WO2018024419A1 - Pyroelectric sensor for detecting electromagnetic radiation - Google Patents

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WO2018024419A1
WO2018024419A1 PCT/EP2017/066448 EP2017066448W WO2018024419A1 WO 2018024419 A1 WO2018024419 A1 WO 2018024419A1 EP 2017066448 W EP2017066448 W EP 2017066448W WO 2018024419 A1 WO2018024419 A1 WO 2018024419A1
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WO
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pixel
electrode
substrate material
pyroelectric
pyroelectric sensor
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PCT/EP2017/066448
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Inventor
Ingo Herrmann
Fabian Henrici
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/34Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
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    • G01J5/0245Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity for performing thermal shunt

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring electromagnetic radiation, in particular heat radiation, with a pyroelectric sensor, wherein the pyroelectric sensor has a pixel array with a plurality of pixels, which are movably received on a substrate material, and wherein the pixels have a pyroelectric layer, the at least is formed in sections between a bottom electrode and a roof electrode of the pyroelectric sensor. Furthermore, the invention relates to a pyroelectric sensor for carrying out the method.
  • DE 697 36 225 T2 shows by way of example a sensor for detecting electromagnetic radiation, in particular heat radiation, comprising a pixel array with a plurality of pixels, the pixels having a substrate material and an absorber material which is arranged on the substrate material.
  • a sensor for detecting electromagnetic radiation in particular heat radiation
  • the pixels having a substrate material and an absorber material which is arranged on the substrate material.
  • several exemplary embodiments are shown in which geometric configuration the pixels can be embodied.
  • EP 0 716 293 A1 discloses a radiation detector with a sensitive bimetallic cantilever arm connected at one end to a radiation absorbing membrane and a reference cantilever arm which may also be bimetallic. Under the influence of incident radiation on the membrane, the free end of the sensitive arm, due to its heating, approaches the free end of the reference arm to alter the electrical capacitance between the two free ends.
  • a basis of the principle as well as further examples of radiation detectors using an element consisting of two metals is shown in US Pat. No. 3,415,712 A.
  • microbolometers work alternatively based on diodes and are also known from the prior art, see for example DE 697 16 546 T2.
  • the principle of the microbolometer based on diodes based on the fact that temperature-sensitive components are provided in a series circuit of, for example, four diodes.
  • the measured variable forms the differential voltage of two pixels with identical current supply.
  • a first pixel is an active pixel, which is characterized by a large thermal insulation and thus a high temperature swing upon irradiation.
  • the second pixel is thermally much better connected to the substrate and serves to compensate the self-heating by the current itself and the compensation of the high offset as a result of the chip temperature. This compensation is necessary because the actual measurement signal is only a microvolt to a millivolt at an offset of about 2.5 volts.
  • pyroelectric radiation sensors have pyroelectric materials with electrodes arranged on opposite surfaces.
  • pyroelectric materials serve, for example, thin platelets which form the individual pixels and which are formed of lithium tantalate or preferably lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the sensor elements form capacitors with a small capacitance.
  • the polarization of the material changes. The resulting redistribution of equalizing charges on the surface of the material causes a current to flow in an upstream sensor circuit.
  • the change in the polarization of the pyroelectric layer is measured by the change in temperature upon absorption of electromagnetic radiation, preferably in the wavelength range between 7 ⁇ and 15 ⁇ , in which objects around room temperature emit most of their thermal radiation.
  • the polarization per se is usually measured via a charge amplifier.
  • the amount of polarization change is dependent on the rate of change of the temperature, with the largest possible measurement signal is desirable due to a large rate of change.
  • the disadvantage here is the thermal inertia of the pixels, which results in a long-term drift, since the pixel, which generally has a free surface above the substrate, heats up as the irradiation duration increases. The consequence of this long-term drift is a decreasing polarization change, resulting in disadvantageously a signal attenuation.
  • the object of the invention is to improve the structure and function of a pyroelectric sensor for detecting electromagnetic radiation, in particular heat radiation.
  • the sensor should have improved thermal behavior and enable better signal stability.
  • the method according to the invention provides the following steps: irradiating the pyroelectric layer with an electromagnetic radiation, producing at least indirect contact between the pixel and the substrate material by moving the pixel towards it Substrate material out of a starting position, so that a thermal short circuit between the pixel and the substrate material is prepared, reading a charge transfer in the pyroelectric layer on the bottom electrode and the roof electrode and returning the pixel in the initial position spaced from the substrate material.
  • Core of the invention is a rapid temperature change in the pyroelectric layer by a thermal short circuit with the substrate material, so that an increase in the charge transfer is achieved, which in turn can lead to a stronger measurement signal.
  • the pyroelectric layer can be brought to substrate temperature very rapidly, and the rapid temperature change leads to a large change in polarization in the material of the pyroelectric layer and consequently to a large measurement signal.
  • the pixel In the starting position, the pixel is substantially levitating over the substrate material and has no significant solid state contacts, so that when exposed to electromagnetic radiation, the pyroelectric layer of the pixel can strongly heat up.
  • the pixel is strongly cooled by the substrate material, wherein the cooling is preferably generated only for at least one readout of the charge transfer in the pyroelectric layer.
  • the pyroelectric sensor has a first short-circuit electrode arranged at the pixel and a second one
  • Shorting electrode disposed on the substrate material, and drawing the pixel to the substrate material from the starting position is carried out by applying an electrical voltage between the first short-circuiting electrode and the second short-circuiting electrode.
  • the drawing of the pixel onto the substrate material takes place electrostatically until the pixel reaches the sub- stratmaterial touched and in a way a thermal short circuit is generated. Due to the thermal short circuit, the heat introduced by the electromagnetic radiation into the pixel can be quickly dissipated into the substrate material, which leads to a strong measurement signal due to the resulting charge displacement.
  • the return of the pixel in the substrate material spaced starting position is effected by switching off the voltage between the first short-circuit electrode and the second short-circuit electrode.
  • the switching off of the voltage between the short-circuiting electrodes takes place when the charge displacement has been measured, wherein the charge displacement is generally also referred to as pyroelectric voltage.
  • the time of producing the at least indirect contact between the pixel and the substrate material and the time of reading out the charge transfer in the pyroelectric layer coincide at a common time. As soon as the contact is established, and thus the thermal short circuit, the readout of the charge transfer and thus the measurement of the pyroelectric voltage takes place, and as soon as the short-circuiting electrodes are no longer energized, the measurement is stopped.
  • Another advantage is the possibility that after reading the charge transfer in the pyroelectric layer on the bottom electrode and the roof electrode, a further measurement is made, wherein by a
  • the noise components contained in both measurements can be separated from the signal and eliminated.
  • the method of external shoppering of the signal source which is partly used in the prior art, for example by a mechanical component which interrupts the beam path periodically, achieves the same advantage, but can often be done not or only with significant additional costs and other disadvantages such as noise development realize.
  • the invention is further directed to a pyroelectric sensor for measuring electromagnetic radiation, in particular heat radiation, wherein the sensor has a pixel array with a plurality of pixels, which are movably received on a substrate material, and wherein the pixels have a pyroelectric layer, the at least is formed in sections between a bottom electrode and a roof electrode of the pyroelectric sensor, and according to the invention, the pyroelectric sensor has a first shorting electrode arranged on the pixel and a second shorting electrode in arrangement on the substrate material, wherein when applying a voltage to the shorting electrodes at least indirectly between the pixel and the substrate material, a contact can be produced.
  • the method described above is practicable and the contact between the pixel and the substrate material leads to a thermal short circuit, so that the pixel has a high temperature change rate, which high temperature change rate leads to a large polarization change. A correspondingly large measurement signal can consequently be measured by a corresponding readout unit.
  • the pyroelectric sensor according to the present invention has a plurality of pixels, wherein the substrate material for the plurality of pixels can be formed uniformly and in one piece.
  • the first short-circuiting electrode is formed on the pixel by the bottom electrode of the pixel. Consequently, only a single electrical connection is used to form both the bottom electrode and the short-circuit electrode, with the applied electrical signals and voltages between the bottom electrode and the roof electrode and between the short-circuit electrodes being galvanically separated from one another.
  • a cavity is formed in the substrate material below the pixel, wherein the second short-circuiting electrode is formed below the pixel on the bottom of the cavity.
  • the cavity can either be formed by an etched recess in the substrate material, or there are posts arranged laterally to the pixel, which are constructed on the surface of the substrate material. Consequently, a cavity or cavern arises between the posts, and on the bottom of the cavity or cavern, the second shorting electrode is located immediately below the pixel.
  • the second shorting electrode may have a non-stick coating to prevent the pixel from adhering to the bottom of the cavity.
  • the pixels are accommodated by means of a pair of mechanical support structures, wherein the bottom electrode with a first mechanical support structure and the roof electrode with a second, in particular opposite mechanical support structure are at least structurally identical and / or arranged on the support structures.
  • the support structures advantageously have a meandering shape, wherein the bottom electrode and / or the roof electrode form a respective thin-film conductor on the meander-shaped support structures.
  • the meandering shape of the support structures makes it possible to make them very long, so that the pixel is essentially thermally decoupled from the substrate material.
  • FIG. 1 shows a plan view of a first exemplary embodiment of a pyroelectric sensor with the features of the invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through the pyroelectric sensor according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a pyroelectric sensor with the features of the invention and
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view through the exemplary embodiment of the pyroelectric sensor according to FIG. 3.
  • Figure 1 shows a plan view of a pyroelectric sensor 1 in a schematic representation. Laterally there are parts of the substrate material 11, which are designed in the form of posts 19.
  • the pyroelectric sensor 1 has as an essential component a pixel 10, wherein an array of many pixels 10 is formed to form a pyroelectric sensor 1, and only a single pixel 10 is shown for the present illustration.
  • the pixel 10 is movably received on support structures 18, which are executed meander-shaped. With the support structures 18, the pixel 10 is held between the posts 19, and the support structures 18 are formed opposite to the pixel 10 and hang the pixel 10 between the two posts 19 of the substrate material 11 shown.
  • the pixel 10 has, as an essential structure, a pyroelectric layer 12, and the pyroelectric layer 12 is contacted via two electrodes, the plan view showing the roof electrode 14. This is designed rectangular and leaves a particular inner part free, so that an electromagnetic radiation can directly irradiate the pyroelectric layer 12 without this would be covered on the top side of the roof electrode 14.
  • a bottom electrode 13 is electrically isolated from the roof electrode 14 with an insulation 21 and contacts the pyroelectric layer 12 from the underside. Since the bottom electrode 13 engages under the pyroelectric layer 12, only a strip-like side view of the bottom electrode 13 can be seen.
  • the insulation 21 extends between the roof electrode 14 and the bottom electrode 13.
  • the bottom electrode 13 is formed in a manner not shown in detail structurally with the left support structure 18, and the roof electrode 14 is structurally formed with the right support structure 18.
  • FIG 2 shows a cross-sectional view of the pyroelectric sensor 1 according to the embodiment in Figure 1.
  • the cross-sectional view illustrates the Forming the substrate material 11 with laterally formed posts 19, between which the pixel 10 is suspended via the support structures 18.
  • On top of the support structures 18 are the bottom electrode 13 on the left side and the roof electrode 14 on the right side, and the bottom electrode 13 engages under the pyroelectric layer 12 and the roof electrode 14 passes over the pyroelectric layer 12 with a window-like opening as in FIG Top view shown in Figure 1.
  • the cross-sectional view shows the insulation 21 for electrical insulation between the bottom electrode 13 and the roof electrode 14.
  • a cavity 17 is formed by the formation of the posts 19, into which the pyroelectric layer 12 extends.
  • the bottom electrode 13 furthermore forms a first short-circuit electrode 15, and on the bottom of the cavity 17 there is a second short-circuit electrode 16, which is coated on the upper side with an anti-adhesion layer 22. If a voltage is applied between the first short-circuit electrode 15, formed by the bottom electrode 13, and the second short-circuit electrode 16, contacted via a feed line 20, then the pixel 10 is electrostatically attracted to the bottom of the cavity 17 and thus to the substrate material 11. The result is a very rapid cooling of previously heated with an electromagnetic radiation pixel 10. This allows a high temperature change rate can be achieved, whereby a large pyroelectric signal on the bottom electrode 13 and the roof electrode 14 can be tapped.
  • Figure 2 shows a slightly modified embodiment of the pyroelectric
  • FIG. 4 shows the embodiment of Figure 3, and the pyroelectric layer 12 is in contact between the bottom-side bottom electrode 13 and the top-side roof electrode 14.
  • the bottom electrode 13 is constructed on the right side integral with the support structure 18, and the roof electrode 14 is structurally on the left with the support structure 19 executed.
  • the pixel 10 is movably received between the two posts 19 of the substrate material 11.
  • the underside of the pixel 10 extends into the cavity 17 and has a first short-circuiting electrode 15, which is embodied separately from the bottom electrode 13.
  • the second shorting electrode 16 On the bottom of the cavity 17 is the second shorting electrode 16 with an anti-adhesion layer 22 applied thereto.
  • the voltage supply of the short-circuiting electrodes 15 and 16 can be effected galvanically separated from the voltage measurement between the bottom electrode 13 and the roof electrode 14.
  • the contacting of the second short-circuit electrode 16 via the supply line 20, the contacting of the first short-circuit electrode 15 is not shown in detail.

Abstract

The invention relates to a method for measuring electromagnetic radiation, in particular thermal radiation, with a pyroelectric sensor (1), and the invention relates to a pyroelectric sensor (1) for carrying out the method, wherein the pyroelectric sensor (1) has a pixel array comprising a multiplicity of pixels (10), which are mounted movably over a substrate material (11), and wherein the pixels (10) have a pyroelectric layer (12), which is formed at least partly between a bottom electrode (13) and a top electrode (14) of the pyroelectric sensor (1), wherein the method comprises at least the following steps: irradiating the pyroelectric layer (12) with an electromagnetic radiation, establishing at least indirect contact between the pixel (10) and the substrate material (11) by moving the pixel (10) up to the substrate material (11) from a starting position so as to produce a thermal short-circuit between the pixel (10) and the substrate material (11), reading out a charge transfer in the pyroelectric layer (12) via the bottom electrode (13) and the top electrode (14) and returning the pixel (10) to the starting position away from the substrate material (11).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Pyroelektrischer Sensor zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung  Pyroelectric sensor for the detection of electromagnetic radiation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, mit einem pyroelektrischen Sensor, wobei der pyroelektrische Sensor ein Pixelarray mit einer Vielzahl von Pixeln aufweist, die über einem Substratmaterial beweglich aufgenommen sind, und wobei die Pixel eine pyroelektrische Schicht aufweisen, die wenigstens abschnittsweise zwischen einer Bodenelektrode und einer Dachelektrode des pyroelektrischen Sensors ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen pyroelektrischen Sensor zur Ausführung des Verfahrens. The invention relates to a method for measuring electromagnetic radiation, in particular heat radiation, with a pyroelectric sensor, wherein the pyroelectric sensor has a pixel array with a plurality of pixels, which are movably received on a substrate material, and wherein the pixels have a pyroelectric layer, the at least is formed in sections between a bottom electrode and a roof electrode of the pyroelectric sensor. Furthermore, the invention relates to a pyroelectric sensor for carrying out the method.
STAND DER TECHNI K STATE OF THE ART
Die DE 697 36 225 T2 zeigt beispielhaft einen Sensor zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, umfassend ein Pixelarray mit einer Vielzahl von Pixeln, wobei die Pixel ein Substratmaterial und ein Absorbermaterial aufweisen, welches auf dem Substratmaterial angeordnet ist. Dabei sind mehrere Ausführungsbeispiele gezeigt, in welcher geometrischen Ausgestaltung die Pixel ausgeführt sein können.  DE 697 36 225 T2 shows by way of example a sensor for detecting electromagnetic radiation, in particular heat radiation, comprising a pixel array with a plurality of pixels, the pixels having a substrate material and an absorber material which is arranged on the substrate material. In this case, several exemplary embodiments are shown in which geometric configuration the pixels can be embodied.
Die EP 0 716 293 AI zeigt einen Strahlungsdetektor mit einem empfindlichen bimetallischen Auslegearm, der an einem Ende mit einer eine Strahlung absorbierenden Membran verbunden ist, sowie ein Referenz-Auslegearm, der ebenfalls bimetallisch sein kann. Unter dem Einfluss von auf die Membran einfallender Strahlung nähert sich das freie Ende des empfindlichen Arms aufgrund seiner Erwärmung dem freien Ende des Referenzarms, um die elektrische Kapazität zwischen den beiden freien Enden zu verändern. Eine Grundlage des Prinzips sowie weitere Beispiele von Strahlungsdetektoren unter Verwendung eines beispielsweise aus zwei Metallen bestehenden Elements zeigt die US 3,415,712 A. Den bekannten Ausführungen der Pixel ist gemeinsam, dass sich diese nicht oder nur bedingt zur Anordnung in einem sehr kleinen Pixelarray zum Bau von Mikrobolometern eignen und durch die Aufhängung der Absorbermaterialien über dem Substratmaterial Verkippungen erfahren können, wodurch die Messung der Wärmestrahlung und somit die bildgebende Qualität des thermischen Sensors verschlechtert wird. Mikrobolometer arbeiten alternativ auf Basis von Dioden und sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, siehe beispielsweise DE 697 16 546 T2. EP 0 716 293 A1 discloses a radiation detector with a sensitive bimetallic cantilever arm connected at one end to a radiation absorbing membrane and a reference cantilever arm which may also be bimetallic. Under the influence of incident radiation on the membrane, the free end of the sensitive arm, due to its heating, approaches the free end of the reference arm to alter the electrical capacitance between the two free ends. A basis of the principle as well as further examples of radiation detectors using an element consisting of two metals is shown in US Pat. No. 3,415,712 A. The known designs of the pixels have in common that they do not or only partially for arrangement in a very small pixel array for the construction of microbolometers are suitable and can be tilted by the suspension of the absorber over the substrate material, whereby the measurement of the heat radiation and thus the imaging quality of the thermal sensor is deteriorated. Microbolometers work alternatively based on diodes and are also known from the prior art, see for example DE 697 16 546 T2.
Das Prinzip des Mikrobolometers auf Basis von Dioden beruht darauf, dass temperatursensitive Bauelemente in einer Reihenschaltung von beispielsweise vier Dioden vorgesehen sind. Die Messgröße bildet dabei die Differenzspannung zweier Pixel bei identischer Bestromung. Bei einem ersten Pixel handelt es sich dabei um ein aktives Pixel, welches durch eine große thermische Isolation und damit einen hohen Temperaturhub bei Einstrahlung gekennzeichnet ist. Das zweite Pixel ist thermisch deutlich besser an das Substrat angebunden und dient der Kompensation der Eigenerwärmung durch die Bestromung selbst und der Kompensation des hohen Offsets in Folge der Chiptemperatur. Diese Kompensation ist notwendig, da das eigentliche Messsignal nur ein Mikrovolt bis ein Millivolt bei einem Offset von circa 2,5 Volt beträgt. The principle of the microbolometer based on diodes based on the fact that temperature-sensitive components are provided in a series circuit of, for example, four diodes. The measured variable forms the differential voltage of two pixels with identical current supply. A first pixel is an active pixel, which is characterized by a large thermal insulation and thus a high temperature swing upon irradiation. The second pixel is thermally much better connected to the substrate and serves to compensate the self-heating by the current itself and the compensation of the high offset as a result of the chip temperature. This compensation is necessary because the actual measurement signal is only a microvolt to a millivolt at an offset of about 2.5 volts.
Bolometer auf Basis des Bimetalleffekts mit optischer Auswertung und lateral neben dem Pixel angeordneten Bimetallärmchen und Schichtstresskompensations- strukturen sind ebenfalls bekannt. Nachteilig ist dabei ein geringer Füllfaktor, eine komplizierte optische Auswertung und die Nutzung von häufig nicht CMOS- kompatiblen Materialien. Bolometers based on the bimetallic effect with optical evaluation and laterally next to the pixel arranged bimetallic and Schichtstresskompensations- structures are also known. The disadvantage here is a low fill factor, a complicated optical evaluation and the use of often not CMOS compatible materials.
Sogenannte pyroelektrische Strahlungssensoren weisen pyroelektrische Materialien mit an entgegengesetzten Flächen angeordneten Elektroden auf. Als pyroelektrische Materialien dienen beispielsweise dünne Plättchen, die die einzelnen Pixel bilden und die aus Lithiumtantalat oder bevorzugt Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ausgebildet sind. Die Sensorelemente bilden Kondensatoren mit geringer Kapazität. Bei einer Temperaturänderung des pyroelektrischen Materials, so auch als Folge der Absorption von elektromagnetischer Strahlung, ändert sich die Polarisation des Materials. Die sich daraus ergebende Umverteilung von an der Oberfläche des Materials liegenden Ausgleichsladungen bewirkt das Fließen eines Stromes in einem vorgeschalteten Sensorschaltkreis. So-called pyroelectric radiation sensors have pyroelectric materials with electrodes arranged on opposite surfaces. As pyroelectric materials serve, for example, thin platelets which form the individual pixels and which are formed of lithium tantalate or preferably lead zirconate titanate (PZT). The sensor elements form capacitors with a small capacitance. At a temperature change of the pyroelectric material, so also as a result of the absorption of electromagnetic radiation, the polarization of the material changes. The resulting redistribution of equalizing charges on the surface of the material causes a current to flow in an upstream sensor circuit.
Gemessen wird dabei die Änderung der Polarisation der pyroelektrischen Schicht durch die Änderung der Temperatur bei Absorption von elektromagnetischer Strahlung, vorzugweise im Wellenlängenbereich zwischen 7μηη und 15μηη, in dem Objekte rund um Raumtemperatur den größten Teil ihrer Wärmestrahlung abgeben. Die Polarisation an sich wird üblicherweise über einen Ladungsverstärker gemessen. Die Höhe der Polarisationsänderung ist dabei abhängig von der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur, wobei ein möglichst großes Messsignal aufgrund einer großen Änderungsgeschwindigkeit wünschenswert ist. Nachteilig ist dabei die thermische Trägheit der Pixel, woraus sich ein Langzeitdrift ergibt, da sich das in der Regel frei über dem Substrat befindende Pixel mit zunehmender Bestrahlungsdauer aufheizt. Die Folge dieses Langzeitdriftes ist eine kleiner werdende Polarisationsänderung, woraus sich nachteil hafterweise eine Signalschwächung ergibt. The change in the polarization of the pyroelectric layer is measured by the change in temperature upon absorption of electromagnetic radiation, preferably in the wavelength range between 7μηη and 15μηη, in which objects around room temperature emit most of their thermal radiation. The polarization per se is usually measured via a charge amplifier. The amount of polarization change is dependent on the rate of change of the temperature, with the largest possible measurement signal is desirable due to a large rate of change. The disadvantage here is the thermal inertia of the pixels, which results in a long-term drift, since the pixel, which generally has a free surface above the substrate, heats up as the irradiation duration increases. The consequence of this long-term drift is a decreasing polarization change, resulting in disadvantageously a signal attenuation.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Aufbaus und der Funktion eines pyroelektrischen Sensors zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung. Im Besonderen soll der Sensor ein verbessertes thermisches Verhalten aufweisen und eine bessere Signalstabilität ermöglichen.  The object of the invention is to improve the structure and function of a pyroelectric sensor for detecting electromagnetic radiation, in particular heat radiation. In particular, the sensor should have improved thermal behavior and enable better signal stability.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem pyroelektrischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen an- gegeben. This object is achieved on the basis of a pyroelectric sensor according to the preamble of claim 1 with the characterizing features. Advantageous developments of the invention are given in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Lösung der Aufgabe die folgenden Schritte vor: Bestrahlen der pyroelektrischen Schicht mit einer elektromagnetischen Strahlung, Herstellen eines wenigstens indirekten Kontaktes zwischen dem Pixel und dem Substratmaterial durch Heranbewegen des Pixels an das Substratmaterial aus einer Ausgangslage heraus, sodass ein thermischer Kurz- schluss zwischen dem Pixel und dem Substratmaterial hergestellt wird, Auslesen einer Ladungsverschiebung in der pyroelektrischen Schicht über die Bodenelektrode und die Dachelektrode und Rückführen des Pixels in die zum Substratmate- rial beabstandete Ausgangslage. In order to achieve the object, the method according to the invention provides the following steps: irradiating the pyroelectric layer with an electromagnetic radiation, producing at least indirect contact between the pixel and the substrate material by moving the pixel towards it Substrate material out of a starting position, so that a thermal short circuit between the pixel and the substrate material is prepared, reading a charge transfer in the pyroelectric layer on the bottom electrode and the roof electrode and returning the pixel in the initial position spaced from the substrate material.
Kern der Erfindung ist eine rasche Temperaturänderung in der pyroelektrischen Schicht durch einen thermischen Kurzschluss mit dem Substratmaterial, sodass eine Vergrößerung der Ladungsverschiebung erreicht wird, welche wiederum zu einem stärkeren Messsignal führen kann. Mit anderen Worten kann die pyro- elektrische Schicht sehr schnell auf Substrattemperatur gebracht werden, und die schnelle Temperaturänderung führt zu einer großen Polarisationsänderung im Material der pyroelektrischen Schicht und folglich zu einem großen Messsignal. In der Ausgangslage befindet sich das Pixel im Wesentlichen frei schwebend über dem Substratmaterial und weist keine wesentlichen Festkörperkontakte auf, sodass bei einer elektromagnetischen Bestrahlung die pyroelektrische Schicht des Pixels stark aufheizen kann. Erst bei einer Beendigung der Bestrahlung kann eine Ladungsverschiebung durch die Temperaturänderung gemessen werden, indem sich die Polarisationsänderung durch die Temperaturänderung einstellt und je stärker die Temperaturänderung ist, desto größer ist die Polarisationsänderung und desto stärker wird das messbare Signal. Das Pixel wird erfindungsgemäß also durch das Substratmaterial stark abgekühlt, wobei die Abkühlung vorzugsweise nur zum wenigstens einmaligen Auslesen der Ladungsverschiebung in der pyroelektrischen Schicht erzeugt wird. Durch das anschließende Rückführen des Pixels in die zum Substratmaterial wieder beabstandete Ausgangslage kann durch eine erneute Bestrahlung der pyroelektrischen Schicht mit einer elektromagnetischen Strahlung eine Aufheizung des Pixels wieder erfolgen. Core of the invention is a rapid temperature change in the pyroelectric layer by a thermal short circuit with the substrate material, so that an increase in the charge transfer is achieved, which in turn can lead to a stronger measurement signal. In other words, the pyroelectric layer can be brought to substrate temperature very rapidly, and the rapid temperature change leads to a large change in polarization in the material of the pyroelectric layer and consequently to a large measurement signal. In the starting position, the pixel is substantially levitating over the substrate material and has no significant solid state contacts, so that when exposed to electromagnetic radiation, the pyroelectric layer of the pixel can strongly heat up. Only upon completion of the irradiation can a charge shift by the temperature change be measured by adjusting the polarization change by the temperature change and the stronger the temperature change, the greater the polarization change and the stronger the measurable signal becomes. Thus, according to the invention, the pixel is strongly cooled by the substrate material, wherein the cooling is preferably generated only for at least one readout of the charge transfer in the pyroelectric layer. By subsequently returning the pixel to the starting position again spaced from the substrate material, heating of the pixel can take place again by renewed irradiation of the pyroelectric layer with electromagnetic radiation.
Um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, weist der pyroelektrische Sensor eine erste Kurzschlusselektrode in Anordnung am Pixel und eine zweiteIn order to carry out the method according to the invention, the pyroelectric sensor has a first short-circuit electrode arranged at the pixel and a second one
Kurzschlusselektrode in Anordnung am Substratmaterial auf, und das Heranziehen des Pixels an das Substratmaterial aus der Ausgangslage heraus wird durch ein Anlagen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Kurzschlusselektrode und der zweiten Kurzschlusselektrode ausgeführt. Das Heranziehen des Pi- xels an das Substratmaterial erfolgt dabei elektrostatisch, bis das Pixel das Sub- stratmaterial berührt und in gewisser Weise ein thermischer Kurzschluss erzeugt wird. Durch den thermischen Kurzschluss kann die durch die elektromagnetische Strahlung eingebrachte Wärme in das Pixel schnell in das Substratmaterial abgeleitet werden, was durch die sich ergebende Ladungsverschiebung zu einem starken Messsignal führt. Shorting electrode disposed on the substrate material, and drawing the pixel to the substrate material from the starting position is carried out by applying an electrical voltage between the first short-circuiting electrode and the second short-circuiting electrode. The drawing of the pixel onto the substrate material takes place electrostatically until the pixel reaches the sub- stratmaterial touched and in a way a thermal short circuit is generated. Due to the thermal short circuit, the heat introduced by the electromagnetic radiation into the pixel can be quickly dissipated into the substrate material, which leads to a strong measurement signal due to the resulting charge displacement.
Das Rückführen des Pixels in die zum Substratmaterial beabstandete Ausgangslage erfolgt dabei durch eine Abschaltung der Spannung zwischen der ersten Kurzschlusselektrode und der zweiten Kurzschlusselektrode. Die Abschaltung der Spannung zwischen den Kurzschlusselektroden erfolgt dann, wenn die Ladungsverschiebung gemessen wurde, wobei die Ladungsverschiebung allgemein auch als pyroelektrische Spannung bezeichnet wird. The return of the pixel in the substrate material spaced starting position is effected by switching off the voltage between the first short-circuit electrode and the second short-circuit electrode. The switching off of the voltage between the short-circuiting electrodes takes place when the charge displacement has been measured, wherein the charge displacement is generally also referred to as pyroelectric voltage.
Mit weiterem Vorteil fallen der Zeitpunkt des Herstellens des wenigstens indirek- ten Kontaktes zwischen dem Pixel und dem Substratmaterial und der Zeitpunkt des Auslesens der Ladungsverschiebung in der pyroelektrischen Schicht zu einem gemeinsamen Zeitpunkt zusammen. Sobald der Kontakt und damit der thermische Kurzschluss hergestellt ist, erfolgt die Auslesung der Ladungsverschiebung und damit die Messung der pyroelektrischen Spannung, und sobald die Kurzschlusselektroden nicht mehr bestromt werden, wird die Messung gestoppt. With further advantage, the time of producing the at least indirect contact between the pixel and the substrate material and the time of reading out the charge transfer in the pyroelectric layer coincide at a common time. As soon as the contact is established, and thus the thermal short circuit, the readout of the charge transfer and thus the measurement of the pyroelectric voltage takes place, and as soon as the short-circuiting electrodes are no longer energized, the measurement is stopped.
Mit weiterem Vorteil besteht die Möglichkeit, dass nach dem Auslesen der Ladungsverschiebung in der pyroelektrischen Schicht über die Bodenelektrode und die Dachelektrode eine weitere Messung vorgenommen wird, wobei durch eineAnother advantage is the possibility that after reading the charge transfer in the pyroelectric layer on the bottom electrode and the roof electrode, a further measurement is made, wherein by a
Differenzbildung der gemessenen Signale aus den nacheinander erfolgten Ladungsverschiebungen Offset- und Rauschanteile eliminiert werden können. Folglich kann neben der beschriebenen Signalerhöhung auch der Vorteil genutzt werden, dass ein sogenanntes„correlated double-sampling" möglich wird, bei dem durch Messungen einmal mit und einmal ohne Signal, also vor und nach derDifference formation of the measured signals from the successive charge shifts offset and noise components can be eliminated. Consequently, in addition to the described signal increase and the advantage can be used that a so-called "correlated double-sampling" is possible, in which by measurements once with and once without signal, ie before and after the
Herstellung des thermischen Kurzschlusses, die in beiden Messungen enthaltenen Rauschanteile vom Signal getrennt und eliminiert werden können. Die im Stand der Technik teilweise verwendete Methode des externen Shopperns der Signalquelle zum Beispiel durch ein mechanisches Bauteil, das den Strahlen- gang periodisch unterbricht, erzielt dabei denselben Vorteil, lässt sich jedoch oft nicht oder nur mit signifikanten Zusatzkosten und anderen Nachteilen wie zum Beispiel einer Geräuschentwicklung realisieren. Establishment of the thermal short circuit, the noise components contained in both measurements can be separated from the signal and eliminated. The method of external shoppering of the signal source, which is partly used in the prior art, for example by a mechanical component which interrupts the beam path periodically, achieves the same advantage, but can often be done not or only with significant additional costs and other disadvantages such as noise development realize.
Die Erfindung richtet sich weiterhin auf einen pyroelektrischen Sensor zur Messung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, wobei der Sensor ein Pixelarray mit einer Vielzahl von Pixeln aufweist, die über einem Substratmaterial beweglich aufgenommen sind, und wobei die Pixel eine pyroelektri- sche Schicht aufweisen, die wenigstens abschnittsweise zwischen einer Bodenelektrode und einer Dachelektrode des pyroelektrischen Sensors ausgebildet ist, und erfindungsgemäß weist der pyroelektrische Sensor eine erste Kurzschlusselektrode in Anordnung am Pixel und eine zweite Kurzschlusselektrode in Anordnung am Substratmaterial auf, wobei bei Anlegen einer Spannung an den Kurzschlusselektroden wenigstens indirekt zwischen dem Pixel und dem Substratmaterial ein Kontakt herstellbar ist. Mit dem pyroelektrischen Sensor ist das vorstehend beschriebene Verfahren ausführbar und der Kontakt zwischen Pixel und Substratmaterial führt zu einem thermischen Kurzschluss, sodass das Pixel eine hohe Temperaturänderungsgeschwindigkeit aufweist, welche hohe Temperaturänderungsgeschwindigkeit zu einer großen Polarisationsänderung führt. Ein entsprechend großes Messsignal kann folglich durch eine entsprechende Ausleseeinheit gemessen werden. The invention is further directed to a pyroelectric sensor for measuring electromagnetic radiation, in particular heat radiation, wherein the sensor has a pixel array with a plurality of pixels, which are movably received on a substrate material, and wherein the pixels have a pyroelectric layer, the at least is formed in sections between a bottom electrode and a roof electrode of the pyroelectric sensor, and according to the invention, the pyroelectric sensor has a first shorting electrode arranged on the pixel and a second shorting electrode in arrangement on the substrate material, wherein when applying a voltage to the shorting electrodes at least indirectly between the pixel and the substrate material, a contact can be produced. With the pyroelectric sensor, the method described above is practicable and the contact between the pixel and the substrate material leads to a thermal short circuit, so that the pixel has a high temperature change rate, which high temperature change rate leads to a large polarization change. A correspondingly large measurement signal can consequently be measured by a corresponding readout unit.
Der pyroelektrische Sensor im Sinne der vorliegenden Erfindung weist eine Vielzahl von Pixeln auf, wobei das Substratmaterial für die Vielzahl der Pixel einheitlich und einteilig ausgebildet sein kann. The pyroelectric sensor according to the present invention has a plurality of pixels, wherein the substrate material for the plurality of pixels can be formed uniformly and in one piece.
Beispielsweise ist die erste Kurzschlusselektrode in Anordnung am Pixel durch die Bodenelektrode des Pixels gebildet. Folglich wird lediglich ein einziger elektrischer Anschluss zur Bildung sowohl der Bodenelektrode als auch der Kurzschlusselektrode genutzt, wobei die angelegten elektrischen Signale und Spannungen zwischen der Bodenelektrode und der Dachelektrode und zwischen den Kurzschlusselektroden galvanisch voneinander getrennt sind. For example, the first short-circuiting electrode is formed on the pixel by the bottom electrode of the pixel. Consequently, only a single electrical connection is used to form both the bottom electrode and the short-circuit electrode, with the applied electrical signals and voltages between the bottom electrode and the roof electrode and between the short-circuit electrodes being galvanically separated from one another.
Auch ist vorteilhaft vorgesehen, dass unterhalb des Pixels eine Kavität im Substratmaterial ausgebildet ist, wobei die zweite Kurzschlusselektrode unterhalb des Pixels auf dem Boden der Kavität ausgebildet ist. Die Kavität kann entweder durch eine eingeätzte Vertiefung in das Substratmaterial gebildet sein, oder es sind Pfosten seitlich zum Pixel vorgesehen, die auf der Oberfläche des Substratmaterials aufgebaut sind. Zwischen den Pfosten entsteht folglich eine Kavität oder Kaverne, und auf dem Boden der Kavität beziehungsweise Kaverne befindet sich die zweite Kurzschlusselektrode unmittelbar unterhalb des Pixels. Die zweite Kurzschlusselektrode kann dabei eine Antihaftbeschichtung aufweisen, um zu verhindern, dass das Pixel am Boden der Kavität anhaftet. It is also advantageously provided that a cavity is formed in the substrate material below the pixel, wherein the second short-circuiting electrode is formed below the pixel on the bottom of the cavity. The cavity can either be formed by an etched recess in the substrate material, or there are posts arranged laterally to the pixel, which are constructed on the surface of the substrate material. Consequently, a cavity or cavern arises between the posts, and on the bottom of the cavity or cavern, the second shorting electrode is located immediately below the pixel. The second shorting electrode may have a non-stick coating to prevent the pixel from adhering to the bottom of the cavity.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des pyroelektrischen Sensors sind die Pixel mittels eines Paars von mechanischen Stützstrukturen aufgenommen, wobei die Bodenelektrode mit einer ersten mechanischen Stützstruktur und die Dachelektrode mit einer zweiten insbesondere gegenüberliegenden mechanischen Stützstruktur wenigstens baueinheitlich ausgebildet sind und/oder an den Stützstrukturen angeordnet sind. Die Stützstrukturen weisen mit Vorteil eine Mäanderform auf, wobei die Bodenelektrode und/oder die Dachelektrode einen jeweiligen Dünnfilmleiter auf den mäanderförmigen Stützstrukturen bilden. Durch die Mäanderform der Stützstrukturen besteht die Möglichkeit, diese sehr lang auszuführen, sodass das Pixel im Wesentlichen thermisch entkoppelt am Substratmaterial aufgenommen ist. According to a further advantageous embodiment of the pyroelectric sensor, the pixels are accommodated by means of a pair of mechanical support structures, wherein the bottom electrode with a first mechanical support structure and the roof electrode with a second, in particular opposite mechanical support structure are at least structurally identical and / or arranged on the support structures. The support structures advantageously have a meandering shape, wherein the bottom electrode and / or the roof electrode form a respective thin-film conductor on the meander-shaped support structures. The meandering shape of the support structures makes it possible to make them very long, so that the pixel is essentially thermally decoupled from the substrate material.
BEVORZUGTE AUSFÜHRU NGSBEISPI ELE DER ERFINDUNG PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. It shows:
Figur 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines pyroelektrischen Sensors mit den Merkmalen der Erfindung, FIG. 1 shows a plan view of a first exemplary embodiment of a pyroelectric sensor with the features of the invention,
Figur 2 eine Querschnittsansicht durch den pyroelektrischen Sensor gemäß Figur 1, FIG. 2 shows a cross-sectional view through the pyroelectric sensor according to FIG. 1,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines pyroelektrischen Sensors mit den Merkmalen der Erfindung und Figur 4 eine Querschnittsansicht durch das Ausführungsbeispiel des pyroelektri- schen Sensors gemäß Figur 3. Figure 3 shows a second embodiment of a pyroelectric sensor with the features of the invention and FIG. 4 shows a cross-sectional view through the exemplary embodiment of the pyroelectric sensor according to FIG. 3.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen pyroelektrischen Sensor 1 in einer schematisierten Darstellung. Seitlich befinden sich Teile des Substratmaterials 11, die in Form von Pfosten 19 ausgeführt sind. Der pyroelektrische Sensor 1 weist als wesentliches Bauteil ein Pixel 10 auf, wobei zur Ausbildung eines pyroelektrischen Sensors 1 ein Array von vielen Pixeln 10 ausgebildet ist, und für die vorliegende Darstellung wird lediglich ein einziges Pixel 10 dargestellt. Das Pixel 10 ist beweglich an Stützstrukturen 18 aufgenommen, die mäanderförmig ausgeführt sind. Mit den Stützstrukturen 18 wird das Pixel 10 zwischen den Pfosten 19 gehalten, und die Stützstrukturen 18 sind sich gegenüberliegend zum Pixel 10 ausgebildet und hängen das Pixel 10 zwischen den beiden gezeigten Pfosten 19 des Substratmaterials 11 auf. Figure 1 shows a plan view of a pyroelectric sensor 1 in a schematic representation. Laterally there are parts of the substrate material 11, which are designed in the form of posts 19. The pyroelectric sensor 1 has as an essential component a pixel 10, wherein an array of many pixels 10 is formed to form a pyroelectric sensor 1, and only a single pixel 10 is shown for the present illustration. The pixel 10 is movably received on support structures 18, which are executed meander-shaped. With the support structures 18, the pixel 10 is held between the posts 19, and the support structures 18 are formed opposite to the pixel 10 and hang the pixel 10 between the two posts 19 of the substrate material 11 shown.
Das Pixel 10 weist als wesentlichen Aufbau eine pyroelektrische Schicht 12 auf, und die pyroelektrische Schicht 12 ist über zwei Elektroden kontaktiert, wobei die Draufsicht die Dachelektrode 14 zeigt. Diese ist rechteckförmig ausgeführt und lässt einen insbesondere inneren Teil frei, sodass eine elektromagnetische Strahlung unmittelbar die pyroelektrische Schicht 12 bestrahlen kann, ohne dass diese oberseitig von der Dachelektrode 14 überdeckt wäre. The pixel 10 has, as an essential structure, a pyroelectric layer 12, and the pyroelectric layer 12 is contacted via two electrodes, the plan view showing the roof electrode 14. This is designed rectangular and leaves a particular inner part free, so that an electromagnetic radiation can directly irradiate the pyroelectric layer 12 without this would be covered on the top side of the roof electrode 14.
Eine Bodenelektrode 13 ist mit einer Isolierung 21 von der Dachelektrode 14 elektrisch getrennt und kontaktiert die pyroelektrische Schicht 12 von der Unterseite. Da die Bodenelektrode 13 die pyroelektrische Schicht 12 untergreift, ist lediglich eine streifenartige Seitenansicht der Bodenelektrode 13 erkennbar. Die Isolierung 21 erstreckt sich dabei zwischen der Dachelektrode 14 und der Bodenelektrode 13. A bottom electrode 13 is electrically isolated from the roof electrode 14 with an insulation 21 and contacts the pyroelectric layer 12 from the underside. Since the bottom electrode 13 engages under the pyroelectric layer 12, only a strip-like side view of the bottom electrode 13 can be seen. The insulation 21 extends between the roof electrode 14 and the bottom electrode 13.
Die Bodenelektrode 13 ist auf nicht näher gezeigte Weise baueinheitlich mit der linken Stützstruktur 18 ausgebildet, und die Dachelektrode 14 ist baueinheitlich mit der rechten Stützstruktur 18 ausgebildet. The bottom electrode 13 is formed in a manner not shown in detail structurally with the left support structure 18, and the roof electrode 14 is structurally formed with the right support structure 18.
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht des pyroelektrischen Sensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1. Die Querschnittsansicht verdeutlicht die Ausbildung des Substratmaterials 11 mit seitlich ausgebildeten Pfosten 19, zwischen denen das Pixel 10 über die Stützstrukturen 18 aufgehängt ist. Oberseitig auf den Stützstrukturen 18 befinden sich die Bodenelektrode 13 auf der linken Seite und die Dachelektrode 14 auf der rechten Seite, und die Bodenelektrode 13 untergreift die pyroelektrische Schicht 12 und die Dachelektrode 14 läuft über die pyroelektrische Schicht 12 mit einer fensterartigen Öffnung, wie in der Draufsicht in Figur 1 gezeigt. Weiterhin zeigt die Querschnittsansicht die Isolierung 21 zur elektrischen Isolierung zwischen der Bodenelektrode 13 und der Dachelektrode 14. Figure 2 shows a cross-sectional view of the pyroelectric sensor 1 according to the embodiment in Figure 1. The cross-sectional view illustrates the Forming the substrate material 11 with laterally formed posts 19, between which the pixel 10 is suspended via the support structures 18. On top of the support structures 18 are the bottom electrode 13 on the left side and the roof electrode 14 on the right side, and the bottom electrode 13 engages under the pyroelectric layer 12 and the roof electrode 14 passes over the pyroelectric layer 12 with a window-like opening as in FIG Top view shown in Figure 1. Furthermore, the cross-sectional view shows the insulation 21 for electrical insulation between the bottom electrode 13 and the roof electrode 14.
In dem Substratmaterial 11 ist durch die Ausbildung der Pfosten 19 eine Kavität 17 gebildet, in die sich die pyroelektrische Schicht 12 hinein erstreckt. Die Bodenelektrode 13 bildet dabei weiterhin eine erste Kurzschlusselektrode 15, und auf dem Boden der Kavität 17 befindet sich eine zweite Kurzschlusselektrode 16, die oberseitig mit einer Antihaftschicht 22 beschichtet ist. Wird eine Spannung zwischen der ersten Kurzschlusselektrode 15, gebildet durch die Bodenelektrode 13, und die zweite Kurzschlusselektrode 16, kontaktiert über eine Zuleitung 20, angelegt, so erfolgt ein elektrostatisches Anziehen des Pixels 10 gegen den Boden der Kavität 17 und damit gegen das Substratmaterial 11. Die Folge ist eine sehr rasche Abkühlung des zuvor mit einer elektromagnetischen Strahlung aufgewärmten Pixels 10. Dadurch kann eine hohe Temperaturänderungsgeschwindigkeit erreicht werden, wodurch ein großes pyroelektrisches Signal über die Bodenelektrode 13 und die Dachelektrode 14 abgegriffen werden kann. Figur 2 zeigt ein leicht abgeändertes Ausführungsbeispiel des pyroelektrischenIn the substrate material 11, a cavity 17 is formed by the formation of the posts 19, into which the pyroelectric layer 12 extends. The bottom electrode 13 furthermore forms a first short-circuit electrode 15, and on the bottom of the cavity 17 there is a second short-circuit electrode 16, which is coated on the upper side with an anti-adhesion layer 22. If a voltage is applied between the first short-circuit electrode 15, formed by the bottom electrode 13, and the second short-circuit electrode 16, contacted via a feed line 20, then the pixel 10 is electrostatically attracted to the bottom of the cavity 17 and thus to the substrate material 11. The result is a very rapid cooling of previously heated with an electromagnetic radiation pixel 10. This allows a high temperature change rate can be achieved, whereby a large pyroelectric signal on the bottom electrode 13 and the roof electrode 14 can be tapped. Figure 2 shows a slightly modified embodiment of the pyroelectric
Sensors 1 mit einem Pixel 10, das über die Stützelektroden 18 zwischen zwei Pfosten 19 eines Substratmaterials 11 aufgehängt ist. Auf der Oberseite der pyroelektrischen Schicht 12 ist die Dachelektrode 14 gezeigt, die mit einer Isolierung 21 gegen eine Bodenelektrode isoliert ist, die nicht näher dargestellt ist. Sensor 1 with a pixel 10, which is suspended over the support electrodes 18 between two posts 19 of a substrate material 11. On the top of the pyroelectric layer 12, the roof electrode 14 is shown, which is insulated with an insulation 21 against a bottom electrode, which is not shown in detail.
Die Querschnittsansicht in Figur 4 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3, und die pyroelektrische Schicht 12 befindet sich in Kontaktierung zwischen der unterseitigen Bodenelektrode 13 und der oberseitigen Dachelektrode 14. Die Bodenelektrode 13 ist auf der rechten Seite baueinheitlich mit der Stützstruktur 18 ausgeführt, und die Dachelektrode 14 ist auf der linken Seite baueinheitlich mit der Stützstruktur 19 ausgeführt. Damit ist das Pixel 10 beweglich zwischen den beiden Pfosten 19 des Substratmaterials 11 aufgenommen. Die Unterseite des Pixels 10 erstreckt sich in die Kavität 17 hinein und weist eine erste Kurzschlusselektrode 15 auf, die getrennt von der Bodenelektrode 13 ausgeführt ist. Auf dem Boden der Kavität 17 befindet sich die zweite Kurzschlusselektrode 16 mit einer darauf aufgebrachten Antihaftschicht 22. The cross-sectional view in Figure 4 shows the embodiment of Figure 3, and the pyroelectric layer 12 is in contact between the bottom-side bottom electrode 13 and the top-side roof electrode 14. The bottom electrode 13 is constructed on the right side integral with the support structure 18, and the roof electrode 14 is structurally on the left with the support structure 19 executed. Thus, the pixel 10 is movably received between the two posts 19 of the substrate material 11. The underside of the pixel 10 extends into the cavity 17 and has a first short-circuiting electrode 15, which is embodied separately from the bottom electrode 13. On the bottom of the cavity 17 is the second shorting electrode 16 with an anti-adhesion layer 22 applied thereto.
Die Spannungsversorgung der Kurzschlusselektroden 15 und 16 kann dabei galvanisch getrennt von der Spannungsmessung zwischen der Bodenelektrode 13 und der Dachelektrode 14 erfolgen. Die Kontaktierung der zweiten Kurzschlusselektrode 16 erfolgt über die Zuleitung 20, die Kontaktierung der ersten Kurzschlusselektrode 15 ist dabei nicht näher gezeigt. The voltage supply of the short-circuiting electrodes 15 and 16 can be effected galvanically separated from the voltage measurement between the bottom electrode 13 and the roof electrode 14. The contacting of the second short-circuit electrode 16 via the supply line 20, the contacting of the first short-circuit electrode 15 is not shown in detail.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use. Any features and / or advantages resulting from the claims, the description or the drawings, including constructive details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention, both individually and in the most diverse combinations.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, mit einem pyroelektrischen Sensor (1), wobei der pyroelektri- sche Sensor (1) ein Pixelarray mit einer Vielzahl von Pixeln (10) aufweist, die über einem Substratmaterial (11) beweglich aufgenommen sind, und wobei die Pixel (10) eine pyroelektrische Schicht (12) aufweisen, die wenigstens abschnittsweise zwischen einer Bodenelektrode (13) und einer Dachelektrode (14) des pyroelektrischen Sensors (1) ausgebildet ist, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweist: 1. A method for measuring electromagnetic radiation, in particular thermal radiation, with a pyroelectric sensor (1), wherein the pyroelectric sensor (1) has a pixel array with a plurality of pixels (10) which are movably received over a substrate material (11) and wherein the pixels (10) comprise a pyroelectric layer (12) formed at least in sections between a bottom electrode (13) and a roof electrode (14) of the pyroelectric sensor (1), the method comprising at least the following steps:
-Bestrahlen der pyroelektrischen Schicht (12) mit einer elektromagnetischen Strahlung,  Irradiating the pyroelectric layer (12) with electromagnetic radiation,
Herstellen eines wenigstens indirekten Kontaktes zwischen dem Pixel (10) und dem Substratmaterial (11) durch Heranbewegen des Pixels (10) an das Substratmaterial (11) aus einer Ausgangslage heraus, sodass ein thermischer Kurzschluss zwischen dem Pixel (10) und dem Substratmaterial (11) hergestellt wird,  Producing at least indirect contact between the pixel (10) and the substrate material (11) by advancing the pixel (10) against the substrate material (11) from a starting position so that a thermal short circuit between the pixel (10) and the substrate material (11 ) will be produced,
Auslesen einer Ladungsverschiebung in der pyroelektrischen Schicht (12) über die Bodenelektrode (13) und die Dachelektrode (14) und  Reading a charge transfer in the pyroelectric layer (12) via the bottom electrode (13) and the roof electrode (14) and
Rückführen des Pixels (10) in die zum Substratmaterial (11) beabstan- dete Ausgangslage.  Returning the pixel (10) into the starting position spaced apart from the substrate material (11).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pyroelektrische Sensor (1) eine erste Kurzschlusselektrode (15) in Anordnung am Pixel (10) aufweist und eine zweite Kurzschlusselektrode (16) in Anordnung am Substratmaterial (11) aufweist, wobei das Heranbewegen des Pixels (10) an das Substratmaterial (11) aus einer Ausgangslage heraus durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Kurzschlusselektrode (15) und der zweiten Kurzschlusselektrode (16) ausgeführt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the pyroelectric sensor (1) has a first shorting electrode (15) arranged on the pixel (10) and a second shorting electrode (16) in arrangement on the substrate material (11), wherein the moving of the pixel (10) to the substrate material (11) from an initial position by applying an electric voltage between the first short-circuiting electrode (15) and the second short-circuiting electrode (16).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführen des Pixels (10) in die zum Substratmaterial (11) beabstandete Ausgangslage durch eine Abschaltung der Spannung zwischen der ersten Kurz- schlusselektrode (15) und der zweiten Kurzschlusselektrode (16) ausgeführt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the return of the pixel (10) to the substrate material (11) spaced starting position by switching off the voltage between the first short circuit conclusion electrode (15) and the second short-circuit electrode (16) is executed.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Herstellens des wenigstens indirekten Kontaktes zwischen dem Pixel (10) und dem Substratmaterial (11) und der Zeitpunkt des Auslesens der Ladungsverschiebung in der pyroelektrischen Schicht (12) zu einem gemeinsamen Zeitpunkt zusammenfallen. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the time of producing the at least indirect contact between the pixel (10) and the substrate material (11) and the time of reading out the charge transfer in the pyroelectric layer (12) coincide at a common time.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auslesen der Ladungsverschiebung in der pyroelektrischen Schicht (12) über die Bodenelektrode (13) und die Dachelektrode (14) eine weitere Messung vorgenommen wird, wobei durch eine Differenzbildung gemessener Signale aus den Ladungsverschiebungen Offset- und Rauschanteile eliminiert werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after reading the charge transfer in the pyroelectric layer (12) via the bottom electrode (13) and the roof electrode (14) a further measurement is made, wherein by a difference of measured signals The charge shifts offset and noise components are eliminated.
6. Pyroelektrischer Sensor (1) zur Messung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, wobei der Sensor (1) ein Pixelarray mit einer Vielzahl von Pixeln (10) aufweist, die über einem Substratmaterial (11) beweglich aufgenommen sind, und wobei die Pixel (10) eine pyroelektrische Schicht (12) aufweisen, die wenigstens abschnittsweise zwischen einer Bodenelektrode (13) und einer Dachelektrode (14) des pyroelektrischen Sensors (1) ausgebildet ist, 6. pyroelectric sensor (1) for measuring electromagnetic radiation, in particular heat radiation, wherein the sensor (1) has a pixel array with a plurality of pixels (10), which are movably received on a substrate material (11), and wherein the pixels (10 ) have a pyroelectric layer (12) which is at least partially formed between a bottom electrode (13) and a roof electrode (14) of the pyroelectric sensor (1),
dadurch gekennzeichnet, dass der pyroelektrische Sensor (1) eine erste Kurzschlusselektrode (15) in Anordnung am Pixel (10) aufweist und eine zweite Kurzschlusselektrode (16) in Anordnung am Substratmaterial (11) aufweist, wobei bei Anlegen einer Spannung an den Kurzschlusselektroden (15, 16) wenigstens indirekt zwischen dem Pixel (10) und dem Substratmaterial (11) ein Kontakt herstellbar ist. characterized in that the pyroelectric sensor (1) has a first shorting electrode (15) arranged on the pixel (10) and a second shorting electrode (16) disposed on the substrate material (11), wherein upon application of a voltage to the shorting electrodes (15 , 16) a contact can be produced at least indirectly between the pixel (10) and the substrate material (11).
7. Pyroelektrischer Sensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kurzschlusselektrode (15) in Anordnung am Pixel (10) durch die Bodenelektrode (13) des Pixels (10) gebildet ist. 7. pyroelectric sensor (1) according to claim 6, characterized in that the first short-circuit electrode (15) in arrangement on the pixel (10) through the bottom electrode (13) of the pixel (10) is formed.
8. Pyroelektrischer Sensor (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Pixels (10) eine Kavität (17) im Substratmaterial (11) ausgebildet ist, wobei die zweite Kurzschlusselektrode (16) unterhalb des Pixels (10) auf dem Boden der Kavität (17) ausgebildet ist. 8. pyroelectric sensor (1) according to claim 6 or 7, characterized in that below the pixel (10) a cavity (17) in the substrate material (11) is formed, wherein the second shorting electrode (16) below the pixel (10) the bottom of the cavity (17) is formed.
9. Pyroelektrischer Sensor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel (10) mittels einem Paar von mechanischen Stützstrukturen (18) aufgenommen sind, wobei die Bodenelektrode (13) mit einer ersten mechanischen Stützstruktur (18) und die Dachelektrode (14) mit einer zweiten insbesondere gegenüberliegenden mechanischen Stützstruktur (18) wenigstens baueinheitlich ausgebildet sind und/oder an den Stützstrukturen (18) angeordnet sind. 9. pyroelectric sensor (1) according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the pixels (10) by means of a pair of mechanical support structures (18) are accommodated, wherein the bottom electrode (13) with a first mechanical support structure (18). and the roof electrode (14) having a second, in particular opposite, mechanical support structure (18) is designed to be at least structurally uniform and / or arranged on the support structures (18).
10. Pyroelektrischer Sensor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstrukturen (18) eine Mäanderform aufweisen, wobei die Bodenelektrode (13) und/oder die Dachelektrode (14) einen jeweiligen Dünnfilmleiter auf den mäanderförmigen Stützstrukturen (18) bilden. 10. pyroelectric sensor (1) according to claim 9, characterized in that the support structures (18) have a meandering shape, wherein the bottom electrode (13) and / or the roof electrode (14) form a respective thin-film conductor on the meandering support structures (18).
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