EP2419702A1 - Infrarotlichtsensor mit hoher signalspannung und hohem signal- rausch-verhältnis - Google Patents

Infrarotlichtsensor mit hoher signalspannung und hohem signal- rausch-verhältnis

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EP2419702A1
EP2419702A1 EP10714629A EP10714629A EP2419702A1 EP 2419702 A1 EP2419702 A1 EP 2419702A1 EP 10714629 A EP10714629 A EP 10714629A EP 10714629 A EP10714629 A EP 10714629A EP 2419702 A1 EP2419702 A1 EP 2419702A1
Authority
EP
European Patent Office
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infrared light
sensor
electrode
detector
light detector
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10714629A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Giebeler
Jeffrey Wright
Tim Chamberlain
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.)
Pyreos Ltd
Original Assignee
Pyreos Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Pyreos Ltd filed Critical Pyreos Ltd
Publication of EP2419702A1 publication Critical patent/EP2419702A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • 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
    • G01J5/0846—Optical arrangements having multiple detectors for performing different types of detection, e.g. using radiometry and reflectometry channels

Definitions

  • the invention relates to an infrared light sensor with high
  • Signal voltage and high signal-to-noise ratio as well as an infrared light detector with the infrared light sensor.
  • An infrared light detector for detecting hot radiation has, for example, a thin film pyroelectric infrared light sensor with two electrode layers and a pyroelectric layer of pyroelectric sensitive material arranged between the electrode layers.
  • This material is ferroelectric lead zirconate titanate (PZT).
  • the electrode layers are made of platinum or of a heat radiation absorbing chromium-nickel alloy. The layers are applied by a gas phase deposition method.
  • the infrared light sensor is mounted on a support membrane made of silicon.
  • a readout electronics m is provided to the infrared light detector.
  • the readout electronics are realized by CMOS (complementary metal oxide semiconductors) technology, ASICs or discrete components.
  • the readout electronics are operated in "voltage mode", with the readout electronics having a high impedance.
  • the signal of the infrared light sensor is basically in
  • Voltage Mode is not dependent on the flat extension of the pyroelectric layer.
  • the Dielekt ⁇ zitats slaughter the pyroelectric layer of the infrared light sensor is high, whereby the capacity of the infrared light sensor is also high.
  • the object of the invention is an infrared light sensor with high signal voltage and high signal-to-noise ratio and to provide an infrared light detector having the infrared light sensor.
  • the infrared light detector according to the invention for an infrared light detector has a carrier membrane section and at least two sensor chips which are fastened next to one another on the carrier membrane section and each have a layer element made of pyroelectric sensitive material which is electrically contacted by a base electrode and a head electrode and arranged such that between the head electrode and in each case a differential voltage is applied to the base electrode of each layer element when the layer elements are irradiated with infrared light, and in each case for two adjacently arranged sensor chips a coupling line with which the head electrode of one sensor chip and the base electrode of the other sensor chip are electrically conductively coupled to one another in that the layer elements of the sensor chips are connected in a series circuit, one of the base electrodes at one end and one of the base electrodes at its other end
  • the infrared light detector according to the invention has at least one of the infrared light sensors, wherein a carrier membrane of the infrared light detector is formed by the carrier membrane portion, and a readout electronics for each infrared light sensor whose total differential voltage value can be tapped with the readout electronics.
  • the infrared light sensor is formed by the series connection of the sensor chips, so that the total capacity of the infrared light sensor is the reciprocal sum of the reciprocal individual capacitances of the sensor chips.
  • the total capacity of the infrared light sensor is smaller than the capacitances of the individual sensor chips and yet sufficiently high to be advantageous with the readout electronics co.
  • the total differential voltage of the infrared light sensor is higher than the individual differential voltages of the sensor chips, namely the sum of the individual differential voltages of the layer elements, so that with the readout electronics, the high total differential voltage at the reduced total capacity of the infrared light sensor is advantageously low noise readable.
  • the strength of the differential voltage in "voltage mode" operation of each of the sensor chips is basically independent of the areal extent of the layer element of the respective sensor chip.
  • the sensor chips can advantageously be made small in their areal extent, for example such that the sum of the surfaces of the layer elements of the sensor chips is the surface of a sensor chip
  • Infrared light sensor advantageously designed targeted.
  • the pyroelectrically sensitive material is preferably lead zirconate titanate.
  • the layer element is preferably a thin film. The thin film is preferred with a
  • Gasphasenabscheideclar in particular from the group PVD (physical vapor deposition) and / or CVD (chemical vapor deposition) produced.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • a PVD method for example, a sputtering or sputtering in question.
  • pyroelectric active lead zirconate titanate with perovskite structure is formed in the layer elements.
  • the sensor chips are preferably connected to one another in a thermally conductive manner via the carrier membrane section and the coupling lines. As a result, thermal crosstalk is high between the sensor chips, as a result of which the sensor chips react uniformly under infrared light irradiation, so that the differential voltages of the sensor chips are as substantially as possible substantially equal.
  • the total capacitance value of the series connection corresponds at least three times to the input capacitance value of the readout electronics.
  • the infrared light sensors are preferably in a grid arrangement on the support membrane of the
  • the infrared light sensors are preferably arranged thermally insulated from one another.
  • thermal crosstalk from one of the infrared light sensors to another of the infrared light sensors is small, whereby the infrared light detector has high measurement accuracy.
  • the infrared light detector is used according to the invention as a thermal imaging camera, a presence detector, a motion detector, a gas detector, a spectroscope and / or a Terrahertzdetektor.
  • the infrared light detector is equipped with the plurality of infrared light sensors such that the infrared light detector has 240 ⁇ 320 infrared light sensors in a grid arrangement.
  • Fig. 1 shows a cross section of the embodiment of the infrared light detector and Fig. 2 detail A from FIG. 1 .
  • an infrared light detector 1 has a support membrane 2 which is spanned by a support frame 3. On the support membrane 2, a first infrared light sensor 4, a second infrared light sensor 5, and a third infrared light sensor 6 are mounted.
  • the infrared light sensors 4 to 6 are adapted to detect infrared light, wherein the infrared light sensors 4 to 6 depending on the infrared light and the configuration of the
  • the read-out electronics has an amplifier for amplifying the signal of the respective infrared light sensor and is integrated in the infrared light detector.
  • the second infrared light sensor 5 has a first sensor chip 7, a second sensor chip 8, a third sensor chip 9 and a fourth sensor chip 10.
  • Each of the sensor chips 7 to 10 is formed by a pyroelectric layer element 11, which is formed of pyroelectric sensitive material, such as lead zirconate titanate.
  • each sensor chip 7 to 10 has a base electrode 12, which is fastened on the carrier membrane 2.
  • the layer element 11 is arranged on the base electrode 12, so that the layer element 11 contacts the base electrode 11. On the layer member 11 this contacting a head electrode 13 is attached.
  • the sensor chips 7 to 10 are arranged side by side on the carrier membrane 2 on an imaginary straight line.
  • the base electrode 12 of each sensor chip 7 to 10 is on one side, in Fig. 1 and 2 left, formed by the layer member 11 above, so that the base electrode 12 from outside the sensor chip 7 to 10 can be contacted.
  • a first coupling line 14 Between the first sensor chip 7 and the second sensor chip 8 is a first coupling line 14, between the second sensor chip 8 and the third sensor chip 9 is a second coupling line 15 and between the third sensor chip 9 and the fourth sensor chip 10, a third coupling line 16 is provided.
  • the coupling lines 14 to 16 are designed to be comparable to one another, wherein the first coupling line 14 is described below as representative of the coupling lines 15, 16.
  • the first coupling line 14 contacts the top electrode 13 of the first sensor chip 7, the coupling line 14 being fixed on the top electrode 13.
  • the coupling line 14 is guided past the layer element 11 and the base electrode 12 to the support membrane 2, the coupling line 14 contacting neither the layer element 11 nor the base electrode 12.
  • the coupling line 14 is guided to the base electrode of the second sensor chip 8, so that the base electrode of the second sensor chip 8 is contacted by the coupling line 14.
  • an electrically conductive connection between the head electrode 13 of the first sensor chip 7 and the base electrode of the second sensor chip 8 is produced by the coupling line 14.
  • the head electrode 13 of the first sensor chip 7 is electrically conductively connected to the base electrode of the second sensor chip 8 by the first coupling line 14.
  • the head electrode of the second sensor chip 8 is electrically conductively connected to the base electrode of the third sensor chip 9 by the second coupling line 15
  • the head electrode of the third sensor chip 9 is electrically conductively connected to the base electrode of the fourth sensor chip 10 by the third coupling line 16.
  • Coupling lines 14 to 16 connected in series The one end of the series connection is formed by the base electrode 12 of the first sensor chip 7, and the other end of the series circuit is formed by the head electrode of the fourth sensor chip 10.
  • the sensor chips 7 to 9 of the second infrared light sensor 5 are irradiated with infrared light during operation of the infrared light detector 1, a difference voltage is applied to the layer elements 11 between the head electrode 13 and the base electrode 12 of each of the sensor chips 7 to 10 due to a pyroelectric effect.
  • Characterized in that of the coupling lines 14 to 16, the sensor chips 7 to 10 are connected in series with their base electrodes 12 and head electrodes 13, between the first connection point 17 and the second connection point 18 is a total differential voltage as the sum of the individual differential voltages of the sensor chips 7 to 10 at.
  • the total differential voltage is tapped at the first connection point 17 and the second connection point 18 of the evaluation and further processed. Further, the total capacity of the infrared light sensors 4 to 6 is lower than that due to the series connection of the sensor chips 7 to 10 with the coupling lines 14 to 16
  • each read-out electronics associated with the respective infrared light sensors 4 to 6 has a high total voltage difference with a small total capacity of the infrared light sensors 4 to 6, thereby increasing the signal-to-noise ratio of the infrared light sensor 4 to 6 ,

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Abstract

Ein Infrarotlichtsensor für einen Infrarotlichtdetektor (1) weist einen Trägermembranabschnitt (2) sowie mindestens zwei Sensorchips (7 bis 10), die nebeneinander liegend an dem Trägermembranabschnitt (2) befestigt sind und jeweils ein aus pyroelektrisch sensitivem Material hergestelltes Schichtelement (11) aufweisen, das von einer Basiselektrode (12) und einer Kopfelektrode (13) elektrisch kontaktiert und derart eingerichtet ist, dass zwischen der Kopfelektrode (13) und der Basiselektrode (12) eines jeden Schichtelements (11) jeweils eine Differenzspannung anliegt, wenn die Schichtelemente (11) mit Infrarotlicht bestrahlt sind, und jeweils für zwei benachbart angeordnete Sensorchips (7 bis 10) eine Kopplungsleitung (14 bis 16) auf, mit der die Kopfelektrode (13) des einen Sensorchips (7 bis 9) und die Basiselektrode (12) des anderen Sensorchips (8 bis 10) elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind, so dass die Schichtelemente (11) der Sensorchips (7 bis 10) in einer Reihenschaltung geschaltet sind, die an ihrem einen Ende eine der Basiselektroden (17) und an ihrem anderen Ende eine der Kopfelektroden (18) aufweist, an denen eine Gesamtdifferenzspannung der Reihenschaltung als Summe der einzelnen Differenzspannungen der Schichtelemente (11) abgreifbar ist.

Description

INFRAROTLICHTSENSOR MIT HOHER SIGNALSPANNUNG UND HOHEM SIGNAL-RAUSCH-VERHALTNIS
Die Erfindung betrifft einen Infrarotlichtsensor mit hoher
Signalspannung und hohem Signal-Rausch-Verhaltnis, sowie einen Infrarotlichtdetektor mit dem Infrarotlichtsensor .
Em Infrarotlichtdetektor zum Detektieren von Warmstrahlung weist beispielsweise einen pyroelektrischen Infrarotlichtsensor in Dunnschichtbauweise mit zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht aus pyroelektrisch sensitivem Material auf. Dieses Material ist ferroelektrisches Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) . Die Elektrodenschichten bestehen aus Platin oder aus einer die Wärmestrahlung absorbierenden Chrom-Nickel-Legierung. Die Schichten sind mit einem Gasphasenabscheideverfahren aufgebracht. Der Infrarotlichtsensor ist auf einer Tragermembran aufgebracht, die aus Silizum hergestellt ist. Zum Auslesen, Verstarken, Verarbeiten und/oder Weiterleiten eines aufgrund von Wärmestrahlung vom Infrarotlichtsensor erzeugten elektrischen Signals ist eine Ausleseelektronik m dem Infrarotlichtdetektor vorgesehen. Die Ausleseelektronik ist durch CMOS-Technik (complementary metal oxide semiconductors) , ASICs oder diskrete Komponenten realisiert.
Herkömmlich wird die Ausleseelektronik im "Voltage Mode" betrieben, wobei die Ausleseelektronik eine hohe Impedanz hat. Das Signal des Infrarotlichtsensors ist grundsatzlich im
"Voltage Mode"-Betπeb unanhangig von der flachigen Ausdehnung der pyroelektrischen Schicht. Die Dielektπzitatszahl der pyroelektrischen Schicht des Infrarotlichtsensors ist hoch, wodurch die Kapazität des Infrarotlichtsensors ebenfalls hoch ist.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Infrarotlichtsensor mit hoher Signalspannung und hohem Signal-Rausch-Verhaltnis und einen Infrarotlichtdetektor, der den Infrarotlichtsensor aufweist, zu schaffen.
Der erfindungsgemäße Infrarotlichtsensor für einen Infrarotlichtdetektor weist einen Trägermembranabschnitt sowie mindestens zwei Sensorchips, die nebeneinanderliegend an dem Trägermembranabschnitt befestigt sind und jeweils ein aus pyroelektrisch sensitivem Material hergestelltes Schichtelement aufweisen, das von einer Basiselektrode und einer Kopfelektrode elektrisch kontaktiert und derart eingerichtet ist, dass zwischen der Kopfelektrode und der Basiselektrode eines jeden Schichtelements jeweils eine Differenzspannung anliegt, wenn die Schichtelemente mit Infrarotlicht bestrahlt sind, und jeweils für zwei benachbart angeordnete Sensorchips eine Kopplungsleitung auf, mit der die Kopfelektrode des einen Sensorchips und die Basiselektrode des anderen Sensorchips elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind, so dass die Schichtelemente der Sensorchips in einer Reihenschaltung geschaltet sind, die an ihrem einen Ende eine der Basiselektroden und an ihrem anderen Ende eine der
Kopfelektroden aufweist, an denen eine Gesamtdifferenzspannung der Reihenschaltung als Summe der einzelnen Differenzspannungen der Schichtelemente abgreifbar ist.
Der erfindungsgemäße Infrarotlichtdetektor weist mindestens einen der Infrarotlichtsensoren auf, wobei eine Trägermembran des Infrarotlichtdetektors von dem Trägermembranabschnitt gebildet ist, und eine Ausleseelektronik für jeden Infrarotlichtsensor auf, deren Gesamtdifferenzspannungswert mit der Ausleseelektronik abgreifbar ist.
Der Infrarotlichtsensor ist erfindungsgemäß von der Reihenschaltung der Sensorchips gebildet, so dass die Gesamtkapazität des Infrarotlichtsensors die reziproke Summe der reziproken Einzelkapazitäten der Sensorchips ist. Somit ist die Gesamtkapazität des Infrarotlichtsensors kleiner als die Kapazitäten der einzelnen Sensorchips und dennoch ausreichend hoch, um mit der Ausleseelektronik vorteilhaft zusammenzuwirken. Ferner ist die Gesamtdifferenzspannung des Infrarotlichtsensors höher als die einzelnen Differenzspannungen der Sensorchips, nämlich die Summe der einzelnen Differenzspannungen der Schichtelemente, so dass mit der Ausleseelektronik die hohe Gesamtdifferenzspannung bei der verminderten Gesamtkapazität des Infrarotlichtsensors vorteilhaft rauscharm auslesbar ist.
Die Stärke der Differenzspannung im "Voltage Mode"-Betrieb eines jeden der Sensorchips ist grundsätzlich unabhängig von der flächigen Ausdehnung des Schichtelements des jeweiligen Sensorchips. Dadurch können vorteilhaft die Sensorchips in ihrer flächigen Ausdehnung klein ausgeführt sein, beispielsweise derart, dass die Summe der Oberflächen der Schichtelemente der Sensorchips die Oberfläche eines
Schichtelements eines herkömmlichen Sensorchips ergibt, der als der einzige Sensorchip in einem herkömmlichen Infrarotlichtsensor vorgesehen ist. Dadurch ist vorteilhaft eine miniaturisierte Bauweise des erfindungsgemäßen Sensorchips ermöglicht, so dass die Ausdehnung des erfindungsgemäßen Infrarotlichtdetektors verglichen mit einem herkömmlichen Infrarotlichtdetektor nicht größer zu sein braucht. Ferner kann durch das entsprechende Vorsehen einer vorherbestimmten Anzahl an Sensorchips in dem Infrarotlichtsensor die Gesamtdifferenzspannung und die Gesamtkapazität des
Infrarotlichtsensors vorteilhaft gezielt ausgelegt werden.
Das pyroelektrisch sensitive Material ist bevorzugt Blei- Zirkonat-Titanat . Ferner ist das Schichtelement bevorzugt ein Dünnfilm. Der Dünnfilm ist bevorzugt mit einem
Gasphasenabscheideverfahren, insbesondere aus der Gruppe PVD (physical vapor deposition) und/oder CVD (chemical vapor deposition) hergestellt. Als PVD-Verfahren kommt beispielsweise ein Bedampfungsverfahren oder Sputtern in Frage. Dabei bildet sich in den Schichtelementen pyroelektrisch aktives Blei- Zirkonat-Titanat mit Perovskit-Struktur aus. Bevorzugtermaßen sind die Sensorchips via den Trägermembranabschnitt und den Kopplungsleitungen thermisch leitend miteinander verbunden. Dadurch ist zwischen den Sensorchips ein thermisches Übersprechen hoch, wodurch die Sensorchips bei Infrarotlichtbestrahlung uniform reagieren, so dass die Differenzspannungen der Sensorchips möglichst im Wesentlichen gleich sind. Außerdem ist es bevorzugt, dass der Gesamtkapazitätswert der Reihenschaltung mindestens dreimal dem Eingangskapazitätswert der Ausleseelektronik entspricht. Dadurch sind vorteilhaft Signalverluste hervorgerufen durch die Eingangskapazität der Ausleseelektronik auf einem vorteilhaft geringen Niveau gehalten.
Die Infrarotlichtsensoren sind bevorzugt in einer Rasteranordnung auf der Trägermembran des
Infrarotlichtdetektors angeordnet. Dabei sind die Infrarotlichtsensoren bevorzugt voneinander thermisch isoliert angeordnet. Somit ist ein thermisches Übersprechen von einem der Infrarotlichtsensoren auf einen anderen der Infrarotlichtsensoren gering, wodurch der Infrarotlichtdetektor eine hohe Messgenauigkeit hat.
Der Infrarotlichtdetektor wird erfindungsgemäß als eine Wärmebildkamera, ein Präsenzmelder, ein Bewegungsmelder, ein Gasdetektor, ein Spektroskop und/oder ein Terrahertzdetektor verwendet. Für die Wärmebildkamera ist der Infrarotlichtdetektor beispielsweise mit der Mehrzahl an Infrarotlichtsensoren derart ausgestattet, dass der Infrarotlichtdetektor 240 x 320 Infrarotlichtsensoren in Rasteranordnung aufweist.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Infrarotlichtdetektors anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels des Infrarotlichtdetektors und Fig . 2 Detail A aus Fig . 1 .
Wie es aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein Infrarotlichtdetektor 1 eine Trägermembran 2 auf, die von einem Tragrahmen 3 aufgespannt ist. Auf der Trägermembran 2 sind ein erster Infrarotlichtsensor 4, ein zweiter Infrarotlichtsensor 5 und ein dritter Infrarotlichtsensor 6 angebracht. Die Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 sind eingerichtet Infrarotlicht zu detektieren, wobei an den Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 in Abhängigkeit des Infrarotlichts und der Konfiguration der
Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 ein Signal anliegt, das von einer Ausleseelektronik (nicht gezeigt) verarbeitbar ist. Die Ausleseelektronik weist einen Verstärker zum Verstärken des Signals des jeweiligen Infrarotlichtsensors auf und ist in dem Infrarotlichtdetektor integriert.
Im Folgenden ist der zweite Infrarotlichtsensor 5 beschrieben, wobei Gleiches für den ersten Infrarotlichtsensor 4 und den dritten Infrarotlichtsensor 6 gilt. Der zweite Infrarotlichtsensor 5 weist einen ersten Sensorchip 7, einen zweiten Sensorchip 8, einen dritten Sensorchip 9 und einen vierten Sensorchip 10 auf. Jeder der Sensorchips 7 bis 10 ist von einem pyroelektrischen Schichtelement 11 gebildet, das aus pyroelektrisch sensitivem Material, wie beispielsweise Blei- Zirkonat-Titanat, gebildet ist. Ferner weist jeder Sensorchip 7 bis 10 eine Basiselektrode 12 auf, die auf der Trägermembran 2 befestigt ist. Auf der Basiselektrode 12 ist das Schichtelement 11 angeordnet, so dass das Schichtelement 11 die Basiselektrode 11 kontaktiert. Auf dem Schichtelement 11 ist dieses kontaktierend eine Kopfelektrode 13 angebracht. Die Sensorchips 7 bis 10 sind auf der Trägermembran 2 auf einer gedachten Gerade nebeneinanderliegend angeordnet.
Die Basiselektrode 12 eines jeden Sensorchips 7 bis 10 ist an einer Seite, in Fig. 1 und 2 links, von dem Schichtelement 11 vorstehend ausgebildet, damit die Basiselektrode 12 von außerhalb des Sensorchips 7 bis 10 kontaktierbar ist. Zwischen dem ersten Sensorchip 7 und dem zweiten Sensorchip 8 ist eine erste Kopplungsleitung 14, zwischen dem zweiten Sensorchip 8 und dem dritten Sensorchip 9 ist eine zweite Kopplungsleitung 15 und zwischen dem dritten Sensorchip 9 und dem vierten Sensorchip 10 ist eine dritte Kopplungsleitung 16 vorgesehen. Die Kopplungsleitungen 14 bis 16 sind untereinander vergleichbar ausgebildet, wobei stellvertretend für die Kopplungsleitungen 15, 16 die erste Kopplungsleitung 14 im Folgenden beschrieben ist.
Die erste Kopplungsleitung 14 kontaktiert die Kopfelektrode 13 des ersten Sensorchips 7, wobei die Kopplungsleitung 14 auf der Kopfelektrode 13 befestigt ist. Die Kopplungsleitung 14 ist an dem Schichtelement 11 und der Basiselektrode 12 vorbei zu der Trägermembran 2 geführt, wobei die Kopplungsleitung 14 weder das Schichtelement 11 noch die Basiselektrode 12 kontaktiert. An der Trägermembran 2 ist die Kopplungsleitung 14 bis zur Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 geführt, so dass die Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 von der Kopplungsleitung 14 kontaktiert ist. Dadurch ist von der Kopplungsleitung 14 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kopfelektrode 13 des ersten Sensorchips 7 und der Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 hergestellt. Somit ist von der ersten Kopplungsieitung 14 die Kopfelektrode 13 des ersten Sensorchips 7 mit der Basiselektrode des zweiten Sensorchips 8 elektrisch leitend verbunden. Analog hierzu ist von der zweiten Kopplungsleitung 15 die Kopfelektrode des zweiten Sensorchips 8 mit der Basiselektrode des dritten Sensorchips 9 und von der dritten Kopplungsleitung 16 die Kopfelektrode des dritten Sensorchips 9 mit der Basiselektrode des vierten Sensorchips 10 elektrisch leitend verbunden. Dadurch sind die Sensorchips 7 bis 10 von den
Kopplungsleitungen 14 bis 16 in Reihe geschaltet. Das eine Ende der Reihenschaltung ist von der Basiselektrode 12 des ersten Sensorchips 7 und das andere Ende der Reihenschaltung ist von der Kopfelektrode des vierten Sensorchips 10 gebildet. Zum
Kontaktieren der Reihenschaltung ist an der Basiselektrode 12 des ersten Sensorchips 7 ein erster Anschlusspunkt 17 und an der Kopfelektrode des vierten Sensorchips 10 ein zweiter Anschlusspunkt 18 vorgesehen.
Werden beim Betrieb des Infrarotlichtdetektors 1 die Sensorchips 7 bis 9 des zweiten Infrarotlichtsensors 5 mit Infrarotlicht bestrahlt, so liegt aufgrund eines pyroelektrischen Effekts in den Schichtelementen 11 zwischen der Kopfelektrode 13 und der Basiselektrode 12 eines jeden der Sensorchips 7 bis 10 eine Differenzspannung an. Dadurch, dass von den Kopplungsleitungen 14 bis 16 die Sensorchips 7 bis 10 mit ihren Basiselektroden 12 und Kopfelektroden 13 in Reihe geschaltet sind, liegt zwischen dem ersten Anschlusspunkt 17 und dem zweiten Anschlusspunkt 18 eine Gesamtdifferenzspannung als die Summe der einzelnen Differenzspannungen der Sensorchips 7 bis 10 an. Die Gesamtdifferenzspannung wird an dem ersten Anschlusspunkt 17 und dem zweiten Anschlusspunkt 18 von der Auswerteelektronik abgegriffen und weiter verarbeitet. Ferner ist die Gesamtkapazität der Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 aufgrund der Reihenschaltung der Sensorchips 7 bis 10 mit den Kopplungsleitungen 14 bis 16 niedriger als die
Einzelkapazitäten der Sensorchips 7 bis 9. Somit ist jeder Ausleseelektronik, die den entsprechenden Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 zugeordnet ist, eine hohe Gesamtspannungsdifferenz bei einer geringen Gesamtkapazität der Infrarotlichtsensoren 4 bis 6 bereitgestellt, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis des Infrarotlichtsensors 4 bis 6 erhöht ist.
Bezugs zeichenliste
1 Infrarotlichtdetektor
2 Trägermembran
3 Tragrahmen
4 erster Infrarotlichtsensor
5 zweiter Infrarotlichtsensor
6 dritter Infrarotlichtsensor
7 erster Sensorchip
8 zweiter Sensorchip
9 dritter Sensorchip
10 vierter Sensorchip
11 pyroelektrisches Schichtelement 2 Basiselektrode 3 Kopfelektrode 4 erste Kopplungsleitung 5 zweite Kopplungsleitung 6 dritte Kopplungsleitung 7 erster Anschlusspunkt 8 zweiter Anschlusspunkt

Claims

Patentansprüche
1. Infrarotlichtsensor für exnen Infrarotlichtdetektor (1), mit einem Tragermembranabschmtt (2) sowie mindestens zwei Sensorchips (7 bis 10), die nebeneinander liegend an dem
Tragermembranabschnitt (2) befestigt sind und jeweils ein aus pyroelektrisch sensitivem Material hergestelltes Schichtelement (11) aufweisen, das von einer Basiselektrode (12) und einer Kopfelektrode (13) elektrisch kontaktiert und derart eingerichtet ist, dass zwischen der Kopfelektrode (13) und der Basiselektrode (12) eines jeden Schichtelements (11) jeweils eine Differenzspannung anliegt, wenn die Schichtelemente (11) mit Infrarotlicht bestrahlt sind, und jeweils für zwei benachbart angeordnete Sensorchips (7 bis 10) einer Kopplungsleitung (14 bis 16), mit der die Kopfelektrode (13) des einen Sensorchips (7 bis 9) und die Basiselektrode (12) des anderen Sensorchips (8 bis 10) elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind, so dass die Schichtelemente (11) der Sensorchips (7 bis 10) m einer Reihenschaltung geschaltet sind, die an ihrem einen Ende eine der Basiselektroden (17) und an ihrem anderen Ende eine der Kopfelektroden (18) aufweist, an denen eine Gesamtdifferenzspannung der Reihenschaltung als Summe der einzelnen Differenzspannungen der Schichtelemente (11) abgreifbar ist.
2. Infrarotlichtsensor gemäß Anspruch 1, wobei das pyroelektrisch sensitive Material Blei-Zirkonat-Titanat ist.
3. Infrarotlichtsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Schichtelement (11) ein Dunnfilm ist.
4. Infrarotlichtsensor gemäß Anspruch 3, wobei der Dunnfilm mit einem Gasphasenabscheideverfahren, insbesondere aus der Gruppe PVD und/oder CVD, hergestellt ist.
5. Infrarotlichtsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensorchips via den Tragermembranabschnitt (2) und der Kopplungsleitung (14 bis 16) thermisch leitend miteinander verbunden sind.
6. Infrarotlichtdetektor mit mindestens einem der Infrarotlichtsensoren (4 bis 6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Trägermembran (2) des Infrarotlichtdetektors (1) von dem Trägermembranabschnitt gebildet ist, und einer Ausleseelektronik für jeden Infrarotlichtsensor (4 bis 6), deren Gesamtdifferenzspannungswert mit der Ausleseelektronik abgreifbar ist.
7. Infrarotlichtdetektor gemäß Anspruch 6, wobei der Gesamtkapazitätswert der Reihenschaltung mindestens dreimal dem Eingangskapazitätswert der Ausleseelektronik entspricht.
8. Infrarotlichtdetektor gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Infrarotlichtsensoren (4 bis 6) in einer Rasteranordnung auf der Trägermembran (2) angeordnet sind.
9. Infrarotlichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Infrarotlichtsensoren (4 bis 6) voneinander thermisch isoliert angeordnet sind.
10. Verwendung eines Infrarotlichtdetektors gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 als eine Wärmebildkamera, ein Präsenzmelder, ein Bewegungsmelder, ein Gasdetektor, ein Spektroskop und/oder ein Terrahertzdetektor .
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