EP3039392A1 - Thermal sensor and method for producing a thermal sensor - Google Patents

Thermal sensor and method for producing a thermal sensor

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EP3039392A1
EP3039392A1 EP14755094.1A EP14755094A EP3039392A1 EP 3039392 A1 EP3039392 A1 EP 3039392A1 EP 14755094 A EP14755094 A EP 14755094A EP 3039392 A1 EP3039392 A1 EP 3039392A1
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EP
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thermal sensor
connection point
effect transistor
thermoelectric generator
field effect
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Withdrawn
Application number
EP14755094.1A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ingo Herrmann
Fabian Utermoehlen
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01J2005/123Thermoelectric array

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.
  • the substrate 2 may be
  • the provision of FET 20 and / or diode 30 is on a silicon substrate.

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Abstract

The present invention relates to a thermal sensor and a method for producing a thermal sensor of this type having a low signal-to-noise ratio at relatively high signal strengths. To this end, a thermoelectric generator is combined with a field effect transistor and a diode. Owing to its integrated diode and the barrier effect associated therewith, the thermal sensor is suitable for the economical and efficient design of imaging sensor arrays for converting thermal radiation into electrical signals.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Thermosensor und Verfahren zur Herstellung eines Thermosensors Thermal sensor and method for manufacturing a thermal sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thermosensor, sowie ein Verfahren zur The present invention relates to a thermal sensor, and a method for
Herstellung eines Thermosensors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Thermosensor zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen Ausgangssignals zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang. Production of a thermal sensor. In particular, the present invention relates to a thermal sensor for providing a temperature dependent output between a first and a second output.
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. As sensor elements for detecting heat rays, thermodiodes or thermocouples are known, for example. For imaging detector systems, a two-dimensional array is used, in which such detectors for thermal radiation are arranged in a matrix of a plurality of rows and columns.
Die Druckschrift US 5,554,849 A offenbart ein Array aus Thermodioden zur The document US 5,554,849 A discloses an array of thermodiodes for
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. two-dimensional detection of infrared radiation. Furthermore, US Pat. No. 4,558,342 A discloses a detector array which uses thermocouples as detector elements. To increase the detector voltage several Thermocouples are connected in succession to so-called thermopiles (thermopiles).
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. When using thermodiodes in the imaging arrays, it is possible to form a matrix in which individual pixels can be addressed by applying appropriate voltages to row or column lines. To evaluate the corresponding pixels and to detect the temperature across the diode, the diode must be actively energized. In numerous applications, several such thermodiodes per pixel are connected in series to increase the resolution.
Thermocouples dagegen haben den Vorteil, dass sie aus einem durch die Thermocouples, on the other hand, have the advantage that they are made from one through the
Wärmestrahlung entstehenden Temperaturunterschied direkt eine Spannung erzeugen. Im Gegensatz zu Thermodioden ist daher eine aktive Bestromung der einzelnen Heat radiation resulting temperature difference directly generate a voltage. In contrast to thermo-diodes is therefore an active energization of the individual
Sensorelemente nicht erforderlich. Für die Auswertung der einzelnen Pixel eines Sensor elements not required. For the evaluation of each pixel of a
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 However, for each pixel, sensor arrays must connect both terminals of the thermocouple to an evaluation circuit. There is therefore a need for a thermocouple that allows a cost-effective design of large sensor arrays. Further, there is a need for one
Thermoelement mit einem verbesserten Signal-zu-Rauschverhältnis. Außerdem besteht ein Bedarf nach einem Thermoelement, das sich kostengünstig herstellen lässt. Thermocouple with an improved signal-to-noise ratio. There is also a need for a thermocouple that is inexpensive to manufacture.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
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 According to a first aspect, the present invention provides a thermal sensor for providing a temperature dependent output signal between a first and a second output, comprising a field effect transistor having a gate terminal, a source terminal and a drain terminal; a diode connected at one connection point to the drain terminal of the field-effect transistor and connected at another connection point to the first output of the thermal sensor; and a thermoelectric generator configured to provide a temperature dependent voltage between a first and a second connection point, wherein the first connection point of the thermoelectric generator is connected to the gate terminal of the field effect transistor and the second
Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors und dem zweiten Ausgang des Thermosensors verbunden ist. Connection point of the thermoelectric generator is connected to the source terminal of the field effect transistor and the second output of the thermal sensor.
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 In another aspect, the present invention provides a method of fabricating a thermal sensor that provides a temperature dependent output between a first and a second output, comprising the steps of providing a field effect transistor having a gate terminal, a source terminal, and a drain. Connection has; the provision of a diode; providing a thermoelectric generator configured to provide a temperature dependent voltage between a first and a second terminal of the thermoelectric generator; connecting a terminal of the diode to the drain of the field effect transistor; connecting a further connection point of the diode to the first output of the thermal sensor; connecting the first connection point of the thermoelectric generator to the gate terminal of the field effect transistor; and connecting the second one
Anschlusspunktes des thermoelektrischen Generators mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors und dem zweiten Ausgang des Thermosensors. Vorteile der Erfindung Connection point of the thermoelectric generator with the source terminal of the field effect transistor and the second output of the thermal sensor. Advantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Thermosensor aus einer Kombination eines thermoelektrischen Generators, wie beispielsweise einem The present invention is based on the idea of a thermal sensor from a combination of a thermoelectric generator, such as a
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. Thermocouple, as well as a field effect transistor and a diode to form. In this case, 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.
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. The amplification of the thermoelectric generator thermoelectric generator by the field effect transistor allows a significantly higher output signal, compared to the output signal, as would be achieved by a pure thermoelectric generator, or another temperature-dependent component without amplification.
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 By the series connection of the diode with the field effect transistor, the control of the thermal sensor is possible in a purely passive matrix. The individual thermal sensors in such a matrix can be addressed analogously to a sensor array of thermodiodes. Compared to arrays with thermodiodes can by the
erfindungsgemäßen Thermosensor ein Ausgangssignal mit deutlich verbessertem Signal- zu-Rausch-Verhältnis erzeugt werden. Thermal sensor according to the invention an output signal with significantly improved signal-to-noise ratio can be generated.
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 Due to the possibility of individually addressing the individual thermal sensors in a matrix, the thermosensors according to the invention can furthermore be used to form a two-dimensional sensor array in an efficient, space-saving and hence cost-effective manner. In contrast to conventional thermocouples, it is not necessary for each of the two terminals of each individual sensor element to be separate from one another
Auswerteschaltung kontaktiert werden. Evaluation circuit to be contacted.
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 According to a further embodiment, the thermoelectric generator comprises a thermocouple with at least two tracks of materials with different Seebeck coefficients. A thermoelectric generator based on the Seebeck effect provides an efficient way to achieve the required potential for the
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 To provide control of the gate terminal of the field effect transistor. According to a specific embodiment, the thermoelectric generator comprises a thermopile with a plurality of thermocouples. By series connection of several thermocouples, the voltage signal of the thermoelectric
Generators weiter erhöht werden und somit der Feldeffekttransistor besonders gut angesteuert werden. Generators are further increased and thus the field effect transistor are particularly well controlled.
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 a further embodiment, at least the field effect transistor and the first and second connection point of the thermoelectric generator are arranged on a common substrate. The combination of the field effect transistor with the connection points of the thermoelectric generator on a common substrate allows a space-saving design of the thermal sensor.
In einer weiteren Ausführungsform sind der Feldeffekttransistor, der erste und zweite Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators und die Diode auf einem In a further embodiment, the field effect transistor, the first and second connection point of the thermoelectric generator and the diode are on one
gemeinsamen Substrat angeordnet. Hierdurch ist eine besonders effiziente Herstellung des Thermosensors möglich. common substrate arranged. As a result, a particularly efficient production of the thermal sensor is possible.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Sensorarray mit einer Mehrzahl von The present invention further includes a sensor array having a plurality of
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 Thermal sensors, wherein the plurality of thermal sensors are arranged in a matrix of rows and columns, and each thermal sensor of the plurality of thermal sensors is individually addressable. Thus, a sensor array for thermal radiation can be realized, which takes advantage of the individual thermal sensors, in which the
Thermosensoren der Matrix einzeln adressierbar sind und das auf geringem Raum ein Ausgangssignal mit hoher Dynamik und geringem Signal-zu-Rauschverhältnis bereitstellt. Thermosensors of the matrix are individually addressable and provides in a small space an output signal with high dynamics and low signal-to-noise ratio.
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 Furthermore, the present invention comprises a camera with a previously mentioned sensor array. Such a camera can be used for example for thermography applications or in a night vision device. Further embodiments and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Brief description of the drawings
Es zeigen Show it
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Thermosensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of a circuit diagram of a thermal sensor according to an embodiment of the present invention;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Thermosensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; FIG. 2 shows a schematic illustration of a top view of a thermal sensor according to a further embodiment of the present invention;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Sensorarrays gemäß FIG. 3 shows a schematic representation of a sensor array according to FIG
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Figur 4: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines  Embodiment of the present invention; and FIG. 4 shows a schematic representation of a method for producing a
Thermosensors, wie es einer weiteren Ausführungsform der  Thermosensors, as is another embodiment of the
vorliegenden Erfindung zugrunde liegt.  present invention is based.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Ausführungsform eines Thermosensors 1. Der Thermosensor 1 umfasst einen thermoelektrischen Generator 10, einen 1 shows a circuit diagram of a possible embodiment of a thermal sensor 1. The thermal sensor 1 comprises a thermoelectric generator 10, a
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 Field effect transistor (FET) 20 and a diode 30. Further, the thermal sensor 1 comprises two outputs A and B. Between these two outputs A and B, the
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 Thermal sensor 1, a temperature-dependent output signal U_temp ready. For this purpose, the thermal sensor 1 is actively energized by an external source (not shown). The resulting voltage drop U_temp between the outputs A and B depends on the temperature difference that exists over the thermoelectric generator 10. The thermoelectric generator 10 is, for example, a
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 Component that outputs a voltage as a function of a temperature between two connection points. For example, the thermoelectric generator 10 may be a thermocouple (thermocouple). Such thermocouples can be made, for example, from two tracks of two materials with different Seebeck- coefficient. Suitable material combinations for this purpose, for example, aluminum and p-type silicon or n-type silicon and p-type silicon. Further Material combinations are also conceivable. Will be one
Thermoelement mit mindestens zwei Leiterbahnen aus zwei Materialien mit Thermocouple with at least two tracks of two materials with
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 different Seebeck coefficients led from a heat sink to a heat source, the result is a voltage difference between the two connection points of the thermocouple. This voltage difference can be used to drive the FET 20. In addition, all other types of thermoelectric generators are also possible, depending on a temperature or a
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 Temperature difference output a defined voltage. The FET 20 comprises a source terminal S, a drain terminal D and a gate terminal G. The thermoelectric generator 10 is provided with a
Anschlusspukt mit dem Gate-Anschluss G des FET 20 verbunden. Von diesem Terminal connected to the gate terminal G of the FET 20. Of this
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. Connection point leads from the thermoelectric generator 10 via a connection at the output B of the thermal sensor 1 on to the source terminal S of the FET 20. The drain terminal D of the FET 20 is further connected to a connection point of the diode 30. The other connection point of the diode 30 is connected to a connection point at the further output A of the thermal sensor 1.
Der thermoelektrische Generator 10 erzeugt nun zwischen dem Source-Anschluss S und dem Gate-Anschluss G des FET 20 eine Spannungsdifferenz, die von der The thermoelectric generator 10 now generates between the source terminal S and the gate terminal G of the FET 20, a voltage difference, which of the
Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke an dem Temperature difference between heat source and heat sink on the
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 thermoelectric generator 10 depends. In the example shown, this is approximately the temperature difference between the temperature at the FET 20 and the terminal B of the thermal sensor. To increase the voltage difference, it is also possible to realize so-called thermopile, in which several thermocouples
(Thermocouples) in Reihe geschaltet werden. Hierbei muss jedes Thermoelement der Thermosäule zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet werden.  (Thermocouples) are connected in series. In this case, each thermocouple of the thermopile between the heat source and the heat sink must be arranged.
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 Figure 2 shows a plan view of a thermal sensor 1, according to the circuit diagram of Figure 1. The FET 20 and the diode 30 are on a common
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 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. The substrate 2 may be
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 For example, act to a micromechanically isolated silicon island. This silicon island can be suspended via thin holding elements 13, 43. At the same time, via these holding elements 13 and 43, the electrical contacting of the substrate. 2 respectively. The thermoelectric generator 10 is realized in the illustrated case of a series of two conductor tracks 1 1 and 12 of materials with different Seebeck- coefficients. The first conductor 1 1 leads from the source terminal S of the FET 30 to the connection point at the output B of the thermal sensor 1. The second conductor 12 runs parallel to the first conductor 1 1 from the connection point at the output B of the thermal sensor 1 to the Gate terminal G of the FET 3. As already mentioned above, several thermocouples (thermocouples) can be connected in series to increase the voltage signal. A substrate 2 is, for example, a silicon island of epitaxially grown silicon. The dopants required for the FET 20 and also for the diode 30 are preferably doped into this silicon island. Alternatively, instead of the silicon island and SOI (silicon on insulator = silicon on a
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. Insulator layer) can be used. In this case, the dopants for the FET 20 and the diode 30 must be introduced into the functional silicon layer of the SOI. The one connection point of the diode 30 is connected via the feed line 40 to the first output A of the thermal sensor 1. The other terminal of the diode 30 is connected to the drain terminal D of the FET 20. Thus, with active energization between the two outputs A and B of the thermal sensor 1, an output signal L emp, whose size as a function of the temperature difference between the substrate 2 and the temperature at the opposite point of the thermoelectric generator 10, that in this case the second output B varies.
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 FIG. 3 shows a sensor array for converting heat radiation into an electrical signal. The sensor array comprises a plurality of thermal sensors 1, which are arranged in a matrix structure of a plurality of rows 61, 62 and 63 and a plurality of columns 51, 52 and 53. The restriction to three rows and columns is only for better visualization and does not limit the sensor array. Sensor arrays with more than three rows and / or more than three columns are possible. At each crossing point of a line 61, 62, 63 with a column 51, 52, 53 a thermosensor 1 is arranged in each case. An output of the thermal sensor 1 is with the respective control line of
entsprechenden Spalte 51 , 52 oder 53 verbunden. Der andere Ausgang des corresponding column 51, 52 or 53 connected. The other output of the
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. Thermal sensor is connected to the respective control line of the corresponding line 61, 62 or 63. Thus, by driving the corresponding column 51, 52, or 53 through the column controller 50, a respective column may be selected. The row controller 60 also selects the corresponding row 61, 62 or 63 off. Thus, within the matrix of the sensor array, each individual thermal sensor 1 can be individually addressed. Since the diode 30 in the thermal sensor 1 allows current to flow only in one direction and blocking in the other direction, a flow of current from one row to another row, or from one column to another column through the thermal sensors 1 is not possible.
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 By selecting a column 51, 52 or 53 and simultaneously evaluating the signals in all lines 61, 62 and 63 by the line evaluating device 60, a simultaneous evaluation of all the output signals of the thermal sensors 1 of a complete column can take place. Alternatively, it is also conceivable to control one row by the row control device 60 and then all columns 51, 52 and 53 by the
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. Column control device 50 to evaluate simultaneously. In both cases, a particularly rapid and efficient evaluation of the complete sensor array is possible. Such a sensor array for converting thermal radiation into electrical signals can be used in numerous imaging systems. For example, such a sensor array is suitable as a two-dimensional sensor for thermographic applications in a thermal imaging camera or the like. Such thermal imaging cameras allow an assessment of building insulation or for monitoring processes in which the control of temperatures, in particular of temperature differences are important.
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 In addition, sensor arrays can also be used in camera systems for night vision devices. Such night vision devices allow the detection of the environment even in partial or complete darkness. In this way, for example, in a motor vehicle, a camera system can be realized in the dark due to temperature differences in the environment an additional evaluation of
Umgebungsbereiches ermöglicht und somit Informationen für ein oder mehrere Surrounding area allows and thus information for one or more
Fahrassistenzsysteme bereitstellt. Andere Anwendungsfälle für die ein- oder Driver assistance systems provides. Other use cases for the on or
mehrdimensionale Erfassung von Temperaturunterschieden sind darüber hinaus ebenso möglich. Multidimensional detection of temperature differences is also possible.
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 FIG. 4 shows a schematic representation of a method 100 for producing a thermal sensor, which provides a temperature-dependent output signal between a first output A and a second output B. In a first step 110, a field-effect transistor 20 is provided. The FET 20 has a gate terminal G, a Source terminal S and a drain terminal D on. In a further step, a diode 30 is provided. This diode 30 is, for example, a pn diode with two terminals. Furthermore, in step 130, a thermoelectric
Generator 10 bereitgestellt, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt eine temperaturabhängige Spannung bereitzustellen. Generator 10 is provided, which is adapted to provide a temperature-dependent voltage between a first and a second connection point.
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. Subsequently, in step 140, a connection point of the diode 30 is connected to the drain terminal D of the field effect transistor 20. In step 150, another connection point of the diode 30 is connected to the connection point of the first output A of the thermal sensor 1. In step 160, the first terminal of the thermoelectric generator 10 is connected to the gate terminal G of the FET 10. Finally, in step 170, the connection point of the second output B of the thermoelectric generator 10 is connected to the source terminal S of the FET 20 and the connection point of the second output B of the thermal sensor 1.
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 Preferably, the provision of FET 20 and / or diode 30 is on a silicon substrate. For this purpose, to form the FET 20 and the diode 30th
entsprechende Dotierungen in das Siliziumsubstrat eingebracht. Die Bereitstellung des thermoelektrischen Generators 10 erfolgt dabei vorzugsweise durch Bereitstellen von mindestens zwei Leiterbahnen aus Materialien mit corresponding dopants introduced into the silicon substrate. The provision of the thermoelectric generator 10 is preferably carried out by providing at least two interconnects of materials
unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Beispielsweise kann eine Leiterbahn aus Aluminium und eine weitere Leiterbahn aus einem p-Silizium bestehen. Andere different Seebeck coefficients. For example, an interconnect may be made of aluminum and another interconnect of a p-type silicon. Other
Materialkombinationen, wie beispielsweise n-Silizium und p-Silizium oder ähnliches, sind ebenso möglich. Material combinations such as n-type silicon and p-type silicon or the like are also possible.
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 In summary, the present invention relates to a thermal sensor and a method for producing such a thermal sensor with low signal-to-noise ratio at relatively high signal strength. For this purpose, a thermoelectric generator is combined with a field effect transistor and a diode. The thermosensor is suitable due to its integrated diode and the associated
Sperrwirkung für eine kostengünstige und effiziente Ausgestaltung von bildgebenden Sensorarrays zur Wandlung von Wärmestrahlung in elektrische Signale. Barrier effect for a cost-effective and efficient design of imaging sensor arrays for the conversion of heat radiation into electrical signals.

Claims

Thermosensor (1) zum Bereitstellen eines temperaturabhängigen  Thermal sensor (1) for providing a temperature-dependent
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. Output signal (U_temp) between a first and a second output (A, B), comprising: a field effect transistor (20) having a gate terminal (G), a source terminal (S) and a drain terminal (D) ; a diode (30) connected at one connection point to the drain terminal (D) of the field-effect transistor (20) and connected at a further connection point to the first output (A) of the thermal sensor (1); and a thermoelectric generator (10) adapted to provide a temperature dependent voltage between a first and a second connection point, the first connection point being connected to the gate terminal (G) of the field effect transistor (20) and the second connection point being connected to the Source terminal (S) of the field effect transistor (20) and the second output (B) of the thermal sensor (1) is connected.
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. Thermal sensor (1) according to claim 1, wherein the thermoelectric generator (10) comprises a thermocouple with at least two conductor tracks (11, 12) made of materials having different Seebeck coefficients.
Thermosensor (1) nach Anspruch 2, wobei der thermoelektrische Generator (10) eine Thermosäule mit einer Mehrzahl von Thermoelementen umfasst A thermal sensor (1) according to claim 2, wherein the thermoelectric generator (10) comprises a thermopile having a plurality of thermocouples
Thermosensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens der Feldeffekttransistor (20) und der erste und zweite Anschlusspunkt des Thermosensor (1) according to one of claims 1 to 3, wherein at least the field effect transistor (20) and the first and second connection point of
thermoelektrischen Generators (10) auf einem gemeinsamen Substrat (2) angeordnet sind. thermoelectric generator (10) on a common substrate (2) are arranged.
Thermosensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Thermal sensor (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the
Feldeffekttransistor (20), der erste und zweite Anschlusspunkt des thermoelektrischen Generators (10) und die Diode (30) auf einem gemeinsamen Substrat (2) angeordnet sind. Field effect transistor (20), the first and second connection point of thermoelectric generator (10) and the diode (30) on a common substrate (2) are arranged.
Sensorarray mit einer Mehrzahl von Thermosensoren (1) nach einem der Sensor array with a plurality of thermal sensors (1) according to one of
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. Claims 1 to 5, wherein the plurality of thermal sensors (1) are arranged in a matrix of rows and columns and each thermal sensor (1) of the plurality of thermal sensors (1) is individually addressable.
Kamera mit einem Sensorarray nach Anspruch 6. Camera with a sensor array according to claim 6.
Verfahren (100) zur Herstellung eines Thermosensors (1), der ein Method (100) for producing a thermal sensor (1), comprising
temperaturabhängiges Ausgangssignal (U_temp) zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgang (A, B) bereitstellt, mit den Schritten: Temperature-dependent output signal (U_temp) between a first and a second output (A, B) provides, with the steps:
Bereitstellen (1 10) eines Feldeffekttransistors (20), der einen Gate-Anschluss (G), einen Source-Anschluss (S) und einen Drain-Anschluss (D) aufweist; Providing (1 10) a field effect transistor (20) having a gate terminal (G), a source terminal (S) and a drain terminal (D);
Bereitstellen (120) einer Diode (30); Providing (120) a diode (30);
Bereitstellen (130) eines thermoelektrischen Generators (10), das dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt eine Providing (130) a thermoelectric generator (10) which is adapted to connect between a first and a second connection point
temperaturabhängige Spannung bereitzustellen; to provide temperature-dependent voltage;
Verbinden (140) eines Anschlusspunktes der Diode mit dem Drain-Anschluss (D) des Feldeffekttransistors (20); Connecting (140) a connection point of the diode to the drain terminal (D) of the field effect transistor (20);
Verbinden (150) eines weiteren Anschlusspunktes der Diode (30) mit dem ersten Ausgang (A) des Thermosensors (1); Connecting (150) a further connection point of the diode (30) to the first output (A) of the thermal sensor (1);
Verbinden (160) des ersten Anschlusspunkts des thermoelektrischen Generators (10) mit dem Gate-Anschluss (G) des Feldeffekttransistors (10); und Connecting (160) the first terminal of the thermoelectric generator (10) to the gate terminal (G) of the field effect transistor (10); and
Verbinden (170) des zweiten Anschlusspunkts des thermoelektrischen Generators (10) mit dem Source-Anschluss (S) des Feldeffekttransistors und dem zweiten Ausgang (B) des Thermosensors (1). Connecting (170) the second connection point of the thermoelectric generator (10) to the source terminal (S) of the field effect transistor and the second output (B) of the thermal sensor (1).
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