WO2013092571A1 - Infrarotlichtsensorchip mit hoher messgenauigkeit und verfahren zum herstellen des infrarotlichtsensorchips - Google Patents

Infrarotlichtsensorchip mit hoher messgenauigkeit und verfahren zum herstellen des infrarotlichtsensorchips Download PDF

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WO2013092571A1
WO2013092571A1 PCT/EP2012/075928 EP2012075928W WO2013092571A1 WO 2013092571 A1 WO2013092571 A1 WO 2013092571A1 EP 2012075928 W EP2012075928 W EP 2012075928W WO 2013092571 A1 WO2013092571 A1 WO 2013092571A1
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infrared light
light sensor
sensor chip
base electrode
resistance
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Carsten Giebeler
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Pyreos Ltd.
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    • G01J5/02—Constructional details
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors

Definitions

  • the invention relates to an infrared light sensor chip with high accuracy and a method for producing the
  • the gas to be detected is irradiated, wherein a proportion of the
  • Infrared light is absorbed by the gas, leaving a
  • the low light can with a
  • Infrared light sensor can be measured with the
  • the infrared light-detecting chip conventionally has a layer of pyroelectrically sensitive material, which is, for example, lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the layer is electronically interconnected with electrodes made of, for example, platinum or a chromium-nickel alloy absorbing the infrared light radiation.
  • the infrared light sensor chip is for example in one
  • NDIR non-dispersive infrared light absorption analyzer
  • non-dispersive infrared absorption analyzer of exact knowledge of the temperature of the infrared light sensor chip.
  • the infrared light sensor chip has a housing in which the carrier membrane with the pyroelectric sensitive layer and the electrodes for protection against harmful environmental influences
  • Infrared light sensor chips during the measurement is in the
  • non-dispersive infrared absorption analyzer additionally provided a temperature sensor with which currently the temperature of the environment of the infrared light sensor chip is measurable. Due to the fact that the housing of the infrared light sensor chip is made as small as possible for reasons of space, the temperature sensor is arranged outside the housing. If the temperature sensor is mounted on the housing, with the temperature sensor is the
  • Temperature of the housing measured.
  • the temperature sensor is arranged in the immediate vicinity of the housing, so that with the temperature sensor
  • Ambient temperature of the housing is measured.
  • the temperature measured by the temperature sensor does not coincide with the temperature of the
  • the object of the invention is to provide an infrared light sensor chip and a method for producing the infrared light sensor chip, wherein the infrared light sensor chip a high
  • the infrared light sensor chip according to the invention has a
  • an infrared light sensor having a base electrode, which is directly applied to one side of the substrate and by means of which the infrared light sensor to the substrate is mounted, and a resistance thermometer having a resistance path, which is applied directly to the side of the substrate adjacent to the infrared light sensor and for measuring the temperature of the substrate through the
  • Resistive thermometer is set up, the
  • Infrared light sensor chips include the steps of: providing the substrate; Coating the substrate on the side with the base electrode material so that the side of a
  • Base electrode material layer is covered; Remove excess material of the base electrode layer so that the base electrode and the resistance path on the side of the
  • Infrared light sensor Infrared light sensor.
  • the infrared light sensor chip is housed in a housing to protect the infrared light sensor chip from potentially harmful environmental influences. Desirable is to make the case as small as possible, so that the
  • Infrared light sensor chip does not fit into the housing, the conventional temperature sensor is outside the housing
  • Substrate is arranged next to the infrared light sensor, so that the resistance thermometer within a for the
  • Infrared light sensor chip provided housing is arranged, which can be advantageously designed small.
  • resistance thermometer directly the temperature of the
  • Substrate detectable, causing the temperature of the
  • Infrared light sensor is precisely measurable. Accurate knowledge of the current temperature of the infrared light sensor allows for accurate calibration of measurements with the infrared light sensor so that accurate readings can be taken with the help of the resistance thermometer Calibration of the infrared light sensor is enabled, whereby the infrared light sensor chip has a high measurement accuracy.
  • Base electrode is made, is advantageous for the
  • the material of the base electrode is platinum.
  • the resistance track and the base electrode are preferably the same thickness.
  • Base electrode to take perpendicular to the surface of that side of the substrate on which both the resistor track and the base electrode are mounted. Furthermore, the
  • Resistance path preferably formed meander-shaped.
  • the width of the base electrode for the required length of the resistance path is generally too low, in particular if the material of the base electrode and the resistance path platinum and the base electrode and the resistance path should be the same thickness. Characterized in that the preferred resistance path
  • the resistance thermometer has at the longitudinal ends of the
  • the resistance thermometer can be operated via the resistance electrodes, for example with a Wheatstone measuring bridge.
  • the substrate has a frame and a membrane which is spanned by the frame, wherein the infrared light sensor with its base electrode on the membrane and the resistance thermometer with its
  • Resistor track are arranged on the frame.
  • the frame is in this case at the point at which the resistance thermometer is arranged, preferably wider than at the other locations.
  • the resistance thermometer is advantageously arranged on the frame of the substrate, which is provided in any case for holding the membrane.
  • the infrared light sensor chip has a compact design.
  • meandering course of the resistance path is provided sufficient space.
  • the Infarrotandersensor preferably has a sensor element which is arranged on the base electrode and connected to this electrically conductive.
  • the material of the sensor element is preferably lead zirconate titanate.
  • the infrared light sensor chip is manufactured by a thin film method.
  • the resistance track preferably has a thickness of 40 to 100 nm and / or a width of 5 to 10 ⁇ m and / or an electrical resistance of 1 at
  • Coating the substrate preferably evaporates the base electrode material onto the substrate.
  • the base electrode layer is connected to the
  • the base electrode layer it is preferable for the base electrode layer to be coated Sensor element material on the base electrode layer with
  • the temperature can be measured directly on the sensor element, as a result of which the calibration and thus the measuring accuracy of the sensor are
  • Infrared light sensor chips is high.
  • a temperature sensor is disposed outside of a housing, the temperature sensor being implemented as a discrete component. Because of that
  • Resistance thermometer is arranged with its resistance track directly on the substrate, the resistance thermometer is designed as a component integrated in the infrared light sensor chip.
  • Infrared light sensor chip about an additional component for a temperature sensor, as in the conventional
  • Infrared light sensor chip is necessary, not to be provided, thereby reducing both the manufacturing cost and thus the manufacturing cost and the size of the infrared light sensor chip according to the invention compared with the conventional
  • Infrared light sensor chip are low.
  • the discrete temperature sensor is often mounted on the underside of a printed circuit board, this temperature sensor is usually the only component on the bottom.
  • this temperature sensor is usually the only component on the bottom.
  • Figure 1 is a plan view of a schematic representation of the infrared light sensor chip according to the invention.
  • FIG. 2 shows a representation of the section A-A from FIG. 1.
  • FIGS. 1 and 2 As can be seen in FIGS. 1 and 2, FIG. 1
  • Infrared light sensor chip 1 has a substrate 2 formed by a frame 3.
  • the frame 3 has a rectangular plan, with one side of the frame 3 being formed by a narrow frame portion 4 and the other three sides of the frame 3 by wide frame portions 5. From the frame 3, a membrane 6 is clamped, which is arranged on the upper side 8 of the frame 3.
  • the frame 3 is preferably made
  • Silicon and the membrane 6 is preferably made of silicon oxide and / or silicon nitride, wherein from a
  • the frame 3 and the membrane 6 form on the substrate top 8 a flat surface, wherein the center of the membrane 6 a
  • Infrared light sensor 9 is arranged.
  • the infrared light sensor and the diaphragm 6 are so in their plan views
  • the infrared light sensor 9 is arranged in the floor plan within the frame 3 and thus completely surrounded by the membrane 6.
  • the infrared light sensor 9 has a base electrode 10 mounted directly on the substrate top 8. On the base electrode 10, a sensor element 11 is arranged, which is made of lead zirconate titanate. In the floor plan that is Sensor element 11 is dimensioned slightly smaller than the base electrode 10, so that the base electrode 10 of the
  • Sensor element 11 projects slightly on the substrate top 8.
  • a head electrode 12 is arranged, which is congruent in plan with the sensor element 11.
  • the sensor element 11 is electrically conductively connected to both the base electrode 10 and the head electrode 12, so that charge shifts caused by a
  • Infrared light irradiation of the infrared light sensor 9 can be tapped off.
  • thermometer 13 On the substrate upper side 8, a resistance thermometer 13 is integrally mounted on the wide edge portion 5.
  • Resistance thermometer 13 has a resistance path 14, which runs along the wide frame portion 5 and parallel to the facing side of the base electrode 10 meandering. At the longitudinal ends of the resistor track 14 is one each
  • Resistance electrode 15, 16 attached.
  • the base electrode 10 and the resistor track 14 are made of
  • the length of the resistance path 14 is dimensioned such that the resistance thermometer 13 has an electrical resistance of 1 Has.
  • the thickness of the resistance thermometer 13 is dimensioned such that the resistance thermometer 13 has an electrical resistance of 1 Has.
  • Resistance track 14 is between 400 and 100 nm and its width between 5 to 10 ⁇ m.
  • the resistance track 14 is disposed immediately adjacent and at a short distance from the base electrode 10, on which the sensor element 11 is arranged.
  • the heat path from the sensor element 11 to the resistance path 14 extends from the sensor element 11 via the base electrode 10, the diaphragm 6 and the wide frame portion 5
  • the heat conduction path is designed so short that the temperature of the resistance track 14 differs only insignificantly from the temperature of the sensor element 11 during operation of the infrared light sensor chip. If the electrical resistance of the resistance path 14 is measured, for example, by applying a Wheatstone measuring bridge to the resistance electrodes 15, 16, an accurate inference to the current temperature of the sensor element 11 is made possible. When operating the infrared light sensor chip, it is important for calibration purposes, the current temperature of the
  • the substrate 2 is to be provided, which has the frame 3 and the membrane 6.
  • the membrane 6 and the frame 3 are formed flush with the substrate top 8.
  • the substrate 2 is at the
  • Substrate top 8 with platinum to coat, so that the
  • Substrate top 8 is covered with the platinum, causing on
  • a platinum layer is formed.
  • the platinum layer is on the top 8 with a
  • a lead-zirconate-titanate layer is applied to the platinum layer by means of a sputtering process and, in turn, a further platinum layer for forming the top electrode 12 is applied thereto. Excess material on the substrate 2 is removed by etching, so that the resistor track 14 and the base electrode 10 are formed by the first platinum layer arranged directly on the substrate 2. Thus, the resistance path 14 and the base electrode 10 in
  • the lead zirconate titanate layer becomes the sensor element 11 and the second platinum layer disposed on the lead zirconate titanate layer becomes
  • Head electrode 12 is formed. Reference sign list

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Abstract

Ein Infrarotlichtsensorchip weist ein Substrat (2), einen Infrarotlichtsensor (9), der eine Basiselektrode (10) aufweist, die an einer Seite (8) des Substrats (2) unmittelbar anliegt und mittels der der Infrarotlichtsensor (9) an dem Substrat (2) befestigt ist, und ein Widerstandsthermometer (13) auf, das eine Widerstandsbahn (14) aufweist, die unmittelbar an der Seite (8) des Substrats (2) neben dem Infrarotlichtsensor (9) anliegt und für eine Messung der Temperatur des Substrats (2) durch das Widerstandsthermometer (13) eingerichtet ist, wobei die Widerstandsbahn (14) aus dem Material der Basiselektrode (10) hergestellt ist.

Description

Infrarotlichtsensorchip mit hoher Messgenauigkeit und Verfahren zum Herstellen des Infrarotlichtsensorchips
Die Erfindung betrifft einen Infrarotlichtsensorchip mit hoher Messgenauigkeit und ein Verfahren zum Herstellen des
Infrarotlichtsensorchips .
Zum Detektieren von Gas ist es bekannt Infrarotlicht zu
verwenden, das in einem Wellenlängenbereich von 3 bis 5 um liegt. Mit einer Lichtquelle, die geeignet ist, das
Infrarotlicht in diesem Wellenlängenbereich zu emittieren, wird das zu detektierende Gas bestrahlt, wobei ein Anteil des
Infrarotlichts von dem Gas absorbiert wird, so dass ein
Restlicht verbleibt. Das Restlicht kann mit einem
Infrarotlichtsensor gemessen werden, mit dem der
Wellenlängenbereich und/oder die Intensität des Restlichts erfassbar und entsprechend in ein elektrisches Signal
umwandelbar ist. Auf Basis des elektrischen Signals kann bei einer geeigneten Auswertung auf die Art und den Gehalt des detektierten Gases geschlossen werden.
Der Infrarotlichtdetektorchip weist herkömmlich eine Schicht mit pyroelktrisch sensitivem Material auf, das beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ist. Die Schicht ist herkömmlich auf eine Trägermembran aufgebracht, die herkömmlich aus
Silizium hergestellt ist. Ferner ist die Schicht mit Elektroden elektronisch verschaltet, die beispielsweise aus Platin oder einer die Infrarotlichtstrahlung absorbierende Chrom-Nickel- Legierung hergestellt sind.
Der Infrarotlichtsensorchip ist beispielsweise in einen
nichtdispersiven Infrarotlicht-Absorptionsanalysator (NDIR) eingesetzt, der zum Messen von Gaskonzentrationen verwendbar ist. Das Ausgangssignal des Infrarotlichtsensorchips, das einer Messung einer Gaskonzentration zugrunde liegt, ist stark abhängig von der Temperatur, die der Infrarotlichsensorchip bei der der Messung hat, so dass die Messgenauigkeit des
nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsanalysators von der genauen Kenntnis der Temperatur des Infrarotlichtsensorchips abhängt .
Der Infrarotlichtsensorchip weist ein Gehäuse auf, in dem die Trägermembran mit der pyroelektrisch sensitiven Schicht und den Elektroden zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen
eingehaust ist. Zum Schließen auf die Temperatur des
Infrarotlichtsensorchips während der Messung ist in dem
nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsanalysator zusätzlich ein Temperatursensor vorgesehen, mit dem aktuell die Temperatur der Umgebung des Infrarotlichtsensorchips messbar ist. Dadurch, dass das Gehäuse des Infrarotlichtsensorchips aus Platzgründen möglichst klein gestaltet ist, ist der Temperatursensor außerhalb des Gehäuses angeordnet. Ist der Temperatursensor an dem Gehäuse angebaut, wird mit dem Temperatursensor die
Temperatur des Gehäuses gemessen. Alternativ hierzu ist der Temperatursensor in unmittelbarer Nachbarschaft zum Gehäuse angeordnet, so dass mit dem Temperatursensor die
Umgebungstemperatur des Gehäuses gemessen wird. Insbesondere bei mit der Zeit sich verändernden Umgebungstemperaturen tritt im Allgemeinen der Fall ein, dass die von dem Temperatursensor gemessene Temperatur nicht mit der Temperatur der
pyroelektrisch sensitiven Schicht übereinstimmt, woraus sich Messungenauigkeiten für den Infrarotlichtsensorchip ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Infrarotlichtsensorchip und ein Verfahren zum Herstellen des Infrarotlichtsensorchips zu schaffen, wobei der Infrarotlichtsensorchip eine hohe
Messgenauigkeit hat.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 12. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Infrarotlichtsensorchip weist ein
Substrat , einen Infrarotlichtsensor, der eine Basiselektrode aufweist, die an einer Seite des Substrats unmittelbar anliegt und mittels der der Infrarotlichtsensor an dem Substrat befestigt ist, und ein Widerstandsthermometer auf, das eine Widerstandsbahn aufweist, die unmittelbar an der Seite des Substrats neben dem Infrarotlichtsensor anliegt und für eine Messung der Temperatur des Substrats durch das
WiderStandsthermometer eingerichtet ist, wobei die
Widerstandsbahn aus dem Material der Basiselektrode hergestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des
Infrarotlichtsensorchips weist die Schritte auf: Bereitstellen des Substrats; Beschichten des Substrats an der Seite mit dem Basiselektrodenmaterial, so dass die Seite von einer
Basiselektrodenmaterialschicht bedeckt wird; Entfernen von überschüssigem Material der Basiselektrodenschicht, so dass die Basiselektrode und die Widerstandsbahn an der Seite des
Substrats ausgebildet werden; Fertigstellen des
Infrarotlichtsensors.
Herkömmlich ist der Infrarotlichtsensorchip in einem Gehäuse eingehaust, um den Infrarotlichtsensorchip vor möglicherweise schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen. Erstrebenswert ist es, das Gehäuse möglichst klein auszuführen, so dass der
Platzbedarf des Infrarotlichtsensorchips gering ist. Da ein herkömmlicher Temperatursensor für einen herkömmlichen
Infrarotlichtsensorchip nicht in das Gehäuse passt, ist der herkömmliche Temperatursensor außerhalb des Gehäuses
angeordnet. Hingegen weist der erfindungsgemäße
Infrarotlichtsensorchip das Widerstandsthermometer auf, das mit seiner Widerstandsbahn unmittelbar auf der Oberfläche des
Substrats neben dem Infrarotlichtsensor angeordnet ist, so dass das Widerstandsthermometer innerhalb eines für den
Infrarotlichtsensorchip vorgesehenen Gehäuse angeordnet ist, das vorteilhaft klein ausgeführt sein kann. Außerdem ist mit dem Widerstandsthermometer unmittelbar die Temperatur des
Substrats erfassbar, wodurch die Temperatur des
Infrarotlichtsensors genau messbar ist. Die genaue Kenntnis der aktuellen Temperatur des Infrarotlichtsensors ermöglicht eine genaue Kalibrierung von Messungen mit dem Infrarotlichtsensor, so dass mit Hilfe des Widerstandsthermometers eine genaue Kalibrierung des Infrarotlichtsensors ermöglicht ist, wodurch der Infrarotlichtsensorchip eine hohe Messgenauigkeit hat.
Dadurch, dass die Widerstandsbahn aus dem Material der
Basiselektrode hergestellt ist, ist vorteilhaft für die
Herstellung der Widerstandsbahn des Widerstandsthermometers und der Basiselektrode lediglich ein einziger Herstellungsschritt notwendig . Somit ist eine einfache und kostengünstige in diesem Herstellungsschritt für die Widerstandsbahn und der Basiselektrode die Widerstandsbahn unmittelbar benachbart zur Basiselektrode in geringem Abstand angebracht werden, wodurch einerseits der Platzbedarf des Infrarotlichtsensorchips vorteilhaft gering ist und andererseits die von der
Widerstandsbahn messbare Temperatur mit der aktuellen
Temperatur des Infrarotlichtsensors gut übereinstimmt.
Bevorzugt ist das Material der Basiselektrode Platin. Die
Widerstandsbahn und die Basiselektrode sind bevorzugt gleich dick. Hierbei sind die Stärken der Widerstandsbahn und der
Basiselektrode senkrecht zur Oberfläche derjenigen Seite des Substrats zu nehmen, auf der sowohl die Widerstandsbahn als auch die Basiselektrode angebracht sind. Ferner ist die
Widerstandsbahn bevorzugt mäanderförmig ausgebildet. Bei den üblichen Randbedingungen für den Infrarotlichtsensorchip ist in der Regel die Breite der Basiselektrode für die erforderliche Länge der Widerstandsbahn zu gering, insbesondere wenn das Material der Basiselektrode und der Widerstandsbahn Platin und die Basiselektrode und die Widerstandsbahn gleich dick sein sollen. Dadurch, dass bevorzugt die Widerstandsbahn
mäanderförmig ausgebildet ist, ist die Länge der
Widerstandsbahn entsprechend zu wählen, ohne dabei einen
Platzbedarf zu erzeugen, der über die Breite der Basiselektrode hinausgeht .
Das Widerstandsthermometer weist an den Längsenden der
Widerstandsbahn jeweils eine Widerstandselektrode zum
elektronischen Abgreifen des aktuellen elektrischen Widerstands der WiderStandsbahn auf . Das Widerstandsthermometer ist via die Widerstandselektroden betreibbar, beispielsweise mit einer Wheatstone' sehen Messbrücke.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Substrat einen Rahmen und eine Membran aufweist, die von dem Rahmen aufgespannt ist, wobei der Infrarotlichtsensor mit seiner Basiselektrode auf der Membran und das Widerstandsthermometer mit seiner
Widerstandsbahn auf dem Rahmen angeordnet sind . Der Rahmen ist hierbei an der Stelle, an der das Widerstandsthermometer angeordnet ist, bevorzugt breiter als an den anderen Stellen ausgebildet. Dadurch ist vorteilhaft das Widerstandsthermometer auf dem Rahmen des Substrats angeordnet, der ohnehin zum Halten der Membran vorgesehen ist. Somit braucht für das
Widerstandsthermometer keine zusätzliche Abstützung vorgesehen zu werden, wodurch der Infrarotlichtsensorchip eine kompakte Bauweise hat. Bevorzugt ist lediglich der Rahmen an der Seite, an der das Widerstandsthermometer angeordnet ist, breiter als an den anderen Stellen ausgebildet, so dass für den
bevorzugtermaßen mäanderförmigen Verlauf der Widerstandsbahn ausreichend Platz bereitgestellt ist.
Der Infarrotlichtsensor weist bevorzugt ein Sensorelement auf, das auf der Basiselektrode angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist. Das Material des Sensorelements ist bevorzugt Blei-Zirkonat-Titanat . Außerdem ist es bevorzugt, dass der Infrarotlichtsensorchip mit einem Dünnschichtverfahren hergestellt ist. Bevorzugtermaßen hat die Widerstandsbahn eine Dicke von 40 bis 100 nm und/oder eine Breite von 5 bis 10 μm und/oder einen elektrischen Widerstand von 1
Figure imgf000007_0001
bei
Raumtemperatur .
Beim Herstellen des Infrarotlichtsensorchips wird zum
Beschichten des Substrats bevorzugt das Basiselektrodenmaterial auf das Substrat aufgedampft. Zum Herstellen des Sensorelements ist es bevorzugt, dass die Basiselektrodenschicht mit dem
Sensorelementmaterial beschichtet wird. Dabei ist es bevorzugt, dass zum Beschichten der Basiselektrodenschicht das Sensorelementmaterial auf die Basiselektrodenschicht mit
Sputter-Verfahren aufgebracht wird.
Vorteilhaft ist beim erfindungsgemäßen Infrarotlichtsensorchip die Temperatur unmittelbar am Sensorelement messbar, wodurch die Kalibration und somit die Messgenauigkeit des
Infrarotlichtsensorchips hoch ist. Bei einem herkömmlichen Sensorchip ist ein Temperatursensor beispielsweise außerhalb eines Gehäuses angeordnet , wobei der Temperatursensor als eine diskrete Komponente ausgeführt ist. Dadurch, dass beim
erfindungsgemäßen Infrarotlichtsensorchip das
Widerstandsthermometer mit seiner Widerstandsbahn unmittelbar auf dem Substrat angeordnet ist, ist das Widerstandsthermometer als ein in dem Infrarotlichtsensorchip integriertes Bauteil ausgeführt. Dadurch braucht beim erfindungsgemäßen
Infrarotlichtsensorchip etwa eine zusätzliche Komponente für einen Temperatursensor, wie es bei dem herkömmlichen
Infrarotlichtsensorchip notwendig ist, nicht vorgesehen zu werden, wodurch sowohl der Herstellungsaufwand und somit die Herstellungskosten als auch die Baugröße des erfindungsgemäßen Infrarotlichtsensorchips verglichen mit dem herkömmlichen
Infrarotlichtsensorchip gering sind.
Beim herkömmlichen Infrarotlichtsensorchip ist der diskrete Temperatursensor häufig auf der Unterseite einer Leiterplatte angebracht, wobei dieser Temperatursensor in der Regel das einzige Bauteil auf der Unterseite ist. Beim Assembly-Prozess beispielsweise in einem Reflow-Ofen ist es daher erforderlich, dass der Temperatursensor thermisch geschützt wird. Die dafür notwendigen Maßnahmen sind aufwändig und mit zusätzlichen
Herstellungskosten verbunden. Vorteilhaft sind derartige
Maßnahmen beim Herstellen des erfindungsgemäßen
Infrarotlichtsensorchips nicht notwendig. Ferner ist der
Integrationsprozess des Widerstandsthermometers mit dem Prozess zum Herstellen des pyroelektrischen Infrarotlichtsensors kompatibel und kann daher auf Wafer-Ebene direkt durchgeführt werden, wodurch sich für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Infrarotlichtsensorchips ein Kostenvorteil ergibt .
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Infrarotlichtsensorchips anhand der
beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht einer schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Infrarotlichtsensorchips und
Figur 2 eine Darstellung des Schnitts A-A aus Figur 1.
Wie es aus Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein
Infrarotlichtsensorchip 1 ein Substrat 2 auf, das von einem Rahmen 3 gebildet ist. Der Rahmen 3 hat einen rechteckigen Grundriss, wobei eine Seite des Rahmens 3 von einem schmalen Rahmenabschnitt 4 und die anderen drei Seiten des Rahmens 3 von breiten Rahmenabschnitten 5 gebildet sind. Von dem Rahmen 3 wird eine Membran 6 aufgespannt, die an der Oberseite 8 des Rahmens 3 angeordnet ist. Der Rahmen 3 ist bevorzugt aus
Silizium und die Membran 6 ist bevorzugt aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid hergestellt, wobei aus einem
Siliziumwafer mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid eine Membranaussparung 7 derart abgetragen wird, dass der Rahmen 3 mit der Membran 6 ausgebildet werden.
Der Rahmen 3 und die Membran 6 bilden an der Substratoberseite 8 eine plane Fläche, wobei mittig auf der Membran 6 ein
Infrarotlichtsensor 9 angeordnet ist. Der Infrarotlichtsensor und die Membran 6 sind derart in ihren Grundrissen
dimensioniert, dass der Infrarotlichtsensor 9 im Grundriss innerhalb des Rahmens 3 und somit von der Membran 6 vollständi umringt angeordnet ist.
Der Infrarotlichtsensor 9 weist eine Basiselektrode 10 auf, die unmittelbar auf der Substratoberseite 8 angebracht ist. Auf der Basiselektrode 10 ist ein Sensorelement 11 angeordnet, das aus Blei-Zirkonat-Titanat hergestellt ist. Im Grundriss ist das Sensorelement 11 etwas kleiner als die Basiselektrode 10 dimensioniert, so dass die Basiselektrode 10 von dem
Sensorelement 11 auf der Substratoberseite 8 etwas vorsteht. Auf dem Sensorelement 11 ist eine Kopfelektrode 12 angeordnet, die im Grundriss mit dem Sensorelement 11 deckungsgleich ist. Das Sensorelement 11 ist sowohl mit der Basiselektrode 10 als auch mit der Kopfelektrode 12 elektrisch leitend verbunden, so dass Ladungsverschiebungen hervorgerufen durch eine
Infrarotlichtbestrahlung des Infrarotlichtsensors 9 abgreifbar sind.
Auf der Substratoberseite 8 ist auf dem breiten Randabschnitt 5 ein Widerstandsthermometer 13 integriert angebracht. Das
Widerstandsthermometer 13 weist eine Widerstandsbahn 14 auf, die entlang des breiten Rahmenabschnitts 5 und parallel zur zugewandten Seite der Basiselektrode 10 mäanderförmig verläuft. An den Längsenden der Widerstandsbahn 14 ist jeweils eine
Widerstandselektrode 15, 16 angebracht. Die Basiselektrode 10 und die Widerstandsbahn 14 sind aus
Platin und gleich dick. Die Länge der Widerstandsbahn 14 ist derart dimensioniert, dass das Widerstandsthermometer 13 einen elektrischen Widerstand von 1
Figure imgf000010_0001
hat. Die Dicke der
Widerstandsbahn 14 ist zwischen 400 und 100 nm und ihre Breite zwischen 5 bis 10 μm. Die Widerstandsbahn 14 ist unmittelbar benachbart und mit geringem Abstand zur Basiselektrode 10 angeordnet, auf der das Sensorelement 11 angeordnet ist. Der Wärmepfad von dem Sensorelement 11 zu der Widerstandsbahn 14 verläuft von dem Sensorelement 11 via die Basiselektrode 10, die Membran 6 und den breiten Rahmenabschnitt 5 zur
WiderStandsbahn 14. Der Wärmeleitungspfad ist derart kurz ausgebildet, dass sich die Temperatur der WiderStandsbahn 14 beim Betrieb des Infrarotlichtsensorchips nur unwesentlich von der Temperatur des Sensorelements 11 unterscheidet. Wird beispielsweise durch Anlegen einer Wheatstone' sehen Messbrücke an die Widerstandselektroden 15, 16 der elektrische Widerstand der Widerstandsbahn 14 gemessen, so ist ein genauer Rückschluss auf die aktuelle Temperatur des Sensorelements 11 ermöglicht. Beim Betrieb des Infrarotlichtsensorchips ist es für Kalibrationszwecke wichtig, die aktuelle Temperatur des
Sensorelements 11 möglichst genau zu kennen. Dadurch, dass mit dem erfindungsgemäß auf dem Substrat 2 vorgesehenen
Widerstandsthermometer 13 die aktuelle Temperatur des
Sensorelements 11 sehr genau bestimmbar ist, ist die
Messgenauigkeit des Infrarotlichtsensorchips 1 hoch . Zum Herstellen des Infrarotlichtsensorchips ist das Substrat 2 bereitzustellen, das den Rahmen 3 und die Membran 6 aufweist. Die Membran 6 und der Rahmen 3 sind an der Substratoberseite 8 bündig ausgebildet. Zum Herstellen der Basiselektrode 10 und der Widerstandsbahn 14 ist das Substrat 2 an der
Substratoberseite 8 mit Platin zu beschichten, so dass die
Substratoberseite 8 mit dem Platin bedeckt wird, wodurch auf
8 eine Platinschicht ausgebildet wird. Die Platinschicht wird auf der Oberseite 8 mit einem
Aufdampfverfahren hergestellt.
Auf die Platinschicht ist mit einem Sputter-Verfahren eine Blei-Zirkonat-TitanatSchicht und auf diese wiederum eine weitere Platinschicht zum Ausbilden der Kopfelektrode 12 aufzubringen. Durch Ätzen wird überschüssiges Material auf dem Substrat 2 entfernt, so dass von der ersten, unmittelbar auf dem Substrat 2 angeordneten Platinschicht die Widerstandsbahn 14 und die Basiselektrode 10 ausgebildet werden. Somit werden die Widerstandsbahn 14 und die Basiselektrode 10 beim
Aufdampfen der ersten Platinschicht und beim Entfernen des überschüssigen Materials jeweils in einem einzigen
Verfahrensschritt hergestellt , wodurch das Verfahren zum
Herstellen des Infrarotlichtsensorchips 1 einfach und
kostengünstig ist. Ferner wird aus der Blei-Zirkonat-TitanatSchicht das Sensorelement 11 und aus der auf der Blei-Zirkonat- Titanat-Schicht angeordneten zweiten Platinschicht die
Kopfelektrode 12 ausgebildet. Bezugs zeichenliste
1 Infrarotlichtsensorchip
2 Substrat
3 Rahmen
4 schmaler Rahmenabschnitt
5 breiter Rahmenabschnitt
6 Membran
7 Membranaussparung
8 Substratoberseite
9 Infrarotlichtsensor
10 Basiselektrode
11 Sensorelement
12 Kopfelektrode
13 Widerstandsthermometer
14 Widerstandsbahn
15 erste Widerstandselektrode
16 zweite Widerstandselektrode

Claims

Patentansprüche
1. Infrarotlichtsensorchip mit einem Substrat (2), einem
Infrarotlichtsensor (9), der eine Basiselektrode (10) aufweist, die an einer Seite (8) des Substrats (2) unmittelbar anliegt und mittels der der Infrarotlichtsensor (9) an dem Substrat (2) befestigt ist, und einem Widerstandsthermometer (13), das eine Widerstandsbahn (14) aufweist, die unmittelbar an der Seite (8) des Substrats (2) neben dem Infrarotlichtsensor (9) anliegt und für eine Messung der Temperatur des Substrats (2) durch das Widerstandsthermometer (13) eingerichtet ist, wobei die
Widerstandsbahn (14) aus dem Material der Basiselektrode (10) hergestellt ist.
2. Infrarotlichtsensorchip gemäß Anspruch 1, wobei das Material der Basiselektrode (10) Platin ist.
3. Infrarotlichtsensorchip gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Widerstandsbahn (14) und die Basiselektrode (10) gleich dick sind.
4. Infrarotlichtsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 und 3, wobei die Widerstandsbahn (14) mäanderförmig ausgebildet ist.
5. Infrarotlichtsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei das Widerstandsthermometer (13) an den Längsenden der Widerstandsbahn (14) jeweils eine Widerstandselektrode (15, 16) zum elektronischen Abgreifen des aktuellen elektrischen
Widerstands der Widerstandsbahn (14) aufweist.
6. Infrarot!ichtsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei das Substrat (2) einen Rahmen (3) und eine Membran (6) aufweist, die von dem Rahmen (3) aufgespannt ist, wobei der Infrarotlichtsensor (9) mit seiner Basiselektrode (10) auf der Membran (6) und das Widerstandsthermometer ( 13 ) mit seiner Widerstandsbahn ( 14 ) auf dem Rahmen (3) angeordnet sind .
7. Infrarotlichtsensorchip gemäß Anspruch 6, wobei der Rahmen (3) an der Stelle, an der das Widerstandsthermometer (13) angeordnet ist, breiter als an den anderen Stellen ausgebildet ist .
8. Infrarotlichtsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Infrarotlichtsensor (9) ein Sensorelement (11) aufweist, das auf der Basiselektrode (10) angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist.
9. Infrarotlichtsensorchip gemäß Anspruch 8, wobei das Material des Sensorelements (11) Blei-Zirkonat-Titanat ist.
10. Infrarotlichtsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Infrarotlichtsensorchip (1) mit einem
Dünnschichtverfahren hergestellt ist.
11. Infrarotlichtsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Widerstandsbahn (14) eine Dicke von 40 bis 100 nm und/oder eine Breite von 5 bis 10 μm und/oder einen
elektrischen Widerstand von 1
Figure imgf000014_0001
bei Raumtemperatur hat.
12. Verfahren zum Herstellen eines Infrarotlichtsensorchips (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, mit den Schritten:
- Bereitstellen des Substrats (2) ;
- Beschichten des Substrats (2) an der Seite (8) mit dem
Basiselektrodenmaterial, so dass die Seite (8) von einer
Basiselektrodenmaterialschicht bedeckt wird;
- Entfernen von überschüssigem Material der
Basiselektrodenmaterialschicht, so dass die Basiselektrode (10) und die Widerstandsbahn (14) an der Seite (8) des Substrats (2) ausgebildet werden;
- Fertigstellen des Infrarotlichtsensors (1) .
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei zum Beschichten des
Substrats (2) das Basiselektrodenmaterial auf das Substrat (2) aufgedampft wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, mit dem Schritt:
Beschichten der Basiselektrodenschicht mit dem
Sensorelementmaterial .
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei zum Beschichten der Basiselektrodenschicht das Sensorelementmaterial auf die
Basiselektrodenschicht mit einem Sputter-Verfahren aufgebracht wird .
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