DE10004216C2 - Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung und Verwendung der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung und Verwendung der VorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von
Wärmestrahlung mit mindestens einem thermischen Detektorele
ment zur Umwandlung der Wärmestrahlung in ein elektrisches
Signal, mindestens einem Trägerkörper des Detektorelements,
der ein halbleitendes Material aufweist, und einem im Träger
körper angeordneten Detektionsfenster mit einer bestimmten
Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detek
torelements mit der Wärmestrahlung. Neben der Vorrichtung
wird eine Verwendung der Vorrichtung zur Detektion von Wär
mestrahlung angegeben. Das Detektionsfenster weist das halb
leitende Material auf. Die Transmission des Detektions
fensters ist im Wesentlichen durch das halbleitende Material
bestimmt. Zwischen dem Trägerkörper und dem Detektorelement
ist eine zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements
hinweigreichende, für die Wärmestrahlung transparente, ther
mische Isolationsschicht zum thermischen Entkoppeln des Trä
gerkörpers und des Detektorelements angeordnet. Neben der
Vorrichtung wird ein Verfahren zur Detektion von Wärmestrah
lung unter Verwendung der Vorrichtung angegeben.
Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus US 4 593 456 be
kannt. Eine derartige Vorrichtung wird als Pyrodetektor be
zeichnet. Das thermische Detektorelement ist ein pyroelektri
sches Detektorelement. Das Detektorelement ist mit einem Sub
strat aus Silizium verbunden. Durch das Substrat hindurch ge
langt die Wärmestrahlung zum Detektorelement. Das Substrat
fungiert als Detektionsfenster mit der bestimmten Transmissi
on für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detektorelements
mit der Wärmestrahlung. Zwischen dem Substrat und dem Detek
torelement befindet sich eine Isolationsschicht zum thermi
schen Entkoppeln des Trägerkörpers und des Detektorelements.
Diese Schicht ist ein Hohlraum zwischen dem Trägerkörper und
dem Detektorelement.
Eine dazu alternative Vorrichtung geht beispielsweise aus DE 195 25 071 A1
hervor. Das Detektorelement ist auf einer Sili
ziumschicht aufgebracht. Die Siliziumschicht befindet sich
auf einer elektrisch isolierenden Membranschicht. Die Memb
ranschicht ist beispielsweise eine Si3N4/SiO2/Si3N4-Drei
fach-Schicht. Diese Membranschicht ist wiederum auf einem
Trägerkörper (Substrat) angebracht, der aus Silizium besteht.
Das Detektorelement weist einen Schichtaufbau auf mit zwei
Elektroden aus Platin und einer zwischen den Elektroden an
geordneten pyroelektrischen Schicht aus pyroelektrisch sen
sitivem Material. Das Detektorelement ist über eine der E
lektroden auf der Siliziumschicht aufgebracht. Der Trägerkör
per weist ein Detektionsfenster auf mit einer Grundfläche,
die im wesentlichen einer Grundfläche des pyroelektrischen
Detektorelements entspricht. Das Detektionsfenster ist ein
Ausschnitt des Trägerkörpers. Dabei ist Material des Träger
körpers bis zur Membranschicht hin entfernt. Da dieser Aus
schnitt frei ist, hängt die Transmission des Detektions
fensters im wesentlichen von einem Gas ab, mit dem der Ausschnitt
gefüllt ist. Durch das Detektionsfenster gelangt die
Wärmestrahlung auf das Detektorelement. Dazu verfügt auch die
Membranschicht über eine geeignete Transmission für die Wärme
strahlung.
Eine weitere Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist
aus DE 196 45 036 A1 bekannt. Dabei ist ein pyroelektrisches
Detektorelement auf einem Trägerkörper aus Silizium aufge
bracht. Zwischen dem Detektorelement und dem Trägerkörper ist
eine Isolationsschicht zur elektrischen und thermischen Iso
lierung des Detektorelements und des Trägerkörpers angeord
net. Die Isolationsschicht verfügt dabei über einen evakuier
ten Hohlraum, der sich über die Grundfläche des Detektorele
ments hinweg erstreckt, eine Stützschicht des Hohlraums und
eine Abdeckung der Stützschicht und des Hohlraums. Die
Stützschicht besteht beispielsweise aus Polysilizium und die
Abdeckung aus Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG). Auf der Abde
ckung ist ein schichtförmiges, pyroelektrisches Detektorele
ment über einer unteren Elektrode des Detektorelements aufge
bracht. Das pyroelektrisch sensitive Material des Detektor
elements ist Bleizirkonattitanat (PZT). Eine Absorption der
Wärmestrahlung erfolgt im wesentlichen durch eine obere,
nicht mit der Abdeckung in Berührung stehende CrNi-Elektrode.
Bei dieser Vorrichtung erfolgt die Bestrahlung des Detektor
elements von einer vom Trägerkörper wegweisenden Seite
des Detektorelements aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen im Vergleich zum aufge
zeigten Stand der Technik kompakteren Aufbau einer Vorrich
tung zur Detektion von Wärmestrahlung anzugeben.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion
von Wärmestrahlung mit mindestens einem thermischen Detektor
element zur Umwandlung der Wärmestrahlung in ein elektrisches
Signal, mindestens einem Trägerkörper des Detektorelements,
der ein halbleitendes Material aufweist, einem im Trägerkör
per angeordneten Detektionsfenster mit einer bestimmten
Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detek
torelements mit der Wärmestrahlung, wobei das Detektions
fenster das halbleitende Material aufweist und die Transmis
sion des Detektionsfensters im Wesentlichen durch das halb
leitende Material bestimmt ist, und einer zwischen dem Träger
körper und dem Detektorelement angeordneten, zumindest über
eine Grundfläche des Detektorelements hinweg reichenden, für
die Wärmestrahlung transparenten, thermischen Isolations
schicht zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers und des
Detektorelements angegeben. Die Vorrichtung ist dadurch ge
kennzeichnet, dass die Isolationsschicht eine Schichtfolge
mit einem am Trägerkörper angrenzenden, evakuierbaren Hohl
raum, eine am Detektorelement angrenzenden Abdeckung des
Hohlraums aus einem Oxid und einer zwischen dem Hohlraum und
der Abdeckung eingelagerten Stützschicht des Hohlraums aus
Polysilizium aufweist.
Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, den
Trägerkörper bzw. das Substrat selbst als Detektionsfenster
zu benutzen. Die Bestrahlung des Detektorelements erfolgt
durch das Substrat hindurch.
Die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), die mit der Vorrich
tung detektiert werden kann, weist eine Wellenlänge von über
1 µm auf. Vorzugsweise ist die Wärmestrahlung aus einem Be
reich von 5 bis 15 µm ausgewählt.
Das thermische Detektorelement dient einer Umwandlung von
thermischer Energie in Form von Wärmestrahlung in elektrische
Energie. Das thermische Detektorelement basiert beispielswei
se auf dem Seebeck-Effekt oder dem pyroelektrischen Effekt.
Voraussetzung dafür ist eine Absorption der Wärmestrahlung
durch jeweils ein den entsprechenden Effekt auslösendes,
thermisch sensitives Material des Detektorelements. Die Ab
sorption erfolgt direkt durch das thermisch sensitive Materi
al. Denkbar ist aber auch, dass die Wärmestrahlung durch eine
Elektrode des Detektorelements absorbiert wird. Zudem ist es
auch möglich, dass die Wärmestrahlung durch einen Absorpti
onsgegenstand in unmittelbarer Nähe des Detektorelements ab
sorbiert und eine dadurch aufgenommene Wärmemenge durch Kon
vektion oder Wärmeleitung an das thermisch sensitive Material
abgegeben wird. Der Absorptionsgegenstand fungiert als Ener
gietransmitter.
Der Trägerkörper ist insbesondere eine Platte oder Scheibe.
Dabei ist das Detektorelement auf einer Oberfläche der Platte
mittelbar oder unmittelbar angebracht. Beispielsweise ist das
Detektorelement auf der Oberfläche aufgeklebt oder aufgelö
tet. Insbesondere bilden das Detektorelement und der Träger
körper einen monolithischen Verbund. Dabei wird ein mehr
schichtiges Detektorelement beispielsweise mittels Gasphasen
abscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) schichtweise
auf dem Trägerkörper aufgebracht. Der so erhaltene Mehr
schichtkörper wird anschließend zum monolithischen Verbund
gesintert.
Das Detektionsfenster hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass
die Wärmestrahlung zur Absorption auf das Detektorelement
und/oder den Absorptionsgegenstand treffen kann. Vorausset
zung dafür ist, dass das Detektionsfenster in Richtung des
Detektorelements eine bestimmte Transmission für die Wär
mestrahlung aufweist. Die Transmission ist möglichst hoch und
beträgt beispielsweise über 50%, insbesondere aber über 70%
bis nahezu 100%. Das Detektionsfenster ist im Trägerkörper
integriert.
Bei einer Lösung, bei der das Detektorelement von einer dem
Trägerkörper abgewandten Seite her bestrahlt wird, muss auf
dieser Seite für eine entsprechende Möglichkeit der Bestrah
lung des Detektorelements gesorgt werden. Dies gelingt bei
spielsweise mit Hilfe eines in einem Gehäuse integrierten De
tektionsfensters. In dem Gehäuse ist die Vorrichtung zur De
tektion von Wärmestrahlung angeordnet. Ein derartiger Aufbau
ist im Vergleich zur vorliegenden Erfindung komplizierter. Es
muss für eine zusätzliche Komponente, nämlich das "externe",
nicht im Trägerkörper des Detektorelements integrierte De
tektionsfenster gesorgt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das halbleitende Mate
rial aus der Gruppe Germanium und/oder Silizium ausgewählt.
Diese Materialien verfügen über eine ausreichende Transmissi
on für eine Wärmestrahlung einer Wellenlänge von 5 µm bis 15 µm.
Das Detektionsfenster ist direkt aus dem halbleitenden
Material gebildet. Der Trägerkörper fungiert dabei selbst als
Detektionsfenster. Ein Detektionsfenster in Form einer Aus
sparung im Trägerkörper muss nicht erst geschaffen werden.
Dies trägt zu einer erhöhten Stabilität des Trägerkörpers
bei. Der Trägerkörper kann beispielsweise dünner sein als der
der bekannten Vorrichtung. Dadurch ist es möglich, einen im
Vergleich zum bekannten Stand der Technik kompakteren Aufbau
der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung zu erzielen.
Zudem sind beim Herstellen der Vorrichtung Verfahrensschritte
zur Erzeugung der Aussparung nicht nötig. Darüber hinaus gibt
es insbesondere im Fall des Siliziums aus der Mikromechanik
vielfältige, bekannte Strukturierungsmöglichkeiten bzw. Mög
lichkeiten zur Integration einer elektrischen Schaltung. Bei
spielsweise ist im Trägerkörper eine Ausleseeinrichtung inte
griert zum Auslesen, Verarbeiten und/oder Weiterleiten des
vom Detektorelement erzeugten elektrischen Signals. Die Aus
leseeinrichtung ist beispielsweise durch ein aus der CMOS-
Technik (Complementary Metalloxide Semiconductors) bekanntes
Verfahren hergestellt.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das thermische Detekto
relement ein pyroelektrisches Detektorelement. Das pyroelek
trische Detektorelement besteht beispielsweise aus einer py
roelektrischen Schicht mit einem pyroelektrisch sensitiven
Material. Dieses Material ist beispielsweise eine Keramik,
wie Lithiumniobat (LiNbO3) oder Bleizirkonattitanat. Denkbar
ist auch ein ferroelektrisches Polymer wie Polyvinylidenflu
orid (PVDF). Die Schicht mit dem pyroelektrisch sensitiven
Material weist auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils
mindestens eine Elektrodenschicht auf. Als Elektrodenmaterial
der Elektrodenschicht kommt beispielsweise Platin oder eine
Platinlegierung in Frage. Denkbar ist auch eine CrNi-
Elektrode oder eine Elektrode aus einem elektrisch leitenden
Oxid, Strontiumruthenat (SrRuO3). Das Detektorelement ver
fügt beispielsweise über eine rechteckige Grundfläche mit ei
ner Kantenlänge von 25 µm bis 200 µm.
In einer besonderen Ausgestaltung ist zwischen dem Detekto
relement und dem Trägerkörper mindestens eine elektrische
und/oder thermische Isolationsschicht vorhanden. Durch eine
thermische Isolationseigenschaft der Isolationsschicht wird
gewährleistet, dass im wesentlichen nur ein thermischer Ef
fekt im Detektorelement selbst zur Auslösung eines elektri
schen Signals führt. Eine Wärmeleitung des Trägerkörpers zum
Detektorelement ist weitgehend unterbunden. Dazu verfügt die
Isolationsschicht beispielsweise über einen evakuierten Hohl
raum zumindest über die Grundfläche des Detektorelements hin
weg. Der Hohlraum ist durch eine flächige Stützschicht
aus Polysilizium abgestützt. Den Abschluss der Isolati
onsschicht bildet eine Abdeckung der Stützschicht bzw. des
Hohlraums. Die Abdeckung ist aus einem Oxid, beispielsweise
aus einem Bor-Phosphor-Silikat-Glas. Auf der Abdeckung ist
das Detektorelement aufgebracht. Die Isolationsschicht ent
koppelt das Detektorelement und den Trägerkörper thermisch.
Zudem wird mit Hilfe des Hohlraums eine Wärmekapazität des
Detektorelements im Vergleich zu einer Isolationsschicht ohne
Hohlraum verringert. Dadurch erhöht sich eine Temperaturauf
lösung der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung. Die
Isolationsschicht entkoppelt das Detektorelement und den Trä
gerkörper auch elektrisch. Dadurch kann beispielsweise in der
Isolationsschicht eine definierte elektrische Verbindung zwi
schen dem Detektorelement und dem Trägerkörper hergestellt
sein. Diese Verbindung beinhaltet beispielsweise die Auslese
einrichtung des elektrischen Signals. Da die Bestrahlung des
Detektorelements von der Seite des Trägerkörpers her erfolgt,
weist nicht nur der Trägerkörper bzw. das Detektionsfenster
des Trägerkörpers, sondern auch die Isolationsschicht eine
bestimmte Transmission für die Wärmestrahlung auf.
In einer besonderen Ausgestaltung ist mindestens ein Detek
torarray mit mehreren Detektorelementen vorhanden. Ein Detek
torelement ist ein Pixel des Detektorarrays. Das Detektor
array zeichnet sich beispielsweise durch eine spalten- und
zeilenförmige Anordnung der Detektorelemente aus. Denkbar ist
auch eine willkürliche, flächige Verteilung der Detektorele
mente. Vorteilhaft sind die Detektorelemente auf einem einzi
gen Trägerkörper aufgebracht. Denkbar ist auch, dass jedes
Detektorelement des Detektorarrays auf einem eigenen Träger
körper, also vereinzelt vorliegt. Mit Hilfe des Detektor
arrays ist es möglich, eine Ortsauflösung der Wärmestrahlung
zu erzielen. Bei einer zeilenförmigen Anordnung der Detekto
relemente sind die Detektorelemente eindimensional in einer
Richtung verteilt. Bei einer spalten- und zeilenförmigen An
ordnung liegt eine zweidimensionale Verteilung vor. Das De
tektorarray besteht beispielsweise aus 20 × 20 einzelnen De
tektorelementen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens
eine Umhüllung des Detektorelements zum Schutz des Detekto
relements vor einem Umwelteinfluss vorhanden. Bei einem De
tektorarray weist vorteilhaft das gesamte Detektorarray eine
derartige Umhüllung auf. Der Umwelteinfluss ist beispielswei
se Staub, Luftfeuchtigkeit oder eine ätzende Chemikalie, die
das Detektorelement angreifen würde. Durch den Umwelteinfluss
ist eine Funktionsfähigkeit des Detektorelements gefährdet.
Um eine Gefährdung der Funktionsfähigkeit weitgehend auszu
schließen, verfügt die Vorrichtung über die Umhüllung. Die
Umhüllung ist das Detektorelement oder die Detektorelemente
umschließend angeordnet.
In einer besonderen Ausgestaltung sind die Umhüllung und der
Trägerkörper und/oder die Umhüllung und die Isolationsschicht
durch einen Stoffschluss fest miteinander verbunden. Unter
Stoffschluss ist ein mit Hilfe eines Stoffes hergestellter,
formschlüssiger und eventuell fester Kontakt zu verstehen.
Der Stoffschluss verhindert beispielsweise ein Einwirken von
Feuchtigkeit auf das Detektorelement. Zusammen mit der Umhül
lung bewirkt der Stoffschluss einen hermetischen Abschluss
des Detektorelements gegenüber der Umgebung.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist der
Stoffschluss einen Stoff auf, der aus der Gruppe Klebstoff
und/oder Lot ausgewählt ist. Der Klebstoff ist dabei im Hin
blick auf einen Einsatz der Vorrichtung ausgewählt. Bei einem
Einsatz der Vorrichtung in einer Umgebung, die sich durch ei
ne Lösungsmittelatmosphäre auszeichnet, ist der Klebstoff
insbesondere gegenüber einem verwendeten Lösungsmittel inert.
Lot ist dann von Vorteil, wenn die Umhüllung aus einem lötba
ren Material besteht. Wenn das Material eine Keramik ist, ist
das Lot vorzugsweise ein Glaslot. Das Lot kann auch ein Me
tall sein. Vorteilhaft sind Trägerkörper und/oder Isolations
schicht mit der Umhüllung über einen Lötrahmen miteinander
verbunden.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Umhüllung minde
stens eine elektrische Signalleitung zum Weiterleiten des
elektrischen Signals auf. Das elektrische Signal ist entweder
direkt das vom Detektorelement erzeugte elektrische Signal
oder ein elektrisches Signal, das von der Ausleseeinrichtung
erzeugt wird. Die Ausleseeinrichtung verstärkt beispielsweise
das elektrische Signal des Detektorelements. Die Signallei
tung leitet das entsprechende elektrische Signal beispiels
weise an eine Auswerteeinrichtung weiter. Die elektrische Si
gnalleitung ist direkt mit der Ausleseeinrichtung und/oder
dem Detektorelement elektrisch leitend verbunden. Dazu ver
fügt beispielsweise die Umhüllung, die Isolationsschicht
und/oder der Trägerkörper über entsprechende Lötkontakte
(Lötpads). Über die Lötkontakte wird die elektrische Leitung
der Umhüllung mit dem Detektorelement und/oder der Auslese
einrichtung elektrisch kontaktiert. Die Lötkontakte können
dabei dem Stoffschluss dienen.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Umhüllung minde
stens einen keramischen Mehrschichtkörper auf. In dem kerami
schen Mehrschichtkörper kann die elektrische Signalleitung
auf einfache Weise integriert sein. Zudem kann sehr leicht
ein elektrischer Kontakt nach außen hin, beispielsweise zur
Ausleseeinrichtung oder zur Auswerteeinrichtung, erzeugt
sein.
Insbesondere ist der keramische Mehrschichtkörper mit LTCC-
Technik (Low Temperature Cofired Ceramics) zur Integration
eines elektrischen Bauelements aufgebaut. Die LTCC-Technik
ermöglicht es, ein niedrigohmiges Leitermaterial wie Kupfer
oder Silber einem keramischen Sinterprozess in Gegenwart von
Sauerstoff zu unterziehen. Dabei wird niedrig sinternde Glas
keramik verwendet mit einer Sintertemperatur beispielsweise
unter 950°C. Die Glaskeramik weist neben einer Keramik eine
Glaskomponente auf. Die Glaskomponente ist beispielsweise A
luminiumoxid, Boroxid oder ein anderes Erdalkalioxid. Mit
Hilfe der LTCC-Technik kann eine beliebige Leiterstruktur,
bestehend aus elektrischen Leiterbahnen und elektrischen
Durchkontaktierungen durch die Schichten des Mehrschichtkör
pers erzeugt sein. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass der
Trägerkörper bzw. die Isolationsschicht des Trägerkörpers
(beispielsweise aus einem Oxid) und der keramische Mehr
schichtkörper leicht mit Hilfe von Glaslot zusammengelötet
werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die zuvor be
schriebene Vorrichtung bei einem Verfahren zur Detektion von
Wärmestrahlung verwendet, wobei die Wärmestrahlung auf das
Detektionsfenster mit dem halbleitenden Material des Träger
körpers trifft, von dem Detektionsfenster transmittiert wird,
zum thermischen Detektorelement gelangt und im Detektorele
ment in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Gemäß der
Verwendung erfolgt somit eine Bestrahlung des Detektorele
ments durch den Trägerkörper hindurch. Der Trägerkörper fun
giert selbst als Detektionsfenster für die Wärmestrahlung.
Verfügt die Vorrichtung über ein Detektorarray, kann die De
tektion der Wärmestrahlung ortsaufgelöst erfolgen. Eine Ort
sauflösung ist beispielsweise für einen Anwesenheitssensor
vorteilhaft, mit dessen Hilfe eine Anwesenheit einer Person
beispielsweise in einem Raum festgestellt werden soll.
Zusammengefasst ergeben sich mit der Erfindung folgende Vor
teile:
- - Durch die Verwendung des Trägerkörpers bzw. des Sub strats selbst als Detektionsfenster resultiert ein kom pakter und einfacher Aufbau der Vorrichtung zur Detekti on von Wärmestrahlung.
- - Die dem Detektorelement zugekehrte Seite des Trägerkör pers bzw. der Isolationsschicht ist frei verfügbar und kann beispielsweise zum Herstellen einer elektrischen Schaltung zum Auslesen und/oder Verarbeiten der durch Wärmestrahlung erzeugten elektrischen Signale verwendet werden.
- - Durch die Umhüllung des Detektorelements und/oder des Detektorarrays, die auf der dem Detektorelement bzw. dem Detektorarray zugekehrten Seite des Trägerkörpers bzw. der Isolationsschicht angebracht ist, ist ein hermeti scher Abschluss und damit eine Funktionssicherheit des Detektorelements bzw. des Detektorarrays sichergestellt.
- - Durch eine Umhüllung in Form eines keramischen Mehr schichtkörpers in LTCC-Technik werden elektrische Schal tungen mit geringem Platzbedarf bereitgestellt, die zum Weiterverarbeiten der elektrischen Signale des Detekto relements bzw. des Detektorarrays benötigt werden.
- - Es resultiert eine kostengünstige Gehäusetechnik für ei ne integrierte Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrah lung und einem Detektorelement und/oder einem Detektor array.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figu
ren wird im Folgenden eine Vorrichtung zur Detektion von Wär
mestrahlung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und
stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Detek
tion von Wärmestrahlung mit einem Detektorelement.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Detek
tion von Wärmestrahlung mit einem Detektorarry.
Die Vorrichtung 1 zur Detektion von Wärmestrahlung 3 weist
ein Detektorarray 9 aus fünf zeilenförmig angeordneten pyro
elektrischen Detektorelementen 2 (Fig. 2) auf. Ein Detekto
relement 2 besteht aus einer pyroelektrischen Schicht 15 aus
Bleizirkonattitanat (Fig. 1). An den gegenüberliegenden Sei
ten dieser Schicht 15 ist jeweils eine Elektrode 16 und 17
angebracht. Die Elektroden 16 und 17 bestehen aus Platin. Das
Detektorelement 2 ist rechteckig mit einer Kantenlänge von 50 µm.
Das Detektorelement 2 ist auf einem Trägerkörper 5 aus
dem halbleitenden Material Silizium 6 angeordnet. Zwischen
dem Trägerkörper 5 und dem Detektorelement 2 ist eine elek
trische und thermische Isolationsschicht 8 vorhanden. Die
Isolationsschicht 8 verfügt über einen schichtartigen Aufbau.
Zur thermischen Isolierung von Trägerkörper 5 und Detekto
relement 2 ist in der Isolationsschicht 8 an den Trägerkörper
5 angrenzend ein Hohlraum 18 vorhanden. Der Hohlraum 18 ist
evakuiert und erstreckt sich über die Grundfläche des Detek
torelements 2 hinaus. Zudem verfügt die Isolationsschicht 8
über eine Stützschicht 19 aus Polysilizium zur Abstützung des
Hohlraums 18. Den Abschluss der Isolationsschicht 8 bezie
hungsweise die Abdeckung des Hohlraums 18 und der Stütz
schicht 19 bildet eine Schicht 20 aus Bor-Phosphor-Silikat-
Glas.
Die Bestrahlung des Detektorelements 2 durch die Wärmestrah
lung erfolgt von der Seite des Trägerkörpers 5 her. Dazu ver
fügt der Trägerkörper 5 über ein Detektionsfenster 7. Im Aus
führungsbeispiel ist der Trägerkörper 5 selbst das Detekti
onsfenster 7 bzw. ein Teil des Trägerkörpers 5 bildet das De
tektionsfenster 7. Das Detektionsfenster 7 besteht wie der
Trägerkörper 5 aus Silizium 6 mit einer für die Detektion der
Wärmestrahlung 3 ausreichenden Transmission.
In der Isolationsschicht 8 und im Trägerkörper 5 ist eine
Ausleseeinrichtung 21 für jedes der Detektorelemente 2 inte
griert. Die Ausleseeinrichtungen 21 verstärken die durch die
Detektorelemente 2 erzeugten elektrischen Signale 4.
Das Detektorarray 9 verfügt über eine Umhüllung 10 in Form
eines keramischen Mehrschichtkörpers. Der keramische Mehr
schichtkörper ist mit Hilfe der LTCC-Technik aufgebaut. Er
schirmt die Detektorelemente 2 des Detektorarrays 9 gegenüber
einem Umwelteinfluss 11 ab. Dazu ist die Umhüllung 10 mit
Hilfe eines Lötrahmens 13 an die Isolationsschicht 8 angelö
tet. Der Lötrahmen 13 stellt den Stoffschluss zwischen der
Isolationsschicht 8 und der Umhüllung 10 her.
Der Mehrschichtkörper 10 verfügt über elektrische Signallei
tungen 14 und elektrische Kontakte 22 zum Weiterleiten der
von den Detektorelementen 2 erzeugten elektrischen Signale
nach außen. Dazu sind die Signalleitungen 14 mit den Auslese
einrichtungen 21 über die elektrischen Kontakte (Lötpads) 22
kontaktiert. Die Signalleitungen stehen zudem mit weiteren
elektrischen Kontakten 23 in Verbindung, an denen die weiter
geleiteten Signale abgegriffen werden können.
Die Bestrahlung der Detektorelemente 2 des Detektorarrays 9
erfolgt durch den Trägerkörper 5 hindurch. Dabei trifft die
Wärmestrahlung 3 auf das Detektionsfenster 7 aus Silizium 6.
Dort wird die Wärmestrahlung 3 transmittiert und gelangt
(nach Transmission durch die Isolationsschicht) zum Detekto
relement 2. Im Detektorelement 2 wird die Wärmestrahlung 3 in
ein elektrisches Signal 4 umgewandelt. Mit Hilfe des Detek
torarrays 9 erfolgt die Detektion der Wärmestrahlung 3 orts
aufgelöst. In dem Ausführungsbeispiel verfügen die Detekto
relemente 2 des Detektorarrays 9 über ein gemeinsames Detek
tionsfenster 7, wobei jedes Detektionselement 2 nur einen
Teil des Detektionsfensters 7 nutzt.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung (3) mit
mindestens einem thermischen Detektorelement (2) zur Um wandlung der Wärmestrahlung (3) in ein elektrisches Sig nal (4),
mindestens einem Trägerkörper (5) des Detektorelements (2), der ein halbleitendes Material (6) aufweist,
einem im Trägerkörper (5) angeordneten Detektionsfenster (7) mit einer bestimmten Transmission für die Wärme strahlung zum Bestrahlen des Detektorelements (2) mit der Wärmestrahlung (3), wobei das Detektionsfenster (7) das halbleitende Material (6) aufweist und die Transmis sion des Detektionsfensters (7) im wesentlichen durch das halbleitende Material (6) bestimmt ist, und
einer zwischen dem Trägerkörper (5) und dem Detektorele ment (2) angeordneten, zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg reichenden, für die Wärme strahlung transparenten, thermischen Isolationsschicht (8) zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers (5) und des Detektorelements (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolationsschicht (8) eine Schichtfolge mit einem am Trägerkörper(5) angrenzenden, evakuierbaren Hohlraum (18), einer am Detektorelement (2) angrenzenden Abde ckung (20) des Hohlraums (18) aus einem Oxid und einer zwischen dem Hohlraum (18) und der Abdeckung (20) einge lagerten Stützschicht (19) des Hohlraums (18) aus Poly silizium aufweist.
mindestens einem thermischen Detektorelement (2) zur Um wandlung der Wärmestrahlung (3) in ein elektrisches Sig nal (4),
mindestens einem Trägerkörper (5) des Detektorelements (2), der ein halbleitendes Material (6) aufweist,
einem im Trägerkörper (5) angeordneten Detektionsfenster (7) mit einer bestimmten Transmission für die Wärme strahlung zum Bestrahlen des Detektorelements (2) mit der Wärmestrahlung (3), wobei das Detektionsfenster (7) das halbleitende Material (6) aufweist und die Transmis sion des Detektionsfensters (7) im wesentlichen durch das halbleitende Material (6) bestimmt ist, und
einer zwischen dem Trägerkörper (5) und dem Detektorele ment (2) angeordneten, zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg reichenden, für die Wärme strahlung transparenten, thermischen Isolationsschicht (8) zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers (5) und des Detektorelements (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolationsschicht (8) eine Schichtfolge mit einem am Trägerkörper(5) angrenzenden, evakuierbaren Hohlraum (18), einer am Detektorelement (2) angrenzenden Abde ckung (20) des Hohlraums (18) aus einem Oxid und einer zwischen dem Hohlraum (18) und der Abdeckung (20) einge lagerten Stützschicht (19) des Hohlraums (18) aus Poly silizium aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das halbleitende Ma
terial (6) aus der Gruppe Germanium und/oder Silizium
ausgewählt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das thermische
Detektorelement (2) ein pyroelektrisches Detektorelement
ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei min
destens ein Detektorarray (9) mit mehreren Detektorele
menten (2) vorhanden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei min
destens eine Umhüllung (10) des Detektorelements (2) zum
Schutz des Detektorelements (2) vor einem Umwelteinfluss
(11) vorhanden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Umhüllung (10)
und der Trägerkörper (5) und/oder die Umhüllung (10) und
die Isolationsschicht (8) durch einen Stoffschluss fest
miteinander verbunden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Stoffschluss ei
nen Stoff (13) aufweist, der aus der Gruppe Klebstoff
und/oder Lot ausgewählt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die
Umhüllung (10) mindestens eine elektrische Signalleitung
(14) zum Weiterleiten des elektrischen Signals (4) auf
weist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die
Umhüllung (10) mindestens einen keramischen Mehrschicht
körper aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der keramische Mehr
schichtkörper Glaskeramik aufweist.
11. Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung (3) unter
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 10, wobei die Wärmestrahlung 3
- a) auf das Detektionsfenster (7) mit dem halbleitenden Ma terial (6) des Trägerkörpers (5) trifft,
- b) von dem Detektionsfenster (7) transmittiert wird,
- c) zum thermischen Detektorelement (2) gelangt und
- d) im Detektorelement (2) in ein elektrisches Signal (4) umgewandelt wird.
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DE10004216A DE10004216C2 (de) | 2000-02-01 | 2000-02-01 | Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung und Verwendung der Vorrichtung |
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- 2000-02-01 DE DE10004216A patent/DE10004216C2/de not_active Expired - Fee Related
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