EP1763658A1 - Mikrostrukturierter infrarot-sensor - Google Patents

Mikrostrukturierter infrarot-sensor

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EP1763658A1
EP1763658A1 EP05738156A EP05738156A EP1763658A1 EP 1763658 A1 EP1763658 A1 EP 1763658A1 EP 05738156 A EP05738156 A EP 05738156A EP 05738156 A EP05738156 A EP 05738156A EP 1763658 A1 EP1763658 A1 EP 1763658A1
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EP
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infrared sensor
cap
infrared
chip
sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05738156A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Franz
Frank Reichenbach
Dieter Maurer
Holger Hoefer
Markus-Alexander Schweiker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2021/317—Special constructive features

Definitions

  • the invention relates to a microstructured infrared sensor and a method for its production.
  • Microstructured infrared sensors can be used in particular in Gasdetek ⁇ factors, in which by a radiation source, for. B. emitted in the low-current range light bulb or an IR LED, emitted IR radiation over an absorption path and is subsequently recorded by the infrared sensor, and from the absorption of the Infrarot ⁇ radiation in specific wavelength ranges on the concentration of gases to be detected in the Absorption path can be closed.
  • a radiation source for. B. emitted in the low-current range light bulb or an IR LED, emitted IR radiation over an absorption path and is subsequently recorded by the infrared sensor, and from the absorption of the Infrarot ⁇ radiation in specific wavelength ranges on the concentration of gases to be detected in the Absorption path can be closed.
  • Such gas sensors in particular in the automotive sector z. B. for detecting a leak in a operated with CO 2 air conditioner or for Un ⁇ tersuchung the air quality of the room air.
  • the micromechanical infrared sensor usually has a sensor chip with a measuring structure sensitive to infrared radiation and a cap chip covering the sensor chip. Between the sensor chip and the cap chip, a sensor chamber which is sealed off from the outside in a vacuum-tight manner is formed, for which purpose a cavity is generally formed on the underside of the cap chip.
  • the measuring structure which is sensitive to infrared radiation usually has a membrane, below which a cavern is formed, and at least one thermopile structure formed on the membrane of two interconnected interconnects of different conductive materials, eg polycrystalline silicon and a metal , On the contact area of Conductor tracks an absorber layer is applied, which absorbs incident IR radiation under heating. Infrared radiation entering from above passes through the silicon cap chip, which is transparent to infrared radiation, into the sensor space and strikes the absorber layer, the temperature increase of which can be read out as a thermoelectric voltage of the thermopile structure.
  • conductive materials eg polycrystalline silicon and a metal
  • the infrared sensor is generally installed in a housing provided with one or more windows.
  • the window is in this case so large that the absorber layer is completely illuminated by the infrared radiation.
  • Sen ⁇ sors on the housing bottom no accurate adjustment of the window to the lateral extent of the absorber layer can be made.
  • the window is designed so large that in general infrared radiation also strikes the bulk material of the silicon outside of the absorber layer and the membrane and thus on the cold end of the thermopile structure.
  • the sensitivity of the infrared sensor is defined by the temperature difference between the hot contact region arranged below the absorber layer and the cold ends of the conductor tracks provided in the bulk material, the infrared radiation reaching further outward in the lateral direction reduces the sensitivity of the infrared sensor. Furthermore, partial shading of the thermopile structure and the absorber layer can already be achieved by a slight incorrect positioning of the infrared sensor in the housing or incorrect positioning of the cover provided with the window on the housing, so that the sensitivity is further reduced.
  • the mounting roller chain is thus defined by the mounting of the infra red sensor in the sensor housing and the cover provided with the window on the housing.
  • the infrared sensor according to the invention and the method for its production have the particular advantage that a cost-effective design of a diaphragm and an accurate positioning of the diaphragm relative to the position of the infrared-sensitive measuring structure is possible.
  • a diaphragm is formed on the upper side of the cap chip. This can take place, on the one hand, by means of a suitable coating, wherein a reflective or absorbent coating and / or an anti-reflective coating can be formed in an outer panel area.
  • the reflective coating may e.g. be applied as a metal layer;
  • the inner and / or outer diaphragm region can also have a wavelength-specific reflective or antireflective effect as a dielectric coating of definite thickness with a refractive index differing with respect to the material of the sensor chip;
  • the outer diaphragm area acts as a dielectric mirror, the inner diaphragm area as dielectric antireflection coating or coating.
  • a material with a refractive index different from the silicon of the cap chip it is possible to produce a simple and inexpensive method, e.g. Silicon nitride or silicon dioxide are applied.
  • a reflection, scattering or absorption of the infrared radiation by a suitable structuring of the surface of the cap chip can be carried out in the outer blen ⁇ den Kunststoff.
  • the structuring can be formed, for example, by V-shaped trenches; These can be easily generated by wet etching, eg KOH etching with the oblique surfaces forming along the crystal planes.
  • An absorption of the incident infrared radiation can be adjusted by a suitable roughness, which can be achieved, for example, by wet etching or plasma etching.
  • a structuring with trenches can also be formed on the underside of the cap chip, which intercept radiation passing through between the trenches formed on the upper side of the cap chip.
  • FIG. 1 shows a section through an infrared sensor arrangement with egg ner infrared radiation source and an infrared sensor with a diaphragm coating on the cap chip.
  • FIG. 2 shows the infrared sensor from FIG. 1 according to an embodiment with an outer reflecting diaphragm area
  • FIG. 3 shows an infrared sensor according to an alternative embodiment to FIG. 2 with an antireflecting middle diaphragm area
  • FIG. 4 shows an infrared sensor according to another alternative embodiment to FIG. 2 with reflective and antireflecting diaphragm areas;
  • FIG. 5 shows a section through an infrared sensor arrangement according to an alternative embodiment to FIG. 1 with an infrared radiation source and an infrared sensor with diaphragm areas structured on the cap chip;
  • FIG. 6 shows an enlarged detail of the cap chip from FIG. 5 according to an embodiment with reflective structuring of the outer diaphragm region
  • 7 shows a plan view of an infrared sensor from FIG. 5 according to a further embodiment with a reflective outer diaphragm area
  • FIG. 8 shows a section through the infrared sensor from FIG. 7;
  • FIGS. 7, 8 shows a section through an infrared sensor of an alternative embodiment to FIGS. 7, 8 with reflective structuring of the top and bottom sides of the cap chip;
  • FIG. 10 shows an enlarged detail of the cap chip of the arrangement from FIG. 5 with a structuring-forming ab ⁇ sorb Schldem outer aperture region.
  • An infrared (IR) sensor arrangement 1 shown in FIG. 1 has an IR radiation source 2, for example a light bulb operated in the low-current range, and a sensor module 3 with a housing 4 made of eg plastic or a molding compound and one on the housing 4 fastened lid 5 with ei ⁇ nem window 6 on.
  • a sensor module 3 with a housing 4 made of eg plastic or a molding compound and one on the housing 4 fastened lid 5 with ei ⁇ nem window 6 on.
  • an infrared sensor 9 is provided, for example glued to the bottom of the housing 4.
  • the infrared sensor 9 has a sensor chip 10 with a measuring structure 11 detecting IR radiation, wherein the measuring structure 11 comprises a membrane 12 formed on the upper side of the sensor chip 10, a cavity 13 formed underneath the membrane 12, and at least a formed on the membrane 12 thermopile structure 14 of two interconnects 14a, 14b has.
  • the conductor tracks 14a and 14b are formed of different, respectively electrically conductive materials, for example polycrystalline silicon and a metal, for example aluminum. They are contacted in a central region of the membrane 12 and lead laterally outwardly away from the membrane 12.
  • an absorber layer 16 is absorbed from an infrared radiation. ing material, such as a metal oxide, applied. Upon absorption of infrared radiation, the absorber layer 16 heats up so that the thermopile structure 14 experiences a temperature increase in its contact region, which can be read out as a thermal voltage.
  • a cap chip 20 is fastened in vacuum-tight connection areas 21.
  • the connection regions 21 may be e.g. be formed by a low-melting lead glass.
  • a sensor space 23 is formed as a cavern, in which the membrane 12 together with the thermopile structure 14 and the absorber layer 16 are accommodated. In the sensor space 23 in this case a vacuum is formed, which is sealed by the connecting portions 21 relative to the housing interior 7.
  • a diaphragm 25 is formed with an outer diaphragm region 25a and an inner diaphragm region 25b.
  • the diaphragm 25 is designed as a diaphragm coating of the upper side 24 of the cap chip 20, wherein in the case of FIGS. 2 to 4 different alternative embodiments of the diaphragm 25 are shown.
  • an infrared radiation filter 29 is attached on the panel 25 and thus below the lid 5.
  • the infrared radiation filter 29 selectively transmits infrared radiation of a predetermined wavelength range and absorbs other wavelength ranges.
  • the attachment may be e.g. done through an adhesive layer.
  • the IR radiation filter 29 may in principle also be used, for example. be attached to the underside of the lid 5.
  • the infrared radiation source 2 emits along an optical axis A infrared radiation IR to the sensor module 3, wherein the gap serves as Absorptions ⁇ line 27 between the IR radiation source 2 and the sensor module 3, in which, depending on a respective gas concentration, for example the concentration of CO2, infrared radiation of the predetermined Wellen ⁇ length range is absorbed.
  • Infrared radiation IR 1 which is emitted within an inner solid angle range about the optical axis A, subsequently enters the sensor space 23 through the window 6, the radiation filter 29, the inner diaphragm 25b of the diaphragm 25 and the cap chip 20 made of silicon and is absorbed by the absorber layer 16.
  • outer infra-ray radiation IR 2 first passes through the window 6 of the lid 5 and the Strahlungsfil ⁇ ter 29, but is not transmitted by the outer aperture region 25 a and thus does not enter the cap chip 20th
  • FIGS. 2 to 4 show alternative embodiments of the diaphragm 25 as a coating of the upper side 24 of the cap chip 20.
  • FIG. 2 corresponds to the illustration of FIG. 1, in which the outer diaphragm region 25a is a reflecting coating of e.g. a metal, for example aluminum, etcbil ⁇ det and the inner diaphragm portion 25b is released.
  • the inner IR radiation IR1 is transmitted and the outer IR radiation IR 2 reflected.
  • the inner diaphragm region 25b is designed as an antireflective diaphragm coating.
  • Such an antireflecting coating is designed in accordance with the compensation of an optical component and causes a destructive interference of the partial waves reflected at the upper boundary surface and lower boundary surface of the diaphragm area 25b.
  • the thickness d of the inner diaphragm coating 25b is to be selected as a function of the wavelength ⁇ of the IR radiation and the refractive indices n1 of the silicon of the cap chip 20 and ⁇ 2 of the inner diaphragm region 25b.
  • SiO 2 or Si 3 N 4 can be selected as the material of the inner diaphragm area 25 b.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which - as in FIG. 3 - the inner diaphragm area 25b is designed to be antireflecting and, in addition, the outer diaphragm area 25a is designed to be reflective.
  • the outer diaphragm region 25a acts as a dielectric mirror with at least one dielectric layer.
  • the outer diaphragm region 25a may be formed as a dielectric mirror, so that FIG. 4 represents a combination of the embodiments of FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 5 shows an infrared sensor arrangement 31, which substantially corresponds to the structure of the infrared sensor arrangement 1 of FIG. 1.
  • a diaphragm 32 is formed by structuring.
  • the diaphragm 32 in turn has an outer diaphragm area 32a and an inner diaphragm area 32b, which can be embodied differently according to the embodiments of FIGS. 6 to 10 described below.
  • a plurality of smaller trenches 34 with a V-shaped cross section are formed on the upper side 24 of the cap chip 20 in the outer panel area 32a.
  • Figures 7 and 8 show a corresponding embodiment with a smaller number of V-shaped trenches 34; In this case, for example, three V-shaped trenches 34 may be formed on each side of the inner panel area 32b.
  • the trenches 34 extend in each case in a straight line and proceed according to the plan view of FIG. 7. teilhaft note not overlapping at their ends. They can be formed directly by applying a mask layer on the upper side 24 with subsequent etching, eg KOH etching. Here, the mask layer leaves the trenches 34 free.
  • the etching edges in the usual (100) orientation of the cap wafer run along crystal planes, eg, (111) crystal planes, so that the V shape shown in FIGS. 6 and 8 results automatically; the etching process thus corresponds to that of the etching of the beam 23 on the underside of the cap chip 20.
  • IR radiation IR1 incident on the inner diaphragm region 32b is therefore not influenced and passes through the cap chip 20 onto the absorber layer 16.
  • IR radiation IR2 attributable to the outer diaphragm region 32a is obliquely inclined ⁇ falling side surfaces 40 of the trenches 34 multiple reflected.
  • side surfaces 40 formed by KOH etching a largely complete reflection of the IR radiation IR2 is effected, in which multiple reflection, e.g. on two opposite side surfaces 40, the IR radiation is reflected away from the upper side 24 of the cap chip 20 upwards.
  • IR radiation IR 2 can enter between the individual trenches 34 on the upper side 24 of the cap chip 20 and is not reflected by the oblique side surfaces 40, in the embodiment of FIG. 9 they are also complementary to the underside 22 of the cap chip 20 V-shaped trenches 36 formed corresponding to the trenches 34 on the upper side 24 of the cap chip 20, but these are arranged offset by half a pitch, ie a half distance between the trenches 34.
  • edges 39 of the V-shape of the upper trenches 34 lie exactly between the edges 39 of the lower trenches 36 and vice versa, as can be seen by the dashed lines of FIG.
  • the IR radiation entering between the upper V-shaped trenches 32 is reflected at the side surfaces 40 of the lower V-shaped trenches 36.
  • the sensor space 23 in the lateral direction is smaller in the lateral direction than in the embodiment of FIG. 8, so that the flat area of the underside 22 of the cap chip 20 extends below the outer diaphragm area 32a in order to increase the design of the lower trenches 36 below the upper trenches 34 to allow.
  • FIG. 10 shows a further possibility of forming the upper side 24 of the cap chip 20.
  • the outer diaphragm area 32a is not reflective, but rather absorbent.
  • the top 24 in the outer panel area 32a may be e.g. roughened by suitable etching.
  • the roughened outer panel area 32a may be e.g. Have structures of the same order of magnitude as the wavelength ⁇ of the IR radiation; it can e.g.
  • the so-called "black silicon" produced by plasma etching, the inner diaphragm region 32b is further transmissive.
  • a sensor wafer is structured by forming the caverns 13, membranes 12, thermopile structures 14 and absorber layers 16. Furthermore, a cap wafer is produced in which the sensor spaces 23 are constructed in a manner known per se as Ka ⁇ verne be formed by eg KOH etching.
  • the diaphragm 25 is subsequently applied to the upper side 24 by coating as a metal layer and / or a dielectric, optically transparent layer of a specific thickness with a reflective or antireflecting property, for example SiO 2 or Si 3 N 4.
  • the structuring of the upper side 24 of the cap chip 20 is carried out by, for example, KOH etching.
  • the V-shaped trenches of Fig. 6 to 9 is a corresponding mask technique used;
  • the V-shaped trenches 36 are formed on the underside 22 of the cap wafer.
  • roughening of the upper side 24 takes place with, for example, plasma etching.
  • the sensor wafer and cap wafer can subsequently be placed on one another and fastened in the vacuum-tight connection regions 21.
  • the wafer stack formed in this way can subsequently be singulated, as a result of which the individual IR sensors 9 and 30 are produced.
  • the attachment of the IR radiation filter 29 can take place before or after singulation.
  • the thus prepared IR sensors 9, 30 can be accommodated in the housing 4 with cover 5 accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Sensor, mit mindestens einer Mess-Struktur (11) aus z.B. einem Sensorchip (10), der eine Mess­-Struktur (11) aufweist, und einem Kappenchip (20), der auf dem Sensorchip (10) befestigt ist und mit dem Sensorchip (10) einen Sensorraum (23) defi­niert, wobei auf der Oberseite (24) des Kappenchips (20) eine Blende (25, 32) mit einem inneren Blendenbereich (25b, 32b) und einem den inneren Blendenbe­reich (25b, 32b) umgebenden äußeren Blendenbereich (25a, 32a) ausgebildet ist, wobei der innere Blendenbereich (25b, 32b) oberhalb der Mess-Struktur (11) ausgebildet ist und für zu detektierende Infrarot-Strahlung (IR 1) transparent ist und der äußere Blendenbereich (25a, 32a) für einfallende Infrarot­-Strahlung (IR2) zumindest teilweise intransparent ist. Hierbei kann der äußere Blendenbereich insbesondere als reflektive Be­schichtung aus Metall oder einer dielektrischen Schicht, als reflektierende Strukturierung durch Gräben mit schrägen Flächen oder absorbierender Strukturierung ausgebildet sein.

Description

Mikrostrukturierter Infrarot-Sensor
Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Infrarot-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Mikrostrukturierte Infrarot-Sensoren können insbesondere in Gasdetek¬ toren verwendet werden, bei denen von einer Strahlungsquelle, z. B. einer im Niederstrombereich betriebenen Glühbirne oder einer IR-LED, ausgesandte IR-Strahlung über eine Absorptionsstrecke ausgesandt und nachfolgend von dem Infrarot-Sensor aufgenommen wird, und aus der Absorption der Infrarot¬ strahlung in spezifischen Wellenlängenbereichen auf die Konzentration zu detektierender Gase in der Absorptionsstrecke geschlossen werden kann. Derartige Gassensoren können insbesondere im Automobilbereich z. B. zur Detektion eines Lecks in einer mit CO2 betriebenen Klimaanlage oder zur Un¬ tersuchung der Luftqualität der Raumluft verwendet werden.
Der mikromechanische Infrarot-Sensor weist üblicherweise einen Sen- sorchip mit einer für Infrarot-Strahlung sensitiven Mess-Struktur und einen den Sensorchip abdeckenden Kappenchip auf. Zwischen dem Sensorchip und dem Kappenchip ist ein nach außen vakuumdicht abgeschlossener Sensor¬ raum ausgebildet, wobei hierzu im Allgemeinen auf der Unterseite des Kap¬ penchips eine Kaverne ausgebildet ist.
Die für Infrarotstrahlung sensitive Mess-Struktur weist üblicherweise ei¬ ne Membran, unterhalb von der eine Kaverne ausgebildet ist, und mindestens eine auf der Membran ausgebildete Thermopile-Struktur aus zwei miteinander kontaktierten Leiterbahnen aus unterschiedlichen leitfähigen Materialien, z.B. polykristallinem Silizium und einem Metall, auf. Auf dem Kontaktbereich der Leiterbahnen ist eine Absorberschicht aufgetragen, die einfallende IR- Strahlung unter Erwärmung absorbiert. Von oben einfallende Infrarot- Strahlung gelangt durch den für Infrarot-Strahlung transparenten Kappenchip aus Silizium in den Sensorraum und trifft auf die Absorberschicht, deren Tem- peraturerhöhung als Thermospannung der Thermopile-Struktur ausgelesen werden kann.
Der Infrarot-Sensor ist im Allgemeinen in ein mit einem oder mehreren Fenstern versehenen Gehäuse eingebaut. Das Fenster ist hierbei derartig groß, dass die Absorberschicht vollständig von der Infrarot-Strahlung beleuch¬ tet wird. Allerdings kann bei der tolleranzbedingten Einbausituation des Sen¬ sors auf dem Gehäuseboden keine genaue Anpassung des Fensters an die laterale Ausdehnung der Absorberschicht vorgenommen werden. Somit wird das Fenster derartig groß ausgelegt, dass im Allgemeinen Infrarot-Strahlung auch auf das Bulk-Material des Siliziums außerhalb der Absorberschicht und der Membran und somit auf das kalte Ende der Thermopile-Struktur trifft.
Da die Empfindlichkeit des Infrarot-Sensors durch den Temperaturun¬ terschied zwischen dem unter der Absorberschicht angeordneten warmen Kontaktbereich und den im Bulk-Material vorgesehenen kalten Enden der Lei¬ terbahnen definiert ist, verringert die in lateraler Richtung weiter nach außen gelangende Infrarot-Strahlung die Empfindlichkeit des Infrarot-Sensors. Wei¬ terhin kann bereits durch eine geringe Fehlpositionierung des Infrarot-Sensors im Gehäuse bzw. eine Fehlpositionierung des mit dem Fenster versehenen Deckels auf dem Gehäuse eine Teilabschattung der Thermopile-Struktur und der Absorberschicht erreicht werden, so dass die Empfindlichkeit weiter redu¬ ziert wird. Die Montagetolleranzkette ist somit durch die Anbringung des Infra¬ rot-Sensors in dem Sensorgehäuse und des mit dem Fenster versehenen De¬ ckels auf dem Gehäuse definiert. Der erfindungsgemäße Infrarot-Sensor und das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass eine kostengünstige Ausbildung einer Blende und eine genaue Positionierung der Blende relativ zu der Position der Infrarot-sensitiven Mess-Struktur möglich ist.
Erfindungsgemäß wird eine Blende auf der Oberseite des Kappenchips ausgebildet. Dies kann zum einen durch eine geeignete Beschichtung erfol¬ gen, wobei in einem äußeren Blendenbereich eine reflektive oder absorbie¬ rende Beschichtung und/oder in einem inneren Blendenbereich eine anti- reflektive Beschichtung ausgebildet werden kann. Die reflektive Beschichtung kann z.B. als Metallschicht aufgetragen werden; weiterhin können der innere und/oder äußere Blendenbereich auch als dielektrische Beschichtung definier¬ ter Dicke mit gegenüber dem Material des Sensorchips unterschiedlichem Brechungsindex wellenlängenspezifisch reflektiv oder antireflektiv wirken; der äußere Blendenbereich wirkt hierbei als dielektrischer Spiegel, der innere Blendenbereich als dielektrische Entspiegelung bzw. Vergütung. Als Material mit gegenüber dem Silizium des Kappenchips unterschiedlichen Brechungs¬ index kann einfach und kostengünstig z.B. Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid aufgetragen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in dem äußeren Blen¬ denbereich eine Reflektion, Streuung oder Absorbtion der Infrarot-Strahlung durch eine geeignete Strukturierung der Oberfläche des Kappenchips vorge¬ nommen werden. Somit ist das Auftragen zusätzlicher Materialien nicht erfor- derlich. Die Strukturierung kann z.B. durch V-förmige Gräben ausgebildet werden; diese können einfach durch Nassätzen, z.B. KOH-Ätzen mit den sich hierbei entlang der Kristallebenen ausbildenden schrägen Flächen erzeugt werden. Eine Absorption der einfallenden Infrarot-Strahlung kann durch eine geeignete Rauhigkeit eingestellt werden, die z.B. durch Nassätzen oder Plasmaätzen erzielt werden kann. Ergänzend kann auch auf der Unterseite des Kappenchips eine Struk¬ turierung mit Gräben ausgebildet werden, die zwischen den auf der Oberseite des Kappenchips ausgebildeten Gräben durchtretende Strahlung abfangen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnun¬ gen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Infrarot-Sensor-Anordnung mit ei¬ ner Infrarot-Strahlungsquelle und einem Infrarot-Sensor mit einer Blendenbeschichtung auf dem Kappenchip;
Fig. 2 den Infrarot-Sensor aus Fig. 1 gemäß einer Ausführungs¬ form mit äußerem reflektierenden Blendenbereich;
Fig. 3 einen Infrarot-Sensor gemäß einer zu Fig. 2 alternativen Ausführungsform mit antireflektierendem mittleren Blen¬ denbereich;
Fig.4 einen Infrarot-Sensor gemäß einer weiteren zu Fig. 2 alter- nativen Ausführungsform mit reflektierenden und antireflek- tierenden Blendenbereichen;
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Infrarot-Sensor-Anordnung gemäß einer zu Fig. 1 alternativen Ausführungsform mit einer Infra- rot-Stahlungsquelle und einem Infrarot-Sensor mit auf dem Kappenchip strukturierten Blendenbereichen;
Fig. 6 eine Ausschnittsvergrößerung des Kappenchips aus Fig. 5 gemäß einer Ausführungsform mit reflektierender Struktu- rierung des äußeren Blendenbereichs; Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Infrarot-Sensor aus Fig. 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform mit reflektierendem äuße¬ rem Blendenbereich;
Fig. 8 einen Schnitt durch den Infrarot-Sensor aus Fig. 7;
Fig. 9 einen Schnitt durch einen Infrarot-Sensor einer zu Fig. 7, 8 alternativen Ausführungsform mit reflektierender Strukturie¬ rung der Ober- und Unterseite des Kappenchips;
Fig. 10 eine Ausschnittsvergrößerung des Kappenchips der Anord¬ nung aus Fig. 5 mit durch Strukturierung ausgebildeten ab¬ sorbierendem äußerem Blendenbereich.
Eine in Fig. 1 gezeigte Infrarot (IR-)Sensor-Anordnung 1 weist eine IR- Strahlungsquelle 2, z.B. eine im Niederstrombereich betriebene Glühbirne, und ein Sensormodul 3 mit einem Gehäuse 4 aus z.B. Kunststoff oder einem Mold-Compound und einem auf dem Gehäuse 4 befestigten Deckel 5 mit ei¬ nem Fenster 6 auf. In dem zwischen dem Gehäuse 4 und dem Deckel 5 ge- bildeten Gehäuseinnenraum 7 ist ein Infrarot-Sensor 9 vorgesehen, z.B. auf den Boden des Gehäuses 4 geklebt. Der Infrarot-Sensor 9 weist einen Sen¬ sorchip 10 mit einer IR-Strahlung detektierenden Mess-Struktur 11 auf, wobei die Mess-Struktur 11 eine auf der Oberseite des Sensorchips 10 ausgebildete Membran 12, eine unterhalb der Membran 12 ausgebildete Kaverne 13 und mindestens eine auf der Membran 12 ausgebildete Thermopile-Struktur 14 aus zwei Leiterbahnen 14a, 14b aufweist. Die Leiterbahnen 14a und 14b sind aus unterschiedlichen, jeweils elektrisch leitfähigen Materialien ausgebildet, z.B. polykristallinem Silizium und einem Metall, z.B. Aluminium. Sie sind in einem mittleren Bereich der Membran 12 kontaktiert und führen lateral nach außen von der Membran 12 weg. Auf dem Kontaktbereich der Thermopile- Struktur 14 ist eine Absorberschicht 16 aus einem Infrarot-Strahlung absorbie- renden Material, z.B. einem Metalloxid, aufgetragen. Bei Absorption von Infra¬ rot-Strahlung erwärmt sich die Absorberschicht 16, so dass die Thermopile- Struktur 14 in ihrem Kontaktbereich eine Temperaturerhöhung erfährt, die als Thermo-Spannung ausgelesen werden kann.
Auf dem Sensorchip 10 ist ein Kappenchip 20 in vakuumdichten Ver¬ bindungsbereichen 21 befestigt. Die Verbindungsbereiche 21 können z.B. durch ein niedrig schmelzendes Bleiglas ausgebildet sein. Auf der Unterseite des Kappenchips 20 ist ein Sensorraum 23 als Kaverne ausgebildet, in dem die Membran 12 mitsamt Thermopile-Struktur 14 und Absorberschicht 16 auf¬ genommen sind. In dem Sensorraum 23 ist hierbei ein Vakuum ausgebildet, das durch die Verbindungsbereiche 21 gegenüber dem Gehäuseinnenraum 7 abgedichtet ist.
Auf einer Oberseite 24 des Kappenchips 20 ist eine Blende 25 mit ei¬ nem äußeren Blendenbereich 25a und einem inneren Blendenbereich 25b ausgebildet. Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 ist die Blende 25 als Blendenbeschichtung der Oberseite 24 des Kappenchips 20 ausgebildet, wo¬ bei die Rg. 2 bis 4 verschiedene alternative Ausbildungen der Blende 25 zei- gen.
Auf der Blende 25 und somit unterhalb des Deckels 5 ist ein Infrarot- Strahlungsfilter 29 befestigt. Der Infrarot-Strahlungsfilter 29 lässt selektiv Infra¬ rot-Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs durch und absorbiert andere Wellenlängenbereiche. Die Befestigung kann hierbei z.B. durch eine Klebeschicht erfolgen. Alternativ hierzu kann der IR-Strahlungsfilter 29 grund¬ sätzlich auch z.B. an der Unterseite des Deckels 5 befestigt sein.
Die Infrarot-Strahlungsquelle 2 sendet entlang einer optischen Achse A Infrarot-Strahlung IR zu dem Sensormodul 3 aus, wobei der Zwischenraum zwischen der IR-Strahlungsquelle 2 und dem Sensormodul 3 als Absorptions¬ strecke 27 dient, in der in Abhängigkeit von einer jeweiligen Gaskonzentration, z.B. der Konzentration von CO2, Infrarot-Strahlung des vorgegebenen Wellen¬ längenbereiches absorbiert wird. Infrarot-Strahlung IR 1, die innerhalb eines inneren Raumwinkelbereichs um die optische Achse A ausgesandt wird, tritt nachfolgend durch das Fenster 6, den Strahlungsfilter 29, den inneren Blen¬ denbereich 25b der Blende 25 und den aus Silizium bestehenden Kappenchip 20 in den Sensorraum 23 und wird von der Absorberschicht 16 absorbiert. In einem äußeren Raumwinkelbereich ausgesandte äußere Infraort-Strahlung IR 2 tritt zunächst noch durch das Fenster 6 des Deckels 5 und den Strahlungsfil¬ ter 29, wird jedoch von dem äußeren Blendenbereich 25a nicht durchgelassen und gelangt somit nicht in den Kappenchip 20.
Die Fig.2 bis 4 zeigen alternative Ausbildungen der Blende 25 als Be- Schichtung der Oberseite 24 des Kappenchips 20. Die Fig. 2 entspricht der Darstellung der Fig. 1 , in der der äußere Blendenbereich 25a als reflektieren¬ de Beschichtung aus z.B. einem Metall, beispielsweise Aluminium, ausgebil¬ det und der innere Blendenbereich 25b freigelassen ist. Somit wird die innere IR-Strahlung IR1 transmittiert und die äußere IR-Strahlung IR 2 reflektiert.
Gemäß Fig. 3 ist der innere Blendenbereich 25b als antireflektierende Blendenbeschichtung ausgebildet. Eine derartige antireflektierende Beschich¬ tung ist entsprechend der Vergütung eines optischen Bauelementes ausgebil¬ det und bewirkt eine destruktive Interferenz der an der oberen Grenzfläche und unteren Grenzfläche des Blendenbereichs 25b reflektierten Teilwellen. Hierzu ist die Dicke d der inneren Blendenbeschichtung 25b in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der IR-Strahlung und den Brechungsindizes n1 des Siliziums des Kappenchips 20 und π2 des inneren Blendenbereichs 25b zu wählen. Falls der Brechungsindex n1 des Kappenchips 20 größer als der Bre- chungsindex n2 des inneren Blendenbereichs 25b ist, kann die aπtireflektie- rende Wirkung z.B. mit einer Dicke d = (λ/4)/n2 erreicht werden. Als Material des inneren Blendenbereichs 25b kann z.B. SiO2 oder Si3N4 gewählt werden.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der - wie in Fig. 3 - der innere Blendenbereich 25b antireflektierend ausgebildet ist und zusätzlich der äuße¬ re Blendenbereich 25a reflektierend ausgebildet ist. Der äußere Blendenbe¬ reich 25a wirkt hierbei als dielektrischer Spiegel mit zumindest einer dielektri¬ schen Schicht. Die Dicke bei einer einschichtigen Ausbildung des äußeren Blendenbereiches 25a kann z.B. als d=(λ/2)/n2 ausgebildet sein, d.h. die dop- pelte Dicke wie der innere Blendenbereich 25b aufweisen.
Auch in Fig. 2 kann der äußere Blendenbereich 25a als dielektrischer Spiegel ausgebildet sein, so dass Fig.4 eine Kombination der Ausführungs¬ formen der Fig. 2 und Fig. 3 darstellt.
Fig. 5 zeigt eine Infrarot-Sensor-Anordnung 31 , die im Wesentlichen dem Aufbau der Infrarot-Sensor-Anordnung 1 der Fig. 1 entspricht. Bei dem IR-Sensor 30 ist - anstelle der Blendenbeschichtung 25 -jedoch auf der O- berseite 24 des Kappenchips 20 eine Blende 32 durch Strukturierung ausge- bildet. Die Blende 32 weist wiederum einen äußeren Blendenbereich 32a und einen inneren Blendenbereich 32b auf, der entsprechend den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Fig. 6 bis 10 unterschiedlich ausgebil¬ det sein kann.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 6 sind auf der Oberseite 24 des Kappenchips 20 in dem äußeren Blendenbereich 32a mehrere kleinere Grä¬ ben 34 mit V-förmigen Querschnitt ausgebildet. Die Fig. 7 und 8 zeigen eine entsprechende Ausführungsform mit einer geringeren Anzahl von V-förmigen Gräben 34; hierbei können z.B. zu jeder Seite des inneren Blendenbereichs 32b jeweils drei V-förmige Gräben 34 ausgebildet sein. Die Gräben 34 verlau¬ fen hierbei jeweils gradlinig und gehen gemäß der Draufsicht der Fig. 7 vor- teilhafterweise an ihren Enden nicht ineinander über. Sie können direkt durch Aufbringen einer Maskenschicht auf der Oberseite 24 mit nachfolgendem Ät¬ zen, z.B. KOH-Ätzen, ausgebildet werden. Hierbei lässt die Maskenschicht die Gräben 34 frei. Beim KOH-Ätzen verlaufen die Ätzkanten bei der üblichen (100)-Ausrichtung des Kappenwafers entlang von Kristallebenen, z.B. (111)- Kristallebenen, so dass sich selbsttätig die in den Fig. 6 und 8 gezeigte V- Form ergibt; der Ätzvorgang entspricht somit demjenigen des Ätzens der Ka¬ verne 23 an der Unterseite des Kappenchips 20.
Bei den Ausführungsform der Figuren 6 bis 9 wird auf den inneren Blendenbereich 32b einfallende IR-Strahlung IR1 somit nicht beeinflusst und gelangt durch den Kappenchip 20 auf die Absorberschicht 16. Auf den äuße¬ ren Blendenbereich 32a entfallende IR-Strahlung IR2 wird an den schräg ab¬ fallenden Seitenflächen 40 der Gräben 34 mehrfach reflektiert. Hierbei wird bei durch KOH-Ätzen ausgebildeten Seitenflächen 40 eine weitgehend voll¬ ständige Reflektion der IR-Strahlung IR2 bewirkt, bei der durch Mehrfach¬ reflektion, z.B. an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 40 die IR-Strahlung von der Oberseite 24 des Kappenchips 20 nach oben wegreflektiert wird.
Da zwischen den einzelnen Gräben 34 auf der Oberseite 24 des Kap¬ penchips 20 IR-Strahlung IR 2 eintreten kann, die nicht an den schrägen Sei¬ tenflächen 40 reflektiert wird, sind bei der Ausführungsform der Fig. 9 ergän¬ zend auch an der Unterseite 22 des Kappenchips 20 V-förmige Gräben 36 ausgebildet, die den Gräben 34 an der Oberseite 24 des Kappenchips 20 ent- sprechen, diesen gegenüber jedoch um ein halbes Rastermaß, d.h. einen halben Abstand zwischen den Gräben 34 versetzt angeordnet sind. Somit lie¬ gen Kanten 39 der V-Form der oberen Gräben 34 jeweils genau zwischen den Kanten 39 der unteren Gräben 36 und umgekehrt, wie durch die gestrichelten Linien der Fig. 9 ersichtlich ist. Somit wird die zwischen den oberen V- förmigen Gräben 32 eintretende IR-Strahlung an den Seitenflächen 40 der unteren V-förmigen Gräben 36 reflektiert. Bei der Ausführungsform der Fig. 9 ist gegenüber der Ausführungsform der Fig. 8 der Sensorraum 23 in lateraler Richtung kleiner ausgebildet, damit sich der plane Bereich der Unterseite 22 des Kappenchips 20 sich bis unter- halb des äußeren Blendenbereichs 32a erstreckt, um die Ausbildung der unte¬ ren Gräben 36 unterhalb der oberen Gräben 34 zu ermöglichen.
Die Ausführungsform der Fig. 10 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausbildung der Oberseite 24 des Kappenchips 20. Hierbei ist der äußere Blendenbereich 32a nicht reflektierend, sondern absorbierend ausgebildet. Hierzu kann die Oberseite 24 in dem äußeren Blendenbereich 32a z.B. durch geeignetes Ätzen aufgeraut sein. Der aufgeraute äußere Blendenbereich 32a kann z.B. Strukturen derselben Größenordnung wie die Wellenlänge λ der IR- Strahlung aufweisen; es kann z.B. sogenanntes „Black Silicon", das durch Plasmaätzen hergestellt wird. Der innere Blendenbereich 32b ist weiterhin transmittierend.
Die Herstellung des IR-Sensors 9 bzw. 30 kann vollständig auf Wafer- Ebene erfolgen. Hierbei wir in an sich bekannter Weise ein Sensor-Wafer strukturiert durch Ausbilden der Kavernen 13, Membranen 12, Thermopile- Strukturen 14 und Absorberschichten 16. Weiterhin wird ein Kappen-Wafer hergestellt, bei dem in an sich bekannter Weise die Sensorräume 23 als Ka¬ vernen durch z.B. KOH-Ätzen ausgebildet werden. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 bis 4 wird nachfolgend die Blende 25 auf der Oberseite 24 durch Beschichtung als Metallschicht und/oder dielektrische, optisch transparente Schicht bestimmter Dicke mit reflektierender oder antireflektierender Eigen¬ schaft, z.B. SiO2 oder Si3N4, aufgetragen. Da diese Beschichtung auf Wafer- Ebene stattfindet, sind die zusätzlichen Kosten pro Kappenchip 20 gering. Bei der Ausführungsform der Fig. 5 bis 10 wird anstelle einer Beschichtung die Strukturierung der Oberseite 24 des Kappenchips 20 durch z.B. KOH-Ätzen durchgeführt. Bei der Ausbildung der V-förmigen Gräben der Fig. 6 bis 9 wird eine entsprechende Maskentechnik eingesetzt; bei der Ausführungsform der Fig. 9 werden zusätzlich zu den Kavernen 23 die V-förmigen Gräben 36 an der Unterseite 22 des Kappen-Wafers ausgebildet. Bei Fig. 10 erfolgt mit z.B. Plasmaätzen eine Aufrauung der Oberseite 24.
Bei allen Ausführungsformen können nachfolgend der Sensor-Wafer und Kappen-Wafer aufeinander gesetzt und in den vakuumdichten Verbin¬ dungsbereichen 21 befestigt werden. Der so gebildete Waferstapel kann nachfolgend vereinzelt werden, wodurch die einzelnen IR-Sensoren 9 bzw. 30 hergestellt werden. Die Anbringung des IR-Strahlungsfilters 29 kann vor oder nach dem Vereinzeln erfolgen.
Die so hergestellten IR-Sensoren 9, 30 können entsprechend in dem Gehäuse 4 mit Deckel 5 aufgenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Infrarot-Sensor, mit mindestens einem Sensorchip (10), der eine Mess-Struktur (11) aufweist, und einem Kappenchip (20), der auf dem Sensorchip (10) befestigt ist und mit dem Sensorchip (10) einen Sensorraum (23) definiert, wobei auf der Oberseite (24) des Kappenchips (20) eine Blende (25, 32) mit einem inneren Blendenbereich (25b, 32b) und einem den inne- ren Blendenbereich (25b, 32b) umgebenden äußeren Blendenbereich (25a, 32a) ausgebildet ist, wobei der innere Blendenbereich (25b, 32b) oberhalb der Mess- Struktur (11) ausgebildet ist und für zu detektierende Infrarot-Strahlung (IR1) transparent ist und der äußere Blendenbereich (25a, 32a) für ein- fallende Infrarot-Strahlung (IR2) zumindest teilweise intransparent ist.
2. Infrarot-Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Struktur (11) eine Membran (12), eine unterhalb der Membran ausgebildete Kaverne (13), mindestens eine auf der Membran (12) ausgebildete Thermopile-Struktur (14) mit zwei einander kontaktieren¬ den Leiterbahnen (14a, 14b) und eine die Thermopile-Struktur (14) be¬ deckende Absorberschicht (16) aufweist.
3. Infrarot-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Blendenbereich (25b) und/oder der äußere Blendenbe¬ reich (25a) eine auf der Oberseite (24) des Kappenchips (20) aufgetra¬ gene Beschichtung aufweist.
4. Infrarot-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Blendenbereich (25a) eine reflektierende Beschichtung (25a) aufweist, die für einfallende Infrarotstrahlung (IR2) zumindest einer vorgegebenen Wellenlänge (λ) reflektierend ist.
5. Infrarot-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Beschichtung (25a) eine Metallschicht oder eine die- lektrische, Wellenlängen spezifisch reflektierende Schicht mit gegen¬ über dem Kappenchip (20) unterschiedlichem Brechungsindex (n2) ist.
6. Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die re¬ flektierende Beschichtung (25a) einen kleineren Brechungsindex (n2) als der Kappenchip (20) aufweist und eine Dicke aufweist gemäß d= ((2m+1)λ/2n2, mit d Dicke der reflektierenden Beschichtung (25a), λ zu detektierender Wellenlänge, m natürliche ganze Zahl, n2 Brechungsindex der reflektierenden Beschichtung (25a).
7. Infrarot-Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der innere Blendenbereich (25b) eine antireflektive die¬ lektrische Beschichtung (25b) mit einem gegenüber dem Material des Kappenchips (20) unterschiedlichem Brechungsindex (n2) aufweist.
8. Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anti¬ reflektive Beschichtung (25b) einen kleineren Brechungsindex (n2) als der Kappenchip (20) aufweist und eine Dicke aufweist gemäß d= ((2m+1)λ/4n2, mit d Dicke der reflektiven Beschichtung (25a), λ zu detektierender Wellenlänge, m natürliche ganze Zahl, n2 Brechungsindex der reflektiven Beschichtung (25a).
9. Infrarot-Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass die dielektrische Beschichtung (25a, 25b) Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumoxid (SiO2) aufweist.
10. Infrarot-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Blendenbereich (32a) der Blende (32) eine reflektie¬ rende und/oder absorbierende Strukturierung der Oberseite (24) des Kappenchips (20) aufweist.
11. Infrarot-Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Blendenbereich (32a) Gräben (34) mit schräg abfallenden Sei¬ tenflächen (40), z.B. V-förmigem Querschnitt, aufweist.
12. Infrarot-Sensor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass auch auf der Unterseite (22) des Kappenchips (20) untere Gräben (36) ausgebildet sind, die in lateraler Richtung jeweils zwischen den auf der Oberseite (24) des Kappenchips (20) verlaufenden Gräben (34) ange¬ ordnet sind.
13. Infrarot-Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Blendenbereich (32a) eine Aufrauung zur Absorbtion einfallen¬ der Infrarot-Strahlung (IR2) aufweist.
14. Infrarot-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass auf der Blende (25, 32) ein Infrarot-Strahlungsfilter (29) zur Wellenlängen spezifischen Transmission einfallender Infrarot- Strahlung (IR2, IR1) befestigt ist.
15. Sensormodul mit einem Infrarot-Sensor nach einem der vorherigen An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Sensor (9, 30) in einem Gehäuse (4) aufgenommen ist, auf dem ein Deckel (5) mit ei¬ nem Fester (6) befestigt ist, wobei das Fenster (6) oberhalb des inne- ren Blendenbereichs (25b, 32b) angeordnet ist und einen größeren Raumwinkel der Infrarot-Strahlung durchlässt als der innere Blenden¬ bereich (25b, 32b).
16. Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Sensors, mit mindestens fol¬ genden Schritten: Strukturieren eines Sensor-Wafers mit mehreren Mess-Strukturen (11 ), Strukturieren eines Kappen-Wafers mit mehreren auf seiner Unterseite ausgebildeten Kavernen (23) und auf seiner Oberseite oberhalb der Kavernen (23) ausgebildeten Blenden (25, 32), Befestigen des Kappen-Wafers auf dem Sensor-Wafer in vakuumdich¬ ten Verbindungsbereichen (21 ) unter Ausbildung jeweils eines Vaku¬ ums in Sensorräumen (23) zwischen dem Sensor-Wafer und dem Kap- pen-Wafer, Vereinzeln der Infrarot-Sensoren (9, 30) aus dem Waferstapel aus Kappen-Wafer und Sensor-Wafer.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (25, 32) als auf der Oberseite des Kappen-Wafers ausgebilde- te Beschichtung und/oder Strukturierung ausgebildet werden.
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