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TECHNISCHER BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein infrarotempfindliches Bolometer
und spezieller ein infrarotempfindliches Bolometer, das strukturell
eine Neigung einer Stütze
kompensieren kann.
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STAND DER
TECHNIK
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Ein
Strahlungsdetektor ist eine Vorrichtung, die ein Ausgangssignal
erzeugt, das eine Funktion der Menge an Strahlung ist, die auf einem
aktiven Bereich des Detektors auftrifft. Infrarotempfindliche Detektoren
sind solche Detektoren, die empfindlich sind gegenüber einer
Strahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Es gibt zwei Arten von infrarotempfindlichen Detektoren, nämlich thermische
Detektoren einschließlich
Bolometern und Photonendetektoren.
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Die
Photonendetektoren funktionieren in Abhängigkeit von der Anzahl an
Photonen, die auf einem Wandlerbereich des Detektors auftreffen
und mit Elektronen darin wechselwirken. Da sie in Abhängigkeit
direkter Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Photonen arbeiten,
sind die Photonendetektoren hoch empfindlich und haben verglichen
mit den Bolometern eine hohe Ansprechgeschwindigkeit. Sie haben
jedoch einen Nachteil insofern, als die Photonendetektoren lediglich
bei niedrigen Temperaturen gut arbeiten, was zu einer Notwendigkeit
führt,
darin ein zusätzliches
Kühlsystem
zu beinhalten.
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Die
Bolometer arbeiten andererseits in Abhängigkeit von einer Änderung
der Temperatur des Wandler- bzw. Umsetzerbereichs des Detektors
aufgrund der Absorption der Strahlung. Die Bolometer liefern ein
Ausgangssignal, d.h. eine Änderung
des Widerstands des Materials (genannt bolometrische Elemente),
das proportional zu der Temperatur des Wandlerbereichs ist.
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Die
bolometrischen Elemente wurden sowohl aus Metallen wie auch Halbleitern
hergestellt. In Metallen beruht die Widerstandsänderung im wesentlichen auf Änderungen
der Trägermobilität, die typischerweise
mit der Temperatur abnimmt. Eine größere Empfindlichkeit kann mit
bolometrischen Elementen aus einem Halbleiter hohen spezifischen Widerstands
erzielt werden, bei denen die freie Trägerdichte eine Exponentialfunktion
der Temperatur ist.
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In
den 1 und 2 sind eine perspektivische
Ansicht und eine Querschnittsansicht gezeigt in Darstellung eines
Dreiniveaubolometers 100, das offenbart ist in der US-Anmeldung
mit der Seriennummer 09/102,364 mit dem Titel "BOLOMETER HAVING AN INCREASED FILL FACTOR". Das Bolometer 100 umfaßt ein Aktivmatrixniveau
bzw. eine Aktivmatrixebene 10, ein Trägerniveau bzw. eine Trägerebene 20,
ein Paar Stützen 40 und
ein Absorptionsniveau bzw. eine Absorptionsebene 30.
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Das
Dokument WO-A-00 03214 offenbart ebenfalls ein derartiges Bolometer.
Das Aktivmatrixniveau 10 hat ein Substrat 12,
das eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt) aufweist, ein Paar
Verbindungsanschlüsse 14 und
eine Schutzschicht 16. Jeder der aus Metall hergestellten
Verbindungsanschlüsse 14 ist
an der Oberseite des Substrats 12 angeordnet. Die beispielsweise
aus Siliciumnitrid (SiNx) hergestellte Schutzschicht 16 deckt
das Substrat 12 ab. Das Paar Verbindungsanschlüsse 14 ist
elektrisch mit der integrierten Schaltung verbunden.
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Das
Trägerniveau 20 weist
ein aus Siliciumnitrid (SiNx) hergestelltes
Paar Brücken 22 auf,
wobei jede der Brücken 22 eine
an ihrer Oberseite ausgebildete Leitung 24 hat. Jede der
Brücken 22 ist
mit einem Verankerungsabschnitt 22a, einem Schenkelabschnitt 22b und
einem erhabenen Abschnitt 22c versehen, wobei der Verankerungsabschnitt 22a ein Durchgangsloch 26 aufweist,
durch das ein Ende der Leitung 24 elektrisch mit dem Verbindungsanschluß 14 verbunden
ist und wobei der Schenkelabschnitt 22b den erhabenen Abschnitt 22c trägt bzw.
stützt.
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Das
Absorptionsniveau 30 ist mit einem bolometrischen Element 32 versehen,
das von einem Absorber 31 umgeben ist und einer IR-empfindlichen Absorberschicht 33,
die oben auf dem Absorber 31 ausgebildet ist. Der Absorber 31 wird
hergestellt durch Abscheiden von Siliciumnitrid vor und nach der Ausbildung
des bolometrischen Elements 32, um das bolometrische Element 32 zu
umgeben. Titan (Ti) wird als Material für das bolometrische Element 32 gewählt aufgrund
der Leichtigkeit, mit der es ausgebildet werden kann. Eine Serpentinenform
verleiht dem bolometrischen Element 32 hohen spezifischen Widerstand
bzw. hohe Widerstandsfähigkeit.
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Jede
der Stützen 40 ist
zwischen dem Absorptionsniveau 30 und dem Trägerniveau 20 angeordnet.
Jede der Stützen 40 weist
einen elektrischen Leiter bzw. eine elektrische Leitung 42 aus
einem Metall wie beispielsweise Titan (Ti) auf und ist umgeben von
einem isolierenden Material 44, das beispielsweise aus
Siliciumnitrid (SiNx) hergestellt ist. Das
obere Ende des elektrischen Leiters 42 ist elektrisch an
einem Ende des serpentinenförmigen
bolometrischen Elements 32 angeschlossen und das untere
Ende des elektrischen Leiters 42 ist elektrisch mit der
Leitung 24 auf der Brücke 22 derart
verbunden, daß jedes
Ende des serpentinenförmigen
bolometrischen Elements 32 in dem Absorptionsniveau 30 elektrisch
mit der integrierten Schaltung des Aktivmatrixniveaus 10 über die
elektrischen Leiter 42, die Leitungen 24 und die
Verbindungsanschlüsse 14, verbunden
ist.
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Wenn
es einer Infrarotstrahlung ausgesetzt ist, so erhöht sich
der spezifische Widerstand des serpentinenförmigen bolometrischen Elements 32 und
bewirkt eine dementsprechende Strom- und Spannungsänderung.
Der veränderte
Strom oder die Spannung wird durch die integrierte Schaltung verstärkt, derart,
daß der
verstärkte
Strom oder die Spannung von einer Erfassungsschaltung (nicht gezeigt)
ausgelesen wird.
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Bei
dem oben beschriebenen infrarotempfindlichen Bolometer ist die Brücke des
Trägerniveaus
mit freischwebender bzw. auskragender Form versehen, um ihre Länge zu vergrößern und
dabei eine Minderung des Wärmeaustauschs
zwischen dem Aktivmatrixniveau und dem Absorptionsniveau zu ermöglichen,
wobei jedoch die freischwebende Form immer noch ein Paar Probleme
aufwirft. Eines der Problem der infrarotempfindlichen Bolometer
besteht in der in der Brücke
vorliegenden elastischen Belastung als inhärenter Teil des Abscheidevorgangs.
Wenn die elastische Belastung, beispielsweise die Zugspannung, in
der Brücke
auferlegt ist, so wird der erhabene Abschnitt der Brücke mit
einer nach oben konkaven Krümmung
gekrümmt,
um sich von der elastischen Belastung zu befreien, während der
Verankerungsabschnitt an dem Aktivmatrixniveau befestigt ist, was
zu einer Auferlegung einer Neigung der Stütze führt, die oben auf dem erhabenen
Abschnitt positioniert ist und zu einer Biegung des Absorbers führt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein infrarotempfindliches
Bolometer vorzusehen, das strukturell eine Neigung einer Stütze kompensieren
kann.
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das infrarotempfindliche Bolometer
vorgesehen, das all die in Anspruch 1 wiedergegebenen Charakteristika
umfaßt.
Abhängige Ansprüche definieren
zusätzliche
Ausführungsbeispiele.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden offensichtlich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht zeigt unter Wiedergabe eines zuvor offenbarten
infrarotempfindlichen Bolometers;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht wiedergibt unter Darstellung des
infrarotempfindlichen Bolometers der 1 entlang
A-A;
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3 eine
perspektivische Ansicht zeigt in Darstellung eines infrarotempfindlichen
Bolometers in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
schematische Querschnittsansicht vorsieht unter Darstellung des
infrarotempfindlichen Bolometers der 3 entlang
B-B; und
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5 eine
schematische Querschnittsansicht wiedergibt unter Darstellung einer
Brücke
des infrarotempfindlichen Bolometers bei Krümmung der Brücke.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
DER ERFINDUNG
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In
den 3, 4 und 5 sind eine
perspektivische Ansicht in Darstellung eines infrarotempfindlichen
Bolometers 200, eine schematische Querschnittsansicht in
Darstellung des infrarotempfindlichen Bolometers 200 bzw.
eine schematische Querschnittsansicht unter Darstellung einer Brücke des
infrarotempfindlichen Bolometers 200 bei gekrümmter Brücke in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, vorgesehen. Es sei festgehalten, daß in den 3, 4 und 5 erscheinende, gleiche
Teile mit den gleichen Bezugszeichen wiedergegeben sind.
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Das
in den 3 und 4 gezeigte, erfindungsgemäße Bolometer 200 umfaßt ein Aktivmatrixniveau 110,
ein Trägerniveau 120,
ein Paar Stützen 140 und
ein Absorptionsniveau 130.
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Das
Aktivmatrixniveau 110 hat ein Substrat 112, das
eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt) aufweist, ein Paar Ver bindungsanschlüsse 114 (siehe
auch 2(14)) und eine Schutzschicht 116.
Jeder aus einem Metall hergestellte Verbindungsanschluß 114 ist
auf der Oberseite des Substrats 112 angeordnet und elektrisch
mit der integrierten Schaltung verbunden. Die beispielsweise aus
Siliciumnitrid (SiNx) hergestellte Schutzschicht 116 deckt
das Substrat 112 ab, um zu verhindern, daß die Verbindungsanschlüsse 114 und
die integrierte Schaltung chemisch und physikalisch während des
Herstellens des infrarotempfindlichen Bolometers 200 beschädigt werden.
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Das
Trägerniveau 120 weist
ein Paar Brücken 122 auf,
die aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise Siciliumnitrid
(SiNx), Siliciumoxid (SiO2)
oder Siliciumoxynitrid (SiOxNy)
hergestellt sind und ein Paar leitende Leitungen 124 aus
einem Metall, wie beispielsweise Titanium (Ti), wobei jede der Leitungen 124 oben
auf der entsprechenden Brücke 122 angeordnet
ist. Jede der Brücken 122 ist
mit einem Verankerungsabschnitt 122a, einem Schenkelabschnitt 122b und
einem erhabenen Abschnitt 122c versehen. Der Verankerungsabschnitt 122a weist
ein Durchgangsloch 126 auf, durch das ein Ende jeder der
Leitungen 124 elektrisch mit dem entsprechenden Verbindungsanschluß 114 verbunden
ist. Der Schenkelabschnitt 112b trägt den erhabenen Abschnitt 122c.
Der erhabene Abschnitt 122c ist mit einem inneren Teil 301 und
einem äußeren Teil 302 versehen,
wobei eine Seite 301a des inneren Teils 301 mit
dem äußeren 302 verbunden
ist und eine andere Seite 301b des inneren Teils 301 von
dem äußeren Teil 302 über einen
Spalt 303 getrennt ist, wodurch der innere Teil 301 gegenüber dem äußeren Teil 302 freischwebend
ist.
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Das
Absorptionsniveau 130 ist mit einem bolometrischen Element 132 versehen,
das von einem Absorber 131 umgeben ist, einer reflektierenden Schicht 133,
die am Boden des Absorbers 131 ausgebildet ist und einer
IR-Strahlung absorbierenden Schicht 134, die oben auf dem
Absorber 131 angeordnet ist. Der Absorber 131,
der aus einem isolierenden Material mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, wie
beispielsweise Siliciumnitrid (SiNx), Siliciumoxid (SiOx) oder Siliciumoxynitrid (SiOxNy) hergestellt ist, wird erzeugt durch Abscheiden
des isolierenden Materials vor und nach der Ausbildung des bolometrischen
Elements 132, um das bolometrische Element 132 zu
umgeben. Das bolometrische Element 132 ist aus Metall,
beispielsweise Titan, hergestellt und hat eine Serpentinenform.
Die reflektierende Schicht 133 ist aus einem Metall, wie
beispielsweise Al oder Pt hergestellt und wird dazu verwendet, um
die übersandte
IR-Strahlung an den Absorber 131 zurückzuführen. Die IR-Strahlung absorbierende
Beschichtung 134 ist beispielsweise aus Schwarzgold hergestellt
und wird dazu verwendet, den Absorptionswirkungsgrad für die einfallende
IR-Strahlung zu verstärken.
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Jede
der Stützen 140 wird
oben auf dem inneren Teil 301 der Brücke 122 in dem Trägerniveau 120 und
an dem Boden des Absorbers 131 des Absorptionsniveaus 130,
angeordnet. Jede der Stützen 140 weist
einen elektrischen Leiter bzw. eine elektrische Leitung 142 aus
einem Metall, wie beispielsweise Titan (Ti), auf, der von einem
isolierenden Material 144 beispielsweise aus Siliciumnitrid
(SiNx), Siliciumoxid (SiOx)
oder Siliciumoxynitrid (SiOxNy)
umgeben ist. Das obere Ende jedes elektrischen Leiters 142 ist elektrisch
mit einem Ende des bolometrischen Elements 132 verbunden
und das untere Ende des elektrischen Leiters 142 ist elektrisch
mit der Leitung 124 auf der Brücke 122 derart verbunden,
daß jedes
der Enden des bolometrischen Elements 132 in dem Absorptionsniveau 130 elektrisch
mit der integrierten Schaltung des Aktivmatrixniveaus 110 über die
entsprechenden elektrischen Leiter 142, die entsprechenden
Leitungen 124 und die entsprechenden Verbindungsanschlüsse 114,
verbunden ist.
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Wenn
es einer Infrarotstrahlung ausgesetzt ist, so ändert sich der spezifische
Widerstand des bolometrischen Elements 132 und bewirkt
eine demgemäße Änderung
eines Stroms und einer Spannung. Der veränderte Strom oder die veränderte Spannung wird
durch die integrierte Schaltung derart verstärkt, daß der verstärkte Strom oder die Spannung
durch eine Erfas sungs- bzw. Erkennungsschaltung (nicht gezeigt)
ausgelesen wird.
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5 sieht
eine schematische Querschnittsansicht unter Darstellung einer Brücke 122 des
infrarotempfindlichen Bolometers 200 vor, wobei die in der
Brücke 122 vorhandene,
elastische Belastung in ihre Krümmung
abgegeben wird. Der innere Teil 301 und der äußere Teil 302 sind
in Bezug auf die darin auferlegte Zugspannung mit einer nach oben
konkaven Krümmung,
gekrümmt.
Eine Tangentenlinie B der Krümmung
bei der Verbindungsseite 301a des inneren Teils 301 hat
einen ersten Winkel (81) zur horizontalen Linie A, wobei
der erste Winkel (θ1)
als Anfangswinkel des inneren Teils 301 gilt. Eine andere Tangentenlinie
C der Krümmung
bei der getrennten Seite 301b des inneren Teils 301,
gegenüber
der Verbindungsseite 301a, hat einen zweiten Winkel (–θ2) für die Tangentenlinie
B. Da die Stütze 140 oben
auf der getrennten Seite 301b des inneren Teils 301 positioniert
ist, ergibt sich der Neigungswinkel (θ3) der Stütze 140 als Summe
des ersten Winkels (θ1)
und des zweiten Winkels (–θ2). Da jedoch
die Länge
des inneren Abschnitts 301 gleich derjenigen des äußeren Abschnitts 302 ist,
nähert
sich der Neigungswinkel (θ3)
der Stütze 140 etwa
Null, was wiederum strukturell die Neigung der Stütze 140 zur
aufrechten Stellung hin kompensiert und daher den Absorber 131 davon
abhält,
gebogen zu werden.
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Während die
vorliegende Erfindung in Bezug auf lediglich gewisse bevorzugte
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, können
andere Modifikationen und Variationen vorgenommen werden, ohne von
dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den
folgenden Ansprüchen
wiedergegeben ist.