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DE102008021297B4 - Pyroelectric infrared sensor with very low microphony - Google Patents

Pyroelectric infrared sensor with very low microphony Download PDF

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DE102008021297B4
DE102008021297B4 DE200810021297 DE102008021297A DE102008021297B4 DE 102008021297 B4 DE102008021297 B4 DE 102008021297B4 DE 200810021297 DE200810021297 DE 200810021297 DE 102008021297 A DE102008021297 A DE 102008021297A DE 102008021297 B4 DE102008021297 B4 DE 102008021297B4
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infrared sensor
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Volkmar Dr.-Ing. Norkus
Gerald Prof. Dr. Gerlach
Günter Prof. Dr. Hofmann
Reinhard Dr.-Ing. Köhler
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Dias Infraed 01217 Dresden De GmbH
Technische Universitaet Dresden
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DIAS INFRAED GmbH
Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Pyroelektrischer Infarotsensor mit sehr geringer Mikrofonie und hohem Signal-Rausch-Abstand, bestehend aus einem pyroelektrischen Chip (1) und einer ersten rauscharmen Signalverarbeitungseinheit, die in einem Sensorgehäuse mit einem infrarotdurchlässigen Fenster untergebracht sind, wobei der pyroelektrische Chip (1) aus einem Pyroelektrikum besteht, das auf einer Seite eine Frontelektrode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite eine Rückelektrode (3) besitzt, die sich zum Teil überlappen und ein strahlungsempfindliches Element (4) bilden, das kleiner als der pyroelektrische Chip (1) ist, gekennzeichnet dadurch, dass das empfindliche Element (4) eine Dicke unter 10 μm hat und fast vollständig durch einen Spalt (5) von dem ihm umgebenden Pyroelektrikum getrennt ist, das eine Dicke von typisch ≥ 20 μm hat und einen Rahmen (6) bildet, der nur durch einen schmalen Steg (7) mit dem empfindlichen Element (4) verbunden ist, der eine Breite von ≤ einem Viertel des Umfanges des empfindlichen Elementes (4) besitzt und eine Dicke von ≤ 10...Pyroelectric Infarotsensor with very low microphony and high signal-to-noise ratio, consisting of a pyroelectric chip (1) and a first low-noise signal processing unit, which are housed in a sensor housing with an infrared transparent window, wherein the pyroelectric chip (1) consists of a pyroelectric having on one side a front electrode (2) and on the opposite side a back electrode (3) which partially overlap and form a radiation sensitive element (4) smaller than the pyroelectric chip (1), characterized by the sensitive element (4) has a thickness of less than 10 μm and is separated almost completely by a gap (5) from the surrounding pyroelectrical material, which has a thickness of typically ≥ 20 μm and forms a frame (6) which passes through only a narrow web (7) with the sensitive element (4) is connected, which has a width of ≤ one quarter of the circumference of the rec indium element (4) and has a thickness of ≤ 10 ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Infrarotsensor mit sehr geringer Mikrofonie bei gleichzeitig sehr hohem Signal-Rausch-Abstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a pyroelectric infrared sensor with very Low microphony with a very high signal-to-noise ratio after the preamble of claim 1.

Der pyroelektrische Infrarotsensor wandelt absorbierte Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal um. Mit diesem Sensor ist es möglich die Lage, Größe, Temperatur, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit und Wellenlänge von Infrarotquellen zu detektieren. Der technisch interessante Wellenlängenbereich liegt zwischen 0,8 μm–25 μm.Of the pyroelectric infrared sensor converts absorbed infrared radiation into an electrical signal. With this sensor it is possible the Location, size, temperature, Direction of movement, speed and wavelength of infrared sources detect. The technically interesting wavelength range lies between 0.8 μm-25 μm.

Der pyroelektrische Einelementsensor ist im Wesentlichen aus dem empfindlichen Element und einem Vorverstärker aufgebaut. Das empfindliche Element besteht aus pyroelektrischem Material, welches mit Elektroden auf der Ober- und Unterseite versehen ist. Trifft Infrarotstrahlung auf das empfindliche Element, wird diese absorbiert. Im pyroelektrischen Material entsteht eine Temperaturänderung, die zu einer Änderung der Polarisation und damit zu Ladungen auf den Elektroden führt.Of the The pyroelectric single element sensor is essentially made of the sensitive one Element and a preamplifier built up. The sensitive element consists of pyroelectric Material which is provided with electrodes on the top and bottom is. If infrared radiation hits the sensitive element, it will this absorbs. In the pyroelectric material, a temperature change, the change the polarization and thus leads to charges on the electrodes.

Bedingt durch den piezoelektrischen Effekt sind alle pyroelektrischen Strahlungssensoren beschleunigungsempfindlich. Durch Beschleunigung oder externe mechanische Anregung des Infrarotsensors entstehen im pyroelektrischen Element Zug-, Druck- und Biegespannungen. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes entstehen durch diese mechanischen Belastungen Ladungen auf den Elektroden. Diese Störsignale verfälschen besonders die Messergebnisse beim Nachweis von geringer Infrarotstrahlung. Das Verhalten wird als Beschleunigungsempfindlichkeit oder Mikrofonie bezeichnet. Die Wirkung des Einflusses externer mechanischer Anregungen auf das empfindliche Element und somit auf die Beschleunigungsempfindlichkeit ist in erster Linie von seiner mechanischen Ankopplung an die Umgebung und seiner möglichst spannungsfreien Halterung abhängig.conditioned by the piezoelectric effect are all pyroelectric radiation sensors acceleration sensitive. By acceleration or external mechanical Excitation of the infrared sensor arise in the pyroelectric element tensile, Pressure and bending stresses. Due to the piezoelectric effect caused by these mechanical loads on the charges Electrodes. These interfering signals distort especially the measurement results in the detection of low infrared radiation. The behavior is called acceleration sensitivity or microphony designated. The effect of the influence of external mechanical stimuli on the sensitive element and thus on the acceleration sensitivity is primarily due to its mechanical coupling to the environment and his possible tension-free mounting dependent.

Andererseits erfordert ein sehr hoher Signal-Rausch-Abstand des Sensors eine möglichst geringe Dicke (wenige Mikrometer) des empfindlichen Elementes bei gleichzeitig hoher thermischer Isolation zu seiner Umgebung.on the other hand requires a very high signal-to-noise ratio of the sensor preferably small thickness (a few micrometers) of the sensitive element at the same time high thermal insulation to its environment.

Durch eine dämpfende und spannungsfreie Halterung oder die Verwendung eines Kompensationselementes kann die Mikrofonie von pyroelektrischen Sensoren verringert werden.By a steaming and stress-free mounting or the use of a compensation element The microphony of pyroelectric sensors can be reduced.

Kommerziell werden in pyroelektrischen Sensoren vorwiegend empfindliche Elemente auf der Basis der Pyroelektrika Lithiumtantalat, Bleizirkonattitanat und Triglyzinsulfat eingesetzt. Die Dicke der empfindlichen Elemente liegt typisch zwischen 20 und 50 μm.Commercially become predominantly sensitive elements in pyroelectric sensors based on the pyroelectrics lithium tantalate, lead zirconate titanate and triglycine sulfate used. The thickness of the sensitive elements is typically between 20 and 50 microns.

Für die Realisierung von Sensoren mit einem weit höheren Signal-Rausch-Abstand werden insbesondere bei Sensoren auf der Basis von Lithiumtantalat Dicken des empfindlichen Elementes um 5 μm realisiert. Hierzu werden spezielle Ionenätzverfahren eingesetzt. Die bisherigen Lösungen zur Anordnung und Montage des empfindlichen Elementes im pyroelektrischen Sensor sichern einen hohen Signal-Rausch-Abstand, jedoch ist die Beschleunigungsempfindlichkeit der Sensoren für verschiedene Applikationen aufgrund der geringen Dicke des empfindlichen Elementes noch zu groß.For the realization from sensors with a far higher Signal-to-noise ratio is especially based on sensors of lithium tantalate thickness of the sensitive element realized by 5 microns. For this special ion etching processes are used. The previous solutions for the arrangement and mounting of the sensitive element in the pyroelectric Sensor ensure a high signal-to-noise ratio, but that is Acceleration sensitivity of the sensors for different applications due to the small thickness of the sensitive element still too large.

In der Patentschrift DE 10 2005 001 966 A1 wird die Befestigung eines pyroelektrischen Chips mittels einer zentrischen und zusätzlich einer geraden Anzahl, symmetrisch um das Zentrum angeordneter, äußerer Stützstellen befestigt. Die Kontaktierung der Elektroden erfolgt auf der empfindlichen Fläche und erzeugt damit eine Abschattung der Strahlung. Des Weiteren wird durch die Stützstellen eine schlechte thermische Isolierung erreicht, die insbesondere bei sehr dünnen empfindlichen Elementen zu einer Reduzierung des Signal-Rausch-Abstandes führt. Die geringe mechanische Stabilität des sehr dünnen Elementes ist besonders im Montage- und Kontaktierungsprozess problematisch.In the patent DE 10 2005 001 966 A1 the attachment of a pyroelectric chip by means of a centric and in addition an even number, symmetrically arranged around the center, outer support points attached. The contacting of the electrodes takes place on the sensitive surface and thus generates a shading of the radiation. Furthermore, a poor thermal insulation is achieved by the support points, which leads to a reduction of the signal-to-noise ratio, especially for very thin sensitive elements. The low mechanical stability of the very thin element is particularly problematic in the assembly and contacting process.

In US 42 18 620 und US 43 26 663 wird vorgeschlagen, den pyroelektrischen Chip auf dünnen, flexiblen Drahtbrücken zu befestigen. Durch die Flexibilität der Drahtbrücken sollen Stöße absorbiert werden, des Weiteren dient die Befestigung der thermischen Isolation. Diese Montagetechnologie ist sehr aufwendig. Eine Durchbiegung des pyrolektrischen Chips wird nicht verhindert.In US 42 18 620 and US 43 26 663 It is proposed to fix the pyroelectric chip on thin, flexible wire bridges. Due to the flexibility of the jumpers shocks should be absorbed, also serves the attachment of the thermal insulation. This mounting technology is very expensive. Deflection of the pyrolytic chip is not prevented.

In der Patentschrift US 44 41 023 werden zwei identische pyroelektrische Detektoren antiparallel kontaktiert. Einer der Detektoren wird von der einfallenden Strahlung abgeschirmt. Dadurch können die piezoelektrischen Störsignale kompensiert werden. Die Kompensationsmethode setzt gleiche elektrische Signale der Detektoren bei mechanischer Belastung voraus. Die gewählte Bauform mit einseitiger Befestigung erzeugt große mechanische Belastungen bei Beschleunigungen. Dadurch verursachen selbst kleinste Abweichungen in der Chipgeometrie oder Chipbefestigung große Störsignale. Andererseits reduziert die Verschaltung zweier empfindlicher Elemente den erreichbaren Signal-Rausch-Abstand.In the patent US 44 41 023 Two identical pyroelectric detectors are contacted antiparallel. One of the detectors is shielded from the incident radiation. As a result, the piezoelectric noise can be compensated. The compensation method requires the same electrical signals of the detectors under mechanical stress. The selected design with one-sided attachment generates large mechanical loads during acceleration. As a result, even the smallest deviations in the chip geometry or chip attachment cause large interference signals. On the other hand, the interconnection of two sensitive elements reduces the achievable signal-to-noise ratio.

In GB 20 77 034 A wird der pyroelektrische Chip zwischen zwei Polymerfolien befestigt und kontaktiert. Bei mechanischen Belastungen wird dadurch die Deformation des Chips verringert aber nicht vollständig verhindert. Durch die flexible Aufhängung können leicht niedrige Resonanzfrequenzen entstehen. Eine derartige Anordnung ist für sehr dünne empfindliche Elemente aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität problematisch.In GB 20 77 034 A The pyroelectric chip is attached and contacted between two polymer films. In the case of mechanical loads, the deformation of the chip is thereby reduced but not completely prevented. Due to the flexible suspension can easily arise low resonance frequencies. Such an arrangement is problematic for very thin sensitive elements due to their low mechanical stability.

In den Patentschriften DE 690 09 364 T2 und EP 0 417 846 A2 wird zur Mikrofoniereduzierung bei Infrarotsensoren mit einem flexiblen Polymerfilm als strahlungsempfindliches Material eine spezielle Halterung der Folie über Stützen vorgeschlagen. Diese Stützen spannen den Polymerfilm und reduzieren die Beschleunigungsempfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen. Dieses Verfahren ist für kristalline Pyroelektrika mit sehr geringer Dicke kaum anwendbar.In the patents DE 690 09 364 T2 and EP 0 417 846 A2 For microphone reduction in infrared sensors with a flexible polymer film as the radiation-sensitive material, a special support of the film via supports is proposed. These posts span the polymer film and reduce the acceleration sensitivity at low frequencies. This method is hardly applicable to crystalline pyroelectrics with very small thickness.

Patentschrift DE 693 14 158 T2 beschreibt insbesondere eine pyroelektrische Sensoranordnung, bei der die strahlungsempfindliche Schicht als Dünnschicht auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden ist. Die Reduzierung der Beschleunigungsempfindlichkeit des Bauelementes erfolgt durch ein elastisch verformbares Material, dass ganzflächig zwischen Chip und Gehäuseboden angeordnet wird und den Chip mechanisch von der Umgebung entkoppeln soll. Der Nachteil des Verfahrens besteht in der direkten Kopplung der pyroelektrischen Schicht mit dem Siliziumsubstrat und den daraus resultierenden thermischen Verlusten, die einen deutlich reduzierten Signal-Rausch-Abstand bewirken.Patent DE 693 14 158 T2 describes in particular a pyroelectric sensor arrangement in which the radiation-sensitive layer is deposited as a thin layer on a silicon substrate. The reduction of the acceleration sensitivity of the component takes place by means of an elastically deformable material, which is arranged over the entire area between the chip and the housing bottom and is intended to decouple the chip mechanically from the environment. The disadvantage of the method consists in the direct coupling of the pyroelectric layer with the silicon substrate and the resulting thermal losses, which cause a significantly reduced signal-to-noise ratio.

In Patentschrift EP 0 141 582 B1 wird zur Mikrofoniereduzierung eine Anordnung beschrieben, bei der sich der pyroelektrische Chip innerhalb eines Gehäuses befindet, das auf einem Block gleichen Querschnitts, aber aus einem Material mit höherer spezifischer Steifheit als der pyroelektrische Chip besteht. Derartige Anordnungen sind für sehr dünne, freitragende empfindliche Elemente kaum wirksam und fertigungstechnisch aufwendig.In patent specification EP 0 141 582 B1 For microphone reduction, an arrangement is described in which the pyroelectric chip is located within a housing that is on a block of the same cross section but of a material with higher specific stiffness than the pyroelectric chip. Such arrangements are hardly effective for very thin, unsupported sensitive elements and manufacturing technology consuming.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das empfindliche Element so auf dem pyroelektrischen Chip zu gestalten und anzuordnen, dass eine sehr geringe Beschleunigungsempfindlichkeit bei gleichzeitig sehr hohem Signal-Rausch-Abstand erreicht wird. Dabei soll eine ausgezeichnete Homogenität der Empfindlichkeit über der empfindlichen Fläche gesichert werden.Of the Invention is based on the object, the sensitive element so on the pyroelectric chip to shape and arrange that a very low acceleration sensitivity at the same time very high signal-to-noise ratio is achieved. It should be a excellent homogeneity the sensitivity over the sensitive area be secured.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Sensor entsprechend der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.According to the invention Task by a sensor according to the features of the claim 1 solved. Ausgestaltende features are described in the subclaims 2 to 6.

Die piezoelektrischen Signale entstehen durch Deformation des pyroelektrischen Chips bei Belastungen. Vor allem Beschleunigungen senkrecht zur Chip-Oberfläche (Z-Richtung) verursachen starke Durchbiegungen des pyroelektrischen Chips.The Piezoelectric signals are caused by deformation of the pyroelectric Chips under stress. Especially accelerations perpendicular to Chip surface (Z direction) strong deflections of the pyroelectric chip.

Der Ansatzpunkt zur Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit bei gleichzeitig hohem Signal-Rausch-Abstand des Sensors ist eine möglichst spannungsfreie und weitgehend mechanisch und thermisch entkoppelte Anordnung des sehr dünnen empfindlichen Elementes von seiner Umgebung. Weiterhin haben Simulationsrechnungen ergeben, dass die Geometrie und Lage der Front- und Rückelektroden auf dem pyroelektrischen Chip einen Einfluss auf die Beschleunigungsempfindlichkeit haben.Of the Starting point for reducing the acceleration sensitivity with a high signal-to-noise ratio of the sensor is a preferably stress-free and largely mechanically and thermally decoupled Arrangement of the very thin sensitive element of its environment. Furthermore, have simulation calculations revealed that the geometry and location of the front and back electrodes on the pyroelectric chip an influence on the acceleration sensitivity to have.

Der erfindungsgemäße Detektor besitzt einen pyroelektrischen Chip aus LiTaO3, welcher über Silikonklebstoff an den Ecken mit dem Chipträger verbunden ist. Auf dem pyroelektrischen Chip befinden sich auf der Ober- und Unterseite Elektroden, die sich teilweise überlappen. Der Überlappungsbereich bildet das strahlungsempfindliche Element. Das empfindliche Element ist kleiner als der pyroelektrische Chip und von diesem fast vollständig durch einen Spalt getrennt. Die Breite der Verbindung zwischen dem empfindlichen Element und dem ihm umgebenden Rahmen aus pyroelektrischem Material ist klein gegenüber dem Umfang des empfindlichen Elements. Die Dicke des Rahmens ist typisch größer als 20 μm. Er sichert die mechanische Stabilität bei der Montage und der Kontaktierung des pyroelektrischen Chips. Die Dicke des empfindlichen Elementes und des Steges zum Rahmen ist typisch kleiner 10 μm. Dabei kann die Dicke des Steges vom Rahmen her kontinuierlich oder sprunghaft abnehmen. Die Dicke des Steges kann dünner als das empfindliche Element sein. Die Front- und Rückelektrode des empfindlichen Elementes werden über den Steg auf den Rahmen geführt und enden in den Kontaktierungsflächen des Chips. Die elektrische Kontaktierung und Verbindung mit der Nachfolgeelektronik erfolgt mittels Leitkleber.The detector of the invention has a pyroelectric chip made of LiTaO 3 , which is connected via silicone adhesive at the corners with the chip carrier. On the pyroelectric chip are located on the top and bottom electrodes, which partially overlap. The overlap area forms the radiation-sensitive element. The sensitive element is smaller than the pyroelectric chip and almost completely separated from it by a gap. The width of the connection between the sensitive element and the surrounding frame of pyroelectric material is small relative to the circumference of the sensitive element. The thickness of the frame is typically greater than 20 microns. It ensures the mechanical stability during assembly and contacting of the pyroelectric chip. The thickness of the sensitive element and the web to the frame is typically less than 10 microns. The thickness of the web from the frame can decrease continuously or suddenly. The thickness of the web may be thinner than the sensitive element. The front and back electrodes of the sensitive element are led to the frame via the bridge and terminate in the contacting surfaces of the chip. The electrical contact and connection with the follow-up electronics is done by conductive adhesive.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der sehr spannungsfreien symmetrischen Aufhängung des empfindlichen Elementes. Bei mechanischer Anregung in Z-Richtung entstehen die mechanischen Spannungen vorwiegend im Steg und tragen nur unwesentlich zu einer Ladungsbildung auf den Elektroden bei. Zum anderen sichert die Aufhängung des sehr dünnen empfindlichen Elementes über den dünnen Steg eine ausgezeichnete thermische Isolation und Homogenität der Empfindlichkeit über der empfindlichen Fläche. Die geringe Dicke des empfindlichen Elementes gewährleistet einen sehr hohen Signal-Rausch-Abstand des Systems.Of the Advantage of the solution according to the invention exists in the very tension-free symmetrical suspension of the sensitive element. Mechanical excitation in the Z direction produces the mechanical Tensions mainly in the bridge and contribute only slightly to a Charge formation on the electrodes at. On the other hand, the suspension of the very thin sensitive element over the thin one Bridge excellent thermal insulation and homogeneity of sensitivity over the sensitive area. The small thickness of the sensitive element ensures a very high signal-to-noise ratio of the system.

Für die dreidimensionale Strukturierung der pyroelektrischen Chips wird vorzugsweise Ionenstrahlätzen über Fotolackmasken verwendet. Hier können die Prozessparameter optimal an das zu realisierende Chiplayout angepasst werden. Durch den Einsatz von Ionenquellen mit großem Strahldurchmesser (> 200 mm) können die Chips mit einer typischen Größe von (3 × 3) mm2 in großen Stückzahlen sehr produktiv hergestellt werden.For the three-dimensional structuring of the pyroelectric chips, preferably ion beam etching via photoresist masks is used. Here, the process parameters can be optimally adapted to the chip layout to be realized. Through the use of ion sources with a large beam diameter (> 200 mm), the chips with a typi size of (3 × 3) mm 2 in large numbers are very productive.

Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:following the invention is based on embodiments explained in more detail. It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung des pyroelektrischen Chips des erfindungsgemäßen Sensors im montierten und kontaktierten Zustand 1 a schematic representation of the pyroelectric chip of the sensor according to the invention in the mounted and contacted state

2 mit FEM-Simulation ermittelte mechanische Spannungen im pyroelektrischen Chip 2 with FEM simulation determined mechanical stresses in the pyroelectric chip

3 Frequenzgänge der Beschleunigungsempfindlichkeit von Standard- und mikrofoniereduzierten Sensoren mit sehr dünnem empfindlichen Element 3 Frequency responses of the acceleration sensitivity of standard and microphone-reduced sensors with very thin sensitive element

4 Frequenzabhängigkeit der spezifischen Detektiviät des erfindungsgemäßen Sensors. 4 Frequency dependence of the specific Detektiviät the sensor according to the invention.

In 1 ist eine schematische Darstellung des pyroelektrischen Chips 1 des Sensors im montierten und kontaktierten Zustand gezeigt. Die X- und Y-Achse liegen in der Ebene des pyroelektrischen Chips 1 und die Z-Achse steht senkrecht auf diesem. Der pyroelektrische Chip 1 hat eine Fläche von (3 × 3) mm2 und besteht aus Lithiumtantalat. Er besitzt auf der Oberseite eine Frontelektrode 2 und auf der Unterseite eine Rückelektrode 3. Die Überlappungsfläche der Elektroden in der Mitte des Chips bildet das empfindliche Element 4. Das empfindliche Element 4 ist durch einen Spalt 5 fast vollständig vom umgebenden Chipmaterial getrennt. Der Spalt 5 ist ca. 400 μm breit. Der Außenbereich des Chipmaterials bildet einen Rahmen 6 mit einer Dicke von typisch größer 20 μm. Das empfindliche Element 4 mit einer Fläche von (1 × 1) mm2 besitzt eine typische Dicke von kleiner 10 μm ist nur durch einen schmalen Steg 7 aus Lithiumtantalat mit dem dickeren Rahmen 6 verbunden. Die Dicke des Steges 7 ist typisch kleiner 10 μm und die Dickenabnahme erfolgt in Form einer Stufe unmittelbar am Rahmen 6. Die Front- und Rückelektrode 2, 3 des empfindlichen Elementes 4 werden über den Steg 7 auf den Rahmen 6 geführt und enden in den Kontaktierungsflächen 8, 9 des pyroelektrischen Chips 1. Die Front- und Rückelektrode 2, 3 sind mit Hilfe eines elektrischen Leitklebers 10 über dünne Golddrähte 11 mit einem Vorverstärker verbunden. Der pyroelektrische Chip 1 ist mit Hilfe von Silikonpunkten 12 auf einem Chipträger 13 befestigt.In 1 is a schematic representation of the pyroelectric chip 1 of the sensor shown in assembled and contacted state. The X and Y axes are in the plane of the pyroelectric chip 1 and the z-axis is perpendicular to this. The pyroelectric chip 1 has an area of (3 × 3) mm 2 and consists of lithium tantalate. He has on the top of a front electrode 2 and on the bottom a return electrode 3 , The overlap area of the electrodes in the middle of the chip forms the sensitive element 4 , The sensitive element 4 is through a gap 5 almost completely separated from the surrounding chip material. The gap 5 is about 400 microns wide. The exterior of the chip material forms a frame 6 with a thickness of typically greater than 20 microns. The sensitive element 4 with an area of (1 × 1) mm 2 has a typical thickness of less than 10 microns is only through a narrow web 7 made of lithium tantalate with the thicker frame 6 connected. The thickness of the bridge 7 is typically less than 10 microns and the thickness reduction takes place in the form of a step directly on the frame 6 , The front and back electrodes 2 . 3 of the sensitive element 4 be over the jetty 7 on the frame 6 guided and ends in the contact surfaces 8th . 9 of the pyroelectric chip 1 , The front and back electrodes 2 . 3 are using an electrical conductive adhesive 10 over thin gold wires 11 connected to a preamplifier. The pyroelectric chip 1 is with the help of silicone dots 12 on a chip carrier 13 attached.

In 2 sind die mit Hilfe einer FEM-Simulation ermittelten mechanischen Spannungen im pyroelektrischen Chip 1 entsprechend 1 bei mechanischer Anregung in Z-Richtung gezeigt. Es wird deutlich, dass die größten Spannungen im dünnen Steg 7 auftreten.In 2 are the mechanical stresses in the pyroelectric chip determined with the aid of an FEM simulation 1 corresponding 1 shown with mechanical excitation in the Z direction. It becomes clear that the biggest tension in the thin web 7 occur.

In 3 ist der Frequenzgang der Beschleunigungsempfindlichkeit Sz in Z-Richtung für Frequenzen von 40 bis 1000 Hz dargestellt. A zeigt die Beschleunigungsempfindlichkeit SZ eines Standardsensors mit einer empfindlichen Fläche von 1 × 1 mm2 und einer Dicke des empfindlichen Elementes von ca. 5 μm. Der pyroelektrische Chip 1 hat eine Fläche von (3 × 3) mm2 und ist im Randbereich ca. 20 μm dick. Er besitzt zentralsymmetrisch eine schüsselförmige Vertiefung auf deren Bodenfläche das empfindliche Element 4 angeordnet ist. Das empfindliche Element 4 ist am gesamten Umfang mit dem Randbereich verbunden. Kurve B zeigt die Beschleunigungsempfindlichkeit SZ eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem 5 μm dicken empfindlichen Element 4. Es wird eine drastische Reduzierung der Beschleunigungsempfindlichkeit SZ deutlich.In 3 is the frequency response of the acceleration sensitivity S z in the Z direction for frequencies from 40 to 1000 Hz shown. A shows the acceleration sensitivity S Z of a standard sensor with a sensitive area of 1 × 1 mm 2 and a thickness of the sensitive element of about 5 μm. The pyroelectric chip 1 has an area of (3 × 3) mm 2 and is about 20 μm thick in the edge area. He has centric symmetrical bowl-shaped depression on the bottom surface of the sensitive element 4 is arranged. The sensitive element 4 is connected to the periphery at the entire circumference. Curve B shows the acceleration sensitivity S Z of a sensor according to the invention with a 5 μm thick sensitive element 4 , It is a drastic reduction of the acceleration sensitivity S Z clearly.

4 verdeutlicht die gemessene Frequenzabhängigkeit der spezifischen Detektivität eines erfindungsgemäßen Sensors B gemäß 1 im Vergleich zu einem Standardsensor A wie unter 1 beschrieben. Insbesondere bei niedrigen Modulationsfrequenzen ist ein spürbarer Detektivitätsgewinn erkennbar. 4 illustrates the measured frequency dependence of the specific detectivity of a sensor B according to the invention according to 1 compared to a standard sensor A as under 1 described. In particular at low modulation frequencies, a noticeable increase in detectability can be seen.

11
Pyroelektrischer Chippyroelectric chip
22
Frontelektrodefront electrode
33
Rückelektrodeback electrode
44
Empfindliches Elementsensitive element
55
Spalt, TrennspaltGap, separating gap
66
Rahmenframe
77
Stegweb
88th
Kontaktierungsfläche der FrontelektrodeContact surface of the front electrode
99
Kontaktierungsfläche der RückelektrodeContact surface of the back electrode
1010
Elektrischer Leitkleberelectrical conductive adhesive
1111
Golddrahtgold wire
1212
Silikonpunktsilicone point
1313
Chipträgerchip carrier
AA
Standardsensor mit 5 μm dickem empfindlichen Elementstandard sensor with 5 μm thick delicate element
BB
Erfindungsgemäßer Sensor mit 5 μm dickem empfindlichen ElementInventive sensor with 5 μm thick delicate element

Claims (7)

Pyroelektrischer Infarotsensor mit sehr geringer Mikrofonie und hohem Signal-Rausch-Abstand, bestehend aus einem pyroelektrischen Chip (1) und einer ersten rauscharmen Signalverarbeitungseinheit, die in einem Sensorgehäuse mit einem infrarotdurchlässigen Fenster untergebracht sind, wobei der pyroelektrische Chip (1) aus einem Pyroelektrikum besteht, das auf einer Seite eine Frontelektrode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite eine Rückelektrode (3) besitzt, die sich zum Teil überlappen und ein strahlungsempfindliches Element (4) bilden, das kleiner als der pyroelektrische Chip (1) ist, gekennzeichnet dadurch, dass das empfindliche Element (4) eine Dicke unter 10 μm hat und fast vollständig durch einen Spalt (5) von dem ihm umgebenden Pyroelektrikum getrennt ist, das eine Dicke von typisch ≥ 20 μm hat und einen Rahmen (6) bildet, der nur durch einen schmalen Steg (7) mit dem empfindlichen Element (4) verbunden ist, der eine Breite von ≤ einem Viertel des Umfanges des empfindlichen Elementes (4) besitzt und eine Dicke von ≤ 10 μm hat, und die Elektroden des empfindlichen Elementes (4) beidseitig über den Steg (7) auf den Rahmen (6) geführt sind.Pyroelectric infarct sensor with very low microphony and high signal-to-noise ratio, consisting of a pyroelectric chip ( 1 ) and a first low-noise signal processing unit, which are housed in a sensor housing with an infrared-transparent window, wherein the pyroelectric chip ( 1 ) consists of a pyroelectric having on one side a front electrode ( 2 ) and on the opposite side a return electrode ( 3 ), which partially overlap and a radiation-sensitive element ( 4 ), which is smaller than the pyroelectric chip ( 1 ), characterized in that the sensitive ele ment ( 4 ) has a thickness below 10 microns and almost completely through a gap ( 5 ) is separated from its surrounding pyroelectric having a thickness of typically ≥ 20 microns and a frame ( 6 ) formed only by a narrow web ( 7 ) with the sensitive element ( 4 ) having a width of ≤ one quarter of the circumference of the sensitive element ( 4 ) and has a thickness of ≤ 10 μm, and the electrodes of the sensitive element ( 4 ) on both sides over the bridge ( 7 ) on the frame ( 6 ) are guided. Pyroelektrischer Infrarotsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Front- und Rückelektrode (2, 3) sich überlappend über den Steg (7) geführt sind.Pyroelectric infrared sensor according to claim 1, characterized in that the front and rear electrodes ( 2 . 3 ) overlapping over the bridge ( 7 ) are guided. Pyroelektrischer Infrarotsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontelektrode (2) im Bereich der Überlappungsfläche auf dem Steg (7) hoch reflektierend ausgebildet ist.Pyroelectric infrared sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the front electrode ( 2 ) in the region of the overlap surface on the web ( 7 ) is formed highly reflective. Pyroelektrischer Infrarotsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung des pyroelektrischen Chips (1) auf dem Rahmen (6) erfolgt.Pyroelectric infrared sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the contacting of the pyroelectric chip ( 1 ) on the frame ( 6 ) he follows. Pyroelektrischer Infrarotsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Steges (7) kleiner als die Dicke des empfindlichen Elementes (4) ist.Pyroelectric infrared sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the web ( 7 ) smaller than the thickness of the sensitive element ( 4 ). Pyroelektrischer Infrarotsensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Front- und Rückelektrode (2, 3) auf dem Steg (7) nicht überlappend angeordnet sind und sich zwischen den Elektroden (2, 3) ein Trennspalt im Bereich des Steges (7) befindet.Pyroelectric infrared sensor according to one of claims 4 or 5, characterized in that the front and rear electrodes ( 2 . 3 ) on the pier ( 7 ) are arranged non-overlapping and between the electrodes ( 2 . 3 ) a separating gap in the region of the web ( 7 ) is located. Pyroelektrischer Infrarotsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdünnen des empfindlichen Elementes (1) und das Einbringen des Trennspaltes vorzugsweise durch Ionenstrahlätzen erfolgt.Pyroelectric infrared sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the thinning of the sensitive element ( 1 ) and the introduction of the separating gap is preferably carried out by ion beam etching.
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