WO2021224213A1 - Micromechanical radiation detector, micromechanical spectrometer and method for measuring radiation - Google Patents

Micromechanical radiation detector, micromechanical spectrometer and method for measuring radiation Download PDF

Info

Publication number
WO2021224213A1
WO2021224213A1 PCT/EP2021/061633 EP2021061633W WO2021224213A1 WO 2021224213 A1 WO2021224213 A1 WO 2021224213A1 EP 2021061633 W EP2021061633 W EP 2021061633W WO 2021224213 A1 WO2021224213 A1 WO 2021224213A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
radiation
pyroelectric
actuator
sensor element
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/061633
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Clemens Mart
Thomas KÄMPFE
Sophia EßLINGER
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2021224213A1 publication Critical patent/WO2021224213A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0256Compact construction
    • G01J3/0259Monolithic
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/10Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G01J3/108Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry for measurement in the infrared range
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2803Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/0225Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
    • G01J5/023Particular leg structure or construction or shape; Nanotubes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
    • G01J5/0801Means for wavelength selection or discrimination
    • G01J5/0802Optical filters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
    • G01J5/0881Compact construction
    • G01J5/0884Monolithic
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • 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
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2803Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/2806Array and filter array
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • 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
    • G01J2005/345Arrays
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/04Casings
    • G01J5/041Mountings in enclosures or in a particular environment
    • G01J5/045Sealings; Vacuum enclosures; Encapsulated packages; Wafer bonding structures; Getter arrangements
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041Beam type
    • H10N30/2042Cantilevers, i.e. having one fixed end

Definitions

  • Micromechanical radiation detector Micromechanical spectrometer and method for radiation measurement
  • the present invention relates to a micromechanical radiation detector, a micromechanical detector array and a method for radiation measurement, in particular for the spectrometric measurement of infrared radiation.
  • spectrometers have been constructed from discrete optical elements and require moving parts or various assemblies, which are a Prevent miniaturization and require a high level of maintenance.
  • Radiation detectors can nowadays be manufactured in miniaturized form, but such detectors do not offer any way of gaining information about the spectral composition of an irradiated electromagnetic radiation.
  • Pyroelectric radiation sensors also have the disadvantage that they can only detect electromagnetic radiation that is pulsed in order to generate the temperature change required for the pyroelectric measuring principle.
  • an electrically pulsed radiation source is used or a temporally continuous radiation is pulsed by means of an external, movable mechanical pulse shaper, also called a chopper or shutter.
  • an external, movable mechanical pulse shaper also called a chopper or shutter.
  • pulse shapers are prone to failure and cannot be miniaturized.
  • the present invention is therefore based on the object of overcoming these disadvantages and providing an easy-to-manufacture micromechanical radiation detector, an easy-to-manufacture micromechanical detector array and a method for measuring radiation with which electromagnetic radiation can be detected quickly and efficiently.
  • a micromechanical radiation detector has a Fabry-Perot interferometer element with at least one actuator and a pyroelectric sensor element.
  • the Fabry-Perot interferometer element has an optical resonance space formed with a first reflective surface and a second reflective surface, which can also be referred to as an optical resonator, in which the first reflective surface is formed on a surface of a substrate that is permeable to radiation for an electromagnetic radiation to be detected is and is plane-parallel at a distance w to the second Re is arranged flexion surface.
  • the at least one actuator is formed on the second reflection surface of the resonance chamber and has a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, which are formed and arranged, the actuator when an electrical is applied To mechanically deform voltage to the active layer via the first electrode layer and the second electrode layer in such a way that the distance w between the first reflective surface and the second reflective surface of the resonance chamber can be set and / or changed in a defined manner.
  • the pyroelectric sensor element has a pyroelectric layer and is designed to use this pyroelectric layer to detect a temperature change caused by absorption of an electromagnetic radiation to be detected that is transmitted or radiated into the resonance space through the radiation-permeable substrate second reflection surface depending on the wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected, the distance w and / or a change in the distance w is effected.
  • the radiation detector can thus be used to efficiently determine an intensity and / or a wavelength l of electromagnetic radiation.
  • the actuator of the radiation detector can be manufactured more efficiently and there is no snap-in effect.
  • the operating voltage is lower than that of electrostatic drives, and because the distance w can be set quickly and easily, the radiation detector can achieve short response and measurement times.
  • the radiation detector can be operated without external moving parts and can be designed as a monolithic component. As a result, both an increase in reliability and a miniaturization can be achieved.
  • the term "planparal lel” is to be understood here in particular as a completely parallel alignment of the reflective surfaces in which their surface normals are not offset from one another, ie by 0 °, that is, run parallel Reflection surfaces are slightly tilted against each other, so their surface normals are tilted against each other by up to 5 ° ge.
  • the distance w or the resonator length w of the resonance space meets the (simplified) resonance condition for electromagnetic radiation with the wavelength l through the radiation-permeable substrate, preferably perpendicularly, into the resonance space: w oc ml / [4 n cos (0)] with n: refractive index of the resonance medium in the resonance space w: distance between the reflective surfaces l: wavelength of the incident electromagnetic radiation Q: angle of incidence of the incident electromagnetic radiation m: natural number m> 0, a constructive multiple interference occurs in the resonance space for this wavelength and the resonance space forms an optical resonator.
  • the radiation of wavelength l is transmitted from the resonance chamber and absorbed on the second reflective surface, whereby the second reflective surface is warmed up.
  • the resonance condition can be achieved by changing the distance w along the optical axis of the resonance space, i.e. H. perpendicular to the reflective surfaces, can be changed in a defined manner.
  • the temperature change causes a charge separation on the electrodes or conductor layers of the pyroelectric sensor element due to the pyroelectric effect and thus a measurable current flow that can be detected with the radiation detector and used to determine the intensity and / or the wavelength l of the electromagnetic radiation can be.
  • a bending beam can be understood to mean an actuator that is cuboid with a rectangular active layer that has a length-to-width ratio of at least 2 to 1, preferably at least 5 to 1, particularly preferably at least 15 to 1.
  • the active layer can be arranged and formed plane-parallel to the second reflection surface be to contract or expand when an electrical voltage is applied, preferably along a longitudinal axis of the bending beam, that the actuator deforms or bends along the optical axis of the resonance chamber and thereby the distance w between the first reflection
  • Such bending beams can be controlled very easily and quickly.
  • they are mechanically very robust and, compared to spring suspensions, can be miniaturized more easily and manufactured directly on a substrate without complex joining processes.
  • the second surface of the resonance chamber can preferably be formed with a flat surface of the first electrode layer of the at least one actuator. That is to say, the resonance space can have a first reflection surface on a flat surface of the radiation-permeable substrate and
  • a second reflective surface can be formed on a flat surface of the first electrode layer of the at least one actuator.
  • the deformation of the actuator can be transferred directly to the resonance chamber.
  • the first and second reflection surfaces can be polygonal, preferably square, and congruent with one another
  • the distance w can be used in the entire surface area of the Re
  • 25 flexion surfaces can be changed particularly precisely and uniformly and a high degree of parallelism of the reflection surfaces can be achieved.
  • the bending beam can be formed, for example, with a first electrode layer and a second electrode layer, the different layers
  • an electrode layer can be understood to mean an electrically conductive layer or an electrically conductive layer stack which
  • an electrically conductive layer is to be understood as a layer made of a material which has an electrical conductivity of more than 10 6 S / m at a temperature of 20 ° C.
  • a layer stack of an electrode layer can have a conductor layer and at least one carrier layer, wherein the conductor layer is formed on a surface of the active layer and / or the piezoelectric layer and the at least one carrier layer can be formed on a surface of the conductor layer opposite the active layer .
  • the bending beam can accordingly be formed with a first electrode layer and a second electrode layer, in which the conductor layer and / or the carrier layer of the first and second electrode layers each have different layer thicknesses, materials and / or mechanical properties, so that deformation or Bending of the actuator along the optical axis of the resonance space can be caused.
  • a conductor layer can, for example, consist of Ti tantalum nitride, TiN, tantalum nitride, TaN, tantalum carbonitride, TaCN, tantalum aluminum nitride, TaAlN, ruthenium, Ru, ruthenium oxide, RuO, titanium, Ti, titanium aluminum nitride, TiAIN, platinum, Pt, iridium, Ir, iridium oxide, IrO, or molybdenum, Mo, or another electrically conductive material.
  • the bending beam can be formed with an active layer, the composition and / or mechanical properties of which change continuously or gradually in the direction of the optical axis of the resonance chamber or the longitudinal axis of the bending beam in such a way that the active layer and thus change the at least one actuator deforms or bends in the direction of the optical axis of the resonance chamber when an electrical voltage is applied to the active layer.
  • an active layer can be achieved, for example, by a gradient in the doping of the active layer or a corresponding multilayer structure of the active layer.
  • the bending beam can advantageously be arranged with a longitudinal axis parallel to an edge and / or the surface of the pyroelectric sensor element.
  • the pyroelectric sensor element can thus through the actuator are also thermally insulated, whereby a greater heating or greater temperature change of the active sensor surface can be achieved.
  • the pyroelectric sensor element can be in the form of a straight prism or cuboid, ie shaped with a polygonal, preferably square, base of the pyroelectric layer and preferably arranged centrally on or on the second reflective surface, with the sides or edges of the pyroelectric sensor element parallel to the sides or edges of the second reflection surface can be arranged.
  • the at least one bending beam can accordingly be arranged between an outer side or outer edge of the pyroelectric sensor element and a side or edge of the second reflective surface with a longitudinal axis parallel to the respective sides or edges of the pyroelectric sensor element and the second reflective surface.
  • Both the at least one actuator and the pyroelectric sensor element can preferably be arranged in the plane of the second reflection surface.
  • the second reflective surface can be formed with a flat surface of the first electrode layer of the at least one actuator, in particular a carrier layer of the first electrode layer of the at least one actuator, and a first electrode layer of the pyroelectric sensor element, in particular a carrier layer of the first electrode layer of the pyroelectric sensor element .
  • the radiation detector can have a first electrode layer, on the surface of which the second reflective surface is formed and which is structured or spatially separated vertically from the second reflective surface in such a way that a first electrode layer of the min at least one actuator and a first electrode layer of the pyroelectric sensor element are formed.
  • the first electrode layer of the at least one actuator and a first electrode layer of the pyroelectric sensor element can thus be formed in a plane parallel to the reflection surfaces and have the same composition and the same layer thickness, since they are gebil det from the same first electrode layer.
  • the production of the Detector can be significantly simplified, since only a single electrode layer has to be formed and structured.
  • the radiation detector can have a second electrode layer, which is formed on a surface of the active layer of the at least one actuator and the piezoelectric layer of the piezoelectric sensor element opposite the first electrode layer and is structured or spatially separated vertically to the second reflection surface in such a way that with the second electrode layer of the radiation detector electrically insulated from one another, a second electrode layer of the at least one actuator and a second electrode layer of the pyroelectric sensor element are formed.
  • the optical and geometric properties of the resonance space can be designed to meet the resonance condition for the electromagnetic radiation to be detected.
  • the electromagnetic radiation to be detected can be an electromagnetic radiation in the infrared range between 0.78 pm and 1000 miti, in particular an electromagnetic radiation in the near infrared range between 0.78 pm and 3.0 pm and / or in the medium infrared range between 3 , 0 pm and 50 pm.
  • the radiation-permeable substrate can accordingly be designed to transmit electromagnetic radiation in the infrared range, in particular in the near and / or mid-infrared range, into the resonance space.
  • the substrate can, for example, be made of silicon, Si, germanium, Ge, gallium arsenide, GaAs, silicon germanium, SiGe, indium phosphide, InP, silicon carbide, SiC. It can also have one or more functional layers on a surface opposite the first reflective surface that is or are transparent to the electromagnetic radiation to be detected, such as an anti-reflective coating for improved radiation coupling of the electromagnetic radiation to be detected into the substrate .
  • the first reflective surface and the second reflective surface can be designed as flat mirrors that are partially transparent to the electromagnetic radiation to be detected, so that they are in the wavelength range of the detecting electromagnetic radiation, e.g. B. in the infrared range, in particular special in the near and / or mid-infrared range, can form an optical resonator.
  • the first reflective surface and the second reflective surface can have degrees of reflection between 85% and 98% in the wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected.
  • the substrate and the first reflective surface can be made of Si, Ge,
  • GaAs, SiGe, InP or SiC can be formed.
  • the second reflection surface can be on a surface of a doped semiconductor such as polycrystalline Si, SiGe or Ge with dopants, such as. B. boron, B, aluminum, AI, gallium, Ga, In dium, In, phosphorus, P, arsenic, As, antimony, Sb, bismuth, Bi or metals such as aluminum, AI, copper, Cu, cobalt, Co, Nickel, Ni, molybdenum, Mo, tantalum, Ta, and / or titanium, Ti, be formed.
  • a doped semiconductor such as polycrystalline Si, SiGe or Ge with dopants, such as. B. boron, B, aluminum, AI, gallium, Ga, In dium, In, phosphorus, P, arsenic, As, antimony, Sb, bismuth, Bi or metals such as aluminum, AI, copper, Cu, cobalt, Co, Nickel, Ni, molybdenum, Mo, tant
  • the respective electrode layer and / or carrier layer can accordingly be made from one of the aforementioned materials.
  • the first carrier layer is designed as a Bragg reflector.
  • a Bragg reflector can be designed as a multi-layer stack or multilayer of high and low refractive index 1/4 layers. Bragg reflectors can be designed as Si-SiGe multilayers, for example.
  • the resonance chamber can be designed as an optical air-gap resonator, the distance w between the first and the second reflective surface in egg nem wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected treatment, for. B. in the infrared range, especially in the near and / or medium infrared range, adjustable or changeable.
  • the distance w can, for example, be adjustable or changeable in a range which is between 0.5 pm and 35 pm.
  • the radiation detector can be used in particular for a spectrometric gas analysis. Instead of air, other gaseous, liquid and / or solid resonance media can also be provided in the resonance space. With a defined resonance medium, the thermal properties of the radiation detector can be set or controlled in a targeted manner.
  • the resonance space can contain, for example, air, nitrogen or noble gases as a resonance medium, ie be filled with these, or be formed with a vacuum, so that the thermal insulation of the micromechanical actuator from the rest of the radiation detector can be improved.
  • the resonance chamber is formed by means of a first flat sacrificial layer, which is formed in a defined area on the radiation-permeable substrate and, after the formation of the at least one actuator and the pyroelectric sensor element or the first electrode layer, on a surface opposite the substrate first sacrificial layer wet chemical, z. B. by wet etching or hydrofluoric vapor etching was removed.
  • a sacrificial layer can, for example, consist of silicon dioxide and be deposited by means of atomic layer deposition (ALD), laser beam evaporation (pulsed laser deposition, PLD), chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD).
  • the etchant for the wet chemical removal can reach the sacrificial layer via passages in the first electrode layer or intermediate spaces which are formed between the at least one actuator and the pyroelectric sensor element.
  • a well-defined cavity is created between the radiation-permeable substrate, the min least one actuator and the pyroelectric sensor element or between the substrate and the first electrode layer, which forms the resonance space.
  • Resonance spaces that are formed by means of such a sacrificial layer can therefore have particularly precise measurements and an extremely high parallelism of the reflection surfaces aufwei sen.
  • the actuator can advantageously be designed as a piezoelectric, flexoelectric or electrostrictive actuator, in which the active layer is formed with or from a piezoelectric, flexoelectric and / or electrostrictive material.
  • a piezoelectric material can be understood as a dielectric material without an inversion center in the symmetry of the crystal structure, which is mechanically deformed when an electrical voltage is applied, ie when an electrical field is applied, ie has an inverse piezo effect.
  • Electrostrictive materials can be dielectric materials that, when an electrical voltage is applied, deform through a mechanical voltage that is proportional to the square of the field strength, regardless of their crystal structure of the electric field applied by means of the electric voltage. Under flexoelectric materials dielectric materials are to be understood, which deform regardless of their crystal structure when an electrical voltage is applied, if this causes an electrical field gradient in the material.
  • a subgroup of piezoelectric materials can be pyroelectric materials in which the electrical polarization changes due to a change in temperature and a change in the surface charges acts. Pyroelectric materials can in turn comprise a subgroup of ferroelectric materials in which the polarization of the electrical polarization can be reversed by applying an electrical voltage.
  • a pyroelectric sensor element can be designed as a plate capacitor with a first electrode layer, a pyroelectric layer as a capacitor medium and a second electrode layer.
  • the pyroelectric layer can be formed with or from one or more pyroelectric and / or ferroelectric materials.
  • the pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element and the active layer of the at least one actuator can advantageously be formed with or from one or more pyroelectric and / or ferroelectric materials, for example from doped hafnium oxide, HfC> 2 , a mixed hafnium oxide or combinations of this.
  • Possible dopants in the doped hafnium oxide include aluminum, Al, silicon, Si, germanium, Ge, yttrium, Y, scandium,
  • the active layer and the pyroelectric layer can preferably be formed in a plane parallel to the reflective surfaces and / or be formed with or from the same material or the same materials.
  • the radiation detector particularly preferably has an active layer which is formed with or made of a pyroelectric and / or ferroelectric material in a plane parallel to the second reflection surface and is structured or spatially separated vertically to the second reflection surface in such a way that the active Layer of the radiation detector is an active one Layer of the at least one actuator and a pyroelectric layer, electrically insulated therefrom, of the pyroelectric sensor element are formed.
  • the active layer of the at least one actuator and the pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element can therefore have the same composition and the same layer thickness, since they are formed with the same active layer.
  • Such an active layer of the radiation detector enables a significantly simpler and more precise production of the radiation detector, since only a single active layer has to be formed and structured in order to form the at least one actuator and the pyroelectric sensor element.
  • the radiation detector can have a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, each of which is parallel to the second reflective surface and structured or spatially separated vertically to the second reflective surface in such a way that the first electrode layer of the Radiation detector, the active layer of the radiation detector and the second electrode layer of the radiation detector of the at least one actuator and electrically insulated therefrom, the pyroelectric sensor element are formed. That is, the at least one actuator and the pyroelectric sensor element can have a first electrode layer, an active or piezoelectric layer and a second electrode layer, each of which has the same composition and the same layer thickness, since they were each formed with the same layer.
  • first electrode layer only a single first electrode layer, a single active layer and a single second electrode layers have to be formed and structured on the substrate for the production of the detector in order to produce the at least one actuator and the pyroelectric sensor element.
  • first electrode layer and the second electrode layer can have the same composition or be formed with or from the same materials.
  • the substrate is designed to be electrically conductive.
  • the radiation detector can have a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, the first The electrode layer is formed on the second reflection surface and in direct contact with the electrically conductive substrate, and the first electrode layer, the active layer and the second electrode layer are structured or spatially separated in defined areas vertical to the second reflection surface in such a way that these layers the at least one actuator and the pyroelectric sensor element are electrically insulated therefrom, and the at least one actuator and the pyroelectric sensor element can be electrically contacted independently of one another via the electrically conductive substrate and the second electrode layer.
  • the substrate can be electrically contactable, for example, around the Fabry-Perot interferometer element in Randbe range of the substrate, ie it can be formed there free of coatings.
  • the first electrode layer, the active layer and the second electrode layer can in particular be structured in such a way that the previously described shapes and / or arrangements of actuators and pyroelectric sensor element are formed in the radiation detector.
  • the electrode layers, the active layer and / or the pyroelectric layer can be formed for example by means of atomic layer deposition (ALD), laser beam evaporation (pulsed laser deposition, PLD), chemical gas phase deposition (CVD) and / or physical gas phase deposition (PVD) and by means of lithographic processes, wet chemical processes or dry etching processes.
  • ALD atomic layer deposition
  • PLD laser beam evaporation
  • CVD chemical gas phase deposition
  • PVD physical gas phase deposition
  • the radiation detector has a control unit which is designed to condition and / or recondition the active layer of the at least one actuator and / or the pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element.
  • the control unit can alternatively or additionally be designed to increase the piezoelectric effect of the active layer of the at least one actuator and / or to increase the pyroelectric effect of the pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element.
  • the expression of the piezoelectric and / or the pyroelectric effect can depend on the electrical history of the respective active or pyroelectric layer.
  • a defined electrical history can be impressed by applying a defined electrical voltage or voltage sequence to the respective layer. This can be done once, for example, when the sensor element is put into operation, at regular intervals determined by the control electronics or after a defined number of switch-on processes (conditioning) and / or after a certain operating time or after a certain number of switch-on processes (Reconditioning). In this way, possible degradation processes can be compensated and a high reproducibility of the radiation detection guaranteed.
  • the voltage or voltage sequence can be generated with an integrated pulse generator or a waveform generator and can include, for example, square, sine, triangular or sawtooth waveforms in a frequency range between 10 Hz and 1 MHz.
  • certain voltages or voltage sequences can be applied to the active layer of the at least one actuator and / or pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element, with which the piezoelectric or pyroelectric effect of the respective layer can be enhanced.
  • the piezoelectric and / or pyroelectric effect can be increased, for example, by means of a preferably sinusoidal or co-sinusoidal alternating voltage (cycles), the lower limit of which exceeds the coercive field strength of the piezoelectric or pyroelectric material of the respective layer and the upper limit of which is below the breakdown field strength of the piezoelectric or pyroelectric material of the respective layer lies.
  • the lower limit value can, for example, be in a range between 0.7 MV / cm and 1.5 MV / cm and the upper limit value in a range between 3 MV / cm and 3.5 MV / cm.
  • the alternating voltage can be applied to the respective layer for 10 1 to 10 6 periods before the radiation measurement.
  • the pyroelectric effect of the pyroelectric sensor element can also be increased by means of a direct voltage that is applied to the pyroelectric sensor element during the measurement.
  • the pyroelectric coefficient in Si-doped hafnium oxide HfC> 2 can, for example, by applying a direct voltage of 1.5 V to up to can be increased to -140 pC / m 2 K.
  • 5 treatment can be an externally pulsed or time-modulated radiation. If such radiation is detected with the radiation detector at a time-constant set distance w, conclusions can be drawn from the amplitude of the measurement signal of the pyroelectric sensor element about the magnitude of the temperature change and thus the intensity of the electromagnetic beam
  • the measurement can be repeated for different intervals w that are set to be constant over time, so that a spectrum of the electromagnetic radiation to be detected can be reconstructed from the individual measurements given a sufficient number of measurements
  • the distances w can each be set within a range that lies within or corresponds to the free spectral range of the resonance space.
  • the free spectral range FSR can be defined as the distance between two transmission maxima for which the transmission condition is met in the Fabry-Perot cavity or in the resonance space.
  • the radiation detector can also detect unpulsed or unmodulated electromagnetic radiation that is constant over time, it can be provided
  • the actuator is designed to continuously and preferably uniformly change or tune the distance w in a defined tuning range Aw.
  • the pyroelectric sensor element can be designed accordingly to continuously detect the temperature change during the change in the distance w.
  • BO's operation of the radiation detector allows very short measurement times to be achieved, since lengthy setting times for the distance w are not required.
  • an external modulation of the electromagnetic radiation to be detected can be bypassed and thus an external pulse shaper can be dispensed with.
  • the tuning range Aw can typically be in the free spectral range of the resonance space. It can at least correspond to the width of an interference peak of electromagnetic radiation, for whose wavelength l, preferably the central wavelength, the resonance condition in the resonance space can be met, and can correspond at most to the free spectral range of the resonance space.
  • the distance w can be changed by applying a preferably sinusoidal or cosinusoidal alternating voltage to the active layer of the at least one actuator.
  • the distance w can be changed in the tuning range Aw within half a period of the alternating voltage.
  • An alternating current can be detected on the pyroelectric sensor element, the amplitude of which is used as a measurement signal.
  • the radiation detector can also be used to determine the spectrum of a time-constant, unpulsed or unmodulated electromagnetic radiation.
  • the radiation-permeable substrate has a wavelength-selective optical layer on a surface opposite the first reflection surface, which is designed to transmit electromagnetic radiation of a defined wavelength l or electromagnetic radiation of a defined narrow-band wavelength range.
  • a wavelength-selective optical layer on a surface opposite the first reflection surface, which is designed to transmit electromagnetic radiation of a defined wavelength l or electromagnetic radiation of a defined narrow-band wavelength range.
  • the substrate can be designed as a wavelength-selective substrate which transmits electromagnetic radiation of a defined wavelength l or a defined narrow-band wavelength range into the resonance space.
  • a narrow-band wavelength range can be a wavelength range in which the intensity of an interference peak of a wavelength detectable with the radiation detector, preferably a central wavelength, is more than 1%, preferably more than 2%, particularly preferably more than 3%, of the maximum intensity of the interference peak.
  • a wavelength detectable with the radiation detector can in particular be a wavelength for which the resonance condition can be met in the tuning range Aw of the resonance space. With such a radiation detector, electromagnetic radiation to be detected of the respectively selected wavelength or a wavelength of the respectively selected narrowband wavelength range can be detected particularly reliably and quickly.
  • the radiation of the respective wavelength can be detected at a distance w set to be constant over time, which fulfills the resonance condition for the respective wavelength.
  • the radiation of the respective wavelength can be detected by continuously changing or tuning the distance w in a tuning range Aw, the tuning range Aw being a continuous range that has both a spacing w and spacings w, in which the resonance condition for the selected wavelength or the selected narrowband wavelength range is met, as well as distances w, at which the resonance condition for the selected wavelength or the selected narrowband wavelength range is not met. If the distance w is continuously changed or tuned in this tuning range Aw, at least one temperature change can be brought about on the second reflection surface.
  • the tuning range Aw can be run through several times during the change in distance, for example by applying an alternating voltage to the active layer of the at least one actuator, so that a chopper effect can be generated by the repeated temperature changes. Due to the sharply defined pass band of the wavelength-selective optical layer, a temperature change with a high gradient can be achieved, so that the tuning range Aw can be passed through with a frequency in the range from 5 kHz to 5 MHz. Accordingly, an alternating current can be detected on the pyroelectric sensor element, the amplitude of which can serve as a measurement signal.
  • the radiation detector can thus be optimized for a specific wavelength and operated without an external pulse shaper. The narrower the tuning range is chosen, the faster the tuning range can run through and the electromagnetic radiation to be detected is detected.
  • This filter which can also be referred to as a long-pass or high-pass filter, has.
  • This filter can be designed, undesirable resonance wavelengths, z. B. low resonance wavelengths below a certain wave gears min , to hide, ie to block, so that these wavelengths are not transmitted into the resonance space.
  • a detector array has at least two micromechanical radiation detectors whose second reflection surfaces, preferably without overlapping, are each aligned in one spatial direction.
  • the radiation detectors can be arranged offset to one another or preferably arranged in such a way
  • the second reflection surfaces are each arranged in a plane.
  • the radiation detectors can for example be attached to a common carrier or chip.
  • the radiation detector can have a substrate which is permeable to radiation for the electromagnetic radiation to be detected, on the surface of which the second reflection surface
  • the 20 surfaces of the radiation detectors can be arranged and designed. That is to say, the radiation detectors can be designed on a common substrate. Tilting of the radiation detectors can thereby be avoided and production of the detector array can be facilitated.
  • the radiation detectors can each be angeord net at defined positions and have Fabry-Perot interferometer elements that are identical to one another. Electromagnetic radiation to be detected can thus be spatially resolved and / or detected in a spectrally resolved manner.
  • the radiation detectors can be optimized for the detection of electromagnetic radiation with different wavelength ranges so that, for example, a multispectral detector array for IR spectroscopy (infrared spectroscopy) or multispectral thermal imaging can be formed.
  • the radiation detectors can do this
  • each adjustable or tunable in different areas have resonance spaces, ie the distances w of the resonance spaces can each be adjustable and / or changeable in different areas.
  • the radiation detectors can each have a wavelength-selective optical layer on a surface of the radiation-permeable substrate opposite the first reflection surface, which is designed to each have an electromagnetic radiation of a defined wavelength l or an electromagnetic radiation of a defi
  • the wavelength-selective optical layers can each transmit the identical wavelength l or the identical narrow-band wavelength range or transmit different wavelengths l or different narrow-band wavelength ranges.
  • 15 narrow-band wavelength ranges can, for example, be characteristic absorption or transmission lines or bands of a certain material, so that qualitative and quantitative material determination measurements can be carried out with the detector array.
  • the respective absorption or transmission lines or bands can be used simultaneously
  • the material determination can be carried out not only in a non-contact and non-destructive manner, but also extremely quickly.
  • the number of radiation detectors and the wavelengths or narrow-band wavelength ranges of the respective wavelength-selective optical layers can be adapted to the wavelength range of a
  • the resulting electromagnetic radiation can be adapted or distributed over it in such a way that the spectrum of the electromagnetic radiation to be detected can be reconstructed from the measurements of the individual radiation detectors.
  • the advantage here again lies in the simultaneous and therefore very rapid, but also very precise radiation measurement.
  • an electromagnetic radiation to be detected is passed through a substrate which is radiation-permeable for the electromagnetic radiation to be detected into a resonance space formed with a first reflection surface and a second reflection surface
  • the distance w is set and / or changed in a defined manner by means of at least one actuator.
  • the actuator is designed for this on the second reflective surface of the resonance chamber and has a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, which are designed to mechanically deform the actuator when an electrical voltage is applied to the active layer in such a way that the distance w is adjustable and / or can be changed in a defined manner.
  • a temperature change is detected by means of a pyroelectric sensor element, which occurs due to an absorption of the electromagnetic radiation to be detected on the second reflection surface depending on the wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected, the distance w and or a change in the distance w or is effected.
  • the pyroelectric sensor element has a pyroelectric layer and is designed to detect the temperature change by means of this pyroelectric layer.
  • the intensity and / or the wavelength l of the electromagnetic radiation is or are determined from the temperature change, the distance w and / or the change in the distance w over time.
  • the described method can in particular be carried out with the described radiation detector or the described detector array, that is, the described radiation detector and the described detector array are set up for carrying out the described method.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a sectional view of an example of a micromechanical radiation detector
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a top view of an example of a micromechanical detector array
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a sectional view of an example of a micromechanical detector array
  • FIG. 7 shows, in a schematic representation, an electrical circuit of a control unit
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a production method for an example of a micromechanical radiation detector.
  • FIG. 1 shows a sectional view
  • FIG. 2 shows a plan view of the radiation detector.
  • Fi gur 2 the sectional plane of the sectional view shown in Figure 1 is indicated with a dashed line.
  • the direction of incidence of the electromagnetic radiation to be detected on the micromechanical radiation detector is indicated in FIG. 1 with arrows.
  • Recurring features are provided with identical reference numerals in FIGS. 1 and 2, as well as in the following figures.
  • the micromechanical radiation detector has a Fabry-Perot interferometer element with at least one actuator 2 and a pyroelectric sensor element 3.
  • the Fabry-Perot interferometer element has an optical's resonance space 4, which is provided with a first reflection surface, which can also be referred to as a resonance surface, and a second reflection surface or resonance surface and lateral boundaries 6 of a first sacrificial surface.
  • Layer OS1 is formed, wherein the first and the second reflection surface are arranged plane parallel at a distance w from one another and the first reflection surface is formed on a surface of a substrate 5 which is transparent to radiation for an electromagnetic radiation to be detected.
  • the at least one actuator 2 is formed on the second reflective surface of the resonance chamber 4 and has a first electrode layer E1, an active layer 9 and a second electrode layer E2, which are formed and arranged, the at least one actuator 2 when an electrical voltage is applied to mechanically deform the active layer 9 via the first electrode layer E1 and the second electrode layer E2 in such a way that the distance w between the first reflective surface and the second reflective surface of the resonance chamber 4 can be set and / or changed in a defined manner.
  • the pyroelectric sensor element S has a pyroelectric layer IS and is designed to detect a temperature change by means of this pyroelectric layer 13, this temperature change being caused by an absorption of an electromagnetic to be detected transmitted or radiated into the resonance space 4 through the radiation-permeable substrate 5 Radiation at the second reflection surface is caused as a function of the wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected, the distance w and / or a change in the distance w.
  • the at least one actuator 2 is designed as a flexural beam with a polygonal, plane-parallel to the second reflective surface on ordered active layer 9, which contracts or expands when an electrical voltage is applied, so that the actuator 2 through the contraction or expansion along the optical axis of the resonance space 4 is deformed or deflected and the distance w between the first reflective surface and the second reflective surface increases or decreases as a result.
  • the resonance chamber 4 is formed with a first and a second reflection surface, which are square and congruently shaped and arranged to one another.
  • the second reflection surface is formed with or on a flat surface of the first electrode layer E1 of the at least one actuator 2.
  • the deformation of the at least one actuator 2 can act directly on the resonance chamber 4.
  • the radiation detector has four actuators 2 which are designed as bending beams and are each arranged with a longitudinal axis parallel to an edge of the second reflective surface of the resonance chamber 4.
  • the distance w can be set or changed with a particularly high degree of parallelism of the reflection surfaces.
  • other shapes of the reflective surfaces and numbers or arrangements of the min least one actuator 2 are also possible.
  • the pyroelectric sensor element 3 is also square in the example shown and arranged centrally on the second reflective surface of the resonance space 4, the second reflective surface being formed with or on a flat surface of a first electrode layer El of the pyroelectric sensor element.
  • the actuators 2 are each arranged with a longitudinal axis parallel to an outer edge and surface of the pyroelectric sensor element 3 and thereby thermally isolate the pyroelectric sensor element 3 so that a higher temperature change can be achieved in the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3.
  • other shapes and arrangements of the pyroelectric sensor element 3 and the at least one actuator 2 are also possible, please include.
  • the at least one actuator 2 is formed with a first electrode layer E1 and a second electrode layer E2, which have different layer thicknesses from one another in order to form a flexible beam which, when the active layer 9 expands or contracts, along the optical The axis of the resonance chamber 4 is deformed or sagged.
  • the first electrode layer E1 preferably has a layer thickness less than 300 nm
  • the second electrode layer E2 preferably has a layer thickness greater than 300 nm.
  • the active layer 9 can have a layer thickness between 10 nm and 1000 nm, preferably between 20 nm and 100 nm.
  • the bending beam can also be formed with a first electrode layer E1 and a second electrode layer E2, which have different compositions and / or mechanical properties, or with an active layer 9, the composition and / or mechanical properties of which are in Direction of the optical axis of the resonance chamber 4 or the longitudinal axis of the bending beam continuously or step by step, for example through a gradient in the doping of the active layer 9 or a corresponding multilayer structure, such that the active layer 9 and thus the at least one actuator 2 change when an electrical voltage is applied deformed or deflected on the active layer 9 in the direction of the optical axis of the resonance chamber 4.
  • the electrode layers E1 and E2 of the at least one actuator 2 and the pyroelectric sensor element S are formed from an electrically conductive layer stack, each of which has a conductor layer 8, 10 and a carrier layer 7, 11.
  • the conductor layers 8, 10 are each arranged on a surface of the active layer 9 or the piezoelectric layer 13 and the carrier layers 7, 11 are each on a surface of the respective conductor layer 8 opposite the active layer 9 or the piezoelectric layer 13 , 10 trained.
  • electro denstoffen however, individual layers or layer stacks with other layer sequences and / or layer compositions, such as. B. electrically conductive Bragg reflectors can be used.
  • the second reflective surface is formed on or with a surface of the carrier layer 7 of the first electrode layer E1 of the at least one actuator 2 and the pyroelectric sensor element 3.
  • the conductor layers 8, 10 in the example shown in Figures 1 and 2 are made of titanium nitride, TiN, but can also consist of tantalum carbonitride, TaCN, tantalum aluminum nitride, TaAlN, ruthenium, Ru, ruthenium oxide, RuO, titanium, Ti, titanium aluminum nitride, TiAlN, platinum, Pt, iridium, Ir, iridium oxide, IrO, or molybdenum, Mo, or another suitable electrically conductive material.
  • the electrode layers E1 and E2, the active layer 9 and the pyroelectric layer 13 are formed from layers which the entire radiation detector has in each case. That is, the radiation detector has a first electrode layer E1, an active layer 9 and a second electrode layer E2, which are each arranged parallel in a plane to the reflective surfaces and are structured or spatially separated vertically to the second reflective surface in such a way that with the first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 des Radiation detector of the at least one actuator 2 and electrically insulated therefrom, the pyroelectric sensor element S are formed.
  • the first electrode layer E1, the second electrode layer E2 and the active layer 9 of the radiation detector can each be formed in just a single manufacturing step, which significantly simplifies the manufacture of the radiation detector.
  • the active layer 9 of the actuator 2 and the pyroelectric layer IS of the pyroelectric sensor element 3 are formed in the same plane and have the same composition and layer thickness, so that a high degree of parallelism of the layers with respect to the reflection surfaces can be achieved.
  • the active layer 9 of the actuator 2 and the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3 are formed from or with doped hafnium oxide, HfC> 2, a mixed hafnium oxide or combinations of these, the dopants in the doped Hafnium oxide aluminum, AI, silicon, Si, germanium, Ge, yttrium, Y, scandium, Sc, gadolinium, Gd, strontium, Sr, lanthanum, La, niobium, Nb, barium, Ba, cerium, Ce, neodymium, Nd, samarium , Sm, Erbium, Er, and / or or Ytterbium, Yb, can be.
  • first electrode layer E1, the second electrode layer E2 and / or the active layer 9 can be designed as a layer of the radiation detector in the radiation detector and arranged parallel to the reflection surfaces and vertically structured or spatially separated in such a way that the respective layer the first electrode layer E1, the second electrode E2 or an active layer 9 of the at least one actuator 2 and electrically insulated therefrom the first electrode layer E1, the second electrode layer E2 or a pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3 forms.
  • the layers E1, E2, 9 of the at least one actuator 2 and the layers E1, E2, 13 of the pyroelectric sensor element 3 can alternatively also have different compositions and / or layer thicknesses and / or be produced in separate manufacturing steps.
  • the at least one actuator 2 can be designed as a piezoelectric, flexoelectric or electrostrictive actuator, in which the active layer 9 is formed with or from a piezoelectric, flexoelectric and / or electrostrictive material.
  • the pyroelectric sensor element S can be designed as a plate capacitor with a first electrode layer El, a pyroelectric layer IS as the capacitor medium and a second electrode layer E2, the pyroelectric layer 13 being formed with or from one or more pyroelectric and / or ferroelectric materials can be.
  • the sensor area of the pyroelectric sensor element 3, ie the area of the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3, can have an area between 100 ⁇ m 2 and 2 mm 2 .
  • the resonance chamber 4 is designed as an optical air gap resonator, the distance w of which can be set or changed in a range between 0.5 ⁇ m and 35 ⁇ m.
  • the radiation detector can be used in particular for the detection of electromagnetic radiation in the near and medium infrared range.
  • radiation detectors with resonance chambers 4 can also be produced which are formed with other resonance media, such as vacuum, nitrogen or noble gases, or the spacing w of which can be set and / or changed in other areas.
  • the resonance space 4 can be formed, for example, by means of a sacrificial layer. An example of a method for producing a micromechanical radiation detector is described in FIG.
  • the radiation-permeable substrate 5 is designed in such a way that it transmits the electromagnetic radiation to be detected into the resonance chamber 4 and has a first reflective surface on one surface, which is a flat, partially permeable mirror with a degree of reflection between 85 % and 98% is formed in the wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected.
  • the radiation-permeable substrate can consist, for example, of Si, Ge, GaAs, SiGe or InP.
  • the second reflection surface is formed on a surface of a carrier layer 7 of the first electrode layer E1 in such a way that it forms a flat, partially transparent mirror with a reflectance between 85% and 98% in the wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected.
  • the carrier layer 11 is for this purpose, for example, made of polycrystalline Si, SiGe or Ge with dopants, such as. B. boron, B, aluminum,
  • AI gallium, Ga, indium, In, phosphorus, P, arsenic, As, antimony, Sb, bismuth, Bi, o- which also metals such as aluminum, Al, copper, Cu, cobalt, Co, nickel, Ni, Mo lybdenum, Mo, tantalum, Ta, and / or titanium, Ti, are formed.
  • the carrier layers 7, 11 and the conductor layers 8, 10 in the example shown each have the same composition, but they can also be made of different materials.
  • the radiation detector in the case of FIGS. 1 and 2 is installed det with a radiation-permeable substrate 5 which is electrically conductive, such as, for. B. a substrate made of Si, Ge, GaAs, SiGe or InP.
  • the first electrode layer E1 of the radiation detector is formed both on the second reflection surface and in direct contact with the electrically conductive substrate 5.
  • the first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 are also structured or spatially separated in defined areas Gl, G2, G3, G4 vertical to the second reflection surface in such a way that the first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 of the radiation detector of the at least one actuator 2 and electrically insulated therefrom with the first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 of the radiation detector the pyroelectric sensor element 3 are formed, the at least one actuator 2 being formed via the electrically conductive Sub strat 5, Kl and at least one first contact K2 on the second electrode layer E2 can be electrically contacted and the pyroelectric sensor element 3 can be electrically contacted independently via the electrically conductive substrate 5, Kl and at least one second contact K3 on the second electrode layer E2 .
  • the electrically conductive substrate 5 is designed without coatings in an edge region K1 of the substrate 5 around the Fabry-Perot interferometer element.
  • alternative electrical contacts between the at least one actuator 2 and the pyroelectric sensor element 3 are also possible.
  • the radiation detector of the example of FIGS. 1 and 2 can have a control unit, not shown in FIGS. 1 and 2, which is designed to close the active layer 9 of the at least one actuator 2 and / or the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3 condition and / or recondition.
  • the Control unit can also be designed to increase the piezoelectric effect of the active layer 9 of the at least one actuator 2 and / or to increase the pyroelectric effect of the pyroelectric layer IS of the pyroelectric sensor element 3. This can be achieved, for example, by applying a voltage or voltage sequence to the active layer 9 of the at least one actuator 2 and / or the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3.
  • FIG. 7 shows an example of an electrical circuit of a control unit.
  • the electromagnetic radiation to be detected can be broadband, external, preferably uniform, pulsed or temporally modulated radiation or broadband, temporally continuous, unpulsed or unmodulated radiation.
  • An externally pulsed or modulated radiation can be detected with the radiation detector at a time constant set distance w of the resonance chamber 4, since the temperature change on the second reflection surface in the case of resonance is caused by the increasing and decreasing intensity of the electromagnetic radiation to be detected . From the amplitude of the measurement signal of the py roelectric sensor element 3, conclusions can be drawn about the magnitude of the temperature change and thus the intensity of the electromagnetic radiation whose wavelength l meets the resonance condition for the set distance w.
  • the measurement can be repeated for different intervals w set to be constant over time, so that, given a sufficient number of measurements, a wavelength-dependent intensity spectrum of the electromagnetic radiation to be detected can be reconstructed from the individual measurements.
  • the distances w can each be set within a range which lies within or corresponds to the free spectral range of the resonance space 4.
  • Time-constant, unpulsed or unmodulated electromagnetic radiation can be detected with the radiation detector by a temperature change is generated by changing the distance w of the resonance chamber 4, so the radiation detector is operated dynamically.
  • the min- At least one actuator 2 of the example of FIGS. 1 and 2 is therefore designed to continuously, and preferably uniformly, change or tune the distance w of the resonance chamber 4 in a defined continuous tuning range Aw.
  • the pyroelectric sensor element 3 is designed accordingly to continuously detect the change in temperature of the second reflection surface during the change in the distance w.
  • the tuning range Aw can lie in the free spectral range of the resonance space or correspond to it. In the example of FIGS.
  • the change in the distance w is generated by applying a preferably sinusoidal or cosinusoidal alternating voltage to the active layer 9 of the at least one actuator 2.
  • An alternating current is then detected at the pyroelectric sensor element 3, the amplitude of which is used as a measurement signal.
  • the spectrum of the radiation to be detected in the respective tuning range Aw is reconstructed from the measured amplitude curve using calibration methods in which the measured amplitude curve is compared, for example, with one or more amplitude curves of a known reference radiation.
  • the radiation detector of the example of FIGS. 1 and 2 also has an optional functional layer 12 on a surface of the radiation-permeable substrate 5 which is opposite or opposite to the first reflection surface.
  • This can, for example, be an antireflection layer for improved radiation coupling of the radiation to be detected into the substrate 5 and / or a wavelength-selective optical layer 12 which is formed, an electromagnetic radiation of a defined wavelength l or an electromagnetic radiation of a defined narrow-band wavelength range in to transmit the substrate 5 and thus into the resonance space 4.
  • the radiation-permeable substrate 5 can also be designed as a wavelength-selective substrate which only transmits electromagnetic radiation of a defined wavelength l or a defined narrow-band wavelength range into the resonance chamber 4.
  • the wavelength selected in each case by means of the wavelength-selective optical layer or a wavelength length of the narrowband wavelength range selected in each case by means of the wavelength-selective optical layer can be detected at a distance w set to be constant over time and which fulfills the resonance condition for this wavelength.
  • the corresponding wavelength can be detected by continuously changing or tuning the distance w in a tuning range Aw.
  • the tuning range Aw is a continuous range that includes both a distance w or distances w at which the resonance condition for the selected wavelength or a wavelength of the selected narrow-band wavelength range is met, as well as distances w at which the The resonance condition for the selected wavelength or a wavelength of the selected narrow-band wavelength range is not met. If the distance w is continuously changed or tuned in this tuning range Aw, at least one temperature change is brought about on the second reflection surface.
  • the tuning range Aw is passed through several times in the example shown in FIGS. 1 and 2 by applying an alternating voltage to the active layer 9 when the distance w is changed, so that a chopper effect is generated by the temperature changes that occur repeatedly. Accordingly, an alternating current is detected on the pyroelectric sensor element, the amplitude of which is used as the measurement signal.
  • the radiation detector can thereby be optimized for a wavelength or selected narrowband wavelength range selected by means of the wavelength-selective optical layer 12 and can be operated without external pulse shapers.
  • the radiation-permeable substrate 5 can also have a broadband bandpass filter or an edge filter.
  • Such filter layers can be formed, un desired resonance wavelengths, for. B. low resonance wavelengths un below a certain swell min , hide, ie to blockie ren.
  • the detector arrays 14 each have at least two micromechanical radiation detectors whose reflective surfaces, preferably without overlap, are each aligned in one spatial direction.
  • the radiation detectors can be formed in a plane of a radiation-permeable substrate or can be attached to a plane plane of a carrier or chip 15.
  • the radiation detectors can each be arranged at defined positions, be formed identically to one another or have Fabry-Perot interferometer elements with different free spectral ranges of the resonance chambers 4 and / or different wavelength-selective optical layers 12, so that an electromagnetic radiation to be detected is spatially resolved and / or or can be detected in a spectrally resolved or wavelength-optimized manner.
  • FIG. 4 shows, for example, a detector array 14 that can be used as an imaging detector array.
  • the radiation detectors are arranged in a plurality of rows in a matrix 16.
  • the electrical connections of the actuators 2 and the pyroelectric sensor elements 3 are each connected to bond pads 17, 18, which can be contacted by wires with a housing.
  • the detector array is applied to a CMOS chip (complementary metal-oxide-semiconductor) or a carrier 15 which has a CMOS circuit.
  • This CMOS circuit can, for example, have electrical components for controlling the actuators 2 and / or reading out the measurement signals from the pyroelectric sensor elements 3.
  • the CMOS circuit can in particular be an amplifier or electrical current or voltage sources 19 and multiplexer 20 for controlling the actuators gates 2, as well as analog switch 21 and current, voltage or transimpe dance amplifier 22 and analog-to-digital converter 23 for reading the pyro electrical sensor elements S included.
  • interface electronics 24 and bond pads and / or electrical components of the control device can be part of the CMOS chip.
  • FIG. 5 a cross section of a further example of a micromechanical detector array 14 is shown in a schematic representation.
  • the second reflection surfaces of the radiation detectors of the detector array 14 are each arranged on a flat surface of an electrically conductive, radiation-permeable substrate 5 of the detector array 14 and forms.
  • the direction of incidence of the electromagnetic radiation to be detected is indicated in FIG. 6 with arrows.
  • the detector array 14 is attached to a CMOS chip 15. As in the example in FIG. 4, this can have a CMOS circuit for radiation detection and / or electrical components for conditioning, reconditioning and / or amplifying the piezoelectric or pyroelectric effect.
  • the electrical contacts between the electrically conductive, radiation-permeable substrate 5 and the CMOS chip 15 can be made by means of "solder bumps"
  • detector array 14 is placed in an optional housing G and electrically contacted by means of solder bumps 25 or wire bonds.
  • FIG. 7 schematically shows an example of an electrical circuit of a control unit.
  • the characteristics of the pyroelectric and piezoelectric effect can depend on the electrical history of the respective material. Therefore, the radiation detector and / or the detector array can have a control device which is designed to condition the active and / or the pyroelectric layer 9, 13 or layers and / or to recondition and / or the piezoelectric rule effect of the active layer 9 or layers and / or the pyroelectric effect of the pyroelectric layer 13 or layers to increase hen.
  • the control unit can have a special circuit that is integrated into the pyroelectric sensor element S and is designed to conduct one or more electrical pulses or pulse trains to the piezoelectric layer 9 and / or pyroelectric layer IS or layers.
  • An electrical signal is generated by an integrated pulse generator or waveform generator 26 which is electrically connected to a control circuit 27.
  • the generated electrical waveform or pulse sequence can be changed ver by an amplifier 28 in their amplitude or offset voltage.
  • the amplitude of the generated waveform or pulse sequence rises above the coercive field strength of the piezoelectric and / or pyroelectric material with or from which the respective layer 9, 13 is formed, which in the case of doped hafnium oxide or hafnium oxide mixed oxides in the area is between 0.7 MV / cm to 1.5 MV / cm.
  • the amplitude is lower than the breakdown field strength of the material in the range between 3 MV / cm to 3.5 MV / cm.
  • the piezoelectric and / or pyroelectric effect of the respective layer can be increased.
  • Possible pulse trains include square, sine, triangular or sawtooth waveforms in a frequency range from 10 Hz to 1 MHz.
  • the electrical connection is established with the aid of a first analog switch or multiplexer 29.
  • the pulse sequence or waveform is passed on to a pyroelectric sensor element 3 or an actuator 2, which is selected with the aid of a second analog switch or multiplexer 30.
  • the pulse sequence or waveform can be applied to the respective layer with 10 to 10 6 periods. This can, for example, take place once when the sensor element is put into operation, and / or at regular time intervals specified by the control electronics, or after a specified number of switch-on processes (conditioning).
  • the conditioning can be repeated, ie reconditioning, in order to compensate for possible degradation processes of the piezoelectric and / or pyroelectric material.
  • the measurement signal of the pyroelectric sensor element 3 after conditioning or Reconditioning can be read out.
  • the pyroelectric sensor element S is connected to an amplifier circuit 31 and an analog-digital converter 32 and the digital control circuit 33 and connection pads 34.
  • the pyroelectric sensor element 3 can also be electrically connected to the first analog switch or multiplexer 29 directly via a connection pad.
  • the expression of the pyroelectric effect is also dependent on the electric field.
  • a direct voltage can therefore also be applied to the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3.
  • a DC voltage source is connected in series with the amplifier circuit 31.
  • the pyro-electrical coefficient of Si-doped hafnium oxide HfC> 2 can be increased to a coefficient of -140 pC / m 2 K, for example, at a direct voltage of 1.5 V.
  • FIG. 8 a production method of an example of a micromechanical radiation detector is shown schematically. The method comprises the following steps, the numbering of which is identical to the numbering of the respective representations in FIG. 8:
  • the respective layers are preferably designed as planar layers or can be planarized after their formation.

Abstract

The invention relates to a micromechanical radiation detector, to a detector array having micromechanical radiation detectors and to a method for detecting radiation. The radiation detector comprises: - a Fabry-Pérot interferometer element (1), which has an optical resonance chamber (4) and at least one actuator (2); and - a pyroelectric sensor element (3). The at least one actuator (2) has a first electrode layer (E1), an active layer (9) and a second electrode layer (E2), which are designed and arranged to mechanically deform the actuator (2), when a voltage is applied to the active layer (9) by means of the first electrode layer (E1) and the second electrode layer (E2), such that the distance between a first reflection surface and a second reflection surface, by which reflection surfaces the resonance chamber (4) is formed, can be set and/or changed in a defined way. The pyroelectric sensor element (3) has a pyroelectric layer (13) and is designed to sense, by means of the pyroelectric layer (13), a temperature change, which is caused by the absorption of electromagnetic radiation, transmitted through a radiation-transmissive substrate (5) into the resonance chamber (4), at the second reflection surface according to the wavelength of the electromagnetic radiation, according to the distance w and/or according to a change in the distance w.

Description

Mikromechanischer Strahlungsdetektor, mikromechanisches Spektrometer und Verfahren zur Strahlungsmessung Micromechanical radiation detector, micromechanical spectrometer and method for radiation measurement
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Strahlungsdetek- tor, ein mikromechanisches Detektorarray und ein Verfahren zur Strahlungs messung, insbesondere zur spektrometrischen Messung von Infrarot-Strah lung. The present invention relates to a micromechanical radiation detector, a micromechanical detector array and a method for radiation measurement, in particular for the spectrometric measurement of infrared radiation.
Spektrometer werden bisher aus diskreten optischen Elementen aufgebaut und benötigen bewegliche Teile oder verschiedene Baugruppen, welche eine Miniaturisierung verhindern und einen hohen Wartungsaufwand erfordern. Strahlungsdetektoren können heute zwar bereits miniaturisiert hergestellt werden, allerdings bieten solche Detektoren keine Möglichkeit, Informationen über die spektrale Zusammensetzung einer eingestrahlten elektromagneti schen Strahlung zu gewinnen. Pyroelektrische Strahlungssensoren haben au ßerdem den Nachteil, dass sie nur elektromagnetische Strahlung detektieren können, die gepulst ist, um die für das pyroelektrische Messprinzip benötigte Temperaturänderung zu erzeugen. Üblicherweise wird daher eine elektrisch gepulste Strahlungsquelle verwendet oder eine zeitlich kontinuierliche Strah lung mittels eines externen, beweglichen mechanischen Pulsformers, auch Chopper oder Shutter genannt, gepulst. Solche Pulsformer sind jedoch störan fällig und können nicht miniaturisiert werden. Up to now, spectrometers have been constructed from discrete optical elements and require moving parts or various assemblies, which are a Prevent miniaturization and require a high level of maintenance. Radiation detectors can nowadays be manufactured in miniaturized form, but such detectors do not offer any way of gaining information about the spectral composition of an irradiated electromagnetic radiation. Pyroelectric radiation sensors also have the disadvantage that they can only detect electromagnetic radiation that is pulsed in order to generate the temperature change required for the pyroelectric measuring principle. Usually, therefore, an electrically pulsed radiation source is used or a temporally continuous radiation is pulsed by means of an external, movable mechanical pulse shaper, also called a chopper or shutter. However, such pulse shapers are prone to failure and cannot be miniaturized.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden und einen einfach zu fertigenden mikromechanischen Strah lungsdetektor, ein einfach zu fertigendes mikromechanisches Detektorarray und ein Verfahren zur Strahlungsmessung bereitzustellen, mit denen elektro magnetische Strahlung schnell und effizient detektiert werden kann. The present invention is therefore based on the object of overcoming these disadvantages and providing an easy-to-manufacture micromechanical radiation detector, an easy-to-manufacture micromechanical detector array and a method for measuring radiation with which electromagnetic radiation can be detected quickly and efficiently.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen mikromechanischen Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, ein Detektorarray nach Anspruch 11 und ein Verfahren nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. This object is achieved according to the invention by a micromechanical radiation detector according to claim 1, a detector array according to claim 11 and a method according to claim 12. Advantageous embodiments and developments are each described in the dependent claims.
Ein mikromechanischer Strahlungsdetektor weist ein Fabry-Perot-Interfero- meterelement mit mindestens einem Aktuator und ein pyroelektrisches Sen sorelement auf. Das Fabry-Perot-Interferometerelement weist einen mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten opti schen Resonanzraum, der auch als optischer Resonator bezeichnet werden kann, auf, bei dem die erste Reflexionsfläche an einer Oberfläche eines für eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässigen Substrates gebildet ist und planparallel in einem Abstand w zu der zweiten Re flexionsfläche angeordnet ist. Der mindestens eine Aktuator ist an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes ausgebildet und weist eine erste Elekt rodenschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht auf, die ausgebildet und angeordnet sind, den Aktuator bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht über die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht mechanisch derart zu verformen, dass der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes definiert einstellbar und bzw. oder veränderbar ist. Das py roelektrische Sensorelement weist eine pyroelektrische Schicht auf und ist ausgebildet, mittels dieser pyroelektrischen Schicht eine Temperaturänderung zu erfassen, die durch eine Absorption einer zu detektierenden elektromagne tischen Strahlung, die durch das strahlungsdurchlässige Substrat in den Reso nanzraum transmittiert bzw. eingestrahlt wird, an der zweiten Reflexionsflä che in Abhängigkeit von der Wellenlänge l der zu detektierenden elektromag netischen Strahlung, dem Abstand w und bzw. oder einer Änderung des Ab stands w bewirkt wird. Mit dem Strahlungsdetektor kann somit eine Intensität und bzw. oder eine Wellenlänge l einer elektromagnetischen Strahlung effi zient bestimmt werden. Im Vergleich zu elektrostatischen Antrieben mit Fe deraufhängungen kann der Aktuator des Strahlungsdetektors effizienter ge fertigt werden und es tritt kein Snap-In-Effekt auf. Die Betriebsspannung ist geringer als bei elektrostatischen Antrieben und aufgrund der einfachen und schnellen Einstellmöglichkeit für den Abstand w können kurze Ansprech- und Messzeiten des Strahlungsdetektors erreicht werden. Der Strahlungsdetektor kannohne externe bewegliche Teile betrieben und als monolithisches Bauteil ausgebildet werden. Dadurch können sowohl eine Zuverlässigkeitssteigerung als auch eine Miniaturisierung erreicht werden. Unter dem Begriff „planparal lel" soll hierbei insbesondere eine vollkommen parallele Ausrichtung der Re flexionsflächen verstanden werden, bei der deren Oberflächennormalen also nicht, d. h. um 0°, zueinander versetzt sind, also parallel verlaufen. Ferner soll darunter aber auch verstanden werden, dass die Reflexionsflächen geringfügig gegeneinander verkippt sind, ihre Oberflächennormalen also um bis zu 5° ge geneinander verkippt sind. A micromechanical radiation detector has a Fabry-Perot interferometer element with at least one actuator and a pyroelectric sensor element. The Fabry-Perot interferometer element has an optical resonance space formed with a first reflective surface and a second reflective surface, which can also be referred to as an optical resonator, in which the first reflective surface is formed on a surface of a substrate that is permeable to radiation for an electromagnetic radiation to be detected is and is plane-parallel at a distance w to the second Re is arranged flexion surface. The at least one actuator is formed on the second reflection surface of the resonance chamber and has a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, which are formed and arranged, the actuator when an electrical is applied To mechanically deform voltage to the active layer via the first electrode layer and the second electrode layer in such a way that the distance w between the first reflective surface and the second reflective surface of the resonance chamber can be set and / or changed in a defined manner. The pyroelectric sensor element has a pyroelectric layer and is designed to use this pyroelectric layer to detect a temperature change caused by absorption of an electromagnetic radiation to be detected that is transmitted or radiated into the resonance space through the radiation-permeable substrate second reflection surface depending on the wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected, the distance w and / or a change in the distance w is effected. The radiation detector can thus be used to efficiently determine an intensity and / or a wavelength l of electromagnetic radiation. Compared to electrostatic drives with spring suspensions, the actuator of the radiation detector can be manufactured more efficiently and there is no snap-in effect. The operating voltage is lower than that of electrostatic drives, and because the distance w can be set quickly and easily, the radiation detector can achieve short response and measurement times. The radiation detector can be operated without external moving parts and can be designed as a monolithic component. As a result, both an increase in reliability and a miniaturization can be achieved. The term "planparal lel" is to be understood here in particular as a completely parallel alignment of the reflective surfaces in which their surface normals are not offset from one another, ie by 0 °, that is, run parallel Reflection surfaces are slightly tilted against each other, so their surface normals are tilted against each other by up to 5 ° ge.
Erfüllt der Abstand w bzw. die Resonatorlänge w des Resonanzraumes für eine durch das strahlungsdurchlässige Substrat, bevorzugt senkrecht, in den Resonanzraum eingestrahlte elektromagnetische Strahlung mit der Wellen länge l die (vereinfachte) Resonanzbedingung: w oc m l / [4 n cos(0)] mit n: Brechungsindex des Resonanzmediums im Resonanzraum w: Abstand zwischen den Reflexionsflächen l: Wellenlänge der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung Q: Einfallswinkel der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung m: natürliche Zahl m>0, so tritt im Resonanzraum eine konstruktive Mehrfachinterferenz für diese Wellenlänge auf und der Resonanzraum bildet einen optischen Resonator. Die Strahlung der Wellenlänge l wird vom Resonanzraum transmittiert und an der zweiten Reflexionsfläche absorbiert, wodurch die zweite Reflexionsfläche er wärmt wird. If the distance w or the resonator length w of the resonance space meets the (simplified) resonance condition for electromagnetic radiation with the wavelength l through the radiation-permeable substrate, preferably perpendicularly, into the resonance space: w oc ml / [4 n cos (0)] with n: refractive index of the resonance medium in the resonance space w: distance between the reflective surfaces l: wavelength of the incident electromagnetic radiation Q: angle of incidence of the incident electromagnetic radiation m: natural number m> 0, a constructive multiple interference occurs in the resonance space for this wavelength and the resonance space forms an optical resonator. The radiation of wavelength l is transmitted from the resonance chamber and absorbed on the second reflective surface, whereby the second reflective surface is warmed up.
Die Resonanzbedingung kann durch eine Veränderung des Abstands w ent lang der optischen Achse des Resonanzraumes, d. h. senkrecht zu den Reflexi onsflächen, definiert verändert werden. Der Resonanzraum kann dadurch als veränderlicher optischer Bandpassfilter verwendet werden, mit dem üblicher weise eine Zentralwellenlänge der ersten Interferenzordnung (m = 1) trans mittiert werden kann. Ist die Resonanzbedingung nicht mehr erfüllt, so wird die Strahlung nicht mehr vom Resonanzraum transmittiert und die zweite Re flexionsfläche nicht mehr erwärmt. Die Temperaturänderung an der zweiten Reflexionsfläche ist demnach von der jeweiligen Wellenlänge l der einge strahlten elektromagnetischen Strahlung und dem Abstand w bzw. dessen Än derung abhängig. Die Temperaturänderung bewirkt an den Elektroden bzw. Leiterschichten des pyroelektrischen Sensorelementes aufgrund des pyro elektrischen Effektes eine Ladungstrennung und dadurch einen messbaren Stromfluss, der mit dem Strahlungsdetektor erfasst werden kann und zur Be stimmung der Intensität und bzw. oder der Wellenlänge l der elektromagneti schen Strahlung herangezogen werden kann. The resonance condition can be achieved by changing the distance w along the optical axis of the resonance space, i.e. H. perpendicular to the reflective surfaces, can be changed in a defined manner. The resonance space can thus be used as a variable optical band-pass filter, with which a central wavelength of the first interference order (m = 1) can usually be transmitted. If the resonance condition is no longer met, the radiation is no longer transmitted by the resonance chamber and the second reflective surface is no longer heated. The temperature change at the second reflection surface is therefore dependent on the respective wavelength l of the electromagnetic radiation emitted and the distance w or its change. The temperature change causes a charge separation on the electrodes or conductor layers of the pyroelectric sensor element due to the pyroelectric effect and thus a measurable current flow that can be detected with the radiation detector and used to determine the intensity and / or the wavelength l of the electromagnetic radiation can be.
Für eine präzise Einstellung und Veränderung des Abstands w kann der min destens eine Aktuator beispielsweise als ein Biegebalken ausgebildet sein, der mit einer Längsachse parallel zu einer Kante der zweiten Reflexionsfläche an geordnet ist. Unter einem Biegebalken kann ein Aktuator verstanden werden, der quaderförmig mit einer rechteckigen aktiven Schicht ausgebildet ist, die ein Längen-zu-Breitenverhältnis von mindestens 2 zu 1, bevorzugt mindestens 5 zu 1, besonders bevorzugt mindestens 15 zu 1 aufweist. Die aktive Schicht kann planparallel zur zweiten Reflexionsfläche angeordnet und ausgebildet sein, sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung derart, bevorzugt entlang einer Längsachse des Biegebalkens, zu kontrahieren oder auszudehnen, dass sich der Aktuator entlang der optischen Achse des Resonanzraumes verformt bzw. durchbiegt und dadurch der Abstand w zwischen der ersten ReflexionsFor a precise setting and change of the distance w of the least one actuator can be designed, for example, as a bending beam, which is arranged with a longitudinal axis parallel to an edge of the second reflective surface. A bending beam can be understood to mean an actuator that is cuboid with a rectangular active layer that has a length-to-width ratio of at least 2 to 1, preferably at least 5 to 1, particularly preferably at least 15 to 1. The active layer can be arranged and formed plane-parallel to the second reflection surface be to contract or expand when an electrical voltage is applied, preferably along a longitudinal axis of the bending beam, that the actuator deforms or bends along the optical axis of the resonance chamber and thereby the distance w between the first reflection
5 fläche und der zweiten Reflexionsfläche zu- oder abnimmt. Solche Biegebal ken können sehr einfach und schnell angesteuert werden. Außerdem sind sie mechanisch sehr robust und können im Vergleich zu Federaufhängungen ein facher miniaturisiert und direkt auf einem Substrat ohne komplexe Fügepro zesse gefertigt werden. 5 surface and the second reflection surface increases or decreases. Such bending beams can be controlled very easily and quickly. In addition, they are mechanically very robust and, compared to spring suspensions, can be miniaturized more easily and manufactured directly on a substrate without complex joining processes.
10 10
Die zweite Fläche des Resonanzraums kann vorzugsweise mit einer ebenen Oberfläche der ersten Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators ge bildet sein. Das heißt der Resonanzraum kann mit einer ersten Reflexionsflä che an einer ebenen Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates undThe second surface of the resonance chamber can preferably be formed with a flat surface of the first electrode layer of the at least one actuator. That is to say, the resonance space can have a first reflection surface on a flat surface of the radiation-permeable substrate and
15 einer zweiten Reflexionsfläche an einer ebenen Oberfläche der ersten Elektro denschicht des mindestens einen Aktuators gebildet sein. Auf diese Weise kann die Verformung des Aktuators direkt auf den Resonanzraum übertragen werden. Besonders bevorzugt können die erste und die zweite Reflexionsflä che mehreckig, vorzugsweise quadratisch, und zueinander deckungsgleich ge15 of a second reflective surface can be formed on a flat surface of the first electrode layer of the at least one actuator. In this way, the deformation of the actuator can be transferred directly to the resonance chamber. Particularly preferably, the first and second reflection surfaces can be polygonal, preferably square, and congruent with one another
20 formt und angeordnet sein, wobei an der zweiten Reflexionsfläche im Bereich jeder Seite bzw. Kante der zweiten Reflexionsfläche mindestens ein Aktuator angeordnet ist, der als Biegebalken ausgebildet ist und mit einer Längsachse parallel zu der jeweiligen Seite bzw. Kante der zweiten Reflexionsfläche ange ordnet ist. Dadurch kann der Abstand w im gesamten Flächenbereich der Re20 forms and arranged, wherein at least one actuator is arranged on the second reflective surface in the region of each side or edge of the second reflective surface, which is designed as a bending beam and is arranged with a longitudinal axis parallel to the respective side or edge of the second reflective surface . As a result, the distance w can be used in the entire surface area of the Re
25 flexionsflächen besonders präzise und gleichförmig verändert werden und eine hohe Parallelität der Reflexionsflächen erreicht werden. 25 flexion surfaces can be changed particularly precisely and uniformly and a high degree of parallelism of the reflection surfaces can be achieved.
Der Biegebalken kann beispielsweise mit einer ersten Elektrodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht gebildet sein, die unterschiedliche SchichtdiThe bending beam can be formed, for example, with a first electrode layer and a second electrode layer, the different layers
BO cken, Zusammensetzungen und bzw. oder mechanische Eigenschaften aufwei sen, wodurch eine Verformung bzw. Durchbiegung des Aktuators entlang der optischen Achse des Resonanzraumes bewirkt werden kann. Unter einer Elektrodenschicht kann in dieser Anmeldung eine elektrische leitfähige Schicht oder ein elektrisch leitfähiger Schichtstapel verstanden werden, dieBlocks, compositions and / or mechanical properties aufwei sen, whereby a deformation or bending of the actuator can be caused along the optical axis of the resonance chamber. In this application, an electrode layer can be understood to mean an electrically conductive layer or an electrically conductive layer stack which
35 bzw. der eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens IO 8 S/m innerhalb ei- nes Temperaturbereiches aufweist, der an der aktiven Schicht durch die Tem peraturänderung der zweiten Reflexionsfläche erreicht werden kann, bei spielsweise bei einer Temperatur von 20 °C. Insbesondere soll unter einer elektrisch leitfähigen Schicht eine Schicht aus einem Werkstoff verstanden werden, der eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 106 S/m bei einer Tem peratur von 20 °C aufweist. Ein Schichtstapel einer Elektrodenschicht kann eine Leiterschicht und mindestens eine Trägerschicht aufweisen, wobei die Leiterschicht an einer Oberfläche der aktiven Schicht und bzw. oder der piezo elektrischen Schicht ausgebildet ist und die mindestens eine Trägerschicht auf einer der aktiven Schicht gegenüberliegende Oberfläche der Leiterschicht aus gebildet sein kann. Der Biegebalken kann entsprechend mit einer ersten Elekt rodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht gebildet sein, in denen die Leiterschicht und bzw. oder die Trägerschicht der ersten und der zweiten Elektrodenschicht jeweils unterschiedliche Schichtdicken, Werkstoffe und bzw. oder mechanische Eigenschaften aufweisen, sodass eine Verformung bzw. Durchbiegung des Aktuators entlang der optischen Achse des Resonanz raumes bewirkt werden kann. Eine Leiterschicht kann beispielsweise aus Ti tannitrid, TiN, Tantalnitrid, TaN, Tantalcarbonitrid, TaCN, Tantalaluminium nitrid, TaAlN, Ruthenium, Ru, Rutheniumoxid, RuO, Titan, Ti, Titanaluminium nitrid, TiAIN, Platin, Pt, Iridium, Ir, Iridiumoxid, IrO, oder Molybdän, Mo, oder einem anderen elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet sein. 35 or which has an electrical conductivity of at least IO 8 S / m within Has nes temperature range that can be achieved on the active layer by the temperature change of the second reflective surface, for example at a temperature of 20 ° C. In particular, an electrically conductive layer is to be understood as a layer made of a material which has an electrical conductivity of more than 10 6 S / m at a temperature of 20 ° C. A layer stack of an electrode layer can have a conductor layer and at least one carrier layer, wherein the conductor layer is formed on a surface of the active layer and / or the piezoelectric layer and the at least one carrier layer can be formed on a surface of the conductor layer opposite the active layer . The bending beam can accordingly be formed with a first electrode layer and a second electrode layer, in which the conductor layer and / or the carrier layer of the first and second electrode layers each have different layer thicknesses, materials and / or mechanical properties, so that deformation or Bending of the actuator along the optical axis of the resonance space can be caused. A conductor layer can, for example, consist of Ti tantalum nitride, TiN, tantalum nitride, TaN, tantalum carbonitride, TaCN, tantalum aluminum nitride, TaAlN, ruthenium, Ru, ruthenium oxide, RuO, titanium, Ti, titanium aluminum nitride, TiAIN, platinum, Pt, iridium, Ir, iridium oxide, IrO, or molybdenum, Mo, or another electrically conductive material.
Alternativ oder zusätzlich kann der Biegebalken mit einer aktiven Schicht ge bildet sein, deren Zusammensetzung und bzw. oder mechanische Eigenschaf ten sich in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes oder der Längs achse des Biegebalkens kontinuierlich oder schrittweise derart ändern, dass sich die aktive Schicht und somit der mindestens eine Aktuator bei Anlegen ei ner elektrischen Spannung an die aktive Schicht in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes verformt bzw. durchbiegt. Eine derartige aktive Schicht kann beispielsweise durch einen Gradienten in der Dotierung der akti ven Schicht oder einen entsprechenden Mehrschichtaufbau der aktiven Schicht erreicht werden. Alternatively or additionally, the bending beam can be formed with an active layer, the composition and / or mechanical properties of which change continuously or gradually in the direction of the optical axis of the resonance chamber or the longitudinal axis of the bending beam in such a way that the active layer and thus change the at least one actuator deforms or bends in the direction of the optical axis of the resonance chamber when an electrical voltage is applied to the active layer. Such an active layer can be achieved, for example, by a gradient in the doping of the active layer or a corresponding multilayer structure of the active layer.
Der Biegebalken kann vorteilhaft mit einer Längsachse parallel zu einer Kante und bzw. oder der Oberfläche des pyroelektrischen Sensorelementes ange ordnet sein. Das pyroelektrische Sensorelement kann so durch den Aktuator zusätzlich thermisch isoliert werden, wodurch eine größere Erwärmung bzw. größere Temperaturänderung der aktiven Sensorfläche erreicht werden kann. Das pyroelektrische Sensorelement kann in Form eines geraden Prismas oder Quaders, d. h. mit einer mehreckigen, bevorzugt quadratischen, Grundfläche der pyroelektrischen Schicht geformt und vorzugsweise mittig an bzw. auf der zweiten Reflexionsfläche angeordnet sein, wobei die Seiten bzw. Kanten des pyroelektrischen Sensorelementes parallel zu Seiten bzw. Kanten der zweiten Reflexionsfläche angeordnet sein können. Der mindestens eine Biegebalken kann dementsprechend zwischen einer Außenseite bzw. Außenkante des py roelektrischen Sensorelementes und einer Seite bzw. Kante der zweiten Refle xionsfläche mit einer Längsachse parallel zu den jeweiligen Seiten bzw. Kanten des pyroelektrischen Sensorelementes und der zweiten Reflexionsfläche ange ordnet sein. The bending beam can advantageously be arranged with a longitudinal axis parallel to an edge and / or the surface of the pyroelectric sensor element. The pyroelectric sensor element can thus through the actuator are also thermally insulated, whereby a greater heating or greater temperature change of the active sensor surface can be achieved. The pyroelectric sensor element can be in the form of a straight prism or cuboid, ie shaped with a polygonal, preferably square, base of the pyroelectric layer and preferably arranged centrally on or on the second reflective surface, with the sides or edges of the pyroelectric sensor element parallel to the sides or edges of the second reflection surface can be arranged. The at least one bending beam can accordingly be arranged between an outer side or outer edge of the pyroelectric sensor element and a side or edge of the second reflective surface with a longitudinal axis parallel to the respective sides or edges of the pyroelectric sensor element and the second reflective surface.
Bevorzugt können sowohl der mindestens eine Aktuator als auch das pyro elektrische Sensorelement in der Ebene der zweiten Reflexionsfläche ange ordnet sein. Die zweite Reflexionsfläche kann mit einer ebenen Oberfläche der ersten Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators, insbesondere einer Trägerschicht der ersten Elektrodenschicht des mindestens einen Aktua tors, und einer ersten Elektrodenschicht des pyroelektrischen Sensorelemen tes, insbesondere einer Trägerschicht der ersten Elektrodenschicht des pyro elektrischen Sensorelementes, gebildet sein. Both the at least one actuator and the pyroelectric sensor element can preferably be arranged in the plane of the second reflection surface. The second reflective surface can be formed with a flat surface of the first electrode layer of the at least one actuator, in particular a carrier layer of the first electrode layer of the at least one actuator, and a first electrode layer of the pyroelectric sensor element, in particular a carrier layer of the first electrode layer of the pyroelectric sensor element .
Besonders bevorzugt kann der Strahlungsdetektor eine erste Elektroden schicht aufweisen, an deren Oberfläche die zweite Reflexionsfläche ausgebil det ist und die vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert ist, dass mit der ersten Elektrodenschicht des Strahlungsde tektors voneinander elektrisch isoliert eine erste Elektrodenschicht des min destens einen Aktuators und eine erste Elektrodenschicht des pyroelektri schen Sensorelementes ausgebildet sind. Die erste Elektrodenschicht des min destens einen Aktuators und eine erste Elektrodenschicht des pyroelektri schen Sensorelementes können also in einer Ebene parallel zu den Reflexions flächen ausgebildet sein und dieselbe Zusammensetzung und dieselbe Schichtdicke aufweisen, da sie aus derselben ersten Elektrodenschicht gebil det sind. Mit einer solchen ersten Elektrodenschicht kann die Fertigung des Detektors wesentlich vereinfacht werden, da nur eine einzige Elektroden schicht ausgebildet und strukturiert werden muss. Außerdem kann eine sehr hohe Parallelität des Aktuators und des pyroelektrischen Sensorelementes zu den Reflexionsflächen erreicht werden. Analog kann der Strahlungsdetektor eine zweite Elektrodenschicht aufweisen, die an einer der ersten Elektroden schicht gegenüberliegenden Oberfläche der aktiven Schicht des mindestens einen Aktuators und der piezoelektrischen Schicht des piezoelektrischen Sen sorelementes ausgebildet und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert ist, dass mit der zweiten Elektroden schicht des Strahlungsdetektors voneinander elektrisch isoliert eine zweite Elektrodenschicht des mindestens einen Aktuators und eine zweite Elektro denschicht des pyroelektrischen Sensorelementes ausgebildet sind. Particularly preferably, the radiation detector can have a first electrode layer, on the surface of which the second reflective surface is formed and which is structured or spatially separated vertically from the second reflective surface in such a way that a first electrode layer of the min at least one actuator and a first electrode layer of the pyroelectric sensor element are formed. The first electrode layer of the at least one actuator and a first electrode layer of the pyroelectric sensor element can thus be formed in a plane parallel to the reflection surfaces and have the same composition and the same layer thickness, since they are gebil det from the same first electrode layer. With such a first electrode layer, the production of the Detector can be significantly simplified, since only a single electrode layer has to be formed and structured. In addition, a very high degree of parallelism between the actuator and the pyroelectric sensor element and the reflective surfaces can be achieved. Analogously, the radiation detector can have a second electrode layer, which is formed on a surface of the active layer of the at least one actuator and the piezoelectric layer of the piezoelectric sensor element opposite the first electrode layer and is structured or spatially separated vertically to the second reflection surface in such a way that with the second electrode layer of the radiation detector electrically insulated from one another, a second electrode layer of the at least one actuator and a second electrode layer of the pyroelectric sensor element are formed.
Die optischen und geometrischen Eigenschaften des Resonanzraumes können ausgebildet sein, die Resonanzbedingung für die zu detektierende elektro magnetische Strahlung zu erfüllen. Die zu detektierende elektromagnetische Strahlung kann eine elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich zwi schen 0,78 pm und 1000 miti, insbesondere eine elektromagnetische Strah lung im nahen Infrarotbereich zwischen 0,78 pm und 3,0 pm und bzw. oder im mittleren Infra rotbe reich zwischen 3,0 pm und 50 pm sein. Das strahlungs durchlässige Substrat kann dementsprechend ausgebildet sein, eine elektro magnetische Strahlung im Infrarotbereich, insbesondere im nahen und bzw. oder mittleren Infrarotbereich, in den Resonanzraum zu transmittieren. Das Substrat kann beispielsweise aus Silizium, Si, Germanium, Ge, Galliumarsenid, GaAs, Siliziumgermanium, SiGe, Indiumphosphid, InP, Siliciumcarbid, SiC, be stehen. Es kann außerdem auf einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberlie genden Oberfläche eine oder mehrere funktionale Schichten aufweisen, die für die jeweils zu detektierende elektromagnetische Strahlung transparent ist bzw. sind, wie beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung für eine verbes serte Strahlungseinkopplung der zu detektierenden elektromagnetische Strah lung in das Substrat. The optical and geometric properties of the resonance space can be designed to meet the resonance condition for the electromagnetic radiation to be detected. The electromagnetic radiation to be detected can be an electromagnetic radiation in the infrared range between 0.78 pm and 1000 miti, in particular an electromagnetic radiation in the near infrared range between 0.78 pm and 3.0 pm and / or in the medium infrared range between 3 , 0 pm and 50 pm. The radiation-permeable substrate can accordingly be designed to transmit electromagnetic radiation in the infrared range, in particular in the near and / or mid-infrared range, into the resonance space. The substrate can, for example, be made of silicon, Si, germanium, Ge, gallium arsenide, GaAs, silicon germanium, SiGe, indium phosphide, InP, silicon carbide, SiC. It can also have one or more functional layers on a surface opposite the first reflective surface that is or are transparent to the electromagnetic radiation to be detected, such as an anti-reflective coating for improved radiation coupling of the electromagnetic radiation to be detected into the substrate .
Die erste Reflexionsfläche und die zweite Reflexionsflächen können als ebene Spiegel ausgebildet sein, die für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung teildurchlässig sind, sodass sie im Wellenlängenbereich der zu de- tektierenden elektromagnetischen Strahlung, z. B. im Infrarotbereich, insbe sondere im nahen und bzw. oder mittleren Infrarotbereich, einen optischen Resonator bilden können. Die erste Reflexionsfläche und die zweite Reflexi onsfläche können im Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromag netischen Strahlung Reflexionsgrade zwischen 85 % und 98 % aufweisen. Das Substrat und die erste Reflexionsfläche können beispielsweise aus Si, Ge,The first reflective surface and the second reflective surface can be designed as flat mirrors that are partially transparent to the electromagnetic radiation to be detected, so that they are in the wavelength range of the detecting electromagnetic radiation, e.g. B. in the infrared range, in particular special in the near and / or mid-infrared range, can form an optical resonator. The first reflective surface and the second reflective surface can have degrees of reflection between 85% and 98% in the wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected. The substrate and the first reflective surface can be made of Si, Ge,
GaAs, SiGe, InP oder SiC gebildet sein. Die zweite Reflexionsfläche kann an ei ner Oberfläche eines dotierten Halbleiters wie beispielsweise polykristallinem Si, SiGe oder Ge mit Dotanden, wie z. B. Bor, B, Aluminium, AI, Gallium, Ga, In dium, In, Phosphor, P, Arsen, As, Antimon, Sb, Bismut, Bi oder auch Metallen wie Aluminium, AI, Kupfer, Cu, Kobalt, Co, Nickel, Ni, Molybdän, Mo, Tantal, Ta, und bzw. oder Titan, Ti, gebildet sein. Ist die zweite Reflexionsfläche an der ersten Elektrodenschicht, insbesondere einer Trägerschicht der ersten Elektrodenschicht, ausgebildet, so kann dementsprechend die jeweilige Elekt rodenschicht und bzw. oder Trägerschicht aus einem der genannten Werk stoffen ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste Träger schicht als Bragg-Reflektor ausgebildet ist. Ein Bragg-Reflektor kann als Mehr schichtstapel bzw. Multilayer aus hoch- und niedrigbrechenden l/4-Schichten ausgebildet sein. Bragg-Reflektoren können beispielsweise als Si-SiGe-Mul- tilayer ausgebildet sein. GaAs, SiGe, InP or SiC can be formed. The second reflection surface can be on a surface of a doped semiconductor such as polycrystalline Si, SiGe or Ge with dopants, such as. B. boron, B, aluminum, AI, gallium, Ga, In dium, In, phosphorus, P, arsenic, As, antimony, Sb, bismuth, Bi or metals such as aluminum, AI, copper, Cu, cobalt, Co, Nickel, Ni, molybdenum, Mo, tantalum, Ta, and / or titanium, Ti, be formed. If the second reflective surface is formed on the first electrode layer, in particular a carrier layer of the first electrode layer, the respective electrode layer and / or carrier layer can accordingly be made from one of the aforementioned materials. It can also be provided that the first carrier layer is designed as a Bragg reflector. A Bragg reflector can be designed as a multi-layer stack or multilayer of high and low refractive index 1/4 layers. Bragg reflectors can be designed as Si-SiGe multilayers, for example.
Der Resonanzraum kann als optischer Luftspalt-Resonator ausgebildet sein, dessen Abstand w zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche in ei nem Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagnetischen Strah lung, z. B. im Infrarotbereich, insbesondere im nahen und bzw. oder mittleren Infrarotbereich, einstellbar bzw. veränderbar ist. Der Abstand w kann bei spielsweise in einem Bereich einstellbar bzw. veränderbar sein, der zwischen 0,5 pm bis 35 pm liegt. Dadurch kann der Strahlungsdetektor insbesondere für eine spektrometrische Gasanalyse eingesetzt werden. Statt Luft können je doch auch andere gasförmige, flüssige und bzw. oder feste Resonanzmedien im Resonanzraum vorgesehen sein. Mit einem definierten Resonanzmedium können die thermischen Eigenschaften des Strahlungsdetektors gezielt einge stellt bzw. kontrolliert werden. Der Resonanzraum kann als Resonanzmedium beispielsweise Luft, Stickstoff oder Edelgase enthalten, d. h. mit diesen gefüllt sein, oder mit einem Vakuum ausgebildet sein, so dass die thermische Isolie rung des mikromechanischen Aktuators zum Rest des Strahlungsdetektors verbessert werden kann. The resonance chamber can be designed as an optical air-gap resonator, the distance w between the first and the second reflective surface in egg nem wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected treatment, for. B. in the infrared range, especially in the near and / or medium infrared range, adjustable or changeable. The distance w can, for example, be adjustable or changeable in a range which is between 0.5 pm and 35 pm. As a result, the radiation detector can be used in particular for a spectrometric gas analysis. Instead of air, other gaseous, liquid and / or solid resonance media can also be provided in the resonance space. With a defined resonance medium, the thermal properties of the radiation detector can be set or controlled in a targeted manner. The resonance space can contain, for example, air, nitrogen or noble gases as a resonance medium, ie be filled with these, or be formed with a vacuum, so that the thermal insulation of the micromechanical actuator from the rest of the radiation detector can be improved.
Es kann vorgesehen sein, dass der Resonanzraum mittels einer ersten ebenen Opferschicht ausgebildet ist, die in einem definierten Bereich auf dem strah lungsdurchlässigen Substrat ausgebildet und nach Ausbildung des mindestens einen Aktuators und des pyroelektrischen Sensorelementes bzw. der ersten Elektrodenschicht auf einer dem Substrat gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Opferschicht nasschemisch, z. B. durch Nassätzen oder Fluorwasser stoffdampfätzen, entfernt wurde. Eine solche Opferschicht kann beispiels weise aus Siliziumdioxid bestehen und mittels Atomlagenabscheidung (ALD), Laserstrahlverdampfen (pulsed laser deposition, PLD), chemischer Gasphasen abscheidung (CVD) oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abge schieden sein. Das Ätzmittel für die nasschemische Entfernung kann über Durchlässe in der ersten Elektrodenschicht bzw. Zwischenräume, die zwischen dem mindestens einen Aktuator und dem pyroelektrischen Sensorelementes gebildet sind, an die Opferschicht gelangen. Durch das Entfernen der Opfer schicht entsteht zwischen dem strahlungsdurchlässigen Substrat, dem min destens einen Aktuator und dem pyroelektrischen Sensorelement bzw. zwi schen dem Substrat und der ersten Elektrodenschicht ein wohldefinierter Hohlraum, der den Resonanzraum bildet. Resonanzräume, die mittels einer solchen Opferschicht ausgebildet sind, können daher besonders präzise Ab messungen und eine äußerst hohe Parallelität der Reflexionsflächen aufwei sen. It can be provided that the resonance chamber is formed by means of a first flat sacrificial layer, which is formed in a defined area on the radiation-permeable substrate and, after the formation of the at least one actuator and the pyroelectric sensor element or the first electrode layer, on a surface opposite the substrate first sacrificial layer wet chemical, z. B. by wet etching or hydrofluoric vapor etching was removed. Such a sacrificial layer can, for example, consist of silicon dioxide and be deposited by means of atomic layer deposition (ALD), laser beam evaporation (pulsed laser deposition, PLD), chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD). The etchant for the wet chemical removal can reach the sacrificial layer via passages in the first electrode layer or intermediate spaces which are formed between the at least one actuator and the pyroelectric sensor element. By removing the sacrificial layer, a well-defined cavity is created between the radiation-permeable substrate, the min least one actuator and the pyroelectric sensor element or between the substrate and the first electrode layer, which forms the resonance space. Resonance spaces that are formed by means of such a sacrificial layer can therefore have particularly precise measurements and an extremely high parallelism of the reflection surfaces aufwei sen.
Der Aktuator kann vorteilhaft als piezoelektrischer, flexoelektrischer oder elektrostriktiver Aktuator ausgebildet sein, bei dem die aktive Schicht mit o- der aus einem piezoelektrischen, flexoelektrischen und bzw. oder elektrostrik- tiven Werkstoff gebildet ist. Unter einem piezoelektrischen Werkstoff kann in dieser Anmeldung ein dielektrischer Werkstoff ohne Inversionszentrum in der Symmetrie der Kristallstruktur verstanden werden, der sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung, d. h. bei Anlegen eines elektrischen Feldes, mecha nisch verformt, also einen inversen Piezoeffekt aufweist. Elektrostriktive Werkstoffe können dielektrische Werkstoffe sein, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung unabhängig von ihrer Kristallstruktur durch eine me chanische Spannung verformen, die proportional zum Quadrat der Feldstärke des mittels der elektrischen Spannung angelegten elektrischen Feldes ist. Un ter flexoelektrischen Werkstoffen sollen dielektrische Werkstoffe verstanden werden, die sich unabhängig von ihrer Kristallstruktur bei Anlegen einer elektrischen Spannung verformen, wenn diese einen elektrischen Feldgradien ten im Werkstoff bewirkt. The actuator can advantageously be designed as a piezoelectric, flexoelectric or electrostrictive actuator, in which the active layer is formed with or from a piezoelectric, flexoelectric and / or electrostrictive material. In this application, a piezoelectric material can be understood as a dielectric material without an inversion center in the symmetry of the crystal structure, which is mechanically deformed when an electrical voltage is applied, ie when an electrical field is applied, ie has an inverse piezo effect. Electrostrictive materials can be dielectric materials that, when an electrical voltage is applied, deform through a mechanical voltage that is proportional to the square of the field strength, regardless of their crystal structure of the electric field applied by means of the electric voltage. Under flexoelectric materials dielectric materials are to be understood, which deform regardless of their crystal structure when an electrical voltage is applied, if this causes an electrical field gradient in the material.
Eine Untergruppe der piezoelektrischen Werkstoffe können pyroelektrische Werkstoffe sein, in denen sich durch eine Temperaturänderung die elektri sche Polarisation ändert und eine Änderung der Oberflächenladungen be wirkt. Pyroelektrische Werkstoffe können wiederum eine Untergruppe ferro elektrischer Werkstoffe umfassen, bei denen die elektrische Polarisation durch das Anlegen einer elektrischen Spannung umgepolt werden kann. A subgroup of piezoelectric materials can be pyroelectric materials in which the electrical polarization changes due to a change in temperature and a change in the surface charges acts. Pyroelectric materials can in turn comprise a subgroup of ferroelectric materials in which the polarization of the electrical polarization can be reversed by applying an electrical voltage.
Ein pyroelektrisches Sensorelement kann als ein Plattenkondensator mit einer ersten Elektrodenschicht, einer pyroelektrischen Schicht als Kondensatorme dium und einer zweiten Elektrodenschicht ausgebildet sein. Die pyroelektri sche Schicht kann mit oder aus einem oder mehreren pyroelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen gebildet sein. Vorteilhaft können die pyroelektrische Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes und die aktive Schicht des mindestens eine Aktuators mit oder aus einem oder mehreren py roelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen gebildet sein, bei spielsweise aus dotiertem Hafniumoxid, HfC>2, einem Hafnium-Mischoxid oder Kombinationen von diesen. Als mögliche Dotanden können im dotierten Haf niumoxid Aluminium, AI, Silizium, Si, Germanium, Ge, Yttrium, Y, Scandium,A pyroelectric sensor element can be designed as a plate capacitor with a first electrode layer, a pyroelectric layer as a capacitor medium and a second electrode layer. The pyroelectric layer can be formed with or from one or more pyroelectric and / or ferroelectric materials. The pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element and the active layer of the at least one actuator can advantageously be formed with or from one or more pyroelectric and / or ferroelectric materials, for example from doped hafnium oxide, HfC> 2 , a mixed hafnium oxide or combinations of this. Possible dopants in the doped hafnium oxide include aluminum, Al, silicon, Si, germanium, Ge, yttrium, Y, scandium,
Sc, Gadolinium, Gd, Strontium, Sr, Lanthan, La, Niob, Nb, Barium, Ba, Cerium, Ce, Neodym, Nd, Samarium, Sm, Erbium, Er, und bzw. oder Ytterbium, Yb, ver wendet werden. Die aktive Schicht und die pyroelektrische Schicht können be vorzugt in einer Ebene parallel zu den Reflexionsflächen ausgebildet und bzw. oder mit oder aus dem gleichen Werkstoff oder den gleichen Werkstoffen ge bildet sein. Sc, gadolinium, Gd, strontium, Sr, lanthanum, La, niobium, Nb, barium, Ba, cerium, Ce, neodymium, Nd, samarium, Sm, erbium, Er, and / or ytterbium, Yb, can be used. The active layer and the pyroelectric layer can preferably be formed in a plane parallel to the reflective surfaces and / or be formed with or from the same material or the same materials.
Besonders bevorzugt weist der Strahlungsdetektor eine aktive Schicht auf, die mit oder aus einem pyroelektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werk stoff in einer Ebene parallel zur zweiten Reflexionsfläche ausgebildet ist und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich sepa riert ist, dass mit der aktiven Schicht des Strahlungsdetektors eine aktive Schicht des mindestens einen Aktuators und eine davon elektrisch isolierte pyroelektrische Schicht des pyroelektrische Sensorelement ausgebildet sind. Die aktive Schicht des mindestens einen Aktuators und die pyroelektrische Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes können also dieselbe Zusam mensetzung und dieselbe Schichtdicke aufweisen, da sie mit derselben akti ven Schicht gebildet sind. Eine solche aktive Schicht des Strahlungsdetektors ermöglicht eine deutlich einfachere und präzisere Fertigung des Strahlungsde tektors, da nur eine einzige aktive Schicht ausgebildet und strukturiert werden muss, um den mindestens einen Aktuator und das pyroelektrische Sensorele ment auszubilden. The radiation detector particularly preferably has an active layer which is formed with or made of a pyroelectric and / or ferroelectric material in a plane parallel to the second reflection surface and is structured or spatially separated vertically to the second reflection surface in such a way that the active Layer of the radiation detector is an active one Layer of the at least one actuator and a pyroelectric layer, electrically insulated therefrom, of the pyroelectric sensor element are formed. The active layer of the at least one actuator and the pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element can therefore have the same composition and the same layer thickness, since they are formed with the same active layer. Such an active layer of the radiation detector enables a significantly simpler and more precise production of the radiation detector, since only a single active layer has to be formed and structured in order to form the at least one actuator and the pyroelectric sensor element.
Für eine einfache Fertigung und Handhabung kann der Strahlungsdetektor eine erste Elektrodenschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Elektroden schicht aufweisen, die jeweils parallel zur zweiten Reflexionsfläche ausgebil det und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räumlich separiert sind, dass mit der ersten Elektrodenschicht des Strahlungsdetektors, der aktiven Schicht des Strahlungsdetektors und der zweiten Elektroden schicht des Strahlungsdetektors der mindestens eine Aktuator und davon elektrisch isoliert das pyroelektrische Sensorelement gebildet sind. Das heißt der mindestens eine Aktuator und das pyroelektrische Sensorelement können eine erste Elektrodenschicht, eine aktive bzw. piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweisen, die jeweils dieselbe Zusammenset zungen und dieselbe Schichtdicken aufweisen, da sie jeweils mit derselben Schicht gebildet wurden. Somit müssen für die Fertigung des Detektors ledig lich jeweils nur eine einzige erste Elektrodenschicht, eine einzige aktive Schicht und eine einzige zweite Elektrodenschichten auf dem Substrat ausge bildet und strukturiert werden, um den mindestens einen Aktuator und das pyroelektrische Sensorelement zu fertigen. Für eine weitere Vereinfachung der Fertigung können die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektroden schicht die gleiche Zusammensetzung aufweisen bzw. mit oder aus den glei chen Werkstoffen gebildet sein. For simple manufacture and handling, the radiation detector can have a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, each of which is parallel to the second reflective surface and structured or spatially separated vertically to the second reflective surface in such a way that the first electrode layer of the Radiation detector, the active layer of the radiation detector and the second electrode layer of the radiation detector of the at least one actuator and electrically insulated therefrom, the pyroelectric sensor element are formed. That is, the at least one actuator and the pyroelectric sensor element can have a first electrode layer, an active or piezoelectric layer and a second electrode layer, each of which has the same composition and the same layer thickness, since they were each formed with the same layer. Thus, only a single first electrode layer, a single active layer and a single second electrode layers have to be formed and structured on the substrate for the production of the detector in order to produce the at least one actuator and the pyroelectric sensor element. To further simplify production, the first electrode layer and the second electrode layer can have the same composition or be formed with or from the same materials.
Des Weiteren kann es für eine effiziente elektrische Kontaktierung des Strah lungsdetektors vorgesehen sein, dass das Substrat elektrisch leitfähig ausge bildet ist. Der Strahlungsdetektor kann eine erste Elektrodenschicht, eine ak tive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht aufweisen, wobei die erste Elektrodenschicht an der zweiten Reflexionsfläche und in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Substrat ausgebildet ist, und die erste Elektro denschicht, die aktive Schicht und die zweite Elektrodenschicht in definierten Bereichen vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert bzw. räum lich separiert sind, dass mit diesen Schichten der mindestens eine Aktuator und davon elektrisch isoliert das pyroelektrische Sensorelement ausgebildet sind, und der mindestens eine Aktuator und das pyroelektrische Sensorele ment unabhängig voneinander über das elektrisch leitfähige Substrat und die zweite Elektrodenschicht elektrisch kontaktierbar sind. Das Substrat kann hierfür beispielsweise um das Fabry-Perot-Interferometerelement in Randbe reichen des Substrates elektrisch kontaktierbar sein, d. h. dort frei von Be schichtungen ausgebildet sein. Die erste Elektrodenschicht, die aktive Schicht und die zweite Elektrodenschicht können insbesondere derart strukturiert sein, dass die zuvor beschriebenen Formen und bzw. oder Anordnungen von Aktuatoren und pyroelektrischem Sensoreiement im Strahlungsdetektor aus gebildet sind. Die Elektrodenschichten, die aktive Schicht und bzw. oder die pyroelektrische Schicht können beispielsweise mittels Atomlagenabscheidung (ALD), Laserstrahlverdampfen (pulsed laser deposition, PLD), chemischer Gas phasenabscheidung (CVD) und bzw. oder physikalischer Gasphasenabschei dung (PVD) ausgebildet sein und mittels lithografischer Verfahren, nasschemi scher Verfahren oder Trockenätzverfahren strukturiert sein. Furthermore, for efficient electrical contacting of the radiation detector, it can be provided that the substrate is designed to be electrically conductive. The radiation detector can have a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, the first The electrode layer is formed on the second reflection surface and in direct contact with the electrically conductive substrate, and the first electrode layer, the active layer and the second electrode layer are structured or spatially separated in defined areas vertical to the second reflection surface in such a way that these layers the at least one actuator and the pyroelectric sensor element are electrically insulated therefrom, and the at least one actuator and the pyroelectric sensor element can be electrically contacted independently of one another via the electrically conductive substrate and the second electrode layer. For this purpose, the substrate can be electrically contactable, for example, around the Fabry-Perot interferometer element in Randbe range of the substrate, ie it can be formed there free of coatings. The first electrode layer, the active layer and the second electrode layer can in particular be structured in such a way that the previously described shapes and / or arrangements of actuators and pyroelectric sensor element are formed in the radiation detector. The electrode layers, the active layer and / or the pyroelectric layer can be formed for example by means of atomic layer deposition (ALD), laser beam evaporation (pulsed laser deposition, PLD), chemical gas phase deposition (CVD) and / or physical gas phase deposition (PVD) and by means of lithographic processes, wet chemical processes or dry etching processes.
In einem Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein, dass der Strahlungsde tektor eine Kontrolleinheit aufweist, die ausgebildet ist, die aktive Schicht des mindestens einen Aktuators und bzw. oder die pyroelektrische Schicht des py roelektrischen Sensorelementes zu konditionieren und bzw. oder zu rekonditi- onieren. Die Kontrolleinheit kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht des mindestens einen Aktua tors zu erhöhen und bzw. oder den pyroelektrischen Effekt der pyroelektri schen Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes zu erhöhen. In one embodiment it can be provided that the radiation detector has a control unit which is designed to condition and / or recondition the active layer of the at least one actuator and / or the pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element. The control unit can alternatively or additionally be designed to increase the piezoelectric effect of the active layer of the at least one actuator and / or to increase the pyroelectric effect of the pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element.
Die Ausprägung des piezoelektrischen und bzw. oder des pyroelektrischen Ef fektes kann von der elektrischen Vorgeschichte der jeweiligen aktiven bzw. pyroelektrischen Schicht abhängen. Mit der Kontrolleinheit kann der aktiven Schicht des mindestens einen Aktuators und bzw. oder der pyroelektrischen Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes eine definierte elektrische Vor geschichte aufgeprägt werden, indem eine definierte elektrische Spannung o- der Spannungsabfolge an die jeweilige Schicht angelegt wird. Dies kann bei spielsweise einmalig bei der Inbetriebnahme des Sensorelementes, in regel mäßigen, durch die Ansteuerungselektronik festgelegten zeitlichen Abständen oder nach einer festgelegten Anzahl an Einschaltvorgängen erfolgen (Konditi onieren) und bzw. oder nach einer bestimmten Betriebszeit oder nach einer bestimmten Anzahl an Einschaltvorgängen wiederholt werden (Rekonditionie- rung). Dadurch können mögliche Degradationsvorgänge kompensiert werden und eine hohe Reproduzierbarkeit der Strahlungsdetektion gewährleistet wer den. Die Spannung oder Spannungsabfolge kann mit einem integrierten Puls generator oder einem Wellenformgenerator erzeugt werden und kann bei spielsweise Rechteck-, Sinus-, Dreiecks- oder Sägezahnwellenformen in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 1 MHz umfassen. The expression of the piezoelectric and / or the pyroelectric effect can depend on the electrical history of the respective active or pyroelectric layer. With the control unit, the active layer of the at least one actuator and / or the pyroelectric Layer of the pyroelectric sensor element, a defined electrical history can be impressed by applying a defined electrical voltage or voltage sequence to the respective layer. This can be done once, for example, when the sensor element is put into operation, at regular intervals determined by the control electronics or after a defined number of switch-on processes (conditioning) and / or after a certain operating time or after a certain number of switch-on processes (Reconditioning). In this way, possible degradation processes can be compensated and a high reproducibility of the radiation detection guaranteed. The voltage or voltage sequence can be generated with an integrated pulse generator or a waveform generator and can include, for example, square, sine, triangular or sawtooth waveforms in a frequency range between 10 Hz and 1 MHz.
Mit der Kontrolleinheit können bestimmte Spannungen bzw. Spannungsabfol gen an der aktiven Schicht des mindestens einen Aktuators und bzw. oder py roelektrischen Schicht des pyroelektrischen Sensorelementes angelegt wer den, mit denen der piezoelektrische bzw. pyroelektrische Effekt der jeweiligen Schicht verstärkt werden kann. Der piezoelektrische und bzw. oder pyroelekt rische Effekt können beispielsweise mittels einer vorzugsweise sinus- oder co sinusförmigen Wechselspannung (Zyklen) erhöht werden, deren unterer Grenzwert die Koerzitivfeldstärke des piezoelektrischen bzw. pyroelektrischen Werkstoffs der jeweiligen Schicht übersteigt und deren oberer Grenzwert un terhalb der Durchbruchfeldstärke des piezoelektrischen bzw. pyroelektrischen Werkstoffs der jeweiligen Schicht liegt. Bei aktiven und bzw. oder pyroelektri schen Schichten aus dotiertem Hafniumoxid HfC>2 oder Hafniumoxid-Mischoxi- den kann der untere Grenzwert beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,7 MV/cm und 1,5 MV/cm und der obere Grenzwert in einem Bereich zwi schen 3 MV/cm und 3,5 MV/cm liegen. Die Wechselspannung kann vor der Strahlungsmessung für 101 bis 106 Perioden an der jeweiligen Schicht angelegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der pyroelektrische Effekt des pyro elektrischen Sensorelementes auch mittels einer Gleichspannung erhöht wer den, die während der Messung an das pyroelektrische Sensorelement ange legt wird. Der pyroelektrische Koeffizient in Si-dotiertem Hafniumoxid HfC>2 kann beispielsweise durch Anlegen einer Gleichspannung von 1,5 V auf bis zu -140 pC/m2K erhöht werden. With the control unit, certain voltages or voltage sequences can be applied to the active layer of the at least one actuator and / or pyroelectric layer of the pyroelectric sensor element, with which the piezoelectric or pyroelectric effect of the respective layer can be enhanced. The piezoelectric and / or pyroelectric effect can be increased, for example, by means of a preferably sinusoidal or co-sinusoidal alternating voltage (cycles), the lower limit of which exceeds the coercive field strength of the piezoelectric or pyroelectric material of the respective layer and the upper limit of which is below the breakdown field strength of the piezoelectric or pyroelectric material of the respective layer lies. In the case of active and / or pyroelectric layers made of doped hafnium oxide HfC> 2 or hafnium oxide mixed oxides, the lower limit value can, for example, be in a range between 0.7 MV / cm and 1.5 MV / cm and the upper limit value in a range between 3 MV / cm and 3.5 MV / cm. The alternating voltage can be applied to the respective layer for 10 1 to 10 6 periods before the radiation measurement. Alternatively or additionally, the pyroelectric effect of the pyroelectric sensor element can also be increased by means of a direct voltage that is applied to the pyroelectric sensor element during the measurement. The pyroelectric coefficient in Si-doped hafnium oxide HfC> 2 can, for example, by applying a direct voltage of 1.5 V to up to can be increased to -140 pC / m 2 K.
Da mit dem pyroelektrischen Sensorelement nur Temperaturänderungen er fasst werden können, kann die zu detektierende elektromagnetische StrahSince only temperature changes can be detected with the pyroelectric sensor element, the electromagnetic beam to be detected can
5 lung eine extern gepulste bzw. zeitlich modulierte Strahlung sein. Wird eine solche Strahlung mit dem Strahlungsdetektor bei einem zeitlich konstant ein gestellten Abstand w detektiert, so können aus der Amplitude des Messsig nals des pyroelektrischen Sensorelementes Rückschlüsse über die Höhe der Temperaturänderung und somit die Intensität der elektromagnetischen Strah5 treatment can be an externally pulsed or time-modulated radiation. If such radiation is detected with the radiation detector at a time-constant set distance w, conclusions can be drawn from the amplitude of the measurement signal of the pyroelectric sensor element about the magnitude of the temperature change and thus the intensity of the electromagnetic beam
10 lung gezogen werden, deren Wellenlänge l die Resonanzbedingung für den eingestellten Abstand w erfüllt. Die Messung kann für verschiedene, zeitlich konstant eingestellte Abstände w wiederholt werden, sodass bei einer ausrei chenden Anzahl an Messungen aus den einzelnen Messungen ein Spektrum der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung rekonstruiert werden10, whose wavelength l fulfills the resonance condition for the set distance w. The measurement can be repeated for different intervals w that are set to be constant over time, so that a spectrum of the electromagnetic radiation to be detected can be reconstructed from the individual measurements given a sufficient number of measurements
15 kann. Die Abstände w können dabei jeweils innerhalb eines Bereiches einge stellt werden, der innerhalb des freien Spektralbereichs des Resonanzraumes liegt oder diesem entspricht. Der freie Spektralbereich FSR kann als Abstand zwischen zwei Transmissionsmaxima definiert werden, für die die Transmissi onsbedingung in der Fabry-Perot-Kavität bzw. im Resonanzraum erfüllt ist. Für15 can. The distances w can each be set within a range that lies within or corresponds to the free spectral range of the resonance space. The free spectral range FSR can be defined as the distance between two transmission maxima for which the transmission condition is met in the Fabry-Perot cavity or in the resonance space. For
20 die Transmissionsmaxima m und Am+i ist dies beispielsweise ein freier Spekt ralbereich FSR = 2w/[m(m+l)]. 20 the transmission maxima m and A m + i , this is, for example, a free spectral range FSR = 2w / [m (m + l)].
Damit der Strahlungsdetektor auch eine zeitlich konstante, ungepulste bzw. unmodulierte elektromagnetische Strahlung detektieren kann, kann es vorgeSo that the radiation detector can also detect unpulsed or unmodulated electromagnetic radiation that is constant over time, it can be provided
25 sehen sein, dass der Aktuator ausgebildet ist, den Abstand w in einem defi nierten Durchstimmbereich Aw kontinuierlich und vorzugsweise gleichförmig zu verändern bzw. durchzustimmen. Das pyroelektrische Sensorelement kann entsprechend ausgebildet sein, die Temperaturänderung während der Ände rung des Abstands w kontinuierlich zu erfassen. Durch einen solchen dynami25 it can be seen that the actuator is designed to continuously and preferably uniformly change or tune the distance w in a defined tuning range Aw. The pyroelectric sensor element can be designed accordingly to continuously detect the temperature change during the change in the distance w. With such dynamism
BO schen Betrieb des Strahlungsdetektors können sehr kurze Messzeiten erreicht werden, da langwierige Einstellzeiten des Abstandes w entfallen. Außerdem kann eine externe Modulation der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung umgangen werden und somit auf einen externen Pulsformer ver zichtet werden. BO's operation of the radiation detector allows very short measurement times to be achieved, since lengthy setting times for the distance w are not required. In addition, an external modulation of the electromagnetic radiation to be detected can be bypassed and thus an external pulse shaper can be dispensed with.
35 35
Der Durchstimmbereich Aw kann typischerweise im freien Spektralbereich des Resonanzraumes liegen. Er kann minimal die Breite eines Interfernzpeaks einer elektromagnetischen Strahlung entsprechen, für deren Wellenlänge l, bevorzugt Zentralwellenlänge, die Resonanzbedingung im Resonanzraum er füllt werden kann, und kann maximal dem freien Spektralbereich des Reso nanzraumes entsprechen. Die Änderung des Abstandes w kann durch Anlegen einer, vorzugsweise sinus- bzw. cosinusförmigen, Wechselspannung an die ak tive Schicht des mindestens einen Aktuators erfolgen. Der Abstand w kann im Durchstimmbereich Aw innerhalb einer halben Periode der Wechselspannung verändert werden. Am pyroelektrischen Sensorelement kann ein Wechsel strom erfasst werden, dessen Amplitude als Messsignal dient. Aus dem ge messenen Amplitudenverlauf kann mit Kalibrierverfahren, bei denen der ge messene Amplitudenverlauf beispielsweise mit einem oder mehreren Amplitudenverläufen einer jeweils bekannten Referenzstrahlung verglichen wird, dann das Spektrum der zu detektierenden Strahlung für den jeweiligen Durchstimmbereich Aw rekonstruiert werden. Dadurch kann mit dem Strah lungsdetektor auch das Spektrum einer zeitlich konstanten, ungepulsten bzw. unmodulierten elektromagnetische Strahlung bestimmt werden. The tuning range Aw can typically be in the free spectral range of the resonance space. It can at least correspond to the width of an interference peak of electromagnetic radiation, for whose wavelength l, preferably the central wavelength, the resonance condition in the resonance space can be met, and can correspond at most to the free spectral range of the resonance space. The distance w can be changed by applying a preferably sinusoidal or cosinusoidal alternating voltage to the active layer of the at least one actuator. The distance w can be changed in the tuning range Aw within half a period of the alternating voltage. An alternating current can be detected on the pyroelectric sensor element, the amplitude of which is used as a measurement signal. From the measured amplitude curve, calibration methods in which the measured amplitude curve is compared, for example, with one or more amplitude curves of a known reference radiation, can then be used to reconstruct the spectrum of the radiation to be detected for the respective tuning range Aw. As a result, the radiation detector can also be used to determine the spectrum of a time-constant, unpulsed or unmodulated electromagnetic radiation.
In einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das strahlungsdurch lässige Substrat auf einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegenden Oberfläche eine wellenlängenselektive optische Schicht aufweist, die ausgebil det ist, eine elektromagnetischen Strahlung einer definierten Wellenlänge l oder eine elektromagnetische Strahlung eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches zu transmittieren. Dadurch kann nur die jeweils mit tels der wellenlängenselektiven optischen Schicht selektierte Wellenlänge bzw. der selektierte schmalbandige Wellenlängenbereich, das heißt eine mo nochromatische bzw. annähernd monochromatische elektromagnetische Strahlung, durch das Substrat in den Resonanzraum transmittiert werden. Al ternativ kann das Substrat als wellenlängenselektives Substrat ausgebildet sein, das eine elektromagnetische Strahlung einer definierten Wellenlänge l oder eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches in den Reso nanzraum transmittiert. In one embodiment it can be provided that the radiation-permeable substrate has a wavelength-selective optical layer on a surface opposite the first reflection surface, which is designed to transmit electromagnetic radiation of a defined wavelength l or electromagnetic radiation of a defined narrow-band wavelength range. As a result, only the wavelength selected by means of the wavelength-selective optical layer or the selected narrow-band wavelength range, that is to say a monochromatic or approximately monochromatic electromagnetic radiation, can be transmitted through the substrate into the resonance chamber. Alternatively, the substrate can be designed as a wavelength-selective substrate which transmits electromagnetic radiation of a defined wavelength l or a defined narrow-band wavelength range into the resonance space.
Ein schmalbandiger Wellenlängenbereich kann ein Wellenlängenbereich sein, in dem die Intensität eines Interferenzpeaks einer mit dem Strahlungsdetektor detektierbaren Wellenlänge, vorzugsweise Zentralwellenlänge, mehr als 1 %, bevorzugt mehr als 2 %, besonders bevorzugt mehr als 3 % der maximalen In tensität des Interferenzpeaks entspricht. Eine mit dem Strahlungsdetektor de- tektierbare Wellenlänge kann insbesondere eine Wellenlänge sein, für die die Resonanzbedingung im Durchstimmbereich Aw des Resonanzraumes erfüllt werden kann. Mit einem solchen Strahlungsdetektor kann eine zu detektie- rende elektromagnetische Strahlung der jeweils selektierten Wellenlänge bzw. einer Wellenlänge des jeweils selektierten schmalbandigen Wellenlän genbereiches besonders zuverlässig und schnell detektiert werden. A narrow-band wavelength range can be a wavelength range in which the intensity of an interference peak of a wavelength detectable with the radiation detector, preferably a central wavelength, is more than 1%, preferably more than 2%, particularly preferably more than 3%, of the maximum intensity of the interference peak. A wavelength detectable with the radiation detector can in particular be a wavelength for which the resonance condition can be met in the tuning range Aw of the resonance space. With such a radiation detector, electromagnetic radiation to be detected of the respectively selected wavelength or a wavelength of the respectively selected narrowband wavelength range can be detected particularly reliably and quickly.
Bei einer extern gepulsten Strahlung kann die Strahlung der jeweiligen Wel lenlänge bei einem zeitlich konstant eingestellten Abstand w detektiert wer den, der die Resonanzbedingung für die jeweilige Wellenlänge erfüllt. Bei ei ner ungepulsten bzw. unmodulierten Strahlung kann die Strahlung der jeweili gen Wellenlänge detektiert werden, indem der Abstand w in einem Durch stimmbereich Aw kontinuierlich verändert bzw. durchgestimmt wird, wobei der Durchstimmbereich Aw ein kontinuierlicher Bereich ist, der sowohl einen Abstand w oder Abstände w umfasst, bei dem oder denen die Resonanzbedin gung für die selektierte Wellenlänge oder den selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereich erfüllt ist, als auch Abstände w umfasst, bei denen die Resonanzbedingung für die selektierte Wellenlänge oder den selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereich nicht erfüllt ist. Wird der Abstand w in diesem Durchstimmbereich Aw kontinuierlich verändert bzw. durchgestimmt, so kann an der zweiten Reflexionsfläche mindestens eine Temperaturände rung bewirkt werden. Der Durchstimmbereich Aw kann bei der Abstandsän derung, beispielsweise durch Anlegen einer Wechselspannung an die aktive Schicht des mindestens einen Aktuators, mehrfach durchlaufen werden, so- dass durch die wiederholten Temperaturänderungen ein Chopper-Effekt er zeugt werden kann. Aufgrund des scharf abgegrenzten Durchlassbereiches der wellenlängenselektiven optischen Schicht kann eine Temperaturänderung mit einem hohen Gradienten erreicht werden, sodass der Durchstimmbereich Aw mit einer Frequenz im Bereich von 5 kHz bis zu 5 MHz durchlaufen werden kann. Am pyroelektrischen Sensorelement kann dementsprechend ein Wech selstrom erfasst werden, dessen Amplitude als Messsignal dienen kann. Der Strahlungsdetektor kann so für eine bestimmte Wellenlänge optimiert und ohne externe Pulsformer betrieben werden. Je schmaler der Durchstimmbe reich gewählt wird, desto schneller kann der Durchstimmbereich durchlaufen und die zu detektierende elektromagnetische Strahlung detektiert werden. In the case of externally pulsed radiation, the radiation of the respective wavelength can be detected at a distance w set to be constant over time, which fulfills the resonance condition for the respective wavelength. In the case of unpulsed or unmodulated radiation, the radiation of the respective wavelength can be detected by continuously changing or tuning the distance w in a tuning range Aw, the tuning range Aw being a continuous range that has both a spacing w and spacings w, in which the resonance condition for the selected wavelength or the selected narrowband wavelength range is met, as well as distances w, at which the resonance condition for the selected wavelength or the selected narrowband wavelength range is not met. If the distance w is continuously changed or tuned in this tuning range Aw, at least one temperature change can be brought about on the second reflection surface. The tuning range Aw can be run through several times during the change in distance, for example by applying an alternating voltage to the active layer of the at least one actuator, so that a chopper effect can be generated by the repeated temperature changes. Due to the sharply defined pass band of the wavelength-selective optical layer, a temperature change with a high gradient can be achieved, so that the tuning range Aw can be passed through with a frequency in the range from 5 kHz to 5 MHz. Accordingly, an alternating current can be detected on the pyroelectric sensor element, the amplitude of which can serve as a measurement signal. The radiation detector can thus be optimized for a specific wavelength and operated without an external pulse shaper. The narrower the tuning range is chosen, the faster the tuning range can run through and the electromagnetic radiation to be detected is detected.
In einer Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass das strahlungs durchlässige Substrat einen breitbandigen Bandpass-Filter oder einen KantenIn one embodiment it can also be provided that the radiation-permeable substrate has a broadband bandpass filter or an edge
5 filter, der auch als Lang- bzw. Hochpass-Filter bezeichnet werden kann, auf weist. Dieser Filter kann ausgebildet sein, unerwünschte Resonanzwellenlän gen, z. B. niedrige Resonanzwellenlängen unterhalb einer bestimmten Wellen gänge min, auszublenden, d. h. zu blockieren, so dass diese Wellenlängen nicht in den Resonanzraum transmittiert werden. 5 filter, which can also be referred to as a long-pass or high-pass filter, has. This filter can be designed, undesirable resonance wavelengths, z. B. low resonance wavelengths below a certain wave gears min , to hide, ie to block, so that these wavelengths are not transmitted into the resonance space.
10 10
Ein Detektorarray weist mindestens zwei mikromechanische Strahlungsdetek toren auf, deren zweite Reflexionsflächen, bevorzugt ohne Überlappung, je weils in eine Raumrichtung ausgerichtet sind. Die Strahlungsdetektoren kön nen versetzt zueinander angeordnet sein oder bevorzugt derart angeordnetA detector array has at least two micromechanical radiation detectors whose second reflection surfaces, preferably without overlapping, are each aligned in one spatial direction. The radiation detectors can be arranged offset to one another or preferably arranged in such a way
15 sein, dass die zweiten Reflexionsflächen jeweils in einer Ebene angeordnet sind. Die Strahlungsdetektoren können beispielsweise auf einem gemeinsa men Träger oder Chip befestigt sein. Alternativ kann der Strahlungsdetektor ein für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurch lässiges Substrat aufweisen, an dessen Oberfläche die zweiten Reflexionsflä15 be that the second reflection surfaces are each arranged in a plane. The radiation detectors can for example be attached to a common carrier or chip. Alternatively, the radiation detector can have a substrate which is permeable to radiation for the electromagnetic radiation to be detected, on the surface of which the second reflection surface
20 chen der Strahlungsdetektoren angeordnet und ausgebildet sein. Das heißt die Strahlungsdetektoren können an einem gemeinsamen Substrat ausgebil det sein. Dadurch können Verkippungen der Strahlungsdetektoren vermieden werden und eine Fertigung des Detektorarrays erleichtert werden. 20 surfaces of the radiation detectors can be arranged and designed. That is to say, the radiation detectors can be designed on a common substrate. Tilting of the radiation detectors can thereby be avoided and production of the detector array can be facilitated.
25 Die Strahlungsdetektoren können jeweils an definierten Positionen angeord net sein und zueinander identische Fabry-Perot-Interferometerelemente auf weisen. Eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung kann somit orts aufgelöst und bzw. oder spektralaufgelöst detektiert werden. The radiation detectors can each be angeord net at defined positions and have Fabry-Perot interferometer elements that are identical to one another. Electromagnetic radiation to be detected can thus be spatially resolved and / or detected in a spectrally resolved manner.
BO In einer Ausführung können die Strahlungsdetektoren für die Detektion einer elektromagnetischen Strahlung mit verschiedenen Wellenlängenbereichen optimiert werden, sodass beispielweise ein multispektrales Detektorarray für die IR-Spektroskopie (Infrarot-Spektroskopie) oder die multispektrale Wärme- bildgebung gebildet werden kann. Die Strahlungsdetektoren können hierfürBO In one embodiment, the radiation detectors can be optimized for the detection of electromagnetic radiation with different wavelength ranges so that, for example, a multispectral detector array for IR spectroscopy (infrared spectroscopy) or multispectral thermal imaging can be formed. The radiation detectors can do this
35 jeweils in unterschiedlichen Bereichen einstellbare bzw. durchstimmbare Re- sonanzräume aufweisen, d. h. die Abstände w der Resonanzräume können je weils in unterschiedlichen Bereichen einstellbar und bzw. oder veränderbar sein. 35 each adjustable or tunable in different areas have resonance spaces, ie the distances w of the resonance spaces can each be adjustable and / or changeable in different areas.
5 In einer weiteren Ausführung können die Strahlungsdetektoren jeweils eine wellenlängenselektive optische Schicht an einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegenden Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates auf weisen, die ausgebildet ist, jeweils eine elektromagnetische Strahlung einer definierten Wellenlänge l oder eine elektromagnetische Strahlung eines defiIn a further embodiment, the radiation detectors can each have a wavelength-selective optical layer on a surface of the radiation-permeable substrate opposite the first reflection surface, which is designed to each have an electromagnetic radiation of a defined wavelength l or an electromagnetic radiation of a defi
10 nierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches zu transmittieren. Die wellen längenselektiven optischen Schichten können jeweils die identische Wellen länge l oder den identischen schmalbandigen Wellenlängenbereiches trans mittieren oder verschiedene Wellenlängen l oder verschiedene schmalbandi gen Wellenlängenbereiche transmittieren. Die jeweiligen Wellenlängen oder10 ned narrow band wavelength range to transmit. The wavelength-selective optical layers can each transmit the identical wavelength l or the identical narrow-band wavelength range or transmit different wavelengths l or different narrow-band wavelength ranges. The respective wavelengths or
15 schmalbandigen Wellenlängenbereiche können beispielsweise charakteristi sche Absorptions- oder Transmissionslinien bzw. -banden eines bestimmten Materials sein, sodass mit dem Detektorarray qualitative und quantitative Ma terialbestimmungsmessungen durchgeführt werden können. Die jeweiligen Absorptions- oder Transmissionslinien bzw. -banden können dabei simultan15 narrow-band wavelength ranges can, for example, be characteristic absorption or transmission lines or bands of a certain material, so that qualitative and quantitative material determination measurements can be carried out with the detector array. The respective absorption or transmission lines or bands can be used simultaneously
20 detektiert werden, sodass die Materialbestimmung nicht nur berührungslos und zerstörungsfrei, sondern auch extrem schnell durchgeführt werden kann. Alternativ können die Anzahl an Strahlungsdetektoren und die Wellenlängen bzw. schmalbandigen Wellenlängenbereiche der jeweiligen wellenlängense lektiven optischen Schichten an den Wellenlängenbereich einer zu detektie-20 can be detected, so that the material determination can be carried out not only in a non-contact and non-destructive manner, but also extremely quickly. Alternatively, the number of radiation detectors and the wavelengths or narrow-band wavelength ranges of the respective wavelength-selective optical layers can be adapted to the wavelength range of a
25 renden elektromagnetischen Strahlung derart angepasst bzw. über diesen verteilt sein, dass aus den Messungen der einzelnen Strahlungsdetektoren das Spektrum der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung rekonstruiert werden kann. Hier liegt der Vorteil wiederum in der simultanen und dadurch sehr raschen, aber auch sehr präzisen Strahlungsmessung. The resulting electromagnetic radiation can be adapted or distributed over it in such a way that the spectrum of the electromagnetic radiation to be detected can be reconstructed from the measurements of the individual radiation detectors. The advantage here again lies in the simultaneous and therefore very rapid, but also very precise radiation measurement.
BO BO
Bei einem Verfahren zur Strahlungsmessung wird eine zu detektierende elekt romagnetische Strahlung durch eine für die zu detektierende elektromagneti sche Strahlung strahlungsdurchlässiges Substrat in einen mit einer ersten Re flexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten ResonanzraumIn a method for radiation measurement, an electromagnetic radiation to be detected is passed through a substrate which is radiation-permeable for the electromagnetic radiation to be detected into a resonance space formed with a first reflection surface and a second reflection surface
35 eines Fabry-Perot-Interferometerelementes transmittiert, wobei die erste Re flexionsfläche mit einer Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates planparallel in einem Abstand w zu der zweiten Reflexionsfläche ausgebildet ist. Der Abstand w wird mittels mindestens eines Aktuators definiert einge stellt und bzw. oder definiert verändert. Der Aktuator ist hierfür an der zwei ten Reflexionsfläche des Resonanzraumes ausgebildet und weist eine erste Elektrodenschicht, eine aktive Schicht und eine zweite Elektrodenschicht auf, die ausgebildet sind, den Aktuator bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht derart mechanisch zu verformen, dass der Abstand w de finiert einstellbar und bzw. oder definiert veränderbar ist. Mittels eines pyro elektrischen Sensorelementes wird eine Temperaturänderung erfasst, die durch eine Absorption der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge l der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und bzw. o- der einer Änderung des Abstands w auftritt bzw. bewirkt wird. Das pyroelekt rische Sensorelement weist hierfür eine pyroelektrische Schicht auf und ist ausgebildet, die Temperaturänderung mittels dieser pyroelektrischen Schicht zu erfassen. Aus der Temperaturänderung, dem Abstand w und bzw. oder der zeitlichen Änderung des Abstands w wird bzw. werden die Intensität und bzw. oder die Wellenlänge l der elektromagnetischen Strahlung ermittelt. 35 of a Fabry-Perot interferometer element transmitted, the first Re flexionsfläche with a surface of the radiation-permeable substrate is formed plane-parallel at a distance w from the second reflection surface. The distance w is set and / or changed in a defined manner by means of at least one actuator. The actuator is designed for this on the second reflective surface of the resonance chamber and has a first electrode layer, an active layer and a second electrode layer, which are designed to mechanically deform the actuator when an electrical voltage is applied to the active layer in such a way that the distance w is adjustable and / or can be changed in a defined manner. A temperature change is detected by means of a pyroelectric sensor element, which occurs due to an absorption of the electromagnetic radiation to be detected on the second reflection surface depending on the wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected, the distance w and or a change in the distance w or is effected. For this purpose, the pyroelectric sensor element has a pyroelectric layer and is designed to detect the temperature change by means of this pyroelectric layer. The intensity and / or the wavelength l of the electromagnetic radiation is or are determined from the temperature change, the distance w and / or the change in the distance w over time.
Das beschriebene Verfahren kann insbesondere mit dem beschriebenen Strahlungsdetektor oder dem beschriebenen Detektorarray durchgeführt wer den, das heißt, der beschriebene Strahlungsdetektor und das beschriebene Detektorarray sind zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerich tet. The described method can in particular be carried out with the described radiation detector or the described detector array, that is, the described radiation detector and the described detector array are set up for carrying out the described method.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 8 erläutert. Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained below with reference to FIGS. 1 to 8.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Beispiels eines mikromechanischen Strahlungsdetektors, 1 shows a schematic illustration of a sectional view of an example of a micromechanical radiation detector,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht eines Beispiels ei nes mikromechanischen Strahlungsdetektors, Fig. 3 das Transmissionsverhalten eines Beispiels eines mikromechanischen Strahlungsdetektors in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellen länge, 2 in a schematic representation a plan view of an example of a micromechanical radiation detector, 3 shows the transmission behavior of an example of a micromechanical radiation detector as a function of the incident wave length,
Fig. 4 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht eines Beispiels ei nes mikromechanischen Detektorarrays, 4 shows a schematic illustration of a top view of an example of a micromechanical detector array,
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Beispiels eines mikromechanischen Detektorarrays, 5 shows a schematic illustration of a sectional view of an example of a micromechanical detector array,
Fig. 6 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht eines weiteren Bei spiels eines mikromechanischen Detektorarrays, 6 in a schematic representation a top view of a further example of a micromechanical detector array,
Fig. 7 in einer schematischen Darstellung eine elektrische Schaltung einer Kontrolleinheit, und 7 shows, in a schematic representation, an electrical circuit of a control unit, and FIG
Fig. 8 in einer schematischen Darstellung ein Herstellungsverfahren für ein Beispiel eines mikromechanischen Strahlungsdetektors. 8 shows a schematic illustration of a production method for an example of a micromechanical radiation detector.
In den Figuren 1 und 2 ist in einer schematischen Darstellung ein Beispiel ei nes mikromechanischen Strahlungsdetektors abgebildet. Figur 1 zeigt eine Schnittansicht und Figur 2 eine Draufsicht auf den Strahlungsdetektor. In Fi gur 2 ist die Schnittebene der in Figur 1 abgebildeten Schnittansicht mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Die Einfallsrichtung der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung auf den mikromechanischen Strahlungsdetek tor ist in Figur 1 mit Pfeilen angedeutet. Wiederkehrende Merkmale sind in den Figuren 1 und 2, wie auch in den folgenden Figuren, mit identischen Be zugszeichen versehen. In Figures 1 and 2, an example of a micromechanical radiation detector is shown in a schematic representation. FIG. 1 shows a sectional view and FIG. 2 shows a plan view of the radiation detector. In Fi gur 2 the sectional plane of the sectional view shown in Figure 1 is indicated with a dashed line. The direction of incidence of the electromagnetic radiation to be detected on the micromechanical radiation detector is indicated in FIG. 1 with arrows. Recurring features are provided with identical reference numerals in FIGS. 1 and 2, as well as in the following figures.
Der mikromechanische Strahlungsdetektor weist ein Fabry-Perot-Interferome- terelement mit mindestens einem Aktuator 2 und ein pyroelektrisches Senso relement 3 auf. Das Fabry-Perot-Interferometerelement weist einen opti schen Resonanzraum 4 auf, der mit einer ersten Reflexionsfläche, die auch als Resonanzfläche bezeichnet werden kann, und einer zweiten Reflexionsfläche bzw. Resonanzfläche sowie seitlichen Begrenzungen 6 einer ersten Opfer- Schicht OS1 gebildet ist, wobei die erste und die zweite Reflexionsfläche plan parallel in einem Abstand w zueinander angeordnet sind und die erste Reflexi onsfläche an einer Oberfläche eines für eine zu detektierende elektromagneti sche Strahlung strahlungsdurchlässigen Substrates 5 gebildet ist. Der mindes tens eine Aktuator 2 ist an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes 4 ausgebildet und weist eine erste Elektrodenschicht El, eine aktive Schicht 9 und eine zweite Elektrodenschicht E2 auf, die ausgebildet und angeordnet sind, den mindestens einen Aktuator 2 bei Anlegen einer elektrischen Span nung an die aktive Schicht 9 über die ersten Elektrodenschicht El und die zweiten Elektrodenschicht E2 mechanisch derart zu verformen, dass der Ab stand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsflä che des Resonanzraumes 4 definiert einstellbar und bzw. oder veränderbar ist. Das pyroelektrische Sensorelement S weist eine pyroelektrische Schicht IS auf und ist ausgebildet, mittels dieser pyroelektrischen Schicht 13 eine Tem peraturänderung zu erfassen, wobei diese Temperaturänderung durch eine Absorption einer durch das strahlungsdurchlässige Substrat 5 in den Reso nanzraum 4 transmittierten bzw. eingestrahlten zu detektierenden elektro magnetischen Strahlung an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge l der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und bzw. oder einer Änderung des Abstands w bewirkt wird. The micromechanical radiation detector has a Fabry-Perot interferometer element with at least one actuator 2 and a pyroelectric sensor element 3. The Fabry-Perot interferometer element has an optical's resonance space 4, which is provided with a first reflection surface, which can also be referred to as a resonance surface, and a second reflection surface or resonance surface and lateral boundaries 6 of a first sacrificial surface. Layer OS1 is formed, wherein the first and the second reflection surface are arranged plane parallel at a distance w from one another and the first reflection surface is formed on a surface of a substrate 5 which is transparent to radiation for an electromagnetic radiation to be detected. The at least one actuator 2 is formed on the second reflective surface of the resonance chamber 4 and has a first electrode layer E1, an active layer 9 and a second electrode layer E2, which are formed and arranged, the at least one actuator 2 when an electrical voltage is applied to mechanically deform the active layer 9 via the first electrode layer E1 and the second electrode layer E2 in such a way that the distance w between the first reflective surface and the second reflective surface of the resonance chamber 4 can be set and / or changed in a defined manner. The pyroelectric sensor element S has a pyroelectric layer IS and is designed to detect a temperature change by means of this pyroelectric layer 13, this temperature change being caused by an absorption of an electromagnetic to be detected transmitted or radiated into the resonance space 4 through the radiation-permeable substrate 5 Radiation at the second reflection surface is caused as a function of the wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected, the distance w and / or a change in the distance w.
Der mindestens eine Aktuator 2 ist im Beispiel der Figuren 1 und 2 als ein Bie gebalken mit einer mehreckigen, planparallel zur zweiten Reflexionsfläche an geordneten aktiven Schicht 9 ausgebildet, die sich bei Anlegen einer elektri schen Spannung kontrahiert oder ausdehnt, sodass sich der Aktuator 2 durch die Kontraktion oder Ausdehnung entlang der optischen Achse des Resonanz raumes 4 verformt bzw. durchbiegt und dadurch der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche zu- oder abnimmt. In the example of Figures 1 and 2, the at least one actuator 2 is designed as a flexural beam with a polygonal, plane-parallel to the second reflective surface on ordered active layer 9, which contracts or expands when an electrical voltage is applied, so that the actuator 2 through the contraction or expansion along the optical axis of the resonance space 4 is deformed or deflected and the distance w between the first reflective surface and the second reflective surface increases or decreases as a result.
Der Resonanzraum 4 ist im dargestellten Beispiel mit einer ersten und einer zweiten Reflexionsfläche ausgebildet, die quadratisch und zueinander de ckungsgleich geformt und angeordnet sind. Die zweite Reflexionsfläche ist da bei mit bzw. an einer ebenen Oberfläche der ersten Elektrodenschicht El des mindestens einen Aktuators 2 gebildet. Auf diese Weise kann die Verformung des mindestens einen Aktuators 2 direkt auf den Resonanzraum 4 wirken. Der Strahlungsdetektor weist im dargestellten Beispiel vier Aktuatoren 2 auf, die als Biegebalken ausgebildet sind und jeweils mit einer Längsachse parallel zu einer Kante der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes 4 angeordnet sind. Dadurch kann der Abstand w mit einer besonders hohen Parallelität der Reflexionsflächen eingestellt bzw. verändert werden. Es sind jedoch auch an dere Formen der Reflexionsflächen und Anzahlen oder Anordnungen des min destens einen Aktuators 2 möglich. In the example shown, the resonance chamber 4 is formed with a first and a second reflection surface, which are square and congruently shaped and arranged to one another. The second reflection surface is formed with or on a flat surface of the first electrode layer E1 of the at least one actuator 2. In this way, the deformation of the at least one actuator 2 can act directly on the resonance chamber 4. In the example shown, the radiation detector has four actuators 2 which are designed as bending beams and are each arranged with a longitudinal axis parallel to an edge of the second reflective surface of the resonance chamber 4. As a result, the distance w can be set or changed with a particularly high degree of parallelism of the reflection surfaces. However, other shapes of the reflective surfaces and numbers or arrangements of the min least one actuator 2 are also possible.
Das pyroelektrische Sensorelementes 3 ist im dargestellten Beispiel ebenfalls quadratisch ausgebildet und mittig an der zweiten Reflexionsfläche des Reso nanzraumes 4 angeordnet, wobei die zweite Reflexionsfläche mit bzw. an ei ner ebenen Oberfläche einer ersten Elektrodenschicht El des pyroelektri schen Sensorelementes gebildet ist. Die Aktuatoren 2 sind jeweils mit einer Längsachse parallel zu einer Außenkante und Oberfläche des pyroelektrischen Sensorelementes 3 angeordnet und isolieren dadurch das pyroelektrischen Sensorelement 3 thermisch, sodass eine höhere Temperaturänderung in der pyroelektrischen Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 erreicht werden kann. Es sind jedoch auch andere Formen und Anordnungen des pyro elektrischen Sensorelementes 3 und des mindestens einen Aktuators 2 mög lich. The pyroelectric sensor element 3 is also square in the example shown and arranged centrally on the second reflective surface of the resonance space 4, the second reflective surface being formed with or on a flat surface of a first electrode layer El of the pyroelectric sensor element. The actuators 2 are each arranged with a longitudinal axis parallel to an outer edge and surface of the pyroelectric sensor element 3 and thereby thermally isolate the pyroelectric sensor element 3 so that a higher temperature change can be achieved in the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3. However, other shapes and arrangements of the pyroelectric sensor element 3 and the at least one actuator 2 are also possible, please include.
Der mindestens eine Aktuator 2 ist im Beispiel der Figuren 1 und 2 mit einer ersten Elektrodenschicht El und einer zweiten Elektrodenschicht E2 gebildet, die voneinander verschiedene Schichtdicken aufweisen, um einen Biegebal ken auszubilden, der sich bei Ausdehnung oder Kontraktion der aktiven Schicht 9 entlang der optischen Achse des Resonanzraumes 4 verformt bzw. durchbiegt. Die erste Elektrodenschicht El weist bevorzugt eine Schichtdicke kleiner als 300 nm auf, während die zweite Elektrodenschicht E2 bevorzugt eine Schichtdicke größer als 300 nm aufweist. Die aktive Schicht 9 kann eine Schichtdicke zwischen 10 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 20 nm und 100 nm, aufweisen. In the example in FIGS. 1 and 2, the at least one actuator 2 is formed with a first electrode layer E1 and a second electrode layer E2, which have different layer thicknesses from one another in order to form a flexible beam which, when the active layer 9 expands or contracts, along the optical The axis of the resonance chamber 4 is deformed or sagged. The first electrode layer E1 preferably has a layer thickness less than 300 nm, while the second electrode layer E2 preferably has a layer thickness greater than 300 nm. The active layer 9 can have a layer thickness between 10 nm and 1000 nm, preferably between 20 nm and 100 nm.
Alternativ kann der Biegebalken auch mit einer ersten Elektrodenschicht El und einer zweiten Elektrodenschicht E2, die voneinander verschiedene Zu sammensetzungen und bzw. oder mechanische Eigenschaften aufweisen, o- der mit einer aktiven Schicht 9 gebildet sein, deren Zusammensetzung und bzw. oder mechanische Eigenschaften sich in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes 4 oder der Längsachse des Biegebalkens kontinuierlich oder schrittweise, beispielsweise durch einen Gradienten in der Dotierung der aktiven Schicht 9 oder einen entsprechenden Mehrschichtaufbau, derart än dern, dass sich die aktive Schicht 9 und somit der mindestens eine Aktuator 2 bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht 9 in Richtung der optischen Achse des Resonanzraumes 4 verformt bzw. durchbiegt. Alternatively, the bending beam can also be formed with a first electrode layer E1 and a second electrode layer E2, which have different compositions and / or mechanical properties, or with an active layer 9, the composition and / or mechanical properties of which are in Direction of the optical axis of the resonance chamber 4 or the longitudinal axis of the bending beam continuously or step by step, for example through a gradient in the doping of the active layer 9 or a corresponding multilayer structure, such that the active layer 9 and thus the at least one actuator 2 change when an electrical voltage is applied deformed or deflected on the active layer 9 in the direction of the optical axis of the resonance chamber 4.
Die Elektrodenschichten El und E2 des mindestens einen Aktuators 2 und des pyroelektrischen Sensorelementes S sind im Beispiel der Figuren 1 und 2 aus einem elektrisch leitfähigen Schichtstapel ausgebildet, der jeweils eine Leiter schicht 8, 10 und eine Trägerschicht 7, 11 aufweist. Die Leiterschichten 8, 10 sind jeweils an einer Oberfläche der aktiven Schicht 9 bzw. der piezoelektri schen Schicht 13 angeordnet und die Trägerschichten 7, 11 sind jeweils auf ei ner der aktiven Schicht 9 bzw. der piezoelektrischen Schicht 13 gegenüberlie gende Oberfläche der jeweiligen Leiterschicht 8, 10 ausgebildet. Als Elektro denschichten können jedoch auch Einzelschichten oder Schichtstapel mit an deren Schichtabfolgen und bzw. oder Schichtzusammensetzungen, wie z. B. elektrisch leitfähige Bragg-Reflektoren, verwendet werden. Die zweite Reflexi onsfläche ist an bzw. mit einer Oberfläche der Trägerschicht 7 der ersten Elektrodenschicht El des mindestens einen Aktuators 2 und des pyroelektri schen Sensorelementes 3 gebildet. Die Leiterschichten 8, 10 sind im darge stellten Beispiel der Figur 1 und 2 aus Titannitrid, TiN, ausgebildet, können je doch auch aus Tantalcarbonitrid, TaCN, Tantalaluminiumnitrid, TaAlN, Ruthe nium, Ru, Rutheniumoxid, RuO, Titan, Ti, Titanaluminiumnitrid, TiAIN, Platin, Pt, Iridium, Ir, Iridiumoxid, IrO, oder Molybdän, Mo, oder einem anderen ge eigneten elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet sein. In the example of FIGS. 1 and 2, the electrode layers E1 and E2 of the at least one actuator 2 and the pyroelectric sensor element S are formed from an electrically conductive layer stack, each of which has a conductor layer 8, 10 and a carrier layer 7, 11. The conductor layers 8, 10 are each arranged on a surface of the active layer 9 or the piezoelectric layer 13 and the carrier layers 7, 11 are each on a surface of the respective conductor layer 8 opposite the active layer 9 or the piezoelectric layer 13 , 10 trained. As electro denschichten, however, individual layers or layer stacks with other layer sequences and / or layer compositions, such as. B. electrically conductive Bragg reflectors can be used. The second reflective surface is formed on or with a surface of the carrier layer 7 of the first electrode layer E1 of the at least one actuator 2 and the pyroelectric sensor element 3. The conductor layers 8, 10 in the example shown in Figures 1 and 2 are made of titanium nitride, TiN, but can also consist of tantalum carbonitride, TaCN, tantalum aluminum nitride, TaAlN, ruthenium, Ru, ruthenium oxide, RuO, titanium, Ti, titanium aluminum nitride, TiAlN, platinum, Pt, iridium, Ir, iridium oxide, IrO, or molybdenum, Mo, or another suitable electrically conductive material.
Im Beispiel der Figuren 1 und 2 sind die Elektrodenschichten El und E2, die aktive Schicht 9 und die pyroelektrische Schicht 13 aus Schichten gebildet, die jeweils der gesamte Strahlungsdetektor aufweist. Das heißt, der Strahlungsde tektor weist eine erste Elektrodenschicht El, eine aktive Schicht 9 und eine zweite Elektrodenschicht E2 auf, die jeweils parallel in einer Ebene zu den Re flexionsflächen angeordnet sind und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche der art strukturiert bzw. räumlich separiert sind, dass mit der ersten Elektroden schicht El, der aktiven Schicht 9 und der zweiten Elektrodenschicht E2 des Strahlungsdetektors der mindestens eine Aktuator 2 und davon elektrisch iso liert das pyroelektrische Sensorelement S gebildet sind. Die erste Elektroden schicht El, die zweite Elektrodenschicht E2 und die aktive Schicht 9 des Strah lungsdetektors können jeweils in nur einem einzigen Fertigungsschritt ausge bildet sein, wodurch sich die Fertigung des Strahlungsdetektors wesentlich vereinfacht. Außerdem sind die aktive Schicht 9 des Aktuators 2 und die pyro elektrische Schicht IS des pyroelektrischen Sensorelementes 3 in derselben Ebene ausgebildet und weisen dieselbe Zusammensetzung und Schichtdicke auf, sodass eine hohe Parallelität der Schichten in Bezug auf die Reflexionsflä chen erreicht werden kann. Im Beispiel der Figuren 1 und 2 sind die aktive Schicht 9 des Aktuators 2 und die pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektri schen Sensorelementes 3 aus oder mit dotiertem Hafniumoxid, HfC>2, einem Hafnium-Mischoxid oder Kombinationen von diesen ausgebildet, wobei die Dotanden im dotierten Hafniumoxid Aluminium, AI, Silizium, Si, Germanium, Ge, Yttrium, Y, Scandium, Sc, Gadolinium, Gd, Strontium, Sr, Lanthan, La, Niob, Nb, Barium, Ba, Cerium, Ce, Neodym, Nd, Samarium, Sm, Erbium, Er, und bzw. oder Ytterbium, Yb, sein können. In the example of FIGS. 1 and 2, the electrode layers E1 and E2, the active layer 9 and the pyroelectric layer 13 are formed from layers which the entire radiation detector has in each case. That is, the radiation detector has a first electrode layer E1, an active layer 9 and a second electrode layer E2, which are each arranged parallel in a plane to the reflective surfaces and are structured or spatially separated vertically to the second reflective surface in such a way that with the first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 des Radiation detector of the at least one actuator 2 and electrically insulated therefrom, the pyroelectric sensor element S are formed. The first electrode layer E1, the second electrode layer E2 and the active layer 9 of the radiation detector can each be formed in just a single manufacturing step, which significantly simplifies the manufacture of the radiation detector. In addition, the active layer 9 of the actuator 2 and the pyroelectric layer IS of the pyroelectric sensor element 3 are formed in the same plane and have the same composition and layer thickness, so that a high degree of parallelism of the layers with respect to the reflection surfaces can be achieved. In the example of Figures 1 and 2, the active layer 9 of the actuator 2 and the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3 are formed from or with doped hafnium oxide, HfC> 2, a mixed hafnium oxide or combinations of these, the dopants in the doped Hafnium oxide aluminum, AI, silicon, Si, germanium, Ge, yttrium, Y, scandium, Sc, gadolinium, Gd, strontium, Sr, lanthanum, La, niobium, Nb, barium, Ba, cerium, Ce, neodymium, Nd, samarium , Sm, Erbium, Er, and / or or Ytterbium, Yb, can be.
Alternativ kann im Strahlungsdetektor auch jeweils nur die erste Elektroden schicht El, die zweite Elektrodenschicht E2 und bzw. oder die aktive Schicht 9 als eine Schicht des Strahlungsdetektor ausgebildet sein und parallel zu den Reflexionsflächen angeordnet und vertikal derart strukturiert bzw. räumlich separiert sein, dass die jeweilige Schicht die erste Elektrodenschicht El, die zweite Elektroden E2 oder eine aktive Schicht 9 des mindestens einen Aktua tors 2 und davon elektrisch isoliert die erste Elektrodenschicht El, die zweite Elektrodenschicht E2 oder eine pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektri schen Sensorelement 3 bildet. Die Schichten El, E2, 9 des mindestens einen Aktuators 2 und die Schichten El, E2, 13 des pyroelektrischen Sensorelemen tes 3 können alternativ auch voneinander verschiedene Zusammensetzung und bzw. oder Schichtdicken aufweisen und bzw. oder in separaten Ferti gungsschritten hergestellt sein. Der mindestens eine Aktuator 2 kann als pie zoelektrischer, flexoelektrischer oder elektrostriktiver Aktuator ausgebildet sein, bei dem die aktive Schicht 9 mit oder aus einem piezoelektrischen, flexo- elektrischen und bzw. oder elektrostriktiven Werkstoff gebildet ist. Das pyroelektrische Sensorelement S kann als ein Plattenkondensator mit ei ner ersten Elektrodenschicht El, einer pyroelektrischen Schicht IS als Kon densatormedium und einer zweiten Elektrodenschicht E2 ausgebildet sein, wobei die pyroelektrische Schicht 13 mit oder aus einem oder mehreren pyro elektrischen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen gebildet sein kann. Die Sensorfläche des pyroelektrischen Sensorelementes 3, d. h. die Fläche der pyroelektrischen Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3, kann eine Fläche zwischen 100 pm2 und 2 mm2 aufweisen. Alternatively, only the first electrode layer E1, the second electrode layer E2 and / or the active layer 9 can be designed as a layer of the radiation detector in the radiation detector and arranged parallel to the reflection surfaces and vertically structured or spatially separated in such a way that the respective layer the first electrode layer E1, the second electrode E2 or an active layer 9 of the at least one actuator 2 and electrically insulated therefrom the first electrode layer E1, the second electrode layer E2 or a pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3 forms. The layers E1, E2, 9 of the at least one actuator 2 and the layers E1, E2, 13 of the pyroelectric sensor element 3 can alternatively also have different compositions and / or layer thicknesses and / or be produced in separate manufacturing steps. The at least one actuator 2 can be designed as a piezoelectric, flexoelectric or electrostrictive actuator, in which the active layer 9 is formed with or from a piezoelectric, flexoelectric and / or electrostrictive material. The pyroelectric sensor element S can be designed as a plate capacitor with a first electrode layer El, a pyroelectric layer IS as the capacitor medium and a second electrode layer E2, the pyroelectric layer 13 being formed with or from one or more pyroelectric and / or ferroelectric materials can be. The sensor area of the pyroelectric sensor element 3, ie the area of the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3, can have an area between 100 μm 2 and 2 mm 2 .
Der Resonanzraum 4 ist im Beispiel der Figuren 1 und 2 als optischer Luftspalt- Resonator ausgebildet, dessen Abstand w in einem Bereich zwischen 0,5 pm und 35 pm einstellbar bzw. veränderbar ist. Dadurch kann der Strahlungsde tektor insbesondere für die Detektion einer elektromagnetischen Strahlung im nahen und mittleren Infrarotbereich eingesetzt werden. Es können jedoch auch Strahlungsdetektoren mit Resonanzräumen 4 hergestellt werden, die mit anderen Resonanzmedien, wie z.B. Vakuum, Stickstoff oder Edelgasen ausge bildet sind oder deren Abstand w in anderen Bereichen einstellbar und bzw. oder veränderbar ist. Der Resonanzraum 4 kann beispielsweise mittels einer Opferschicht ausgebildet sein. Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung ei nes mikromechanischen Strahlungsdetektors ist in Figur 8 beschrieben. In the example of FIGS. 1 and 2, the resonance chamber 4 is designed as an optical air gap resonator, the distance w of which can be set or changed in a range between 0.5 μm and 35 μm. As a result, the radiation detector can be used in particular for the detection of electromagnetic radiation in the near and medium infrared range. However, radiation detectors with resonance chambers 4 can also be produced which are formed with other resonance media, such as vacuum, nitrogen or noble gases, or the spacing w of which can be set and / or changed in other areas. The resonance space 4 can be formed, for example, by means of a sacrificial layer. An example of a method for producing a micromechanical radiation detector is described in FIG.
Das strahlungsdurchlässige Substrat 5 ist im Beispiel der Figuren 1 und 2 der art ausgebildet, dass es die jeweils zu detektierende elektromagnetische Strahlung in den Resonanzraum 4 transmittiert und an einer Oberfläche eine erste Reflexionsfläche aufweist, die als ein ebener, teildurchlässiger Spiegel mit einem Reflexionsgrad zwischen 85 % und 98 % im Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung ausbildet ist. Das strah lungsdurchlässige Substrat kann hierfür beispielsweise aus Si, Ge, GaAs, SiGe oder InP bestehen. Die zweite Reflexionsfläche ist an einer Oberfläche einer Trägerschicht 7 der ersten Elektrodenschicht El derart ausgebildet, dass sie einen ebenen, teildurchlässigen Spiegel mit einem Reflexionsgrad zwischen 85 % und 98 % im Wellenlängenbereich der zu detektierenden elektromagne tischen Strahlung ausbildet. Die Trägerschicht 11 ist hierfür beispielsweise aus polykristallinem Si, SiGe oder Ge mit Dotanden, wie z. B. Bor, B, Aluminium,In the example of FIGS. 1 and 2, the radiation-permeable substrate 5 is designed in such a way that it transmits the electromagnetic radiation to be detected into the resonance chamber 4 and has a first reflective surface on one surface, which is a flat, partially permeable mirror with a degree of reflection between 85 % and 98% is formed in the wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected. For this purpose, the radiation-permeable substrate can consist, for example, of Si, Ge, GaAs, SiGe or InP. The second reflection surface is formed on a surface of a carrier layer 7 of the first electrode layer E1 in such a way that it forms a flat, partially transparent mirror with a reflectance between 85% and 98% in the wavelength range of the electromagnetic radiation to be detected. The carrier layer 11 is for this purpose, for example, made of polycrystalline Si, SiGe or Ge with dopants, such as. B. boron, B, aluminum,
AI, Gallium, Ga, Indium, In, Phosphor, P, Arsen, As, Antimon, Sb, Bismut, Bi, o- der auch Metallen wie Aluminium, AI, Kupfer, Cu, Kobalt, Co, Nickel, Ni, Mo lybdän, Mo, Tantal, Ta, und bzw. oder Titan, Ti, gebildet. Für eine einfache Herstellung des Strahlungsdetektors weisen die Trägerschichten 7, 11 und die Leiterschichten 8, 10 im dargestellten Beispiel jeweils dieselbe Zusammenset zung auf, sie können jedoch auch aus unterschiedlichen Werkstoffen beste hen. AI, gallium, Ga, indium, In, phosphorus, P, arsenic, As, antimony, Sb, bismuth, Bi, o- which also metals such as aluminum, Al, copper, Cu, cobalt, Co, nickel, Ni, Mo lybdenum, Mo, tantalum, Ta, and / or titanium, Ti, are formed. For simple manufacture of the radiation detector, the carrier layers 7, 11 and the conductor layers 8, 10 in the example shown each have the same composition, but they can also be made of different materials.
Für eine effiziente elektrische Kontaktierung ist der Strahlungsdetektor im Bei spiel der Figur 1 und 2 mit einem strahlungsdurchlässigen Substrat 5 ausgebil det, das elektrisch leitfähig ist, wie z. B. einem Substrat aus Si, Ge, GaAs, SiGe oder InP. Die erste Elektrodenschicht El des Strahlungsdetektors ist sowohl an der zweiten Reflexionsfläche als auch in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Substrat 5 ausgebildet. Die erste Elektrodenschicht El, die aktive Schicht 9 und die zweite Elektrodenschicht E2 sind außerdem in definierten Bereichen Gl, G2, G3, G4 vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart struktu riert bzw. räumlich separiert, dass mit der ersten Elektrodenschicht El, der ak tiven Schicht 9 und der zweite Elektrodenschicht E2 des Strahlungsdetektors der mindestens eine Aktuator 2 und davon elektrisch isoliert mit der ersten Elektrodenschicht El, der aktiven Schicht 9 und der zweiten Elektrodenschicht E2 des Strahlungsdetektors das pyroelektrische Sensorelement 3 ausgebildet sind, wobei der mindestens eine Aktuator 2 über das elektrisch leitfähige Sub strat 5, Kl und mindestens einen ersten Kontakt K2 an der zweiten Elektro denschicht E2 elektrisch kontaktierbar ist und das pyroelektrische Sensorele ment 3 davon unabhängig über das elektrisch leitfähige Substrat 5, Kl und mindestens einen zweiten Kontakt K3 an der zweiten Elektrodenschicht E2 elektrisch kontaktierbar ist. Für eine direkte elektrische Kontaktierung ist das elektrisch leitfähige Substrat 5 in einem Randbereich Kl des Substrates 5 um das Fabry-Perot-Interferometerelement ohne Beschichtungen ausgeführt. Es sind jedoch auch alternative elektrische Kontaktierungen des mindestens ei nen Aktuators 2 und des pyroelektrischen Sensorelementes 3 möglich. For efficient electrical contact, the radiation detector in the case of FIGS. 1 and 2 is ausgebil det with a radiation-permeable substrate 5 which is electrically conductive, such as, for. B. a substrate made of Si, Ge, GaAs, SiGe or InP. The first electrode layer E1 of the radiation detector is formed both on the second reflection surface and in direct contact with the electrically conductive substrate 5. The first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 are also structured or spatially separated in defined areas Gl, G2, G3, G4 vertical to the second reflection surface in such a way that the first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 of the radiation detector of the at least one actuator 2 and electrically insulated therefrom with the first electrode layer El, the active layer 9 and the second electrode layer E2 of the radiation detector the pyroelectric sensor element 3 are formed, the at least one actuator 2 being formed via the electrically conductive Sub strat 5, Kl and at least one first contact K2 on the second electrode layer E2 can be electrically contacted and the pyroelectric sensor element 3 can be electrically contacted independently via the electrically conductive substrate 5, Kl and at least one second contact K3 on the second electrode layer E2 . For direct electrical contact, the electrically conductive substrate 5 is designed without coatings in an edge region K1 of the substrate 5 around the Fabry-Perot interferometer element. However, alternative electrical contacts between the at least one actuator 2 and the pyroelectric sensor element 3 are also possible.
Der Strahlungsdetektor des Beispiels der Figuren 1 und 2 kann eine in den Fi guren 1 und 2 nicht dargestellte Kontrolleinheit aufweisen, die ausgebildet ist, die aktive Schicht 9 des mindestens einen Aktuators 2 und bzw. oder die pyro elektrische Schicht 13 des pyroelektrischen Sensorelementes 3 zu konditionie ren und bzw. oder zu rekonditionieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontrolleinheit auch ausgebildet sein, den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht 9 des mindestens einen Aktuators 2 zu erhöhen und bzw. oder den py roelektrischen Effekt der pyroelektrischen Schicht IS des pyroelektrischen Sensorelementes 3 zu erhöhen. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung oder Spannungsabfolge an die aktive Schicht 9 des mindestens ei nen Aktuators 2 und bzw. oder die pyroelektrische Schicht 13 des pyroelektri schen Sensorelementes 3 erreicht werden. Ein Beispiel für das Konditionieren bzw. Rekonditionieren und das Verstärken des piezoelektrischen oder pyro elektrischen Effektes ist im Beispiel der Figur 7 beschrieben, die ein Beispiel einer elektrischen Schaltung einer Kontrolleinheit zeigt. The radiation detector of the example of FIGS. 1 and 2 can have a control unit, not shown in FIGS. 1 and 2, which is designed to close the active layer 9 of the at least one actuator 2 and / or the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3 condition and / or recondition. Alternatively or additionally, the Control unit can also be designed to increase the piezoelectric effect of the active layer 9 of the at least one actuator 2 and / or to increase the pyroelectric effect of the pyroelectric layer IS of the pyroelectric sensor element 3. This can be achieved, for example, by applying a voltage or voltage sequence to the active layer 9 of the at least one actuator 2 and / or the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3. An example for the conditioning or reconditioning and the amplification of the piezoelectric or pyroelectric effect is described in the example of FIG. 7, which shows an example of an electrical circuit of a control unit.
Im Beispiel der Figuren 1 und 2 kann die zu detektierende elektromagnetische Strahlung eine breitbandige, extern, vorzugsweise gleichförmig, gepulste bzw. zeitlich modulierte Strahlung oder eine breitbandige, zeitlich kontinuierliche, ungepulste bzw. unmodulierte Strahlung sein. Eine extern gepulste bzw. mo dulierte Strahlung kann mit dem Strahlungsdetektor bei einem zeitlich kon stant eingestellten Abstand w des Resonanzraumes 4 detektiert werden, da die Temperaturänderung an der zweiten Reflexionsfläche im Resonanzfall durch die zu- und abnehmende Intensität der zu detektierenden elektromag netischen Strahlung bewirkt wird. Aus der Amplitude des Messsignals des py roelektrischen Sensorelementes 3 können Rückschlüsse über die Höhe der Temperaturänderung und somit die Intensität derjenigen elektromagneti schen Strahlung gezogen werden, deren Wellenlänge l für den eingestellten Abstand w die Resonanzbedingung erfüllt. Die Messung kann für verschie dene, zeitlich konstant eingestellte Abstände w wiederholt werden, sodass bei einer ausreichenden Anzahl an Messungen aus den einzelnen Messungen ein wellenlängenabhängiges Intensitätsspektrum der zu detektierenden elektro magnetischen Strahlung rekonstruiert werden kann. Die Abstände w können dabei jeweils innerhalb eines Bereiches eingestellt werden, der innerhalb des freien Spektralbereichs des Resonanzraumes 4 liegt oder diesem entspricht. In the example of FIGS. 1 and 2, the electromagnetic radiation to be detected can be broadband, external, preferably uniform, pulsed or temporally modulated radiation or broadband, temporally continuous, unpulsed or unmodulated radiation. An externally pulsed or modulated radiation can be detected with the radiation detector at a time constant set distance w of the resonance chamber 4, since the temperature change on the second reflection surface in the case of resonance is caused by the increasing and decreasing intensity of the electromagnetic radiation to be detected . From the amplitude of the measurement signal of the py roelectric sensor element 3, conclusions can be drawn about the magnitude of the temperature change and thus the intensity of the electromagnetic radiation whose wavelength l meets the resonance condition for the set distance w. The measurement can be repeated for different intervals w set to be constant over time, so that, given a sufficient number of measurements, a wavelength-dependent intensity spectrum of the electromagnetic radiation to be detected can be reconstructed from the individual measurements. The distances w can each be set within a range which lies within or corresponds to the free spectral range of the resonance space 4.
Zeitlich konstante, ungepulste bzw. unmodulierte elektromagnetische Strah lung kann mit dem Strahlungsdetektor detektiert werden, indem eine Tempe raturänderung mittels einer Änderung des Abstands w des Resonanzraumes 4 erzeugt wird, der Strahlungsdetektor also dynamisch betrieben wird. Der min- destens eine Aktuator 2 des Beispiels der Figuren 1 und 2 ist daher ausgebil det, den Abstand w des Resonanzraumes 4 in einem definierten kontinuierli chen Durchstimmbereich Aw kontinuierlich, und vorzugsweise gleichförmig, zu verändern bzw. durchzustimmen. Das pyroelektrische Sensorelement 3 ist entsprechend ausgebildet, die Temperaturänderung der zweiten Reflexions fläche während der Änderung des Abstands w kontinuierlich zu erfassen. Der Durchstimmbereich Aw kann im freien Spektralbereich des Resonanzraumes liegen oder diesem entsprechen. Im Beispiel der Figuren 1 und 2 wird die Än derung des Abstandes w durch das Anlegen einer, vorzugsweise sinus- bzw. cosinusförmigen, Wechselspannung an die aktive Schicht 9 des mindestens ei nen Aktuators 2 erzeugt. Am pyroelektrischen Sensorelement 3 wird dann ein Wechselstrom erfasst, dessen Amplitude als Messsignal dient. Aus dem ge messenen Amplitudenverlauf wird mittels Kalibrierverfahren, bei denen der gemessene Amplitudenverlauf beispielsweise mit einem oder mehreren Amplitudenverläufen einer jeweils bekannten Referenzstrahlung verglichen wird, das Spektrum der zu detektierenden Strahlung im jeweiligen Durchstim mbereich Aw rekonstruiert. Time-constant, unpulsed or unmodulated electromagnetic radiation can be detected with the radiation detector by a temperature change is generated by changing the distance w of the resonance chamber 4, so the radiation detector is operated dynamically. The min- At least one actuator 2 of the example of FIGS. 1 and 2 is therefore designed to continuously, and preferably uniformly, change or tune the distance w of the resonance chamber 4 in a defined continuous tuning range Aw. The pyroelectric sensor element 3 is designed accordingly to continuously detect the change in temperature of the second reflection surface during the change in the distance w. The tuning range Aw can lie in the free spectral range of the resonance space or correspond to it. In the example of FIGS. 1 and 2, the change in the distance w is generated by applying a preferably sinusoidal or cosinusoidal alternating voltage to the active layer 9 of the at least one actuator 2. An alternating current is then detected at the pyroelectric sensor element 3, the amplitude of which is used as a measurement signal. The spectrum of the radiation to be detected in the respective tuning range Aw is reconstructed from the measured amplitude curve using calibration methods in which the measured amplitude curve is compared, for example, with one or more amplitude curves of a known reference radiation.
Der Strahlungsdetektor des Beispiels der Figuren 1 und 2 weist außerdem an einer der ersten Reflexionsfläche gegenüberliegenden bzw. gegenüber ange ordneten Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates 5 eine optionale funktionale Schicht 12 auf. Dies kann beispielsweise eine Antireflexionsschicht für eine verbesserte Strahlungseinkopplung der zu detektierenden Strahlung in das Substrat 5 und bzw. oder auch eine wellenlängenselektive optische Schicht 12 sein, die ausgebildet ist, eine elektromagnetischen Strahlung einer definierten Wellenlänge l oder eine elektromagnetische Strahlung eines defi nierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches in das Substrat 5 und somit in den Resonanzraum 4 zu transmittieren. Alternativ zu einer wellenlängenselek tiven optischen Schicht 12 kann auch das strahlungsdurchlässige Substrat 5 als ein wellenlängenselektives Substrat ausgebildet sein, das nur eine elektro magnetische Strahlung einer definierten Wellenlänge l oder eines definierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches in den Resonanzraum 4 transmittiert. The radiation detector of the example of FIGS. 1 and 2 also has an optional functional layer 12 on a surface of the radiation-permeable substrate 5 which is opposite or opposite to the first reflection surface. This can, for example, be an antireflection layer for improved radiation coupling of the radiation to be detected into the substrate 5 and / or a wavelength-selective optical layer 12 which is formed, an electromagnetic radiation of a defined wavelength l or an electromagnetic radiation of a defined narrow-band wavelength range in to transmit the substrate 5 and thus into the resonance space 4. As an alternative to a wavelength-selective optical layer 12, the radiation-permeable substrate 5 can also be designed as a wavelength-selective substrate which only transmits electromagnetic radiation of a defined wavelength l or a defined narrow-band wavelength range into the resonance chamber 4.
Bei einer extern gepulsten Strahlung kann die jeweils mittels der wellenlän genselektiven optischen Schicht selektierte Wellenlänge bzw. eine Wellen- länge des jeweils mittels der wellenlängenselektiven optischen Schicht selek tierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches bei einem zeitlich konstant eingestellten Abstand w detektiert werden, der die Resonanzbedingung für diese Wellenlänge erfüllt. Bei einer ungepulsten bzw. unmodulierten Strah lung kann die entsprechende Wellenlänge detektiert werden, indem der Ab stand w in einem Durchstimmbereich Aw kontinuierlich verändert bzw. durch gestimmt wird. Der Durchstimmbereich Aw ist dabei ein kontinuierlicher Be reich, der sowohl einen Abstand w oder Abstände w umfasst, bei dem oder denen die Resonanzbedingung für die selektierte Wellenlänge oder eine Wel lenlänge des selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches erfüllt ist, als auch Abstände w umfasst, bei denen die Resonanzbedingung für die selek tierte Wellenlänge oder eine Wellenlänge des selektierten schmalbandigen Wellenlängenbereiches nicht erfüllt ist. Wird der Abstand w in diesem Durch stimmbereich Aw kontinuierlich verändert bzw. durchgestimmt, so wird an der zweiten Reflexionsfläche mindestens eine Temperaturänderung bewirkt. In the case of externally pulsed radiation, the wavelength selected in each case by means of the wavelength-selective optical layer or a wavelength length of the narrowband wavelength range selected in each case by means of the wavelength-selective optical layer can be detected at a distance w set to be constant over time and which fulfills the resonance condition for this wavelength. In the case of an unpulsed or unmodulated radiation, the corresponding wavelength can be detected by continuously changing or tuning the distance w in a tuning range Aw. The tuning range Aw is a continuous range that includes both a distance w or distances w at which the resonance condition for the selected wavelength or a wavelength of the selected narrow-band wavelength range is met, as well as distances w at which the The resonance condition for the selected wavelength or a wavelength of the selected narrow-band wavelength range is not met. If the distance w is continuously changed or tuned in this tuning range Aw, at least one temperature change is brought about on the second reflection surface.
Der Durchstimmbereich Aw wird im dargestellten Beispiel der Figuren 1 und 2 durch Anlegen einer Wechselspannung an die aktive Schicht 9 bei der Ände rung des Abstands w mehrfach durchlaufen, sodass durch die dabei wieder holt auftretenden Temperaturänderungen ein Chopper-Effekt erzeugt wird. Am pyroelektrischen Sensorelement wird dementsprechend ein Wechsel strom erfasst, dessen Amplitude als Messsignal dient. Der Strahlungsdetektor kann dadurch für eine mittels der wellenlängenselektiven optischen Schicht 12 selektierte Wellenlänge oder selektierten schmalbandigen Wellenlängen bereich optimiert werden und ohne externe Pulsformer betrieben werden. The tuning range Aw is passed through several times in the example shown in FIGS. 1 and 2 by applying an alternating voltage to the active layer 9 when the distance w is changed, so that a chopper effect is generated by the temperature changes that occur repeatedly. Accordingly, an alternating current is detected on the pyroelectric sensor element, the amplitude of which is used as the measurement signal. The radiation detector can thereby be optimized for a wavelength or selected narrowband wavelength range selected by means of the wavelength-selective optical layer 12 and can be operated without external pulse shapers.
Alternativ oder zusätzlich zu der funktionalen Schicht 12 kann das strahlungs durchlässige Substrat 5 auch einen breitbandigen Bandpass-Filter oder einen Kantenfilter aufweisen. Derartige Filterschichten können ausgebildet sein, un erwünschte Resonanzwellenlängen, z. B. niedrige Resonanzwellenlängen un terhalb einer bestimmten Wellengänge min, auszublenden, d. h. zu blockie ren. As an alternative or in addition to the functional layer 12, the radiation-permeable substrate 5 can also have a broadband bandpass filter or an edge filter. Such filter layers can be formed, un desired resonance wavelengths, for. B. low resonance wavelengths un below a certain swell min , hide, ie to blockie ren.
In Figur 3 ist das Transmissionsverhalten eines Beispiels eines Strahlungsde tektors in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge dargestellt. Hier- bei wird nur ein bestimmter, schmalbandiger Wellenlängenbereich Bl durch gelassen. Wird nun ein Abstand der Reflexionsflächen des Fabry-Perot-Interfe rometers verändert, liegt dessen Transmissionswellenlänge innerhalb (Tli) o- der außerhalb (Tla) des durchgelassenen Bereichs Bl. Somit kann die Absorp tion und damit die Temperaturänderung am pyroelektrischen Sensorelement 3 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden. In Figure 3, the transmission behavior of an example of a Strahlungsde detector is shown as a function of the incident wavelength. Here- only a specific, narrow-band wavelength range B1 is allowed to pass through. If a distance between the reflective surfaces of the Fabry-Perot interferometer is now changed, its transmission wavelength is within (Tli) or outside (Tla) of the transmitted area Bl. turned off.
In den Figuren 4 und 6 sind zwei Beispiele von Detektorarrays 14 in einer schematischen Draufsicht abgebildet. Die Detektorarrays 14 weisen jeweils mindestens zwei mikromechanische Strahlungsdetektoren auf, deren Reflexi onsflächen, bevorzugt ohne Überlappung, jeweils in eine Raumrichtung ausge richtet sind. Die Strahlungsdetektoren können in einer Ebene eines strah lungsdurchlässigen Substrates ausgebildet sein oder auf einer planen Ebene eines Trägers oder Chips 15 befestigt sein. Die Strahlungsdetektoren können jeweils an definierten Positionen angeordnet sein, zueinander identisch aus gebildet sein oder Fabry-Perot-Interferometerelemente mit unterschiedlichen freien Spektralbereichen der Resonanzräume 4 und bzw. oder unterschiedli chen wellenlängenselektiven optischen Schichten 12 aufweisen, sodass eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung ortsaufgelöst und bzw. oder spektralaufgelöst oder wellenlängenoptimiert detektiert werden kann. In FIGS. 4 and 6, two examples of detector arrays 14 are shown in a schematic plan view. The detector arrays 14 each have at least two micromechanical radiation detectors whose reflective surfaces, preferably without overlap, are each aligned in one spatial direction. The radiation detectors can be formed in a plane of a radiation-permeable substrate or can be attached to a plane plane of a carrier or chip 15. The radiation detectors can each be arranged at defined positions, be formed identically to one another or have Fabry-Perot interferometer elements with different free spectral ranges of the resonance chambers 4 and / or different wavelength-selective optical layers 12, so that an electromagnetic radiation to be detected is spatially resolved and / or or can be detected in a spectrally resolved or wavelength-optimized manner.
Figur 4 zeigt beispielsweise ein Detektorarray 14, das als bildgebendes Detek- torarray verwendet werden kann. Die Strahlungsdetektoren sind in mehreren Reihen in einer Matrix 16 angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse der Aktua toren 2 und der pyroelektrischen Sensorelemente 3 sind jeweils mit Bond- Pads 17, 18 verbunden, welche durch Drähte mit einem Gehäuse kontaktiert werden können. FIG. 4 shows, for example, a detector array 14 that can be used as an imaging detector array. The radiation detectors are arranged in a plurality of rows in a matrix 16. The electrical connections of the actuators 2 and the pyroelectric sensor elements 3 are each connected to bond pads 17, 18, which can be contacted by wires with a housing.
In Figur 6 ist das Detektorarray auf einem CMOS-Chip (complementary metal- oxide-semiconductor) bzw. einem Träger 15 aufgebracht, der einen CMOS- Schaltkreis aufweist. Dieser CMOS-Schaltkreis kann beispielsweise elektrische Komponenten für die Ansteuerung der Aktuatoren 2 und bzw. oder das Ausle sen der Messsignale der pyroelektrischen Sensorelemente 3 aufweisen. Der CMOS-Schaltkreis kann insbesondere einen Verstärker bzw. elektrische Strom oder Spannungsquellen 19 und Multiplexer 20 für die Ansteuerung der Aktua- toren 2, sowie Analogschalter 21 und Strom-, Spannungs- oder Transimpe danzverstärker 22 sowie Analog-Digital-Wandler 23 für das Auslesen der pyro elektrischen Sensorelemente S enthalten. Ferner können Interface-Elektronik 24 sowie Bond-Pads und bzw. oder elektrischen Komponenten der Kontrol leinrichtung Teil des CMOS-Chips sein. In FIG. 6, the detector array is applied to a CMOS chip (complementary metal-oxide-semiconductor) or a carrier 15 which has a CMOS circuit. This CMOS circuit can, for example, have electrical components for controlling the actuators 2 and / or reading out the measurement signals from the pyroelectric sensor elements 3. The CMOS circuit can in particular be an amplifier or electrical current or voltage sources 19 and multiplexer 20 for controlling the actuators gates 2, as well as analog switch 21 and current, voltage or transimpe dance amplifier 22 and analog-to-digital converter 23 for reading the pyro electrical sensor elements S included. Furthermore, interface electronics 24 and bond pads and / or electrical components of the control device can be part of the CMOS chip.
In Figur 5 ist in einer schematischen Darstellung ein Querschnitt eines weite ren Beispiels eines mikromechanischen Detektorarrays 14 abgebildet. Die zweiten Reflexionsflächen der Strahlungsdetektoren des Detektorarrays 14 sind jeweils an einer ebenen Oberfläche eines elektrisch leitfähigen, strah lungsdurchlässigen Substrates 5 des Detektorarrays 14 angeordnet und ausge bildet. Die Einfallsrichtung der zu detektierenden elektromagnetischen Strah lung ist in Figur 6 mit Pfeilen angedeutet. Das Detektorarray 14 ist auf einem CMOS-Chip 15 befestigt. Dieser kann, wie im Beispiel der Figur 4, einen CMOS- Schaltkreis für die Strahlungsdetektion und bzw. oder elektrische Komponen ten für das Konditionieren, Rekonditionieren und bzw. oder das Verstärken des piezoelektrischen oder pyroelektrischen Effektes aufweisen. Die elektri schen Kontaktierungen zwischen dem elektrisch leitfähigen, strahlungsdurch lässigen Substrat 5 und dem CMOS-Chip 15 können mittels „Solder Bumps"In Figure 5, a cross section of a further example of a micromechanical detector array 14 is shown in a schematic representation. The second reflection surfaces of the radiation detectors of the detector array 14 are each arranged on a flat surface of an electrically conductive, radiation-permeable substrate 5 of the detector array 14 and forms. The direction of incidence of the electromagnetic radiation to be detected is indicated in FIG. 6 with arrows. The detector array 14 is attached to a CMOS chip 15. As in the example in FIG. 4, this can have a CMOS circuit for radiation detection and / or electrical components for conditioning, reconditioning and / or amplifying the piezoelectric or pyroelectric effect. The electrical contacts between the electrically conductive, radiation-permeable substrate 5 and the CMOS chip 15 can be made by means of "solder bumps"
25, aber auch mittels Drahtbondverbindungen 35 realisiert werden. Das ge samte Bauelement aus Detektorarray 14 und CMOS-Chip ist in ein optionales Gehäuse G eingebracht und mittels Solder Bumps 25 oder Drahtbonden elektrisch kontaktiert. 25, but also by means of wire bond connections 35. The entire component comprising detector array 14 and CMOS chip is placed in an optional housing G and electrically contacted by means of solder bumps 25 or wire bonds.
Figur 7 zeigt schematisch ein Beispiel einer elektrischen Schaltung einer Kon- trolleinheit. Die Ausprägung des pyroelektrischen und piezoelektrischen Effek tes kann abhängig von der elektrischen Vorgeschichte des jeweiligen Werk stoffes sein. Daher kann bzw. können der Strahlungsdetektor und bzw. oder das Detektorarray eine Kontrolleinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, die aktive und bzw. oder die pyroelektrische Schicht 9, 13 bzw. Schichten zu kon ditionieren und bzw. oder zu rekonditionieren und bzw. oder den piezoelektri schen Effekt der aktiven Schicht 9 bzw. Schichten und bzw. oder den pyro elektrischen Effekt der pyroelektrischen Schicht 13 bzw. Schichten zu erhö hen. Die Kontrolleinheit kann einen speziellen Schaltkreis aufweisen, der in das py roelektrische Sensorelement S integriert ist und ausgebildet ist, einen oder mehrere elektrische Pulse oder Pulsfolgen an die piezoelektrische Schicht 9 und bzw. oder pyroelektrische Schicht IS bzw. Schichten zu leiten. Die Imple mentierung einer solchen Schaltung ist in Figur 7 schematisch dargestellt. Ein elektrisches Signal wird durch einen integrierten Pulsgenerator oder Wellen formgenerator 26 erzeugt, welcher mit einem Steuerungsschaltkreis 27 elektrisch verbunden ist. Die erzeugte elektrische Wellenform oder Pulsfolge kann durch einen Verstärker 28 in ihrer Amplitude oder Offset-Spannung ver ändert werden. Die Amplitude der erzeugten Wellenform bzw. Pulsfolge über steigt dabei die Koerzitivfeldstärke des piezoelektrischen und bzw. oder pyro elektrischen Werkstoffs, mit oder aus dem die jeweilige Schicht 9, 13 gebildet ist, welche im Falle von dotiertem Hafniumoxid oder Hafniumoxid-Mischoxi- den im Bereich zwischen 0,7 MV/cm bis 1,5 MV/cm liegt. Die Amplitude ist ge ringer als die Durchbruchfeldstärke des Werkstoffs im Bereich zwischen 3 MV/cm bis 3,5 MV/cm. Dadurch kann der piezoelektrische und bzw. oder pyroelektrische Effekt der jeweiligen Schicht erhöht werden. FIG. 7 schematically shows an example of an electrical circuit of a control unit. The characteristics of the pyroelectric and piezoelectric effect can depend on the electrical history of the respective material. Therefore, the radiation detector and / or the detector array can have a control device which is designed to condition the active and / or the pyroelectric layer 9, 13 or layers and / or to recondition and / or the piezoelectric rule effect of the active layer 9 or layers and / or the pyroelectric effect of the pyroelectric layer 13 or layers to increase hen. The control unit can have a special circuit that is integrated into the pyroelectric sensor element S and is designed to conduct one or more electrical pulses or pulse trains to the piezoelectric layer 9 and / or pyroelectric layer IS or layers. The implementation of such a circuit is shown schematically in FIG. An electrical signal is generated by an integrated pulse generator or waveform generator 26 which is electrically connected to a control circuit 27. The generated electrical waveform or pulse sequence can be changed ver by an amplifier 28 in their amplitude or offset voltage. The amplitude of the generated waveform or pulse sequence rises above the coercive field strength of the piezoelectric and / or pyroelectric material with or from which the respective layer 9, 13 is formed, which in the case of doped hafnium oxide or hafnium oxide mixed oxides in the area is between 0.7 MV / cm to 1.5 MV / cm. The amplitude is lower than the breakdown field strength of the material in the range between 3 MV / cm to 3.5 MV / cm. As a result, the piezoelectric and / or pyroelectric effect of the respective layer can be increased.
Mögliche Pulsfolgen beinhalten Rechteck-, Sinus-, Dreiecks- oder Sägezahn wellenformen in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz. Die elektrische Verbindung wird mit Hilfe eines ersten Analogschalters bzw. Multiplexers 29 hergestellt. Dadurch wird die Pulsfolge bzw. Wellenform an ein pyroelektri sches Sensorelement 3 oder einen Aktuator 2 weitergeleitet, der mit Hilfe ei nes zweiten Analogschalters bzw. Multiplexers 30 ausgewählt wird. Die Puls folge bzw. Wellenform können mit 10 bis 106 Perioden an die jeweilige Schicht angelegt werden. Dies kann beispielsweise einmalig bei der Inbetriebnahme des Sensorelementes, und bzw. oder in regelmäßigen, durch die Ansteue rungselektronik festgelegten zeitlichen Abständen, oder nach einer festgeleg ten Anzahl an Einschaltvorgängen erfolgen (Konditionieren). Weiterhin kann nach einer bestimmten Betriebszeit oder nach einer bestimmten Anzahl an Einschaltvorgängen eine Wiederholung der Konditionierung, d. h. eine Rekon- ditionierung erfolgen, um mögliche Degradationsvorgänge des piezoelektri schen und bzw. oder pyroelektrischen Materials zu kompensieren. Durch Um schalten des ersten Analogschalters bzw. Multiplexers 29 kann das Messsignal des pyroelektrischen Sensorelementes 3 nach erfolgter Konditionierung bzw. Rekonditionierung ausgelesen werden. Dazu wird das pyroelektrische Senso relement S mit einer Verstärkerschaltung 31 sowie einem Analog-Digital- Wandler 32 und der digitalen Steuerungsschaltung 33 sowie Anschluss-Pads 34 verbunden. Alternativ kann eine elektrische Verbindung des pyroelektri schen Sensorelementes 3 mit dem ersten Analogschalter bzw. Multiplexer 29 auch direkt über eine Anschluss-Pad erfolgen. Possible pulse trains include square, sine, triangular or sawtooth waveforms in a frequency range from 10 Hz to 1 MHz. The electrical connection is established with the aid of a first analog switch or multiplexer 29. As a result, the pulse sequence or waveform is passed on to a pyroelectric sensor element 3 or an actuator 2, which is selected with the aid of a second analog switch or multiplexer 30. The pulse sequence or waveform can be applied to the respective layer with 10 to 10 6 periods. This can, for example, take place once when the sensor element is put into operation, and / or at regular time intervals specified by the control electronics, or after a specified number of switch-on processes (conditioning). Furthermore, after a certain operating time or after a certain number of switch-on processes, the conditioning can be repeated, ie reconditioning, in order to compensate for possible degradation processes of the piezoelectric and / or pyroelectric material. By switching the first analog switch or multiplexer 29, the measurement signal of the pyroelectric sensor element 3 after conditioning or Reconditioning can be read out. For this purpose, the pyroelectric sensor element S is connected to an amplifier circuit 31 and an analog-digital converter 32 and the digital control circuit 33 and connection pads 34. Alternatively, the pyroelectric sensor element 3 can also be electrically connected to the first analog switch or multiplexer 29 directly via a connection pad.
Die Ausprägung des pyroelektrischen Effektes ist in bestimmten pyroelektri schen und bzw. oder ferroelektrischen Werkstoffen außerdem vom elektri schen Feld abhängig. Um den pyroelektrischen Koeffizienten zu erhöhen, kann daher auch eine Gleichspannung an die pyroelektrische Schicht 13 der pyro elektrische Sensorelementes 3 angelegt werden. Dazu wird eine Gleichspan nungsquelle mit der Verstärkerschaltung 31 in Reihe geschaltet. Der pyro elektrische Koeffizient von Si-dotiertem Hafniumoxid HfC>2 kann bei einer Gleichspannung von 1,5 V beispielsweise bis zu einem Koeffizienten von -140 pC/m2K erhöht werden. In certain pyroelectric and / or ferroelectric materials, the expression of the pyroelectric effect is also dependent on the electric field. In order to increase the pyroelectric coefficient, a direct voltage can therefore also be applied to the pyroelectric layer 13 of the pyroelectric sensor element 3. For this purpose, a DC voltage source is connected in series with the amplifier circuit 31. The pyro-electrical coefficient of Si-doped hafnium oxide HfC> 2 can be increased to a coefficient of -140 pC / m 2 K, for example, at a direct voltage of 1.5 V.
In Figur 8 ist schematisch ein Herstellungsverfahren eines Beispiels eines mik romechanischen Strahlungsdetektors dargestellt. Das Verfahren umfasst fol gende Schritte, deren Nummerierungen mit den Nummerierungen der jeweili gen Darstellungen in der Figur 8 identisch sind: In Figure 8, a production method of an example of a micromechanical radiation detector is shown schematically. The method comprises the following steps, the numbering of which is identical to the numbering of the respective representations in FIG. 8:
1. Abscheidung einer ersten Opferschicht OS1 auf einer planen Oberfläche eines elektrisch leitfähigen, strahlungsdurchlässigen Substrates 5 mit ei nem ALD-, CVD- oder PVD-Verfahren 1. Deposition of a first sacrificial layer OS1 on a flat surface of an electrically conductive, radiation-permeable substrate 5 using an ALD, CVD or PVD process
2. Strukturierung bzw. teilweise Entfernung der ersten Opferschicht OS1 mit einem lithografischen Verfahren, so dass die erste Opferschicht die Ab messungen bzw. Grundfläche eines Resonanzraumes 4 aufweist 2. Structuring or partial removal of the first sacrificial layer OS1 with a lithographic method, so that the first sacrificial layer has the dimensions or the base area of a resonance space 4
3. Abscheidung einer ersten Trägerschicht 7 auf der ersten Opferschicht OS1 und dem strahlungsdurchlässigen Substrat 5 mit einem ALD-, CVD- oder PVD-Verfahren 3. Deposition of a first carrier layer 7 on the first sacrificial layer OS1 and the radiation-permeable substrate 5 using an ALD, CVD or PVD method
4. Abscheidung einer ersten Leiterschicht 8, einer aktiven Schicht 9 und einer zweiten Leiterschicht 10 auf der ersten Trägerschicht 7 mit einem ALD-, CVD- und/oder PVD-Verfahren 4. Deposition of a first conductor layer 8, an active layer 9 and a second conductor layer 10 on the first carrier layer 7 using an ALD, CVD and / or PVD method
5. Abscheidung einer zweiten Trägerschicht 11 und einer zweiten Opfer- Schicht OS2 auf der zweiten Leiterschicht 10 mit einem ALD-, CVD- und/o der PVD-Verfahren 5. Deposition of a second carrier layer 11 and a second sacrificial Layer OS2 on the second conductor layer 10 with an ALD, CVD and / o the PVD method
6. Strukturierung bzw. teilweise Entfernung der zweiten Opferschicht OS2 mit einem lithografischen Verfahren in Bereichen G3 in Fig. 1 und 2, die die zweite Leiterschicht 10 und die zweite Trägerschicht 11 der zu bilden den Aktuatoren 2 und des zu bildenden pyroelektrischen Sensorelementes 3 an den Außenkanten des zu bildenden pyroelektrischen Sensorelemen tes 3 elektrisch voneinander isolieren, sowie in Randbereichen Gl, G2 in Fig. 1 und 2 um die Außenkanten der zu bildenden Aktuatoren 2 6. Structuring or partial removal of the second sacrificial layer OS2 with a lithographic process in areas G3 in FIGS Isolate the outer edges of the pyroelectric sensor elements 3 to be formed electrically from one another, and in edge regions Gl, G2 in FIGS. 1 and 2 around the outer edges of the actuators 2 to be formed
7. Entfernung der zweiten Trägerschicht 11 und der zweiten Leiterschicht 10 mit einem nasschemischen Ätzverfahren oder einem Dampfätzverfahren in Bereichen G3 in Fig. 1 und 2, die die zweite Leiterschicht 10 und die zweite Trägerschicht 11 der zu bildenden Aktuatoren 2 und des zu bilden den pyroelektrischen Sensorelementes 3 an den Außenkanten des zu bil denden pyroelektrischen Sensorelementes 3 elektrisch voneinander isolie ren, sowie in Randbereichen Gl, G2 in Fig. 1 und 2 um die Außenkanten der zu bildenden Aktuatoren 2, so dass elektrische Kontakte K2, K3 für die zu bildenden Aktuatoren 2 und das zu bildende Sensorelement 3 gebildet werden 7. Removal of the second carrier layer 11 and the second conductor layer 10 with a wet chemical etching process or a vapor etching process in areas G3 in FIGS. 1 and 2, which form the second conductor layer 10 and the second carrier layer 11 of the actuators 2 to be formed and the pyroelectric Sensor element 3 on the outer edges of the pyroelectric sensor element 3 to be bil ding electrically isolate from each other, as well as in edge areas Gl, G2 in Fig. 1 and 2 around the outer edges of the actuators 2 to be formed, so that electrical contacts K2, K3 for the actuators to be formed 2 and the sensor element 3 to be formed are formed
8. Entfernung der zweiten Opferschicht OS2 mit einem nasschemischen Ätz verfahren, einem Dampfätzverfahren oder einem Trockenätzverfahren8. Removal of the second sacrificial layer OS2 using a wet chemical etching process, a steam etching process or a dry etching process
9. Abscheidung einer dritten Opferschicht OS3 mit einem ALD-, CVD- und/o der PVD-Verfahren 9. Deposition of a third sacrificial layer OS3 using an ALD, CVD and / o the PVD process
10. Strukturieren der dritten Opferschicht OS3 mit einem lithografischen Ver fahren und Entfernung der Trägerschichten 7, 11, Leiterschichten 8, 10 und der aktiven Schicht 9 in einem oder mehreren Ätzschritten mit einem nasschemischen Ätzverfahren, einem Dampfätzverfahren und/oder einem Trockenätzverfahren in Bereichen G4 in Fig. 1 und 2, die die zu bildenden Aktuatoren 2 und das zu bildende pyroelektrische Sensorelement 3 paral lel zu den Außenkanten der aktiven Schicht 9, 13 des zu bildenden pyro elektrischen Sensorelementes 3 elektrisch voneinander isolieren, sowie in Bereichen G2 in Fig. 1 und 2 parallel zu den Außenkanten der zu bildenden Aktuatoren 2 und Randbereichen Kl in Fig. 1 und 2 des strahlungsdurch lässigen Substrates 5 10. Structuring the third sacrificial layer OS3 with a lithographic process and removal of the carrier layers 7, 11, conductor layers 8, 10 and the active layer 9 in one or more etching steps with a wet chemical etching process, a vapor etching process and / or a dry etching process in areas G4 in 1 and 2, which electrically isolate the actuators 2 to be formed and the pyroelectric sensor element 3 to be formed paral lel to the outer edges of the active layer 9, 13 of the pyroelectric sensor element 3 to be formed, and in areas G2 in FIGS 2 parallel to the outer edges of the actuators 2 to be formed and edge regions K 1 in FIGS. 1 and 2 of the substrate 5 permeable to radiation
11. Entfernung der ersten Opferschicht OS1 und der dritten Opferschicht OS3 in einem nasschemischen Ätzverfahren oder einem Dampf-Ätzverfahren, wobei durch die Entfernung der ersten Opferschicht OS1 ein Resonanz raum 4 zwischen dem elektrisch leitfähigen Substrat 5 und der ersten Trä gerschicht 7 gebildet wird 11. Removal of the first sacrificial layer OS1 and the third sacrificial layer OS3 in a wet chemical etching process or a vapor etching process, with the removal of the first sacrificial layer OS1, a resonance space 4 between the electrically conductive substrate 5 and the first carrier layer 7 is formed
12. Aufbringen optionaler funktionaler Schichten 12 auf einer dem Resonanz- raum 4 gegenüberliegenden Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Sub strates 5. 12. Application of optional functional layers 12 on a surface of the radiation-permeable substrate 5 opposite the resonance chamber 4.
Die jeweiligen Schichten sind bevorzugt als plane Schichten ausgebildet oder können nach ihrer Ausbildung planarisiert werden. The respective layers are preferably designed as planar layers or can be planarized after their formation.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiede nen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert und einzeln, unab hängig vom jeweiligen gezeigten Beispiel, beansprucht werden. Features of the various exemplary embodiments disclosed only in the exemplary embodiments can be combined with one another and claimed individually, regardless of the respective example shown.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Mikromechanischer Strahlungsdetektor aufweisend ein Fabry-Perot- Interferometerelement (1) mit mindestens einem Aktuator (2) und ein pyroelektrisches Sensorelement (S), wobei das Fabry-Perot-Interferometerelement (1) einen mit einer ersten Re flexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten optischen Resonanzraum (4) aufweist, wobei die erste Reflexionsfläche an einer Oberfläche eines für eine zu detektierende elektromagnetische Strah lung strahlungsdurchlässigen Substrates (5) gebildet ist und planparal lel in einem Abstand w zu der zweiten Reflexionsfläche angeordnet ist, der mindestens eine Aktuator (2) an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes (4) ausgebildet ist und eine erste Elektrodenschicht (El), eine aktive Schicht (9) und eine zweite Elektrodenschicht (E2) auf weist, die ausgebildet und angeordnet sind, den Aktuator (2) bei Anle gen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht (9) über die erste Elektrodenschicht (El) und die zweite Elektrodenschicht (E2) der art mechanisch zu verformen, dass der Abstand w definiert einstellbar und/oder veränderbar ist, das pyroelektrische Sensorelement (S) eine pyroelektrische Schicht (IS) aufweist und ausgebildet ist, mittels der pyroelektrischen Schicht (13) eine Temperaturänderung zu erfassen, die durch eine Absorption einer zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, die durch das strahlungsdurchlässige Substrat (5) in den Resonanzraum (4) transmit- tiert wird, an der zweiten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge l der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung, dem Abstand w und/oder einer Änderung des Abstands w bewirkt wird. 1. Micromechanical radiation detector comprising a Fabry-Perot interferometer element (1) with at least one actuator (2) and a pyroelectric sensor element (S), wherein the Fabry-Perot interferometer element (1) is formed with a first reflective surface and a second reflective surface optical resonance chamber (4), the first reflection surface being formed on a surface of a substrate (5) which is transparent to radiation for an electromagnetic radiation to be detected and is arranged plane-parallel at a distance w from the second reflection surface, the at least one actuator (2) is formed on the second reflection surface of the resonance chamber (4) and has a first electrode layer (El), an active layer (9) and a second electrode layer (E2), which are formed and arranged, the actuator (2) when applying a gene electrical voltage to the active layer (9) via the first electrode layer (El) and the second electrode layer icht (E2) to be mechanically deformed in such a way that the distance w can be set and / or changed in a defined manner, the pyroelectric sensor element (S) has a pyroelectric layer (IS) and is designed to detect a temperature change by means of the pyroelectric layer (13) which is transmitted by absorption of an electromagnetic radiation to be detected, which is transmitted through the radiation-permeable substrate (5) into the resonance space (4), to the second reflection surface depending on the wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected, the distance w and / or a change in the distance w is effected.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator (2) als ein Biegebalken ausgebildet ist, der mit einer Längsachse parallel zu einer Kante der zweiten Reflexi onsfläche angeordnet ist und/oder mit einer Längsachse parallel zu ei ner Kante und/oder Oberfläche des pyroelektrischen Sensorelementes (3) angeordnet ist. 2. Radiation detector according to claim 1, characterized in that the at least one actuator (2) is designed as a bending beam which is arranged with a longitudinal axis parallel to an edge of the second Reflexi onsfläche and / or with a longitudinal axis parallel to egg ner edge and / or surface of the pyroelectric sensor element (3) is arranged.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (El) und die zweite Elektrodenschicht (E2) des mindestens einen Aktuators (2) unterschiedliche Schichtdicken, Zu sammensetzungen und/oder mechanische Eigenschaften aufweisen. 3. Radiation detector according to claim 2, characterized in that the first electrode layer (El) and the second electrode layer (E2) of the at least one actuator (2) have different layer thicknesses, compositions and / or mechanical properties.
4. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Biegebalken mit der aktiven Schicht (9) gebildet ist, deren Zusammensetzung und/oder mechanische Eigenschaften sich in Richtung der optischen Achse des Resonanzraums (4) oder der Längsachse des Biegebalkens kontinuierlich oder schrittweise derart ändern, dass sich die aktive Schicht (9) und somit der mindestens eine Aktuator (2) bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht (9) in Richtung der optischen Achse des Resonanzraums (4) verformt. 4. Radiation detector according to one of claims 2 or 3, characterized in that the bending beam is formed with the active layer (9) whose composition and / or mechanical properties are in the direction of the optical axis of the resonance chamber (4) or the longitudinal axis of the Bending beam change continuously or step by step in such a way that the active layer (9) and thus the at least one actuator (2) deform when an electrical voltage is applied to the active layer (9) in the direction of the optical axis of the resonance chamber (4).
5. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator (2) als piezoelektrischer, flexoelektrischer und/oder elektrostriktiver Aktuator (2) ausgebildet ist, wobei die aktive Schicht (9) mit oder aus einem pie zoelektrischen, flexoelektrischen und/oder elektrostriktiven Werkstoff gebildet ist. 5. Radiation detector according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one actuator (2) is designed as a piezoelectric, flexoelectric and / or electrostrictive actuator (2), the active layer (9) with or from a piezoelectric, flexoelectric and / or electrostrictive material is formed.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (9) des mindestens einen Aktuators (2) und/oder die pyroelektrische Schicht (13) des pyroelektrischen Sensorelementes (3) mit oder aus einem pyroelektrischen und/oder ferroelektrischen Werkstoff, insbesondere mit oder aus einem dotierten Hafniumoxid o- der einem Hafnium-Mischoxid, ausgebildet ist/sind. Radiation detector according to claim 5, characterized in that the active layer (9) of the at least one actuator (2) and / or the pyroelectric layer (13) of the pyroelectric sensor element (3) with or made of a pyroelectric and / or ferroelectric material, in particular with or is / are formed from a doped hafnium oxide or a hafnium mixed oxide.
7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor eine aktive Schicht aufweist, die mit oder aus einem pyroelektrischen und/oder ferroelektrischen Werkstoff in einer Ebene parallel zur zweiten Reflexionsfläche ausgebildet ist und vertikal zur zweiten Reflexionsfläche derart strukturiert und/oder räumlich separiert ist, dass mit der aktiven Schicht (9) des Strahlungs detektors die aktive Schicht (9) des mindestens einen Aktuators (2) und eine davon elektrisch isolierte pyroelektrische Schicht (13) des py roelektrische Sensorelement (3) ausgebildet sind. 7. Radiation detector according to claim 5 or 6, characterized in that the radiation detector has an active layer which is formed with or from a pyroelectric and / or ferroelectric material in a plane parallel to the second reflective surface and is so structured and / or vertical to the second reflective surface It is spatially separated that the active layer (9) of the at least one actuator (2) and a pyroelectric layer (13) of the pyroelectric sensor element (3) electrically isolated therefrom are formed with the active layer (9) of the radiation detector.
8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor eine Kontrolleinheit auf weist, die ausgebildet ist, die aktive Schicht (9) des mindestens einen Aktuators (2) und/oder die pyroelektrische Schicht (13) des pyro elektrischen Sensorelementes (3) zu konditionieren und/oder zu re- konditionieren, den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht (3) des mindestens einen Aktuators (2) zu erhöhen und/oder den pyroelektri schen Effekt der pyroelektrischen Schicht (13) des pyroelektrischen Sensorelementes (3) zu erhöhen. 8. Radiation detector according to one of claims 5 to 7, characterized in that the radiation detector has a control unit which is designed to include the active layer (9) of the at least one actuator (2) and / or the pyroelectric layer (13) of the To condition and / or recondition pyroelectric sensor element (3), to increase the piezoelectric effect of the active layer (3) of the at least one actuator (2) and / or to increase the pyroelectric effect of the pyroelectric layer (13) of the pyroelectric sensor element (3) increase.
9. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ausgebildet ist, den Ab stand w in einem Durchstimmbereich Aw kontinuierlich zu verändern. 9. Radiation detector according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator is designed to continuously change the stand w in a tuning range Aw.
10. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) wellenlängenselektiv ausgebildet ist oder einen wellenlängenselektiven optische Schicht (12) aufweist, so dass eine elektromagnetische Strahlung mit einer de finierten Wellenlänge l oder einem definierten schmalbandigen Wel lenlängenbereich in den Resonanzraum (4) transmittiert wird. 10. Radiation detector according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate (5) is designed to be wavelength-selective or has a wavelength-selective optical layer (12), so that electromagnetic radiation with a defined wavelength l or a defined narrowband wavelength range in the Resonance chamber (4) is transmitted.
11. Detektorarray aufweisend eine Anordnung an mikromechanischen Strahlungsdetektoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10. 11. Detector array having an arrangement of micromechanical radiation detectors according to one of claims 1 to 10.
12. Verfahren zur Strahlungsmessung, bei dem eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung durch ein für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung strahlungsdurchlässi ges Substrat (5) in einen mit einer ersten Reflexionsfläche und einer zweiten Reflexionsfläche gebildeten Resonanzraum (4) eines Fabry- Perot-Interferometerelementes (1) transmittiert wird, wobei die erste Reflexionsfläche mit einer Oberfläche des strahlungsdurchlässigen Substrates (5) in einem Abstand w zu der zweiten Reflexionsfläche ge bildet ist, der Abstand w zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes (4) mittels mindestens eines Ak tuators (2) definiert eingestellt und/oder verändert wird, wobei der Aktuator (2) an der zweiten Reflexionsfläche des Resonanzraumes (4) ausgebildet ist und eine erste Elektrodenschicht (El), eine aktive Schicht (9) und eine zweite Elektrodenschicht (E2) aufweist, die ausge bildet sind, den Aktuator (2) bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die aktive Schicht (9) derart mechanisch zu verformen, dass der Ab stand w definiert einstellbar und/oder veränderbar ist, mittels eines pyroelektrischen Sensorelementes (S) eine Tempera turänderung erfasst wird, die durch eine Absorption der zu detektie- renden elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Resonanzfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge l der elektromagnetischen Strah lung, dem Abstand w und/oder einer Änderung des Abstands w be wirkt wird, wobei das pyroelektrische Sensorelement (S) eine pyro elektrische Schicht (IS) aufweist und ausgebildet ist, die Tempera turänderung mittels der pyroelektrischen Schicht (13) zu erfassen, und aus der Temperaturänderung, dem Abstand w und/oder der Änderung des Abstands w die Intensität und/oder Wellenlänge l der zu detektie- renden elektromagnetischen Strahlung ermittelt wird/werden. 12. Radiation measurement method in which An electromagnetic radiation to be detected is transmitted through a substrate (5) that is radungsransparent for the electromagnetic radiation to be detected into a resonance space (4) of a Fabry-Perot interferometer element (1) formed with a first reflective surface and a second reflective surface, the first reflective surface with a surface of the radiation-permeable substrate (5) at a distance w from the second reflective surface is formed, the distance w between the first reflective surface and the second reflective surface of the resonance chamber (4) is set and / or defined by means of at least one actuator (2) is changed, wherein the actuator (2) is formed on the second reflection surface of the resonance chamber (4) and has a first electrode layer (El), an active layer (9) and a second electrode layer (E2), which are formed out, the actuator (2) derar when an electrical voltage is applied to the active layer (9) t mechanically deform so that the distance w can be set and / or changed in a defined manner, a temperature change is detected by means of a pyroelectric sensor element (S) which is caused by absorption of the electromagnetic radiation to be detected on the second resonance surface as a function of the Wavelength l of the electromagnetic radiation, the distance w and / or a change in the distance w be acts, wherein the pyroelectric sensor element (S) has a pyroelectric layer (IS) and is formed, the temperature change by means of the pyroelectric layer (13 ), and from the temperature change, the distance w and / or the change in the distance w, the intensity and / or wavelength l of the electromagnetic radiation to be detected is / are determined.
PCT/EP2021/061633 2020-05-04 2021-05-04 Micromechanical radiation detector, micromechanical spectrometer and method for measuring radiation WO2021224213A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020205599.8A DE102020205599A1 (en) 2020-05-04 2020-05-04 Micromechanical radiation detector, micromechanical spectrometer and method for radiation measurement
DE102020205599.8 2020-05-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021224213A1 true WO2021224213A1 (en) 2021-11-11

Family

ID=75888004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/061633 WO2021224213A1 (en) 2020-05-04 2021-05-04 Micromechanical radiation detector, micromechanical spectrometer and method for measuring radiation

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020205599A1 (en)
WO (1) WO2021224213A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116295908A (en) * 2023-05-17 2023-06-23 之江实验室 High temperature sensor based on hollow coaxial cable

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080035846A1 (en) * 2006-05-23 2008-02-14 Joseph Talghader Tunable finesse infrared cavity thermal detectors
US20170138790A1 (en) * 2014-06-27 2017-05-18 Spectral Engines Oy A method for determining the spectral scale of a spectrometer and apparatus
WO2019043299A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Thermal detector and thermal detector array
DE102018201383A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Sensor arrangement and method for producing a sensor arrangement

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NO336140B1 (en) 2009-09-18 2015-05-26 Sintef Micro optical device actuator
US9372114B2 (en) 2014-08-20 2016-06-21 William N. Carr Spectrophotometer comprising an integrated Fabry-Perot interferometer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080035846A1 (en) * 2006-05-23 2008-02-14 Joseph Talghader Tunable finesse infrared cavity thermal detectors
US20170138790A1 (en) * 2014-06-27 2017-05-18 Spectral Engines Oy A method for determining the spectral scale of a spectrometer and apparatus
WO2019043299A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Thermal detector and thermal detector array
DE102018201383A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Sensor arrangement and method for producing a sensor arrangement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MART CLEMENS: "Piezoelectric Response of Polycrystalline Silicon-Doped Hafnium Oxide Thin Films Determined by Rapid Temperature Cycles", ADVANCED ELECTRONIC MATERIALS, vol. 6, no. 4, 29 January 2020 (2020-01-29), pages 1901015, XP055829134, DOI: 10.1002/aelm.201901015 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116295908A (en) * 2023-05-17 2023-06-23 之江实验室 High temperature sensor based on hollow coaxial cable
CN116295908B (en) * 2023-05-17 2024-01-12 之江实验室 High temperature sensor based on hollow coaxial cable

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020205599A1 (en) 2021-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4027753C2 (en) Capacitive force sensor
WO2010133642A1 (en) Optical filter and method for producing an optical filter
EP3659191B1 (en) Electroforming-free nanoscale vanadium dioxide low-voltage threshold switch device with current-controlled negative differential resistance, relaxation oscillator including the same, and method of manufacturing the same
DE102006039071A1 (en) Making optical filter array with two distributed Bragg reflectors and intervening Fabry Perot filter elements, employs nano-imprint procedure to form differentiated filter cavities
WO2008017490A2 (en) Optical filter and method for the production of the same, and device for the examination of electromagnetic radiation
DE102009046831A1 (en) A radiation generating device for generating an electromagnetic radiation with an adjustable spectral composition and method for producing the same
WO1995002904A1 (en) Pyrodetector element with an epitaxially grown pyroelectric layer and process for producing the same
EP3417478B1 (en) System and method for monitoring atomic absorption during a surface modification process
WO2021224213A1 (en) Micromechanical radiation detector, micromechanical spectrometer and method for measuring radiation
EP3850318B1 (en) Modulation of the emission intensity of an ir emitter by variation of the emitting surface
EP3204739B1 (en) Apparatus for spectrometrically capturing light with a photodiode which is monolithically integrated in the layer structure of a wavelength-selective filter
DE102014213390A1 (en) Device and method for producing a device with microstructures or nanostructures
CN110914654A (en) Spectral filter with controllable spectral bandwidth and resolution
EP2847557B1 (en) Micro-optical filter and the use thereof in a spectrometer
EP2591322B1 (en) Tunable fabry-perot filter and method for producing same
DE102009017845A1 (en) Infrared light sensor with high signal voltage and high signal-to-noise ratio, as well as infrared light detector with the infrared light sensor
DE102018118079A1 (en) SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE, OPERATING PROCEDURES AND SPECTROMETERS
WO2021123205A1 (en) Piezoelectric element and method for producing a piezoelectric element
DE69737278T2 (en) Improvements for thermal imaging systems
EP3919890B1 (en) Photoacoustic spectroscopy of gas mixtures by means of tunable fabry-pérot interferometer
DE102018128983B4 (en) Method for determining temperature and associated spectral reflection measuring system
DE102005042952B3 (en) Microresonator for producing clocked frequency for optical computer, has transmission lines formed within stop-band by anisotropy, where lines are spectrally spaced in such manner that its modulation frequency is in terahertz range
DE102016207551A1 (en) Integrated thermoelectric structure, method of making an integrated thermoelectric structure, method of operating the same as a detector, thermoelectric generator, and thermoelectric Peltier element
DE4119461C2 (en)
WO2005100964A1 (en) Sensor array and method for measuring dew points based on miniature peltier elements

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21724594

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21724594

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1