EP3472583A1 - Thermopile infrarot einzelsensor für temperaturmessungen oder zur gasdetektion - Google Patents

Thermopile infrarot einzelsensor für temperaturmessungen oder zur gasdetektion

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EP3472583A1
EP3472583A1 EP17729482.4A EP17729482A EP3472583A1 EP 3472583 A1 EP3472583 A1 EP 3472583A1 EP 17729482 A EP17729482 A EP 17729482A EP 3472583 A1 EP3472583 A1 EP 3472583A1
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EP
European Patent Office
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sensor
thermopile
individual
infrared
thermopile infrared
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17729482.4A
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Marion Simon
Mischa Schulze
Wilhelm Leneke
Karlheinz Storck
Frank Herrmann
Christian Schmidt
Jörg SCHIEFERDECKER
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HEIMANN Sensor GmbH
Original Assignee
HEIMANN Sensor GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01J2005/123—Thermoelectric array

Definitions

  • Thermopile infrared single sensor for temperature measurements or for gas detection
  • thermopile single sensor for temperature measurements or gas detection in monolithic Si micromechanical technology in a filled with a gas medium housing with optics and one or more
  • Infrared-sensitive areas are spanned by in each case at least one beam over a cavity in a good heat-conducting support body.
  • DE 101 44 342 A1 shows a thermopile sensor chip which, with vertical or nearly vertical walls, has the largest possible membrane as an IR-receiving surface in order to maximize the signal to be received on the membrane with an IR-sensitive surface.
  • the membrane is clamped over a recess in a silicon support body, which is also designed as a heat sink.
  • thermopile elements whose hot ends are positioned on the membrane and the cold ends are located on a Si support body.
  • thermocouples such as Thermopile- elements
  • sensor chip in a housing with thermocouples
  • thermocouples In order to obtain as signal voltage as possible in thermopile sensor elements, their thermocouples must be made as long as possible, because less heat conduction and thus a higher temperature difference between the hot and cold end of the thermocouples is achieved.
  • the sensitive sensor surface alone has to be quite large, e.g. l x l mm, or larger.
  • the sensor chips themselves are then significantly larger, which is disadvantageous for the user.
  • the disadvantage is that the signal voltage achieved per area is not sufficient for many applications, the large area also has a high time constant (thermal inertia) and thus requires too slow a reaction time. As a result, homogeneous, unstructured membranes with many thermocouples can not achieve the required signal voltage with a short reaction time.
  • WO 91 02229 A1 proposes a single thermopile sensor in which a single free-floating membrane is arranged above a cutout in the chip body, which is arranged over as long a beam as possible with a heat sink, i. the edge of the chip body, is connected.
  • thermopile infrared sensor in monolithic Si micromechanics
  • the sensor chip membrane is provided with slots and a IR radiation receiving inner surface is suspended with the absorber area on thin webs, on the few thermocouples from the Si edge ("Cold” contacts) to the absorber area ("warm” contacts).
  • the sensor element is in a
  • thermocouples Surrounds recess. Above the recess is a membrane. However, a variety of rather short thermocouples are provided, which do not allow high sensitivity.
  • the recesses are formed by micromechanical
  • the disadvantage here is the short distance between the sensor structure on the membrane and the
  • thermopile
  • the absorber area on the membrane is over a long beam and a few thermocouples held in the membrane holes or slots.
  • the beam with the thermocouples and a width of 130 ym is isolated by however also wide slots from the substrate edge and the absorber area. That under the
  • the wide slots prevent optimal use of area (degree of filling) of the sensor cell.
  • the total sensor cell should be about 2x2 mm in size.
  • the oblique outgoing substrate walls do not allow small sensor cells or cell gaps.
  • Receive area leads to slow response speed and a high time constant, so that many measurement tasks that require fast measurements are not possible.
  • Chip technology without sufficient thermal isolation of the absorber to achieve low signals per area, or have sufficiently large sensitive area of the individual absorber area too high time constants and therefore react too slow and slow in a measurement task.
  • the object of the invention is a thermopile infrared sensor in monolithic Si micromechanics
  • thermopile infrared single sensor of the type mentioned in that in each case a plurality of individual adjacent sensor cells each having an infrared sensitive area with Thermopile Jardin on the membrane on a common support body of a single chip to a single thermopile sensor structure with a signal output in the housing, consisting of a closed cap with a base plate, with common gas medium
  • Series connection, parallel connection or combined in a combination of series and parallel connection to an output signal and led out via a connection is
  • the cavity under each membrane with the infrared sensitive areas perpendicular or nearly
  • the cavity beneath each membrane having the infrared sensitive regions may have slanted walls etched from the front through the slits in the membrane.
  • the common gas medium is preferably a gas of significantly higher molar mass than air, such as xenon, krypton, argon under normal atmospheric pressure.
  • the gas medium is a gas or gas mixture having a pressure which is significantly lower than normal
  • Sensor chips are routed via an individual preprocessing channel with an individual preamplifier, impedance transformer or analog to digital converter, with some or
  • Signal processing units such as temperature or light
  • Carrier or housed on an adjacent semiconductor chip within the sensor housing in the common gas medium.
  • Thermopile Conceptuents: consist of in one CMOS process applied n- and p-type polysilicon, amorphous silicon, germanium or a mixed form
  • thermoelectric thin metal layers of bismuth or antimony to ensure cost-effective production.
  • Single sensors are advantageously suitable for use in NDIR gas detection.
  • Fig. 1 the basic structure of a thermopile according to the invention
  • Fig. 2 a plan view of an inventive
  • thermopile sensor chip with 4-fold structured sensor cell; a plan view of an inventive
  • thermopile sensor Single chip with 9-fold structured sensor cell, each in series connection; an embodiment of the thermopile sensor according to the invention with summation of the signals of the individual structures via preamplifier or
  • Sensor structure with a multi-channel sensor, e.g. for gas detection
  • Fig. 6 an enlarged view of the detail A from
  • thermopile infrared individual sensor The basic structure of a thermopile infrared individual sensor according to the invention on a single chip is shown in FIG. 1a, b.
  • the thermopile individual sensor is constructed on a common frame-shaped semiconductor support body 1, for example made of silicon, and is located in one
  • Sensor housing consisting of a bottom plate 2, and a base plate 3 with electrical terminals 4, which are connected via a respective wire bridge 5 with connection pads 6 on the frame-shaped semiconductor support body 1 (Fig. 2, 3), and a cap 7 with an aperture opening 8 and an optic 9, wherein the sensor housing 10 encloses a gas medium tight.
  • the support body 1 is provided with a cavity 11 formed by a membrane 12 having a sensitive area
  • the gas medium 10 is a gas or gas mixture containing a
  • the gas medium 10 is a gas with a high molar mass, such as xenon, krypton or
  • Argon or a gas with a compared to normal air pressure significantly reduced internal pressure.
  • the sensor housing must be closed so that no gas exchange with the environment can occur.
  • the sensor chip consisting of the support body 1 of a
  • Single chips contains a plurality of individual cells 18 with a slotted membrane 12 and a beam structure 13, on the thermocouples 13 as Thermopile Modellen, are housed, the "hot” contact 14 is located on the membrane 12 and the “cold” contact 15 on the support body. 1 Furthermore, there is a thin on the membrane 12
  • Absorber layer 15 (preferably thinner than 1 ym) to make the thermal mass of the sensitive area low and the response speed high. Between the membrane 12 and the beams 13, and between these and the support body 1 are slots 17 for thermal separation (Fig. 2, 3, 6).
  • thermocouples of the thermopile structure are made of known thermoelectric materials of different thermoelectric polarity. This may include both semiconductor materials deposited in a CMOS process, such as e.g. n-type and p-type poly-silicon
  • thermoelectric thin metal layers such as bismuth, antimony or the like
  • the membranes 12 with the beams 13 and the sensitive area are clamped on the support body 1 via the cavities 11.
  • These cavities 11 may be introduced, for example, by dry etching (Deep RIE) from the wafer backside, and then preferably have vertical walls ( Figure 1 a), or may be obtained by etching sacrificial layers or the semiconductor substrate itself from the front through slots 17 (Fig. 2, 3) in the semiconductor substrate for forming the support body 1 through the membrane 12th
  • thermopile single sensor closely adjacent several smaller cells 18 (eg 2, 4, 9 or 16 cells) with slotted diaphragms 12, the interconnection by a just as large receiving surface, as known Single element thermopile chips form, wherein the gas medium 10 enables high individual signals per cell 18.
  • thermopile chip Due to the relatively small dimensions of the individual cells 18 and their sensitive areas on the respective membranes 12, significantly lower time constants and higher response rates result than with a non-segmented thermopile chip of conventional size.
  • thermopile chips in turn leads to a significantly higher signal voltage for the same size of the thermopile chip.
  • each cell 18 acts like a single thermopile known per se, only the geometric surface of the individual cells 18 typically much smaller than the usual
  • Thermopile single sensor Thermopile single sensor.
  • thermopile single sensor has + and - terminals (bond pads 5). All formed as a thermopile cells 18 are combined with each other
  • thermopile single sensor interconnected.
  • all cells 18 of a thermopile individual sensor are preferably connected in series, in each case the + and - terminals being connected together like individual batteries in a battery block.
  • parallel connection or a combination of series and parallel connection.
  • FIG. 2 shows a 4-fold cell structuring and FIG. 3 shows a 9-fold cell structuring.
  • a further embodiment of the invention consists in the use of preamplifiers or impedance converters 19 or electronic summers 20 or multiplexers /
  • Preamplifiers and low pass 19 and a summer 20 or a multiplexer can both on the same
  • Substrate such as the Thermopile single sensor, or on a separate chip but in the case, or outside the
  • Housing be housed.
  • the summation can also be done in a micro-processor which processes the pre-amplified, filtered and multiplexed signals of the individual cells 18.
  • the summation element 20 preferably consists of a signal multiplexer for all cells 18 and
  • Downstream AD / converter with microprocessor which adds the signals of all cells 18 low noise.
  • the structure of at least part of the signal processing is housed in the housing, because then electrical or
  • thermocouples of a cell 18 connected in series, so the signal increases, but also the
  • Impedance thermocouple, resistor
  • NDIR NDIR gas detection
  • thermopile infrared sensors it is advantageous to integrate two or more sensor channels from a respective thermopile individual sensor in a housing, that is, two or four thermopile infrared individual sensors according to the invention are arranged side by side in a housing. This allows several gases to be measured simultaneously.
  • one of the sensor channels with a Reference filter, which significantly improves the long-term stability and drift resistance.
  • the one or more other channels then measure one or more specific gases.
  • a multi-channel Thermopilesensor Fig. 5 shows a dual Thermopilesensor, the NDIR
  • Gas detection is particularly suitable.
  • thermopile individual sensor per channel
  • thermopile individual sensors 21, 22 are arranged side by side under a common cap 26 on a common one
  • Bottom plate 27 is arranged, with a separate optical filter 23, 24 is provided for each channel.
  • an optical partition 25 is recommended between adjacent
  • the partition wall 25 must absorb the infrared radiation and must neither let through nor reflect it.
  • each cell 18 a common ground pin (minus terminal) are assigned to the bottom plate 27 and the plus terminals are each an individual
  • connection led out can be Alternatively, several channels can be routed via a preamplifier and low pass to a multiplexer and read out successively via an output line.
  • the combined Thermopile single cells can all be located on the same chip, which the
  • Single chips as shown in Figure 5, be housed. Depending on the size, 2 to 4, but also 10 or more individual channels may be located in one housing.
  • the partitions 18 can be mounted on both the bottom plate 27, or in the cap 26. In addition to the signal processing channels and the electronic summing can more electronic
  • Signal processing units e.g., with temperature or voltage references or an arithmetic circuit for
  • Calculation of object temperatures or gas concentrations can be accommodated on the same semiconductor support body 1 within the sensor housing.
  • Thermopile infrared single sensor for temperature measurements or for gas detection

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thermopile Infrarot Einzelsensor in einem mit einem Gasmedium gefüllten Gehäuse mit Optik sowie einem oder mehreren Sensor-Chips mit individuellen Sensorzellen mit Infrarot- Sensorstrukturen mit retikulierten Membranen, deren infrarotsensitive Bereiche durch jeweils mindestens einen Beam über einer Aushöhlung in einem gut Wärme leitenden Tragekörper aufgespannt sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Thermopile-Infrarot Sensor in monolithischer Si-Mikromechanik Technologie für berührungslose Temperaturmessungen, der bei ausreichend großer Empfängerfläche ein hohes Signal mit hoher Ansprechgeschwindigkeit abgibt und der unter einem Gasmedium mit Normaldruck oder mit reduziertem Druck betrieben werden kann und der ohne aufwändige Technologien zum Gehäuseverschluss in Massenstückzahlen herstellbar ist. Erreicht wird das dadurch, dass jeweils mehrere individuelle benachbarte Sensorzellen (18) mit je einem Infrarot sensitiven Bereich mit Thermopilestrukturen (14, 15) auf der Membran (12) auf einem gemeinsamen Tragekörper (1) eines Einzelchips zu einer einzelnen Thermopile-Sensorstruktur mit einem Signalausgang in dem Gehäuse, bestehend aus einer mit einer Grundplatte (3) verschlossenen Kappe (12) mit gemeinsamen Gasmedium (10) zusammengefasst sind.

Description

Thermopile Infrarot Einzelsensor für Temperaturmessungen oder zur Gasdetektion
Die Erfindung betrifft einen Thermopile Einzelsensor für Temperaturmessungen oder zur Gasdetektion in monolithischer Si-Mikromechanik Technologie in einem mit einem Gasmedium gefüllten Gehäuse mit Optik sowie einem oder mehreren
Sensor-Chips mit individuellen Sensorzellen mit Infrarot- Sensorstrukturen mit retikulierten Membranen, deren
infrarotsensitive Bereiche durch jeweils mindestens einen Beam über einer Aushöhlung in einem gut Wärme leitenden Tragekörper aufgespannt sind.
Thermopile Infrarot Sensoren, die in Si-Mikromechanik
Technologie hergestellt werden, gibt es in den
verschiedensten Ausführungen. Beispielsweise wird in der DE 101 44 342 AI ein Thermopile Sensorchip dargestellt, das mit senkrechten oder nahezu senkrechten Wänden eine möglichst große Membran als IR-Empfangsfläche aufweist, um das mit einer IR sensitiven Fläche auf der Membran zu empfangende Signal zu maximieren. Die Membran ist über einer Aussparung in einem Silizium-Tragkörper aufgespannt, der zugleich als Wärmesenke ausgebildet ist.
Eine weitere Lösung wird in der DE 103 21 639 AI
vorgeschlagen, bei der Thermopile Elemente vorgesehen sind, deren heiße Enden auf der Membran positioniert sind und deren kalte Enden sich auf einem Si-Tragkörper befinden.
Bei diesen Ausführungen ist gemeinsam, dass eine homogene dünne Membran viele Thermoelemente trägt, z.B. Thermopile- Elemente, und der Sensorchip in einem Gehäuse mit
atmosphärischem Druck und üblicherweise trockener Luft bzw. trockenem Stickstoff untergebracht ist. Um eine möglichst Signalspannung bei Thermopile-Sensorelementen zu erhalten, müssen deren Thermoelemente möglichst lang ausgebildet sein, weil dadurch weniger Wärmeleitung und somit ein höherer Temperaturunterschied zwischen dem heißen und kalten Ende der Thermoelemente erreicht wird.
Folglich lassen sich damit auf kleineren Chipflächen für viele Anwendungen keine ausreichend hohen Signalspannungen erreichen und der Signal/Rausch-Abstand bzw. die
Nachweisgrenze bei Messaufgaben genügen nicht den
Anforderungen. Wird ein solcher Chip beispielsweise für die Gasdetektion eingesetzt, muss die empfindliche Sensorfläche allein schon recht groß, z.B. l x l mm, oder größer, gewählt werden. Die Sensorchips selbst sind dann noch deutlich größer, was für den Anwender von Nachteil ist.
Nachteilig ist, dass die pro Fläche erzielte Signalspannung für viele Anwendungen nicht ausreicht, die große Fläche auch eine hohe Zeitkonstante (thermische Trägheit) aufweist und damit eine zu langsame Reaktionszeit bedingt. Damit lässt sich durch homogene, unstrukturierte Membranen mit vielen Thermoelementen nicht die erforderliche Signalspannung mit geringer Reaktionszeit erreichen.
In der WO 91 02229 AI wird ein Single Thermopile Sensor vorgeschlagen, bei dem über einer Aussparung im Chipkörper eine einzelne freischwebende Membran angeordnet ist, die über einen möglichst langen Beam mit einer Wärmesenke, d.h. dem Rand des Chipkörpers, verbunden ist. Durch das für die Herstellung der Aussparung im Chipkörper angewendete
Ätzverfahren entstehen schräge Wände, welche die Aussparung begrenzen. Bei diesem Sensor lassen sich wegen des besseren Absorberbereiches auf der Membran auf kleinerer Fläche größere Signale erreichen. Allerdings verhindert die
Wärmeleitfähigkeit der den Absorberbereich umgebenden „normalen Atmosphäre" (d.h. Luft, Stickstoff), dass der Sensor ein genügend hohes Signal erreicht. Weiterhin sind die schrägen Wände von Nachteil, die ein bezüglich der empfindlichen Fläche sehr großes und damit recht teures Gesamtchip zur Folge haben. Weiterhin wird in der DE 10 2012 042 108 AI ein Thermopile- Infrarot-Sensor in monolithischer Si-Mikromechanik
vorgestellt, der auf sehr kleiner Fläche eine deutlich höhere Signalspannung erzielen kann, indem die Sensorchip- Membran mit Schlitzen versehen ist und eine die IR-Strahlung empfangende innere Fläche mit dem Absorberbereich an dünnen Stegen aufgehängt ist, über die einige wenige Thermoelemente vom Si-Rand („kalte" Kontakte) zum Absorberbereich („warme" Kontakte) geführt werden. Zur Erhöhung der Isolation der inneren Absorberfläche wird das Sensorelement in einem
Gehäuse mit einem Medium geringer Wärmeleitfähigkeit von deutlich weniger als Luft umgeben.
Auf diese Weise lassen sich für recht kleine Membranen
(Absorberflächen) recht hohe Signale erzielen. Würde man die Größe der absorbierenden Fläche aber auf die typischerweise für sogenannte NDIR Gassensoren mindestens notwendige 0,5 x 0,5 mm ... l x l mm Fläche erhöhen, führt die dann immer träger werdende Absorberfläche jedoch zu einer langen
Zeitkonstante, d.h., die Ansprechgeschwindigkeit des
Sensorchips sinkt und der Sensor würde für viele Anwendungen zu langsam.
Auch in der US 4 472 239 A und in der US 4 654 622 A werden thermische Sensorstrukturen mit dünner Membran und Schlitzen zum Herausätzen von Teilen des darunter liegenden
Trägersubstrates vorgestellt. In beiden Fällen erreichen die darunter liegenden Ausnehmungen nur eine geringe Tiefe, was - wie bei vorangehend beschriebenen Lösungen - nur geringe Empfindlichkeiten bei kostengünstigen Gehäuselösungen ohne Hochvakuumdichtigkeit zulässt.
In der DE 199 54 091 AI und der US 6 342 667 B werden
Thermopile Sensorzellen beschrieben, bei denen durch
Schlitzstrukturen in Form großer Dreiecke im Randbereich der Membran bzw. in Form eines Kreuzes in der Mitte der Membran die Ausnehmung unterhalb der Sensorstruktur freigeätzt wird. Bei beiden erfolgt das durch ein Nassätzverfahren, welches durch schräge Wände keine großen Abstände zur Wärmesenke am Rand entstehen lässt. Die Vielzahl von parallel angeordneten Thermoelementen verhindert große Temperaturunterschiede zwischen „heißen" und „kalten" Kontakten und damit das
Erreichen hoher Signalempfindlichkeiten.
In der DE 198 43 984 AI werden Zellen von Infrarot- Strahlungssensoren vorgestellt. Die Ausnehmungen der
einzelnen Zellen haben senkrechte Wände, die durch das gesamte Substrat hindurchgehen, wobei das Substrat die
Ausnehmung umgibt. Über der Ausnehmung befindet sich eine Membran. Allerdings ist auch eine Vielzahl von eher kurzen Thermoelementen vorgesehen, die keine hohe Empfindlichkeit zulassen. Die Ausnehmungen werden durch Mikromechanik-
Lösungen hergestellt, beispielsweise durch Ätzung durch eine Öffnung in der Membran, wobei die Tiefe der Ätzung 50 - 200 ym betragen kann. Von Nachteil ist hier der kurze Abstand zwischen der Sensorstruktur auf der Membran und der
Wärmesenke von max . 200 ym, was auf Grund der
Wärmeleitfähigkeit des Gases dazu führt, dass keine hohe Empfindlichkeit erreicht wird.
Weiterhin wird in der DE 40 91 364 Cl eine Thermopile
Sensorzelle mit dünner Membran und geschlitzter Struktur vorgestellt. Der Absorberbereich auf der Membran wird über einen langen Beam und wenige Thermoelemente gehalten, wobei sich in der Membran Löcher oder Schlitze befinden. Der Beam mit den Thermoelementen und einer Breite von 130 ym ist durch allerdings ebenfalls breite Schlitze vom Substratrand und dem Absorberbereich isoliert. Das unter der
Sensorstruktur liegende Trägersubstrat wird von der
Rückseite her nassgeätzt, was schräge Wände im Substrat zur Folge hat. Die ganze Anordnung ist mit einer Füllung mit einem Schutzgas versehen.
Mit einer solchen Lösung lassen sich prinzipiell höhere Temperaturunterschiede und Empfindlichkeiten erzielen.
Allerdings verhindern die breiten Schlitze eine optimale Flächenausnutzung (Füllgrad) der Sensorzelle. Die
nassgeätzte Ausnehmung im Trägersubstrat weist nach außen gehende schräge Wände auf, wobei die Gesamt-Sensorzelle etwa 2x2 mm groß sein soll. Die schrägen nach außen gehenden Substratwände gestatten keine kleinen Sensorzellen oder Zellabstände. Die große Struktur der aufgehängten
Empfangsfläche führt zu langsamer Ansprechgeschwindigkeit und einer hohen Zeitkonstante, so dass viele Messaufgaben, die schnelle Messungen erfordern, nicht möglich sind.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die im Stand der Technik vorgeschlagenen thermischen Infrarot
Sensorzellen entweder auf Grund einer großflächigen
Chiptechnologie ohne ausreichende thermische Isolation des Absorbers zu geringe Signale pro Fläche erzielen, oder bei ausreichend großer empfindlicher Fläche des individuellen Absorberbereiches zu hohe Zeitkonstanten besitzen und daher in einer Messaufgabe zu träge und langsam reagieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Thermopile- Infrarot Sensor in monolithischer Si-Mikromechanik
Technologie für berührungslose Temperaturmessungen oder die NDIR Gasdetektion anzugeben, der bei ausreichend großer Empfängerfläche ein hohes Signal mit hoher
Ansprechgeschwindigkeit abgibt und der unter einem Gasmedium mit Normaldruck oder mit reduziertem Druck betrieben werden kann und der ohne aufwändige Technologien zum
Gehäuseverschluss in Massenstückzahlen hergestellt werden kann .
Erreicht wird das bei einem Thermopile Infrarot Einzelsensor der eingangs genannten Art dadurch, dass jeweils mehrere individuelle benachbarte Sensorzellen mit je einem Infrarot sensitiven Bereich mit Thermopilestrukturen auf der Membran auf einem gemeinsamen Tragekörper eines Einzelchips zu einer einzelnen Thermopile-Sensorstruktur mit einem Signalausgang in dem Gehäuse, bestehend aus einer mit einer Grundplatte verschlossenen Kappe, mit gemeinsamen Gasmedium
zusammengefasst sind.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die
Signale einzelner Sensorzellen jedes Sensorchips durch
Reihenschaltung, Parallelschaltung oder in einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltung zu einem Ausgangssignal zusammengefasst und über einen Anschluss herausgeführt sind.
Bevorzugt weist die Aushöhlung unter jeder Membran mit den Infrarot sensitiven Bereichen senkrechte oder nahezu
senkrechte Wände auf, die von der Waferrückseite
eingetrieben sind.
Alternativ kann die Aushöhlung unter jeder Membran mit den Infrarot sensitiven Bereichen schräge Wände aufweisen, die von der Vorderseite her durch die Schlitze in der Membran herausgeätzt sind.
Das gemeinsame Gasmedium ist vorzugsweise ein Gas mit deutlich höherer molarer Masse als Luft, wie Xenon, Krypton, Argon unter normalem atmosphärischem Druck. Vorzugsweise ist das Gasmedium ein Gas oder Gasgemisch mit einem Druck der deutlich geringer ist, als normaler
atmosphärischer Druck.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Signal jeder der individuellen Sensorzellen eines
Sensorchips über einen individuellen Vorverarbeitungskanal mit einem individuellen Vorverstärker, Impedanzwandler oder Analog/Digital- Wandler geleitet, wobei einige oder
sämtliche der individuellen Vorverarbeitungskanäle der einzelnen Sensorzellen mindestens eine integrierende
Funktion oder eine Tiefpassfunktion aufweisen. Weiterhin werden die vorverarbeiteten Signale der
individuellen Sensorzellen eines Sensorchips in einer elektronischen Summierschaltung, wie Multiplexer und/oder Mikrokontroller zu einem Ausgangssignal vorteilhaft
zusammengefasst .
In einer Fortführung der Erfindung sind die
Signalverarbeitungskanäle der einzelnen Sensorzellen und eine Summiereinrichtung auf dem gleichen Halbleiter
Tragekörper oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses untergebracht.
Alternativ sind neben den Signalvorverarbeitungskanälen und der Summiereinrichtung weitere elektronische
Signalbearbeitungseinheiten, wie Temperatur- oder
Spannungsreferenzen oder zur Berechnung von Temperaturen oder Gaskonzentrationen auf dem gleichen Halbleiter
Tragkörper, oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses im gemeinsamen Gasmedium untergebracht .
Weiterhin bestehen die Thermopilestrukturen aus in einem CMOS Prozess aufgebrachten n- und p- leitendem Polysilizium, amorphen Silizium, Germanium oder einer Mischform aus
Silizium und Germanium, oder aus aufgebrachten
thermoelektrischen dünnen Metallschichten aus Wismut oder Antimon, um eine kostengünstige Fertigung zu gewährleisten.
Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur
Verwendung von mindestens zwei Thermopile Infrarot
Einzelsensoren, jeweils einen Sensorkanal bildend,
nebeneinander unter einer gemeinsamen Kappe auf einer gemeinsamen Bodenplatte als Gasdetektor, wobei für jeden Sensorkanal ein eigenes optisches Filter unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen ist und wobei zwischen benachbarten Sensorkanälen jeweils eine Trennwand angeordnet ist.
Zur Verbesserung der Langzeitstabilität und Driftresistenz ist einer der Sensorkanäle mit einem Referenzfilter
ausgestattet . Die Sensorkanäle bildenden Thermopile Infrarot
Einzelsensoren eignen sich in Vorteilhafter Weise für den Einsatz zur NDIR Gasdetektion .
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei die einzelnen Zeichnungsfiguren zeigen :
Fig. 1: den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Thermopile
Einzelsensors mit mehrfach strukturiertem Einzelchip in einem Gehäuse
a) mit senkrechten Wänden,
b) mit schrägen Wänden;
Fig. 2: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen
Einzelchip des Thermopile Sensors mit einer
Anordnung des Thermopile Sensorchips mit 4-fach strukturierter Sensorzelle; eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen
Einzelchip mit 9-fach strukturierter Sensorzelle, jeweils in Reihenschaltung; eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Thermopile Sensors mit Aufsummierung der Signale der Einzelstrukturen über Vorverstärker oder
Impedanzwandler und elektronische Summierglieder
Fig. 5: eine weitere erfindungsgemäße Thermopile
Sensorstruktur mit einem Mehr-Kanal Sensor, z.B. für die Gasdetektion; und
Fig. 6: eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit A aus
Fig. 2.
Den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Thermopile Infrarot Einzelsensors auf einem Einzelchip zeigt Fig. la, b. Der Thermopile Einzelsensor ist auf einem gemeinsamen rahmenförmigen Halbleiter- Tragekörper 1, beispielsweise aus Silizium, aufgebaut und befindet sich in einem
Sensorgehäuse, bestehend aus einer Bodenplatte 2, sowie einer Grundplatte 3 mit elektrischen Anschlüssen 4, die über jeweils eine Drahtbrücke 5 mit Anschlusspads 6 auf dem rahmenförmigen Halbleiter- Tragekörper 1 verbunden sind (Fig. 2, 3), sowie einer Kappe 7 mit einer Aperturöffnung 8 und einer Optik 9, wobei das Sensorgehäuse ein Gasmedium 10 dicht einschließt.
Der Tragekörper 1 ist mit einer Aushöhlung 11 versehen, die von einer Membran 12 mit einem sensitiven Bereich
(Absorberbereich) überspannt ist und die über Beams 13 mit dem rahmenförmigen Halbleiter- Tragekörper 1 verbunden ist, der als Wärmesenke dient. Das Gasmedium 10 ist ein Gas oder Gasgemisch, das eine
Wärmeleitfähigkeit hat, die geringer als die von Luft oder Stickstoff ist, um eine Konvektion vom zentralen sensitiven Bereich auf der Membran 12 zum Tragekörper 1 so gering wie möglich zu halten. Bevorzugt ist das Gasmedium 10 ein Gas mit einer hohen molaren Masse, wie Xenon, Krypton oder
Argon, oder ein Gas mit einem gegenüber normalem Luftdruck deutlich reduziertem Innendruck. Das Sensorgehäuse muss dabei so verschlossen sein, dass kein Gasaustausch mit der Umgebung erfolgen kann.
Das Sensorchip, bestehend aus dem Tragekörper 1 eines
Einzelchips, enthält mehrere Einzelzellen 18 mit einer geschlitzten Membran 12 und einer Beamstruktur 13, auf der Thermoelemente 13 wie Thermopilestrukturen, untergebracht sind, deren „heißer" Kontakt 14 sich auf der Membran 12 befindet und der „kalte" Kontakt 15 auf dem Tragekörper 1. Weiterhin befindet sich auf der Membran 12 eine dünne
Absorberschicht 15 (bevorzugt dünner als 1 ym) , um die thermische Masse des sensitiven Bereiches gering und die Ansprechgeschwindigkeit hoch werden zu lassen. Zwischen der Membran 12 und den Beams 13, sowie zwischen diesen und dem Tragekörper 1 befinden sich Schlitze 17 zur thermischen Trennung (Fig. 2, 3, 6) .
Die Thermoelemente der Thermopilestruktur sind aus an sich bekannten thermoelektrischen Materialien unterschiedlicher thermoelektrischer Polarität hergestellt. Dies können sowohl in einem CMOS Prozess aufgebrachte Halbleitermaterialien, wie z.B. n- leitendes und p- leitendes Poly-Silizium
(dotiertes) amorphes Silizium, Germanium oder eine Mischform aus Silizium und Germanium, oder aufgebrachte
thermoelektrische dünne Metallschichten (wie z.B. Wismut, Antimon o.ä.), sein, wobei die Dicke jeweils weniger als 1 ym beträgt. Die Membranen 12 mit den Beams 13 und dem empfindlichen Bereich sind auf dem Tragekörper 1 über den Aushöhlungen 11 aufgespannt. Diese Aushöhlungen 11 können beispielsweise durch Trockenätzen (Deep RIE) von der Waferrückseite her eingebracht werden und haben dann vorzugsweise senkrechte Wände (Fig. 1 a) , oder können durch Ätzen von Opferschichten oder des Halbleitersubstrates selbst von der Vorderseite her durch Schlitze 17 (Fig. 2, 3) in das Halbleitersubstrat zur Ausbildung des Tragekörpers 1 durch die Membran 12
eingetrieben werden. Ein Beispiel für Letzteres sind die schrägen Wände der Aushöhlung 11 in Fig. 1 b.
Die erfindungsgemäße, vorteilhafte Wirkung entsteht dadurch, dass sich auf der Fläche eines Thermopile Einzelsensors eng benachbart mehrere kleinere Zellen 18 (z.B. 2, 4, 9 oder 16 Zellen) mit geschlitzten Membranen 12 befinden, die durch Zusammenschaltung eine genau so große Empfangsfläche, wie bekannte Einzelelement-Thermopile-Chips , bilden, wobei das Gasmedium 10 hohe Einzelsignale pro Zelle 18 ermöglicht.
Auf Grund der relativ geringen Abmessungen der einzelnen Zellen 18 und deren sensitiven Bereiche auf den jeweiligen Membranen 12 ergeben sich deutlich geringere Zeitkonstanten und höhere Ansprechgeschwindigkeiten als bei einem nicht- segmentierten Thermopilechip üblicher Größe. Die
Aufsummierung der Signale aller Zellen 18 eines
Thermopilechips wiederum führt zu einer deutlich höheren Signalspannung bei gleicher Größe des Thermopilechips.
Fig. 2, 3 zeigen den erfindungsgemäßen Thermopile
Einzelsensor mit mehreren Zellen 18 als Draufsicht, um die Anordnung und Verschaltung der einzelnen Zellen 18 des
Thermopile Einzelsensors zu verdeutlichen. Hierbei wirkt jede Zelle 18 wie ein an sich bekanntes Einzel Thermopile, nur ist die geometrische Fläche der einzelnen Zellen 18 typischer Weise deutlich kleiner, als beim üblichen
Thermopile Einzelsensor.
Jede Zelle 18 des Thermopile Einzelsensors besitzt ein + und ein - Terminal (Bondpads 5) . Sämtliche als Thermopile ausgebildeten Zellen 18 werden miteinander zu einem
wirksamen Thermopile Einzelsensor verschaltet. Bevorzugt werden dabei alle Zellen 18 eines Thermopile Einzelsensors in Reihe geschaltet, indem jeweils die + und - Terminals wie Einzelbatterien in einem Batterieblock zusammengeschaltet werden. Möglich ist aber auch eine Parallelschaltung oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung.
Fig. 2 zeigt eine 4-fach Zell-Strukturierung und Fig. 3 eine 9-fache Zellstrukturierung .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Nutzung von Vorverstärkern oder Impedanzwandlern 19 bzw. elektronischen Summiergliedern 20 oder Multiplexern/
Mikrokontrollern, statt der einfachen Reihenschaltung der Zellen 18 (Fig. 4) .
Eine solche Signalelektronik mit Vorverstärkern bzw.
Vorverstärkern und Tiefpass 19 sowie einem Summierglied 20 oder einem Multiplexer kann sowohl auf dem gleichen
Substrat, wie der Thermopile Einzelsensor, oder auf einem getrennten Chip aber im Gehäuse, oder außerhalb des
Gehäuses, untergebracht sein. Die Summation kann auch in einem Mikro-Prozessor erfolgen, der die vorverstärkten, gefilterten und ge-multiplexten Signale der einzelnen Zellen 18 verarbeitet.
Da die Funktion des rauschbegrenzenden Tiefpasses oder des nachgeschalteten Mikroprozessors ausreichend verständlich ist, wurde auf eine gesonderte Darstellung in Fig. 4 verzichtet . Das Summationsglied 20 besteht bevorzugt aus einem Signalmultiplexer für alle Zellen 18 und dem
nachgeschalteten AD/Wandler mit Mikroprozessor, der die Signale aller Zellen 18 rauscharm addiert. Zweckmäßig ist der Aufbau zumindest eines Teils der Signalverarbeitung im Gehäuse untergebracht, weil dann elektrische oder
elektromagnetische Störeinflüsse von außen besser
unterdrückt werden können.
Ein weiterer Vorteil der integrierten Vorverstärker 19 oder Impedanzwandler pro Zelle 18 besteht in Folgendem:
Werden mehr oder dünnere Thermoelemente einer Zelle 18 in Reihe geschaltet, so erhöht sich das Signal, aber auch die
Impedanz (Thermoelement, Widerstand). Würden nun viele (z.B. 4, 9, 16 oder auch mehr) Zellen 18 in Reihe geschaltet und die Signale ohne Vorverstärker oder Impedanzwandler nach außen geführt, so ergeben sich sehr hohe Impedanzen
(Innenwiderstände) des gesamten Thermopile Einzelsensors. Mit zunehmender Impedanz erhöht sich das Risiko von
Störeinstreuungen externer Störquellen oder einer vom
Stromrauschen des Eingangskreises der Nachfolgeelektronik indizierten Zusatzrauschquelle, die bei niedriger Impedanz i.a. vernachlässigbar ist. Beide Effekte können die
Messgenauigkeit verringern.
Insbesondere für die NDIR Gasdetektion (NDIR:
nichtdispersive Infrarottechnologie) ist es von Vorteil, zwei oder mehr Sensorkanäle aus jeweils einem Thermopile Einzelsensor in einem Gehäuse zu integrieren, d.h., es werden zwei oder vier erfindungsgemäße Thermopile Infrarot Einzelsensoren nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet. Damit können mehrere Gase gleichzeitig gemessen werden.
Optional wird einer der Sensorkanäle mit einem Referenzfilter ausgestattet, was die Langzeitstabilität und Driftresistenz deutlich verbessert. Der oder die anderen Kanäle messen dann ein oder mehrere spezifische Gase. Als Beispiel für einen solchen Mehrkanal Thermopilesensor zeigt Fig. 5 einen Dual Thermopilesensor, der zur NDIR
Gasdetektion besonders geeignet ist.
Erfindungsgemäß werden wiederum mehrere Zellen 18 zu einem Thermopile Einzelsensor (pro Kanal) zusammengefasst und zwei derartige Thermopile Einzelsensoren 21, 22 nebeneinander unter einer gemeinsamen Kappe 26 auf einer gemeinsamen
Bodenplatte 27 angeordnet, wobei für jeden Kanal ein eigenes optisches Filter 23, 24 vorgesehen ist. Zusätzlich empfiehlt sich eine optische Trennwand 25 zwischen benachbarten
Kanälen, die ein optisches Übersprechen der
Infrarotstrahlung zwischen benachbarten Kanälen verhindert. Dazu muss die Trennwand 25 die Infrarotstrahlung absorbieren und darf sie weder durchlassen, noch reflektieren.
Dabei kann jeder Zelle 18 ein gemeinsames Masse-Pin (Minus- Terminal) auf der Bodenplatte 27 zugeordnet werden und die Plus Terminals werden jeweils über einen individuellen
Anschluss herausgeführt. Alternativ können mehrere Kanäle über einen Vorverstärker und Tiefpass an einen Multiplexer geführt werden und nacheinander über eine Ausgangsleitung ausgelesen werden.
Die zusammengefassten Thermopile Einzelzellen können sich auch alle auf dem gleichen Chip befinden, was die
Signalverarbeitung vereinfacht, oder auf getrennten
Einzelchips, wie in Fig.5 dargestellt, untergebracht sein. In einem Gehäuse können sich je nach Größe auch 2 bis 4, aber auch 10 oder mehr Einzelkanäle befinden. Die Trennwände 18 können sowohl auf der Bodenplatte 27, oder in der Kappe 26 montiert werden. Neben den Signalverarbeitungskanälen und der elektronischen Summiereinrichtung können weitere elektronische
Signalbearbeitungseinheiten (z.B. mit Temperatur- oder Spannungsreferenzen oder einer Rechenschaltung zur
Berechnung von Objekttemperaturen oder Gaskonzentrationen) auf dem gleichen Halbleiter Tragkörper 1 innerhalb des Sensorgehäuses untergebracht werden.
Thermopile Infrarot Einzelsensor für Temperaturmessungen oder zur Gasdetektion
Bezugszeichenliste
1 Tragekörper
2 Bodenplatte
3 Grundplatte
4 Anschluss
5 Drahtbrücke
6 Anschlusspad
7 Kappe
8 Aperturöffnung
9 Optik
10 Gasmedium
11 Aushöhlung
12 Membran
13 Beam
13 λ Thermoelemente
14 heißer Kontakt
15 kalter Kontakt
16 Absorberschicht
17 Schlitz
18 Zelle
19 Vorverstärker bzw. Vorverstärker und Tiefpass
20 Summationsglied
21 Thermopile Einzelsensor
22 Thermopile Einzelsensor
23 optischer Filter
24 optischer Filter
25 Trennwand
26 Kappe
27 Bodenplatte

Claims

Thermopile Infrarot Einzelsensor für Temperaturmessungen oder zur Gasdetektion Patentansprüche
1. Thermopile Infrarot Einzelsensor in einem mit einem
Gasmedium gefüllten Gehäuse mit Optik sowie einem oder mehreren Sensor-Chips mit individuellen Sensorzellen mit Infrarot- Sensorstrukturen mit retikulierten Membranen, deren infrarotsensitive Bereiche durch jeweils mindestens einen Beam über einer Aushöhlung in einem gut Wärme
leitenden Tragekörper aufgespannt sind, gekennzeichnet dadurch, dass jeweils mehrere individuelle benachbarte
Sensorzellen (18) mit je einem Infrarot sensitiven Bereich mit Thermopilestrukturen (14, 15) auf der Membran (12) auf einem gemeinsamen Tragekörper (1) eines Einzelchips zu einer einzelnen Thermopile-Sensorstruktur mit einem Signalausgang in dem Gehäuse, bestehend aus einer mit einer Grundplatte (3) verschlossenen Kappe (12) mit gemeinsamen Gasmedium (10) zusammengefasst sind.
2. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale einzelner Sensorzellen (18) jedes Einzelchips durch Reihenschaltung, Parallelschaltung oder in einer Kombination von Reihen- und Parallelschaltung zu einem Ausgangssignal zusammengefasst und über einem
Anschluss (4) herausgeführt sind.
3. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (11) unter jeder Membran (12) mit den Infrarot sensitiven Bereichen senkrechte, oder nahezu senkrechte Wände aufweist, die von der Waferrückseite eingetrieben ist.
4. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (11) unter jeder Membran (12) mit den Infrarot sensitiven Bereich schräge Wände aufweist, die von der Vorderseite her durch die Schlitze in der Membran herausgeätzt sind.
5. Thermopile Infrarot
gekennzeichnet, dass da
mit deutlich hö ■herer mo
Krypton, Argon unter no
6. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Gasmedium (10) ein Gas oder Gasgemisch mit einem Druck der deutlich geringer als normaler atmosphärischer Druck ist .
7. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal jeder der individuellen Sensorzellen (18) eines Sensorchips über einen individuellen Vorverarbeitungskanal (19) mit einem individuellen Vorverstärker, Impedanzwandler oder Analog/Digital- Wandler geleitet wird.
8. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle der individuellen Vorverarbeitungskanäle (19) der einzelnen Sensorzellen mindestens eine integrierende Funktion oder eine
Tiefpassfunktion aufweist.
9. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorverarbeiteten Signale der individuellen Sensorzellen eines Sensorchips in einer elektronischen Summierschaltung (20), wie Multiplexer und/ oder Mikrokontroller zu einem Ausgangssignal zusammengefasst sind .
10. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach einem der
vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungskanäle (19) der einzelnen Zellen (18) und eine Summiereinrichtung (20) auf dem gleichen Halbleiter Tragekörper (1) oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses mit gemeinsamen Gasmedium (10) untergebracht sind.
11. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach einem der
vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Signalvorverarbeitungskanälen (19) und der
Summiereinrichtung (20) weitere elektronische
Signalbearbeitungseinheiten, wie Temperatur- oder
Spannungsreferenzen oder zur Berechnung von Temperaturen oder Gaskonzentrationen auf dem gleichen Halbleiter
Tragkörper (1), oder auf einem benachbarten Halbleiterchip innerhalb des Sensorgehäuses mit gemeinsamen Gasmedium untergebracht sind.
12. Thermopile Infrarot Einzelsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Thermopilestrukturen (14, 15) aus in einem CMOS Prozess aufgebrachten n- und p- leitendem Polysilizium, amorphen Silizium, Germanium oder einer Mischform aus Silizium und Germanium, oder aus thermoelektrischen dünnen Metallschichten aus Wismut oder Antimon bestehen.
13. Verwendung von mindestens zwei Thermopile Infrarot
Einzelsensoren jeweils einen Sensorkanal bildend nach einem der Ansprüche 1 bis 12 nebeneinander unter einer gemeinsamen Kappe (26) auf einer gemeinsamen Bodenplatte (27) als
Gasdetektor, wobei für jeden Kanal ein eigenes optisches Filter (23, 24) unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen ist und wobei zwischen benachbarten Sensorkanälen jeweils eine Trennwand (25) angeordnet ist.
14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei einer der
Sensorkanäle mit einem Referenzfilter ausgestattet ist.
15. Verwendung der Sensorkanäle bildenden Thermopile Infrarot Einzelsensoren nach den Ansprüchen 13 und 14 NDIR Gasdetektion .
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