EP2265913A1 - Sensoranordnung - Google Patents

Sensoranordnung

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Publication number
EP2265913A1
EP2265913A1 EP09729347A EP09729347A EP2265913A1 EP 2265913 A1 EP2265913 A1 EP 2265913A1 EP 09729347 A EP09729347 A EP 09729347A EP 09729347 A EP09729347 A EP 09729347A EP 2265913 A1 EP2265913 A1 EP 2265913A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor arrangement
arrangement according
chamber
measuring
pressure relief
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09729347A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Bousack
Andreas Offenhäusser
Helmut Schmitz
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH, Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2265913A1 publication Critical patent/EP2265913A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/38—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids
    • G01J5/42—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids using Golay cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/068—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling parameters other than temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0853—Optical arrangements having infrared absorbers other than the usual absorber layers deposited on infrared detectors like bolometers, wherein the heat propagation between the absorber and the detecting element occurs within a solid

Definitions

  • the present invention relates to an infrared sensor arrangement for detecting electromagnetic radiation whose wavelength is in or near the infrared range, comprising at least one measuring chamber which can be filled with a fluid selectively absorbing the radiation to be measured, the measuring chamber having an inlet opening closed by a window for the radiation and a part of the measuring chamber wall is designed as a flexible membrane such that it is deformed in a volume change of the fluid contained in the measuring chamber due to the absorption of the incoming radiation, and wherein the membrane is associated with a measuring device to detect the deformation.
  • the parent generation is therefore dependent on locating forest fires as quickly as possible to lay their eggs under the bark of freshly burned trees.
  • the beetle has two right and left on each side of the body arranged pit organs in which are densely packed about 70 infrared (IR) Sensillien very sensitive IR radiation in the wavelength range between 2 and 4 microns can detect.
  • IR infrared
  • Golay sensors whose function has been known for a long time.
  • These sensors have a measuring chamber (cell), which is filled with a particular gaseous fluid which absorbs IR radiation.
  • the front of the gas-filled cell forms a closed IR radiation inlet opening and the back side of the cell is closed by a flexible membrane.
  • the IR radiation entering the cell is absorbed by the gas present there and heated thereby, so that the gas expands and the membrane is arched.
  • the curvature is then detected optically or alternatively capacitively or with a tunnel contact and evaluated.
  • Previously known microstructured Golay sensors which operate on a capacitive basis, are continuously manufactured on the basis of a silicon wafer, in which the measuring chamber is produced as a cavity by etching methods such as an anisotropic, wet-chemical etching with KOH and the bottom of the cell, for example by gold coating forms a plate of the capacitor.
  • the other plate of the capacitor is replaced by a formed with aluminum coated or correspondingly structured glass substrate, which is connected to the silicon wafer by anodic bonding. A further bonding process then closes the measuring chamber in the silicon wafer through a window with the lowest possible IR absorption.
  • the measuring sensitivity of the Golay sensors depends directly on the absorption coefficient of cell filling. The greater this absorption coefficient, the more actively the incident IR radiation is converted into an increase in temperature of the cell filling and thus to an increase in pressure and an associated change in the capacitance of the capacitor. With a cell depth of 0.5 mm and a gas filling only a few percent of the IR radiation is absorbed. For this reason, various measures are taken in the prior art to improve the absorption.
  • Golay sensors are sensitive to changes in ambient temperature and therefore have to be operated at a constant temperature.
  • the temperature increase in the measuring chamber is a few mK to about 100 mK and is thus always significantly lower than the temperature changes of the environment.
  • the suppression of disturbances from the ambient temperature change is achieved in the prior art by artificial leaks from the measuring chamber into the environment.
  • the leak opening is dimensioned so that its time constant is substantially greater than the time constant during the heating of the cell, for example a few minutes compared to a few milliseconds, and thus the mass flow flowing out through the leak during the heating process is negligible.
  • the object of the invention is therefore to develop a sensor arrangement of the type mentioned in such a way that they have a high sensitivity and are suitable for microstructured arrangements.
  • a pressure relief chamber is formed, which is in fluid communication with the measuring chamber.
  • the measuring chamber with the pressure relief chamber can be realized through perforation openings in the plate of the capacitor and the membrane adjacent to the membrane.
  • the geometry of the perforation ie the number of holes and the hole diameter, must ensure that the time constant ⁇ gas or ⁇ water of the pressure compensation is much greater than the time constant. constant ⁇ cell of pressure build-up in the cell due to IR radiation.
  • ⁇ cell 3.6 ms.
  • the time constant of the pressure compensation ⁇ gas should be about 100 times greater than ⁇ cell , so that the measurement of the IR signal is not distorted by a noticeable loss of gas until reaching the stationary temperature in the cell.
  • the diagram according to FIG. 13 shows the influence of the perforation of a capacitor plate on the noise in the case of a gas-filled cell. From this diagram, it is clear that by a suitable choice of the number of perforation holes and the hole diameter, the noise of a capacitor can be significantly reduced.
  • the design is more problematic because the same cell geometry, the time constant for water filling is significantly greater compared to the gas filling, which is why to reduce the time constant ⁇ ze ii e the cell radius should be reduced.
  • a time constant of ⁇ cell 74 ms results.
  • the channel length In order to achieve a pressure relief for slow pressure changes in the case of a water filling, the channel length must be increased significantly.
  • the pressure relief chamber is connected to the measuring chamber in the case of using a liquid fluid through a channel which surrounds the pressure chamber and opens at its one end into the pressure chamber and at its other end into the pressure relief chamber.
  • the pressure relief chamber and the measuring chamber are thus not connected by perforation in the capacitor plate, but by a discharge channel, which is guided around the measuring chamber. Due to this extended channel length, acceptable time constants ⁇ of water can be achieved. With a channel diameter of 2 ⁇ m, for example, even with a channel length of 4 mm, an acceptable time constant ⁇ water of 460 ms results.
  • the measuring device can work capacitively, optically or piezoelectrically in the usual way.
  • the pressure relief chamber is formed at least in the region between the capacitor plates. These can be used as coatings on the side facing away from the measuring chamber side of the membrane and be formed, for example, a base plate.
  • the channel may be formed, for example, spiral or meandering.
  • the pressure relief chamber has a pressure relief opening to the environment, which is covered by a flexible film in the case of using a liquid fluid. This can additionally take place a pressure equalization to the environment.
  • the pressure relief chamber for each measuring chamber is a closed volume.
  • the sensor arrangements are independent of each other and can be evaluated separately from each other.
  • the at least one measuring chamber may be formed by a cavity introduced into a substrate, in particular into a silicon wafer, which is covered on one side by a window plate on the active side having the inlet opening.
  • the membrane can form the bottom of the recess.
  • a plurality of measuring chambers are formed in the substrate, it is provided according to a preferred embodiment of the invention that in the wall regions between the measuring chambers additionally isolation recesses are provided.
  • This design which incidentally also is dependent on a fluid connection between the measuring chamber and a pressure relief chamber can be realized, is based on the consideration that the improvement of the thermal insulation of the cell in a silicon wafer can be achieved by an exemption of the cell walls.
  • the average temperature level increases with an IR absorption compared to a less isolated cell.
  • the higher temperature causes a higher pressure in the cell and thus a higher capacity change.
  • the temperature profile is shown in FIG.
  • the thickness of the cell walls should be as small as possible in order to reduce the heat flow to the remaining silicon floor.
  • the minimum cell wall thickness results from the stability of the cell walls and the area needed to bond the IR-transmissive window.
  • the measuring chamber may be formed of tubes of a heat-insulating material such as glass (Pyrex) having a thermal conductivity of 1.13 W / mK and polymethyl acrylate (PMMA) having a thermal conductivity of 0.19 W / mK applied to a silicon wafer , in which the membranes are formed, are fixed for example by bonding or gluing.
  • a heat-insulating material such as glass (Pyrex) having a thermal conductivity of 1.13 W / mK and polymethyl acrylate (PMMA) having a thermal conductivity of 0.19 W / mK applied to a silicon wafer , in which the membranes are formed, are fixed for example by bonding or gluing.
  • the IR radiation permeable windows are also glued to the tubes.
  • the tubes may be spaced apart from one another to form isolation spaces that may be filled with a heat insulating material such as an adhesive to enhance stability.
  • Figure 17 shows a comparison of the radial temperature profile in the averaged temperature profile in an insulating gap cell for the various wall materials when the cells are filled with carbon dioxide
  • Figure 18 shows the comparison when the cells are filled with water.
  • the diagrams show, for example, the improved insulating effect of the wall for the materials glass and polymethyl acrylate.
  • the tubes may also be formed circular and arranged in line contact with each other. In this case, they form a tube bundle which has a high stability. If its spaces are also filled with an adhesive, the glass bundle can be glued at the same time in this casting process.
  • the arrangement of the tubes as a contacting bundle has the advantage that the tubes can be handled together and adhered to the carrier substrate, ie the silicon wafer, the bundle being positioned in only two places. needs to be tioned to get an accurate alignment.
  • the isolation spaces may also be filled with an IR radiation absorbing material. As this heats up when IR radiation impinges, it is essentially prevented that heat can be dissipated from the cells in an undesired manner.
  • a further measure of the present invention which may be provided independently of the claimed connection of the pressure relief chamber and the measuring chamber and the claimed isolation of the measuring chambers by corresponding isolation recesses between the measuring chambers and / or the formation of the measuring chambers in tubes made of a heat-insulating material consists It is also to introduce at least one infrared radiation absorbing material in the at least one measuring chamber.
  • the invention is therefore based on the idea to increase the absorption coefficient of the cell for infrared radiation by the additional IR-absorbing material with the result that a higher level of IR radiation is absorbed and thus takes place a strong increase in temperature.
  • Suitable materials include plastics such as polymers that have very high absorption coefficients. If one of one Starting wavelength of 3 microns of IR radiation, resulting absorption coefficients of various polymers between 20 and 240 1 / cm. For absorption of 99% of the IR radiation of this wavelength, the thickness of the polymer would have to be about 0.2 to 2 mm.
  • the polymers may be introduced into the cell as individual particles or, in particular, as spongy structures.
  • thin polymer threads or polymer fibers are provided, which may for example have a length of 10 to 15 microns.
  • These polymer strands can be loosely wound into cylindrical or spherical absorbent bodies which, when cut to the appropriate length, can be automatically inserted into the cells.
  • the thread diameter and the winding density it is possible to produce absorbent bodies which are adapted with regard to absorption and heat capacity.
  • angel hair polymer threads arise as an undesirable by-product in granule production and therefore need not be prepared separately.
  • absorption bodies may be provided in the form of hollow bodies with a shell of plastic, wherein the cavity of the absorption body is filled with gas.
  • This embodiment is based on the idea to create a polymer body which acts as an absorbent body and at the same time still takes over the compensation of slow temperature or pressure changes.
  • Thermoplastics such as polyethylene show above the glass transition temperature (transition from the brittle to the elastic region) a viscoelastic behavior in which the reversible deformation behavior is represented by a time-dependent and a time-independent component.
  • This behavior is described in the rheology by the Kelvin-Voigt model, in which a spring element and a viscous damping element are connected in parallel.
  • the spring element can not be compressed, so that damping element initially shows no deformation.
  • the damping element is deformed and the spring tensioned, so that a stationary deformation state is achieved.
  • the attenuator delays the deformation time-dependent.
  • An example ball-shaped structure in which the shell is made of eg polyethylene and the cavity is filled with gas would be an example of a Kelvin-Voigt model, since the shell is the attenuator and the gas space is the spring.
  • the requirement that the operating temperature must be above the glass transition temperature of the polyethylene sheath can be adjusted by selecting the chlorine content in the polyethylene in a sufficiently large temperature range, for example, a glass transition temperature of less than 0 0 C can be achieved.
  • Possible embodiments would be, for example, gas-filled polymer microspheres (diameter about 10-100 ⁇ m) or a body made of polymer foam.
  • the choice of damping properties could be adjusted to the application by the polymer material, the wall thickness of the sheaths and other geometric features.
  • FIG. 1 in longitudinal section through an embodiment of a sensor arrangement for the detection of electromagnetic Radiation according to the present invention for the use of a liquid absorption fluid
  • FIG. 2 shows the sensor arrangement in section A-A from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a sensor arrangement according to the invention for use with a gaseous absorption fluid in longitudinal section
  • FIG. 4 shows the sensor arrangement in section A-A from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a longitudinal section of a second embodiment of a sensor arrangement for the use of a gaseous absorption fluid
  • FIG. 6 shows the sensor arrangement in section A-A from FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a third embodiment of a sensor arrangement according to the invention for use with a gaseous absorption fluid in longitudinal section, FIG.
  • FIG. 8 shows a sensor arrangement for the detection of electromagnetic radiation with measuring chambers or cells isolated from each other in longitudinal section
  • FIG. 9 shows the sensor arrangement in section AA from FIG. 8
  • FIG. 10 shows a second embodiment of a sensor arrangement with spaced-apart measuring chambers in longitudinal section
  • FIG. 11 shows the sensor arrangement from FIG. 10 with filled gaps
  • FIG. 12 shows a tube bundle for use in a sensor arrangement according to the present invention
  • FIG. 13 is a graph showing the influence of the perforation of a capacitor plate on the noise of a gas-filled cell.
  • FIG. 14 is a diagram showing the temperature profile in an isolated cell.
  • Figure 15 is a diagram showing the temperature profile in a non-isolated cell.
  • Figure 16 is a graph showing the comparison of a radial temperature profile and the averaged temperature profile in a cell between a cell with insulating gap and a cell without insulating gap for the steady state
  • 17 is a diagram showing the comparison of a radial temperature profile and the averaged temperature profile in the cell with insulating gap for the wall material SiIi. zium, glass (pyrex) and plastic (PMMA) for the stationary state at cell filling shows carbon dioxide and
  • Figure 18 is a graph showing the comparison of a radial temperature profile and the averaged temperature profile in a cell with insulating gap for the wall materials silicon, glass (Pyrex) and plastic (PMMA) for the stationary state in cell filling water.
  • FIG. 1 shows a sensor arrangement according to the present invention for detecting electromagnetic radiation whose wavelength is in or near the infrared range-referred to below as IR radiation.
  • IR radiation electromagnetic radiation whose wavelength is in or near the infrared range-referred to below as IR radiation.
  • a sensor arrangement in microstructure is particularly suitable for use in night vision devices, for example for automobiles or aircraft. They can also be used to monitor industrial production processes, fire service operations, medical and veterinary diagnostics, and mine detection in military and civilian night vision equipment.
  • the sensor arrangement comprises a substrate 1, which is formed here by a silicon wafer. In the substrate 1 are a plurality of measuring chambers
  • a window plate On the top of the substrate 1 is a window plate
  • the cells 2 are closed by a thin silicon wafer 4, which is fastened to the underside of the substrate 2 and forms a removable membrane M.
  • Each cell 2 is associated with a capacitor 5, the upper capacitor plate 5a is provided in the form of a coating on the silicon wafer 4 below the cell 2 and the lower capacitor plate 5b is attached to a base plate 6.
  • the pressure relief chamber 7 is connected to the measuring chambers 2 in each case by a connecting channel 8. This is formed in the silicon wafer 4 and provided between this and the substrate 2 intermediate plate 9 spirally and opens on the one hand in the cell 2 and on the other hand in the pressure relief chamber 7.
  • the connecting channel 8 may be formed, for example, meandering. Through the channels 8 it is achieved that in the pressure relief chamber 7 and the cells 2, a pressure equalization between the chambers 2, 7 can take place.
  • the cross-sectional area and length of the channels 8 are determined so that slow pressure changes in the measuring chamber 2, as they occur for example in changes in the ambient temperature, are compensated, but at fast However, pressure changes, such as occur when IR radiation enters the blades 2, such pressure equalization can not take place, so that the membrane M deformed.
  • a pressure relief opening 10 is provided to the environment, so that approximately ambient pressure is established in the measuring chamber 2 and the pressure relief chamber 7.
  • a film 11 is provided, which closes the pressure relief opening, so that no water can escape from the pressure relief chamber 7.
  • FIGS. 3 and 4 show an alternative embodiment of a sensor arrangement.
  • This consists, like the embodiment shown in Figures 1 and 2, of a substrate 1 in the form of a silicon wafer, in which measuring chambers 2 and cells are formed.
  • the measuring chambers 2 are formed in the substrate 1 by recesses which are still closed towards the bottom side, wherein the bottom remaining in the production of the recesses forms a thin membrane M.
  • a window plate 3 is also provided here, which closes the open upper sides of the measuring chambers 2, and on the underside of the substrate 2, capacitors 5 are provided, wherein in each case the upper plate 5a of the capacitors on the underside of a membrane M and the lower plate 5 b of the capacitor are formed on the base plate 6.
  • a pressure relief chamber 7 is formed between the base plate 6 and the substrate 1, which is connected through a pressure relief opening 10 in the base plate 6 with the environment.
  • the pressure relief chamber 7 is further connected to the measuring chambers 2, in this case through perforations 12, which pass through the upper plates 5a of the capacitors 5a and the membranes M.
  • the perforation openings 12 are dimensioned so that a pressure equalization between the measuring chambers 2 and the pressure relief chamber 7 takes place at slow pressure changes, but not rapid pressure changes due to incoming IR radiation are compensated.
  • FIGS. 5 and 6 corresponds to the embodiment previously described with reference to FIGS. 3 and 4, with the proviso that each measuring chamber 2 is assigned its own pressure relief chamber 7.
  • an intermediate plate 13 is provided between the base plate 6 and the substrate 1, in which the measuring chambers 2 associated, circular cavities are formed. Due to this arrangement, the measuring chambers 2 and associated pressure relief chambers 7 are independent of each other. In addition, the pressure relief chambers 7 are also not open to the environment, so that the measuring represent chambers 2 and associated pressure relief chambers 7 completed systems.
  • FIG. 7 The embodiment of a sensor arrangement according to the invention shown in FIG. 7 corresponds to the embodiment shown in FIGS. 5 and 6 with the only difference that the pressure relief chambers 7 have a larger volume.
  • a base plate 6 of greater thickness is used, in which annular recesses 14 are formed around the lower capacitor plate 5b.
  • the measuring chambers 2 are filled with a gaseous or liquid fluid which absorbs IR radiation.
  • IR radiation enters the measuring chambers 2 through the window plate 3, this radiation is correspondingly at least partially absorbed with the result that the temperature of the fluid increases and expands. Due to the expansion, the diaphragm M and thus the upper capacitor plate 5a is deformed, so that the capacitance of the capacitor 5 changes. This change is recorded and evaluated.
  • the measuring chambers 2 and the pressure relief chamber (s) 7 are connected to each other, so that pressure differences between the chambers 2, 7 due to slow pressure changes in one of the chambers 2, 7 alsogli- example due to changes in the ambient temperature chen and the upper capacitor plate 5a does not deform due to such slow temperature changes.
  • FIGS. 8 and 9 show a further embodiment of a sensor arrangement for detecting electromagnetic radiation.
  • This comprises a substrate 1, in which measuring chambers 2 are introduced as recesses open towards the upper side of the substrate and closed towards the underside of the substrate.
  • the bottoms of the measuring chambers 2 are designed as thin-walled membranes M.
  • a base plate 6 is arranged, which is connected to the substrate bottom by an intermediate plate 15.
  • the intermediate plate 15 circular recesses are provided so that between the substrate 1 and the base plate 6 in the region of the measuring chambers circular cavities 17 are formed.
  • capacitors 5 are housed, wherein the upper capacitor plate 5a is provided as a coating on the underside of the membrane M and the lower capacitor plate 5b is fixed to the base plate 6.
  • the cavities 17 may be formed as pressure relief chambers, which are connected to the measuring chambers 2 in the manner described above, but need not.
  • the open upper sides of the measuring chambers 2 are protected by a window pane 3 permeable to infrared radiation. closed, which is attached to the top of the substrate 2, in particular glued or bonded.
  • FIGS. 8 and 9 clearly show, the cells of the measuring chambers 2 are limited only by thin walls 18, while the surrounding areas are etched away to form the insulation space 19. Through this insulation column 19 heat losses are reduced by heat conduction.
  • FIG. 10 corresponds to the embodiment illustrated in FIGS. 8 and 9, with the proviso that the measuring chambers 2 are formed by tubes 20 made of a heat-insulating material, such as glass (Pyrex), which is placed on the substrate 1, here formed as a thin plate fixed, for example, glued or festgebondet.
  • a heat-insulating material such as glass (Pyrex)
  • FIG. 11 further shows the sensor arrangement from FIG. 10, wherein the insulation spaces 19 formed between the tubes 20 are filled with an adhesive 22 made of a heat-insulating material.
  • the adhesive gives the arrangement additional support.
  • a fixation of the tubes 20 can be achieved on the substrate 2 when pouring the adhesive into the interstices.
  • the adhesive may also be derived from IR radiation. consist of sorbent material. In this case, the adhesive 22 heats up when incident IR radiation, whereby a heat dissipation from the measuring chambers 2 is counteracted.
  • FIG. 12 also shows an arrangement of the glass tubes 20, which here have a circular cross-section, and contact one another to form line contacts.
  • the glass tubes 20 are bonded together so that they form a bundle, which can be positioned and fixed together on a substrate 2.
  • the line contact hardly allows any heat transfer from one tube 20 to the other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer (2), die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, wobei die Messkammer (2) eine durch ein Fenster (3) verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkammerwandung als flexible Membran (M) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer (2) enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran (M) eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest auf der der Messkammer (2) gegenüberliegenden Seite der Membran (M) eine Druckentlastungskammer (7) gebildet ist, welche mit der Messkammer (2) in Fluidverbindung steht.

Description

BESCHREIBUNG
Sensoranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Infrarot- Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer, die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, wobei die Messkammer eine durch ein Fenster verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkammerwandung als flexible Membran derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen.
Die Larven des schwarzen Kiefernprachtkäfers der Gattung Melanophila acuminata, von denen es weltweit ungefähr ein dutzend Arten gibt, können sich nur im Holz von frischen verbrannten Bäumen entwickeln. Die Elterngeneration ist deshalb darauf angewiesen, Waldbrände möglichst schnell zu orten, um dort unter der Rinde der frisch verbrannten Bäume ihre Eier abzulegen. Zur Ortung der Waldbrände besitzt der Käfer zwei rechts und links an jeder Körperseite angeordneten Grubenorgane, in denen sich dicht gepackt etwa 70 Infrarot (IR) Sensillien befinden, die sehr empfindlich IR-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 2 und 4 μm detektieren können. Im Rahmen der Entwicklung bionischer Infrarotsensoren gehen die Bestrebungen dahin, Prototypen zu entwickeln, die sich das fotomechanische Funktionsprinzip der Käfer zur Detektion von IR-Strahlung zu Nutze machen.
Die Basis für solche biologischen IR-Sensoren bilden sogenannte Golay-Sensoren, deren Funktion schon seit langem bekannt ist. Diese Sensoren besitzen eine Messkammer (Zelle), die mit einem insbesondere gasförmigen Fluid gefüllt ist, welches IR-Strahlung absorbiert. Die Vorderseite der gasbefüllten Zelle bildet eine durch ein Fenster verschlossene Eintrittsöffnung für die IR-Strahlung, und die Rückseite der Zelle ist durch eine flexible Membran verschlossen. Im Betrieb wird die in die Zelle eintretende IR-Strahlung durch das dort vorhandene Gas absorbiert und dabei erhitzt, so dass sich das Gas ausdehnt und die Membran gewölbt wird. Die Wölbung wird dann optisch oder alternativ kapazitiv oder mit einem Tunnelkontakt erfasst und ausgewertet.
Bisher bekannte mikrosturkturierte Golay-Sensoren, die auf kapazitiver Basis arbeiten, werden durchgehend auf der Basis eines Silizium-Wafers gefertigt, bei dem durch Ätzverfahren wie zum Beispiel ein anisotrops, nasschemisches Ätzverfahren mit KOH die Messkammer als Kavität hergestellt und der Boden der Zelle zum Beispiel durch Goldbeschichtung eine Platte des Kondensators bildet. Die andere Platte des Kondensators wird durch ein zum Bei- spiel mit Aluminium beschichtetes oder entsprechend strukturiertes Glassubstrat gebildet, das mit dem Silizi- um-Wafer durch anodisches Bonden verbunden wird. Mit einem weiteren Bond-Prozess wird dann durch ein Fenster mit möglichst geringer IR-Absorption die Messkammer im SiIi- zium-Wafer geschlossen.
Wesentlich für eine gute Funktionsweise der Golay- Sensoren ist, dass sich die Temperatur in der Messkammer durch die eintretende IR-Strahlung möglichst stark erhöht. Insofern hängt die Messempfindlichkeit der Golay- Sensoren in direktem Maß ab von dem Absorptionskoeffizienten der Zellenfüllung. Je größer dieser Absorptionskoeffizient ist, desto aktiver wird die einfallende IR- Strahlung in einen Temperaturanstieg der Zellenfüllung und damit zu einem Druckanstieg und einer damit verbundenen Änderung der Kapazität des Kondensators umgesetzt. Bei einer Zellentiefe von 0,5 mm und einer Gasfüllung werden nur wenige Prozent der IR-Strahlung absorbiert. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik unterschiedliche Maßnahmen getroffen, um die Absorption zu verbessern. Zum einen ist bekannt, eine IR-absorbierende Folie aus Metall oder Kunststoff in die Zelle zu integrieren, die dann die absorbierte Energie durch Wärmeleitung an das Gas weitergibt. In ähnlicher Weise werden die Zellenwände mit IR-Strahlung-absorbierenden Schichten versehen. Alternativ werden hochreflektierende Zellenwände eingesetzt, die eine mehrfache IR-Reflektion und damit eine verbesserte Absorption im Gas bewirken. Diese Maßnahmen sind bei mikrostrukturierten IR-Sensoren jedoch sehr aufwendig, weshalb nach Alternativen gesucht wird.
Weiterhin gehen die Bestrebungen dahin, die Empfindlichkeit der ungekühlten IR-Sensoren zu erhöhen. Diese wird im Wesentlichen beeinflusst durch das Temperaturrauschen und das Photonenrauschen, die jeweils nur durch eine Kühlung des Sensors reduziert werden können. Hinzu kommt das Rauschen des Ausleseverfahrens, das bei einer kapazitiven Auswertung in der gleichen Größenordnung liegen kann wie das Temperaturrauschen. Gegenmaßnahmen sind im Stand der Technik bisher nicht bekannt.
Schließlich besteht ein Problem der Golay-Sensoren darin, dass sie im Gegensatz zu Halbleitersensoren empfindlich auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagieren und daher bei konstanter Temperatur betrieben werden müssen. Konkret beträgt die Temperaturerhöhung in der Messkammer einige mK bis etwa 100 mK und ist damit immer deutlich niedriger als die Temperaturänderungen der Umgebung. Die Unterdrückung der Störungen aus der Umgebungstemperaturänderung wird im Stand der Technik durch künstliche Lecks von der Messkammer in die Umgebung erreicht. Dabei wird die Lecköffnung so bemessen, dass seine Zeitkonstante wesentlich größer ist als die Zeitkonstante bei der Aufheizung der Zelle, beispielsweise einige Minuten im Vergleich zu einigen Millisekunden, und damit der während des Aufheizprozesses über das Leck abfließende Massenstrom zu vernachlässigen ist. Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art in der Weise weiterzubilden, dass sie eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und für mikrostrukturierte Anordnungen geeignet sind.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest auf der der Messkammer gegenüberliegenden Seite der Membran eine Druckentlastungskammer gebildet ist, welche mit der Messkammer in Fluidverbindung steht. Durch diese Maßnahme wird ein Druckausgleich zwischen der Druckentlastungskammer und der Messkammer hergestellt und damit gewährleistet, dass langsame Druckänderungen in der Messkammer beispielsweise aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur nicht zu Verformungen an der Membran führen. Dabei muss allerdings gewährleistet bleiben, dass schnelle Temperaturänderungen aufgrund der Absorption von IR-Strahlung doch zu einem Druckaufbau in der Messkammer und damit zu einer messbaren Verformung der Membran führen.
Wenn die Messkammer mit einem gasförmigen Fluid gefüllt ist, kann die Messkammer mit der Druckentlastungskammer durch Perforationsöffnungen in der an der Membran anliegenden Platte des Kondensators und der Membran realisiert sein. Dabei muss allerdings durch die Geometrie der Perforation, d.h. die Lochanzahl und die Lochdurchmesser, sichergestellt werden, dass die Zeitkonstante τGas bzw. τwasser des Druckausgleichs viel größer ist als die Zeit- konstante τZelle des Druckaufbaus in der Zelle durch eine IR-Einstrahlung .
Die Zeitkonstante für den Druckausgleich bei einer Gas- füllung ergibt sich bei zu vernachlässigende Dichteänderungen (Δp/p = 0) aus der Gleichung
und für eine Wasserfüllung, bei der jetzt auch das Dielektrikum im Kondensator Wasser ist, aus der Gleichung
wassβr 77 vT
mit η : Viskosität des Fluids, LL: Länge einer Perforationsbohrung, hier gleich Dicke der Kondensatorplatte, Vz: Zellenvolumen, VR: Entlastungsvolumen, ß: Kompressibilitätskoeffizient Wasser, NL: Anzahl der Perforationsbohrungen, RL: Radius der Perforationsbohrungen, P0: Gasdruck in der Zelle. Die Zeitkonstante für die Aufheizung einer kreisförmigen Zelle durch eine IR-Einstrahlung kann für ein sehr gut wärmeleitendes Material wie Silizium näherungsweise ermittelt werden aus
2
** λ 2,404δ2
mit p: Dichte Fluid, cp: Wärmekapazität Fluid, λ: Wärmeleitfähigkeit Fluid, R2: Zellenradius.
Für eine mit Xenon gefüllte Zelle mit einem Durchmesser von 0,75 mm ergibt sich eine Zeitkonstante von τZelle = 3,6 ms. Die Zeitkonstante des Druckausgleichs τGas sollte etwa 100-fach größer sein als τZelle, damit die Messung des IR- Signals nicht durch einen spürbaren Gasverlust bis zum Erreichen der stationären Temperatur in der Zelle verfälscht wird.
Bei einer Perforation von 25 Löchern mit einem Durchmesser DL von 0,6 μm (Dicke Kondensatorplatte LL = 1,5 μm) nur zum Volumen VR zwischen den Kondensatorplatten ergibt sich nur eine Zeitkonstante τGas = 1,9 ms, d.h. der Druckausgleich erfolgt sofort bei der Aufheizung und es gibt keinen Messeffekt mehr. Eine Steigerung der Zeitkonstante durch weniger Löcher ist unzweckmäßig, da sonst der Effekt der Reduzierung des Kondensatorrauschens verloren geht. Eine Verringerung des Durchmessers der Perforationslöcher ist ebenfalls problematisch, da jetzt schon ein Aspektverhältnis LL/DL = 2,5 erreicht wird und die Herstellung von Löchern mit größeren Aspektverhältnissen immer schwieriger wird. Als einzige realistische Maßnahme verbleibt nur die Vergrößerung des Volumens VR. Bei VR = V2 ergibt sich ein τGas = 480 ms, maximal lässt sich in diesem Beispiel mit VR >> V2 ein τGas = 950 ms erreichen. Auf diesem Weg kann die Forderung τGas >> τZelle erreicht werden. Die Reduzierung des Kondensator-Rauschens für diese Perforation verbessert die spezifische Detektivität D* im Vergleich zum Kondensator ohne Perforation um etwa 45%. Der effektivste Weg zur Verbesserung dieses Resultats ist die Herstellung von Perforationslöchern mit größerem Aspektverhältnis.
Das Diagramm gemäß Figur 13 zeigt den Einfluss der Perforation einer Kondensatorplatte auf das Rauschen bei einer gasgefüllten Zelle. Aus diesem Diagramm wird deutlich, dass durch eine geeignete Wahl der Anzahl von Perforationslöchern und des Lochdurchmessers das Rauschen eines Kondensators deutlich reduziert werden kann.
Wenn die Messkammer mit einem flüssigen Fluid wie beispielsweise Wasser gefüllt ist, ist die Auslegung problematischer, da bei gleicher Zellengeometrie die Zeitkonstante bei Wasserfüllung deutlich größer im Vergleich zur Gasfüllung ist, weshalb zur Reduzierung der Zeitkonstante τ zeiie der Zellenradius reduziert werden sollte. Für einen Zellendurchmesser von z.B. 0,5 mm ergibt sich eine Zeitkonstante von τZelle = 74 ms . Selbst mit nur einem Perforationsloch mit der Geometrie wie oben und VR >> V2 ergibt sich τWasser = 21 ms, d.h. für eine Wasserfüllung ergibt sich keine Lösung wegen τZelle > τWasser.
Um bei einer Wasserfüllung eine Druckentlastung für lan- same Druckänderungen zu realisieren, muss die Kanallänge deutlich erhöht werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Druckentlastungskammer mit der Messkammer im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch einen Kanal verbunden ist, welcher die Druckkammer umgibt und an seinem einen Ende in die Druckkammer und an seinem anderen Ende in die Druckentlastungskammer mündet. Bei dieser Ausführungsform sind die Druckentlastungskammer und die Mess- kammer also nicht durch Perforation in der Kondensatorplatte, sondern durch einen Entlastungskanal, der um die Messkammer herumgeführt ist, verbunden. Aufgrund dieser verlängerten Kanallänge können akzeptable Zeitkonstanten τ wasser erreicht werden. Bei einem Kanaldurchmesser von 2 μm ergibt sich beispielsweise schon bei einer Kanallänge von 4 mm noch eine akzeptable Zeitkonstante τWasser von 460 ms. Die Messeinrichtung kann in üblicher Weise kapazitiv, optisch oder auch piezoelektrisch arbeiten. Im Falle einer kapazitiven Messeinrichtung ist die Druckentlastungs- kammer zumindest im Bereich zwischen den Kondensatorplatten ausgebildet. Diese können als Beschichtungen an der von der Messkammer weg weisenden Seite der Membran und beispielsweise einer Basisplatte ausgebildet sein. Der Kanal kann beispielsweise spiralförmig oder mäanderförmig ausgebildet sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckentlastungskammer eine Druckentlastungsöffnung zur Umgebung hin aufweist, die im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch eine flexible Folie abgedeckt ist. Damit kann zusätzlich noch ein Druckausgleich zur Umgebung stattfinden.
Wenn mehrere Messkammern vorgesehen sind, stellt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Druckentlastungs- kammer für jede Messkammer ein abgeschlossene Volumen dar. Damit sind die Sensoranordnungen unabhängig voneinander und können getrennt voneinander ausgewertet werden.
In an sich bekannter Weise kann die wenigstens eine Mess- kammer von einer in ein Substrat - insbesondere in einen Silizium-Wafer - eingebrachten Kavität gebildet sein, die einseitig auf der die Eintrittsöffnung aufweisende aktive Seite von einer Fensterplatte bedeckt ist. Dabei kann die Membran den Boden der Ausnehmung bilden.
Wenn in dem Substrat mehrere Messkammern ausgebildet sind, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in den Wandbereichen zwischen den Messkammern zusätzlich Isolationsaussparungen vorgesehen sind. Dieser Ausgestaltung, die im Übrigen auch un- abhängig von einer Fluidverbindung zwischen der Messkammer und einer Druckentlastungskammer verwirklicht sein kann, liegt die Überlegung zugrunde, dass die Verbesserung der Wärmeisolierung der Zelle in einem Silizium- Wafer durch eine Freistellung der Zellenwände erreicht werden kann.
Durch die verbesserte Isolierung der Zellen steigt das mittlere Temperaturniveau bei einer IR-Absorption im Vergleich zu einer geringer isolierten Zelle an. Die höhere Temperatur bewirkt einen höheren Druck in der Zelle und damit eine höhere Kapazitätsänderung.
Der Einfluss der Zellengeometrie und der Stoffwerte auf das mittlere Temperaturniveau in der Zelle kann unter der Voraussetzung einer zu vernachlässigenden Wärmeleitung in axialer Richtung für den stationären Zustand beschrieben werden durch die Gleichung
wobei T0: Umgebungstemperatur, q' ' ' : absorbierte IR-
Strahlung pro Volumeneinheit, X1, X1: Wärmeleitfähigkeit des Gases in der Zelle und des Wandmaterials; α: Wärmekoeffizient an der Außenwand. Die Temperaturen können der Figur 14 entnommen werden, die ein Diagramm zeigt, das dem Temperaturverlauf in einer isolierten Zelle darstellt.
Ohne Isolierung durch Freistellung der Wendung ergibt sich das folgende mittlere Temperaturniveau für X1 << X2, wie bei einem Silizium-Wafer
Der Temperaturverlauf ist in Figur 15 dargestellt.
Schließlich wird auf die Abbildung 16 verwiesen. Dieses Diagramm zeigt im Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des übermittelten Temperaturprofils in der Zelle zwischen einer Zelle mit Isolierspalt (oben) und eine Zelle ohne Isolierspalt für den stationären Zustand (unten) , wobei die Zelle mit einem Kohlendioxid als IR- Strahlung absorbierendes Gas versehen ist. Randdaten sind zu nennen:
R1 = 0,5mm, R2 = 2 mm; X1(CO2) = 0,0164 W/mK, X2
(Silizium) = 148 W/mK, α = 40 W/m2K, q' ' ' = 20 KW/m3 entsprechend IR-Leistungsdichte von 10 W/m2 und einer Zellentiefe von 0,5 mm bei vollständiger Absorption.
Bei der Herstellung der Messkammern bzw. Zellenvolumina mit einem Bosch-Prozess oder anderen Äzprozessen können beispielsweise gleichzeitig radiale Ringspalte um die Zelle hergestellt werden, so dass freistehende Zellwände entstehen. Alternativ zum Ringspalt kann auch das gesamte Material zwischen den Wänden entfernt werden. Zur einfachen Herstellung in Silizium durch Äzprozesse sollte die Breite des Ringspalts etwa der Ringspalttiefe entsprechen. Bei der gesamten Freistellung der Zellenwände kann der minimale Abstand der Zellenwände wegen des verbesserten Abtransports der Reaktionsprodukte reduziert werden.
Die Dicke der Zellenwände sollte möglichst gering sein, um den Wärmeabfluss zu dem verbleibenden Silizium-Boden zu reduzieren. Die minimale Zellenwanddicke ergibt sich aus der Stabilität der Zellenwände und der notwendigen Fläche zum Aufbonden des IR-durchlässigen Fensters.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Silizium mit 148 W/mK führt zu einer geringen Isolierwirkung der Wand selbst. Durch ein Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit kann die Wand neben der Isolierwirkung des Spaltes selbst noch zur Isolation beitragen. Entsprechend können die Messkammer von Röhrchen aus einem wärmeisolierenden Material wie beispielsweise Glas (Pyrex) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,13 W/mK und Polymethylacrylat (PMMA) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,19 W/mK ausgebildet sein, die auf einen Silizium-Wafer, in welchem die Membranen ausgebildet sind, beispielsweise durch Bonden oder Kleben fixiert sind. In diesem Fall kann das IR-Strahlung- durchlässige Fenster an den Röhrchen ebenfalls festgeklebt werden.
Auch in diesem Fall können die Röhrchen beabstandet voneinander angeordnet sein, um Isolationsräume zu bilden, die zur Steigerung der Stabilität mit einem Wärme isolierenden Material wie beispielsweise einem Klebstoff gefüllt sein können.
Die Figur 17 zeigt einen Vergleich des radialen Temperaturprofils in des gemittelten Temperaturprofil in einer Zelle mit Isolierspalt für die verschiedenen Wandwerkstoffe, wenn die Zellen mit Kohlendioxid gefüllt sind und die Abbildung 18 zeigt den Vergleich, wenn die Zellen mit Wasser gefüllt sind. Die Diagramme zeigen beispielsweise die verbesserte Isolierwirkung der Wand für die Werkstoffe Glas und Polymethylacrylat .
Die Röhrchen können auch kreisrund ausgebildet und in Linienkontakt zueinander angeordnet sein. In diesem Fall bilden sie ein Röhrchenbündel, das eine hohe Stabilität besitzt. Wenn dessen Zwischenräume ebenfalls mit einem Klebstoff gefüllt werden, kann das Glasbündel bei diesem Gießprozess auch gleichzeitig verklebt werden. Die Anordnung der Röhrchen als sich berührendes Bündel hat den Vorteil, dass die Röhrchen gemeinsam gehandhabt und an dem Trägersubstrat, d.h. dem Silizium-Wafer festgeklebt werden können, wobei das Bündel nur an zwei Stellen posi- tioniert zu werden braucht, um eine genaue Ausrichtung zu erhalten.
Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen können die Isolationsräume auch mit einem IR-Strahlung absorbierenden Material gefüllt sein. Da sich dieses beim Auftreffen von IR-Strahlung erwärmt, wird im Wesentlichen verhindert, dass aus den Zellen Wärme in ungewollter Weise abgeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren Maßnahme der vorliegenden Erfindung, die unabhängig von der beanspruchten Verbindung der Druckentlastungskammer und der Messkammer und auch der beanspruchten Isolation der Messkammern durch entsprechende Isolationsaussparungen zwischen den Messkammern und/oder der Ausbildung der Messkammern in Röhrchen aus einem wärmeisolierenden Material vorgesehen sein kann, besteht darin, in die wenigstens eine Messkammer zusätzlich wenigstens ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material einzubringen.
Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, durch das zusätzliche IR-Strahlung absorbierende Material den Absorptionskoeffizienten der Zelle für Infrarotstrahlung zu erhöhen mit der Folge, dass ein höheres Maß an IR- Strahlung absorbiert wird und damit eine stärke Temperaturerhöhung stattfindet. Geeignete Materialien sind Kunststoffe wie beispielsweise Polymere, die sehr hohe Absorptionskoeffizienten aufweisen. Wenn man von einer Wellenlänge von 3 μm der IR-Strahlung ausgeht, ergeben sich Absorptionskoeffizienten verschiedener Polymere zwischen 20 und 240 1/ cm. Für eine Absorption von 99% der IR-Strahlung dieser Wellenlänge müsste die Dicke des Polymers etwa 0,2 bis 2 mm betragen.
Um eine große Oberfläche zu erreichen, können die Polymere als Einzelpartikel oder als insbesondere schwamm- bzw. netzartige Strukturen in die Zelle eingebracht sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass dünne Polymerfäden oder Poylmerfasern vorgesehen sind, die beispielsweise eine Länge von 10 bis 15 μm besitzen können. Diese Polymerfäden können zu zylinder- oder kugelförmigen Absorptionskörpern locker aufgewickelt sein, die auf passende Länge geschnitten automatisch in die Zellen eingesetzt werden können. Durch Variation des Polymerwerkstoffs, des Fadendurchmessers und der Wickel- dichte können bezüglich Absorption und Wärmekapazität an- gepasste Absorptionskörper hergestellt werden. Die oft auch als Engelshaar bezeichneten Polymerfäden entstehen als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Granulatherstellung und brauchen daher nicht separat hergestellt zu werden.
Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, dünne Polymerfäden oder Polymerfasern auf einem Polymerfilm aufzubringen. Falls die Herstellung des Films und der Fasern in den benötigten Dimensionen möglich ist, können durch Auf- wickeln dieses Films auch zylinderförmige Absorptionskörper hergestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich können Absorptionskörper in Form von Hohlkörpern mit einer Hülle aus Kunststoff vorgesehen sein, wobei der Hohlraum der Absorptionskörper mit Gas gefüllt ist. Dieser Ausgestaltungsform liegt die Überlegung zugrunde, einen Polymerkörper zu schaffen, der als Absorptionskörper wirkt und gleichzeitig noch die Kompensation von langsamen Temperatur- bzw. Druckänderungen übernimmt .
Thermoplaste wie z.B. Polyethylen zeigen oberhalb der Glastemperatur (Übergang vom spröden in den elastischen Bereich) ein viskoelastisches Verhalten, bei dem das reversible Verformungsverhalten durch eine zeitabhängige und eine zeitunabhängige Komponente repräsentiert wird. Dieses Verhalten wird in die Rheologie durch das Kelvin- Voigt-Modell beschrieben, bei dem ein Federelemnt und ein viskoses Dämpfungselement parallel geschaltet werden. Bei einer plötzlichen Belastung kann das Federelement nicht gestaucht werden, so dass Dämpfungselement zunächst keine Verformung zeigt. Mit zunehmender Zeit wird das Dämpfungselement jedoch verformt und die Feder gespannt, so dass ein stationärer Verformungszustand erreicht wird. Nach der Entlastung wird die Feder entspannt, wobei wieder das Dämpfungsglied die Verformung zeitabhängig verzögert. Nach ausreichender Zeit wird wieder der Anfangszustand erreicht. Damit hat man ein Modell mit einer rever- siblen, zeitabhängigen Verformung. Bei der richtigen Wahl der Parameter verformt sich das Element bei einer kurzzeitigen Stoßbelastug nicht, kann aber langsame Belastungen reversibel kompensieren.
Eine z.B. ballförmige Struktur, bei der die Hülle aus z.B. Polyethylen besteht und der Hohlraum mit Gas gefüllt ist, wäre ein Beispiel für ein Kelvin-Voigt-Modell, da die Hülle das Dämpfungsglied und der Gasraum die Feder darstellt. Die Forderung, dass die Betriebstemperatur über der Glastemperatur der Polyethylenhülle liegen muss, kann durch die Wahl des Chlorgehalts im Polyethylen in einem ausreichend großen Temperaturbereich eingestellt werden, z.B. kann eine Glastemperatur von weniger als O0C erreicht werde. Mögliche Ausführungsbeispiel wären z.B. gasgefüllte Mikrokügelchen aus Polymer (Durchmesser ca. 10 - 100 μm) oder ein Körper aus Polymerschaum. Die Wahl der Dämpfungseigenschaften könnte abgestimmt auf de Anwendungsfall durch den Polymerwerkstoff, die Wanddicke der Hüllen und weiterer geometrischer Merkmale erfolgen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindungen wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die vorliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 im Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Verwendung eines flüssigen Absorptionsfluids,
Figur 2 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus Figur 1,
Figur 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungs- gemäßen Sensoranordnung zur Verwendung mit einem gasförmigen Absorptionsfluid im Längsschnitt,
Figur 4 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus Figur 3 ,
Figur 5 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung für die Verwendung eines gasförmigen Absorptionsfluids ,
Figur 6 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus Figur 5,
Figur 7 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung für die Verwendung mit einem gasförmigen Absorptionsfluid im Längsschnitt,
Figur 8 eine Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit voneinander isolierten Mess- kammern bzw. Zellen im Längsschnitt,
Figur 9 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus Figur 8, Figur 10 eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung mit voneinander beabstandeten Messkammern im Längsschnitt,
Figur 11 die Sensoranordnung aus Figur 10 mit verfüllten Zwischenräumen,
Figur 12 ein Rohrbündel für die Verwendung in einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 13 ein Diagramm, das den Einfluss der Perforation einer Kondensatorplatte auf das Rauschen einer mit Gas gefüllten Zelle zeigt,
Figur 14 ein Diagramm, das dem Temperaturverlauf in einer isolierten Zelle zeigt,
Figur 15 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf in einer nicht isolierten Zelle zeigt,
Figur 16 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in einer Zelle zwischen einer Zelle mit Isolierspalt und einer Zelle ohne Isolierspalt für den stationären Zustand zeigt,
Figur 17 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in der Zelle mit Isolierspalt für den Wandwerkstoff SiIi- zium, Glas (Pyrex) und Kunststoff (PMMA) für den stationären Zustand bei Zellenfüllung Kohlendioxid zeigt und
Figur 18 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in einer Zelle mit Isolierspalt für die Wandwerkstoffe Silizium, Glas (Pyrex) und Kunststoff (PMMA) für den stationären Zustand bei Zellenfüllung Wasser zeigt.
In der Figur 1 ist eine Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt - im folgenden IR-Strahlung genannt - dargestellt. Eine solche Sensoranordnung in Mikrostruktur ist insbesondere für den Einsatz in Nachtsichtgeräten beispielsweise für Automobile oder Flugzeuge geeignet. Auch können sie bei der Überwachung von industriellen Produktionsprozessen, beim Feuerwehreinsatz, bei medizinischen und tiermedizinischen Diagnostiken sowie bei der Minensuche in Nachtsichtgeräten für militärische und zivile Einsätze verwendet werden. Die Sensoranordnung umfasst ein Substrat 1, das hier von einem Silizium-Wafer gebildet ist. In dem Substrat 1 sind eine Vielzahl von Messkammern
2 oder Zellen vorgesehen, die als Durchgangsöffnungen in das Siliziummaterial eingeätzt sind.
Auf der Oberseite des Substrats 1 ist eine Fensterplatte
3 aus einem IR-Strahlung-durchlässigen Material wie beispielsweise Pyrex durch Kleben oder Bonden befestigt, welche die obenseitigen Eintrittsöffnungen der Zellen 2 abdeckt .
An ihrer Unterseite sind die Zellen 2 durch einen dünnen SiliziumWafer 4 verschlossen, welcher an der Unterseite des Substrats 2 befestigt ist und eine verfortnbare Membran M bildet. Jeder Zelle 2 ist ein Kondensator 5 zugeordnet, dessen obere Kondensatorplatte 5a in Form einer Beschichtung an dem Silizium-Wafer 4 unterhalb der Zelle 2 vorgesehen ist und dessen untere Kondensatorplatte 5b an einer Basisplatte 6 angebracht ist.
Zwischen dem dünnen Silizium-Wafer 4 und der Basisplatte 6 wird ein durchgehender Raum gebildet, der eine Druckentlastungskammer 7 bildet. Die Druckentlastungskammer 7 ist mit den Messkammern 2 jeweils durch einen Verbindungskanal 8 verbunden. Dieser ist in dem Silizium-Wafer 4 und einer zwischen diesem und dem Substrat 2 vorgesehenen Zwischenplatte 9 spiralförmig ausgebildet und mündet einerseits in die Zelle 2 und andererseits in die Druckentlastungskammer 7. Der Verbindungskanal 8 kann beispielsweise auch mäanderförmig ausgebildet sein. Durch die Kanäle 8 wird erreicht, dass in der Druckentlastungs- kammer 7 sowie den Zellen 2 ein Druckausgleich zwischen den Kammern 2, 7 stattfinden kann. Der Querschnittfläche und -länge der Kanäle 8 sind dabei so bestimmt, dass langsame Druckänderungen in der Messkammer 2, wie sie beispielsweise bei Änderungen in der Umgebungstemperatur auftreten, ausgeglichen werden, jedoch bei schnellen Druckänderungen, wie sie beim Eintreten von IR-Strahlung in die Messer 2 auftreten, ein solcher Druckausgleich jedoch nicht stattfinden kann, so dass sich die Membran M verformt . Des weiteren ist in der Basisplatte 6 eine Druckentlastungsöffnung 10 zur Umgebung hin vorgesehen, so dass sich in der Messkammer 2 sowie der Druckentlastungskammer 7 etwa Umgebungsdruck einstellt. An der Unterseite der Basisplatte 6 ist eine Folie 11 vorgesehen, welche die Druckentlastungsöffnung verschließt, so dass aus der Druckentlastungskammer 7 kein Wasser austreten kann.
In den Figuren 3 und 4 ist eine alternative Ausführung einer Sensoranordnung dargestellt. Diese besteht, wie die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsform, aus einem Substrat 1 in der Form eines Silizium-Wafers, in welchem Messkammern 2 bzw. Zellen ausgebildet sind. Wie in der Figur 3 erkennbar ist, werden die Messkammern 2 von zur Bodenseite hin noch verschlossene Ausnehmungen in dem Substrat 1 gebildet, wobei der beim Herstellen der Ausnehmungen bleibende Boden eine dünne Membran M bildet.
An der Oberseite des Substrats 2 ist auch hier eine Fensterplatte 3 vorgesehen, welche die offenen Oberseiten der Messkammern 2 verschließt, und an der Unterseite des Substrats 2 sind Kondensatoren 5 vorgesehen, wobei jeweils die obere Platte 5a der Kondensatoren an der Unterseite einer Membran M und die untere Platte 5b des Kondensators auf der Basisplatte 6 ausgebildet sind. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird zwischen der Basisplatte 6 und dem Substrat 1 eine Druckentlastungskammer 7 gebildet, die durch eine Druckentlastungsöffnung 10 in der Basisplatte 6 mit der Umgebung verbunden ist. Die Druckentlastungskammer 7 ist des weiteren mit den Messkammern 2 verbunden, und zwar hier durch Perforationsöffnungen 12, welche die oberen Platten 5a der Kondensatoren 5a sowie die Membranen M durchsetzen. Auch bei dieser Ausführungsform sind die Perforationsöffnungen 12 so bemessen, dass ein Druckausgleich zwischen den Messkammern 2 und der Druckentlastungskammer 7 bei langsamen Druckänderungen stattfindet, nicht jedoch schnelle Druckänderungen aufgrund von eintretender IR- Strahlung ausgeglichen werden.
Die in den Figuren 5 und 6 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung entspricht der zuvor anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen Ausführungsform mit der Maßgabe, dass hier jeder Messkammer 2 eine eigene Druckentlastungskammer 7 zugeordnet ist . Hierzu ist zwischen der Basisplatte 6 und dem Substrat 1 eine Zwischenplatte 13 vorgesehen, in welcher den Mess- kammern 2 zugeordnete, kreisförmige Hohlräume ausgebildet sind. Aufgrund dieser Anordnung sind die Messkammern 2 und zugehörigen Druckentlastungskammern 7 voneinander unabhängig. Außerdem sind die Druckentlastungskammern 7 auch nicht zur Umgebung hin geöffnet, so dass die Mess- kammern 2 und zugehörigen Druckentlastungskammern 7 abgeschlossene Systeme darstellen.
Die in der Figur 7 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung entspricht der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsform mit dem einzigen Unterschied, dass die Druckentlastungskammern 7 ein größeres Volumen besitzen. Hierzu wird eine Basisplatte 6 größerer Dicke verwendet, in welcher um die untere Kondensatorplatte 5b herum ringförmige Ausnehmungen 14 ausgebildet sind.
Bei sämtlichen vorbeschriebenen Sensoranordnungen sind die Messkammern 2 mit einem gasförmigen oder flüssigen Fluid gefüllt, welches IR-Strahlung absorbiert. Wenn IR- Strahlung durch die Fensterplatte 3 in die Messkammern 2 eintritt, wird diese Strahlung entsprechend zumindest teilweise absorbiert mit der Folge, dass sich die Temperatur des Fluids erhöht und sich dieses ausdehnt. Aufgrund der Ausdehnung wird die Membran M und damit die obere Kondensatorplatte 5a verformt, so dass sich die Kapazität des Kondensators 5 ändert. Diese Änderung wird erfasst und ausgewertet.
Die Messkammern 2 und die Druckentlastungskammer (n) 7 sind miteinander verbunden, so dass Druckunterschiede zwischen den Kammern 2, 7 aufgrund von langsamen Druckänderungen in einer der Kammern 2, 7 beispielsweise aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur ausgegli- chen werden und sich die obere Kondensatorplatte 5a aufgrund von solchen langsamen Temperaturänderungen nicht verformt .
In den Figuren 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung dargestellt. Diese umfasst ein Substrat 1, in welchem Messkammern 2 als zur Substratoberseite hin offene und zur Substratunterseite hin verschlossene Ausnehmungen eingebracht sind. Dabei sind die Böden der Messkammern 2 als dünnwandige Membranen M ausgebildet.
Unterhalb des Substrats 1 ist eine Basisplatte 6 angeordnet, die mit der Substratunterseite durch eine Zwischenplatte 15 verbunden ist. In der Zwischenplatte 15 sind kreisförmige Aussparungen vorgesehen, so dass zwischen dem Substrat 1 und der Basisplatte 6 im Bereich der Messkammern kreisförmige Hohlräume 17 gebildet werden. In diesen Hohlräumen 17 sind Kondensatoren 5 untergebracht, wobei die obere Kondensatorplatte 5a als Beschichtung an der Unterseite der Membran M vorgesehen ist und die untere Kondensatorplatte 5b an der Basisplatte 6 fixiert ist. Die Hohlräume 17 können als Druckentlastungsräume ausgebildet sein, welche mit den Messkammern 2 in zuvor beschriebener Weise verbunden sind, müssen dies aber nicht.
Die offenen Oberseiten der Messkammern 2 sind durch eine für Infrarotstrahlung durchlässige Fensterscheibe 3 ver- schlössen, die an der Oberseite des Substrats 2 angebracht, insbesondere festgeklebt oder gebondet ist.
Wie die Figuren 8 und 9 deutlich erkennen lassen, werden die Zellen der Messkammern 2 nur von dünnen Wänden 18 begrenzt, während die herumliegenden Bereiche unter Bildung von Isolationsraum 19 weggeätzt sind. Durch diese Isolationsspalte 19 werden Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert .
Die in Figur 10 dargestellte Ausführungsform entspricht der in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsform mit der Maßgabe, dass die Messkammern 2 durch Röhrchen 20 aus einem wärmeisolierenden Material wie beispielsweise Glas (Pyrex) gebildet sind, die auf dem hier als dünne Platte ausgebildeten Substrat 1 fixiert, beispielsweise festgeklebt oder festgebondet sind. Durch die Verwendung eines wärmeisolierenden Materials können Wärmeverluste aus dem Inneren der Messkammern 2 noch effektiver verhindert werden.
Die Figur 11 zeigt weiter die Sensoranordnung aus Figur 10, wobei die zwischen den Röhrchen 20 gebildeten Isolationsräume 19 mit einem Klebstoff 22 aus einem wärmeisolierenden Material gefüllt sind. Der Klebstoff gibt der Anordnung zusätzlichen Halt. Außerdem kann beim Eingießen des Klebstoffs in die Zwischenräume gleichzeitig eine Fixierung der Röhrchen 20 an dem Substrat 2 erreicht werden. Der Klebstoff kann auch aus einem IR-Strahlung ab- sorbierenden Material bestehen. In diesem Fall erwärmt sich der Klebstoff 22 bei einfallender IR-Strahlung, wodurch einer Wärmeabfuhr aus den Messkammern 2 entgegengewirkt wird.
Die Figur 12 zeigt noch eine Anordnung der Glasröhrchen 20, die hier einen kreisrunden Querschnitt besitzen, und einander unter Bildung von Linienkontakten berühren. In dieser Anordnung sind die Glasröhrchen 20 miteinander verklebt, so dass sie ein Bündel bilden, welches gemeinsam an einem Substrat 2 positioniert und fixiert werden kann. Der Linienkontakt lässt dabei kaum einen Wärmeübergang von einem Röhrchen 20 zum anderen zu.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer (2), die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, und einer Druckentlastungskammer (7) , die zumindest auf der der Messkammer
(2) gegenüberliegenden Seite der Membran (M) gebildet ist, und welche mit der Messkammer (2) in Fluidverbindung steht, wobei die Messkammer (2) eine durch ein Fenster
(3) verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkämmerwandung als flexible Membran (M) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer (2) enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran (M) eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungskammer (7) mit der Messkammer (2) durch einen insbesondere spiralförmigen Kanal (8) verbunden ist, welcher die Messkammer (2) umgibt und an seinem einen Ende in die Messkammer (2) und an seinem anderen Ende in die Druckentlastungskammer (7) mündet .
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Membran (M) anliegenden Platte (5a) des Kondensators (5) und die Membran (M) perforiert sind, um die Messkammer (2) und die Druckentlastungskammer (7) zu verbinden.
4. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungskammer (7) eine Druckentlastungsöffnung (10) zur Umgebung hin aufweist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungsöffnung (10) durch eine flexible Folie (11) abgedeckt ist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungskammer (7) für jede Messkammer (2) ein abgeschlossenes Volumen darstellt.
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen Kondensator (5) umfasst und die Druckentlastungs- kammer (7) zumindest im Bereich zwischen den Kodensatorplatten (5a, 5b) ausgebildet ist.
8. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messkam- mer (2) von einer in ein Substrat (1) , insbesondere unter Ausbildung der Membran (M) , eingebrachten Kavität gebildet ist, die einseitig auf der die Eintrittsöffnung aufweisenden aktiven Seite von einer Fensterscheibe (3) bedeckt ist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (1) mehrere Messkammern (2) ausgebildet sind, wobei in den Wandbereichen zwischen den Messkammern (2) Isolationsräumen (19) vorgesehen sind.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsräume (19) mit einem IR- Strahlung absorbierenden Material oder einem Wärme isolierenden Material verfüllt sind.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) ein Silizi- um-Wafer, Glas-Wafer oder Kunststoff -Wafer ist.
12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammern (2) von Röhrchen (20) aus einem wärmeisolierenden Material ausgebildet sind, die auf einem Wafer (2) insbesondere aus Silizium, Glas oder Kunststoff, in welchem die Membranen (M) ausgebildet sind, fixiert sind.
13. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen (20) aus Glas bestehen.
14. Sensoranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen (20) beabstandet voneinander angeordnet sind.
15. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen (20) rund ausgebildet und in Linienkontakt zueinander angeordnet sind.
16. Sensoranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsräume (19) zwischen den Röhrchen (20) mit einem Klebstoff (22) gefüllt sind.
17. Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (22) aus einem IR-Strahlung absorbierenden Material besteht .
18. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die wenigstens eine Mess- kammer (2) zusätzlich wenigstens ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material eingebracht ist.
19. Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Strahlung absorbierende Material ein Kunststoff und insbesondere ein Polymer ist.
20. Sensoranordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Strahlung absorbierende Material in Form einer Beschichtung auf die Seitenwand der Messkammer aufgebracht ist.
21. Sensoranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht eine schwamm- bzw. netzartige Struktur besitzt.
22. Sensoranordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Strahlung absorbierende Material in Form von dünnen Polymerfäden oder Polymerfasern vorliegt .
23. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polymerfäden zu zylinder- oder kugelförmigen Absorptionskörpern locker aufgewickelt sind.
24. Sensoranordnung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass dünne Polymerfäden oder Polymerfasern auf einen Polymerfilm aufgebracht sind.
25. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Absorptionskörper als Hohlkörper mit einer Hülle aus Kunststoff vorgesehen sind und der Hohlraum der Absorptionskörper mit Gas gefüllt ist.
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