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Die Erfindung betrifft einen Infrarotsensor mit mehreren stabförmigen Thermoelementen, die hier als Sensorstäbe bezeichnet sind, sowie eine Wärmebildkamera mit einem solchen Infrarotsensor. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur aus thermoelektrischen Sensorstäben. Ein Infrarotsensor der genannten Art und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sind aus der
DE 10 2009 043 413 B3 bekannt.
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Nach dieser Druckschrift kann ein Infrarotsensor als dreidimensionale Mikrostruktur ausgebildet sein, in welcher einzelne Thermoelemente jeweils aus zwei parallel zueinander ausgerichteten Halbleiterstäben gebildet sind, die selbsttragend von einem Boden des Sensors abstehen. An ihren freien Enden sind die beiden Halbleiterstäbe elektrisch miteinander verbunden, so dass sie zusammen einen Doppelstab bilden. Des Weiteren sind die beiden Halbleiterstäbe aus Materialen mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten gebildet. Zwischen ihnen kann deshalb über Leiterbahnen im Sensorboden eine sogenannte thermoelektrische Kraft gemessen werden, d. h. eine elektrische Spannung, die entsteht, wenn zwischen dem freien Ende des Doppelstabes, an welchem die beiden Halbleiterstäbe verbunden sind, und seinem Ende am Sensorboden ein Wärmeunterschied besteht. Jeder der Doppelstäbe kann hierbei ein Bildelement (Pixel – picture element) in einer Bildfläche des Infrarotsensors darstellen.
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Bei Infrarotsensoren wie dem hier beschriebenen ist man bestrebt, die auf den Infrarotsensor auftreffende Infrarotstrahlung möglichst gut dahin gehend auszunutzen, dass mit bereits wenig Strahlungsintensität ein Infrarotbild gewonnen werden kann. Hierzu sollte die elektrische Spannung, die an jedem der Thermoelemente entsteht, im Verhältnis zur Strahlungsintensität möglichst groß sein. Zugleich möchte man in der Lage sein, möglichst viele Pixel pro Flächeneinheit, d. h. eine möglichst große Pixeldichte bei einem Infrarotsensor bereitstellen, um eine hohe Ortsauflösung der mit dem Infrarotsensor erstellten Infrarotbilder zu erhalten.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, beim Gewinnen von Wärmebildern die auf einen Infrarotsensor auftreffende Infrarotstrahlung besser zu nutzen.
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Die Aufgabe wird durch einen Infrarotsensor gemäß Patentanspruch 1, eine Wärmebildkamera gemäß Patentanspruch 12 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Mit dem erfindungsgemäßen Infrarotsensor kann eine bedeutend größere Pixeldichte bereitgestellt werden als mit dem eingangs beschriebenen, bei dem für jedes Pixel ein Doppelstab aus zwei Halbleiterstäben nötig ist. Der erfindungsgemäße Infrarotsensor weist dagegen von einem Sensorboden abstehende, achsparallel zueinander angeordnete einzelne Sensorstäbe auf, von denen jeder für sich ein Thermoelement darstellt. Somit ist die Aufstandsfläche eines jeden Thermoelements bei dem erfindungsgemäßen Infrarotsensor nur halb so groß wie beim Infrarotsensor aus dem Stand der Technik. Die kompakte Bauweise wird durch folgende Merkmale erzielt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Infrarotsensor ist bei jedem Sensorstab das am Sensorboden angeordnete Stabende, hier als erstes Stabende bezeichnet, mit dem gegenüberliegenden, abstehenden, freien Stabende ebenfalls durch zwei elektrisch leitfähige Stabelemente elektrisch verbunden. Jedes der Stabelemente weist einen anderen Seebeck-Koeffizienten auf, so dass beide Stabelemente zusammen ein Thermoelement bilden. Bei dem erfindungsgemäßen Infrarotsensor ist nun eines der beiden Stabelemente als Hohlprofil ausgebildet. Es kann also die Grundform eines Hohlzylinders aufweisen oder aber z.B. auch als eckiges Rohr ausgestaltet sein. Das zweite Stabelement ist dabei in dem ersten Stabelement angeordnet. Mit anderen Worten wird das erste, hohle Stabelement von dem zweiten Stabelement beispielsweise vollständig ausgefüllt oder aber das zweite Stabelement ist seinerseits ein Hohlprofil, das sich z.B. koaxial in dem ersten Stabelement erstreckt.
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Der erfindungsgemäße Infrarotsensor weist, wie beschrieben, den Vorteil auf, dass die beiden ineinandersteckenden Stabelemente besonders kompakt oder dicht stehen, so dass der aus ihnen gebildete Sensorstab nur eine kleine Aufstandsfläche auf dem Sensorboden benötigt. So lassen sich viele Sensorstäbe, also viele einzelne Thermoelemente für einzelne Pixel, auf einer besonders kleinen Bildfläche anordnen. Bei einer Ausgestaltung des Infrarotsensors sind Sensorstäbe sogar in einem Raster mit einem Rastermaß von weniger als 10 Mikrometern, bevorzugt weniger als 6 Mikrometern, angeordnet. Dies ist mit der aus dem Stand der Technik bekannten Mikrostruktur des Infrarotsensors und mit herkömmlichen Ätzverfahren nicht möglich. Dort ist die Aufstandsfläche eines Sensorstabes auf dem Sensorboden doppelt so groß. Somit kann bei dem erfindungsgemäßen Infrarotsensor die Flächendichte der Sensorstäbe also um den Faktor 4 vergrößert werden.
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Um den erfindungsgemäßen Infrarotsensor als Mikrostruktur auszubilden, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, in einer Trägerschicht oder einem Substrat, das beispielsweise aus einkristallinem Silizium bestehen kann, Vertiefungen auszubilden, die jeweils eine Negativform eines Sensorstabes darstellen. In jeder dieser Negativformen werden dann nacheinander die beiden Stabelemente ausgebildet. Die Vertiefungen bilden Poren oder Schächte, an deren Wandung oder Schachtwand in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Material angeordnet wird, das einen vorbestimmten Seebeck-Koeffizienten aufweist. Die Vertiefungen oder Schächte werden dabei nicht vollständig mit diesem Material ausgefüllt, sondern es wird nur die Schachtwand damit bedeckt, sodass in den Schächten jeweils durch Anordnen des Materials eine Röhre oder allgemein ein Hohlprofil gebildet wird, welches später das äußere erste Stabelement bildet. In diesem Hohlprofil eines jeden Schachts wird dann in einem weiteren Schritt ein Material mit einem anderen Seebeck-Koeffizienten angeordnet, wodurch in jedem Schacht auch das innere, zweite Stabelement in dem ersten gebildet wird. Um die beiden Stabelemente elektrisch voneinander zu isolieren, können hierbei zwischen diesen beiden Schritten verschieden Maßnahmen getroffen werden. Besonders einfach ist eine elektrische Isolierung ausbildbar, wenn nach dem Anordnen des ersten Materials an den Schachtwänden die Oberfläche dieses Materials passiviert wird. Es kann aber auch vor dem Anordnen des Materials für das zweite Stabelement noch zusätzlich eine elektrisch isolierende Schicht in den Hohlkörper des ersten Stabelements eingebracht werden.
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Nachdem sich nun in jedem Schacht zwei ineinander angeordnete Stabelemente befinden, wird das Material des Substrates so weit um die Stabelemente herum entfernt, dass zumindest ein Teilbereich desjenigen Stabelements freigelegt wird, das zuvor die Schachtwand berührte. Hierdurch stehen dann die einzelnen Sensorstäbe frei und bilden somit die gewünschte Mikrostruktur aus achsparallel zueinander angeordneten Sensorstäben. Das Material des Substrats wird hierbei nicht vollständig entfernt. Der verbleibende Teil des Substrats bildet einen Bestandteil des Sensorbodens.
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Die beiden Stabelemente werden an dem freien Stabende des Sensorstabes elektrisch miteinander verbunden. Somit bildet die Anordnung aus zwei ineinandersteckenden Stabelementen ein Thermoelement, bei welchem am Sensorboden eine thermoelektrische Kraft zwischen den beiden Stabelementen entsteht. Die elektrische Verbindung am freien Stabende wird im Folgenden als „heißer Kontakt“ bezeichnet, da sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Infrarotsensors bei Auftreffen von Infrarotstrahlung oder Wärmestrahlung auf den Infrarotsensor den wärmsten Teil des Sensorstabes bildet.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung jedes Sensorstabes als hohles erstes Stabelement mit einem darin angeordneten zweiten Stabelement ermöglicht es auch, besonders sensitive Thermoelemente herzustellen. Hierzu wird bevorzugt das sogenannte Aspektverhältnis beim Herstellen eines Sensorstabes mit einem Wert von mehr als 20:1 gewählt. Das Aspektverhältnis ist hierbei der Quotient aus der Höhe eines Sensorstabes bezüglich des Sensorbodens zu seinem elektrischen Leitungsquerschnitt, den die beiden Stabelemente insgesamt zusammen aufweisen. Der Leitungsquerschnitt ist hierbei in einer Ebene parallel zum Sensorboden gebildet. Dieses Aspektverhältnis lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch zuverlässig einstellen. Insbesondere lassen sich im Herstellungsprozess besonders dünne Materialschichten an den Schachtwänden abscheiden (bevorzugt weniger als 2 Mikrometer), woraus sich ein sehr geringer Leitungsquerschnitt ergibt.
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Eine besonders günstige Temperaturverteilung entlang der Sensorstäbe ergibt sich, wenn die Sensorstäbe eine Höhe von über 100 Mikrometern bezüglich des Sensorbodens aufweisen.
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Ein günstiges Aspektverhältnis und zugleich eine hohe Rasterdichte kann erreicht werden, wenn die Sensorstäbe einen Stabdurchmesser (gemessen in einer Ebene parallel zum Sensorboden) von weniger als 15 Mikrometern aufweisen.
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Für eine weitere Vergrößerung der Sensitivität der einzelnen Sensorstäbe sorgt bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Absorptionseinrichtung, welche Infrarotstrahlung besser absorbiert als das erste, äußere Stabelement des jeweiligen Sensorstabs. Diese Absorptionseinrichtung kann an dem freien Stabende selbst oder aber auch als Füllung in dem Sensorstab angeordnet sein. Anders als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Infrarotsensor ist durch die kompakte Anordnung der beiden Stabelemente das Aufbringen einer solchen Absorptionseinrichtung auf einen Sensorstab auch besonders einfach.
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Ein verbesserter Absorptionsgrad kann hierbei erreicht werden, indem das Material der Absorptionseinrichtung entsprechend gewählt wird, also beispielsweise eine dunkle, bevorzugt schwarze, Farbe oder ein Polymer mit entsprechenden Absorptionseigenschaften. Die Absorption kann auch dadurch verbessert werden, dass die Oberflächenstruktur der Absorptionseinrichtung entsprechend beschaffen ist. Beispielsweise kann hierzu eine Schwammschicht, wie sie aus Silber oder aus Platin (Platinschwamm) erzeugbar sind, auf das freie Stabende aufgetragen werden. Solche Schichten weisen eine raue Oberfläche auf, die besonders gut zur Absorption von Infrarotstrahlung geeignet ist.
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Eine besonders große Absorptionsfläche für einen einzelnen Sensorstab ergibt sich gemäß einer Ausführungsform, wenn eine überstehende Kappe am freien Stabende angeordnet ist, deren Durchmesser größer als der des Sensorstabes selbst ist. Ein solcher „Hut“ auf dem freien Stabende kann auch solche Infrarotstrahlung absorbieren und in Wärme umwandeln, die ansonsten an dem Sensorstab vorbei zum Sensorboden gelangen würde. Durch die Kappe wird also sowohl die Wärmeabsorption am freien Stabende verbessert als auch der Sensorboden vor einer Erwärmung geschützt.
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In Bezug auf die Beschaffenheit der thermoelektrisch aktiven Stabelemente selbst wird bevorzugt anstelle zweier unterschiedlicher Metalle mit unterschiedlichen SeebeckKoeffizienten, bevorzugt als Material jeweils ein dotiertes Halbleitermaterial, insbesondere dotiertes Poly-Silizium-Germanium (Poly-SiGe) und/oder dotiertes Silizium, auch in Form von Poly-Silizium, verwendet. Im Vergleich zu Metallen sind die Seebeck-Koeffizienten von halbleitenden Materialen deutlich größer. Insbesondere kann der Seebeck-Koeffizient durch die Konzentration der Dotierung eingestellt werden. Es kann also dasselbe Grundmaterial (also z. B. Poly-Silizium) für beide Stabelemente genutzt werden, und hierbei lediglich durch die unterschiedliche Dotierung der jeweilige Seebeck-Koeffizient eingestellt werden. Dies macht die Herstellung des Infrarotsensors besonders einfach.
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Bei der Mikrostruktur aus Sensorstäben kann es sich um eine selbsttragend ausgestaltete Struktur handeln, d. h. jeder Sensorstab steht dann frei vom Sensorboden ab. Es kann aber auch vorgesehen sein, zwischen den Sensorstäben ein Füllmaterial anzuordnen, beispielsweise einen Lack. Hierdurch sind die Sensorstäbe zum einen statisch stabilisiert und zum anderen kann durch die Wahl des Füllmaterials eine Temperaturverteilung entlang der Sensorstäbe zur Steigerung der Sensitivität des Infrarotsensors optimiert werden.
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Der Sensorboden kann Leiterbahnen aufweisen, mittels welchen an jedem Sensorstab die durch Infrarotstrahlung erzeugte elektromagnetische Kraft gemessen werden kann, also die Signalspannung eines jeden Sensorstabes. Um die Sensitivität des Infrarotsensors zu steigern, kann vorgesehen sein, zumindest einige der Sensorstäbe durch die Leiterbahnen im Sensorboden elektrisch zu einer Reihenschaltung zu verschalten, was allerdings zulasten der örtlichen Auflösung des Infrarotsensors geht.
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Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der Mikrostruktur umfasst die Erfindung auch Weiterbildungen dieses Verfahrens, welche Merkmale umfassen, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Infrarotsensor beschrieben wurden. Aus diesem Grund werden hier die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht noch einmal beschrieben.
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Schließlich umfasst die Erfindung auch eine Wärmebildkamera, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotsensors aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch einmal genauer anhand von konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotsensors,
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2 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht sowie eines Querschnitts eines Sensorstabs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotsensors,
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3 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmebildkamera,
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4 bis 11 schematische Darstellung von Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten betreffend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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12 ein Diagramm mit einem schematisierten Verlauf eines Seebeck-Koeffizienten, wie er sich in Abhängigkeit von einer Dotierung eines Halbleiters ergibt, und
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13 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Sensitivität einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotsensors in Abhängigkeit von einer Stabhöhe der Sensorstäbe.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Bei den im Folgenden erläuterten Beispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Infrarotsensoren jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Infrarotsensoren dar, welche die Infrarotsensoren jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind.
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In 1 ist ein Infrarotsensor 10 gezeigt, bei welchem eine Vielzahl von Sensorstäben 12 in einem zweidimensionalen Raster zu einem Sensor-Array oder Sensorfeld 14 auf einem Sensorboden 16 angeordnet sind. Von den Sensorstäben 12 sind in 1 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Die Sensorstäbe 12 können senkrecht von dem Sensorboden 16 abstehen. Bei dem Infrarotsensor 10 handelt es sich um eine Mikrostruktur, die mit an sich bekannten Verfahren aus der Mikrosystemtechnik hergestellt worden sein kann. Bei dem Sensorboden 16 kann es sich beispielsweise um ein Substrat aus Silizium handeln. Jeder der Sensorstäbe 12 stellt ein thermoelektrisches Sensorelement dar. Durch Messen einer in jedem der Sensorstäbe 12 erzeugten thermoelektrischen Kraft kann jeweils einzelnen Bildpunkten (Pixeln) in einer Bildfläche, die dem Sensorfeld 14 entspricht, ein Wärmewert zugeordnet werden, welcher von einer Wärmeleistung einer auf den entsprechenden Sensorstab 12 fallenden Wärme- oder Infrarotstrahlung abhängt. Ein Rastermaß 18, d. h. ein Abstand jeweils zweier benachbarter Sensorstäbe 12 entlang der in 1 gezeigten Reihen von Sensorstäben 12 kann zwischen einem und fünf Mikrometern betragen. Insgesamt ist damit eine Bildauflösung in dem Sensorfeld 14 von bis zu einem Mega-Pixel pro Quadratmillimeter möglich. Einzelne Sensorstäbe 12 können auch durch Leiterbahnen im Sensorboden 16 miteinander verschaltet sein, sodass jeweils zwei oder mehr Sensorstäbe 12 einen Bildpunkt im Sensorfeld 14 ergeben.
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Anhand von 2 ist im Folgenden ein einzelner Sensorstab 12 beschrieben, von dem der Einfachheit halber ausgegangen wird, dass es sich dabei um einen Sensorstab des Infrarotsensors 10 von 1 handelt.
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In 2 sind sowohl eine perspektivische Ansicht 20 als auch ein Querschnitt 22 gezeigt. Der Querschnitt 22 ist dabei in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Sensorbodens 16 gebildet. Die Bauweise des Sensorstabes 12 kann hier repräsentativ für sämtliche in dem Infrarotsensor 10 befindliche Sensorstäbe 12 sein. Eine Länge oder Höhe 24 des Sensorstabes 12 kann 100 Mikrometer oder auch einige hundert Mikrometer betragen.
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Der Sensorstab 12 weist ein äußeres Stabelement 26 auf, in dem sich ein inneres Stabelement 28 befindet. Beide Stabelemente 26, 28 erstrecken sich entlang einer Längsrichtung 30 von einem am Sensorboden 16 befindlichen Stabende 32 zu dem gegenüberliegenden, freien Stabende 34. Die beiden Stabelemente 26, 28 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei sich ihr Seebeck-Koeffizient voneinander unterscheidet. Das Stabelement 26 kann beispielsweise aus einem p-dotierten Halbleitermaterial, das Stabelement 28 aus einem n-dotierten Halbleitermaterial gebildet sein. Die beiden Stabelemente 26, 28 sind durch eine Isolationsschicht 36 elektrisch voneinander isoliert. An dem freien Stabende 34 sind die beiden Stabelemente 26, 28 elektrisch durch eine elektrische Verbindung 38 miteinander verbunden, die in 2 nur symbolisch durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Der Sensorstab 12 stellt insgesamt ein thermoelektrisches Element dar. Die elektrische Verbindung 38 am freien Stabende 34 bildet dabei den „heißen“ Kontakt. Wird der Infrarotsensor 10 derart in Richtung auf eine Quelle einer Infrarotstrahlung gehalten, dass die Längsrichtung 30 in Richtung auf die Quelle zeigt, so erwärmt sich das freie Ende 34 des Sensorstabes 12 bezüglich des am Sensorboden 16 befindlichen Stabendes 32 stärker und es ist am Sensorboden 16 zwischen den Stabelementen 26 und 28 eine durch den Seebeck-Effekt erzeugte elektrische Signalspannung 40 messbar.
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Die Stabelemente 26, 28 sind nicht, wie beim Stand der Technik, separat auf dem Sensorboden 16 angeordnet, sondern sie sind ineinander, aber elektrisch voneinander isoliert bis zur elektrischen Verbindung 38 geführt. Ein derartiges in Mikrostrukturtechnik hergestelltes Thermoelement ist nach außen hin nur als ein einziger Körper sichtbar, der hier die Form eines lang gestreckten Zylinders aufweist. Das Stabelement 26 kann beispielsweise die Form eines Hohlzylinders aufweisen. Es kann aber im Querschnitt 22 auch eine rechteckige oder quadratische oder beliebig anders geformte Kontur aufweisen. Das innere Stabelement 28 kann ebenfalls die Form eines Hohlzylinders aufweisen und koaxial in dem äußeren Stabelement 26 angeordnet sein. Durch das Stabelement 28 kann der Innenraum des Sensorstabes auch vollständig ausgefüllt sein. Das Stabelement 28 muss nicht zwingend eine im Querschnitt 22 ringförmige, geschlossene Form aufweisen, sondern kann auch beispielsweise halbkreisförmig ausgestaltet sein oder auch in einer anderen Weise nur einen Teil der Isolationsschicht 36 bedecken. Ein Durchmesser 42 des Stabelements 26 im Querschnitt 22 kann einen Wert im Bereich kleiner als 15 Mikrometer, bevorzugt kleiner als 10 Mikrometer, aufweisen.
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Die Signalspannung 40 ist von der absorbierten Wärmeleistung P abhängig sowie von der Länge 24 des Sensorstabes 12 und dem Leitungsquerschnitt der beiden Stabelemente 26, 28, wie er sich im Querschnitt 22 ergibt. Der Leitungsquerschnitt ergibt sich somit aus den im Querschnitt 22 gemessenen Schichtdicken 26’, 28’ der beiden Materialschichten, aus denen die Stabelemente 26, 28 bestehen. Bei der hier möglichen realisierbaren Länge 24 von über 100 Mikrometern bis hin zu mehreren 100 Mikrometern und einem Durchmesser 42 von angenommen 10 Mikrometern und kleiner und Schichtdicken 26’, 28’ der Wandungen der Stabelemente 26, 28 im Querschnitt 22 ergibt sich ein Aspektverhältnis L/A von 10/µm und mehr. Dies ist ein besonders günstiges Aspektverhältnis. Die Signalspannung U (im 2 als Signalspannung 40 bezeichnet) weist entsprechend Werte auf, die sich aus der folgenden Gleichung ergeben: U = a/l·L/A·P, wobei a die Differenz der Seebeck-Koeffizienten der beiden Stabelemente 26, 28 ist, l deren Wärmeleitfähigkeit, L die Länge oder Höhe 24 des Stabelements 12 und A die Fläche der Stabelemente 26 und 28 im Querschnitt 22.
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Anhand von 3 ist im Folgenden erläutert, wie die an den einzelnen Stabelementen 12 erzeugte Signalspannung 40 in einer Wärmebildkamera gemessen werden und hieraus ein Wärmebild erzeugt werden kann. In 3 ist hierzu ein Infrarotsensor gezeigt, von dem der Einfachheit halber angenommen ist, dass es sich um den Infrarotsensor 10 von 1 handelt. Es kann sich aber auch um einen Infrarotsensor mit einem anderen Aufbau handeln. Der Infrarotsensor 10 ist in einer Wärmbildkamera eingebaut und kann auf einer integrierten Schaltung 44 (IC – integrated circuit) der Wärmebildkamera befestigt sein. Bei der integrierten Schaltung 44 kann es sich beispielsweise um ein ASIC (application specific integrated circuit) handeln. Die integrierte Schaltung 44 weist Anschlusskontakte 46 auf, von denen in 3 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die freien Enden 34 werden in dem gezeigten Beispiel durch eine Infrarotstrahlung 48 erwärmt, die durch ein Schutzfenster 50 der Wärmebildkamera auf den Infrarotsensor 10 trifft, das aus einem für die Infrarotstrahlung 48 transparenten Material besteht. Zu beiden Seiten senkrecht der Längserstreckung 30 der Stabelemente 12 ist der Infrarotsensor 10 durch Abschirmwände 52 der Wärmebildkamera von seitlich einfallender Infrarotstrahlung abgeschirmt. Über die Anschlusskontakte 46 sind die Stabelemente 26, 28 der einzelnen Sensorstäbe 12 mit (nicht dargestellten) Messschaltungen der integrierten Schaltung 44 elektrisch verbunden. Durch die Messschaltungen wird jeweils die Signalspannung 40 der einzelnen Sensorelemente 12 gemessen und in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung ein digitaler Messwert als Pixelwert bereitgestellt. Der Pixelwert entspricht dabei der von den heißen Kontakten der freien Stabenden 34 der einzelnen Sensorstäbe 12 absorbierten Wärmeleistung P. Es können auch mehrere Sensorstäbe 12 zu einem einzigen Pixel zusammengefasst werden, wenn eine erhöhte Sensitivität des Sensors gewünscht ist. Durch Auslesen der Pixelwerte zu jedem der Sensorstäbe 12 kann durch einen (nicht dargestellte) Signalprozessor ein digitales Wärmebild zu dem Sensorfeld 14 gewonnen werden.
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Im Folgenden ist anhand von 4 bis 11 ein mögliches Herstellungsverfahren für einen Infrarotsensor wie beispielsweise den Infrarotsensor 10, beschrieben.
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Wie bereits erklärt, werden die thermoelektrisch aktiven Stabelemente 26, 28 bevorzugt nur als extrem dünne Schichten (siehe Schichtdicken 26’, 28’) ausgebildet, um eine möglichst geringe thermische Ableitung zwischen dem heißen Kontakt am freien Stabende 34 und den kalten Stabende 32 zu erreichen. Dies wird durch den folgenden Herstellungsprozess aus der Mikrosystemtechnik erreicht.
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In einem ersten Herstellungsschritt S10 (4) wird in einem Substrat 54, das bevorzugt aus Silizium besteht, durch Ätzen eine stab- oder säulenförmige Vertiefung 56 für jeden Sensorstab 12 geätzt. Hierbei wird bevorzugt das PAECE-Verfahren (Photo Assisted Electro Chemical Etching) als Ätzverfahren verwendet, alternativ können auch Trockenätzverfahren eingesetzt werden. Die Tiefe der geätzten Vertiefungen 56 ist dabei größer als die abschließend resultierende Höhe 24 der einzelnen Sensorstäbe 12. Die Wandungen 58 der Vertiefungen 56 werden anschließend passiviert, was bevorzugt durch Erhitzen und Oxidieren geschieht. Hierdurch wird eine Passivierungsschicht 60 ausgebildet. Anschließend wird in einem Schritt S12 (5) eine Schicht 62 mit der Schichtdicke 26’ durch Abscheiden eines Materials mit einem vorbestimmten Seebeck-Koeffizienten auf der Wandung 58 in den Vertiefungen 56 ausgebildet. In 12 ist gezeigt, wie ein gewünschter Seebeck-Koeffizient S durch Dotieren des Poly-Siliziums mit einer Konzentration C eines Dotierungsmaterials eingestellt werden kann. Die Konzentration C gilt dabei sowohl für eine p-Dotierung als auch eine n-Dotierung. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass als Dotierungsmaterial die üblichen, aus dem Stand der Technik bekannten Materialen verwendet werden können. Anstelle von Poly-Silizium kann auch z.B. Poly-SiGe verwendet werden.
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Das Abscheiden kann bevorzugt durch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD – Chemical Vapour Deposition) erreicht werden. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um dotiertes Poly-Silizium, denn dieses Verfahren eignet sich besonders für die Verwendung in einem CVD-Prozess. Der Prozess kann hierbei trocken oder auch nass durchgeführt werden.
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Durch Ausätzen von Aussparungen 64 werden die Schichten 62 der einzelnen Vertiefungen 56 elektrisch voneinander getrennt. Hierdurch entstehen aus der Schicht 62 die elektrisch leitfähigen Stabelemente 26. Das Ätzen kann trocken oder nass erfolgen. In einem nächsten Schritt S14 (6) wird die elektrisch isolierende Schicht 36 auf der Schicht 62 gebildet. Dies kann wieder durch thermische Oxidation oder auch durch Abscheiden eines elektrisch isolierenden Materials mittels CVD geschehen. Des Weiteren werden in dem Schritt S14 Kontaktierungsbereiche 66 durch Ätzen (trocken oder nass) in der elektrisch isolierenden Schicht 36 freigelegt, durch welche die Wandung 62 zugänglich ist. In einem nächsten Schritt S16 (7) wird eine Schicht 68 aus einem weiteren elektrisch leitenden Material mit einem anderen Seebeck-Koeffizienten als ihn die Schicht 62 aufweist in den Vertiefungen 56 mit der Schichtdicke 28’ abgeschieden. Auch bei diesem Material kann es sich beispielsweise um dotiertes Poly-Silizium handeln, dessen Seebeck-Koeffizient beispielsweise mittels der in 12 gezeigten Kurve eingestellt werden kann. An den Kontaktierungsbereichen 66 berührt das Material der Schicht 68 unmittelbar das Material der Schicht 62, sodass die beiden elektrisch leitenden Schichten 62, 68 hier elektrisch kontaktiert sind. Durch Ätzen (trocken oder nass) von Aussparungen 70 wird die Schicht 68 in die einzelnen Stabelemente 28 unterteilt.
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In einem weiteren Schritt S18 (8) wird das Substrat 54 durch ein Nass- oder Trockenätzverfahren an Spitzen 72 der Schichten 62 entfernt. Die freiliegenden Schichten 62 werden in einem Schritt S20 (9) durch beispielsweise Ionenimplantation oder durch ein Sputtering-Verfahren elektrisch leitfähig gemacht, sodass die elektrisch isolierende Schicht 36 zwischen den Schichten 62 und 68 an den Spitzen 72 elektrisch leitfähig wird, wodurch die elektrische Verbindung 38 an den Spitzen 72 ausgebildet wird. Das Einprägen elektrisch leitfähiger Elemente in den Spitzen 72 ist in 9 durch die Pfeile symbolisiert. Anschließend wird in einem Schritt S22 (10) in einem Nass- oder Trockenätzverfahren weiteres Material des Substrats 54 abgetragen. Hierdurch werden die Sensorstäbe 12 vollständig freigelegt, sodass sie die Höhe 24 über den Sensorboden 16 aufweisen. Der Sensorboden 16 umfasst dabei das verbleibende Substrat 54 und die an der Sensorbodenrückseite 74 befindlichen Kontaktbereiche der Stabelemente 26 (Schicht 62) bzw. Stabelement 28 (Schicht 68).
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In einem weiteren Schritt S24 (11) können noch Absorptionseinrichtungen 76, 78, 80 ausgebildet werden. In 11 sind hierzu drei Möglichkeiten gezeigt, wobei die gemeinsame Darstellung in 11 nicht bedeuten soll, dass die Sensorelemente 12 alle unterschiedliche Absorptionseinrichtungen 76, 78, 80 aufweisen müssen.
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Die Absorptionseinrichtung 76 kann eine Abdeckungsschicht der Spitze 72 umfassen, die beispielsweise durch das CVD-Verfahren oder durch eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD – Physical Vapour Deposition) abgeschieden werden kann. Hierbei kann es sich um Schwammschichten (beispielsweise aus Silber oder Platin), Halbmetallschichten, Polymerschichten oder um dunkle, bevorzugt schwarze, Farbe handeln.
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Die Absorptionseinrichtung 78 kann durch Auffüllen des Sensorstabes 12 mit einer Flüssigkeit und anschließendem Aushärten, beispielsweise zu einem Polymer oder zu schwarzer Farbe, hergestellt werden.
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Die Absorptionseinrichtung 80 umfasst eine hutförmige Kappe, durch deren Krempe eine Absorptionsfläche mit einem Durchmesser 82 für die Absorption der Infrarotstrahlung 48 bereitgestellt ist, der größer als der Durchmesser 42 des Sensorstabes selbst ist. Die hutförmige Kappe kann beispielsweise durch Abscheiden (PVD, CVD) eines absorbierenden Materials zwischen den Schritten S20 und S22 gebildet werden. Als Material eignen sich wieder die im Zusammenhang mit der Absorptionseinrichtung 76 beschriebenen Materialien.
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Indem sich die Schichten 62 und 68 benachbarter Sensorstäbe 12 in den Kontaktierungsbereichen 66 berühren, ergibt sich eine Reihenschaltung 84 der nebeneinander angeordneten Sensorstäbe 12. Von der integrierten Schaltung 44 wird in diesem Fall jeweils nur über zwei Anschlusskontakte 46 an den äußeren Enden dieser Reihen die Summe der Signalspannungen 40 aller in der Reihenschaltung 84 miteinander verschalteten Sensorstäbe 12 gemessen. Um die Signalspannungen 40 der einzelnen Sensorstäbe 12 zu erfassen, müssen die Schichten 62 und 68 zweier benachbarter Sensorstäbe 12 elektrisch von einander isoliert sein. Vorzugsweise nutzt man dann aber eine der Schichten 62, 68 als gemeinsame Elektrode (Massepotential), die alle über eine gemeinsame Masseleitung mit einem gemeinsamen Anschlusskontakt 46 verbunden sind. Hierdurch ergibt sich eine leichtere Verdrahtung zur Schaltung 44, die dennoch das getrennte Messen einzelner Signalspannungen 40 an den Sensorstäben 12 ermöglicht. Mit anderen Worten wird pro Pixel nur eine zusätzliche Signalleitung benötigt, da die zweite Signalleitung durch die Masseleitung gebildet ist.
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Die notwendige Kontaktierung der Schichten 62, 68 auf der Sensorbodenrückseite 74 mit den jeweiligen Anschlusskontakten 46 kann über entsprechende, an sich bekannte Lithographie- und Ätzschritte erfolgen.
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Wie bereits erwähnt, kann die Länge 24 eines Sensorstabs 12 einen Wert im Bereich von L = 100 Mikrometer bis sogar L = 1000 Mikrometer aufweisen. In 13 ist hierzu gezeigt, welche Sensitivität, also welche Signalspannung U im Verhältnis zur absorbierten Leistung P, hieraus resultiert, wenn ein Sensorstab 12 die im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Abmessungen aufweist. Ein Betriebsbereich 86 möglicher Betriebspunkte des einen Sensorstabs 12 ist im Diagramm von 13 markiert. Durch entsprechende Dotierungen der Materialien der Schicht 62, 68 um einen Seebeck-Koeffizienten von +/–250 Mikro V/K lassen sich Empfindlichkeiten der Sensorstäbe von über 1000 V/W erzielen, was weit über die bekannten Eigenschaften hinausgeht.
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Durch die Beispiele ist gezeigt, wie hochdichte, großflächige Array-Sensoren hergestellt werden können, die eine feinpixelierte Infrarotaufnahme mit hoher Auflösung erlauben. Basis dafür ist eine Strukturtechnologie der Silizium-Mikromechanik, mit der derartige Arrays mit thermoelektrischen Sensorstäben mit sehr hohem Aspektverhältnis gefertigt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009043413 B3 [0001]