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TECHNISCHES GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Infrarotbolometer; und insbesondere
ein strukturell stabiles Infrarotbolometer.
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STAND DER TECHNIK
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Bolometer
sind Energiedetektoren, basierend auf einer Änderung im Widerstand von Materialien
(genannt Bolometerelemente), die einem Strahlungsfluß ausgesetzt
sind. Die Bolometerelemente sind aus Metallen oder Halbleitern hergestellt
worden. In Metallen hängt
die Widerstandsänderung
im wesentlichen von Variationen der Trägerbeweglichkeit ab, die typischerweise
mit der Temperatur sinkt. Die größere Empfindlichkeit
kann in hochohmschen Halbleiter-Bolometerelementen erhalten werden,
in denen die Dichte der freien Träger eine exponentielle Funktion
der Temperatur ist, jedoch ist die Dünnfilmherstellung von Halbleitern
für Bolometer
ein schwer zu bewältigendes
Problem.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht, die ein dreistufiges Bolometer 1 darstellt,
das in einer mitanhängigen
Anmeldung des gleichen Anmelders, die als WO-A-0033032 veröffentlicht
ist (nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht),
unter dem Titel "INFRARED
BOLOMETER WITH AN ENHANCED STRUCTURAL STABILITY AND INTEGRITY" offenbart ist, wobei 2 eine schematische
Querschnittansicht darstellt, die das dreistufige Bolometer 1 entlang
von A-A in 1 zeigt. Das Bolometer 1 umfaßt eine
Aktivmatrixstufe 10, eine Trägerstufe 20, ein Paar
Ständer 40 und
eine Absorptionsstufe 30.
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Die
Aktivmatrixstufe 10 weist ein eine integrierte Schaltung
(nicht dargestellt) enthaltendes Substrat 12, ein Paar
Verbindungsanschlüsse 14 und eine
Schutzschicht 16 auf.
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Jeder
der Verbindungsanschlüsse 14 ist elektrisch
mit der integrierten Schaltung verbunden, und die Schutzschicht 16 bedeckt
das Substrat 12.
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Die
Trägerschicht 20 umfaßt eine
aus einem isolierenden Material hergestellte Brücke 22 und ein Paar
aus einem elektrisch leitenden Material hergestellte Verbindungsleitungen 24.
Die Brücke 22 ist
mit einem Paar Ankerabschnitte 22a, einem Paar Schenkelabschnitte 22b und
einem erhöhten
Abschnitt 22c versehen. Jeder der Ankerabschnitte 22a ist
an der Aktivmatrixstufe 10 befestigt und umfaßt ein Durchgangsloch 26,
durch das ein Ende jeder der Verbindungsleitungen 24 elektrisch
mit dem jeweiligen der Verbindungsanschlüsse 14 in der Aktivmatrixstufe 10 verbunden
ist, wobei jeder der Schenkelabschnitte 22b den erhöhten Abschnitt 22c trägt, auf
dem das andere Ende jeder der Verbindungsleitungen 24 elektrisch
untereinander unterbrochen ist. Zusätzlich ist der erhöhte Abschnitt 22c so
ausgebildet, daß er eine
Schlangenform hat, um den Wärmeaustausch zwischen
der Aktivmatrixstufe 10 und der Absorptionsstufe 30 zu
minimieren.
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Die
Absorptionsstufe 30 ist mit einem Bolometerelement 36 versehen,
das von einem Absorber 32, einer unten am Absorber 32 ausgebildeten
reflektierenden Schicht 34 und einer oben auf der Absorberschicht 32 angeordneten
Infrarotabsorberbeschichtung 38 (nachfolgend "IR-Absorberbeschichtung 38") ausgestattet. Die
aus einem Metall hergestellte reflektierende Schicht 34 wird
verwendet, die durchgelassene IR-Strahlung zurück zum quadratischen Absorber 32 zu
senden. Die IR-Absorberbeschichtung 38 wird zum Erhöhen der
Absorptionseffizienz verwendet.
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Jeder
der Ständer 40 ist
zwischen der Absorptionsstufe 30 und der Trägerstufe 20 angeordnet, wobei
ein oberer Abschnitt jedes der Ständer 40 am zentralen
Abschnitt des Absorbers 32 angebracht ist und dessen unterer
Abschnitt am erhöhten
Abschnitt 22c der Brücke 22 angebracht
ist. Jeder der Ständer 40 weist
eine elektrische Leitung 42 auf, die aus einem Metall hergestellt
und von einem isolierenden Material 44 umgeben ist. Das
obere Ende der elektrischen Leitung 42 ist elektrisch mit
einem Ende des Bolometerelementes 36 verbunden, und deren
unteres Ende ist elektrisch mit der jeweiligen Verbindungsleitung 24 der
Trägerstufe 20 verbunden,
derart, daß beide
Enden des Bolometerelements 36 in der Absorptionsstufe 30 elektrisch
mit der integrierten Schaltung der Aktivmatrixstufe 10 über die
elektrischen Leitungen 42, die Verbindungsleitungen 24 und
die Verbindungsanschlüsse 14 verbunden
sind.
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Wenn
das Bolometerelement Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, ändert sich
der Widerstand des Bolometerelementes, was zu einer Strom- und einer Spannungsänderung
führt.
Der geänderte
Strom oder die geänderte
Spannung wird von der integrierten Schaltung verstärkt, derart,
daß der
verstärkte Strom
oder die verstärkte
Spannung von einer Detektionsschaltung (nicht gezeigt) ausgelesen
wird.
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Einer
der Hauptnachteile des oben beschriebenen Bolometers ist die strukturelle
Instabilität,
die dadurch hervorgerufen wird, daß die während dessen Herstellung angesammelten
Belastungen freigegeben werden. Da beispielsweise, wie in 3 gezeigt,
der Absorber 32 mit der quadratischen Form an seinem Zentrum
von den Ständern 40 getragen
wird, neigen die Belastungen darin dazu, an seinen jeweiligen Eckabschnitten
in die durch Pfeile angegebene Richtung freigesetzt zu werden, was
zu einer Deformierung der gesamten Konfiguration des Absorbers 32 führt, und
die strukturelle Unversehrtheit des Infrarotbolometers 1 nachteilig
beeinflußt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein primäres
Ziel der vorliegenden Erfindung, ein strukturell stabiles Infrarotbolometer
bereitzustellen. Dieses Ziel wird durch das in Anspruch 1 definierte
dreistu fige Bolometer erzielt. Weitere Aspekte sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und weiteren Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung deutlich, in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Infrarotbolometers gemäß einer
herkömmlichen
Erfindung zeigt;
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2 eine
schematische Querschnittansicht darstellt, die das Infrarotbolometer
entlang von A-A in 1 zeigt;
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3 eine
perspektivische Ansicht zeigt, die eine Deformation einer Absorptionsstufe
gemäß der herkömmlichen
Erfindung darstellt;
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4 eine
perspektivische Ansicht zeigt, die ein Infrarotbolometer gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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5 eine
schematische Querschnittansicht zeigt, die das Infrarotbolometer
entlang von B-B in 4 darstellt.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In 4 und 5 sind
eine perspektische Ansicht bzw. eine schematische Querschnittansicht eines
Infrarotbolometers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt.
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Das
erfindungsgemäße Infrarotbolometer 100 umfaßt eine
Aktivmatrixstufe 110, eine Trägerstufe 120, ein
Paar Ständer 140 und
eine Absorptionsstufe 130.
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Die
Aktivmatrixstufe 110 weist ein Substrat 112 mit
einer integrierten Schaltung (nicht gezeigt), ein Paar Verbindungs anschlüsse 114 und
eine Schutzschicht 116 auf. Jeder der aus einem Metall hergestellten
Verbindungsanschlüsse 114 ist
oben auf dem Substrat 112 angeordnet und elektrisch mit der
integrierten Schaltung verbunden. Die aus beispielsweise Siliciumnitrid
(SiNx) hergestellte Schutzschicht 116 bedeckt
das Substrat 112.
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Die
Trägerschicht 120 weist
eine aus einem isolierenden Material, zum Beispiel Siliciumnitrid (SiNx), Siliciumoxid (SiO2)
oder Siliciumoxinitrid (SiOxNy)
hergestellte Brücke 122 und
ein Paar aus einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Ti,
hergestellte Verbindungsleitungen 124 auf. Die Brücke 122 ist
mit einem Paar Ankerabschnitte 122a, einem Paar Schenkelabschnitte 122b und
einem erhöhten
Abschnitt 122c ausgestattet. Jeder der Ankerabschnitte 122a ist
an der Aktivmatrixstufe 110 befestigt und umfaßt ein Durchgangsloch 126,
durch das ein Ende jeder der Verbindungsleitungen 124 elektrisch
mit einem entsprechenden der Verbindungsanschlüsse 110 in der Aktivmatrixstufe 110 verbunden
ist, und jeder der Schenkelabschnitte 122b den erhöhten Abschnitt 122c trägt, auf
dem das andere Ende jeder der Verbindungsleitungen 124c elektrisch
voneinander unterbrochen ist. Zusätzlich ist der erhöhte Abschnitt 122c so
ausgebildet, daß er
eine Schlangenform hat, um den Wärmeaustausch
zwischen der Aktivmatrixstufe 110 und der Absorptionsstufe 130 zu minimieren.
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Die
Absorptionsstufe 130 weist ein von einem Absorber 132 umgebenes
Bolometerelement 136, eine unten am Absorber 132 ausgebildete
reflektierende Schicht 134 und eine oben auf dem Absorber 132 angeordnete
IR-Absorberbeschichtung 138 auf. Die Absorptionsstufe 130 ist
mit einer verbundenen Rille 201 entlang und nahe ihrer
Seitenränder
ausgestattet. Die Rille 201 ist darin eingebaut, um die
Absorptionsstufe 130 an einer Deformation zu hindern. Genauer
gesagt, verhindert die Rille 201, daß die in der Absorptionsstufe 130 während deren Herstellung
angesammelten Belastungen freigesetzt werden, wodurch verhindert
wird, daß das
Infrarotbolometer 100 sich strukturell deformiert. Der
Absorber 132 ist aus einem isolierenden Material mit einer niedrigen
Wärmeleitfähigkeit,
zum Beispiel Siliciumnitrid (SiNx), Siliciumoxid
(SiOx) oder Siliciumoxinitrid (SiOxNy) hergestellt.
Die reflektierende Schicht 134 ist aus einem Metall, zum
Beispiel Al oder Pt, hergestellt und wird dazu verwendet, die durchgelassene IR-Strahlung zurück zum Absorbierer 132 zu
senden. Die IR-Absorberbeschichtung 130 ist beispielsweise aus
schwarzem Gold hergestellt und wird dazu verwendet, die Absorptionseffizienz
zu erhöhen.
Das Bolometerelement 136 in der vorliegenden Erfindung ist
aus einem Material mit einem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten
(TCR), zum Beispiel Titan, hergestellt.
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Jeder
der Ständer 140 ist
zwischen der Absorptionsstufe 130 und der Trägerstufe 120 angeordnet,
wobei ein oberer Abschnitt jedes der Ständer 140 am zentralen
Abschnitt des Absorbers 132 und dessen unterer Abschnitt
am erhöhten
Abschnitt 122c der Brücke 122 angebracht
ist. Jeder der Ständer 140 weist
eine elektrische Leitung 142 auf, die aus einem Metall,
zum Beispiel Titan (Ti), hergestellt und von einem isolierenden
Material 144 umgeben ist, das beispielsweise aus Siliciumnitrid
(SiNx), Siliciumoxid (SiOx)
oder Siliciumoxinitrid (SiOxNy)
hergestellt ist. Das obere Ende jeder der elektrischen Leitungen 142 ist
elektrisch mit seinem entsprechenden Ende des Bolometerelementes 136 verbunden
und dessen unteres Ende ist elektrisch mit seiner entsprechenden
Verbindungsleitung 124 der Trägerstufe 120 verbunden,
derart, daß beide
Enden des Bolometerelementes 136 in der Absorptionsstufe 130 elektrisch
mit der integrierten Schaltung der Aktivmatrixstufe 110 über die
elektrischen Leitungen 142, die Verbindungsleitungen 124 und
die Verbindungsanschlüsse 114 verbunden
sind.
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Wenn
das Bolometerelement Infrarotstrahlung ausgesetzt ist, ändert sich
der Widerstand des Bolometerelementes 136, was zu einer
entsprechenden Strom- und Spannungsänderung führt. Der geänderte Strom oder die geänderte Spannung
wird von der integrierten Schaltung verstärkt, derart, daß der verstärkte Strom
oder die verstärkte
Spannung von einer Detektionsschaltung (nicht gezeigt) ausgelesen
wird.
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In
einem solchen Infrarotbolometer hindert die an der Absorptionsstufe
ausgebildete Rille, daß in der
Absorptionsstufe während
deren Herstellung angesammelte Belastungen dort freigesetzt werden, was
dazu führt,
wodurch verhindert wird, daß das
Infrarotbolometer sich strukturell deformiert.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung nur mit Bezug auf bestimmte bevorzugte
Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, können
andere Modifikationen und Änderungen
daran vorgenommen werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung
zu verlassen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.