DE19513499A1 - Pyroelektrisches Dünnschichtsensorelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotsensor aus pyroelektrischen Elementen mit dünnen polymeren Schichten, die sich durch eine hohe Empfindlichkeit und gute Integrationsfähigkeit hinsichtlich der Kombination mit den erforderlichen Auswerteschaltungen auszeichnen.

Es ist bekannt, Infrarotsensoren aus pyroelektrischen Dünnschichtelementen herzustellen, bei denen das pyroelektrische Einzelelement aus einer pyroelektrischen Folie besteht, die zwischen zwei elektrisch leitenden Elektroden angeordnet ist. Nach bekannter Technik ist die kondensatorähnliche Struktur so ausgeführt, daß die pyroelektrische Schicht die Infrarotstrahlung über eine Elektrode aufnimmt und die auf der Gegenseite angeordnete Elektrode auf einem Substrat kontaktiert ist, das zweckmäßig auch die Auswerteschaltung enthält. In Sensoren aus mehreren Einzelelementen werden die die Strahlung aufnehmenden Elektroden als gemeinsame Elektrode ausgeführt. Zur Verbesserung der Absorption werden diese Elektroden oft mit speziellen Schichten überzogen und geschwärzt.

In der Regel sind die Gegenelektroden mit dem Gate von Feldeffekttransistoren verbunden.

Nachteile dieser Anordnung sind:

• - Die Integrationsfähigkeit dieser Anordnungen ist durch die gegenüberliegende Anordnung der Elektroden begrenzt.
• - Die wirksame Fläche der die Strahlung aufnehmenden Elektrode wird durch die erforderliche Kontaktfläche auf der Strahlungsseite reduziert. Der Flächenverlust durch die Kontaktflächen ist besonders dann von Bedeutung, wenn konfigurationsbedingt viele Teilflächen zu kontaktieren sind.
• - Aufgebrachte Absorptionsschichten beeinträchtigen die Kontaktierbarkeit der Elektroden.
• - Bei Mehrelementsensoren tritt bei einer gemeinsamen Elektrode eine elektrische Kopplung zwischen den Einzelelementen auf.
• - Die Anordnungen reagieren relativ träge auf schnelle zeitliche Änderungen der IR-Strahlung.
• - Durch die unvermeidliche thermische und/oder mechanische Belastung bei der Kontaktierung der die Strahlung aufnehmenden Elektrode besteht die Gefahr der Beschädigung der Dünnschicht.

Am strukturellen Aufbau derartiger Sensorelemente wurden in Hinblick auf die Erhöhung der Empfindlichkeit und die Vereinfachung der Herstellungstechnologie Verbesserungen durchgeführt.

Im EP 0196188/IPK H 01 L37/02 wird die Strahlungsempfindlichkeit und Selektivität verbessert, indem die Einzelelektroden durch spiegelnde Isolationsschichten getrennt werden und die Einstrahlung über die Einzelelektroden erfolgt.

Nach der DE 41 05 591/IPK G 01 J 5/10 wird neben der Verbesserung der Integrationsfähigkeit die Empfindlichkeit des Sensors durch thermische Entkopplung der Verbindung zwischen der Sensorelementstruktur und dem Substrat verbessert.

Nach dem EP 0406053/IPK H 01 L 37/02 wird ebenfalls die Empfindlichkeit durch Dimensionierung und Materialauswahl hinsichtlich der Wärmeleitung der pyroelektrischen Substanz erhöht.

Allen bekannten konstruktiven Lösungen ist gemeinsam, daß die aktiven Elektroden, zwischen denen das Auswertesignal abgenommen wird, auf den gegenüberliegenden Seiten der pyroelektrischen Dünnschicht angeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, o.g. Nachteile zu vermeiden und insbesondere die Integrations­ fähigkeit der pyroelektrischen Einzelelemente von Dünnschichtsensoren durch eine neue Elektrodenanordnung zu verbessern.

Gegenstand der Erfindung ist eine konstruktive Lösung, bei der die beiden aktiven Elektroden auf einer Seite der pyroelektrischen Dünnschicht angeordnet sind. Auf der freien gegenüberliegenden Seite der pyroelektrischen Dünnschicht wird eine Hilfselektrode angeordnet, die sich über die Gesamtfläche der auf der Gegenseite befindlichen aktiven Elektroden des jeweiligen Sensorelementes erstreckt. Die Hilfselektrode muß nicht kontaktiert sein.

Durch diese konstruktive Lösung ergibt sich der Vorteil, daß einerseits durch die einseitige laterale Anordnung der aktiven Elektroden gute Voraussetzungen für eine Integration in der Auswerteschaltung bestehen; andererseits wirkt sich die nicht erforderliche Kontaktierung der Hilfselektrode fertigungstechnisch günstig bei der Herstellung der Sensorelemente aus, weil keine thermische oder andere Belastung der empfindlichen pyroelektrischen Dünnschicht durch die Kontaktierung auftritt und demzufolge bei der Dimensionierung der Schichtdicke der pyroelektrischen Schicht keine Zugeständnisse an die Belastbarkeit dieser Schicht gemacht werden müssen. Maßnahmen zur Verbesserung der Absorption können frei gewählt werden. Die so realisierbaren extrem dünnen pyroelektrischen Schichten geben die Voraussetzung für eine hohe Empfindlichkeit des Sensors und sein schnelles Ansprechverhalten gegenüber Änderungen der IR-Strahlung.

Die in bekannter Weise verwendeten pyroelektrischen Dünnschichten bestehen in der Regel aus polymeren Substanzen, die innere elektrische Dipole aufweisen. Die elektrischen Dipole müssen bei der Herstellung der Sensorelemente ausgerichtet werden. Dies geschieht durch den Prozeß der Schichtherstellung selbst oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes.

Eine hohe Empfindlichkeit des Sensorelements wird erreicht, wenn alle inneren Dipole der pyroelektrischen Dünnschicht der aktiven Fläche des Sensorelementes zum Spannungssignal beitragen. Dazu ist bei der Ausrichtung der inneren Dipole durch die bekannten Verfahren der elektrischen Polung eine möglichst gleich große elektrische Feldstärke über der gesamten aktiven Fläche notwendig. Die Feldausbildung ist von der Dimensionierung der Abstände zwischen den aktiven Elektroden a und dem Abstand der aktiven Elektroden von der Hilfselektrode d abhängig. Je kleiner der Abstand d wird, um so mehr erhöht sich die elektrische Feldstärke zwischen der Hilfselektrode und den aktiven Elektroden.

Der Abstand d entspricht der Dicke der pyroelektrischen Schicht.

Erfindungsgemäß wird eine hohe Empfindlichkeit erreicht, wenn das Verhältnis des Abstandes der aktiven Elektrodenflächen a zur Dicke der pyroelektrischen Schicht d größer 1, optimal 2 bis 10 ist.

Es ist vorteilhaft, die aktiven Elektrodenflächen nach bekannten halbleitertechnischen Verfahren zu strukturieren, so daß sie die Form von ineinandergreifenden Kämmen, Mäandern, Spiralen u.ä. haben. Auch dabei soll das Verhältnis des Abstandes der Ränder der aktiven Elektroden zur Dicke der pyroelektrischen Dünnschicht d größer 1, optimal 2 bis 10 sein.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung für ein pyroelektrisches Einzelelement in folgenden Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die Ausbildung des elektrischen Feldes bei der Polung der pyroelektrischen Dünn­ schicht,

Fig. 2a den Schnitt durch einen Teil eines Elements, bei dem die prinzipielle vertikale Struktur des Elementaufbaus erkennbar ist,

Fig. 2b eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 2a mit der Ausbildung der Anschlüsse,

Fig. 3 die Draufsicht auf ein Einzelelement, bei dem die aktiven Elektroden als Kammstruktur ausgebildet sind.

In Fig. 1 wird zur Erläuterung der elektrischen Polung die Ausbildung des elektrischen Feldes am Ausschnitt eines Einzelelements dargestellt. Auf dem Substrat 2 befinden sich die isolierten aktiven Elektroden 3. Zwischen der Hilfselektrode 4 und den aktiven Elektroden bzw. dem Substrat 2 liegt die pyroelektrische Dünnschicht 1. Zur Ausrichtung der inneren Dipole der pyroelektrischen Dünnschicht wird zwischen den Elektroden 3 eine Spannung angelegt, so daß sich zwischen den Elektroden einerseits und den Elektroden und der Hilfselektrode 4 andererseits ein elektrisches Feld 6 ausbildet. Die Dichte der elektrischen Feldlinien 6 ist dabei ein Maß der elektrischen Feldstärke. Wenn der Abstand a doppelt so groß wie die Schichtdicke der pyroelektrischen Dünnschicht d ist, entsteht eine nahezu gleiche Feldstärke über der gesamten Fläche der aktiven Elektroden 3. Die Verfahren zur Polung der dünnen organischen oder polymeren Schicht sind bekannt und sind z. B. in "Optimized poling of nonlinear optical polymers based on dipole-orientations and dipole-relaxations studies" von REN et al. (J. Appl. Phys. 75 (1994), S. 7211 ff) beschrieben.

Nachfolgend wird die verfahrenstechnische Herstellung dieser Sensorelemente erläutert.

Das Substrat 2 besteht beispielsweise aus einer oxidierten Si-Scheibe, auf die durch bekannte Verfahren des Aufdampfens mit anschließender fotolithografischer Strukturierung die Elektroden 3 mit den Anschlüssen 5 beispielsweise aus Aluminium aufgebracht sind. Die gleichen Elektroden können auch durch eine Maskenbedampfung oder andere Verfahren erzeugt werden. Auf dieses Substrat mit den aktiven Elektroden 3 wird die pyroelektrische Dünnschicht durch bekannte Verfahren wie Spincoating, Dipping oder Auftropfen u.ä. aus einer Lösung in einer dünnen Schicht aufgetragen und das Lösungsmittel verdampft, so daß ein homogener Film vorbestimmter Dicke der pyroelektrischen Dünnschicht 1 entsteht. Als polymeres Material eignet sich besonders ein Polyvinylalkohol oder Polysiloxan mit Azobenzenseitenketten, die in Chloroform gelöst wurden. Aber auch organische pyroelektrische Substanzen wie Azofarbstoffe sind anwendbar. Auf diese Schicht, die vorteilhaft die Fläche der Elektroden 3 mindestens überdeckt, wird die Hilfselektrode 4 ebenfalls durch beispielsweise Vakuumbedampfung mit Aluminium aufgebracht. Auf die Hilfselektrode können weitere Schichten zur Verbesserung der Absorption aufgetragen werden.

Zur Ausrichtung der inneren Dipole der pyroelektrischen Dünnschicht 1 wird die Anordnung bei der Glastemperatur des polymeren Materials durch Anlegen einer Polungsspannung nach bekannten Verfahren gepolt.

Zur Erzeugung der pyroelektrischen Dünnschicht 1 sind ebenfalls die Verfahren zur Herstellung von geordneten dünnen Schichten wie die Langmuir-Blodgett-Technik anwendbar. Bei diesen Präparationsmethoden kann die anschließende elektrische Polung zur Ausrichtung der inneren Dipole entfallen.

Die Anschlüsse 5 werden dann mit der Auswerteschaltung, z. B. A/D-Wandler, Impedanzwandler u.ä. verbunden. Gleichzeitig kann an die Anschlüsse 5 eine zusätzliche Gleichspannung angelegt werden, die, verglichen mit der vorhergehenden Polungsspannung, gleiche oder entgegengesetzte Polarität hat. Dadurch wird die Empfindlichkeit des so aufgebauten pyroelektrischen Sensorelements gezielt beeinflußt.

Mit gleichen oder ähnlichen Verfahren sind Mehrelementsensoren herstellbar.

Als Ausführungsbeispiel wird ein Sensorelement beschrieben, bei dem die aktiven Elektroden strukturiert sind. Sie greifen kammförmig ineinander. Ein solches Element wird vorteilhaft hergestellt, indem z. B. eine handelsübliche Interdigitalstruktur benutzt wird, wie sie in Fig. 3 skizziert ist. Auf einem Glassubstrat 2a sind zwei kammförmig ineinandergreifende Aluminiumelektroden 3a angeordnet, die mit den lötbaren Anschlüssen 5a verbunden sind. Die Breite der Aluminiumbahnen beträgt 100 µm und der Abstand 10 µm.

Auf diese Interdigitalstruktur wird eine Schicht von Polyvinylalkohol mit Azobenzen- Seitenketten PVA-C12 durch Spincoating aus einer 1,5%-igen Chloroform-Lösung in einer Dicke von 2 µm aufgetragen. Die Schicht wird nach dem Abdampfen des Chloroforms bei 150°C 1 Stunde lang getempert. Die so entstandene pyroelektrische Dünnschicht 1a überdeckt die gesamte Interdigitalstruktur.

Die Herstellung des Poly[(vinyl-4′-n-dodecyloxyazobenzen-4-carboxylat)-co-vinylalkohol]s- (PVA-C12) erfolgt zweckmäßig durch Einhorn-Esterifizierung von Polyvinylalkohol mit 4′-n- Dodecyloxyazobenzen-4-carbonsäure analog der Synthesevorschriften in "Synthesis and spectroscopical characterization of some poly(vinyl alcohol)s with alkoxyazobenzenecarbonyl substituents" von JANIETZ und BAUER (Maktomol. Chem. 192 (1991), S. 2635 ff). Die Ausgangsstoffe der Synthese sind ein Polyvinylalkohol (Molmasse 72000 g/mol) und ein 4′-n- Dodecyloxyazobenzen-4-carbonsäurechlorid, welches aus einer nach einem bekannten Verfahren hergestellten 4-n-Dodecyloxyazobenzensäure (s.a. Schah, N.H.; Vora, R.A.; Jadar, N.D.: Liq. Christ. Proc. Int. Conf. 1979 (publ. 1980) 565; CA 94 (1981) 93926 k) durch Umsetzung mit Thionylchlorid in Anwesenheit von Pyridin gewonnen wird.

Danach wird die Hilfselektrode 4a durch Aluminiumbedampfung mit einer Schichtdicke von 100 nm auf der polymeren Schicht erzeugt. Die elektrische Polung erfolgt bei 180°C und einer Spannung von 400 V über eine Dauer von 30 min.

Das so hergestellte pyroelektrische Dünnschichtelement zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit für IR-Strahlung und sehr gute Langzeitstabilität aus. Durch Anlegen einer Hilfsspannung im Bereich von -50 V bis +50 V an die Anschlüsse 5a kann die Empfindlichkeit gesteuert werden.

Claims (7)

1. Pyroelektrisches infrarotempfindliches Sensorelement mit dünner infrarotsensitiver polymerer Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß diese zwischen einer nicht kontaktierten Hilfselektrode und den auf einem Substrat lateral nebeneinander liegenden aktiven Elektroden angeordnet ist, wobei das Verhältnis des Abstandes der aktiven Elektrodenflächen zur Dicke der Schicht zwischen den Oberflächen der aktiven Elektroden und der Hilfselektrode größer als 1 ist.

2. Pyroelektrisches infrarotempfindliches Sensorelement mit dünner infrarotsensitiver polymerer Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode mindestens die Fläche der ihr gegenüberliegenden aktiven Elektroden überdeckt.

3. Pyroelektrisches infrarotempfindliches Sensorelement mit dünner infrarotsensitiver polymerer Schicht nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Abstand der aktiven Elektroden und der Dicke der dünnen polymeren Schicht 2 bis 10 ist.

4. Pyroelektrisches infrarotempfindliches Sensorelement mit dünner infrarotsensitiver polymerer Schicht nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinander angeordneten aktiven Elektroden strukturiert sind und ineinander greifen.

5. Pyroelektrisches infrarotempfindliches Sensorelement mit dünner infrarotsensitiver polymerer Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne polymere Schicht aus Polyvinylalkohol oder Polysiloxan mit Azobenzen-Seitenketten besteht.

6. Pyroelektrisches infrarotempfindliches Sensorelement mit dünner infrarotsensitiver polymerer Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer Spannung an die aktiven Elektroden die Empfindlichkeit des pyroelektrischen Sensorelements gezielt beeinflußt wird.

7. Pyroelektrisches infrarotempfindliches Sensorelement mit dünner infrarotsensitiver polymerer Schicht nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement Bestandteil eines Mehrelementsensors ist.