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DE102017201549A1 - Thermal detector device - Google Patents

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DE102017201549A1
DE102017201549A1 DE102017201549.7A DE102017201549A DE102017201549A1 DE 102017201549 A1 DE102017201549 A1 DE 102017201549A1 DE 102017201549 A DE102017201549 A DE 102017201549A DE 102017201549 A1 DE102017201549 A1 DE 102017201549A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
detector
chambers
thermal
chamber
detector device
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102017201549.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Viktor Kraus
Paul Koop
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102017201549.7A priority Critical patent/DE102017201549A1/en
Publication of DE102017201549A1 publication Critical patent/DE102017201549A1/en
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Abstract

Thermische Detektorvorrichtung (100), aufweisend:- wenigstens zwei Detektorkammern (10, 20);- wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) unterschiedliche Innendrücke (V1, V2) ausgebildet ist; und- wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) ein Detektorelement (13, 23) angeordnet ist, mit dem eine auftreffende Messstrahlung (OP) in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.A thermal detector device (100), comprising: - at least two detector chambers (10, 20); - wherein in each detector chamber (10, 20) different internal pressures (V1, V2) is formed; and - wherein in each detector chamber (10, 20) a detector element (13, 23) is arranged, with which an incident measuring radiation (OP) is convertible into an electrical signal.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Detektorvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung.The invention relates to a thermal detector device. The invention further relates to a method for producing a thermal detector device.

Stand der TechnikState of the art

In der optischen Messtechnik zur Temperaturmessung werden thermische Detektoren wie z.B. Thermopile, Pyrodetektoren oder Dioden-Arrays verwendet, wie es zum Beispiel aus DE 600 03 885 T2 bekannt ist. Mit den genannten Detektoren kann vorteilhaft eine berührungslose Temperaturerfassung realisiert werden. Dabei wird je nach Anwendung ein Detektor mit einer entsprechenden Temperaturempfindlichkeit gewählt. Soll zum Beispiel ein geringer Temperaturunterschied erfasst werden, ist ein Detektor mit hoher Detektivität (V/W) erforderlich. Ist eine Messung von hohen Temperaturen erforderlich, wie zum Beispiel im Brandfall, ist es von Vorteil, einen Detektor einzusetzen, welcher eine geringere Detektivität aufweist, um in dem hohen Temperaturbereich nicht zu übersteuern. Insbesondere bei Anwendungen für sehr unterschiedliche Temperaturbereiche ist ein Detektor notwendig, welcher eine hohe Dynamik bereitstellt.In the optical measurement technology for temperature measurement, thermal detectors such as thermopiles, pyrodetectors or diode arrays are used, as for example DE 600 03 885 T2 is known. With the mentioned detectors can be advantageously realized a non-contact temperature detection. Depending on the application, a detector with a corresponding temperature sensitivity is selected. If, for example, a small temperature difference is to be detected, a detector with high detectivity (V / W) is required. If a measurement of high temperatures is required, such as in case of fire, it is advantageous to use a detector which has a lower detectivity in order not to overdrive in the high temperature range. Especially in applications for very different temperature ranges, a detector is necessary, which provides high dynamics.

Der Aufbau eines thermischen Detektors basiert typischerweise auf der thermischen Entkopplung des eigentlichen Sensorelements von der Umgebung um auf diese Weise geringe Temperaturunterschiede, die auf dem Sensorelement durch die Änderung der Objekttemperatur entstehen, zu erfassen. Wenn sich die Objekttemperatur um 1 Kelvin (K) ändert, so beträgt die Änderung auf dem Sensorelement aufgrund der absorbierten Infrarotleistung typischerweise wenige mK.The construction of a thermal detector is typically based on the thermal decoupling of the actual sensor element from the environment in order to detect in this way small temperature differences that arise on the sensor element due to the change in the object temperature. When the object temperature changes by 1 Kelvin (K), the change on the sensor element is typically a few mK due to the infrared power absorbed.

Damit diese Temperaturdifferenz auf dem Sensorelement entstehen kann, werden die Sensorelemente thermisch entkoppelt. Dies geschieht zum einen durch eine definierte mechanische Aufhängung des Sensors, wie es in 1 beispielhaft an einem Pixelelement dargestellt ist und zum anderen durch das eingeschlossene Vakuum des Sensorelements.So that this temperature difference can occur on the sensor element, the sensor elements are thermally decoupled. This happens on the one hand by a defined mechanical suspension of the sensor, as in 1 is shown by way of example on a pixel element and on the other by the enclosed vacuum of the sensor element.

Beispielsweise kann die genannte thermische Entkopplung konventionell durch einen Waferbondprozess erreicht werden, bei dem zwei Wafer vakuumdicht miteinander verbunden werden. Im Volumen zwischen den beiden Wafern, in welchem das Sensorelement platziert ist, herrscht typischerweise ein Absolutdruck von weniger als 1 mbar. Dieser Wert bestimmt sehr stark die Empfindlichkeit des Sensors. Je höher der Druck, desto niedriger die Empfindlichkeit des Sensors.For example, said thermal decoupling can be conventionally achieved by a wafer bonding process in which two wafers are vacuum-tightly bonded together. The volume between the two wafers in which the sensor element is placed typically has an absolute pressure of less than 1 mbar. This value very much determines the sensitivity of the sensor. The higher the pressure, the lower the sensitivity of the sensor.

Eine Erfassung von sehr unterschiedlichen Temperaturbereichen mit hoher Temperaturauflösung ist mit einem Detektor konventionell nur mit sehr hohem technischem Aufwand möglich. Insbesondere ist die Erfassung von unterschiedlichen Temperaturbereichen, die weit auseinanderliegen, zum Beispiel Personenerfassung, Messbereich 20°C bis 50°C, Branddetektion 200°C bis 1000 °C technisch nur mit hohem Aufwand möglich. Dies lässt sich durch das physikalische T4-Gesetz (Stefan-Boltzmann-Gesetz) begründen: P = σ × A × T 4

Figure DE102017201549A1_0001
mit den Parametern:

P
Strahlungsleistung
A
Fläche
σ
Stefan-Boltzmann-Konstante
A detection of very different temperature ranges with high temperature resolution is conventionally possible with a detector only with very high technical effort. In particular, the detection of different temperature ranges that are far apart, for example, people detection, measuring range 20 ° C to 50 ° C, fire detection 200 ° C to 1000 ° C technically possible only with great effort. This can be justified by the physical T 4 law (Stefan Boltzmann law): P = σ × A × T 4
Figure DE102017201549A1_0001
with the parameters:
P
radiant power
A
area
σ
Stefan-Boltzmann constant

Der Zusammenhang von Gleichung (1), der die thermisch abgestrahlte Leistung (Strahlungsleistung) eines idealen schwarzen Körpers in Abhängigkeit von seiner Temperatur angibt, ist in 3 verdeutlicht. Man erkennt mehrere Verläufe von spektraler spezifischer Ausstrahlung (in W/m2µm) bzw. spektraler Strahldichte (in W/m2µmsr) in Abhängigkeit von der Wellenlänge W (in µm). Die einzelnen Verläufe sind bei unterschiedlichen Temperaturen (in K) eines schwarzen Strahlungskörpers aufgetragen.The relationship of equation (1), which indicates the thermally radiated power (radiant power) of an ideal blackbody as a function of its temperature, is in 3 clarified. One recognizes several courses of spectral specific radiation (in W / m 2 μm) or spectral radiance (in W / m 2 μmsr) as a function of the wavelength W (in μm). The individual courses are applied at different temperatures (in K) of a black radiation body.

Weiterhin ist die Auswerteschaltung von Thermodetektoren eine begrenzende Größe, da die elektrischen Spannungsbereiche bei den Verstärkerstufen und Analog-Digital-Konvertern begrenzt sind und eine Arbeitspunktauslegung für einen hohen Temperaturmessbereich technisch sehr schwierig und kostenintensiv ist. Eine hohe Dynamik und eine hohe Auflösung des Sensors sind daher zusammen nur sehr schwer realisierbar. Dazu ist für jede Applikation eine kostenintensive Änderung im Design bzw. in der ASIC-Auslegung notwendig.Furthermore, the evaluation of thermodetectors is a limiting factor, since the electrical voltage ranges in the amplifier stages and analog-to-digital converters are limited and a working point design for a high temperature measuring range is technically very difficult and costly. High dynamics and a high resolution of the sensor are therefore very difficult to achieve together. This requires a costly change in the design or in the ASIC design for each application.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten berührungslosen thermischen Detektor bereit zu stellen.It is an object of the present invention to provide an improved non-contact thermal detector.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer thermischen Detektorvorrichtung, aufweisend:

  • - wenigstens zwei Detektorkammern;
  • - wobei in jeder Detektorkammer ein unterschiedlicher Innendruck ausgebildet ist; und
  • - wobei in jeder Detektorkammer ein Detektorelement angeordnet ist, mit dem eine auftreffende Messstrahlung in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.
According to a first aspect, the object is achieved with a thermal detector device, comprising:
  • - at least two detector chambers;
  • - wherein a different internal pressure is formed in each detector chamber; and
  • - In each detector chamber, a detector element is arranged, with which an incident measuring radiation is convertible into an electrical signal.

Auf diese Weise ist mittels der in den Detektorkammern herrschenden unterschiedlichen Innendrücke eine unterschiedliche Empfindlichkeit der Messelemente realisiert. Vorteilhaft ist es dadurch möglich, eine Empfindlichkeit von einzelnen Detektorkammern der Detektorvorrichtung einzustellen und somit flexibel auf unterschiedliche Anwendungszwecke zu konfigurieren. Dabei werden die oben erwähnten Gesetzmäßigkeiten des Stefan-Boltzmann-Gesetzes ausgenutzt.In this way, a different sensitivity of the measuring elements is realized by means of the different internal pressures prevailing in the detector chambers. Advantageously, this makes it possible to set a sensitivity of individual detector chambers of the detector device and thus to configure it flexibly for different purposes. The above-mentioned laws of the Stefan Boltzmann law are exploited.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung, aufweisend die Schritte:

  • - Bereitstellen von wenigstens zwei Detektorkammern;
  • - Anordnen von jeweils einem Detektorelement in jeder Detektorkammer; und
  • - Ausbilden von unterschiedlichen Innendrücken in jeder der Detektorkammern.
According to a second aspect, the object is achieved with a method for producing a thermal detector device, comprising the steps:
  • - providing at least two detector chambers;
  • - arranging each one detector element in each detector chamber; and
  • - Forming of different internal pressures in each of the detector chambers.

Bevorzugte Ausführungsformen der thermischen Detektorvorrichtung und des Verfahrens zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the thermal detector device and the method of manufacturing a thermal detector device are the subject of dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der thermischen Detektorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Innendrücke in den Detektorkammern mit Getterelementen eingestellt sind. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Innendrücke in den Detektorkammern auf technisch bewährte und an sich bekannte Weise eingestellt werden.An advantageous development of the thermal detector device is characterized in that the different internal pressures in the detector chambers are set with getter elements. In this way, the different internal pressures in the detector chambers can be adjusted in a technically proven and known manner.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der thermischen Detektorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorkammern nach einem Ausbilden der Innendrücke mittels Laserreseal hermetisch dicht verschlossen werden. Auf diese Weise wird ein alternatives Verfahren zum Ausbilden der unterschiedlichen Innendrücke in den Detektorkammern bereitgestellt.A further advantageous development of the thermal detector device is characterized in that the detector chambers are hermetically sealed by a laser reseal after forming the internal pressures. In this way, an alternative method of forming the different internal pressures in the detector chambers is provided.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der thermischen Detektorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorvorrichtung eine elektronische Auswerteschaltung aufweist. Vorteilhaft wird auf diese Weise eine Rechenkapazität zum Auswerten der erfassten Strahlungsleistung bereitgestellt.A further advantageous development of the thermal detector device is characterized in that the detector device has an electronic evaluation circuit. Advantageously, a computing capacity for evaluating the detected radiation power is provided in this way.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der thermischen Detektorvorrichtung sehen vor, dass die elektronische Auswerteschaltung als ein ASIC oder als ein Multiplexer ausgebildet ist. Auf diese Weise werden unterschiedliche, der Erfassung nachgeordnete Auswerteleistungen bereitgestellt.Further advantageous developments of the thermal detector device provide that the electronic evaluation circuit is designed as an ASIC or as a multiplexer. In this way, different, the collection downstream evaluation services are provided.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleich Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. In this case, all disclosed features, regardless of their relationship in the claims and regardless of their representation in the description and in the figures form the subject of the present invention. Same or functionally identical elements have the same reference numerals. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily drawn to scale.

Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die thermische Detektorvorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung ergeben und umgekehrt.Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the thermal detector device result analogously from corresponding embodiments, features and advantages relating to the method for producing a thermal detector device and vice versa.

In den Figuren zeigt:

  • 1 eine Topologie einer herkömmlichen thermischen Detektorvorrichtung;
  • 2 einen schematischen Verlauf einer Empfindlichkeit eines thermischen Detektors als Funktion eines Innendrucks im Sensor;
  • 3 die prinzipiellen Abhängigkeiten des physikalischen Stefan-Boltzmann-Gesetzes;
  • 4 eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen thermischen Detektorvorrichtung mit zwei Detektorkammern mit unterschiedlichen Innendrücken;
  • 5 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer thermischen Detektorvorrichtung mit zwei Kammern mit unterschiedlichen Innendrücken;
  • 6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer thermischen Detektorvorrichtung mit zwei Kammern mit unterschiedlichen Innendrücken;
  • 7 eine schematische Darstellung eines thermischen Mehrkammerndetektors; und
  • 8 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung.
In the figures shows:
  • 1 a topology of a conventional thermal detector device;
  • 2 a schematic profile of a sensitivity of a thermal detector as a function of internal pressure in the sensor;
  • 3 the principal dependencies of the physical Stefan Boltzmann law;
  • 4 a schematic representation of a proposed thermal detector device with two detector chambers with different internal pressures;
  • 5 a schematic representation of a first embodiment of a thermal detector device with two chambers with different internal pressures;
  • 6 a schematic representation of a second embodiment of a thermal detector device with two chambers with different internal pressures;
  • 7 a schematic representation of a thermal multi-chamber detector; and
  • 8th a schematic representation of a sequence of an embodiment of a method for producing a thermal detection device.

Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments

Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, eine flexible Anpassung von Druckverhältnissen bei einem thermischen Mehrkanalsensor zu realisieren. Durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse bzw. Vakuen und daraus resultierend unterschiedlichen thermischen Entkopplungsgrade der eigentlichen Sensorelemente weisen die einzelnen Sensorkammern auf einem Detektorchip unterschiedliche Empfindlichkeiten auf. Dadurch sind auf einfache Weise für unterschiedliche Applikationen jeweils eine hohe Dynamik und ein hoher Detektionsgrad ermöglicht.A core idea of the invention is in particular to realize a flexible adaptation of pressure ratios in a thermal multi-channel sensor. Due to the different pressure conditions or vacuums and the resulting different degrees of thermal decoupling of the actual sensor elements, the individual sensor chambers have different sensitivities on a detector chip. As a result, in each case a high degree of dynamics and a high degree of detection are made possible in a simple manner for different applications.

Weiterhin kann die Empfindlichkeit der einzelnen Detektoren auf dem Sensorchip in einem Mediumsensor an unterschiedliche optische Leitungsparameter, welche zum Beispiel durch optische Filter (Transmission, Bandbreite, usw.) selektiert werden, angepasst werden.Furthermore, the sensitivity of the individual detectors on the sensor chip in a medium sensor can be adapted to different optical line parameters, which are selected for example by optical filters (transmission, bandwidth, etc.).

Vorteilhaft ergeben sich dadurch unter anderem folgende Vorteile:

  • - Keine Anpassung an das Design (z.B. Sensoraufhängung, Dotierung, Materialauswahl, Absorptionsschichten, usw.), um unterschiedliche Anforderungen an die Empfindlichkeit zu realisieren
  • - Eine einfache und schnelle Anpassung an unterschiedliche Applikationen
  • - Unterschiedliche Applikationen können mit hohen Anforderungen an Dynamik und Auflösung des Sensors bedient werden
  • - Kosteneffizientes Konzept, dessen Realisierung auf hochvolumenfähigen Waferprozessen basiert
  • - Hohe Skalierbarkeit: eine Anzahl der unabhängigen Detektorkammern kann applikationsspezifisch gewählt werden
  • - Hohe Flexibilität: Druckverhältnisse in den einzelnen Detektorkammern können applikationsspezifisch gewählt werden und können im Prozess vergleichsweise einfach geändert werden.
Advantageously, this results, among other things, in the following advantages:
  • - No adaptation to the design (eg sensor suspension, doping, material selection, absorption layers, etc.) to realize different sensitivity requirements
  • - A simple and fast adaptation to different applications
  • - Different applications can be operated with high demands on dynamics and resolution of the sensor
  • - Cost-efficient concept, the realization of which is based on high-volume wafer processes
  • - High scalability: a number of independent detector chambers can be chosen application-specific
  • - High flexibility: Pressure conditions in the individual detector chambers can be selected specific to the application and can be changed comparatively easily in the process.

1 zeigt in einer Draufsicht auf eine konventionelle thermische Detektorvorrichtung 100 in Form eines Messpixels. Erkennbar sind zwei L-förmige Aufhängungselemente, mit denen die thermische Detektorvorrichtung 100 vom umgebenden Substrat getrennt ist, wodurch eine hohe thermische Entkopplung der thermischen Detektorvorrichtung vom umgebenden Substrat bereitgestellt ist. Je höher diese thermische Entkopplung ist, umso höher ist die Empfindlichkeit der thermischen Detektorvorrichtung 100. 1 shows in a plan view of a conventional thermal detector device 100 in the form of a measuring pixel. Visible are two L-shaped suspension elements, with which the thermal detector device 100 is separated from the surrounding substrate, whereby a high thermal decoupling of the thermal detector device from the surrounding substrate is provided. The higher this thermal decoupling, the higher the sensitivity of the thermal detector device 100 ,

2 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Empfindlichkeit E der thermischen Detektorvorrichtung 100 als Funktion eines Innendrucks V in einer Detektorkammer. Erkennbar sind ein erster Innendruck V1 und ein zweiter, niedrigerer Innendruck V2. Man erkennt, dass die Empfindlichkeit der thermischen Detektorvorrichtung 100 mit steigendem Innendruck in der Detektorkammer definiert abnimmt. 2 shows an exemplary course of the sensitivity E of the thermal detector device 100 as a function of an internal pressure V in a detector chamber. Visible are a first internal pressure V1 and a second, lower internal pressure V2. It can be seen that the sensitivity of the thermal detector device 100 with increasing internal pressure defined in the detector chamber decreases.

4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch die vorgeschlagene thermische Detektorvorrichtung 100 in Form eines zweikanaligen Detektors mit zweit Detektorkammern 10, 20. Dabei umfasst die thermische Detektorvorrichtung 100 zwei dichte, voneinander getrennte Detektorkammern 10, 20. Die Detektorkammern 10, 20 können dadurch realisiert werden, dass zwei Wafer (Wafer mit dem Sensorchip und optionaler ASIC-Schaltung und ein Kappenwafer) durch einen Waferbondprozess hermetisch dicht miteinander verbunden werden. Eine thermische Messstrahlung OP trifft auf ein in der Detektorkammer 10, 20 angeordnetes Detektorelement 13, 23 und generiert auf diese Weise ein elektrisches Signal (z.B. eine elektrisches Spannungssignal), welches nachfolgend mit einer optionalen elektronischen Auswerteschaltung 50 ausgewertet bzw. weitergeleitet werden kann. Die elektronische Auswerteschaltung kann beispielsweise als eine anwendungsspezifische elektronische Schaltung (ASIC) ausgebildet sein. Beispielsweise kann die elektronische Auswerteschaltung auch als ein Multiplexer ausgebildet sein, der die von den Detektorelementen 13, 23 generierten elektrischen Signale zur weiteren Auswertung weiterleitet. 4 shows a schematic cross-sectional view through the proposed thermal detector device 100 in the form of a two-channel detector with second detector chambers 10 . 20 , In this case, the thermal detector device comprises 100 two dense, separate detector chambers 10 . 20 , The detector chambers 10 . 20 can be realized by hermetically sealing two wafers (wafer with the sensor chip and optional ASIC circuit and a cap wafer) by a wafer bonding process. A thermal measuring radiation OP strikes a detector element arranged in the detector chamber 10, 20 13 . 23 and generates in this way an electrical signal (eg, an electrical voltage signal), which subsequently with an optional electronic evaluation circuit 50 can be evaluated or forwarded. The electronic evaluation circuit can be designed, for example, as an application-specific electronic circuit (ASIC). For example, the electronic evaluation circuit may also be designed as a multiplexer, that of the detector elements 13 . 23 generated electrical signals for further evaluation forwards.

5 zeigt prinzipiell, wie die unterschiedlichen Innendrücke V1 und V2 in den Detektorkammern 10, 20 erzeugt bzw. eingestellt werden können. Zunächst werden die beiden Detektorkammern 10, 20 dicht realisiert und schließen zunächst den ersten Innendruck V1 (typischerweise wenige mbar) ein, der beim Bonden mittels eines ersten Getterelements 11 eingestellt wird. Um den zweiten Innendruck V2 in der zweiten Detektorkammer 20 einzuschließen, kann zum Beispiel eine Menge des Gettermaterials, welches für die Feinjustierung der Druckverhältnisse in den Detektorkammern 10, 20 verwendet wird, geeignet gewählt werden. Dies wird durch ein entsprechend dimensioniertes zweites Getterelement 21 realisiert. 5 shows in principle how the different internal pressures V1 and V2 in the detector chambers 10 . 20 can be generated or set. First, the two detector chambers 10 . 20 tightly realized and initially include the first internal pressure V1 (typically a few mbar), which when bonding by means of a first getter element 11 is set. To the second internal pressure V2 in the second detector chamber 20 For example, an amount of the getter material used to fine tune the pressure ratios in the detector chambers 10 . 20 is used appropriately. This is done by a correspondingly dimensioned second getter element 21 realized.

Wird beispielsweise ein höherer Absolut- bzw. Innenddruck V2 in der zweiten Detektorkammer 20 benötigt, wird ein kleineres Getterelement 21 mit weniger Gettermaterial in der zweiten Detektorkammer 20 aufgebracht. Dadurch wird in der zweiten Detektorkammer 20 weniger Restgas gebündelt, wodurch der thermische Widerstand des Messpixels der zweiten Detektorkammer 20 größer als in der ersten Detektorkammer 10 ist.If, for example, a higher absolute or internal pressure V2 in the second detector chamber 20 needed, becomes a smaller getter element 21 with less getter material in the second detector chamber 20 applied. This will be in the second detector chamber 20 less residual gas is concentrated, reducing the thermal resistance of the measuring pixel of the second detector chamber 20 larger than in the first detector chamber 10 is.

Dadurch entsteht durch die auftreffende Messstrahlung OP, die von einem Messobjekt (nicht dargestellt) emittiert wird, eine geringere Temperaturdifferenz, wodurch im Ergebnis die effektive Empfindlichkeit des Pixels herabgesetzt ist. As a result, the incident measuring radiation OP, which is emitted by a measuring object (not shown), results in a lower temperature difference, as a result of which the effective sensitivity of the pixel is reduced.

Eine weitere Realisierungsmöglichkeit der thermischen Detektorvorrichtung 100 basiert auf einem an sich bekannten Laserreseal-Prozess, wobei auch auf diese Weise der Innendruck in den Detektorkammern 10, 20 hochgenau eingestellt werden kann.Another possibility of realization of the thermal detector device 100 is based on a known laser reseal process, whereby also in this way the internal pressure in the detector chambers 10 . 20 can be adjusted with high precision.

6 zeigt schematisch diese Umsetzungsmöglichkeit mit spezifischen Bereichen 12, 22 der Detektorvorrichtung 100 für den Laserreseal-Prozess. Zu diesem Zweck wird nach dem Bondprozess die jeweilige Detektorkammer 10, 20, in der der geeignete Innendruck eingestellt werden soll, durch einen Laserschmelzprozess geöffnet. Durch die Druckverhältnisse in der Prozesskammer (nicht dargestellt) wird ein entsprechender Druck auch im Inneren der Detektorkammer 10, 20 eingestellt. Anschließend wird die Detektorkammer 10, 20 in den Laserreseal-Bereichen 12, 22 mit dem Laser verschlossen bzw. zugeschweißt. Dieser Prozess kann für jede Detektorkammer 10, 20 wiederholt werden. 6 shows schematically this implementation possibility with specific areas 12 . 22 the detector device 100 for the laser reseal process. For this purpose, after the bonding process, the respective detector chamber 10 . 20 in which the appropriate internal pressure is to be set, opened by a laser melting process. Due to the pressure conditions in the process chamber (not shown), a corresponding pressure also in the interior of the detector chamber 10 . 20 set. Subsequently, the detector chamber 10 . 20 in the laser reseal areas 12 . 22 closed or welded with the laser. This process can be for any detector chamber 10 . 20 be repeated.

Beispielsweise kann der erwähnte Prozess folgendermaßen ablaufen: Die Detektorkammern 10, 20 werden geöffnet, danach wird der Druck in der Prozesskammer (nicht dargestellt) und somit auch in der Detektorkammer 10, 20 eingestellt und die erste Detektorkammer 10 wird mittels Laser verschweißt. Danach wird ein weiterer, niedrigerer Druck in der Prozesskammer eingestellt, wodurch sich ein zweiter Innendruck V2 in der zweiten Detektorkammer 20 einstellt, die nachfolgend mittels Laser verschweißt wird.For example, the mentioned process can proceed as follows: The detector chambers 10 . 20 are opened, then the pressure in the process chamber (not shown) and thus also in the detector chamber 10 . 20 set and the first detector chamber 10 is welded by laser. Thereafter, a further, lower pressure in the process chamber is set, resulting in a second internal pressure V2 in the second detector chamber 20 which is subsequently welded by means of laser.

Dieser Vorgang kann so oft als nötig wiederholt werden. Auf diese Weise können beispielsweise vier Detektorkammern 10, 20, 30, 40 mit geeigneten, gleichen oder unterschiedlichen Innendrücken V1... V4 realisiert werden, wie in der Draufsicht der thermischen Detektorvorrichtung 100 von 7 schematisch dargestellt. Im Ergebnis können auf diese Weise die vier Detektorkammern 10, 20, 30, 40 mit gleichen oder unterschiedlichen Empfindlichkeiten realisiert werden.This process can be repeated as often as necessary. In this way, for example, four detector chambers 10 . 20 . 30 . 40 be realized with suitable, equal or different internal pressures V1 ... V4, as in the plan view of the thermal detector device 100 from 7 shown schematically. As a result, in this way, the four detector chambers 10 , 20, 30, 40 are realized with the same or different sensitivities.

Eine nicht in Figuren dargestellte Ausführungsform der vorgeschlagenen thermischen Detektorvorrichtung 100 sieht vor, dass lediglich eine einzelne Detektorkammer vorgesehen ist, in der je nach Erfordernis ein unterschiedlicher Innendruck eingestellt wird, um eine entsprechende Empfindlichkeit des thermischen Sensorpixels zu realisieren.An embodiment of the proposed thermal detector device, not shown in FIG 100 provides that only a single detector chamber is provided, in which, as required, a different internal pressure is set in order to realize a corresponding sensitivity of the thermal sensor pixel.

8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführung von des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung. 8th shows a basic sequence of execution of the proposed method for producing a thermal detection device.

In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen von wenigstens zwei Detektorkammern 10, 20 durchgeführt.In one step 200 will provide at least two detector chambers 10 . 20 carried out.

In einem Schritt 210 wird jeweils ein Detektorelement 13, 23 in jeder Detektorkammer 10, 20 angeordnet.In one step 210 each becomes a detector element 13 . 23 in each detector chamber 10 . 20 arranged.

Schließlich wird in einem Schritt 220 ein Ausbilden von unterschiedlichen Innendrücken V1, V2 in jeder der Detektorkammern 10, 20 durchgeführt.Finally, in one step 220 forming different internal pressures V1, V2 in each of the detector chambers 10 . 20 carried out.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 60003885 T2 [0002]DE 60003885 T2 [0002]

Claims (9)

Thermische Detektorvorrichtung (100), aufweisend: - wenigstens zwei Detektorkammern (10, 20); - wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) ein unterschiedlicher Innendruck (V1, V2) ausgebildet ist; und - wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) ein Detektorelement (13, 23) angeordnet ist, mit dem eine auftreffende Messstrahlung (OP) in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.A thermal detector device (100), comprising: - At least two detector chambers (10, 20); - In each detector chamber (10, 20), a different internal pressure (V1, V2) is formed; and - In each detector chamber (10, 20) a detector element (13, 23) is arranged, with which an incident measuring radiation (OP) is convertible into an electrical signal. Detektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Innendrücke (V1, V2) in den Detektorkammern (10, 20) mit Getterelementen (11, 21) eingestellt sind.Detector device (100) according to Claim 1 , characterized in that the different internal pressures (V1, V2) in the detector chambers (10, 20) are set with getter elements (11, 21). Detektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorkammern (10, 20) nach einem Ausbilden der Innendrücke (V1, V2) mittels Laserreseal hermetisch dicht verschlossen werden.Detector device (100) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the detector chambers (10, 20) after forming the internal pressures (V1, V2) are hermetically sealed by laser reseal. Detektorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorvorrichtung (100) eine elektronische Auswerteschaltung (50) aufweist.Detector device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the detector device (100) has an electronic evaluation circuit (50). Detektorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteschaltung (50) als ein ASIC oder als ein Multiplexer ausgebildet ist.Detector device according to Claim 4 , characterized in that the electronic evaluation circuit (50) is designed as an ASIC or as a multiplexer. Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung (100) aufweisend die Schritte: - Bereitstellen von wenigstens zwei Detektorkammern (10, 20); - Anordnen von jeweils einem Detektorelement (13, 23) in jeder Detektorkammer (10, 20); und - Ausbilden von unterschiedlichen Innendrücken (V1, V2) in jeder der Detektorkammern (10, 20).A method of manufacturing a thermal detector device (100) comprising the steps of: - providing at least two detector chambers (10, 20); - arranging in each case a detector element (13, 23) in each detector chamber (10, 20); and - Forming of different internal pressures (V1, V2) in each of the detector chambers (10, 20). Verfahren nach Anspruch 6, wobei die unterschiedlichen Innendrücke (V1, V2) in den Detektorkammern (10, 20) jeweils durch Getterelemente (11, 21) eingestellt werden.Method according to Claim 6 , wherein the different internal pressures (V1, V2) in the detector chambers (10, 20) are respectively set by getter elements (11, 21). Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei nach einem Einstellen der Innendrücke (V1, V2) in den Detektorkammern (10, 20) die Detektorkammern (10, 20) jeweils durch einen Laserresealprozess verschlossen werden.Method according to Claim 6 or 7 , wherein after adjusting the internal pressures (V1, V2) in the detector chambers (10, 20), the detector chambers (10, 20) are each closed by a laser resealing process. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei für jede Detektorkammer (10, 20) eine elektronische Auswerteschaltung (50) bereitgestellt wird.Method according to one of Claims 6 to 8th , wherein for each detector chamber (10, 20) an electronic evaluation circuit (50) is provided.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60003885T2 (en) 1999-06-04 2004-04-22 Thales THERMAL DETECTOR WITH LIMITED VIEWING ANGLE
DE102004020685B3 (en) 2004-04-28 2005-09-01 Robert Bosch Gmbh Getter layer for use in IR sensor is installed on inside surface of sensor cap, and has gap through which IR passes to absorber and signal-generating layer
DE102006016260A1 (en) 2006-04-06 2007-10-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Micromechanical housing with at least two cavities with different internal pressure and / or gas composition and method for their production
US8373561B2 (en) 2004-11-12 2013-02-12 Qinetiq Limited Infrared detector
US9102512B2 (en) 2013-10-04 2015-08-11 Analog Devices, Inc. Sealed MEMS devices with multiple chamber pressures
WO2015120939A1 (en) 2014-02-17 2015-08-20 Robert Bosch Gmbh Method for producing a sealed micromechanical component

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60003885T2 (en) 1999-06-04 2004-04-22 Thales THERMAL DETECTOR WITH LIMITED VIEWING ANGLE
DE102004020685B3 (en) 2004-04-28 2005-09-01 Robert Bosch Gmbh Getter layer for use in IR sensor is installed on inside surface of sensor cap, and has gap through which IR passes to absorber and signal-generating layer
US8373561B2 (en) 2004-11-12 2013-02-12 Qinetiq Limited Infrared detector
DE102006016260A1 (en) 2006-04-06 2007-10-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Micromechanical housing with at least two cavities with different internal pressure and / or gas composition and method for their production
US9102512B2 (en) 2013-10-04 2015-08-11 Analog Devices, Inc. Sealed MEMS devices with multiple chamber pressures
WO2015120939A1 (en) 2014-02-17 2015-08-20 Robert Bosch Gmbh Method for producing a sealed micromechanical component

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Air Force Research Laboratory: Vacuum packaging for microelectrmechanical systems (MEMS) – AFLR-IF-RS-TR-2002-277, Final Technical Report. October 2002. 70 S. - URL: http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a408406.pdf [abgerufen am 14.12.2017]
DECHARAT, Adit: Integration and packaging concepts for infrared bolometer arrays. Stockholm, Sweden : KTH – Royal Institute of Technology, 2009. 66 S. - ISBN 978-91-7415-337-8

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