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DE10315964A1 - Device for detecting radiation in IR region used in the production of silicon wafers for the detection of carbon dioxide e.g. from air conditioning in vehicles, has a sensor element and filter elements which are monolithically integrated - Google Patents

Device for detecting radiation in IR region used in the production of silicon wafers for the detection of carbon dioxide e.g. from air conditioning in vehicles, has a sensor element and filter elements which are monolithically integrated Download PDF

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DE10315964A1
DE10315964A1 DE2003115964 DE10315964A DE10315964A1 DE 10315964 A1 DE10315964 A1 DE 10315964A1 DE 2003115964 DE2003115964 DE 2003115964 DE 10315964 A DE10315964 A DE 10315964A DE 10315964 A1 DE10315964 A1 DE 10315964A1
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DE
Germany
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sensor element
carbon dioxide
membrane
radiation
detection
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Ceased
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DE2003115964
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German (de)
Inventor
Frank Fischer
Hans-Peter Baer
Arnim Hoechst
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
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

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Abstract

Device for detecting radiation in the IR region comprises a sensor element (5) for detecting the temperature prevailing in the element, and filter elements (1, 2) having a wavelength-dependent transmission behavior. The sensor element and the filter elements are monolithically integrated.

Description

Stand der TechnikState of technology

Bekannte mikromechanische Systeme für Gasanalyse nach dem Prinzip der infrarotabsorption bestehen aus einem Infrarotdetektor und einem schmalbandigen IR-Filter (IR = Infrarot), dessen Wellenlänge auf das zu messende Gas abgestimmt ist. Dabei sind Sensor und Filter räumlich voneinander separiert und müssen durch aufwändige Aufbau- und Verbindungstechnik positioniert werden. Schmalbandige IR-Filter werden u.a. durch Abscheiden von Mehrfachschichten mit abwechselnd niedrigem und hohem Brechungsindex (z.B. Ge und SiO2) auf in der Halbleiterindustrie üblichen Siliziumwafern erzeugt.Known micromechanical systems for gas analysis based on the principle of infrared absorption consist of an infrared detector and a narrow-band IR filter (IR = infrared), the wavelength of which is matched to the gas to be measured. The sensor and filter are spatially separated from each other and must be positioned using complex construction and connection technology. Narrow band IR filters are produced, among other things, by depositing multilayers with alternating low and high refractive index (eg Ge and SiO 2 ) on silicon wafers that are common in the semiconductor industry.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 102 43 014 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Stoffes bekannt, wobei ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf einem ersten Chip vorgesehen sind und wobei ein erster Filter und ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen sind, wobei der erste Chip und der zweite Chip hermetisch dicht miteinander verbunden sind.From the unpublished DE 102 43 014 A device for the detection of radiation signals and a device for measuring the concentration of a substance are known, a first detector and a second detector being provided on a first chip and a first filter and a second filter being provided on a second chip, the first chip and the second chip are hermetically sealed together.

Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche gehen aus der DE 102 43 014 hervor.The features of the preambles of the independent claims go from the DE 102 43 014 out.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen im infraroten Bereich, welche wenigstens

  • – ein Sensorelement zur Detektion der unter anderem aufgrund der Strahlungssignale im Sensorelement vorherrschenden Temperatur sowie
  • – wenigstens ein Filterelement, welches einen Teil der infraroten Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich passieren lässt bzw. welches ein wellenlängenabhängiges Transmissionsverhalten aufweist,
umfasst.The invention relates to a device for the detection of radiation signals in the infrared range, which at least
  • - A sensor element for detecting the temperature prevailing, inter alia, on the basis of the radiation signals in the sensor element and
  • At least one filter element which allows part of the infrared radiation to pass in a predetermined wavelength range or which has a wavelength-dependent transmission behavior,
includes.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das wenigstens eine Sensorelement und das wenigstens eine Filterelement monolithisch integriert sind. Damit lässt sich eine besonders kompakte Bauweise erreichen.The The essence of the invention is that the at least one sensor element and the at least one filter element is monolithically integrated. In order to let yourself achieve a particularly compact design.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement und das Filterelement auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats bzw. Chips integriert sind. Dabei handelt es sich bei dem Substratmaterial in einer vorteilhaften Ausgestaltung um ein für infrarotes Licht gut durchlässiges Material, beispielsweise um Silizium.A advantageous embodiment is characterized in that the sensor element and the filter element on opposite Sides of a substrate or chips are integrated. Acting it is the substrate material in an advantageous embodiment around one for infrared light well transmissive Material, for example silicon.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement um einen Thermopile handelt. Thermopiles sind bewährte Bauelemente, welche sich auch insbesondere für die hier erforderliche Miniaturisierung eignen.A advantageous embodiment of the invention is characterized in that that the sensor element is a thermopile. thermopiles are proven Components that are also particularly suitable for the miniaturization required here suitable.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet,A advantageous embodiment is characterized in that

  • – dass eine thermisch isolierende Membran vorhanden ist und- that a thermally insulating membrane is present and
  • – das Sensorelement an der Membran angebracht ist.- the Sensor element is attached to the membrane.

Dadurch wird ein übermäßig schneller Wärmeverlust des Sensorelements durch Wärmediffusion vermieden.Thereby becomes an excessively fast heat loss of the sensor element by heat diffusion avoided.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnetA Another advantageous embodiment is characterized

  • – dass sich zwischen dem Substrat und dem Sensorelement eine thermisch isolierende Membran befindet.- that between the substrate and the sensor element insulating membrane.

Diese Ausführungsform ist besonders einfach herzustellen, da hier zuerst die Membran auf dem Substrat aufgebracht wird und anschließend darauf das Sensorelement.This embodiment is particularly easy to manufacture, because here the membrane on the Substrate is applied and then the sensor element.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der thermisch isolierenden Membran um eine perforierte Membran handelt. Dadurch wird die Durchführung eines selektiven Ätzprozesses am unter der Membran liegenden Substrat ermöglicht.A advantageous embodiment is characterized in that it is the thermally insulating membrane is a perforated membrane. This will carry out a selective etching process on the substrate lying under the membrane.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der perforierten Membran und dem Substrat ein Hohlraum befindet. Dieser Hohlraum führt zu einer weiteren Verbesserung der thermischen Isolation des Sensors bzgl. Wärmeverlust durch Wärmediffusion.A An advantageous embodiment is characterized in that a cavity between the perforated membrane and the substrate located. This cavity leads to further improve the thermal insulation of the sensor regarding heat loss through heat diffusion.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der Schichten so angeordnet ist, dass die einfallende infrarote Strahlung zuerst das wenigstens eine Filterelement passiert, später das Substrat durchquert und erst danach beim Sensorelement eintrifft.A advantageous embodiment is characterized in that the Sequence of layers is arranged so that the incident infrared radiation first passes through the at least one filter element, later crosses the substrate and only then arrives at the sensor element.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,A advantageous embodiment of the device is characterized in that

  • – dass das Filterelement infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande von Kohlendioxid passieren lässt und- that the filter element infrared radiation in the wavelength range of the absorption band of carbon dioxide and
  • – die Vorrichtung zur Detektion des Kohlendioxidgehaltes eines Gases, insbesondere der Luft, verwendet wird.- The device for detecting the carbon dioxide content of a gas, especially the air, ver is applied.

Dadurch eröffnet sich ein weiter Einsatzbereich beispielsweise im Automobilbereich, wo auf Kohlendioxidbasis arbeitenden Klimaanlagen aus Gründen der Ökologie und der Energieeffizienz in Zukunft eine wesentliche Rolle spielen könnten. Eine derartige Vorrichtung könnte dazu dienen, Leckagen der Klimaanlage und damit eine Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration im Fahrzeuginnern rechtzeitig zu erkennen.Thereby open a wide range of applications, for example in the automotive sector, where carbon dioxide based air conditioners work for ecological reasons and play an important role in future energy efficiency could. Such a device could serve to leak the air conditioner and thus increase the Recognize the carbon dioxide concentration inside the vehicle in good time.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit einem Absorber beschichtet wird, welcher Strahlung im infraroten Bereich absorbiert. Durch diese Absorberschicht wird das infrarotabsorbierende Volumen erhöht und damit eine größere Effizienz der Vorrichtung ermöglicht.A Another advantageous embodiment is characterized in that the sensor is coated with an absorber, which radiation absorbed in the infrared range. Through this absorber layer the infrared absorbing volume increases and thus greater efficiency the device allows.

Zeichnungdrawing

Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 4.The drawing consists of the 1 to 4 ,

1 zeigt ein auf einem Siliziumwafer bzw. Siliziumchip abgeschiedenes IR-Filter. 1 shows an IR filter deposited on a silicon wafer or silicon chip.

2 zeigt zusätzlich eine darauf abgeschiedene Siliziumschicht. 2 additionally shows a silicon layer deposited thereon.

3 zeigt die resultierende Gesamtanordnung in einem Ausführungsbeispiel. 3 shows the resulting overall arrangement in one embodiment.

4 unterscheidet sich von 3 dadurch, dass zusätzlich die infrarotabsorbierende Schicht eingezeichnet ist. 4 differs from 3 in that the infrared absorbing layer is also shown.

Bezüglich der Zeichnungen 1 bis 54 ist generell zu bemerken, dass die Zeichnungen aufeinander aufbauen. Viele Bezugsziffern tauchen deshalb auf mehreren Figuren auf und kennzeichnen stets dieselbe Komponente.Regarding the Drawings 1 to 54 should generally be noted that the drawings build on each other. Many reference numbers therefore appear on several Figures on and always identify the same component.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung beschreibt die Anordnung eines IR-Sensors und des Filters auf einem Chip bzw. Substrat. Dabei werden die für das Sensorelement notwendigen Schichten auf einen Filterwafer aufgebracht. Für die Herstellung des Sensorelements können die in der Halbleitertechnik üblichen Verfahren eingesetzt werden. Bei der vorgeschlagenen Anordnung wird zunächst ein schmalbandiger IR-Filter durch Mehrfachabscheidung dielektrischer Schichten auf einem Siliziumwafer erzeugt. Nachfolgend werden für die Herstellung eines Sensorelements notwendige Schichten auf dem Wafer abgeschieden und strukturiert. Um bessere thermische Isolation und eine leichtere Handhabbarkeit zu erreichen, können die Sensoren mit einer Kappe versehen werden, welche z.B. mit Sealglas gebondet wird.The Invention describes the arrangement of an IR sensor and the filter on a chip or substrate. The necessary for the sensor element Layers applied to a filter wafer. For the production of the sensor element can the usual in semiconductor technology Procedures are used. In the proposed arrangement first a narrow-band IR filter through multiple deposition of dielectric Generated layers on a silicon wafer. Below are for manufacturing necessary layers of a sensor element are deposited on the wafer and structured. To better thermal insulation and a lighter To achieve manageability can Sensors are capped, e.g. with seal glass is bonded.

Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:Thereby The following advantages result over the prior art:

  • – Filter- und Sensorelement sind auf einem Wafer bzw. Chip integriert.- filter and sensor element are integrated on a wafer or chip.
  • – Es ist keine aufwändige Aufbau- und Verbindungstechnik für die Positionierung von Filter und Sensorelement nötig.- It is not an expensive one Construction and connection technology for positioning of filter and sensor element necessary.
  • – Die Verkappung des Sensors kann mit bekannten Technologien, z.B. Sealglasbonden erfolgen, ohne dass Beschränkungen durch einen auf der Kappe angebrachten IR-Filter erfolgen.- The The sensor can be capped using known technologies, e.g. Seal glass bonding be done without any restrictions through an IR filter attached to the cap.
  • – Die IR-Strahlung tritt von der Rückseite her in das Sensorelement ein, Idealerweise wird die Aufbau- und Verbindungstechnik über eine Flip-Chip-Lösung direkt auf der Leiterplatte realisiert.- The IR radiation emerges from the back forth into the sensor element, ideally the structure and Connection technology via a flip chip solution realized directly on the circuit board.

Die vorgeschlagene Anordnung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Herstellung eines Gassensors (beispielsweise eines Kohlendioxidsensors) anhand der 1 bis 4 erläutert.In one exemplary embodiment, the proposed arrangement is based on the production of a gas sensor (for example a carbon dioxide sensor) on the basis of the 1 to 4 explained.

In 1 werden ein schmalbandiges IR-Filter, welches entweder aus zwei Schichten bzw. Schichtfolgen 1 und 2 oder einer der beiden Schichten bzw. Schichtfolgen besteht, auf einem Siliziumwafer 100 abgeschieden. Üblicherweise werden die Schichten auf beide Seiten des Wafers verteilt (d.h. es werden beide Schichten bzw. Schichtstapel 1 und 2 abgeschieden), um die Durchbiegung des Wafers durch mechanische Spannungen zu minimieren. Bei den ein oder zwei das IR-Filter bildenden Schichtfolgen handelt es sich in einer vorteilhaften Ausgestaltung jeweils um ein Fabry-Perot-Filter.In 1 become a narrow-band IR filter, which either consists of two layers or layer sequences 1 and 2 or one of the two layers or layer sequences consists on a silicon wafer 100 deposited. The layers are usually distributed on both sides of the wafer (ie both layers or layer stacks become 1 and 2 deposited) in order to minimize the deflection of the wafer due to mechanical stresses. In one advantageous embodiment, the one or two layer sequences forming the IR filter are each a Fabry-Perot filter.

Im nächsten Schritt in 2 wird auf einer Seite des Wafers über der IR-Filterschicht 1 eine Siliziumschicht 3 abgeschieden. Alternativ kann die Schicht 3 auch aus Germanium bestehen. Die in 1 bereits gekennzeichneten Komponenten wurden in 2 nochmals mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.In the next step in 2 is on one side of the wafer over the IR filter layer 1 a silicon layer 3 deposited. Alternatively, the layer 3 also consist of germanium. In the 1 components already marked were in 2 marked again with the same reference numerals.

Auf der Siliziumschicht 3 wird in 3 eine thermisch isolierende Membran 4 erzeugt. Das Material dieser Membran ist ebenfalls Silizium oder Germanium. Diese Membran trägt die für die Temperaturmessung erforderlichen Elemente 5. Bei diesen Elementen 5 kann es sich beispielsweise um einen Thermopile handeln. Im Falle von Thermopiles kennzeichnet der schwarz gerasterte Bereich die dort zusammengeführten „heißen" Anschlüsse der einzelnen Thermoelemente des Thermopiles. Die Membran 4 wird perforiert und über die Perforationsöffnungen 7 wird durch einen selektiven Ätzprozess die Kaverne 6 erzeugt, d.h. die Membran wird freigestellt. Die Kaverne 6 dient der thermischen Isolation des für die Temperaturmessung erforderlichen Elements 5.On the silicon layer 3 is in 3 a thermally insulating membrane 4 generated. The material of this membrane is also silicon or germanium. This membrane carries the elements required for temperature measurement 5 , With these elements 5 it can be a thermopile, for example. In the case of thermopiles, the black grid area indicates the "hot" connections of the individual thermocouples of the thermopile that are brought together there. The membrane 4 is perforated and over the perforation openings 7 the cavern becomes a selective etching process 6 generated, ie the membrane is released. The cavern 6 is used for the thermal insulation of the the temperature measurement required element 5 ,

Die Infrarotstrahlung 8 in 3 tritt von der Rückseite (d.h. von unten in 3) her in das Sensorelement ein.The infrared radiation 8th in 3 enters from the back (ie from below 3 ) into the sensor element.

In einem weiteren Prozessschritt wird der IR-Sensor optional mit einem Absorber beschichtet und unter einer Kappenstruktur hermetisch verschlossen. Der Absorber bzw. die Absorberschicht 9 ist zusätzlich in 4 dargestellt.In a further process step, the IR sensor is optionally coated with an absorber and hermetically sealed under a cap structure. The absorber or the absorber layer 9 is also in 4 shown.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich in einer bevorzugten Ausführungsform zur Detektion des Kohlendioxidsanteils von Gasen (z.B. Luft im Innenraum eines Kraftfahrzeugs). Die Erfindung ist jedoch auch für die Detektion anderer Gase geeignet, beispielsweise Methan, Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit), Kohlenmonoxid oder Stickoxide.The device according to the invention is suitable in a preferred embodiment for the detection of the Carbon dioxide content of gases (e.g. air in the interior of a motor vehicle). However, the invention is also for the detection of other gases is suitable, for example methane, water vapor (Humidity), carbon monoxide or nitrogen oxides.

Hier wird jeweils auf eine andere Filterschicht zurückgegriffen, welche infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande des zu detektierenden Gases passieren lässt.Here a different filter layer is used, which is infrared Radiation in the wavelength range the absorption band of the gas to be detected.

Claims (10)

Vorrichtung zur Detektion von Strahlung (8) im infraroten Bereich, umfassend – wenigstens ein Sensorelement (5) zur Detektion der unter anderem aufgrund der Strahlung im Sensorelement (5) vorherrschenden Temperatur, – wenigstens ein Filterelement (1, 2), welches ein wellenlängenabhängiges Transmissionsverhalten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (5) und das wenigstens eine Filterelement (1, 2) monolithisch integriert sind.Radiation detection device ( 8th ) in the infrared range, comprising - at least one sensor element ( 5 ) for the detection of, among other things, the radiation in the sensor element ( 5 ) prevailing temperature, - at least one filter element ( 1 . 2 ), which has a wavelength-dependent transmission behavior, characterized in that the at least one sensor element ( 5 ) and the at least one filter element ( 1 . 2 ) are integrated monolithically. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (5) und das Filterelement (2) auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats (100) integriert sind.Device according to claim 1, characterized in that the sensor element ( 5 ) and the filter element ( 2 ) on opposite sides of a substrate ( 100 ) are integrated. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (5) um einen Thermopile handelt.Device according to claim 1, characterized in that the sensor element ( 5 ) is a thermopile. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass eine thermisch isolierende Membran (4) vorhanden ist und – das Sensorelement an der Membran (4) angebracht ist.Device according to claim 1, characterized in that - a thermally insulating membrane ( 4 ) is present and - the sensor element on the membrane ( 4 ) is attached. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass sich zwischen einem Substrat (100) und dem Sensorelement (5) eine thermisch isolierende Membran (4) befindet.Device according to claim 1, characterized in that - between a substrate ( 100 ) and the sensor element ( 5 ) a thermally insulating membrane ( 4 ) is located. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der thermisch isolierenden Membran (4) um eine perforierte Membran (4, 7) handelt.Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that it is in the thermally insulating membrane ( 4 ) around a perforated membrane ( 4 . 7 ) acts. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der perforierten Membran und dem Substrat ein Hohlraum (3) befindet.Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that a cavity (between the perforated membrane and the substrate ( 3 ) is located. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der Schichten so angeordnet ist, dass die einfallende infrarote Strahlung zuerst das wenigstens eine Filterelement (2) passiert, später ein Substrat (100) durchquert und erst danach beim Sensorelement (5) eintrifft.Apparatus according to claim 1, characterized in that the order of the layers is arranged so that the incident infrared radiation first the at least one filter element ( 2 ) happens later a substrate ( 100 ) and only then at the sensor element ( 5 ) arrives. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass das Filterelement infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande von Kohlendioxid passieren lässt und – die Vorrichtung zur Detektion des Kohlendioxidgehaltes eines Gases, insbesondere der Luft im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, verwendet wird.Device according to claim 1, characterized in - that this Filter element infrared radiation in the wavelength range of the absorption band of carbon dioxide and - the Device for detecting the carbon dioxide content of a gas, especially the air in the interior of a motor vehicle becomes. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5) mit einem Absorber (9) beschichtet wird, welcher Strahlung im infraroten Bereich absorbiert.Device according to claim 1, characterized in that the sensor ( 5 ) with an absorber ( 9 ) is coated, which absorbs radiation in the infrared range.
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