EP3039392A1 - Thermosensor und verfahren zur herstellung eines thermosensors - Google Patents
Thermosensor und verfahren zur herstellung eines thermosensorsInfo
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Definitions
- Thermocouple as well as a field effect transistor and a diode to form.
- the gate potential of the field effect transistor is provided by the thermoelectric generator, whereby the field effect transistor amplifies the temperature-dependent output signal of the thermoelectric generator.
- the field effect transistor in turn is connected in series with a p-n diode, which allows electrical current to flow in one direction while blocking current flow in the opposite direction.
- FIG. 2 shows a schematic illustration of a top view of a thermal sensor according to a further embodiment of the present invention
- FIG. 4 shows a schematic representation of a method for producing a
- Substrate 2 is arranged. It is also possible that FET 20 and diode 30 are arranged on different substrates, or at least one of the components is also designed as a discrete component.
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- the provision of FET 20 and / or diode 30 is on a silicon substrate.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft einen Thermosensor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Thermosensors mit geringem Signal-zu-Rauschverhältnis bei relativ hoher Signalstärke. Hierzu wird ein thermoelektrischer Generator mit einem Feldeffekttransistor und einer Diode kombiniert. Der Thermosensor eignet sich dabei aufgrund seiner integrierten Diode und der damit verbundenen Sperrwirkung für eine kostengünstige und effiziente Ausgestaltung von bildgebenden Sensorarrays zur Wandlung von Wärmestrahlung in elektrische Signale.
Description
Beschreibung Titel
Thermosensor und Verfahren zur Herstellung eines Thermosensors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thermosensor, sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines Thermosensors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Thermosensor zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen Ausgangssignals zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang.
Als Sensorelemente zur Detektion von Wärmestrahlen sind zum Beispiel Thermodioden oder Thermocouples bekannt. Für bildgebende Detektorsysteme verwendet man dabei ein zweidimensionales Array, bei dem solche Detektoren für Wärmestrahlungen in einer Matrix aus mehreren Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Die Druckschrift US 5,554,849 A offenbart ein Array aus Thermodioden zur
zweidimensionalen Erfassung infraroter Strahlung. Ferner ist aus der Druckschrift US 4,558,342 A ein Detektorarray bekannt, das als Detektorelemente Thermocouples verwendet. Zur Erhöhung der Detektorspannung werden mehrere Thermocouples hintereinander zu sogenannten Thermosäulen (Thermopiles) geschaltet.
Bei der Verwendung von Thermodioden in den bildgebenden Arrays ist es möglich, eine Matrix zu bilden, in denen sich einzelne Pixel durch Anlegen geeigneter Spannungen an Zeilen- bzw. Spaltenleitungen adressieren lassen. Zur Auswertung der entsprechenden Pixel und zur Erfassung der Temperatur über der Diode muss die Diode dabei aktiv bestromt werden. In zahlreichen Anwendungsfällen werden dabei zur Steigerung des Auflösungsvermögens mehrere solcher Thermodioden pro Pixel hintereinander geschaltet.
Thermocouples dagegen haben den Vorteil, dass sie aus einem durch die
Wärmestrahlung entstehenden Temperaturunterschied direkt eine Spannung erzeugen. Im Gegensatz zu Thermodioden ist daher eine aktive Bestromung der einzelnen
Sensorelemente nicht erforderlich. Für die Auswertung der einzelnen Pixel eines
Sensorarrays müssen jedoch für jeden Pixel beide Anschlüsse des Thermocouples mit einer Auswerteschaltung verbunden werden.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Thermoelement, das einen kostengünstigen Aufbau großer Sensorarrays ermöglicht. Ferner besteht ein Bedarf nach einem
Thermoelement mit einem verbesserten Signal-zu-Rauschverhältnis. Außerdem besteht ein Bedarf nach einem Thermoelement, das sich kostengünstig herstellen lässt.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Thermosensor zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen Ausgangssignals zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang, mit einem Feldeffekttransistor, der einen Gate-Anschluss, einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss aufweist; einer Diode, die mit einem Anschlusspunkt mit dem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden ist und mit einem weiteren Anschlusspunkt mit dem ersten Ausgang des Thermosensors verbunden ist; und einem thermoelektrischen Generator, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt eine temperaturabhängige Spannung bereitzustellen, wobei der erste Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden ist und der zweite
Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors und dem zweiten Ausgang des Thermosensors verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Thermosensors, der ein temperaturabhängiges Ausgangssignal zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang bereitstellt, mit den Schritten des Bereitstellens eines Feldeffekttransistors, der einen Gate-Anschluss, einen Source- Anschluss und einen Drain-Anschluss aufweist; des Bereitstellens einer Diode; des Bereitstellens eines thermoelektrischen Generators, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators eine temperaturabhängige Spannung bereitzustellen; des Verbindens eines Anschlusspunktes der Diode mit dem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors; des Verbindens eines weiteren Anschlusspunktes der Diode mit dem ersten Ausgang des Thermosensors; des Verbindens des ersten Anschlusspunktes des thermoelektrischen Generators mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors; und des Verbindens des zweiten
Anschlusspunktes des thermoelektrischen Generators mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors und dem zweiten Ausgang des Thermosensors.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Thermosensor aus einer Kombination eines thermoelektrischen Generators, wie beispielsweise einem
Thermocouple, sowie einem Feldeffekttransistor und einer Diode zu bilden. Dabei wird das Gate-Potential des Feldeffekttransistors von dem thermoelektrischen Generator bereitgestellt, wodurch der Feldeffekttransistor das temperaturabhängige Ausgangssignal des thermoelektrischen Generators verstärkt. Der Feldeffekttransistor wiederum wird mit einer p-n-Diode in Serie geschaltet, die einen elektrischen Stromfluss in eine Richtung ermöglicht, während sie einen Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung sperrt.
Die Verstärkung der Thermospannungen des thermoelektrischen Generators durch den Feldeffekttransistor ermöglicht ein deutlich höheres Ausgangssignal, im Vergleich zu dem Ausgangssignal, wie es durch einen reinen thermoelektrischen Generator, oder ein anderes temperaturabhängiges Bauteil ohne Verstärkung zu erzielen wäre.
Durch die Serienschaltung der Diode mit dem Feldeffekttransistor ist die Ansteuerung des Thermosensors in einer rein passiven Matrix möglich. Die einzelnen Thermosensoren in einer solchen Matrix können analog zu einem Sensorarray aus Thermodioden adressiert werden. Im Vergleich zu Arrays mit Thermodioden kann dabei durch den
erfindungsgemäßen Thermosensor ein Ausgangssignal mit deutlich verbessertem Signal- zu-Rausch-Verhältnis erzeugt werden.
Durch die Möglichkeit, die einzelnen Thermosensoren in einer Matrix individuell zu adressieren, kann durch die erfindungsgemäßen Thermosensoren darüber hinaus effizient, platzsparend und somit auch kostengünstig ein zweidimensionales Sensorarray gebildet werden. Im Gegensatz zu konventionellen Thermocouples müssen dabei nicht jeweils beide Anschlüsse jedes einzelnen Sensorelementes separat zu einer
Auswerteschaltung kontaktiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der thermoelektrische Generator ein Thermoelement mit mindestens zwei Leiterbahnen aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Ein thermoelektrischer Generator basierend auf dem Seebeck- Effekt stellt eine effiziente Möglichkeit dar, um das erforderliche Potential für die
Ansteuerung des Gate-Anschlusses des Feldeffekttransistors bereitzustellen.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform umfasst der thermoelektrische Generator eine Thermosäule mit einer Mehrzahl von Thermoelementen. Durch die Serienschaltung mehrerer Thermoelemente kann das Spannungssignal des thermoelektrischen
Generators weiter erhöht werden und somit der Feldeffekttransistor besonders gut angesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens der Feldeffekttransistor und der erste und zweite Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Die Kombination des Feldeffekttransistors mit den Anschlusspunkten des thermoelektrischen Generators auf einem gemeinsamen Substrat ermöglicht einen platzsparenden Aufbau des Thermosensors.
In einer weiteren Ausführungsform sind der Feldeffekttransistor, der erste und zweite Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators und die Diode auf einem
gemeinsamen Substrat angeordnet. Hierdurch ist eine besonders effiziente Herstellung des Thermosensors möglich.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Sensorarray mit einer Mehrzahl von
Thermosensoren, wobei die Mehrzahl von Thermosensoren in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, und jeder Thermosensor der Mehrzahl von Thermosensoren einzeln adressierbar ist. Somit kann ein Sensorarray für thermische Strahlung realisiert werden, das die Vorteile der einzelnen Thermosensoren nutzt, bei dem die
Thermosensoren der Matrix einzeln adressierbar sind und das auf geringem Raum ein Ausgangssignal mit hoher Dynamik und geringem Signal-zu-Rauschverhältnis bereitstellt.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung eine Kamera mit einem zuvor genannten Sensorarray. Eine solche Kamera kann beispielsweise für Thermographieanwendungen oder in einem Nachtsichtgerät eingesetzt werden. Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Thermosensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Thermosensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Sensorarrays gemäß
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Figur 4: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines
Thermosensors, wie es einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Ausführungsform eines Thermosensors 1. Der Thermosensor 1 umfasst einen thermoelektrischen Generator 10, einen
Feldeffekttransistor (FET) 20 und eine Diode 30. Ferner umfasst der Thermosensor 1 zwei Ausgänge A und B. Zwischen diesen beiden Ausgängen A und B stellt der
Thermosensor 1 ein temperaturabhängiges Ausgangssignal U_temp bereit. Hierzu wird der Thermosensor 1 von einer externen Quelle (nicht dargestellt) aktiv bestromt. Der dabei entstehende Spannungsabfall U_temp zwischen den Ausgängen A und B hängt von der Temperaturdifferenz ab, die über dem thermoelektrischen Generator 10 besteht. Bei dem thermoelektrischen Generator 10 handelt es sich zum Beispiel um ein
Bauelement, das in Abhängigkeit einer Temperatur zwischen zwei Anschlusspunkten eine Spannung ausgibt. Beispielsweise kann es sich bei dem thermoelektrischen Generator 10 um ein Thermoelement (Thermocouple) handeln. Solche Thermoelemente können zum Beispiel aus zwei Leiterbahnen aus zwei Materialien mit unterschiedlichem Seebeck- Koeffizient hergestellt werden. Als Materialkombinationen eignen sich hierfür zum Beispiel Aluminium und p-Silizium oder auch n-Silizium und p-Silizium. Weitere
Materialkombinationen sind darüber hinaus ebenso denkbar. Wird ein solches
Thermoelement mit mindestens zwei Leiterbahnen aus zwei Materialien mit
unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten von einer Wärmesenke zu einer Wärmequelle geführt, so entsteht zwischen den beiden Anschlusspunkten des Thermoelements eine Spannungsdifferenz. Diese Spannungsdifferenz kann dazu genutzt werden, um den FET 20 anzusteuern. Darüber hinaus sind ebenso alle anderen Arten von thermoelektrischen Generatoren möglich, die in Abhängigkeit von einer Temperatur oder einer
Temperaturdifferenz eine definierte Spannung ausgeben. Der FET 20 umfasst einen Source-Anschluss S, einen Drain-Anschluss D und einen Gate-Anschluss G. Der thermoelektrische Generator 10 ist dabei mit einem
Anschlusspukt mit dem Gate-Anschluss G des FET 20 verbunden. Von diesem
Anschlusspunkt aus führt der thermoelektrische Generator 10 über einen Anschluss am Ausgang B des Thermosensors 1 weiter zum Source-Anschluss S des FET 20. Der Drain- Anschluss D des FET 20 ist weiterhin mit einem Anschlusspunkt der Diode 30 verbunden. Der andere Anschlusspunkt der Diode 30 ist mit einem Anschlusspunkt an dem weiteren Ausgang A des Thermosensors 1 verbunden.
Der thermoelektrische Generator 10 erzeugt nun zwischen dem Source-Anschluss S und dem Gate-Anschluss G des FET 20 eine Spannungsdifferenz, die von der
Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke an dem
thermoelektrischen Generator 10 abhängt. In dem dargestellten Beispiel ist dies in etwa die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur am FET 20 und dem Anschluss B des Thermosensors. Zur Erhöhung der Spannungsdifferenz ist es darüber hinaus möglich, sogenannte Thermosäulen zu realisieren, bei denen mehrere Thermoelemente
(Thermocouples) in Reihe geschaltet werden. Hierbei muss jedes Thermoelement der Thermosäule zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet werden.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Thermosensor 1 , entsprechend dem Schaltbild gemäß Figur 1. Der FET 20 und die Diode 30 sind dabei auf einem gemeinsamen
Substrat 2 angeordnet. Es ist ferner auch möglich, dass FET 20 und Diode 30 auf unterschiedlichen Substraten angeordnet sind, oder zumindest eines der Bauelemente auch als diskretes Bauelement ausgeführt ist. Bei dem Substrat 2 kann es sich
beispielsweise um eine mikromechanisch isolierte Silizium-Insel handeln. Diese Silizium- Insel kann über dünne Halteelemente 13, 43 aufgehängt werden. Gleichzeitig kann über diese Halteelemente 13 und 43 auch die elektrische Kontaktierung des Substrats 2
erfolgen. Der thermoelektrische Generator 10 ist in den dargestellten Fall aus einer Serie von zwei Leiterbahnen 1 1 und 12 aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck- Koeffizienten realisiert. Die erste Leiterbahn 1 1 führt von dem Source-Anschluss S des FET 30 zu dem Anschlusspunkt an dem Ausgang B des Thermosensors 1. Die zweite Leiterbahn 12 verläuft parallel zu der ersten Leiterbahn 1 1 von dem Anschlusspunkt an dem Ausgang B des Thermosensors 1 zu dem Gate-Anschluss G des FET 3. Wie bereits zuvor erwähnt, können zur Erhöhung des Spannungssignals mehrere Thermoelemente (Thermocouples) in Reihe geschaltet werden. Bei einem Substrat 2 handelt es sich beispielsweise um eine Silizium-Insel aus epitaktisch aufgewachsenem Silizium. Die für den FET 20 und auch für die Diode 30 erforderlichen Dotierungen werden bevorzugt in diese Silizium-Insel hineindotiert. Alternativ kann anstelle der Silizium-Insel auch SOI (silicium on insulator = Silizium auf einer
Isolatorschicht) verwendet werden. In diesem Fall müssen die Dotierungen für den FET 20 und die Diode 30 in die Funktions-Silizium-Schicht des SOI eingebracht werden. Der eine Anschlusspunkt der Diode 30 ist über die Zuleitung 40 mit dem ersten Ausgang A des Thermosensors 1 verbunden. Der andere Anschlusspunkt der Diode 30 ist mit dem Drain-Anschluss D des FET 20 verbunden. Somit liegt bei aktiver Bestromung zwischen den beiden Ausgängen A und B des Thermosensors 1 ein Ausgangssignal L emp an, dessen Größe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Substrat 2 und der Temperatur am gegenüberliegenden Punkt des thermoelektrischen Generators 10, also in diesem Fall dem zweiten Ausgang B variiert.
Figur 3 zeigt ein Sensorarray zur Wandlung von Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal. Das Sensorarray umfasst mehrere Thermosensoren 1 , die einer Matrixstruktur aus mehreren Zeilen 61 , 62 und 63 sowie mehreren Spalten 51 , 52 und 53 angeordnet sind. Die Beschränkung auf jeweils drei Zeilen und Spalten dient nur der besseren Anschauung und stellt keine Beschränkung des Sensorarrays dar Sensorarrays mit mehr als drei Zeilen und/oder mehr als drei Spalten sind möglich. An jedem Kreuzungspunkt einer Zeile 61 , 62, 63 mit einer Spalte 51 , 52, 53 ist jeweils ein Thermosensor 1 angeordnet. Ein Ausgang des Thermosensors 1 ist dabei mit der jeweiligen Steuerleitung der
entsprechenden Spalte 51 , 52 oder 53 verbunden. Der andere Ausgang des
Thermosensors ist mit der jeweiligen Steuerleitung der entsprechenden Zeile 61 , 62 oder 63 verbunden. Somit kann durch Ansteuern der entsprechenden Spalte 51 , 52 oder 53 durch die Spaltensteuervorrichtung 50 jeweils eine entsprechende Spalte ausgewählt werden. Die Zeilensteuervorrichtung 60 wählt darüber hinaus die entsprechende Zeile 61 ,
62 oder 63 aus. Somit kann innerhalb der Matrix des Sensorarrays jeder einzelne Thermosensor 1 individuell adressiert werden. Da die Diode 30 in dem Thermosensor 1 einen Stromfluss nur in eine Richtung zulässt und in die andere Richtung sperrend wirkt, ist ein Stromfluss von einer Zeile zu einer anderen Zeile, oder von einer Spalte zu einer anderen Spalte durch die Thermosensoren 1 hindurch nicht möglich.
Durch das Auswählen einer Spalte 51 , 52 oder 53 und gleichzeitige Auswerten der Signale in allen Zeilen 61 , 62 und 63 durch die Zeilenauswertevorrichtung 60 kann eine simultane Auswertung aller Ausgangssignale der Thermosensoren 1 einer vollständigen Spalte erfolgen. Alternativ ist es ebenso denkbar, durch die Zeilensteuervorrichtung 60 eine Zeile anzusteuern und daraufhin alle Spalten 51 , 52 und 53 durch die
Spaltensteuervorrichtung 50 gleichzeitig auszuwerten. In beiden Fällen ist eine besonders rasche und effiziente Auswertung des vollständigen Sensorarrays möglich. Ein solches Sensorarray zur Wandlung von Wärmestrahlung in elektrische Signale kann in zahlreichen bildgebenden Systemen eingesetzt werden. Beispielsweise eignet sich ein solches Sensorarray als zweidimensionaler Sensor für Thermographie-Anwendungen in einer Wärmebildkamera oder ähnlichem. Solche Wärmebildkameras ermöglichen eine Beurteilung der Gebäudedämmung oder auch zur Überwachung von Prozessen, bei denen die Kontrolle von Temperaturen, insbesondere von Temperaturdifferenzen von Bedeutung sind.
Darüber hinaus können Sensorarrays auch in Kamerasystemen für Nachtsichtgeräte eingesetzt werden. Solche Nachtsichtgeräte ermöglichen die Erfassung der Umgebung auch bei teilweiser oder vollständiger Dunkelheit. Auf diese Weise kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug ein Kamerasystem realisiert werden, bei Dunkelheit aufgrund von Temperaturunterschieden in der Umgebung eine zusätzliche Auswertung des
Umgebungsbereiches ermöglicht und somit Informationen für ein oder mehrere
Fahrassistenzsysteme bereitstellt. Andere Anwendungsfälle für die ein- oder
mehrdimensionale Erfassung von Temperaturunterschieden sind darüber hinaus ebenso möglich.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zur Herstellung eines Thermosensors, der ein temperaturabhängiges Ausgangssignal zwischen einem ersten Ausgang A und einem zweiten Ausgang B bereitstellt. In einem ersten Schritt 1 10 wird ein Feldeffekttransistor 20 bereitgestellt. Der FET 20 weist einen Gate-Anschluss G, einen
Source-Anschluss S und einen Drain-Anschluss D auf. In einem weiteren Schritt wird eine Diode 30 bereitgestellt. Bei dieser Diode 30 handelt es sich zum Beispiel um eine p-n- Diode mit zwei Anschlüssen. Weiterhin wird in Schritt 130 ein thermoelektrischer
Generator 10 bereitgestellt, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt eine temperaturabhängige Spannung bereitzustellen.
Anschließend wird in Schritt 140 ein Anschlusspunkt der Diode 30 mit dem Drain- Anschluss D des Feldeffekttransistors 20 verbunden. In Schritt 150 wird ein weiterer Anschlusspunkt der Diode 30 mit dem Anschlusspunkt des ersten Ausgangs A des Thermosensors 1 verbunden. In Schritt 160 wird der erste Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators 10 mit dem Gate-Anschluss G des FET 10 verbunden. Schließlich wird in Schritt 170 der Anschlusspunkt des zweiten Ausgangs B des thermoelektrischen Generators 10 mit dem Source-Anschluss S des FET 20 und dem Anschlusspunkt des zweiten Ausgangs B des Thermosensors 1 verbunden.
Vorzugsweise erfolgt die Bereitstellung des FET 20 und/oder der Diode 30 auf einem Siliziumsubstrat. Hierzu werden zur Ausbildung des FET 20 und der Diode 30
entsprechende Dotierungen in das Siliziumsubstrat eingebracht. Die Bereitstellung des thermoelektrischen Generators 10 erfolgt dabei vorzugsweise durch Bereitstellen von mindestens zwei Leiterbahnen aus Materialien mit
unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Beispielsweise kann eine Leiterbahn aus Aluminium und eine weitere Leiterbahn aus einem p-Silizium bestehen. Andere
Materialkombinationen, wie beispielsweise n-Silizium und p-Silizium oder ähnliches, sind ebenso möglich.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Thermosensor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Thermosensors mit geringem Signal-zu- Rauschverhältnis bei relativ hoher Signalstärke. Hierzu wird ein thermoelektrischer Generator mit einem Feldeffekttransistor und einer Diode kombiniert. Der Thermosensor eignet sich dabei aufgrund seiner integrierten Diode und der damit verbundenen
Sperrwirkung für eine kostengünstige und effiziente Ausgestaltung von bildgebenden Sensorarrays zur Wandlung von Wärmestrahlung in elektrische Signale.
Claims
Thermosensor (1) zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen
Ausgangssignals (U_temp) zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang (A, B), mit: einem Feldeffekttransistor (20), der einen Gate-Anschluss (G), einen Source- Anschluss (S) und einen Drain-Anschluss (D) aufweist; einer Diode (30), die mit einem Anschlusspunkt mit dem Drain-Anschluss (D) des Feldeffekttransistors (20) verbunden ist und mit einem weiteren Anschlusspunkt mit dem ersten Ausgang (A) des Thermosensors (1) verbunden ist; und einem thermoelektrischen Generator (10), der dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt eine temperaturabhängige Spannung bereitzustellen, wobei der erste Anschlusspunkt mit dem Gate-Anschluss (G) des Feldeffekttransistors (20) verbunden ist und der zweite Anschlusspunkt mit dem Source-Anschluss (S) des Feldeffekttransistors (20) und dem zweiten Ausgang (B) des Thermosensors (1) verbunden ist.
Thermosensor (1) nach Anspruch 1 , wobei der thermoelektrische Generator (10) ein Thermoelement mit mindestens zwei Leiterbahnen (11 , 12) aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten umfasst.
Thermosensor (1) nach Anspruch 2, wobei der thermoelektrische Generator (10) eine Thermosäule mit einer Mehrzahl von Thermoelementen umfasst
Thermosensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens der Feldeffekttransistor (20) und der erste und zweite Anschlusspunkt des
thermoelektrischen Generators (10) auf einem gemeinsamen Substrat (2) angeordnet sind.
Thermosensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der
Feldeffekttransistor (20), der erste und zweite Anschlusspunkt des
thermoelektrischen Generators (10) und die Diode (30) auf einem gemeinsamen Substrat (2) angeordnet sind.
Sensorarray mit einer Mehrzahl von Thermosensoren (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mehrzahl von Thermosensoren (1) in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind und jeder Thermosensor (1) der Mehrzahl von Thermosensoren (1) einzeln adressierbar ist.
Kamera mit einem Sensorarray nach Anspruch 6.
Verfahren (100) zur Herstellung eines Thermosensors (1), der ein
temperaturabhängiges Ausgangssignal (U_temp) zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang (A, B) bereitstellt, mit den Schritten:
Bereitstellen (1 10) eines Feldeffekttransistors (20), der einen Gate-Anschluss (G), einen Source-Anschluss (S) und einen Drain-Anschluss (D) aufweist;
Bereitstellen (120) einer Diode (30);
Bereitstellen (130) eines thermoelektrischen Generators (10), das dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt eine
temperaturabhängige Spannung bereitzustellen;
Verbinden (140) eines Anschlusspunktes der Diode mit dem Drain-Anschluss (D) des Feldeffekttransistors (20);
Verbinden (150) eines weiteren Anschlusspunktes der Diode (30) mit dem ersten Ausgang (A) des Thermosensors (1);
Verbinden (160) des ersten Anschlusspunkts des thermoelektrischen Generators (10) mit dem Gate-Anschluss (G) des Feldeffekttransistors (10); und
Verbinden (170) des zweiten Anschlusspunkts des thermoelektrischen Generators (10) mit dem Source-Anschluss (S) des Feldeffekttransistors und dem zweiten Ausgang (B) des Thermosensors (1).
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