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EP1097483A2 - Device for detecting electromagnetic radiation - Google Patents

Device for detecting electromagnetic radiation

Info

Publication number
EP1097483A2
EP1097483A2 EP99939957A EP99939957A EP1097483A2 EP 1097483 A2 EP1097483 A2 EP 1097483A2 EP 99939957 A EP99939957 A EP 99939957A EP 99939957 A EP99939957 A EP 99939957A EP 1097483 A2 EP1097483 A2 EP 1097483A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
imaging system
detector structure
detector
optical imaging
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99939957A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Manfred Rothley
Roland Mueller-Fielder
Erich Zabler
Lars Erdmann
Wilhelm Leneke
Marion Simon
Karlheinz Storck
Joerg Schieferdecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Excelitas Technologies Singapore Pte Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Heimann Optoelectronics GmbH
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
Priority claimed from DE19923606A external-priority patent/DE19923606A1/en
Application filed by Robert Bosch GmbH, Heimann Optoelectronics GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1097483A2 publication Critical patent/EP1097483A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/06—Restricting the angle of incident light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/04—Casings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0806—Focusing or collimating elements, e.g. lenses or concave mirrors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting electromagnetic radiation with local resolution according to the preamble of claim 1.
  • Common semiconductor detectors for example for infrared radiation, comprise a detector structure built on a semiconductor substrate. Detector arrays consisting of so-called thermopile sensors can be used to detect infrared radiation.
  • the substrate of the detector structure is usually connected to a housing in which a protective window is enclosed above the detector structure.
  • the protective window is transparent to the radiation to be detected and protects the detector structure from disturbing influences from the environment, for example from contamination.
  • an imaging sensor In connection with a spatially resolving detector array, an imaging sensor can be used with such a device will be realized. Imaging IR sensors are required, for example, for vehicle interior surveillance.
  • an optical imaging system e.g. B. an imaging lens can be provided, which images the object to be imaged on the level of the detector array.
  • Conventional imaging lenses with conventional materials represent a considerable cost factor for such sensor systems. Inexpensive plastic lenses are limited in their application, since they are sensitive to temperature, for example.
  • the invention has the object to provide a device for detecting electromagnetic radiation with local resolution for imaging purposes, which is inexpensive to manufacture and assemble.
  • a device is characterized in that a micromechanically producible, optical imaging system is provided.
  • Such an imaging system in particular in the form of a lens, can be produced micromechanically from semiconductor material, for example from silicon, in large numbers and inexpensively.
  • the imaging properties and the temperature stability of such systems are sufficient, particularly in the infrared range, to equip them with imaging sensors.
  • the micromechanically producible imaging system is rigidly connected to the semiconductor substrate of the detector structure. This connection can be made, for example, by mounting on a protective housing for the detector structure. Due to the rigid connection to the detector structure, the device according to the invention is not required Adjustment of the imaging system ready for use, which reduces the assembly effort for the detector device on site.
  • a micromechanically producible optical imaging system can, for example, comprise a plurality of lenses, as a result of which such an imaging system is particularly suitable for the use of a detector structure with a plurality of separate detector elements. It is particularly advantageous to assign a lens to a detector element. In a development of this embodiment, the optical axes of the individual lenses are aligned differently, which results in a large detection angle for room monitoring.
  • the combination of one or more lenses, each with a group of detector elements is advantageous depending on the application, for example in order in turn to achieve a large detection angle of a detector structure comprising a plurality of detector elements or to achieve local resolution for a group of detector elements.
  • the optical imaging system is also used as a protective window for the detector structure. In this way, a separate protective window is unnecessary and the device according to the invention is less expensive.
  • the optical imaging system for. B. one or more micromechanical lens preferably fixed in place of the previous protective window in the corresponding version of the protective housing.
  • micromechanical imaging system are connected to the substrate of the detector structure via spacers.
  • connection can be made, for example, by gluing or by anodic bonding, etc. All known and future connection types in the semiconductor field, in particular in the case of silicon, can be used for this.
  • a so-called lens array consisting of a plurality of lenses, as mentioned above, can be rigidly connected to the detector array, for example with the aid of micromechanical spacers as intermediate carriers with small distance tolerances.
  • a rigid connection enables the device to be used without further adjustment.
  • Individual detector elements of a detector structure can be separated from one another by optical partition walls. These dividing walls, which can be formed, for example, by the surface of an intermediate carrier, for example in the form of a honeycomb, can prevent undesired coupling of radiation onto an adjacent detector element.
  • an intermediate carrier is preferably made of an infrared-opaque material, such as. B. Pyrex glass manufactured.
  • a corresponding coating of the partition can also be provided.
  • the micromechanical imaging system is preferably built on a semiconductor substrate.
  • the substrate of the imaging system can be easily connected to the substrate of the detector structure, for example in one of the ways indicated above. It is particularly advantageous here if the substrate of the optical imaging system and the substrate of the detector system have the same material, so that a connection between the two substrates is readily possible. If necessary, a spacer can also have the same material. The use of silicon is particularly suitable here.
  • the detector structure is attached to the back of the substrate of the optical imaging system.
  • the detector structure can be placed on the substrate of the imaging system as a separate structure with spacers and connected to it.
  • the adjustment of the imaging system to the detector can be carried out in this embodiment as well as in the example described above with spacers at the wafer level before the individual sensors are separated. This means that two wafers with a large number of micromechanical imaging systems and a large number of detector structures are adjusted to one another and fastened to one another before the individual sensors are separated by opening the wafers. This makes the adjustment particularly easy and highly precise.
  • the detector structure is constructed on the back of the substrate of the imaging system in a monolithic construction.
  • the complete arrangement consisting of imaging system and detector structure is built on a wafer.
  • this embodiment would be the most highly developed embodiment variant of the invention, with correspondingly great advantages in terms of production expenditure and adjustment.
  • a detector structure which is irradiated from the rear is recommended. This means that the substrate on which the detector structure is built must be transparent to the radiation to be detected.
  • thermopile sensors To build up proven thermopile sensors in this design, it makes sense to use a membrane e.g. B. build from silicon nitride to avoid excessive heat diffusion of the heat generated when the radiation to be detected. This heat is detected by appropriate thermopile elements.
  • a membrane e.g. B. build from silicon nitride to avoid excessive heat diffusion of the heat generated when the radiation to be detected. This heat is detected by appropriate thermopile elements.
  • a membrane can be produced, for example, by anisotropically etching a cavern and / or etching out a porous layer. All suitable micromechanical manufacturing processes, in particular also future manufacturing processes, can be used for this.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 a representation corresponding to FIG. 1 of a second embodiment variant
  • FIG. 3 shows a corresponding representation of a third embodiment variant
  • Fig. 4 shows another embodiment of the invention in monolithic construction
  • Fig. 5 shows a special embodiment with a so-called lens array.
  • the device 1 according to FIG. 1 comprises a mounting plate 2, on which a substrate (10) with a detector structure 3 is built.
  • the detector structure 3 is shown in simplified form and can contain, for example, a large number of thermopile sensors.
  • a protective housing 4 covers the detector structure 3 and protects it from disruptive environmental influences, for example from contamination.
  • a micromechanical lens 5 is enclosed as a protective window in the protective housing 4 above the detector structure 3. In this way, an imaging method can be carried out with the device 1.
  • the imaging properties through the lens 5 are indicated schematically by two beam paths 6.
  • a separate lens can be dispensed with, as a result of which a costly adjustment can also be dispensed with in addition to the cost of materials.
  • a micromechanical lens 5 according to the exemplary embodiment can be inexpensively manufactured in large numbers.
  • FIG. 2 again shows a device 1 according to the invention, the micromechanical lens 5 being connected to the substrate 10 of the detector structure 3 via a spacer 7 without a protective housing.
  • a cavern 8 is shown below the detector structure 3 in this figure, as a result of which the substrate 2 forms a thin membrane 9 in the region of the detector structure 3.
  • the thin membrane 9 prevents the drains from flowing too quickly heat generated by the incoming radiation. This heat is detected by thermopile elements.
  • the sensitivity of the device 1 is thus improved by limiting the heat diffusion through the thin design of the membrane 9.
  • the formation according to FIG. 2 can already be produced in terms of production technology in such a way that the adjustment between the lens 5 and the substrate 2 is carried out simultaneously for a large number of components each present on a wafer. After the connection between the lens 5 and the substrate 2 has been established via the spacers 7, the separation can then take place, with each sensor device 1 being equally well adjusted.
  • the membrane 9 of the detector structure 3 is already connected directly to the substrate 10 of the micromechanical lens 5.
  • the micromechanical lens 5 is designed as a curvature on the substrate 10, while the membrane 9 is attached to the back of the substrate 10.
  • the membrane 9 with the detector structure 3 can, for example, be constructed separately and then connected to the substrate 10 of the lens 5, for example by bonding or gluing.
  • the embodiment according to FIG. 2 enables adjustment and connection at the same time for a large number of components by joining two wafers together before the individual sensors 1 are separated.
  • the embodiment according to FIG. 3 represents the smallest design for a device according to the invention under the described exemplary embodiments.
  • the entire device 1 is built up monolithically on a substrate using micromechanical production methods.
  • the cavern 8 is in the embodiment according to FIG. 3 between the Rear side of the lens 5 and the membrane 9.
  • this cavern must be formed after the membrane has been produced. This can be done by etching, for example anisotropic etching or etching on a porous layer provided for this purpose, a so-called sacrificial layer.
  • etching for example anisotropic etching or etching on a porous layer provided for this purpose, a so-called sacrificial layer.
  • FIG. 4 shows an embodiment in monolithic construction comparable to the aforementioned example, the cavern 8 being mounted inside the substrate 10, so that the membrane 9 and the detector structure 3 are located on the flat rear side of the substrate 10.
  • the detector structure 3 on the back of the membrane 9 is indicated, as would be provided in the case of a monolithic construction. In this case, care must be taken that the membrane 9 is transparent to the radiation 6 to be detected.
  • silicon in the case of an infrared sensor, for example, the use of silicon as the substrate could be considered. Silicon would also be a suitable material, also for the aforementioned exemplary embodiments, both for the construction of the detector structure 3 as a substrate 10 and for the construction of the micromechanical lens 5. Silicon is a comparatively inexpensive semiconductor and thus enables the device according to the invention to be manufactured at low cost.
  • FIG 5 shows an embodiment of a device according to the invention with a lens array 11 which comprises a plurality of lenses 12 lying next to one another.
  • the detector structure 3 comprises various detector elements 13 which lie on a membrane 9. In order to reduce the outflow of the heat to be detected by the detector elements 13, a cavern 8 was produced in the substrate 10.
  • the micromechanical lens array 11 is rigidly connected to the detector structure 3 via spacers 7 and the intermediate supports 14 surrounding the detector elements 13, the intermediate walls 15 of the intermediate supports 14 being designed to be impermeable to infrared radiation in order to prevent the heat radiation from being coupled over to an adjacent detector element 13.
  • the schematically drawn optical axes 16 of the individual lenses 12 of the lens array 11 are inclined towards one another in order to image different solid angle ranges on the detector elements.
  • the intermediate carriers 14 are preferably honeycomb-shaped, so that they can be constructed side by side without any gaps.

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Abstract

The invention relates to a device (1) for detecting electromagnetic radiation with local resolution for imaging methods, which device is economical to produce and assemble. According to the invention this is achieved by providing for an optical imaging system (5) which can be produced micromechanically.

Description

"Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung""Device for Detecting Electromagnetic Radiation"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung mit lokaler Auflösung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for detecting electromagnetic radiation with local resolution according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Gängige Halbleiterdetektoren, beispielsweise für Infrarotstrahlung, umfassen eine auf einem Halbleitersubstrat aufgebaute Detektorstruktur. Zum Nachweis von Infrarotstrahlung kommen hierbei Detektorarrays bestehend aus sogenannten Thermopile-Sensoren in Frage. Das Substrat der Detektorstruktur wird üblicherweise mit einem Gehäuse verbunden, in das oberhalb der Detektorstruktur ein Schutzfenster eingefaßt ist. Das Schutzfenster ist durchlässig für die nachzuweisende Strahlung und schützt die Detektorstruktur vor störenden Einflüssen der Umgebung, beispielsweise vor Verschmutzung.Common semiconductor detectors, for example for infrared radiation, comprise a detector structure built on a semiconductor substrate. Detector arrays consisting of so-called thermopile sensors can be used to detect infrared radiation. The substrate of the detector structure is usually connected to a housing in which a protective window is enclosed above the detector structure. The protective window is transparent to the radiation to be detected and protects the detector structure from disturbing influences from the environment, for example from contamination.
In Verbindung mit einem ortsauflösenden Detektorarray kann mit einer solchen Vorrichtung ein bildgebender Sensor realisiert werden. Bildgebende IR-Sensoren werden beispielsweise für die Kfz-Innenraumüberwachung benötigt. Für ein bildgebendes Verfahren muß ein optisches Abbildungssystem, z. B. eine Abbildungslinse vorgesehen werden, die den abzubildenden Gegenstand auf der Ebene des Detektorarrays abbildet. Herkömmliche Abbildungslinsen mit herkömmlichen Materialien stellen einen erheblichen Kostenfaktor für derartige Sensorsysteme dar. Preiswertere Kunststofflinsen sind in ihrer Anwendung begrenzt, da sie beispielsweise temperaturempfindlich sind.In connection with a spatially resolving detector array, an imaging sensor can be used with such a device will be realized. Imaging IR sensors are required, for example, for vehicle interior surveillance. For an imaging process, an optical imaging system, e.g. B. an imaging lens can be provided, which images the object to be imaged on the level of the detector array. Conventional imaging lenses with conventional materials represent a considerable cost factor for such sensor systems. Inexpensive plastic lenses are limited in their application, since they are sensitive to temperature, for example.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung mit lokaler Auflösung für bildgebende Einsatzzwecke vorzusehen, die kostengünstig herstellbar und montierbar ist.In contrast, the invention has the object to provide a device for detecting electromagnetic radiation with local resolution for imaging purposes, which is inexpensive to manufacture and assemble.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, daß ein mikromechanisch herstellbares, optisches AbbildungsSystem vorgesehen wird. Mikromechanisch läßt sich ein solches AbbildungsSystem, insbesondere in Form einer Linse, aus Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silizium, in großer Stückzahl und kostengünstig fertigen. Die Abbildungseigenschaften sowie die Temperaturstabilitat derartiger Systeme sind, insbesondere im Infrarotbereich, ausreichend, um bildgebende Sensoren damit zu bestücken.Accordingly, a device according to the invention is characterized in that a micromechanically producible, optical imaging system is provided. Such an imaging system, in particular in the form of a lens, can be produced micromechanically from semiconductor material, for example from silicon, in large numbers and inexpensively. The imaging properties and the temperature stability of such systems are sufficient, particularly in the infrared range, to equip them with imaging sensors.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das mikromechanisch herstellbare Abbildungssystsem starr mit dem Halbleitersubstrat der Detektorstruktur verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Montage an einem Schutzgehäuse für die Detektorstruktur vorgenommen werden. Durch die starre Verbindung mit der Detektorstruktur ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne zusätzlich erforderliche Justierung des AbbildungsSystems einsatzfähig, wodurch der Montageaufwand für die Detektorvorrichtung am Einsatzort verringert wird.In a further development of the invention, the micromechanically producible imaging system is rigidly connected to the semiconductor substrate of the detector structure. This connection can be made, for example, by mounting on a protective housing for the detector structure. Due to the rigid connection to the detector structure, the device according to the invention is not required Adjustment of the imaging system ready for use, which reduces the assembly effort for the detector device on site.
Ein erfindungsgemäßes mikromechanisch herstellbares, optisches Abbildungssystem kann beispielsweise mehrere Linsen umfassen, wodurch ein solches Abbildungssystem besonders für die Verwendung einer Detektorstruktur mit mehreren separaten Detektorelementen geeignet ist. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, jeweils eine Linse einem Detektorelement zuzuordnen. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform werden die optischen Achsen der einzelnen Linsen unterschiedlich ausgerichtet, wodurch sich ein großer Erfassungswinkel für eine Raumüberwachung ergibt .A micromechanically producible optical imaging system according to the invention can, for example, comprise a plurality of lenses, as a result of which such an imaging system is particularly suitable for the use of a detector structure with a plurality of separate detector elements. It is particularly advantageous to assign a lens to a detector element. In a development of this embodiment, the optical axes of the individual lenses are aligned differently, which results in a large detection angle for room monitoring.
Auch die Kombination einer oder mehrerer Linsen mit jeweils einer Gruppe von Detektorelementen ist je nach Anwendungsfall von Vorteil, beispielsweise um wiederum einen großen Erfassungswinkel einer Detektorstruktur aus mehreren Detektorelementen oder aber um eine lokale Auflösung für eine Gruppe von Detektorelementen zu erzielen.The combination of one or more lenses, each with a group of detector elements, is advantageous depending on the application, for example in order in turn to achieve a large detection angle of a detector structure comprising a plurality of detector elements or to achieve local resolution for a group of detector elements.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das optische Abbildungssystem zugleich als Schutzfenster für die Detektorstruktur verwendet . Auf diese Weise wird ein separates Schutzfenster entbehrlich und die erfindungsgemäße Vorrichtung preisgünstiger.In a further advantageous development of the invention, the optical imaging system is also used as a protective window for the detector structure. In this way, a separate protective window is unnecessary and the device according to the invention is less expensive.
Bei einer Ausführung mit Schutzgehäuse wird somit das optische Abbildungssystem, z. B. eine oder mehrere mikromechanische Linse bevorzugt an Stelle des bisherigen Schutzfensters in der entsprechenden Fassung des Schutzgehäuses befestigt.In a version with a protective housing, the optical imaging system, for. B. one or more micromechanical lens preferably fixed in place of the previous protective window in the corresponding version of the protective housing.
Andere Aufbauten sind jedoch ohne weiteres ebenfalls denkbar, so kann beispielsweise das mikromechanische Abbildungssystem über Abstandshalter mit dem Substrat der Detektorstruktur verbunden werden.However, other structures are also easily conceivable, for example the micromechanical imaging system are connected to the substrate of the detector structure via spacers.
Eine solche Verbindung kann beispielsweise durch Kleben oder durch anodisches Bonden, etc. bewerkstelligt werden. Sämtliche bekannten und künftigen Verbindungsarten im Halbleiterbereich, insbesondere bei Silizium, können hierfür Anwendung finden.Such a connection can be made, for example, by gluing or by anodic bonding, etc. All known and future connection types in the semiconductor field, in particular in the case of silicon, can be used for this.
Ein aus mehreren Linsen bestehendes sogenanntes Linsenarray wie oben angeführt kann beispielsweise mit Hilfe von mikromechanischen Abstandshaltern als Zwischenträger mit geringen Abstandstoleranzen starr mit dem Detektorarray verbunden werden. Durch eine starre Verbindung wird die Vorrichtung ohne weitere Justierung einsatzfähig.A so-called lens array consisting of a plurality of lenses, as mentioned above, can be rigidly connected to the detector array, for example with the aid of micromechanical spacers as intermediate carriers with small distance tolerances. A rigid connection enables the device to be used without further adjustment.
Einzelne Detektorelemente einer Detektorstruktur können hierbei durch optische Trennwände voneinander getrennt werden. Diese Trennwände, die beispielsweise durch die Oberfläche eines beispielsweise wabenförmig ausgebildeten Zwischenträgers gebildet werden können, können ein unerwünschtes Überkoppeln von Strahlung auf ein benachbartes Detektorelement verhindern. Ein solcher Zwischenträger wird vorzugsweise aus einem infrarot-undurchlässigen Material, wie z. B. Pyrexglas gefertigt.Individual detector elements of a detector structure can be separated from one another by optical partition walls. These dividing walls, which can be formed, for example, by the surface of an intermediate carrier, for example in the form of a honeycomb, can prevent undesired coupling of radiation onto an adjacent detector element. Such an intermediate carrier is preferably made of an infrared-opaque material, such as. B. Pyrex glass manufactured.
Zur Verringerung der Transmission durch eine solche Trennwand kann weiterhin eine entsprechende Beschichtung der Trennwand vorgesehen werden.To reduce the transmission through such a partition, a corresponding coating of the partition can also be provided.
Das mikromechanische Abbildungssystem wird bevorzugt, wie oben angeführt, auf einem Halbleitersubstrat aufgebaut. Neben der kostengünstigen Fertigung ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß das Substrat des Abbildungssystems gut mit dem Substrat der Detektorstruktur zu verbinden ist, beispielsweise auf eine der oben angedeuteten Möglichkeiten. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Substrat des optischen AbbildungsSystems und das Substrat des Detektorsystems das gleiche Material aufweisen, so daß eine Verbindung zwischen den beiden Substraten ohne weiteres möglich ist. Gegebenenfalls kann auch ein Abstandshalter das gleiche Material aufweisen. Die Verwendung von Silizium ist hierbei besonders geeignet .As mentioned above, the micromechanical imaging system is preferably built on a semiconductor substrate. In addition to the inexpensive production, there is the additional advantage that the substrate of the imaging system can be easily connected to the substrate of the detector structure, for example in one of the ways indicated above. It is particularly advantageous here if the substrate of the optical imaging system and the substrate of the detector system have the same material, so that a connection between the two substrates is readily possible. If necessary, a spacer can also have the same material. The use of silicon is particularly suitable here.
In einer weiteren vorteilhalften Ausführungsform der Erfindung wird die Detektorstruktur auf der Rückseite des Substrats des optischen Abbildungssystems angebracht. Hierdurch wird eine besonders kompakte Detektorvorrichtung realisiert . Die Detektorstruktur kann hierbei ebenso wie im vorgenannten Ausführungsbeispiel mit Abstandshaltern als separate Struktur auf das Substrat des Abbildungssystems aufgesetzt und mit diesem verbunden werden. Die Justierung des Abbildungssystems zum Detektor kann in dieser Ausführung ebenso wie im oben beschriebenen Beispiel mit Abstandshaltern bereits auf Waferebene vor der Vereinzelung der einzelnen Sensoren vorgenommen werden. Dies bedeutet, daß zwei Wafer mit einer Vielzahl von mikromechanischen Abbildungssystemen und einer Vielzahl von Detektorstrukturen zueinander justiert und miteinander befestigt werden, bevor durch Auftrennen der Wafer die einzelnen Sensoren separiert werden. Die Justierung ist dadurch besonders einfach und hochpräzise vorzunehmen.In a further advantageous embodiment of the invention, the detector structure is attached to the back of the substrate of the optical imaging system. This results in a particularly compact detector device. As in the aforementioned exemplary embodiment, the detector structure can be placed on the substrate of the imaging system as a separate structure with spacers and connected to it. The adjustment of the imaging system to the detector can be carried out in this embodiment as well as in the example described above with spacers at the wafer level before the individual sensors are separated. This means that two wafers with a large number of micromechanical imaging systems and a large number of detector structures are adjusted to one another and fastened to one another before the individual sensors are separated by opening the wafers. This makes the adjustment particularly easy and highly precise.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Detektorstruktur auf der Rückseite des Substrats des Abbildungssystems in monolithischer Bauweise aufgebaut . In diesem Fall ist die komplette Anordnung bestehend aus Abbildungssystem und Detektorstruktur auf einem Wafer aufgebaut. Diese Ausführungsform wäre gewissermaßen die am höchsten entwickelte Ausführungsvariante der Erfindung mit entsprechend großen Vorteilen hinsichtlich dem Fertigungsaufwand und der Justierung. Bei einem monolithischen Aufbau wie oben angeführt empfiehlt sich ein Detektoraufbau, der von der Rückseite her bestrahlt wird. Dies bedeutet, daß das Substrat, auf dem die Detektorstruktur aufgebaut ist, für die nachzuweisende Strahlung durchlässig sein muß.In a further advantageous embodiment of the invention, the detector structure is constructed on the back of the substrate of the imaging system in a monolithic construction. In this case, the complete arrangement consisting of imaging system and detector structure is built on a wafer. To a certain extent, this embodiment would be the most highly developed embodiment variant of the invention, with correspondingly great advantages in terms of production expenditure and adjustment. In the case of a monolithic structure as mentioned above, a detector structure which is irradiated from the rear is recommended. This means that the substrate on which the detector structure is built must be transparent to the radiation to be detected.
Zum Aufbau bewährter Thermopile-Sensoren in dieser Bauweise ist es sinnvoll, eine Membran z. B. aus Silizium-Nitrid aufzubauen, um eine zu große Wärmediffusion der beim Auftreffen der nachzuweisenden Strahlung entstehenden Wärme zu vermeiden. Diese Wärme wird durch entsprechende Thermopileelemente nachgewiesen. Eine solche Membran kann bei monolithischer Bauweise beispielsweise durch anisotropes Ätzen einer Kaverne und/oder Herausätzen einer porösen Schicht hergestellt werden. Sämtliche geeignete mikromechanischen Herstellungsverfahren, insbesondere auch künftige Fertigungsverfahren, können hierfür verwendet werden.To build up proven thermopile sensors in this design, it makes sense to use a membrane e.g. B. build from silicon nitride to avoid excessive heat diffusion of the heat generated when the radiation to be detected. This heat is detected by appropriate thermopile elements. In the case of a monolithic construction, such a membrane can be produced, for example, by anisotropically etching a cavern and / or etching out a porous layer. All suitable micromechanical manufacturing processes, in particular also future manufacturing processes, can be used for this.
AusführungsbeispielEmbodiment
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend an Hand der Figuren näher erläutert .Various embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail below with reference to the figures.
Im einzelnen zeigenShow in detail
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung,1 is a schematic sectional view of a first embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechenden Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante,2 a representation corresponding to FIG. 1 of a second embodiment variant,
Fig. 3 eine entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsvariante, Fig. 4 eine weitere Ausführung der Erfindung in monolithischer Bauweise und3 shows a corresponding representation of a third embodiment variant, Fig. 4 shows another embodiment of the invention in monolithic construction and
Fig. 5 eine besondere Ausführungsform mit einem sogenannten Linsenarray.Fig. 5 shows a special embodiment with a so-called lens array.
Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 umfaßt eine Montageplatte 2, auf der ein Substrat (10) mit einer Detektorstruktur 3 aufgebaut ist. Die Detektorstruktur 3 ist vereinfacht dargestellt und kann beispielsweise eine Vielzahl von Thermopilesensoren enthalten.The device 1 according to FIG. 1 comprises a mounting plate 2, on which a substrate (10) with a detector structure 3 is built. The detector structure 3 is shown in simplified form and can contain, for example, a large number of thermopile sensors.
Ein Schutzgehäuse 4 deckt die Detektorstruktur 3 ab und schützt diese vor störenden Umwelteinflüssen, beispielsweise vor Verschmutzung. Oberhalb der Detektorstruktur 3 ist eine mikromechanische Linse 5 als Schutzfenster in dem Schutzgehäuse 4 eingefaßt. Hierdurch kann mit der Vorrichtung 1 ein bildgebendes Verfahren durchgeführt werden. Die bildgebenden Eigenschaften durch die Linse 5 sind durch zwei Strahlengänge 6 schematisch angedeutet .A protective housing 4 covers the detector structure 3 and protects it from disruptive environmental influences, for example from contamination. A micromechanical lens 5 is enclosed as a protective window in the protective housing 4 above the detector structure 3. In this way, an imaging method can be carried out with the device 1. The imaging properties through the lens 5 are indicated schematically by two beam paths 6.
In dieser Ausführungsform wird eine separate Linse entbehrlich, wodurch neben einem Materialaufwand auch eine aufwendige Justierung entfallen kann. Zudem läßt sich eine mikromechanische Linse 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel in großer Stückzahl kostengünstig fertigen.In this embodiment, a separate lens can be dispensed with, as a result of which a costly adjustment can also be dispensed with in addition to the cost of materials. In addition, a micromechanical lens 5 according to the exemplary embodiment can be inexpensively manufactured in large numbers.
Das weiterführende Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt wiederum eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, wobei die mikromechanische Linse 5 ohne Schutzgehäuse über Abstandshalter 7 mit dem Substrat 10 der DetektorStruktur 3 verbunden ist . Unterhalb der Detektorstruktur 3 ist in dieser Figur eine Kaverne 8 eingezeichnet, wodurch das Substrat 2 im Bereich der Detektorstruktur 3 eine dünne Membran 9 bildet. Die dünne Membran 9 verhindert ein zu schnelles Abfließen der durch die eintreffende Strahlung entstehenden Wärme. Diese Wärme wird durch Thermopileelemente nachgewiesen. Durch die Eingrenzung der Wärmediffusion durch die dünne Ausbildung der Membran 9 wird somit die Empfindlichkeit der Vorrichtung 1 verbessert .The further exemplary embodiment according to FIG. 2 again shows a device 1 according to the invention, the micromechanical lens 5 being connected to the substrate 10 of the detector structure 3 via a spacer 7 without a protective housing. A cavern 8 is shown below the detector structure 3 in this figure, as a result of which the substrate 2 forms a thin membrane 9 in the region of the detector structure 3. The thin membrane 9 prevents the drains from flowing too quickly heat generated by the incoming radiation. This heat is detected by thermopile elements. The sensitivity of the device 1 is thus improved by limiting the heat diffusion through the thin design of the membrane 9.
Die Ausbildung gemäß Fig. 2 kann bereits fertigungstechnisch so hergestellt werden, daß die Justierung zwischen der Linse 5 und dem Substrat 2 gleichzeitig für eine Vielzahl von jeweils auf einem Wafer vorliegendem Bauelement vorgenommen wird. Nach Herstellung der Verbindung zwischen der Linse 5 und dem Substrat 2 über die Abstandshalter 7 kann anschließend die Vereinzelung erfolgen, wobei jede Sensorvorrichtung 1 gleichermaßen gut justiert ist.The formation according to FIG. 2 can already be produced in terms of production technology in such a way that the adjustment between the lens 5 and the substrate 2 is carried out simultaneously for a large number of components each present on a wafer. After the connection between the lens 5 and the substrate 2 has been established via the spacers 7, the separation can then take place, with each sensor device 1 being equally well adjusted.
In der Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist die Membran 9 der DetektorStruktur 3 bereits unmittelbar mit dem Substrat 10 der mikromechanischen Linse 5 verbunden. Die mikromechanische Linse 5 ist als Wölbung auf dem Substrat 10 ausgebildet, während die Membran 9 auf der Rückseite des Substrats 10 angebracht ist. Die Membran 9 mit der Detektorstruktur 3 kann beispielsweise separat aufgebaut und anschließend mit dem Substrat 10 der Linse 5, beispielsweise durch Bonden oder Kleben, verbunden werden. Wie im vorgenanntenIn the device according to FIG. 3, the membrane 9 of the detector structure 3 is already connected directly to the substrate 10 of the micromechanical lens 5. The micromechanical lens 5 is designed as a curvature on the substrate 10, while the membrane 9 is attached to the back of the substrate 10. The membrane 9 with the detector structure 3 can, for example, be constructed separately and then connected to the substrate 10 of the lens 5, for example by bonding or gluing. As in the above
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist hier eine Justierung und Verbindung zeitgleich für eine Vielzahl von Bauelementen durch Aneinanderfügen von zwei Wafern vor der Vereinzelung der einzelnen Sensoren 1 möglich. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 stellt die kleinste Bauweise für eine erfindungsgemäße Vorrichtung unter den beschriebenen Ausführungsbeispielen dar.The embodiment according to FIG. 2 enables adjustment and connection at the same time for a large number of components by joining two wafers together before the individual sensors 1 are separated. The embodiment according to FIG. 3 represents the smallest design for a device according to the invention under the described exemplary embodiments.
In einer Weiterbildung dieser Ausführung wird die gesamte Vorrichtung 1 monolithisch durch mikromechanische Fertigungsverfahren auf einem Substrat aufgebaut. Die Kaverne 8 befindet sich in der Ausführung gemäß Fig. 3 zwischen der Rückseite der Linse 5 und der Membran 9. Bei monolithischer Bauweise muß diese Kaverne nach Herstellung der Membran ausgebildet werden. Dies kann durch Ätzen, beispielsweise anisotropes Ätzen oder Ätzen an einer dafür vorgesehenen porösen Schicht, einer sogenannten Opferschicht, vorgenommen werden. Für die monolithische Bauweise stehen wiederum alle derzeit bekannten und künftigen mikromechanischen Fertigungstechniken zur Verfügung.In a further development of this embodiment, the entire device 1 is built up monolithically on a substrate using micromechanical production methods. The cavern 8 is in the embodiment according to FIG. 3 between the Rear side of the lens 5 and the membrane 9. In the case of monolithic construction, this cavern must be formed after the membrane has been produced. This can be done by etching, for example anisotropic etching or etching on a porous layer provided for this purpose, a so-called sacrificial layer. For the monolithic construction, all currently known and future micromechanical manufacturing techniques are available.
Die Darstellung gem. Fig. 4 zeigt eine mit dem vorgenannten Beispiel vergleichbare Ausführungsform in monolithischer Bauweise, wobei die Kaverne 8 im Inneren des Substrats 10 angebracht ist, so daß sich die Membran 9 und die Detektorstruktur 3 auf der ebenen Rückseite des Substrats 10 befinden.The representation acc. FIG. 4 shows an embodiment in monolithic construction comparable to the aforementioned example, the cavern 8 being mounted inside the substrate 10, so that the membrane 9 and the detector structure 3 are located on the flat rear side of the substrate 10.
In Fig. 3 und Fig. 4 ist die Detektorstruktur 3 auf der Rückseite der Membran 9 angedeutet, wie dies im Falle einer monolithischen Bauweise vorzusehen wäre. In diesem Fall ist dafür Sorge zu tragen, daß die Membran 9 für die nachzuweisende Strahlung 6 durchlässig ist.3 and 4, the detector structure 3 on the back of the membrane 9 is indicated, as would be provided in the case of a monolithic construction. In this case, care must be taken that the membrane 9 is transparent to the radiation 6 to be detected.
Im Falle eines Infrarotsensors käme hierfür beispielsweise die Verwendung von Silizium als Substrat aterial in Frage. Silizium wäre weiterhin ein geeignetes Material, auch für die vorgenannten Ausführungsbeispiele, sowohl für den Aufbau der Detektorstruktur 3 als Substrat 10 sowie für den Aufbau der mikromechanischen Linse 5. Silizium ist ein vergleichsweise preiswerter Halbleiter und ermöglicht somit die kostengünstige Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.In the case of an infrared sensor, for example, the use of silicon as the substrate could be considered. Silicon would also be a suitable material, also for the aforementioned exemplary embodiments, both for the construction of the detector structure 3 as a substrate 10 and for the construction of the micromechanical lens 5. Silicon is a comparatively inexpensive semiconductor and thus enables the device according to the invention to be manufactured at low cost.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Linsenarray 11, das mehrere nebeneinander liegende Linsen 12 umfaßt. Die Detektorstruktur 3 umfaßt verschiedene Detektorelemente 13, die auf einer Membran 9 liegen. Um das Abfließen der durch die Detektorelemente 13 nachzuweisenden Wärme zu vermindern, wurde eine Kaverne 8 im Substrat 10 hergestellt.5 shows an embodiment of a device according to the invention with a lens array 11 which comprises a plurality of lenses 12 lying next to one another. The detector structure 3 comprises various detector elements 13 which lie on a membrane 9. In order to reduce the outflow of the heat to be detected by the detector elements 13, a cavern 8 was produced in the substrate 10.
Das mikromechanische Linsenarray 11 ist über Abstandshalter 7 sowie die Detektorelemente 13 umgebenden Zwischenträger 14 starr mit der Detektorstruktur 3 verbunden, wobei die Zwischenwände 15 der Zwischenträger 14 für Infrarotstrahlung undurchlässig ausgeführt sind, um ein Überkoppeln der Wärmestrahlung auf ein benachbartes Detektorelement 13 zu verhindern. Die schematisch eingezeichneten optischen Achsen 16 der einzelnen Linsen 12 des Linsenarrays 11 sind gegeneinander geneigt, um unterschiedliche Raumwinkelbereiche auf die Detektorelemente abzubilden.The micromechanical lens array 11 is rigidly connected to the detector structure 3 via spacers 7 and the intermediate supports 14 surrounding the detector elements 13, the intermediate walls 15 of the intermediate supports 14 being designed to be impermeable to infrared radiation in order to prevent the heat radiation from being coupled over to an adjacent detector element 13. The schematically drawn optical axes 16 of the individual lenses 12 of the lens array 11 are inclined towards one another in order to image different solid angle ranges on the detector elements.
Die Zwischenträger 14 sind vorzugsweise wabenfδrmig ausgebildet, so daß sie flächig ohne Zwischenräume nebeneinander aufgebaut werden können. The intermediate carriers 14 are preferably honeycomb-shaped, so that they can be constructed side by side without any gaps.
Bezugszeichenliste :Reference symbol list:
1 Vorrichtung1 device
2 Montageplatte2 mounting plate
3 Detektorstruktur3 detector structure
4 Schutzgehäuse4 protective housings
5 mikromechanische Linse5 micromechanical lens
6 Strahlengang6 beam path
7 Abstandshalter7 spacers
8 Kaverne8 cavern
9 Membran9 membrane
10 Substrat10 substrate
11 Linsenarray11 lens array
12 Linse12 lens
13 Detektorelement13 detector element
14 Zwischenträger14 intermediate supports
15 Zwischenwand15 partition
16 optische Achse 16 optical axis

Claims

Ansprüche : Expectations :
1. Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit lokaler Auflösung für bildgebende Sensoren, wobei eine auf einem Halbleitersubstrat aufgebaute Detektorstruktur und ein Schutzfenster für die Detektorstruktur vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein mikromechanisch herstellbares, optisches Abbildungssystem vorgesehen ist.1. Device for detecting electromagnetic radiation, in particular with local resolution for imaging sensors, wherein a detector structure built on a semiconductor substrate and a protective window for the detector structure are present, characterized in that a micromechanically producible, optical imaging system is provided.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem eine mikromechanisch herstellbare Linse (5) umfaßt.2. Device according to claim 1, characterized in that the optical imaging system comprises a micromechanically producible lens (5).
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem (5) starr mit der Detektorstruktur (3) verbunden ist.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging system (5) is rigidly connected to the detector structure (3).
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorstruktur mehrere separate Detektorelemente und das optische Abbildungssystem mehrere Linsen umfaßt, wobei jeweils eine Linse einem Detektorelement zugeordnet ist .4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector structure comprises a plurality of separate detector elements and the optical imaging system comprises a plurality of lenses, one lens being assigned to a detector element.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Linsen jeweils für eine Gruppe von Detektorelementen vorgesehen sind.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that one or more lenses are each provided for a group of detector elements.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem (5) das Schutzfenster bildet. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging system (5) forms the protective window.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem (5) in ein Schutzgehäuse (4) gefaßt ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging system (5) is contained in a protective housing (4).
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Abstandhalter (7) zwischen dem Substrat (10) der Detektorstruktur (3) und dem optischen Abbildungssystem (5) vorgesehen sind.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that spacers (7) between the substrate (10) of the detector structure (3) and the optical imaging system (5) are provided.
9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Detektorelemente durch optische Trennwände voneinander getrennt sind.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that individual detector elements are separated from one another by optical partition walls.
10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Trennwände zur Verringerung der Transmission beschichtet sind.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical partitions are coated to reduce the transmission.
11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das mikromechanische optische Abbildungssystem (5) auf einem Halbleitersubstrat aufgebaut ist .11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the micromechanical optical imaging system (5) is constructed on a semiconductor substrate.
12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das mikromechanische Abbildungssystem (5) und das Substrat der Detektorstruktur12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the micromechanical imaging system (5) and the substrate of the detector structure
(3) aus dem gleichen Material bestehen.(3) consist of the same material.
13. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das mikromechanische Abbildungssystem und/oder das Substrat (10) der Detektorstruktur (3) wenigstens teilweise aus Silizium bestehen. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the micromechanical imaging system and / or the substrate (10) of the detector structure (3) consist at least partially of silicon.
14. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die DetektorStruktur (3) auf der Rückseite des Substrats (10) des optischen Abbildungssystems14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector structure (3) on the back of the substrate (10) of the optical imaging system
(5) aufgebracht sind.(5) are applied.
15. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran (9) als Träger der Detektorstruktur (3) ausgebildet ist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a membrane (9) is designed as a carrier of the detector structure (3).
16. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die DetektorStruktur (3) Thermoelemente umfaßt.16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector structure (3) comprises thermocouples.
17. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem (5) und die Detektorstruktur (3) durch Verbindung zweier Wafer vor der Vereinzelung einzelner Vorrichtungen (1) hergestellt werden.17. A method for producing a device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging system (5) and the detector structure (3) are produced by connecting two wafers before separating individual devices (1).
18. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem (5) und die Detektorstruktur (3) monolithisch mikromechanisch hergestellt werden. 18. A method for producing a device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical imaging system (5) and the detector structure (3) are produced monolithically micromechanically.
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