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WO2006122529A2 - Thermopile infrarot sensorarray - Google Patents

Thermopile infrarot sensorarray Download PDF

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Publication number
WO2006122529A2
WO2006122529A2 PCT/DE2006/000841 DE2006000841W WO2006122529A2 WO 2006122529 A2 WO2006122529 A2 WO 2006122529A2 DE 2006000841 W DE2006000841 W DE 2006000841W WO 2006122529 A2 WO2006122529 A2 WO 2006122529A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
thermopile
sensor array
array according
infrared sensor
Prior art date
Application number
PCT/DE2006/000841
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2006122529A3 (de
Inventor
Wilhelm Leneke
Marion Simon
Mischa Schulze
Karlheinz Storck
Jörg SCHIEFERDECKER
Original Assignee
Heimann Sensor 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
Application filed by Heimann Sensor Gmbh filed Critical Heimann Sensor Gmbh
Priority to JP2008511546A priority Critical patent/JP5308814B2/ja
Priority to DE112006000959T priority patent/DE112006000959B4/de
Priority to US11/913,443 priority patent/US7842922B2/en
Publication of WO2006122529A2 publication Critical patent/WO2006122529A2/de
Publication of WO2006122529A3 publication Critical patent/WO2006122529A3/de

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    • 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
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • 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
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    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
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    • H01L2924/301—Electrical effects
    • H01L2924/3025—Electromagnetic shielding

Definitions

  • thermopile infrared sensor array comprising a sensor chip with a plurality of thermopile sensor elements, constructed on a semiconductor substrate of a sensor chip and associated electronic components, such as preamplifiers, addressing devices, wherein the sensor chip mounted on a carrier substrate and capped with a cap is in which centrally located above the sensor chip entry optics.
  • Infrared sensors which can be manufactured in Si micromechanical technology, are known in various types.
  • thermopile IR Arrays For example, in A.D. Oliver, K.D. Wise (University of Michigan): "1024 element BuIk micromachined thermopile IR Arrays"; in Sensors S-Actuators 73 (1999), p 222-231, a monolithic thermopile sensor array fabricated using Si micromechanical technology becomes.
  • All elements of the array are converted to a serial analogue signal via a multiplexer integrated on the chip and amplified by a likewise integrated preamplifier.
  • This amplifier must have at least the bandwidth of frame rate (eg 20 Hz) and the number of elements (in the case presented 1024), eg> 20 kHz. Since the sensor element and preamplifier noise is affected by the bandwidth of this amplifier, there is quite high noise, which shifts the detection limit (thermal resolution) to higher temperatures. Consequently, the presented array is also used for temperature measurement at high temperatures of> 100 0 C. For lower temperatures (eg room temperature) there is no sufficient signal-to-noise ratio.
  • the sensor chips achieved with the wet etching technology presented are relatively large, which leads to high production costs.
  • thermopile sensor array in which the sensor elements are fabricated in a surface micromechanical technology with sacrificial layer
  • the readout technique with CCD register allows a relatively good resolution, but only if the sensor chip is capped in a vacuum tight housing significantly reduce sensor costs and limit applicability for low cost, high volume applications.
  • a wet etching technology is applied from the back.
  • the monolithic 16x16 array chip presented by Schaufelbühl, A., Münch, U. is also quite large and expensive to produce at 7.4x12 mm.
  • two preamplifiers are arranged on each of two sides of the chip. It is not described how the preamplifiers are interconnected, but the total noise of the 256-element circuit is relatively high due to the high bandwidth - or the frame rate remains low, only image frequencies of 1 Hz are specified.
  • the power dissipation which is arranged on two sides of the chip, contribute to a thermal offset due to their power loss, so that alternatively a separation of sensor chip and preamplifiers is proposed.
  • thermopile Of SPIE, VoI 5359, p. 111-125, a monolithic thermopile
  • Each sensor element contains only one thermocouple with a high sensitivity.
  • thermopile liner 8x8 element thermopile liner
  • Tech Jam International Tech Jam International
  • the 64 elements are located on a 8x8 mm chip, with each element thermally separated by Si walls in wet etching.
  • the technologically related size of the chip leads to relatively high production costs and in turn counteracts cost-effective mass applications.
  • thermopile solutions there are further solutions to low cost infrared arrays:
  • the sensor elements are produced in a surface micromechanical technology, wherein the removal of a sacrificial layer leads to a thermally very well insulated sensor bridge in about 2.5 microns above the Si substrate containing the evaluation circuit.
  • Pyroelectric sensor arrays allow high thermal resolution due to the high sensitivity of the sensor elements.
  • the hybrid technology increases the cost compared to monolithic sensor arrays in silicon technology.
  • pyroelectric sensors generally have the disadvantage that they only respond to changing objects. For a thermographic image of stationary objects - which is the normal case - a continuous modulation of the radiation flux is necessary, which is usually achieved with a mechanical chopper. Additional mechanical moving parts reduce reliability and increase the mechanical size and cost of an infrared sensor array.
  • thermal infrared array sensors are proposed which either - due to a large chip technology (AD Oliver, KD Wise, Schaufelbühl, A., Münch, U., Münch, U. et.al. and Horiba product Information)
  • the invention has for its object to provide a monolithic infrared sensor array, which has a high thermal resolution with a small chip size and can be inexpensively mass produced in bulk quantities without expensive vacuum housing technology or mechanically moving accessories.
  • thermopile infrared sensor array of the type mentioned above in that on the semiconductor substrate of the sensor chip, a thin membrane is arranged from a non-conductive material on which thermopile sensor elements are in an array, wherein the Rear side of the membrane is etched free under each thermopile sensor element and that the electronic components are arranged in the edge region of the sensor chip, wherein for each fourth, preferably for each column or row of sensor elements in each case an individual preamplifier is provided.
  • the semiconductor substrate of the sensor chip under the thermopile sensor elements is provided with cavities that are in the boundary region between the sensor elements thin, vertical or almost vertical partitions from the semiconductor substrate material and wherein the membrane covers the cavities and that the Sensor chip has a massive edge region.
  • thermopile sensor elements Due to the dividers, a heat sink for the cold thermopile sensor elements and a thermal separation of the thermopile sensor elements is achieved. In addition, this allows a mechanical stabilization of the array.
  • the partitions end above the carrier substrate, whereby a thermal decoupling is achieved.
  • spacers are arranged between the solid edge region and the carrier substrate, or that the partition walls are shortened by overetching.
  • the spacer must be made of a material with good thermal conductivity, such as Metal, ceramic or silicon, exist.
  • each row or column thin ventilation slot be provided through the partitions and through the massive edge region.
  • the individual preamplifiers and other electronic components are distributed so evenly distributed on the edge region of the sensor chip that results in a uniform heat distribution by the resulting heat loss.
  • the sensor chip is provided with at least one edge region widened on one side, on which the electronic components are arranged with a higher power loss.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that the individual preamplifiers are linked to one or more low-pass filters.
  • the individual preamplifiers are each associated with a low-pass filter whose cut-off frequency is equal to or not much higher but not more than two to three times higher than the row or column readout frequency.
  • each preamplifier can be assigned, in addition to the actual sensor elements, at least one further dummy element for compensation of error signals.
  • the dummy elements have the same or similar internal resistance as the actual sensor elements and are made from the same sensor layers as the actual sensor elements, wherein either no cavity is arranged below the dummy elements, or the dummy elements are connected by upstream diaphragms from the infrared radiation of the measurement object shadowed, wherein the reactive elements facing the side of the aperture infrared radiation absorbing properties should have.
  • the dummy elements can furthermore additionally, or alternatively be provided with the infrared radiation dimming or reflecting cover layers.
  • the semiconductor substrate between the last partition wall of the outer row of thermopile sensor elements and the edge region of the sensor chip may have at least one further hollowed-out insulation region.
  • the cap has a surface which absorbs the infrared radiation on the side facing the sensor elements.
  • An aperture which consists of a material which does not reflect the infrared radiation or has a surface coating absorbing the infrared radiation can also be arranged inside the cap.
  • the thin membrane can be made of silicon dioxide, silicon nitride or similar material.
  • the underside of the sensor chip is mounted on the carrier substrate at least under the silicon carrier body with a connecting material of very high thermal conductivity.
  • the compound can also be arranged under the partitions.
  • a compound is particularly suitable a metal- or ceramic-filled adhesive, a metallic solder or a metal or ceramic filled glass mass.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a thermopile sensor circuit according to the invention
  • FIG. 2a shows a plan view of a thermopile sensor array according to the invention according to FIG. 1;
  • FIG. 2b shows a plan view of another thermopile sensor array chip with an edge widened on one side and electronic circuits arranged thereon;
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a Thermopile Sensorarraychips invention in cross section.
  • thermopile sensor array chip shows a further embodiment of a thermopile sensor array chip according to the invention with improved thermal insulation between electronics and sensor elements by means of an additional spacer;
  • thermopile sensor array chip shows a further embodiment of the thermopile sensor array chip according to the invention with improved thermal insulation between electronics and sensor elements by etching the silicon partitions at different depths;
  • thermopile sensor array chip shows a further modification of the basic structure of a thermopile sensor array chip with an aperture for improved spatial imaging capability
  • 7 shows a block diagram of a circuit arrangement according to the invention of the thermopile sensor array chip
  • thermopile sensor array chip 8a shows a block diagram of a further circuit arrangement according to the invention with digital signal conditioning of the thermopile sensor array chip
  • FIG. 8b shows the block diagram according to FIG. 8a with additional temperature references on the sensor chip as well as in FIG.
  • FIG. 9a shows a further embodiment of the sensor chip according to the invention with thin ventilation slots in cross-section
  • Fig. 9b the embodiment of Figure 9a in the bottom view.
  • thermopile sensor array chip (hereinafter referred to as sensor chip 1) is mounted centrically on the carrier substrate 8, eg a bottom plate, according to FIG. 1 and covered with a cap 9.
  • the cap 9 contains an opening for the entry optics 10, which is arranged exactly above the center of the sensor elements of the sensor chip 1.
  • the entry optics 10 may on the one hand be a plane-parallel filter or a lens optic.
  • the connection between the sensor chip 1 and the carrier substrate ' 8 can be made with a connecting means by gluing, soldering, blowing or by welding.
  • the bonding agent should have a very high thermal conductivity. Suitable as connecting means are, for example, a with Metal or ceramic filled adhesive, a metal filled glaze or a solder.
  • a lens must be additionally mounted outside of the housing.
  • an imaging lens 10 is provided as entrance optics 10.
  • the dimensions of cap 9, sensor chip 1 and focal length of the entrance optics 10 are selected according to the invention so that the objects to be imaged are imaged sharply on the sensor elements via the lens.
  • On the carrier substrate 8 usually contacts or connectors are arranged (not shown in Fig. 1) to forward the output signals of the sensor chip 1 to other modules.
  • the 2a shows a plan view of the sensor chip 1.
  • the sensor elements (SE) 2, 3, 4, 5 of the sensor array which are symbolically represented by squares.
  • the sensor elements SE are arranged as a two-dimensional field with m rows and n columns. Consequently, the sensor element 2 is the sensor element of the first row and the first column (SE 1,1); the sensor element 3 the sensor element of the first row and the nth column (SE 1, n), and the sensor element 4 the sensor element of the mth row and the first column (SE m, 1) and the sensor element 5 the sensor element of the m th row and the nth column (SE m, n).
  • the electronic components required for the operation include, for example, preamplifier W and low-pass filter TP, denoted together with the reference numeral 6, 6 or other electronic components OE 7.
  • Other electronic components may include address registers, multiplexers, drivers, microcontrollers, analog-to-digital converters (ADC), temperature references, voltage references, sequential control systems and inter- be face assemblies.
  • a preamplifier W is formed at least for each row (or each column). That in the present case with 16 lines, preferably at least 16 preamplifiers W 6 are present.
  • these preamplifiers W each have a low-pass filter TP, whose bandwidth (cut-off frequency of the low-pass filter) corresponds at least to the line frequency of the array in order to avoid signal losses.
  • the reference numeral 6 describes the combination of preamplifier and downstream low-pass filter.
  • an upstream multiplexer can also reduce the number of individual preamplifiers compared to the number of columns or lines. If e.g. not exactly one or at least one preamplifier W is connected upstream for each row or column, e.g. two or four lines sharing a preamplifier through a multiplexer.
  • the cut-off frequency of the low-pass filter should not be significantly higher than the line frequency (or column frequency), because the cut-off frequency of the low-pass filter limits the overall noise of sensor element 1 and preamplifier.
  • the outputs of each of the preamplifiers with low-pass filter 6 are fed to an output multiplexer (e.g., column multiplexer 23) which converts the parallel-connected output signals of the preamplifiers with low-pass filter 6 into a serial output signal (see also the block diagram of Fig. 7).
  • an output multiplexer e.g., column multiplexer 23
  • the preamplifiers with low pass filter 6 should have low noise and low offset voltage.
  • the known per se with chopper amplifiers even auto-zero amplifier
  • the power loss of the preamplifier W should be small and above all evenly distributed on the circumference of the sensor chip 1. According to the invention this is achieved in that the preamplifier with low-pass filter 6 are evenly distributed on the edge of the sensor chip 1.
  • preamplifiers W with low-pass filter TP 6 on each side and, for example, 128x128 elements would be 32 Preamplifier W with low-pass filter TP 6 on each side.
  • the power loss (and thus the self-heating) of the n preamplifier W with low-pass filter TP 6 experience, the dominant heat source on the sensor chip 1, so the symmetrical and uniform arrangement of the preamplifier W priority. If one or more of the further electronic assemblies OE 7 also have a significant influence on the power loss, these are according to the invention to be arranged between the preamplifier with low-pass structures 6 on the chip edge, that a uniform heat distribution is achieved.
  • preamplifiers may also share a low pass (i.e., two or more preamplifiers per low pass, for example). This reduces the space required, but at the same time increases the noise bandwidth, which degrades the achievable temperature resolution.
  • FIG. 2 b shows a plan view of a further sensor chip 1 with an edge area widened on one side (in FIG. 2 b below).
  • the electronic components OE 7 with greater power dissipation are arranged here on this widened edge region, which ensures better heat dissipation ' to the substrate.
  • a part of the other electronic components OE 7 eg MUX, parts of the drivers, A / D converter, microcontroller or the like
  • the width of the frame (support body 17) is increased with respect to the other sides in one or more pages.
  • the larger width is compensated by a higher power loss (heat loss) of the additional electronic components OE 7.
  • the wider substrate edge can due to the larger contact area proportionally more heat to the carrier substrate. 8 dissipate, resulting from the other modules OE 7, so that the homogeneous heat distribution is maintained on the chip.
  • FIG. 3 shows a cross section through part of the thermopile sensor elements 13 (thermoelectric interconnects) with overlying absorber structures 14 for each thermopile sensor element 13. All thermopile sensor elements 13 are located on a thin, thermally well insulating membrane 12 and are activated with switching transistors and address line 15 and connected to the readout multiplexer (line multiplexer 21, column multiplexer 23) (see FIG. 7). ,
  • the silicon substrate under the thin membrane 12 is hollowed out by micro-mechanical etching processes in a honeycomb-like manner (cavity 16 ') and only thin, preferably vertical, honeycomb-defining partitions 16 remain in the silicon substrate between the individual thermopile sensor elements 13 Carrier substrate 8 are connected.
  • the dividing walls 16 can additionally be provided with an air guard 16 "at the bottom in the area of the carrier substrate 8.
  • the silicon substrate is etched from below, z. B. to 1/10. , , 1/2 of the substrate thickness.
  • FIG. 9 a shows a schematic representation of the air slots 16 "introduced into the partitions 16 and FIG.
  • FIG. 9b shows a view of the silicon substrate under the membrane 12 with the louvers 16 'extending over the entire array of the sensor elements 2, 3, 4, 5.
  • Such a chip contains at least one thin louver 16 "per row or column of the sensor array, the depth of the louvers being less than the depth of the substrate to the membrane.
  • the incorporated slots allow pressure equalization between the individual cavities 16 'and the housing interior.
  • the thin membrane 12 is made of a CMOS-compatible dielectric material (eg silicon dioxide, silicon nitride or silicon carbide, or a sandwich structure thereof), was deposited by CVD processes in the CMOS process and has a typical thickness of about 1 .mu.m, in principle thicknesses between about 0.3 and 4.0 microns are possible.
  • the material parameters are to be chosen in comparison to the silicon substrate so that after deposition as possible no mechanical tensions occur.
  • thermopile sensor elements SE1,1 to SE m, n are arranged on the thin membrane 12 ' .
  • Each thermopile sensor element 13 includes a thermopile structure.
  • the thermopiles known per se consist of two materials with different Seebeck coefficients. These materials are produced in the CMOS process by deposition of polycrystalline silicon or silicon / germanium and aluminum or preferably by n-type and p-type polycrystalline silicon.
  • thermocouples each consist of a leg of n-type and p-type poly-silicon. Both poly-silicon legs are preferably arranged one above the other and connected at the ends in each case with the following or the preceding thermocouple. This produces "warm” contacts in the center of the membrane and "cold” contacts in the silicon edge area 17 via the silicon partition walls 16 acting as a heat sink.
  • the silicon edge region also serves as silicon support body 17. About the hot contacts an absorber layer is applied, which has a particularly high absorption coefficient for infrared radiation.
  • thermocouples are connected in series, creating a thermopile.
  • the etching of the cavity 16 'under the sensor elements 13 is e.g. This etching takes place from the rear side and stops at the underside of the membrane 12, for example at an oxide layer, which in comparison to silicon has a very low etching rate having.
  • thermopiles As a heat sink for the cold contacts of the thermopiles, - For thermal separation of the thermopiles with each other, (Prevention of thermal crosstalk) and for mechanical stabilization of the membrane 12 and the Ar rays.
  • thermopile sensor array shows a further embodiment according to the invention of the thermopile sensor array with additional spacer 18.
  • the sensor chip 1 is shown in cross section.
  • Fig. 4 also shows further embodiments of the invention.
  • a further excavation is carried out as a thermal insulation area 19, without a sensor element 14 being located above the membrane 12 which is continued above it.
  • the additional isolation region 19 is intended to further reduce the thermal crosstalk of the electronic assemblies 6, 7 to the sensor elements 14.
  • the additional insulation area 19 is produced simultaneously with the cavities 16 'below the sensor elements.
  • a further embodiment of the invention consists of a spacer 18, which connects the silicon carrier body 17 of the sensor chip 1 to the carrier substrate 8, while the silicon dividing walls 16 have no contact with the carrier substrate 8 between the sensor elements.
  • the spacer 18 must be made of a highly thermally conductive material (e.g., metal, ceramic or even silicon).
  • the spacer 18 may also be part of the sensor chip 1.
  • the entire arrangement is surrounded by a cap 9, which is fastened on the carrier substrate 8 and in which centrically above the sensor chip 1 there are entrance optics 10, for example a lens. det.
  • FIG. 5 shows further embodiments according to the invention of the thermopile sensor array with differently deeply etched silicon dividing walls 16.
  • the better thermal insulation is not achieved by a spacer 18, as shown in Fig. 4, but by a further removal of the silicon partition walls 16 as shown from below, whereby an etched gap 20 is etched over the Suub- strate 8 ,
  • This is achieved by an additional etching step in which the lower ends of the partition walls 16 are etched away in the central region of the sensor chip 1, wherein at the same time the lower ends of the silicon carrier body 17 must be covered.
  • the edge region of the sensor chip 1 sits, i. the silicon support body 17 directly on the support substrate 8, while remaining between the silicon partition walls 16 and the support substrate 8, the gap 20.
  • the basic structure of the sensor array with sensor chip 1 on the Shinubstra 8 with wire bridges 11 for electrical contacting and entry optics 10 here contains an aperture 30. Within the cap 9, the aperture 30 is arranged circumferentially. This aperture 30 may be e.g. made of plastic, glass or metallic, ceramic or other insulating materials.
  • the side facing the sensor chip 1 side 31 may not be reflective for infrared radiation. This may be due to the choice of material (most ceramic and plastic materials are nonreflective and do not need an extra layer), or for metals through an absorbent layer.
  • the surface 31, which does not reflect the infrared radiation, is intended to prevent scattered radiation from being reflected by the entrance optics 10 on the inner wall of the cap 9 and to reach the sensor elements SE.
  • FIG. 7 shows a block diagram of a sensor array according to the invention with a row multiplexer 21 with associated control 22 of the row multiplexer, a preamplifier and low-pass arrangement 6 for the individual columns, and a column multiplexer 23 with associated control 24.
  • Output 25 is provided which is connected to the output of the column multiplexer 23.
  • FIG. 8a shows a further block diagram of a circuit arrangement according to the invention.
  • additional modules for address register 26, sequence controller 27 and analog / digital converter 28 are provided. All these modules are connected to / from the outside via the digital interface 29. Otherwise, FIG. 8a corresponds to FIG. 7.
  • Fig. 8b shows the block diagram of Fig. 8a, but with additional temperature references 32, 33 is provided.
  • a temperature reference 32 in the sensor chip 1 and the temperature reference 33 within the cap 9 is arranged.
  • the additional temperature references 32, 33 are connected directly to the column multiplexer 23, and ensure a good correction of the measured values.
  • the control of the array can be done both externally via applied addresses and internally via an internal clock generator and the sequencer 27. This is done via the line Multiplexer 21, the individual lines of the array sensor field sequentially (or optionally with random access) activated.
  • thermopile sensor elements of a column are parallel to the associated output pre-amplifier W 6 of the column and are amplified by this. Since only one of the row elements is activated, only the output information at the column multiplexer 22 is present at this time.
  • the low-pass filter 6 connected downstream of the preamplifier is terminated with a sample and hold amplifier which keeps the signal value integrated over a line period constant while the individual column signals are successively interrogated and switched through to the output of the column multiplexer 23.
  • thermopile structure with identical resistance but no signal voltage
  • the dummy element is read out as a reference voltage, preferably accumulated for averaging several periods of noise reduction (averaged) and used to compensate for the drift effects.
  • the dummy element may e.g. be a shielded against IR radiation from the object sensor element with its own membrane or only the resistance structure of a thermopile 13 without etched membrane.
  • each of the dummy elements is a separate cavity and are constructed in the same manner as the actual sensor elements 14.
  • An aperture 35 arranged outside the sensor chip shadows the dummy elements 34 with respect to the infrared Radiation from the measurement object, while the actual sensor elements on the panel over see the entrance optics 10.
  • the diaphragm 35 is mounted on the support substrate 8. Depending on the thermal conditions (i.e., the maximum heat input during the "heat shock"), the diaphragm 35 can also be mounted on the cap 9 or the aperture 30.
  • the diaphragm 35 can either be mounted on the carrier substrate 8, as shown in FIG. 10, or can also be fastened to the inside of the cap 9. Another possible mounting location would be the inside of the aperture 30.
  • the attachment to the respective assembly can be done by the known fastening methods such as gluing, soldering, blown, or by welding.
  • the blind element 34 facing the inside of the diaphragm 35 has a the infrared radiation absorbing surface welißt. This can be done by choosing the material (most ceramic and plastic materials are non-reflective) or the metals through an absorbing layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Thermopile Infrarot Sensorarray, bestehend aus einem Sensorchip mit einer Vielzahl von Thermopile-Sensorelementen, aufgebaut auf einem Halbleitersubstrat und zugehörigen Elektronikkomponenten, wobei das Sensorchip auf einer Trägerplatine montiert und mit einer Kappe umhaust ist, in der sich eine Optik befindet. Durch die Erfindung soll ein monolithisches Infrarot-Sensorarray angegeben werden, das bei kleiner Chipgröße ein hohes thermisches Auflösungsvermögen aufweist und das kostengünstig herstellbar ist. Erreicht wird das dadurch, dass sich auf dem Halbleitersubstrat des Sensor-Chips (1) eine dünne Membran (12) aus nicht leitendem Material angeordnet ist, auf der sich Thermopile Sensorelemente (13) in einem Array befinden, wobei die Rückseite der Membran (12) unter jedem Thermopile Sensorelement (13) wabenähnlich freigeätzt ist und dass die Elektronikkomponenten im Randbereich des Sensorchips angeordnet sind, wobei für jede Spalte und jede Zeile von Sensorelementen (13, 14) jeweils ein individueller Vorverstärker VV mit nachgeschaltetem Tiefpass TP (6) vorgesehen ist.

Description

Thermopile Infrarot Sensorarray
Die Erfindung betrifft ein Thermopile Infrarot-Sensorarray, bestehend aus einem Sensorchip mit einer Vielzahl von Thermopile- Sensorelementen, aufgebaut auf einem Halbleitersubstrat eines Sensor-Chips und zugehörigen Elektronikkomponenten, wie Vorverstärkern, Adressiereinrichtungen, wobei das Sensorchip auf einem TrägerSubstrat montiert und mit einer Kappe umhaust ist, in der sich zentrisch über dem Sensorchip eine Eintrittsoptik befindet .
Bekannt sind Infrarot-Sensoren, die in Si-Mikromechanik Techno- logie hergestellt werden können, in verschiedenen Spielarten.
Zum Beispiel wird in A.D. Oliver, K.D. Wise (üniversity of Michigan) : „1024 element BuIk micromachined thermopile IR Ar- rays"; in Sensors S- Actuators 73 (1999), p 222-231 ein monoli- tisches Thermopile- Sensorarray angegeben, das in Si- Mikromechanik-Technologie hergestellt wird.
Für die Sensorelemente wird eine Nassätztechnologie von der Rückseite her angewendet, wobei durch ein etwas kompliziertes Ätzverfahren Reststege zwischen den Elementen einer mit 12x12 mm relativ großen Membran als thermische, Trenngräben verbleiben. Insgesamt ergibt sich ein für 32x32 Elemente recht großes Chip von 16x16 mm Größe.
Alle Elemente des Arrays werden über einen auf dem Chip integrierten Multiplexer in ein serielles Analogsignal gewandelt und von einem ebenfalls integrierten Vorverstärker verstärkt. Dieser Verstärker muss mindestens die Bandbreite aus Bildfrequenz (z.B. 20 Hz) und der Elementanzahl (im vorgestellten Falle 1024) aufweisen, also z.B. > 20 kHz. Da das Sensorelement- und Vorverstärker Rauschen durch die Bandbreite dieses Verstärkers beeinflusst wird, ergibt sich ein recht hohes Rauschen, was die Nachweisgrenze (thermische Auflösung) zu höheren Temperaturen verschiebt. Folglich wird das vorgestellte Array auch zur Temperaturmessung bei hohen Temperaturen von > 100 0C eingesetzt. Für niedrigere Temperaturen (z.B. Raumtemperatur) ergibt sich kein ausreichender Signal/-Rausch-Abstand.
Die mit der vorgestellten Nassätztechnologie erreichten Sensorchips sind relativ groß, was zu hohen Fertigungskosten führt.
In Kanno, T. et. Al. (NEC Corp.) : „Uncooled focal plane array having 128x128 thermopile detector elements" in B. Andersen (Ed.), Infrared Technology, Proc. SPIE 2269, VoI XX, San Diego, JuIy 1994, S. 450-459 wird ein monolithisches Thermopile Sen- sorarray angegeben, in dem die Sensorelemente in einer Oberflächen- Mikromechanik Technologie mit Opferschicht hergestellt werden. Die Auslesetechnik mit CCD-Register erlaubt ein relativ gutes Auflösungsvermögen, aber nur, wenn das Sensorchip im vakuumdichten Gehäuse verkappt ist. Vakuumdichte Gehäuse erhöhen aber die Sensorkosten erheblich und begrenzen die Anwendbarkeit für kostengünstige high volume Anwendungen.
In Schaufelbühl, A, Münch, U (ETH Zürich) : „256 pixel CMOS integrated Thermoelectric Infrared Sensor Array"; in MEMS 2001, The 14th Intern Conference on Micro Mechanicasl Systems Interlaken, Switzerland, Jan. 21-25, 2001, Proceedings S 200- 203 und
Münch, U. et. Al ; Thermoelectric Sensor" US-PS 6,040,579 wird ein monolitisches Thermopile- Sensorarray angegeben, das in BuIk Si-Mikromechanik-Technologie hergestellt ist. Dabei wird wiederum eine Nassätztechnik von der Rückseite her verwendet. Die entstehende, relativ große Membran wird im Gegensatz zu A.D. Oliver, K.D. Wiεe durch dicke Goldstege zwischen den Pixeln thermisch separiert.
Für die Sensorelemente wird eine Nassätztechnologie von der Rückseite her angewendet. Das von Schaufelbühl, A., Münch, U. vorgestellte monolitische 16x16 Array Chip ist mit 7,4x12 mm ebenfalls recht groß und teuer in der Herstellung. Zur Vorverstärkung sind an zwei Seiten des Chips jeweils zwei Vorverstär- ker angeordnet. Es ist nicht beschrieben, wie die Vorverstärker verschaltet sind, das Gesamtrauschen der Schaltung mit 256 Elementen ist aber auf Grund der hohen Bandbreite relativ hoch - bzw. die Bildfrequenz bleibt niedrig, es werden nur Bildfrequenzen von 1 Hz angegeben. Die Verlustleistung der an zwei Seiten des Chips angeordnet sind, tragen auf Grund ihrer Verlustleistung zu einem thermischen Offset bei, sodass alternativ eine Trennung von Sensorchip und Vorverstärkern vorgeschlagen wird.
Werden jedoch individuelle Vorverstärker außerhalb des Sensorchips angeordnet, so erhöhen sich Platzbedarf und Herstellungskosten weiter.
In Masaki Hirota et al . (NISSAN Motor Comp.): "Thermoelectric Infrared Imaging Sensors for automotive applications"; Proc.
Of SPIE, VoI 5359, p. 111-125 wird ein monolithisches Thermopi-
Ie Sensorarray angegeben, in dem die Sensorelemente in einer
Oberflächen- Mikromechanik Technologie durch Nassätzen von der
Vorderseite hergestellt werden. Jedes Sensorelement enthält nur ein Thermoelement mit einer hohen Empfindlichkeit.
Prinzipiell werden mit diesem Verfahren eine akzeptable Temperaturauflösungen erreicht, wobei ein vakuumdichtes Sensorgehäuse vorgeschlagen wird. Das vakuumdichte Gehäuse wiederum steht einer kostengünstigen Massenfertigung entgegen.
In der HORIBA product Information: „8x8 element thermopile Iinager"; in Tech Jam International, 26. Sept. 2002 wird ein monolitisch.es Thermopile- Sensorarray angegeben, das in BuIk Si-Mikromechanik-Technologie hergestellt wird.
Die 64 Elemente befinden sich auf einem 8x8 mm großen Chip, wobei jedes Element durch Si- Wände in Nassätztechnik thermisch separiert wird. Die technologisch bedingte Größe des Chips führt zu relativ hohen Herstellkosten und steht wiederum kostengünstigen Massenanwendungen entgegen.
Neben diesen Thermopile- Lösungen gibt es weitere Lösungen zu low cost Infrarot Arrays :
In B.E. CoIe, CJ. Han (Honeywell Technology Center) : "Mono- lithic 512x512 arrays for infrared scene projection"; Conference Trandiucers '95 / Eurosensors ; Stockholm, Sweden, 25-29 June, 1995; p. 628-631 oder in der EP 0 869 341 Al werden monolithische Bolometerstrukturen für Infrarot-Sensorarrays vorgestellt.
Bei diesen Infrarot-Sensorarrays werden die Sensorelemente in einer Oberflächen- Mikromechanik Technologie hergestellt, wobei das Entfernen einer Opferschicht zu einer thermisch sehr gut isolierten Sensorbrücke in ca. 2.5 μm über dem Si-Substrat führt, das die Auswerteschaltung enthält.
Solche Infrarot- Bolometer mit Sensorbrücke gibt es inzwischen in vielen Ausführungen. Weil sie sehr kleine Elementabmessungen erlauben, haben Sie eine weite Verbreitung bei hoch auflösenden Infrarotarrays erfahren .
Prinzipiell werden mit diesem Verfahren trotz der kleinen Sen- sorelementabmessungen sehr gute Temperaturauflösungen erreicht . Allerdings erfordern die kleinen Elementabmessungen an der Siliziumoberfläche zwingend eine vakuumdichte Verpackung des Sensorchips , die wiederum einer kostengünstigen Massenfertigung entgegen s t ehen .
In Q.Q.Zhang; B. P. Loss et. Al (Hong Kong University) : "In- tegrated Pyroelectric Array based on PCLT/P (VDF/TrFE) composi- te" Sensors & Actuators 86(2000); p. 216-219 sowie R. Kennedy McEwen (GEC Marconi) : λΕuropean Uncooled Thermal Imaging Tech- nology"; SPIE Vol. 3061, 1997, S. 179-190 werden hybride py- roelektrische Sensorarrays mit Ausleseschaltung in Silizium vorgestellt.
Pyroelektrische Sensorarrays gestatten wegen der hohen Empfind- lichkeit der Sensorelemente eine hohe thermische Auflösung. Allerdings erhöht die hybride Technologie die Kosten im Vergleich zu monolithischen Sensoranordnungen in Siliziumtechnologie. Außerdem haben pyroelektrische Sensoren generell den Nachteil, dass sie nur auf sich ändernde Objekte ansprechen. Für eine Thermobilddarsteilung ruhender Objekte - was den Normalfall darstellt - ist eine kontinuierliche Modulation des Strahlungsflusses notwendig, die meist mit einem mechanischen Chop- per erreicht wird. Zusätzliche mechanisch bewegte Teile reduzieren die Zuverlässigkeit und erhöhen mechanische Größe sowie Kosten eines Infrarotsensorarrays .
In dem vorstehend zitierten Stand der Technik werden thermische Infrarot Arraysensoren vorgeschlagen, die entweder - auf Grund einer großflächigen Chiptechnologie (A.D. Oliver, K.D. Wise, Schaufelbühl, A., Münch, U., Münch, U. et.al. und Horiba product Information)
- einer aufwendigen Vakuum-Gehäusetechnologie (Kanno, T. et.al., Masaki Hirota et.al., B.E. CoIe, CJ. Han .und Oda, Naoki oder
- einer zusätzlichen mechanischen Chopperbaugruppe für die Fertigung von Infrarot Sensorarrays in Massenstückzahlen Kostennachteile haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein monolithisches Infrarot- Sensorarray anzugeben, das bei kleiner Chipgröße ein hohes thermisches Auflösungsvermögen aufweist und ohne aufwendige Vakuumgehäusetechnologie oder mechanisch bewegte Zusatzteile kostengünstig in Massenstückzahlen hergestellt werden kann.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Thermopile Infrarot Sensorarray der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf dem Halbleitersubstrat des Sensor- Chips eine dünne Membran aus einem nicht leitendem Material angeordnet ist, auf der sich Thermopile Sensorelemente in einem Array befinden, wobei die Rückseite der Membran unter jedem Thermopile Sensorelement freigeätzt ist und dass die Elektronikkomponenten im Randbereich des Sensorchips angeordnet sind, wobei mindestens für jede vierte, vorzugsweise für jede Spalte oder Zeile von Sensorelementen jeweils ein individuel- ler Vorverstärker vorgesehen ist.
Durch die Erfindung wird ein besonders gutes thermisches Auflösungsvermögen erreicht und die thermische Beeinflussung der Thermopile Sensorelemente wird durch die Verlustleistung der nötigen Elektronikkomponenten, wie Vorverstärkern, minimiert.
Besondere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den zugehöri- gen Unteransprüchen hervor.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist das Halbleitersubstrat des Sensor- Chips unter den Thermopile Sensorelementen derart mit Aushöhlungen versehen, dass sich im Grenzbereich zwischen den Sensorelementen dünne, senkrechte oder fast senkrechte Trennwände aus dem Halbleitersubstratmaterial befinden und wobei die Membran die Aushöhlungen überdeckt und dass das Sensor-Chip einen massiven Randbereich aufweist.
Durch die Trennstege wird eine Wärmesenke für die kalten Thermopile Sensorelemente und eine thermische Trennung der Thermopile Sensorelemente erreicht. Außerdem wird dadurch eine mechanische Stabilisierung des Arrays ermöglicht.
In weiterer Fortführung der Erfindung enden die Trennwände oberhalb des Trägersubstrates, wodurch eine thermische Entkopplung erreicht wird.
Dass kann dadurch erreicht werden, dass zwischen dem massiven Randbereich und dem Trägersubstrat Abstandshalter angeordnet sind, oder dass die Trennwände durch eine Überätzung verkürzt sind. Der Abstandshalter muss aus einem sehr gut wärmeleitfähi- gen Material wie z.B. Metall, Keramik oder auch Silizium, bestehen.
Zur Vermeidung von Beschädigungen der Membran durch Über- oder Unterdruck in der Aushöhlung nach der Montage des Chips auf dem trägersubstrat kann mindestens für jede Zeile oder Spalte ein dünner Belüftungsschlitz durch die Trennwände und durch den massiven Randbereich vorgesehen sein.
Schließlich ist vorgesehen, dass die einzelnen Vorverstärker und anderen Elektronikkomponenten derart gleichmäßig auf dem Randbereich des Sensor-Chips verteilt angeordnet sind, dass sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung durch die entstehende Verlustwärme ergibt.
Bevorzugt ist das Sensorchip mit wenigstens einem auf einer Seite verbreiterten Randbereich versehen, auf dem die Elektro- nikkomponenten mit höherer Verlustleistung angeordnet sind.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die einzelnen Vorverstärker mit einem oder mehreren Tiefpassfiltern verknüpft sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Vorverstärker mit je einem Tiefpassfilter verknüpft, dessen Grenzfre- quenz gleich oder nicht viel höher, höchstens jedoch zwei- bis dreimal höher ist, als die Zeilen- bzw. Spaltenauslesefrequenz.
Zusätzlich kann jedem Vorverstärker neben den eigentlichen Sensorelementen mindestens ein weiteres Blindelement zur Kom- pensation von Fehlersignalen zugeordnet sein.
Die Blindelemente haben dabei einen gleichen oder ähnlichen Innenwiderstand wie die eigentlichen Sensorelemente und sind dabei aus den selben Sensorεchichten wie die eigentlichen Sen- sorelemente hergestellt, wobei unter den Blindelementen entweder keine Aushöhlung angeordnet ist, oder die Blindelemente werden durch vorgeschaltete Blenden von der Infrarotstrahlung des Messobjektes abgeschattet, wobei die den Blindelementen zugewandte Seite der Blenden Infrarotstrahlung absorbierende Eigenschaften aufweisen sollte. Die Blindelemente können weiterhin zusätzlich, oder alternativ mit den Infrarotstrahlung abblendenden oder reflektierenden Deckschichten versehen sein.
Um eine thermische Isolation zwischen den Thermopile Sensorelementen und der im Randbereich befindlichen Elektronik zu erreichen, kann das Halbleitersubstrat zwischen der letzten Trennwand der äußeren Reihe von Thermopile- Sensorelementen und dem Randbereich des Sensor-Chips mindestens einen weiteren ausgehöhlten Isolationsbereich aufweisen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Kappe auf der den Sensorelementen zugewandten Seite eine die Infrarotstrahlung ab- sorbierende Oberfläche aufweist.
Innerhalb der Kappe kann auch eine Apertur angeordnet sein, die aus einem die Infrarotstrahlung nicht reflektierenden Material besteht, oder eine die Infrarotstrahlung absorbierende Oberflä- chenbeschichtung aufweist.
Schließlich kann die dünne Membran aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder einem ähnlichen Material bestehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Unterseite des Sensorchips wenigstens unter dem Silizium-Tragekörper mit einem Verbindungsstoff sehr hoher Wärmeleitfähigkeit auf dem Trägersubstrat montiert ist. Alternativ kann der Verbindungsstoff auch unter den Trennwänden angeordnet sein.
Als Verbindungsstoff eignet sich besonders ein metall- oder keramikgefüllter Klebstoff, ein metallisches Lot oder eine metall- oder keramikgefüllte Glasmasse.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:
Fig. 1: den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Thermopi- Ie- Sensorarraychips;
Fig. 2a: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Thermo- pile- Sensorarraychip nach Fig. 1;
Fig. 2b: eine Draufsicht auf ein weiteres Thermopile- Sensorarraychip mit auf einer Seite verbreitertem Rand sowie auf diesem angeordneten Elektronik- Schaltungen;
Fig. 3: eine schematische Ausschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Thermopile Sensorarraychips im Querschnitt;
Fig. 4: eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Thermopile- Sensorarraychips mit verbesserter thermischer Isolation zwischen Elektronik und Sensorelementen durch einen zusätzlichen Abstandshal- ter;
Fig.5: eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Thermopile- Sensorarraychips mit verbesserter thermischer Isolation zwischen Elektronik und Sen- sorelementen durch unterschiedlich tiefe Ätzung der Silizium Trennwände;
Fig. 6: eine weitere Modifikation des Grundaufbaues eines Thermopile- Sensorarraychips mit Apertur für ver- bessertes räumliches Abbildungsvermögen; Fig. 7: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung des Thermopile- Sensorarraychips;
Fig.8a: ein Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit digitaler Signalaufbereitung des Thermopile- Sensorarraychips;
Fig. 8b: das Blockschaltbild nach Fig. 8a mit zusätzlichen Temperaturreferenzen auf dem Sensorchip sowie im
Gehäuse;
Fig. 9a: eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorchips mit dünnen Lüftungsschlitzen im Quer- schnitt;
Fig. 9b: die Ausgestaltung nach Fig. 9a in der Unteransicht; und
Fig. 10: eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Sensorchips mit Blindelementen und zugehörigen Blenden.
Das Thermopile- Sensorarray Chip (nachfolgend als Sensorchip 1 bezeichnet) ist entsprechend Fig. 1 auf dem Trägersubstrat 8, z.B. eine Bodenplatte, zentrisch aufgebracht und mit einer Kappe 9 abgedeckt. Die Kappe 9 enthält eine Öffnung für die Eintrittsoptik 10, die genau über der Mitte der Sensorelemente des Sensorchips 1 angeordnet ist. Die Eintrittsoptik 10 kann einerseits ein planparalleles Filter oder eine Linsenoptik sein. Die Verbindung zwischen dem Sensorchip 1 und dem Trägersubstrat '8 kann mit einem Verbindungsmittel durch Kleben, Löten, Einglasen oder auch durch Schweißen hergestellt werden. Das Verbindungsmittel sollte eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Als Verbindungsmittel geeignet sind z.B. ein mit Metall oder Keramik gefüllter Kleber, eine metallgefüllte Einglasung oder ein Lot .
Die Variante mit Filter ist in Fig. 1 nicht dargestellt, in diesem Falle muss eine Linse zusätzlich außerhalb des Gehäuses montiert werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Variante wird als Eintrittsoptik 10 eine abbildende Linse vorgesehen. Die Abmessungen von Kappe 9, Sensorchip 1 und Brennweite der Eintrittsoptik 10 werden erfindungsgemäß so gewählt, dass die abzubildenden Objekte über die Linse scharf auf den Sensorelementen abgebildet werden. Auf dem Trägersubstrat 8 sind üblicherweise Kontakte oder Steckverbinder angeordnet (in Fig. 1 nicht dargestellt) , um die AusgangsSignale des Sensorchips 1 zu anderen Baugruppen weiterzuleiten. Die elektrische Verbindung zwischen Sensorchip 1 und Kontakten auf dem Trägersubstrat 8 erfolgt über Drahtbrücken 11, die durch eine übliche Drahtbondtechnologie hergestellt werden können.
Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf das Sensorchip 1. Im mittleren Teil des Sensorchips 1 befinden sich die Sensorelemente (SE) 2, 3, 4, 5 des Sensorarrays, die symbolisch durch Quadrate dargestellt sind. Die Sensorelemente SE sind als zweidimensio- nales Feld mit m Zeilen und n Spalten angeordnet. Folglich ist das Sensorelement 2 das Sensorelement der ersten Zeile und der ersten Spalte (SE 1,1); das Sensorelement 3 das Sensorelement der ersten Zeile und n-ten Spalte (SE 1, n ) ,und das Sensorelement 4 das Sensorelement der m-ten Zeile und der ersten Spalte (SE m, 1) und das Sensorelement 5 das Sensorelement der m-ten Zeile und der n-ten Spalte (SE m, n) .
Im Beispiel ist ein Array von m=16 Zeilen und n=16 Spalten dargestellt. Im äußeren Bereich des SensorChips 1 (d.h. außerhalb der Sensorelemente) befinden sich die für den Betrieb erforderlichen elektronischen Baugruppen. Dazu gehören z.B. Vorverstärker W und Tiefpassfilter TP, zusammen mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet, 6 oder andere Elektronikkomponenten OE 7. Andere Elektronikkomponenten können z.B. Adressregister, Multiplexer, Treiber, Mikrocontroller, Analog/Digitalwandler (ADC) , Temperaturreferenzen, Spannungsreferenzen, Ablaufsteuerungen und Inter- facebaugruppen sein.
Erfindungsgemäß ist mindestens für jede Zeile (oder jede Spalte) ein Vorverstärker W ausgebildet. D.h. im vorliegenden Fall mit 16 Zeilen sind vorzugsweise mindestens 16 Vorverstärker W 6 vorhanden.
Es empfiehlt sich, diesen Vorverstärkern W je einen Tiefpass TP nachzusehalten, dessen Bandbreite (Grenzfrequenz des Tiefpasses) mindestens der Zeilenfrequenz des Arrays entspricht, um SignalVerluste zu vermeiden. Damit beschreibt das Bezugszeichen 6 die Kombination aus Vorverstärker und nachgeschaltetem Tiefpassfilter.
Natürlich kann durch einen vorgeschalteten Multiplexer auch die Anzahl der einzelnen Vorverstärker gegenüber der Spalten- oder Zeilenanzahl reduzieren. Wenn z.B. nicht für jede Zeile oder Spalte genau ein oder mindestens ein Vorverstärker W vorgeschaltet ist, können sich z.B. zwei oder vier Zeilen einen Vorverstärker durch einen Multiplexer teilen.
Wenn z.B. nicht für jeden Vorverstärker ein Tiefpass vorgesehen ist, können sich zwei, drei oder vier Vorverstärker einen Tiefpass über einen vorgeschalteten Multiplexer teilen. In der vorgezogenen Ausführungsform mit einem Vorverstärker W ■und einem Tiefpass TP je Spalte oder Zeile sollte die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters nicht wesentlich höher als die Zeilenfrequenz (bzw. Spaltenfrequenz) sein, weil die Grenzfrequenz des Tiefpasses das Gesamtrauschen von Sensorelement 1 und Vorverstärker begrenzt.
Teilen sich hingegen mehrere Spalten in einen Vorverstärker oder mehrere Vorverstärker in einen Tiefpass, so muss die Grenzfrequenz des Tiefpasses zur Vermeidung von Signalverlusten entsprechend angehoben werden. Die höhere Grenzfrequenz führt allerdings zu einem höheren Rauschen und einer schlechteren thermischen Auflösung.
Die Ausgänge jedes der Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 werden zu einem Ausgangsmultiplexer geführt (z.B. Spaltenmultiple- xer 23), der die parallel anliegenden Ausgangssignale der Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 in ein serielles Ausgangssignal wandelt (siehe auch das Blockschaltbild Fig. 7) .
Die Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 sollten ein niedriges Rauschen und eine geringe Offsetspannung aufweisen. Vorzugsweise wird das mit an sich bekannten Chopperverstärkern (auch Auto-Zero-Verstärker) erreicht. Um die thermische Beeinflussung der integrierten Sensorelemente niedrig zu halten, sollte die Verlustleistung der Vorverstärker W klein sein und vor allem gleichmäßig auf dem Umfang des Sensorchips 1 verteilt sein. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die Vorverstärker mit Tiefpassfilter 6 gleichmäßig auf dem Rand des Sensor- chips 1 verteilt sind.
Beispielsweise ergeben sich für das dargestellte Sensorarray von 16x16 Elementen vier Vorverstärker W mit Tiefpassfilter TP 6 auf jeder Seite und bei z.B. 128x128 Elementen wären es 32 Vorverstärker W mit Tiefpassfilter TP 6 auf jeder Seite.
Weil die Verlustleistung (und damit die Eigenerwärmung) der n Vorverstärker W mit Tiefpassfilter TP 6 erfahrungsgemäß die dominierende Wärmequelle auf dem Sensorchip 1 sind, hat also die symmetrische und gleichmäßige Anordnung der Vorverstärker W Vorrang. Wenn eine oder mehrere der weiteren Elektronikbaugruppen OE 7 ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf die Verlustleistung haben, sind diese erfindungsgemäß so zwischen den Vorverstärker mit Tiefpass- Strukturen 6 auf dem Chiprand anzuordnen, dass eine gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht wird.
Prinzipiell können sich auch mehrere Vorverstärker einen Tief- pass teilen (d.h. je Tiefpass z.B. zwei oder mehrere Vorverstärker) . Das reduziert den Platzaufwand, erhöht aber gleichzeitig die Rauschbandbreite, wodurch sich die erreichbare Temperaturauflösung verschlechtert.
Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Sensorchip 1 mit auf einer Seite verbreitertem Randbereich (in Fig. 2b unten) . Die Elektronikkomponenten OE 7 mit größerer Verlustleistung sind hier auf diesem verbreiterten Randbereich angeordnet, der eine bessere Wärmeableitung' zum Substrat gewährleistet . In dieser Ausführungsform wird ein Teil der anderen Elektronikkomponenten OE 7 (z.B. MUX, Teile der Treiber, A/D-Wandler, Mikro- kontroller o.a.) auf einer oder mehreren Seiten des Chips neben den Vorverstärkern und Tiefpassbaugruppen 6 angeordnet. Dadurch wird bei einer oder mehreren Seiten die Breite des Rahmens (Tragekörper 17) gegenüber den anderen Seiten erhöht.
Ausgeglichen wird die größere Breite durch eine höhere Verlustleistung (Verlustwärme) der zusätzlichen Elektronikkomponenten OE 7. Der breitere Substratrand kann auf Grund der größeren Kontaktfläche proportional mehr Wärme zum TrägerSubstrat 8 abführen, die von den weiteren Baugruppen OE 7 herrührt , so dass die homogene Wärmeverteilung auf dem Chip erhalten bleibt .
Fig . 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der Thermopile- Sensorelemente 13 (thermoelektrische Leitbahnen) mit darüber liegenden Absorberstrukturen 14 für j edes Thermopile- Sensorelement 13 . Sämtliche Thermopile-Sensorelemente 13 befinden sich auf einer dünnen, thermisch gut isolierenden Membran 12 und werden mit Schalttransistoren und Adressleitung 15 akti- viert sowie mit dem Auslese-Multiplexer ( Zeilen-Multiplexer 21 , Spalten-Multiplexer 23 ) verbunden ( siehe Fig . 7 ) .
Das Siliziumsubstrat unter der dünnen Membran 12 ist durch mikromechanische Ätzprozesse wabenförmig z ei chnungs gemäß von unten ausgehöhlt (Aushöhlung 16 ' ) und es verbleiben nur dünne, vorzugsweise senkrechte die Wabenstruktur begrenzende Trennwände 16 im Siliziumsubstrat zwischen den einzelnen Thermopile- Sensorelementen 13 , die mit dem Trägersubstrat 8 verbunden sind . Die Trennwände 16 können zusätzlich unten im Bereich des Träger Substrates 8 j eweils mit einem Luftschutz 16 ' ' versehen werden . Dazu wird das Siliziumsubstrat von unten angeätzt, z . B . auf 1/10 . . . 1/2 der Substratdicke . Fig. 9a zeigt eine schematische Darstellung der in die Trennwände 16 eingebrachten Luftschlitze 16 ' ' und Fig . 9b eine Ansicht des Siliziumsubstrates unter der Membran 12 mit den Luftschlitzen 16 ' , die sich über das gesamte Array der Sensorelemente 2 , 3 , 4 , 5 erstrecken . Ein solches Chip enthält mindestens j e einen dünnen Luftschlitz 16 ' ' pro Zeile oder Spalte des Sensorarrays , wobei die Tiefe der Luftschlitze geringer als die Tiefe des Substrates bis zur Membran ist .
Die eingearbeiteten Schlitze gestatten einen Druckausgleich zwischen den einzelnen Aushöhlungen 16 ' und dem Gehäuseinneren.
Selbst wenn bei der Befestigung des Chips 1 auf dem Trägersub- s trat 8 die einzelnen Aushöhlungen 16 ' Komplett mit dem Träger- substrat 8 abschließen, verhindert der Gasaustausch durch die Luftschlitze 16'' ein Zerbrechen der dünnen Membran 12 durch Unter- oder Überdruck in der Aushöhlung 16'.
Die dünne Membran 12 besteht aus einem CMOS- kompatiblen dielektrischen Material (z.B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, bzw. einer Sandwichstruktur daraus) , wurde durch CVD Prozesse im CMOS Prozess abgeschieden und hat eine typische Dicke von etwa 1 μ.m, wobei prinzipiell Dicken zwischen etwa 0,3 und 4,0 μm möglich sind. Die Materialparameter sind im Vergleich zum Siliziumsubstrat so zu wählen, dass nach dem Abscheiden möglichst keine mechanischen Verspannungen auftreten.
Auf der dünnen Membran 12' sind die einzelnen Thermopile- Sensorelemente SE1,1 bis SE m,n angeordnet. Jedes Thermopile- Sensorelement 13 enthält eine Thermopilestruktur . Die an sich bekannten Thermopiles bestehen aus zwei Materialien mit unterschiedlichem Seebeck- Koeffizienten. Diese Materialien werden im CMOS-Prozess durch Abscheidung von polykristallinem Silizium oder Silizium/Germanium und Aluminium oder vorzugsweise durch n-leitendes und p-leitendes polykristallineε Silizium, hergestellt.
Die einzelnen Thermopaare bestehen aus je einem Schenkel n-leitendem und p-leitendem Poly-Silizium. Beide Poly-Silizium- Schenkel sind vorzugsweise übereinander liegend angeordnet und an den Enden jeweils mit dem folgenden bzw. dem Vorgänger- Thermopaar verbunden. Dadurch entstehen im Zentrum der Membran „warme" Kontakte und im Silizium-Randbereich 17 über den als Wärmesenke wirkenden Silizium-Trennwänden 16 „kalte" Kontakte. Der Silizium-Randbereich dient zugleich als Silizium- Tragekörper 17. Über den heißen Kontakten wird eine Absorberschicht aufgebracht, die für Infrarotstrahlung einen besonders hohen Absorptionskoeffizient aufweist.
Zur Erhöhung der SignalSpannungen werden viele Thermoelemente in Reihe geschaltet, so dass ein Thermopile entsteht.
Die Ätzung der Aushöhlung 16' unter den Sensorelementen 13 erfolgt z.B. durch reaktiven Ionenätzen (RIE) im an sich be- kannten, sogenannten „Deep RIE-Prozess" . Diese Ätzung erfolgt von der Rückseite und stoppt an der Unterseite der Membran 12, z.B. an einer Oxidschicht, die im Vergleich zu Silizium eine sehr niedrige Ätzrate aufweist.
Der Deep RIE-Prozess gestattet die Herstellung der Trennwände 16 mit praktisch senkrechten Wänden. Diese Silizium-Trennwände 16 haben mehrere Funktionen:
- als Wärmesenke für die kalten Kontakte der Thermopiles, - zur thermischen Trennung der Thermopiles untereinander, (Vermeidung von thermischem Übersprechen) und zur mechanischen Stabilisierung der Membran 12 und des Ar- rays .
Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Thermopile-Sensorarrays mit zusätzlichem Abstandshalter 18. Im Gegensatz zum Grundaufbau in Fig. 1 ist der Sensorchip 1 im Querschnitt dargestellt.
Es zeigt die Sensorelemente und Absorberstrukturen 14 und die Siliziumtrennwände 16 zwischen den Sensorelementen dargestellt. Im Randbereich des Sensorchips 1 sind die Vorverstärker w und Tiefpassfilter TP 6 bzw. weitere elektronische Baugruppen 7 angeordnet. Diese elektronischen Baugruppen sind über dem massiven Randbereich des Silizium-Tragekörpers 17 angeordnet, weil die entstehende Verlustleistung (Wärme) in den Baugruppen 6 und 7 möglichst gut zur Bodenplatte 8 abgeleitet werden soll . Ziel der Dimensionierung ist es, die entstehende Temperaturerhöhung im Randbereich 6, 7 so klein wie möglich zu halten, um eine thermische Beeinflussung der Sensorelemente 14 über der Membran 12 (Fig. 3) zu verhindern. Die elektronischen Baugruppen 6, 7 und die Sensorelemente und Absorberstrukturen 14 sind über Drahtbrücken 11 mit dem TrägerSubstrat 8 elektrisch verbunden.
Fig. 4 zeigt auch weitere Ausgestaltungen der Erfindung. So ist zwischen den äußeren Sensorelementen und Absorberstrukturen 14 und dem Siliziumträger 17 im Randbereich eine weitere Aushöh- lung als thermischer Isolationsbereich 19 ausgeführt, ohne dass sich über der darüber weitergeführten Membran 12 ein Sensorelement 14 befindet. Der zusätzliche Isolationsbereich 19 soll das thermische Übersprechen der elektronischen Baugruppen 6, 7 auf die Sensorelemente 14 weiter reduzieren. Der zusätzliche Isola- tionsbereich 19 wird gleichzeitig mit den Aushöhlungen 16' unter den Sensorelementen hergestellt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem Abstandshalter 18, der den Silizium-Tragekörper 17 des Sensor- chips 1 mit de Trägersubstrat 8 verbindet, während die Siliziumtrennwände 16 zwischen den Sensorelementen keinen Kontakt zu dem Trägersubstrat 8 haben. Der Abstandshalter 18 muss aus einem sehr gut wärmeleitfähigen Material bestehen (z.B. Metall, Keramik oder auch Silizium) . Optional kann der Abstandshalter 18 aber auch Bestandteil des Sensorchips 1 sein.
Die ganze Anordnung ist durch eine Kappe 9 umhaust, die auf dem TrägerSubstrat 8 befestigt ist und in der sich zentrisch über dem Sensorchip 1 eine Eintrittsoptik 10, z.B. eine Linse befin- det .
In Fig. 5 sind weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Thermopile Sensorarrays mit unterschiedlich tief geätzten SiIi- zium-Trennwänden 16 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird die bessere thermische Isolation nicht durch einen Abstandshalter 18, wie in Fig. 4 dargestellt, erreicht, sondern durch einen weiteren Abtrag der Silizium-Trennwände 16 zeichnungsgemäß von unten, wodurch ein freigeätzter Spalt 20 über dem Trägersub- strat 8 freigeätzt wird. Dies wird durch einen zusätzlichen Ätzschritt erreicht, bei dem die unteren Enden der Trennwände 16 im Zentralbereich des Sensorchips 1 abgeätzt werden, wobei gleichzeitig die unteren Enden des Siliziumtragekörpers 17 abgedeckt werden müssen.
Nach der Montage des Sensorchips 1 sitzt der Randbereich des Sensorchips 1, d.h. der Silizium-Tragekörper 17 direkt auf dem Trägersubstrat 8 auf, während zwischen den Silizium-Trennwänden 16 und dem TrägerSubstrat 8 der Spalt 20 verbleibt.
Der übrige Aufbau entspricht dem von Fig. 4.
Fig. 6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorarrays . Der Grundaufbau des Sensorarrays mit Sensorchip 1 auf dem Trägersubstra 8 mit Drahtbrücken 11 zur elektrischen Kontaktierung und Eintrittsoptik 10 enthält hier eine Apertur 30. Innerhalb der Kappe 9 ist die Apertur 30 umlaufend angeordnet. Diese Apertur 30 kann z.B. aus Kunststoff, Glas bzw. metallischen, keramischen oder anderen isolierenden Materialien hergestellt werden.
Die dem Sensorchip 1 zugewandte Seite 31 darf nicht für Infrarotstrahlung reflektierend sein. Das kann durch die Wahl des Werkstoffes (die meisten Keramik- und Kunststoffmaterialien sind nicht reflektierend und brauchen keine Zusatzschicht) , oder bei Metallen durch eine absorbierende Schicht erfolgen.
Die die Infrarotstrahlung nicht reflektierende Oberfläche 31 soll verhindern, dass Streudtrahlung von der Eintrittsoptik 10 an der Innenwand der Kappe 9 reflektiert wird und zu den Sensorelementen SE gelangt .
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sen- sorarrays mit einem Zeilenmultiplexer 21 mit zugehöriger Ansteuerung 22 des Zeilen-Multiplexers, einer Vorverstärker- und Tiefpassanordnung 6 für die einzelnen Spalten sowie einem Spal- tenmultiplexer 23 mit zugehöriger Ansteuerung 24. Weiterhin ist ein Analog-Ausgang 25 vorgesehen, der mit dem Ausgang des Spal- tenmultiplexers 23 verbunden ist.
In Fig. 8a ist ein weiteres Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Hier sind zusätzliche Baugruppen für Adressregister 26, Ablaufsteuerung 27 und Ana- log/Digital-Wandler 28 vorgesehen. All diese Baugruppen werden nach/von außen über das digitale Interface 29 verbunden. Ansonsten entspricht Fig. 8a Fig. 7.
Fig. 8b zeigt das Blockschaltbild nach Fig. 8a, das jedoch mit zusätzlichen Temperaturreferenzen 32, 33 versehen ist. Dabei ist eine Temperaturreferenz 32 im Sensorchip 1 und die Temperaturreferenz 33 innerhalb der Kappe 9 angeordnet. Die zusätzlichen Temperaturreferenzen 32, 33 sind unmittelbar mit dem Spal- tenmultiplexer 23 verbunden, und sorgen für eine gute Korrektur der Messwerte.
Die Steuerung des Arrays kann sowohl von außen über angelegte Adressen als auch intern über einen internen Taktgenerator und die Ablaufsteuerung 27 erfolgen. Dabei werden über den Zeilen- Multiplexer 21 die einzelnen Zeilen des Arraysensorfeldes nacheinander (oder bei Bedarf auch mit wahlfreiem Zugriff) aktiviert .
Alle Thermopile- Sensorelemente einer Spalte liegen parallel an dem zugehörigen AusgangsVorverstärker W 6 der Spalte an und werden von diesem verstärkt. Da nur eines der Zeilenelemente aktiviert ist, liegt zu diesem Zeitpunkt nur die Ausgangsinformation am Spaltenmultiplexer 22 an. Vorzugsweise ist der dem Vorverstärker nach geschaltete Tiefpass 6 mit einem Sample & Hold Verstärker abgeschlossen, der den über eine Zeilenperiode lang integrierten Signalwert konstant hält, während die einzelnen Spaltensignale nacheinander abgefragt und zum Ausgang des Spalten- Multiplexers 23 durchgeschaltet werden.
Zur Kompensation von Drifteffekten und Inhomogenitäten der einzelnen Vorverstärker W bzw. Tiefpass TP 6 (z.B. Schwellspannung, Biasstrom) empfiehlt es sich, zu jeder Spalte von Sensorelementen ein Blindelement (z.B. Thermopilestruktur mit identischem Widerstand, aber ohne Signalspannung) einzufügen.
Das Blindelement wird als Referenzspannung mit ausgelesen, vorzugsweise mehrere Perioden lang zur Rauschminderung akkumuliert (gemittelt) und zur Kompensation der Drifteffekte ausgenutzt. Dabei kann das Blindelement z.B. ein gegen IR-Strahlung vom Objekt abgeschirmtes Sensorelement mit eigener Membran oder nur die Widerstandsstruktur eines Thermopiles 13 ohne geätzter Membran sein.
Fig. 10 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einer Reihe von Blindelementen 34, die auf dem äußeren Rand des
Sensorchips 1 angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich unter den Blindelementen jeweils eine eigene Aushöhlung und sind in gleicher Weise wie die eigentlichen Sensorelemente 14 aufgebaut. Eine außerhalb des Sensorchips angeordnete Blende 35 schattet die Blindelemente 34 gegenüber der Infrarot- Strahlung vom Messobjekt ab, während die eigentlichen Sensorelemente an der Blende vorbei zur Eintrittsoptik 10 sehen. Diese Lösung gestattet es, sowohl Drifteffekte der einzelnen Vorverstärker und Tiefpassfilter auszugleichen, als auch den so genannten „Heat Schock Effekt" durch schnelle Umgebungstemperatur-Änderungen zu kompensieren.
In Fig. 10 ist die Blende 35 an das Trägersubstrat 8 montiert. Je nach thermischen Verhältnissen (d.h. dem maximalen Wärmeein- trag beim „Heatschock") , kann die Blende 35 auch an der Kappe 9 oder der Apestur 30 montiert werden.
Die Blende 35 kann entweder auf dem Trägersubstrat 8, wie in Fig. 10 dargestellt, montiert werden, oder auch an der Innen- seite der Kappe 9 befestigt werden. Ein weiterer möglicher Anbringungsort wäre auch die Innenseite der Apertur 30. Die Befestigung an der jeweiligen Baugruppe kann durch die bekannten Befestigungsverfahren wie Kleben, Löten, Einglasen, oder auch durch Schweißen erfolgen.
Funktionswesentlich ist allerdings unabhängig vom Anbringungsort, dass die dem Blindelement 34 zugewandte Innenseite der Blende 35 eine die Infrarotstrahlung absorbierende Oberfläche aufweißt. Das kann durch die Wahl des Werkstoffes (die meisten Keramik- und Kunststoffmaterialien sind nicht reflektierend) oder die metallen durch eine absorbierende Schicht erfolgen.
Thermopile Infrarot Sensorarray
Bezugzeichenliste
1 Sensor Chip
2 SE 1,1; Sensorelement 1. Zeile, 1. Spalte
3 SE l,n; Sensorelement 1. Zeile, n. Spalte
4 SE m,l; Sensorelement m. Zeile, 1. Spalte 5 SE m,n; Sensorelement m. Zeile, n. Spalte
6 Vorverstärker mit Tiefpassfilter
7 OE, andere Elektronikkomponenten
8 TrägerSubstrat
9 Kappe 10 Eintrittsoptik
11 Drahtbrücke
12 Membran
13 Thermopile Sensorelement
14 Absorberstruktur eines Sensorelementes 15 Schalttransistor und Adressleitung eines Sensorelementes
16 Trennwand
16 ' Aushöhlung
16'' Luftschlitz 17 Silizium-Tragekörper
18 Abstandshalter
19 Iεolationsbereich
20 freigeätzter Spalt
21 Zeilen-Multiplexer 22 Ansteuerung Zeilen-Multiplexer
23 Spalten-Multiplexer
24 Ansteuerung Spaltenmultiplexer
25 Analog-Ausgang 26 Adressregister 27 Ablaufsteuerung Analog/Digital Konverter Digitales Interface Apertur Infrarotstrahlung nicht reflektierende Oberfläche Temperaturreferenz Temperaturreferenz Blindelement Blende für Blindelement

Claims

Thermopile Infrarot SensorarrayPatentansprüche
1. Tlαermopile Infrarot Sensorarray, bestehend aus einem Sensorchip mit einer Vielzahl von Thermopile- Sensorelementen, aufgebaut auf einem Halbleitersubstrat eines Sensor-Chips und zugehörigen Elektronikkomponenten, wobei das Sensorchip auf einem Trägersubstrat montiert und mit einer Kappe umhaust ist, in der zentrisch über dem Sensorchip eine Eintrittsoptik angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem HaIb- leitersubstrat des Sensor-Chips (1) eine dünne Membran (12) aus nicht leitendem Material angeordnet ist, auf der sich Thermopile Sensorelemente (13) in einem Array befinden, wobei die Rückseite der Membran (12) unter jedem Thermopile Sensorelement (13) freigeätzt ist und dass die Elektronikkomponenten (6, 7) im Randbereich des Sensorchips (1) angeordnet sind, wobei mindestens für jede vierte, vorzugsweise für jede Spalte oder Zeile von Sensorelementen (13, 14) jeweils Vorverstärker W mit Tiefpaεs TP (6) vorgesehen sind.
2. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat des Sensor-Chips (1) unter den Sensorelementen derart mit Aushöhlungen (16') versehen ist, dass im Grenzbereich zwischen den Sensorelementen dünne, senkrechte oder fast senkrechte Trenn- wände (16) aus dem Halbleitersubstratmaterial befinden und die Membran (12) die Aushöhlungen (16') überdeckt und dass das Sensor-Chip (1) einen massiven Randbereich als Silizium- Tragekörper (17) aufweist.
3. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (16) ober- halb des Trägersubstrates (8) enden.
4. Thermopile Infrarot Sensorarray nach. Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen dem massiven Silizium-Tragekörper (17) und dem Trägersubstrat (8) Abstandshalter (18) angeordnet sind.
5. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 2 und 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Trennwände (16) durch eine Überätzung verkürzt sind.
6. Thermopile Infrarot Sensorarray nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Trennwände (16) mit Belüftungsschlitzen (16'') versehen sind.
7. Thermopile Infrarot Sensorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die einzelnen Vorverstärker W (6) und die anderen Elektronikkomponenten (7) derart gleichmäßig auf dem Randbereich (17) des Sensor-Chips (1) verteilt angeordnet sind, dass sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung durch die entstehende Verlustwärme ergibt.
8. Thermopile Infrarot Sensorarray nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass das Sensorchip (1) mit wenigstens einem auf einer Seite verbreiterten Randbereich versehen ist, auf dem die Elektronikkomponenten OE (7) mit größerer Verlustleistung angeordnet sind.
9. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Vorverstär¬ ker (W) mit einem oder mehreren Tiefpassfiltern (TP) verknüpft sind, dessen Grenzfrequenz gleich oder höchstens zwei bis dreimal höher ist, als die Zeilenauslesefrequenz bzw. Spaltenausle- sefrequenz des Sensorarrays .
10. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Vorverstärker mit je einem Tiefpassfilter verknüpft sind, dessen Grenzfreguenz gleich oder nicht viel höher, höchstens jedoch zwei- bis dreimal höher als die Zeilen- bzw. Spaltenauslesefre- quenz der Sensorarrays ist.
11. Thermopile Infrarot Sensorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Vorverstär- ker W neben den eigentlichen Sensorelementen mindestens ein weiteres Blindelement zur Kompensation von Fehlersignalen zugeordnet ist.
12. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 11, da- durch gekennzeichnet, dass die Blindelemente (34) aus den selben Sensorschichten wie die eigentlichen Sensorelemente (13) hergestellt sind, unter denen aber keine Aushöhlung angeordnet ist.
13. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindelemente (34) mit die Infrarotstrahlung abblendenden oder reflektierenden Deckschichten versehen sind.
14. Thermopile Infrarot Sensoraray nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindelemente (34) identisch wie die eigentlichen Sensorelemente aufgebaut sind, jedoch im Randbereich des Sensorchips (1) angeordnet und durch eine Blende (35) von der Strahlung des Messobjektes abgeschirmt sind.
15. Thermopile Infrarot Sensorarray nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat zwischen der letzten Trennwand (16) der äußeren Reihe von Thermopile- Sensorelementen und dem Randbereich des Sensor-Chips (1) mindestens einen weiteren ausgehöhlten Isola- tionsbereich (19) aufweist.
16. Thermopile Infrarot Sensorarray nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Kappe (9) auf der den Sensorelementen zugewandten Innenseite eine die Infrarotstrahlung absorbierende Oberfläche (31) aufweist.
17. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, dass innerhalb der Kappe (9) eine Apertur (30) angeordnet ist.
18. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , dass die Apertur (30) aus einem die Infrarotstrahlung nicht reflektierenden Material besteht.
19. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sensorelementen zugewandten Seite der Apertur (30) eine die Infrarotstrahlung absorbierende Oberflächenbeschichtung aufweist.
20. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die dünne Membran (12) aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder einem ähnlichen Material besteht.
21. Thermopile Infararot Sensorarray nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet , dass die Unterseite des Sensorchips (1) mindestens unter dem Silizium-Tragekörper
(17) mit einem Verbindungsstoff sehr hoher Wärmeleitfähigkeit auf dem Trägersubstrat (8) montiert ist.
22. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des Sensorchips (1) sowohl unter dem Silizium-Tragekörper (17) , als auch unter den Trennwänden (16) mit einem VerbindungsStoff hoher Wärmeleitfähigkeit auf dem TrägerSubstrat (8) montiert ist.
23. Thermopile Infrarot Sensorarray nach Anspruch 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass der VerbindungsStoff ein metall- oder keramikgefüllter Klebstoff, ein metallisches Lot oder eine metall- oder keramikgefüllte Glasmasse ist.
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