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Dokumentenidentifikation DE10004216C2 19.09.2002
Titel Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung und Verwendung der Vorrichtung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bruchhaus, Rainer, Dr.rer.nat., 80997 München, DE;
Zapf, Jörg, Dipl.-Geophys., 81927 München, DE;
Hacke, Hans Jürgen, Dipl.-Ing., 81475 München, DE
DE-Anmeldedatum 01.02.2000
DE-Aktenzeichen 10004216
Offenlegungstag 09.08.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse H01L 37/00
IPC-Nebenklasse G01J 5/12   H01L 31/0203   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit mindestens einem thermischen Detektorelement zur Umwandlung der Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal, mindestens einem Trägerkörper des Detektorelements, der ein halbleitendes Material aufweist, und einem im Trägerkörper angeordneten Detektionsfenster mit einer bestimmten Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detektorelements mit der Wärmestrahlung. Neben der Vorrichtung wird eine Verwendung der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung angegeben. Das Detektionsfenster weist das halbleitende Material auf. Die Transmission des Detektionsfensters ist im Wesentlichen durch das halbleitende Material bestimmt. Zwischen dem Trägerkörper und dem Detektorelement ist eine zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweigreichende, für die Wärmestrahlung transparente, thermische Isolationsschicht zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers und des Detektorelements angeordnet. Neben der Vorrichtung wird ein Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung unter Verwendung der Vorrichtung angegeben.

Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus US 4 593 456 bekannt. Eine derartige Vorrichtung wird als Pyrodetektor bezeichnet. Das thermische Detektorelement ist ein pyroelektrisches Detektorelement. Das Detektorelement ist mit einem Substrat aus Silizium verbunden. Durch das Substrat hindurch gelangt die Wärmestrahlung zum Detektorelement. Das Substrat fungiert als Detektionsfenster mit der bestimmten Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detektorelements mit der Wärmestrahlung. Zwischen dem Substrat und dem Detektorelement befindet sich eine Isolationsschicht zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers und des Detektorelements.

Diese Schicht ist ein Hohlraum zwischen dem Trägerkörper und dem Detektorelement.

Eine dazu alternative Vorrichtung geht beispielsweise aus DE 195 25 071 A1 hervor. Das Detektorelement ist auf einer Siliziumschicht aufgebracht. Die Siliziumschicht befindet sich auf einer elektrisch isolierenden Membranschicht. Die Membranschicht ist beispielsweise eine Si3N4/SiO2/Si3N4 -Dreifach-Schicht. Diese Membranschicht ist wiederum auf einem Trägerkörper (Substrat) angebracht, der aus Silizium besteht. Das Detektorelement weist einen Schichtaufbau auf mit zwei Elektroden aus Platin und einer zwischen den Elektroden angeordneten pyroelektrischen Schicht aus pyroelektrisch sensitivem Material. Das Detektorelement ist über eine der Elektroden auf der Siliziumschicht aufgebracht. Der Trägerkörper weist ein Detektionsfenster auf mit einer Grundfläche, die im wesentlichen einer Grundfläche des pyroelektrischen Detektorelements entspricht. Das Detektionsfenster ist ein Ausschnitt des Trägerkörpers. Dabei ist Material des Trägerkörpers bis zur Membranschicht hin entfernt. Da dieser Ausschnitt frei ist, hängt die Transmission des Detektionsfensters im wesentlichen von einem Gas ab, mit dem der Ausschnitt gefüllt ist. Durch das Detektionsfenster gelangt die Wärmestrahlung auf das Detektorelement. Dazu verfügt auch die Membranschicht über eine geeignete Transmission für die Wärmestrahlung.

Eine weitere Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung ist aus DE 196 45 036 A1 bekannt. Dabei ist ein pyroelektrisches Detektorelement auf einem Trägerkörper aus Silizium aufgebracht. Zwischen dem Detektorelement und dem Trägerkörper ist eine Isolationsschicht zur elektrischen und thermischen Isolierung des Detektorelements und des Trägerkörpers angeordnet. Die Isolationsschicht verfügt dabei über einen evakuierten Hohlraum, der sich über die Grundfläche des Detektorelements hinweg erstreckt, eine Stützschicht des Hohlraums und eine Abdeckung der Stützschicht und des Hohlraums. Die Stützschicht besteht beispielsweise aus Polysilizium und die Abdeckung aus Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG). Auf der Abdeckung ist ein schichtförmiges, pyroelektrisches Detektorelement über einer unteren Elektrode des Detektorelements aufgebracht. Das pyroelektrisch sensitive Material des Detektorelements ist Bleizirkonattitanat (PZT). Eine Absorption der Wärmestrahlung erfolgt im wesentlichen durch eine obere, nicht mit der Abdeckung in Berührung stehende CrNi-Elektrode. Bei dieser Vorrichtung erfolgt die Bestrahlung des Detektorelements von einer vom Trägerkörper wegweisenden Seite des Detektorelements aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen im Vergleich zum aufgezeigten Stand der Technik kompakteren Aufbau einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung anzugeben.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit mindestens einem thermischen Detektorelement zur Umwandlung der Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal, mindestens einem Trägerkörper des Detektorelements, der ein halbleitendes Material aufweist, einem im Trägerkörper angeordneten Detektionsfenster mit einer bestimmten Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detektorelements mit der Wärmestrahlung, wobei das Detektionsfenster das halbleitende Material aufweist und die Transmission des Detektionsfensters im Wesentlichen durch das halbleitende Material bestimmt ist, und einer zwischen dem Trägerkörper und dem Detektorelement angeordneten, zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg reichenden, für die Wärmestrahlung transparenten, thermischen Isolationsschicht zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers und des Detektorelements angegeben. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht eine Schichtfolge mit einem am Trägerkörper angrenzenden, evakuierbaren Hohlraum, eine am Detektorelement angrenzenden Abdeckung des Hohlraums aus einem Oxid und einer zwischen dem Hohlraum und der Abdeckung eingelagerten Stützschicht des Hohlraums aus Polysilizium aufweist.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, den Trägerkörper bzw. das Substrat selbst als Detektionsfenster zu benutzen. Die Bestrahlung des Detektorelements erfolgt durch das Substrat hindurch.

Die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), die mit der Vorrichtung detektiert werden kann, weist eine Wellenlänge von über 1 µm auf. Vorzugsweise ist die Wärmestrahlung aus einem Bereich von 5 bis 15 µm ausgewählt.

Das thermische Detektorelement dient einer Umwandlung von thermischer Energie in Form von Wärmestrahlung in elektrische Energie. Das thermische Detektorelement basiert beispielsweise auf dem Seebeck-Effekt oder dem pyroelektrischen Effekt. Voraussetzung dafür ist eine Absorption der Wärmestrahlung durch jeweils ein den entsprechenden Effekt auslösendes, thermisch sensitives Material des Detektorelements. Die Absorption erfolgt direkt durch das thermisch sensitive Material. Denkbar ist aber auch, dass die Wärmestrahlung durch eine Elektrode des Detektorelements absorbiert wird. Zudem ist es auch möglich, dass die Wärmestrahlung durch einen Absorptionsgegenstand in unmittelbarer Nähe des Detektorelements absorbiert und eine dadurch aufgenommene Wärmemenge durch Konvektion oder Wärmeleitung an das thermisch sensitive Material abgegeben wird. Der Absorptionsgegenstand fungiert als Energietransmitter.

Der Trägerkörper ist insbesondere eine Platte oder Scheibe. Dabei ist das Detektorelement auf einer Oberfläche der Platte mittelbar oder unmittelbar angebracht. Beispielsweise ist das Detektorelement auf der Oberfläche aufgeklebt oder aufgelötet. Insbesondere bilden das Detektorelement und der Trägerkörper einen monolithischen Verbund. Dabei wird ein mehrschichtiges Detektorelement beispielsweise mittels Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) schichtweise auf dem Trägerkörper aufgebracht. Der so erhaltene Mehrschichtkörper wird anschließend zum monolithischen Verbund gesintert.

Das Detektionsfenster hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass die Wärmestrahlung zur Absorption auf das Detektorelement und/oder den Absorptionsgegenstand treffen kann. Voraussetzung dafür ist, dass das Detektionsfenster in Richtung des Detektorelements eine bestimmte Transmission für die Wärmestrahlung aufweist. Die Transmission ist möglichst hoch und beträgt beispielsweise über 50%, insbesondere aber über 70% bis nahezu 100%. Das Detektionsfenster ist im Trägerkörper integriert.

Bei einer Lösung, bei der das Detektorelement von einer dem Trägerkörper abgewandten Seite her bestrahlt wird, muss auf dieser Seite für eine entsprechende Möglichkeit der Bestrahlung des Detektorelements gesorgt werden. Dies gelingt beispielsweise mit Hilfe eines in einem Gehäuse integrierten Detektionsfensters. In dem Gehäuse ist die Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung angeordnet. Ein derartiger Aufbau ist im Vergleich zur vorliegenden Erfindung komplizierter. Es muss für eine zusätzliche Komponente, nämlich das "externe", nicht im Trägerkörper des Detektorelements integrierte Detektionsfenster gesorgt werden.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das halbleitende Material aus der Gruppe Germanium und/oder Silizium ausgewählt. Diese Materialien verfügen über eine ausreichende Transmission für eine Wärmestrahlung einer Wellenlänge von 5 µm bis 15 µm. Das Detektionsfenster ist direkt aus dem halbleitenden Material gebildet. Der Trägerkörper fungiert dabei selbst als Detektionsfenster. Ein Detektionsfenster in Form einer Aussparung im Trägerkörper muss nicht erst geschaffen werden. Dies trägt zu einer erhöhten Stabilität des Trägerkörpers bei. Der Trägerkörper kann beispielsweise dünner sein als der der bekannten Vorrichtung. Dadurch ist es möglich, einen im Vergleich zum bekannten Stand der Technik kompakteren Aufbau der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung zu erzielen. Zudem sind beim Herstellen der Vorrichtung Verfahrensschritte zur Erzeugung der Aussparung nicht nötig. Darüber hinaus gibt es insbesondere im Fall des Siliziums aus der Mikromechanik vielfältige, bekannte Strukturierungsmöglichkeiten bzw. Möglichkeiten zur Integration einer elektrischen Schaltung. Beispielsweise ist im Trägerkörper eine Ausleseeinrichtung integriert zum Auslesen, Verarbeiten und/oder Weiterleiten des vom Detektorelement erzeugten elektrischen Signals. Die Ausleseeinrichtung ist beispielsweise durch ein aus der CMOS- Technik (Complementary Metalloxide Semiconductors) bekanntes Verfahren hergestellt.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das thermische Detektorelement ein pyroelektrisches Detektorelement. Das pyroelektrische Detektorelement besteht beispielsweise aus einer pyroelektrischen Schicht mit einem pyroelektrisch sensitiven Material. Dieses Material ist beispielsweise eine Keramik, wie Lithiumniobat (LiNbO3) oder Bleizirkonattitanat. Denkbar ist auch ein ferroelektrisches Polymer wie Polyvinylidenfluorid (PVDF). Die Schicht mit dem pyroelektrisch sensitiven Material weist auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils mindestens eine Elektrodenschicht auf. Als Elektrodenmaterial der Elektrodenschicht kommt beispielsweise Platin oder eine Platinlegierung in Frage. Denkbar ist auch eine CrNi- Elektrode oder eine Elektrode aus einem elektrisch leitenden Oxid, Strontiumruthenat (SrRuO3). Das Detektorelement verfügt beispielsweise über eine rechteckige Grundfläche mit einer Kantenlänge von 25 µm bis 200 µm.

In einer besonderen Ausgestaltung ist zwischen dem Detektorelement und dem Trägerkörper mindestens eine elektrische und/oder thermische Isolationsschicht vorhanden. Durch eine thermische Isolationseigenschaft der Isolationsschicht wird gewährleistet, dass im wesentlichen nur ein thermischer Effekt im Detektorelement selbst zur Auslösung eines elektrischen Signals führt. Eine Wärmeleitung des Trägerkörpers zum Detektorelement ist weitgehend unterbunden. Dazu verfügt die Isolationsschicht beispielsweise über einen evakuierten Hohlraum zumindest über die Grundfläche des Detektorelements hinweg. Der Hohlraum ist durch eine flächige Stützschicht aus Polysilizium abgestützt. Den Abschluss der Isolationsschicht bildet eine Abdeckung der Stützschicht bzw. des Hohlraums. Die Abdeckung ist aus einem Oxid, beispielsweise aus einem Bor-Phosphor-Silikat-Glas. Auf der Abdeckung ist das Detektorelement aufgebracht. Die Isolationsschicht entkoppelt das Detektorelement und den Trägerkörper thermisch. Zudem wird mit Hilfe des Hohlraums eine Wärmekapazität des Detektorelements im Vergleich zu einer Isolationsschicht ohne Hohlraum verringert. Dadurch erhöht sich eine Temperaturauflösung der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung. Die Isolationsschicht entkoppelt das Detektorelement und den Trägerkörper auch elektrisch. Dadurch kann beispielsweise in der Isolationsschicht eine definierte elektrische Verbindung zwischen dem Detektorelement und dem Trägerkörper hergestellt sein. Diese Verbindung beinhaltet beispielsweise die Ausleseeinrichtung des elektrischen Signals. Da die Bestrahlung des Detektorelements von der Seite des Trägerkörpers her erfolgt, weist nicht nur der Trägerkörper bzw. das Detektionsfenster des Trägerkörpers, sondern auch die Isolationsschicht eine bestimmte Transmission für die Wärmestrahlung auf.

In einer besonderen Ausgestaltung ist mindestens ein Detektorarray mit mehreren Detektorelementen vorhanden. Ein Detektorelement ist ein Pixel des Detektorarrays. Das Detektorarray zeichnet sich beispielsweise durch eine spalten- und zeilenförmige Anordnung der Detektorelemente aus. Denkbar ist auch eine willkürliche, flächige Verteilung der Detektorelemente. Vorteilhaft sind die Detektorelemente auf einem einzigen Trägerkörper aufgebracht. Denkbar ist auch, dass jedes Detektorelement des Detektorarrays auf einem eigenen Trägerkörper, also vereinzelt vorliegt. Mit Hilfe des Detektorarrays ist es möglich, eine Ortsauflösung der Wärmestrahlung zu erzielen. Bei einer zeilenförmigen Anordnung der Detektorelemente sind die Detektorelemente eindimensional in einer Richtung verteilt. Bei einer spalten- und zeilenförmigen Anordnung liegt eine zweidimensionale Verteilung vor. Das Detektorarray besteht beispielsweise aus 20 × 20 einzelnen Detektorelementen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine Umhüllung des Detektorelements zum Schutz des Detektorelements vor einem Umwelteinfluss vorhanden. Bei einem Detektorarray weist vorteilhaft das gesamte Detektorarray eine derartige Umhüllung auf. Der Umwelteinfluss ist beispielsweise Staub, Luftfeuchtigkeit oder eine ätzende Chemikalie, die das Detektorelement angreifen würde. Durch den Umwelteinfluss ist eine Funktionsfähigkeit des Detektorelements gefährdet. Um eine Gefährdung der Funktionsfähigkeit weitgehend auszuschließen, verfügt die Vorrichtung über die Umhüllung. Die Umhüllung ist das Detektorelement oder die Detektorelemente umschließend angeordnet.

In einer besonderen Ausgestaltung sind die Umhüllung und der Trägerkörper und/oder die Umhüllung und die Isolationsschicht durch einen Stoffschluss fest miteinander verbunden. Unter Stoffschluss ist ein mit Hilfe eines Stoffes hergestellter, formschlüssiger und eventuell fester Kontakt zu verstehen. Der Stoffschluss verhindert beispielsweise ein Einwirken von Feuchtigkeit auf das Detektorelement. Zusammen mit der Umhüllung bewirkt der Stoffschluss einen hermetischen Abschluss des Detektorelements gegenüber der Umgebung.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Stoffschluss einen Stoff auf, der aus der Gruppe Klebstoff und/oder Lot ausgewählt ist. Der Klebstoff ist dabei im Hinblick auf einen Einsatz der Vorrichtung ausgewählt. Bei einem Einsatz der Vorrichtung in einer Umgebung, die sich durch eine Lösungsmittelatmosphäre auszeichnet, ist der Klebstoff insbesondere gegenüber einem verwendeten Lösungsmittel inert. Lot ist dann von Vorteil, wenn die Umhüllung aus einem lötbaren Material besteht. Wenn das Material eine Keramik ist, ist das Lot vorzugsweise ein Glaslot. Das Lot kann auch ein Metall sein. Vorteilhaft sind Trägerkörper und/oder Isolationsschicht mit der Umhüllung über einen Lötrahmen miteinander verbunden.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Umhüllung mindestens eine elektrische Signalleitung zum Weiterleiten des elektrischen Signals auf. Das elektrische Signal ist entweder direkt das vom Detektorelement erzeugte elektrische Signal oder ein elektrisches Signal, das von der Ausleseeinrichtung erzeugt wird. Die Ausleseeinrichtung verstärkt beispielsweise das elektrische Signal des Detektorelements. Die Signalleitung leitet das entsprechende elektrische Signal beispielsweise an eine Auswerteeinrichtung weiter. Die elektrische Signalleitung ist direkt mit der Ausleseeinrichtung und/oder dem Detektorelement elektrisch leitend verbunden. Dazu verfügt beispielsweise die Umhüllung, die Isolationsschicht und/oder der Trägerkörper über entsprechende Lötkontakte (Lötpads). Über die Lötkontakte wird die elektrische Leitung der Umhüllung mit dem Detektorelement und/oder der Ausleseeinrichtung elektrisch kontaktiert. Die Lötkontakte können dabei dem Stoffschluss dienen.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Umhüllung mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper auf. In dem keramischen Mehrschichtkörper kann die elektrische Signalleitung auf einfache Weise integriert sein. Zudem kann sehr leicht ein elektrischer Kontakt nach außen hin, beispielsweise zur Ausleseeinrichtung oder zur Auswerteeinrichtung, erzeugt sein.

Insbesondere ist der keramische Mehrschichtkörper mit LTCC- Technik (Low Temperature Cofired Ceramics) zur Integration eines elektrischen Bauelements aufgebaut. Die LTCC-Technik ermöglicht es, ein niedrigohmiges Leitermaterial wie Kupfer oder Silber einem keramischen Sinterprozess in Gegenwart von Sauerstoff zu unterziehen. Dabei wird niedrig sinternde Glaskeramik verwendet mit einer Sintertemperatur beispielsweise unter 950°C. Die Glaskeramik weist neben einer Keramik eine Glaskomponente auf. Die Glaskomponente ist beispielsweise Aluminiumoxid, Boroxid oder ein anderes Erdalkalioxid. Mit Hilfe der LTCC-Technik kann eine beliebige Leiterstruktur, bestehend aus elektrischen Leiterbahnen und elektrischen Durchkontaktierungen durch die Schichten des Mehrschichtkörpers erzeugt sein. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass der Trägerkörper bzw. die Isolationsschicht des Trägerkörpers (beispielsweise aus einem Oxid) und der keramische Mehrschichtkörper leicht mit Hilfe von Glaslot zusammengelötet werden können.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die zuvor beschriebene Vorrichtung bei einem Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung verwendet, wobei die Wärmestrahlung auf das Detektionsfenster mit dem halbleitenden Material des Trägerkörpers trifft, von dem Detektionsfenster transmittiert wird, zum thermischen Detektorelement gelangt und im Detektorelement in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Gemäß der Verwendung erfolgt somit eine Bestrahlung des Detektorelements durch den Trägerkörper hindurch. Der Trägerkörper fungiert selbst als Detektionsfenster für die Wärmestrahlung. Verfügt die Vorrichtung über ein Detektorarray, kann die Detektion der Wärmestrahlung ortsaufgelöst erfolgen. Eine Ortsauflösung ist beispielsweise für einen Anwesenheitssensor vorteilhaft, mit dessen Hilfe eine Anwesenheit einer Person beispielsweise in einem Raum festgestellt werden soll.

Zusammengefasst ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

  • - Durch die Verwendung des Trägerkörpers bzw. des Substrats selbst als Detektionsfenster resultiert ein kompakter und einfacher Aufbau der Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung.
  • - Die dem Detektorelement zugekehrte Seite des Trägerkörpers bzw. der Isolationsschicht ist frei verfügbar und kann beispielsweise zum Herstellen einer elektrischen Schaltung zum Auslesen und/oder Verarbeiten der durch Wärmestrahlung erzeugten elektrischen Signale verwendet werden.
  • - Durch die Umhüllung des Detektorelements und/oder des Detektorarrays, die auf der dem Detektorelement bzw. dem Detektorarray zugekehrten Seite des Trägerkörpers bzw. der Isolationsschicht angebracht ist, ist ein hermetischer Abschluss und damit eine Funktionssicherheit des Detektorelements bzw. des Detektorarrays sichergestellt.
  • - Durch eine Umhüllung in Form eines keramischen Mehrschichtkörpers in LTCC-Technik werden elektrische Schaltungen mit geringem Platzbedarf bereitgestellt, die zum Weiterverarbeiten der elektrischen Signale des Detektorelements bzw. des Detektorarrays benötigt werden.
  • - Es resultiert eine kostengünstige Gehäusetechnik für eine integrierte Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung und einem Detektorelement und/oder einem Detektorarray.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird im Folgenden eine Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit einem Detektorelement.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung mit einem Detektorarry.

Die Vorrichtung 1 zur Detektion von Wärmestrahlung 3 weist ein Detektorarray 9 aus fünf zeilenförmig angeordneten pyroelektrischen Detektorelementen 2 (Fig. 2) auf. Ein Detektorelement 2 besteht aus einer pyroelektrischen Schicht 15 aus Bleizirkonattitanat (Fig. 1). An den gegenüberliegenden Seiten dieser Schicht 15 ist jeweils eine Elektrode 16 und 17 angebracht. Die Elektroden 16 und 17 bestehen aus Platin. Das Detektorelement 2 ist rechteckig mit einer Kantenlänge von 50 µm. Das Detektorelement 2 ist auf einem Trägerkörper 5 aus dem halbleitenden Material Silizium 6 angeordnet. Zwischen dem Trägerkörper 5 und dem Detektorelement 2 ist eine elektrische und thermische Isolationsschicht 8 vorhanden. Die Isolationsschicht 8 verfügt über einen schichtartigen Aufbau. Zur thermischen Isolierung von Trägerkörper 5 und Detektorelement 2 ist in der Isolationsschicht 8 an den Trägerkörper 5 angrenzend ein Hohlraum 18 vorhanden. Der Hohlraum 18 ist evakuiert und erstreckt sich über die Grundfläche des Detektorelements 2 hinaus. Zudem verfügt die Isolationsschicht 8 über eine Stützschicht 19 aus Polysilizium zur Abstützung des Hohlraums 18. Den Abschluss der Isolationsschicht 8 beziehungsweise die Abdeckung des Hohlraums 18 und der Stützschicht 19 bildet eine Schicht 20 aus Bor-Phosphor-Silikat- Glas.

Die Bestrahlung des Detektorelements 2 durch die Wärmestrahlung erfolgt von der Seite des Trägerkörpers 5 her. Dazu verfügt der Trägerkörper 5 über ein Detektionsfenster 7. Im Ausführungsbeispiel ist der Trägerkörper 5 selbst das Detektionsfenster 7 bzw. ein Teil des Trägerkörpers 5 bildet das Detektionsfenster 7. Das Detektionsfenster 7 besteht wie der Trägerkörper 5 aus Silizium 6 mit einer für die Detektion der Wärmestrahlung 3 ausreichenden Transmission.

In der Isolationsschicht 8 und im Trägerkörper 5 ist eine Ausleseeinrichtung 21 für jedes der Detektorelemente 2 integriert. Die Ausleseeinrichtungen 21 verstärken die durch die Detektorelemente 2 erzeugten elektrischen Signale 4.

Das Detektorarray 9 verfügt über eine Umhüllung 10 in Form eines keramischen Mehrschichtkörpers. Der keramische Mehrschichtkörper ist mit Hilfe der LTCC-Technik aufgebaut. Er schirmt die Detektorelemente 2 des Detektorarrays 9 gegenüber einem Umwelteinfluss 11 ab. Dazu ist die Umhüllung 10 mit Hilfe eines Lötrahmens 13 an die Isolationsschicht 8 angelötet. Der Lötrahmen 13 stellt den Stoffschluss zwischen der Isolationsschicht 8 und der Umhüllung 10 her.

Der Mehrschichtkörper 10 verfügt über elektrische Signalleitungen 14 und elektrische Kontakte 22 zum Weiterleiten der von den Detektorelementen 2 erzeugten elektrischen Signale nach außen. Dazu sind die Signalleitungen 14 mit den Ausleseeinrichtungen 21 über die elektrischen Kontakte (Lötpads) 22 kontaktiert. Die Signalleitungen stehen zudem mit weiteren elektrischen Kontakten 23 in Verbindung, an denen die weitergeleiteten Signale abgegriffen werden können.

Die Bestrahlung der Detektorelemente 2 des Detektorarrays 9 erfolgt durch den Trägerkörper 5 hindurch. Dabei trifft die Wärmestrahlung 3 auf das Detektionsfenster 7 aus Silizium 6. Dort wird die Wärmestrahlung 3 transmittiert und gelangt (nach Transmission durch die Isolationsschicht) zum Detektorelement 2. Im Detektorelement 2 wird die Wärmestrahlung 3 in ein elektrisches Signal 4 umgewandelt. Mit Hilfe des Detektorarrays 9 erfolgt die Detektion der Wärmestrahlung 3 ortsaufgelöst. In dem Ausführungsbeispiel verfügen die Detektorelemente 2 des Detektorarrays 9 über ein gemeinsames Detektionsfenster 7, wobei jedes Detektionselement 2 nur einen Teil des Detektionsfensters 7 nutzt.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Detektion von Wärmestrahlung (3) mit

    mindestens einem thermischen Detektorelement (2) zur Umwandlung der Wärmestrahlung (3) in ein elektrisches Signal (4),

    mindestens einem Trägerkörper (5) des Detektorelements (2), der ein halbleitendes Material (6) aufweist,

    einem im Trägerkörper (5) angeordneten Detektionsfenster (7) mit einer bestimmten Transmission für die Wärmestrahlung zum Bestrahlen des Detektorelements (2) mit der Wärmestrahlung (3), wobei das Detektionsfenster (7) das halbleitende Material (6) aufweist und die Transmission des Detektionsfensters (7) im wesentlichen durch das halbleitende Material (6) bestimmt ist, und

    einer zwischen dem Trägerkörper (5) und dem Detektorelement (2) angeordneten, zumindest über eine Grundfläche des Detektorelements hinweg reichenden, für die Wärmestrahlung transparenten, thermischen Isolationsschicht (8) zum thermischen Entkoppeln des Trägerkörpers (5) und des Detektorelements (2),

    dadurch gekennzeichnet, dass

    die Isolationsschicht (8) eine Schichtfolge mit einem am Trägerkörper(5) angrenzenden, evakuierbaren Hohlraum (18), einer am Detektorelement (2) angrenzenden Abdeckung (20) des Hohlraums (18) aus einem Oxid und einer zwischen dem Hohlraum (18) und der Abdeckung (20) eingelagerten Stützschicht (19) des Hohlraums (18) aus Polysilizium aufweist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das halbleitende Material (6) aus der Gruppe Germanium und/oder Silizium ausgewählt ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das thermische Detektorelement (2) ein pyroelektrisches Detektorelement ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens ein Detektorarray (9) mit mehreren Detektorelementen (2) vorhanden ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine Umhüllung (10) des Detektorelements (2) zum Schutz des Detektorelements (2) vor einem Umwelteinfluss (11) vorhanden ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Umhüllung (10) und der Trägerkörper (5) und/oder die Umhüllung (10) und die Isolationsschicht (8) durch einen Stoffschluss fest miteinander verbunden sind.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Stoffschluss einen Stoff (13) aufweist, der aus der Gruppe Klebstoff und/oder Lot ausgewählt ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Umhüllung (10) mindestens eine elektrische Signalleitung (14) zum Weiterleiten des elektrischen Signals (4) aufweist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Umhüllung (10) mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper aufweist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der keramische Mehrschichtkörper Glaskeramik aufweist.
  11. 11. Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung (3) unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wärmestrahlung 3
    1. a) auf das Detektionsfenster (7) mit dem halbleitenden Material (6) des Trägerkörpers (5) trifft,
    2. b) von dem Detektionsfenster (7) transmittiert wird,
    3. c) zum thermischen Detektorelement (2) gelangt und
    4. d) im Detektorelement (2) in ein elektrisches Signal (4) umgewandelt wird.






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