenden Elements sind. Es sei angemerkt, daß die Metallschicht des Trägerelements die Metallverbindung zwischen dem absorbierenden Element und dem Durchgang ist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4. Thermische Leistungsfähigkeit der Pixel
Bei der Herstellung der mikrobearbeiteten Oberflächenpixel in einer IC-Einrichtung werden die neu entwickelten Ausgestaltungsregeln angewandt, um einen Maskensatz zu erzeugen, welcher zwei verschiedene Pixelstrukturen enthält. Die Oberfläche wird integriert und Pixel werden in einer IC-Einrichtung hergestellt.
Es wurden mehr als ein Dutzend mögliche Pixelkonfigurationen vorgeschlagen, von denen drei in den 11, 12 und 15 gezeigt sind. Die 11 und 12 zeigen die bei der Analyse mit finiten Elementen berechnete Temperaturverteilung und die mechanische Bewegung aufgrund einer Erhitzung am absorbierenden Element. Es sei angemerkt, daß das Absorptionselement und das aus zwei Materialien bestehende Element eine nahezu konstante Temperatur haben. Es ist nicht möglich, all diese Strukturen in einem sinnvollen Zeitrahmen oder zu angemessenen Kosten experimentell zu erforschen. Daher wurde die Modellierung mit wenigen der vielversprechendsten Strukturen durchgeführt. Beispielsweise funktionieren die beiden in den 11 und 12 gezeigten Pixelstrukturen gut. Die Leistungsdaten des Ausleger-Pixels mit gefaltetem Träger aus 11 und das brückenartige Pixel mit verlängertem Träger aus 12 sind in Tabelle 5 zusammengefaßt. 15 zeigt ein symmetrisches Brückenpixel.
Tabelle 5. Ergebnisse der FEM-Modellierung
Weitere Ausführungsformen des Infrarot-Kapazitätssensors sind ebenfalls möglich. Diese beinhalten (1) eine Brückenstruktur mit einem aus zwei Materialien bestehenden Element für eine erhöhte strukturelle Stabilität, (2) eine Brückenstruktur ohne ein Element aus zwei Materialien, die nur auf die thermische Ausdehnung des "Beam Buckling-Konzepts" zurückgreift, wobei die beiden Enden fixiert werden, um die Einfachheit des Verfahrens zu steigern, und (3) Variationen der Struktur, wobei die Trägerarme parallel oder kollinear zu dem Element aus zwei Materialien sind. Ein Beispiel einer Brückenstruktur ohne ein Element aus zwei Materialien ist in 15 gezeigt.
Infrarot-Abbildungsarray
Das für Raumtemperatur geeignete IR-Abbildungsarray der vorliegenden Erfindung umfaßt standardmäßige IC-Verfahren. Die vorliegende Erfindung erzielt NEΔT im Bereich von 1 bis 10 mK, selbst nachdem einer unvollständigen Isolierung, einer beschränkten spektralen Bandbreite, einer unvollständigen Absorption, Rauschen des Auslesetransistors und mechanischen Kompromissen Rechnung getragen wurde.
Ein Auslesemultiplexer für einen Brennebenen-Bildwandler besteht aus einem Array der beispielhaften Kapazitätssensoren. Der Multiplexer kann unter Verwendung einer standardmäßigen CMOS-Prozeßabfolge mit einer Schicht aus Polysilicium und einer zweilagigen Metallschicht (single-poly double-level-metal CMOS process sequence) hergestellt werden, auf welcher der Kapazitätssensor dann unter Verwendung ebener Abscheidungs- und Ätztechniken ausgebildet wird. Da der Sensor kapazitiv mit dem Auslesemultiplexer gekoppelt ist, ist keine direkte elektrische Verbindung durch einen kapazitiven Spannungsteilerschaltkreis erforderlich, der einen Kompensationskondensator (mit in etwa demselben Wert wie der Wahrnehmungskondensator) beinhaltet und wobei der Sensor und die Kompensatorplatten mit komplementären, bipolaren, mit Hochspannung gepulsten Spannungswellenformen betrieben werden, um die Signalspannungskomponente zu maximieren und die Gleichspannungskomponenten zu löschen. Der kapazitive Teiler ist an einen MOS-Verstärker mit geringem Rauschen (z.B. einen Sourcefollower) angeschlossen, der in jedem Pixel lokalisiert ist. Horizontale und vertikale CMOS-Abtastregister werden verwendet, um das Signal von jedem Pixelverstärker zu adressieren und auszulesen.
Die Herstellungstechnologie, die für den Auslesemultiplexer erforderlich ist, ist eine standardmäßige integrierte 1 μm-CMOS-Schaltkreistechnologie. Es wurden Off-Chip-Elektroniken entwickelt, um die Betriebsweise der aus zwei Materialien bestehenden Detektoren als Abbildungssystem zu demonstrieren. Die erforderliche Herstellungstechnologie ist die standardmäßige Leiterplattentechnologie.
Da das, was abgetastet bzw. wahrgenommen wird, die relative Position der Kondensatorplatten ist und diese durch das Ausleseverfahren nicht beeinflußt wird, kann das Rauschen beim Auslesen reduziert werden, indem N Auslesungen auf demselben Pixel durchgeführt werden. Diese Technik kann das Rauschen um einen Faktor von √N reduzieren. Eine wechselseitige Konkurrenz existiert jedoch zwischen der Auflösung, der Feldgröße und dem SNR. Beispielsweise kann bzw. muß ein kleines Feld in dem großen Bildfeld, das zum Verfolgen bzw. Aufspüren von Zielen verwendet wird, mehrere Male ausgelesen werden, um das lokale SNR zu erhöhen.
Der Ausleseschaltkreis ist eine CMOS-Einrichtung, die in einem Siliciumsubstrat integriert ist, welches die mikrobearbeiteten IR-Detektorpixel trägt. 13 zeigt ein schematisches Diagramm des Wahrnehmungskondensators C1 und des Ausleseschaltkreises, und 14 zeigt ein erläuterndes Zeitablaufdiagramm. Ein aus PMOS-Einrichtungen 740 und 742 bestehender Stromspiegel stellt den Pixellaststrom von 0,4 mA für den PMOS-Sourcefollower 752 bereit, der in dem ausgewählten Pixel lokalisiert ist. Dieser Strom kann über einen externen Widerstand 746 eingestellt werden, der einen Nominalwert von 40 kΩ hat. In dem IR-Pixel repräsentiert C1 die wärmeempfindliche variable Kapazität 760. Die obere Platte des Kondensators 760 ist über einen dünnen Metallfilmwiderstand 764 mit dem Ausleseschaltkreis verbunden. Die anderen in 13 gezeigten Komponenten sind in das Siliciumsubstrat integriert. Ein Spaltentreiberschaltkreis wird verwendet, um die gemeinsamen Signale V_A und V_B auf einer Spalte zu multiplexen. Dieser Schaltkreis erzeugt die Signale COL_VA(X) 770 und COL_VB(X) 772 unter der Steuerung des Ausgangssignals COL_SELECT(X) 730, welches von einem konventionellen CMOS-Schieberegister für horizontale Abtastung (nicht gezeigt) abgeleitet ist. Die ROW_SELECT(Y)-Leitung 710 wird durch ein herkömmliches CMOS-Schieberegister für vertikale Abtastung (nicht gezeigt) erzeugt. Dieses Signal wird invertiert, um das ROW_SEL_N(Y)-Signal 700 zu erzeugen, so daß die Pixel in nicht ausgewählten Reihen immer in einem Zustand sind, in dem der Wahrnehmungsknoten V_G 775 auf ein Rücksetzpotential V_R 776 festgesetzt ist, welches nahe Masse ist. Die COL_READ(X)-Leitung 720 ist eine vertikale Signalleitung, die über einen NMOS-Transistor 780 auf einen gemeinsamen Signalbus gemultiplext ist und weiterhin durch einen PMOS-Sourcefollower 744 gepuffert wird, um ein analoges Ausgangssignal SIGOUT bereitzustellen. Das Ausgangssignal SIGOUT wird an einen CDS-Schaltkreis 800 geliefert, welcher einen Festsetzschaltkreis 802, einen Operationsverstärkungs-Spannungsfolger 804, eine Abtast- und Halte-Schaltung 806 und einen Operationsverstärkungs-Spannungsfolger 808 beinhaltet.
Die Auslesearchitektur erlaubt eine einfache Unterteilung des Bildwandlerarrays in eine Mehrzahl von N vertikalen Abschnitten mit separaten Ausgängen, wodurch es ermöglicht wird, bei der Ausgestaltung einen Kompromiß zwischen einem verbesserten Rauschpegel beim Auslesen und mehr Ausgangssignalen vorzunehmen. Um die genaue Betriebsweise des Auslesemultiplexers zu beschreiben, sei angenommen, daß ein Bildwandler ein Format von 320 × 244 hat und bei 30FPS betrieben wird und zwei 1,25 MHz Ausgangsanschlüsse aufweist, die von abwechselnden Spalten abgeleitet sind.
In nicht ausgewählten Reihen des Bildwandlerarrays ist die ROW_SELECT(Y)-Leitung 710 auf Low (z.B. 0 V) gesetzt und die ROW_SEL_N(Y)-Leitung 700 ist auf High (z.B. + 5 V) gesetzt. Dies schaltet den NMOS-Rücksetztransistor 750 ein, welcher den gemeinsamen Wahrnehmungsknoten V_G 775 zwischen den Kondensatoren 760 und 762 auf das Rücksetzpotential V_R 776 festsetzt. Der Transistor 750 ist eine Vorrichtung mit minimaler Geometrie (z.B. W = 1 μm und L = 1 μm), die unter diesen Vorspannungsbedingungen einen Source-Drain-Kanalwiderstand von ungefähr 5 kΩ hat. Die ROW_SELECT(Y)-Leitung 710 ist mit den Gates der NMOS-Transistoren 754 und 756 verbunden und schaltet diese beiden Einrichtungen ab. Der Transistor 754 wird verwendet, um die COL_READ(X)-Signalleitung 720 aus der Pixel-PMOS-Sourcefollower-Einrichtung 752 zu isolieren. Der Transistor 756 wird verwendet, um die obere Platte des Kondensators 760 von der COL_VA(X)-Leitung 770 zu isolieren.
Das Auslesen der Signale von zwei Pixeln (ein Pixel ist in 13 gezeigt) in einer ausgewählten Reihe wird unten unter Bezugnahme auf 14 beschrieben. Zu Beginn der Ausleseperiode t₁ schaltet die Spaltenauswahlleitung 730, COL_SELECT(1), des ersten Pixels auf ein hohes Niveau um, welches den Signalbus und die Ladestromquelle 742 mit der Spaltenausleseleitung 720, COL_READ(1), des ersten Pixels sowie mit dem Pixel-PMOS-Sourcefollower 744 verbindet. Die Reihenauswahlleitung 710, ROW_SELECT(1), bleibt auf High und die invertierte Reihenauswahlleitung 700, ROW_SEL_N(1), bleibt für eine ganze Leitungszeit, während welcher alle Pixel in einer Reihe ausgelesen werden, auf Low. Der Signalausgang zum Zeitpunkt t₁ repräsentiert das Referenzniveau (SIGOUT = V_ref), welches während der Festsetzzeit von dem externen CDS-Prozessor 800 verwendet wird. Beim nächsten Vorgang werden die Signale V_A und V_B für das erste Pixel gepulst, d.h. zum Zeitpunkt t₂ schaltet COL_VA(1) von Low auf High und COL_VB(1) schaltet von High auf Low um. Die Übergänge haben relativ langsame Anstiegs- und Abfallzeiten (etwa 50 ns), um bei den Übergängen den Ladungsverschiebungsstrom in den Referenzkondensatoren 762, die in nicht ausgewählten Pixeln in derselben Spalte lokalisiert sind, zu begrenzen. Die komplementäre Beschaffenheit der Pulse V_A und V_B löscht den Taktübergang erster Ordnung, der mit dem Wahrnehmungsknoten verbunden ist, und stellt gleichzeitig eine Signalkomponente bereit, die proportional zu der Variation des Detektorkondensators 760 in der Form dV_out = dC1·(V_A/CT) ist, wobei CT die gesamte Knotenkapazität auf dem Wahrnehmungsknoten ist. Nach einer Einstellzeit von etwa 200 ns wird das Signal zum Zeitpunkt t₃ durch den externen CDS-Schaltkreis 800 abgetastet (SIGOUT = V_ref + V_p1), und die Pulse V_A und V_B kehren auf ihre entsprechenden Ursprungsniveaus zurück. Die Breite der V_A- und V_B-Pulse wird minimiert, um die mechanische Bewegung, die aufgrund der während des Abtastimpulses vorhandenen elektrostatischen Anziehungskräfte in der oberen Platte des Detektorkondensators induziert wird, zu begrenzen.
Nachdem das Signal für das erste Pixel durch den CDS-Schaltkreis 800 abgetastet und verarbeitet wurde, wird das Signal für das zweite Pixel ausgelesen. Zum Zeitpunkt t₄ schaltet die Spaltenauswahlleitung 730 des ersten Pixels, COL_SELECT(1), auf Low um, und die Spaltenauswahlleitung 730 des zweiten Pixels, COL_SELECT(2), schaltet auf High um. Zum Zeitpunkt t₅ werden die Signale V_A und V_B für das zweite Pixel gepulst, d.h. COL_VA(2) schaltet von Low auf High und COL_VB(2) schaltet von High auf Low um. Nach einer Einstellzeit von etwa 200 ns wird das Signal des zweiten Pixels zum Zeitpunkt t₆ (SIGOUT = V_ref + V_p2) durch den externen CDS-Schaltkreis 800 abgetastet und die Pulse V_A und V_B kehren auf ihre jeweiligen Ursprungsniveaus zurück.
Nun wird die Betriebsweise des CDS-Schaltkreises 800 in Bezug auf das erste Pixel in der Reihe beschrieben. Die Übertragungsgates 814 und 816 sind in 13 durch Schalter dargestellt. Eine Schaltkreisdarstellung eines beispielhaften Übertragungsgates 810 für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist in 18 gezeigt.
Die Schaltzyklen der Takte SW1 und SW2, die die Übertragungsgates 814 bzw. 816 steuern, und die Größe der CDS-Eingangs-(SIGOUT) und -Ausgangssignale während der Taktzyklen sind in 14 gezeigt. Ein Eingangssignal V_ref wird von dem Kondensator C_A gehalten bzw. zwischengespeichert, um ein Festsetzniveau in dem Festsetzschaltkreis 802 zu errichten, wenn SW1 das Übertragungsgate 814 zum Zeitpunkt t_c schließt. Das gespeicherte Signal bleibt auf diesem Niveau, nachdem SW1 das Übertragungsgate 814 zum Zeitpunkt t₂ wieder geöffnet hat. Nachdem SW1 das Übertragungsgate 814 geöffnet hat und SW2 das Übertragungsgate 816 zum Zeitpunkt t_s geschlossen hat, wird das gespeicherte Eingangssignal V_ref von dem gegenwärtigen Eingangssignal V_ref + V_p1 abgezogen unter Erhalt eines Ausgangssignals V_p1. Dieses Ausgangssignal wird im Abtast-Halte-Schaltkreis 806 gehalten und bleibt so V_p1, nachdem SW2 das Übertragungsgate 816 zum Zeitpunkt t₃ wieder geöffnet hat. Dieses Signal verändert sich nicht, bis SW2 das Übertragungsgate 816 wieder geschlossen hat. Eine ähnliche Analyse kann für das zweite Pixel in der Reihe durchgeführt werden.
Eine Vorabanalyse der Rauschquellen beim Auslesen in dieser Ausgestaltung zeigt, daß die vorherrschende Rauschquelle das thermische Rauschen und das Empfangsrauschen sind, die mit dem Pixel-Sourcefollower-Transistor 752 assoziiert sind. Das kTC-Rauschen, das durch Zurücksetzen der Kapazität des Wahrnehmungsknotens erzeugt wird, sowie das 1/f-Rauschen in dem Pixel-Sourcefollower können durch korrelierte Doppelabtastung unterdrückt werden. Das in den Transistorschaltern 754 und 780 erzeugte thermische Rauschen ist im Vergleich zu demjenigen des Pixel-Sourcefollowers vernachlässigbar, da diese Einrichtungen in ihren linearen Bereichen als Schalter mit niedrigen Vds-Niveaus betrieben werden und einen viel geringeren Kanalwiderstand haben. Unter Verwendung eines konservativen Wertes von 25 ns für die Zeitkonstanten der CDS- Klemmschaltung und der Abtast- und Halte-Schaltung (sample and hold) beträgt die Bandbreite des Rauschens des CDS-Schaltkreises etwa 6,4 MHz. Der gemessene Rauschpegel des PMOS-Transistors, der in dem Modell eines PtSi-Bildwandlers von Sarnoff mit 640 × 480 Elementen, der von der Größe her dem vorgeschlagenen Pixel-Sourcefollower ähnelt, ist in 10 gezeigt. Bei Frequenzen oberhalb der 1/f-Kurve von 0,1 MHz beträgt das äquivalente Eingangsgaterauschen für den PMOS-Transistor etwa 10 nV/√Hz. Das Integrieren dieses Wertes über eine Rauschbandbreite von 6,4 MHz hinweg führt zu einer gesamten geschätzten Rauschspannung von 25 μV-rms. Die Ergebnisse der NEΔT-Berechnung sind in Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6. Thermische Leistungsfähigkeit
Das Schrotrauschen ist allen IR-Bildwandlern gemeinsam und beschränkt die maximal denkbare Leistungsfähigkeit eines ungekühlten IR-Bildwandlers. Tabelle 7 zeigt die Spezifikation eines idealen Bildwandlers mit einer vollkommenen thermischen Isolierung von dem Trägersubstrat. Tabelle 8 zeigt die maximal denkbare Leistungsfähigkeit auf Basis des Photonenschrotrauschens.
Tabelle 7. Spezifikationen eines idealen Bildwandlers
Tabelle 8. Äußerste Grenze des Leistungsvermögens
T_s ist die Szenentemperatur, T_d ist die Detektortemperatur und B_λ ist das Inverse des Bruchteils der spektralen Abstrahlung, die von dem absorbierenden Element empfangen bzw. aufgenommen wird. Alle Ansätze eines ungekühlten IR-Bildwandlers werden durch die aufgezeigten Faktoren beschränkt. Ungekühlte IR-Bildwandler unterscheiden sich jedoch im Hinblick auf das Niveau der thermischen Isolierung, das Emissionsvermögen des absorbierenden Elements, B_λ und die Empfindlichkeit des thermischen Wahrnehmungs- bzw. Abtastmechanismus. Die ersten beiden Mechanismen beeinflussen den optisch-thermischen Übertragungskoeffizienten, der durch die Gleichung (13)
welches alle Komponenten von NEΔT einschließlich derjenigen des Sensors voranstellt, gegeben durch Gleichung (14):
Es gibt zwei Möglichkeiten, den NEΔT des Bildwandlers zu verbessern: 1) Reduzieren von β durch Steigern der Isolierung und der IR-Absorption und 2) Steigern der Empfindlichkeit dV/dT. Verfahren zum Reduzieren von β sind allen Bildwandleransätzen gemeinsam, doch besteht der einzige Vorteil des gegenwärtigen Ansatzes gegenüber anderen Ansätzen, die Thermistoren oder Ferroelektrika verwenden, in der Empfindlichkeit des Erfassungsmechanismus. Hier wird eine Steigerung der Größenordnung gezeigt, ohne daß neue Materialien entdeckt werden müssen.
Ein einzigartiges Merkmal des Auslesemultiplexers des IR-Detektors besteht darin, daß Änderungen in der Verstärkung und im Offset in dem ausgelesenen Signal von jedem Pixel direkt auf dem Bildwandler kompensiert werden können, indem die Amplitude der auf die Pixel angelegten Pulse V_A und V_B moduliert wird. Die Modulation kann implementiert werden, indem man das hohe Niveau von V_A und das niedrige Niveau von V_B mit dem Ausgang zweier D/A-Wandler treibt. Die digitalen Signaleingangsdaten für die D/A-Wandler werden aus im RAM oder ROM gespeicherten Offsetwerten für jedes Pixel erhalten. Daher kann die lokale Uneinheitlichkeit im Offset ausgeglichen werden. In ähnlicher Weise kann auch die Gesamtverstärkung eingestellt werden, da die Detektorantwort proportional zu V_A ist. Diese Korrekturen sind wünschenswert, da sie erlauben, daß die Einrichtung einen guten dynamischen Bereich hält, während sie gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit erreicht.
Die Signalspannung V_out, die am Gate des Pixel-Sourcefollowers erzeugt wird, kann aus den Überlagerungskomponenten aus V_A und V_B berechnet werden, wie es in Gleichung (15) gezeigt ist: Vout = (C1VA + C2VB)/CT (15)wobei CT die Gesamtkapazität auf V_out ist.
Als Beispiel einer Verstärkungs-Offsetkorrektur ergibt sich, wenn die Modulation des D/A-Wandlers auf der Amplitude von V_A und V_B so gewählt wird, daß dV_B = –dV_A(C1/C2) ist, eine Änderung der Verstärkung von dV_A/V_A, ohne daß eine Veränderung in der Offsetspannung herbeigeführt wird.
Die 15 und 16 zeigen den Aufbau einer CMOS-Ausgestaltung in verschiedenen Vergrößerungsstufen für einen beispielhaften CMOS-Ausleseschaltkreis für ein Array symmetrischer brückenartiger Pixel. 17 zeigt den Aufbau einer CMOS-Ausgestaltung für ein Auslegerpixel, welches in ein Array von Pixeln aufgenommen werden kann, das dem in 15 gezeigten ähnlich ist.
Der Schlüssel zur Berechnung von NEΔT ist die Bestimmung der Veränderung der Detektortemperatur in Bezug auf eine Veränderung der Szenentemperatur (beschrieben in Jensen, A.S., "Limitations to Room Temperature IR Imaging Systems", SPIE Band 2020 Infrared Technology XIX (1993)). Definiert man den thermischen Übergangskoeffizienten als β = dT_s/dT_d, wobei T_s und T_d die Szenen- bzw. die Detektortemperatur sind, kann NEΔT für jedes System aus der quadratischen Addition der einzelnen Komponenten berechnet werden, wie es in Gleichung (16) gezeigt ist: NEΔTk = βNrms/Sk (16) wobei N_rms der mit S_k, der Signalempfindlichkeit pro K am Detektor verknüpfte rms-Wert der Rauschquelle ist. Beispielsweise wird die aus der Verstärkungselektronik resultierende Komponente durch Gleichung (17) gegeben:
wobei
der rms-Wert der äquivalenten Rauschspannung des Eingangssignals zum Sourcefollower-Verstärker ist. In ähnlicher Weise ergibt Gleichung (18) die thermische Komponente von NEΔT:
wobei
die thermische Schwankung des Photonenschrotrauschens ist. In diesem Fall setzt sich der Koeffizient der Signalempfindlichkeit aus verschiedenen Faktoren zusammen, wie der Abbildungsoptik, der spektralen Bandbreite und der thermischen Verschiebung aufgrund eines parasitären thermischen Widerstands gegenüber der Umgebung. Somit wird, wie es oben erwähnt wurde, der thermische Übergangskoeffizient durch Gleichung (13) gegeben: β = 4F2Bλ (1 + Rthr/Rc)(1 + εb/εt) (13)wobei 4F² auf die Abbildungsoptik zurückzuführen ist. Wenn die Absorption in dem Pfad zwischen der Quelle und dem absorbierenden Element und der spektralen Effizienz des absorbierenden Elements als rechteckige spektrale Bandpaßfunktion modelliert wird, wird der Faktor der spektralen Bandbreite durch Gleichung (19) gegeben:
wobei der untere Wellenlängengrenzwert aufgrund atmosphärischer Absorption auf 8 μm festgelegt wird. Der obere Wellenlängengrenzwert wird durch die spektralen Eigenschaften des absorbierenden Elements und die von dem Bildwandler verwendete IR-Linse festgelegt. Es wird angenommen, daß B_λ von der Temperatur relativ unabhängig ist. Es kann gezeigt werden, daß das Photonenschrotrauschen durch Gleichung (20) gegeben ist:
(beschrieben in Hanson, C., "Uncooled Thermal Imaging at Texas Instruments", SPIE Band 2020 Infrared Technology XIX (1993)).
Wenn die Kapazität durch den Spannungsimpuls der Größe V_A erfaßt wird, wird die absorbierende Platte von der passenden elektrisch leitfähigen (z.B. Metall-) Platte, die in dem Substrat eingegraben ist, mit einer Kraft gleich F = C₁V_A ²/x angezogen und beginnt sich in Richtung der Substratoberfläche zu bewegen. Dieses Verhalten kann unter Verwendung eines Modells mit konzentrierten Elementen modelliert werden, wie es durch Gleichung (21) gegeben wird: md2X/dt2 = εAVA 2/x2 – k(x0 – x) (21)wobei m und k die äquivalente Masse und die Elastizitätskonstante des konzentrierten Elements des mechanischen Systems sind. Wenn der Impuls 0,1 μsec später weggenommen wird, wurde eine signifikante Menge an Energie auf die Platte übertragen, die aus mechanischer Energie, die aus der Bewegung der Platte resultiert, und potentieller Energie, die aus der elastischen Verbiegung des Trägers resultiert, besteht. Wenn keine Dämpfungswirkung vorhanden ist, führt dies dazu, daß die Detektorplatte bis zum nächsten Abtastimpuls frei vibriert. Eine extreme Schätzung dieser Wirkung kann durchgeführt werden, indem man die Nichtlinearitäten und die Elastizitätskonstante ignoriert. Die ungefähre Verschiebung und die Energie, die beim Anlegen des Abtastimpulses übertragen wird, werden durch die Gleichungen (22) bzw. (23) gegeben: d = (C1V2A /2mx)t2p (22) E = (C1V2A /x)2t2p /2m (23)
Da es keinen natürlichen Mechanismus gibt, um diese Vibrationen zu dämpfen, wird das mechanische System während der Rückstellzeit in das elektronische System zurückgekoppelt. In diesem Fall folgt das elektromechanische System der Gleichung (24):
wobei I_C durch Gleichung (25) gegeben wird: IC = d(C(VR – RIC))/dt (25)
Eine Abschätzung des beschriebenen Verhaltens ist in Tabelle 9 gezeigt. Der Restwiderstand des Rücksetztransistors und der Reihenwiderstand in dem Trägerelement lassen gemeinsam die gespeicherte Energie dissipieren.
Tabelle 9. Mechanisches Verhalten
Höhere Aspektverhältnisse und eine weitere Verbesserung von NEΔT können erzielt werden, wenn das übliche 4:3-Anzeigemerkmal ignoriert wird. Beispielsweise hat ein Pixel eines Aspektverhältnisses von 2:1 mit einer Fläche von 2500 μm² Seitenlängen von 70,7 μm und 35,3 μm und ergibt eine Reduzierung von NEΔT um einen Faktor von 2,83.
Obwohl die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf bestimmte spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurde, soll sie dennoch nicht auf die gezeigten Einzelheiten beschränkt sein. Vielmehr können verschiedene Modifikationen an den Einzelheiten vorgenommen werden, die innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen.

Claims

Infrarotsensor, der auf einem monolithischen, integrierten Halbleiterschaltkreissubstrat (200) ausgebildet ist, und welcher aufweist: einen Referenzkondensator (C2), der eine obere, elektrisch leitfähige Platte (510) und eine untere elektrisch leitfähige Platte hat, eine dielektrische Schicht (52), die auf der oberen elektrisch leitfähigen Platte (510) des Referenzkondensators (C2) ausgebildet ist, einen Wahrnehmungskondensator (C1), der eine obere elektrisch leitfähige Platte (220) und eine untere elektrisch leitfähige Platte (510) hat, wobei die obere elektrisch leitfähige Platte (220) des Wahrnehmungskondensators oberhalb der dielektrischen Schicht (520) ausgebildet ist und die untere elektrisch leitfähige Platte (510) die obere elektrisch leitfähige Platte (510) des Referenzkondensators (C2) ist, ein aus zwei Materialien bestehendes Element (110), welches eine obere Schicht (560) und eine untere Schicht (220) hat, und ein Trägerelement (550, 120), welches eine erste Seite (120) hat, die mit dem Element (110) aus zwei Materialien verbunden ist, und eine zweite Seite (550) hat, die mit dem Substrat (200) verbunden ist, um das aus zwei Materialien bestehende Element (110) und die obere elektrisch leitfähige Platte (220) des Wahrnehmungskondensators (C1) an dem Substrat (110) zu verankern, wobei das aus zwei Materialien bestehende Element (110) und die obere elektrisch leitfähige Platte (220) des Wahrnehmungskondensators (C1) ein biegbares Teil bilden.
Sensor nach Anspruch 1, welcher weiterhin aufweist: einen wärmeabsorbierenden Film (130), welcher dem Aufbau gegenüberliegt, um den Strahlungsfluß, der durch die Struktur absorbiert wird, zu erhöhen.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Schicht (520) an der unteren (51) elektrisch leitfähigen Platte ausgebildet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede der unteren (510) und oberen (220) elektrisch leitfähigen Platten entweder aus einem Metall, aus Polysilizium oder Indiumzinnoxid bestehen.
Sensor nach Anspruch 4, welcher weiterhin aufweist: eine Schaltung, die mit dem Wahrnehmungskondensator (C1) verbunden ist, welcher die oberen und unteren elektrisch leitfähigen Platten aufweist, um eine Veränderung der Kapazität in Reaktion auf eine Verbiegung des aus zwei Materialien bestehenden Elements und der oberen elektrisch leitfähigen Platte (220) des Wahrnehmungskondensators (C1) zu erfassen.
Sensor nach Anspruch 4, wobei die obere elektrisch leitfähige Platte (510) und die untere elektrisch leitfähige Platte des Referenzkondensators (C2) sowie die obere elektrisch leitfähige Platte (220) und die untere elektrisch leitfähige Platte (510) des Wahrnehmungskondensators (C1) aus Aluminium bestehen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher weiterhin Kapazitätsmeßeinrichtungen zum Messen der Kapazität des Wahrnehmungskondensators und eine Verbindungseinrichtung zum elektrischen Verbinden der Meßeinrichtung und des Wahrnehmungskondensators (C1) aufweist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verbiegbare Struktur (110, 120) in Reaktion auf einfallende thermische Strahlung biegbar ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die obere Schicht (540) und die untere Schicht (220) des aus zwei Materialien bestehenden Elementes (110) jeweils unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.
Sensor nach Anspruch 9, wobei die obere Schicht (540) des aus zwei Materialien bestehenden Elementes eine Schicht aus Siliziumnitrid aufweist und eine untere Schicht (220) des aus zwei Materialien bestehenden Elementes eine Schicht aus Aluminium aufweist.
Sensorarray, welches eine Mehrzahl von Sensoren nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Sensorarray nach Anspruch 11, wobei die Sensoren in Reihen und Spalten angeordnet sind.
Sensorarray nach Anspruch 11 oder 12, welches weiterhin Einrichtungen (752, 754, 746, 800) zum Messen der Kapazitäten der Wahrnehmungskondensatoren (C1) der Sensoren aufweist.
Sensorarray nach Anspruch 13, wobei die Meßeinrichtungen aufweisen: einen Ausleseschaltkreis, der eine Mehrzahl von Sourcefollower-Verstärkern (752) aufweist, wobei jeder Sourcefollower-Verstärker jeweils mit dem Wahrnehmungskondensator (C1) jedes Sensors verbunden ist.
Sensorarray nach Anspruch 14, soweit dieser von einem der Ansprüche 1 bis 4 abhängig ist, wobei der Ausleseschaltkreis weiterhin aufweist: einen Rücksetztransistor (750), um den Wahrnehmungskondensator (C1) in jedem Sensor auf ein Rücksetzpotential festzusetzen, einen Stromspiegel (740, 742), um einen Pixellaststrom für einen aus der Mehrzahl von Sourcefollower-Verstärkern bereitzustellen, einen Spaltentreiberschaltkreis, um für jede entsprechende Spalte aus Sensoren ein Potential bereitzustellen, welcher eine Steuerung aufweist, die mit dem Wahrnehmungskondensator (C1) verbunden ist, um das Potential an dem Sensor anzulegen, und ein Hauptschieberegister für horizontale Abtastung und ein Schieberegister für vertikale Abtastung, um einen aus der Mehrzahl von Sensoren für das Auslesen auszuwählen.
Sensorarray nach Anspruch 14, soweit dieser von Anspruch 5 oder 6 abhängig ist, wobei der Ausleseschaltkreis weiterhin aufweist: einen Rückstelltransistor (750), um die obere elektrisch leitfähige Platte (510) des Referenzkondensators (C2) in jedem Sensor auf ein Rücksetzpotential festzusetzen, einen Stromspiegel (740, 742), um einen Pixellaststrom für die Mehrzahl von Sourcefollower-Verstärkern bereitzustellen, einen Spaltentreiberschaltkreis, um im Multiplexbetrieb ein erstes Potential und ein zweites Potential auf jede der entsprechenden Sensorspalten zu geben, welche aufweist: eine erste Steuerung, die mit der oberen elektrisch leitfähigen Platte (220) des Wahrnehmungskondensators (C1) verbunden ist, um das erste Potential an dem Wahrnehmungskondensator anzulegen, und eine zweite Steuerung, die mit der unteren elektrisch leitfähigen Platte des Referenzkondensators (C2) verbunden ist, um das zweite Potential an dem Referenzkondensator anzulegen, wobei die ersten und zweiten Potentiale jeweils unterschiedliche Polaritäten haben, und ein Schieberegister für das horizontale Abtasten und ein Schieberegister für das vertikale Abtasten bzw. Scannen, um einen der auszulesenden Wahrnehmungskondensatoren (C1) auszuwählen.
Sensorarray nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Ausleseschaltkreis weiterhin aufweist: einen korrelierten, doppelabtastenden (CDS) Schaltkreis (800), der mit dem Spaltentreiberschaltkreis verbunden ist, um ein Ausgangssignal jedes Sourcefollower-Verstärkers abzutasten und zwischenzuspeichern (sample and hold), und um kTC-Rauschen und 1/f-Rauschen der Sensoren zu unterdrücken.
Verfahren zum Herstellen eines Wandlers auf einem monolithischen, integrierten Halbleiterschaltkreissubstrat (200), welches die Schritte aufweist: Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Platte einer Referenzkapazität auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreissubstrates, Ausbilden einer Isolierschicht (580) über der elektrisch leitfähigen Platte der Referenzkapazität, Ausbilden einer ersten elektrisch leitfähigen Sensorplatte (510) auf der isolierenden Schicht, Abscheiden einer dielektrischen Schicht (520), Abscheiden einer Freigabe- bzw. Trennschicht (530) über der dielektrischen Schicht (520), Ausbilden einer Verbindungsschicht (570) über einem ersten Bereich der Trennschicht, Ausbilden eines aus zwei Materialien bestehenden Elementes (560, 220) über einem Bereich der Verbindungsschichten und über einem zweiten Bereich der Trennschicht, Ausbilden einer zweiten elektrisch leitfähigen Sensorplatte (220) über einem dritten Bereich der Freigabeschicht (530), Ausbilden eines Durchganges (550) durch die Trennschicht (530) und die dielektrische Schicht (520), wobei der Durchgang die Verbindungsschicht (570) kontaktiert und einen Kontakt mit dem aus zwei Materialien bestehenden Element (560, 220) vermeidet, Ausbilden eines Trägerelementes über der Verbindungsschicht (570) und des Durchganges, und welches mit dem aus zwei Materialien bestehenden Element in Kontakt steht, und chemisches Entfernen der Trennschicht (530).
Verfahren zum Erfassen von Strahlung, welches die Schritte aufweist: Aussetzen eines Infrarotsensors nach Anspruch 1 einer Quelle von Infrarotstrahlung, Überwachen eines Wegbiegens des biegbaren Teiles (110, 120) in Reaktion auf die Infrarotstrahlung, durch Überwachen einer Kapazität des Wahrnehmungskondensators (C1) und Bestimmen eines Maßes der Strahlung aus der Kapazität des Wahrnehmungskondensators (C1) durch Vergleich der Kapazität des Wahrnehmungskondensators (C1) mit der Kapazität des Referenzkondensators (C2).
Verfahren nach Anspruch 19, welches weiterhin den Schritt aufweist, daß zumindest eine Beschichtung (540) auf dem wegbiegbaren Teil (110, 120) aufgebracht wird, wobei die zumindest eine Beschichtung aus einem Material hergestellt ist, welche mit der Strahlung in Wechselwirkung tritt, um die Verbiegung des wegbiegbaren Teiles (110, 120) zu verstärken, wobei der Schritt des (einer Strahlung) Aussetzens das Aussetzen des beschichteten wegbiegbaren Teiles (110, 120, 540) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, welches weiterhin das Ausbilden eines Arrays der Infrarotsensoren aufweist und wobei der Schritt des Aussetzens das einer Strahlung Aussetzen des Arrays von Infrarotsensoren umfaßt, um Signale zu entwickeln, die einem Infrarotbild entsprechen.