DE10256997A1 - Infrarot-Strahlungssensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Strahlungssensor mit einem Substrat (4) und einem vom Substrat (4) thermisch isolierten Bereich (1) mit mindestens einem Infrarot-Sensorelement (2). Der Infrarot-Strahlungssensor weist ferner mindestens ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement (5) auf, das auf konstante Temperatur regelbar ist, und das zwischen dem thermisch isolierten Bereich (1) und dem Substrat (4) angeordnet ist. Dadurch ist der thermisch isolierte Bereich (1) vom Substrat thermisch abgekoppelt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarot-Strahlungssensor mit mindestens einem Infrarot-Sensorelement, einer Halterung für das Infrarot-Sensorelement und einem von der Halterung thermisch isolierten Bereich, wobei das(die) Infrarot-Sensorelement(e) in dem thermisch isolierten Bereich angeordnet ist(sind), sowie ein Infrarot-Thermometer, insbesondere ein Infrarot-Ohrthermometer, mit einem derartigen Infrarot-Strahlungssensor.
- Aus der DE 197 10 946 A1 sind ein Infrarot-Strahlungssensor und ein Infrarot-Ohrthermometer zur Fiebermessung bekannt. Das Ohrthermometer ist mit einer Meßspitze versehen, die in den Ohrkanal eingeführt werden kann und die dort vorhandene Infrarot- Strahlung mit dem Infrarot-Strahlungssensor aufnimmt. Der Strahlungssensor besitzt eine Thermosäule (Thermopile), d. h. eine Reihenschaltung mehrerer Thermoelemente. Die Warm- und die Kaltstellen des Thermopile befinden sich auf einer dünnen Membran, die aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht und die an einem Rahmen befestigt ist.
- Dieser Infrarot-Strahlungssensor ist empfindlich gegenüber einer ungleichmäßigen Erwärmung der Membran. Diese kann beispielsweise durch die Wärmeabgabe einer elektronischen Signalverarbeitungsschaltung erfolgen, die auf dem Rahmen, also in unmittelbarer Nähe der Membran angeordnet ist. Im Falle des Infrarot-Ohrthermometers kann außerdem das Einführen der Meßspitze in den Gehörgang zu einer unerwünschten Erwärmung des Strahlungssensors während des Meßvorgangs führen, und die Meßgenauigkeit beeinträchtigen.
- In der Publikation "An ultrasensitive uncooled heat-balancing infrared detector" in Proceedings IEDM 1996, (c) IEEE 1996, von C. C. Liu und C. H. Mastrangelo ist ein Infrarot-Strahlungssensor beschrieben, bei dem aktive Bolometer in Form von MOS- Transistoren auf einer Membran geringer Wärmekapazität und geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind, die gegenüber einem Substrat thermisch isoliert ist. Die MOS- Transistoren werden vom Strom einer Konstantstromquelle durchflossen und heizen dadurch die Membran geringfügig gegenüber dem Substrat auf. Trifft nun Infrarot- Strahlung auf die MOS-Transistoren, erwärmen sich diese entsprechend. Dadurch verringert sich aber der Spannungsabfall an den MOS-Transistoren und dadurch auch deren Heizleistung. Insgesamt bleibt damit die Temperatur der Membran mit den MOS- Transistoren praktisch konstant. Die auftreffende Infrarot-Strahlungsleistung kann durch Messung des Spannungsabfalls bestimmt werden.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarot-Strahlungssensor anzugeben, der gegenüber Temperaturschwankungen besonders unempfindlich ist.
- Ein erfindungsgemäßer Infrarot-Strahlungssensor weist einen vom Rest des Infrarot- Strahlungssensors thermisch isolierten Bereich auf, in dem sich mindestens ein Infrarot- Sensorelement zur Messung der einfallenden Infrarot-Strahlung befindet. Mindestens ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement, dessen Temperatur konstant gehalten werden kann, schirmt den thermisch isolierten Bereich vom Rest des Infrarot-Strahlungssensors thermisch ab, d. h. ist vorzugsweise zwischen dem thermisch isolierten Bereich und dem Rest des Infrarot-Strahlungssensors angeordnet.
- Bei einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungssensors besteht der thermisch isolierte Bereich aus einer Membran, die nur an ihrem Rand mit einer rahmenförmigen Halterung, beispielsweise einem Halbleitersubstrat, verbunden ist. Das Infrarot-Sensorelement zur Messung der einfallenden Infrarot-Strahlung befindet sich vorzugsweise in der Mitte der Membran. Mindestens ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, dessen Temperatur konstant gehalten werden kann, ist zwischen dem Infrarot-Sensorelement und dem Rand der Membran angeordnet. Vorzugsweise sind mehrere elektrische oder elektronische Bauelemente längs des Randes der Membran angeordnet, sodaß das Infrarot-Sensorelement möglichst vollständig von den elektrischen oder elektronischen Bauelementen umgeben und somit von der Halterung der Membran thermisch abgeschirmt ist. Zwischen den elektrischen oder elektronischen Bauelementen können dann die Zuleitungen verlaufen, die das Infrarot-Sensorelement mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbinden.
- Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungssensors ist die Membran nur über Verbindungsstege mit ihrer Halterung verbunden. Bei einer im wesentlichen rechteckigen Membran verlaufen die Verbindungsstege vorteilhaft in an sich bekannter Weise jeweils hakenförmig und parallel zur jeweiligen Seite der Membran bis zur Halterung. Vorzugsweise ist auf den Verbindungsstegen je ein elektrisches oder elektronisches Bauelement angeordnet, dessen Temperatur konstant gehalten werden kann. Es kann aber auch in diesem Fall mindestens ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, dessen Temperatur konstant gehalten werden kann, am Rand der Membran angeordnet sein. Die Zuleitungen, die das Infrarot-Sensorelement mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbinden, verlaufen längs der Verbindungsstege und ggfs. über oder unter dem jeweiligen elektrischen oder elektronischen Bauelement.
- Ein geeignetes elektrisches Bauelement ist beispielsweise ein NTC- oder PTC-Widerstand, der mit einer Regelschaltung verbunden ist, die einen durch diesen Widerstand fließenden Strom oder eine an diesem Widerstand anliegende Spannung so regelt, daß dessen Widerstand und somit dessen Temperatur konstant bleibt. Die Regelung kann so ausgelegt werden, daß der Rückgang der im Widerstand erzeugten Verlustleistung genau der von außen zugeführten Wärmemenge entspricht, so daß die Temperatur des Widerstands konstant bleibt.
- Vorzugsweise wird aber durch eine Regelschaltung in an sich bekannter Weise die Temperatur eines vom Strom einer Konstantstromquelle durchflossenen MOS-Transistors konstant gehalten. Eine von außen dem MOS-Transistor zugeführte Wärmemenge bewirkt eine Absenkung seiner Schwellspannung. Eine im Durchlaßzustand eines MOS- Transistors abgesenkte Schwellspannung würde normalerweise einen erhöhten Strom durch den MOS-Transistor bewirken, jedoch ist der Strom durch die Konstantstromquelle fest vorgegeben. Daher erfolgt statt dessen durch Verkleinerung der über dem MOS- Transistor abfallenden Spannung eine Verringerung der im MOS-Transistor erzeugten Verlustleistung. Diese Reduzierung entspricht dann bei einem geeignet ausgewählten MOS-Transistor genau der von außen zugeführten Wärmemenge. Die Temperatur des MOS-Transistors bleibt somit konstant.
- Bei erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungssensoren besteht die Membran ggfs. mit ihren Verbindungsstegen vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium. Bei besonders vorteilhaften Ausführungen besteht auch die Halterung aus demselben Halbleitermaterial wie die Membran und deren Verbindungsstege. Die elektrischen oder elektronischen Bauelemente können dann auf der Membran bzw. den Verbindungsstegen integriert sein. Die Halterung kann dann auch als Substrat für weitere elektronische Bauelemente dienen, insbesondere für die Regelschaltung oder die Konstantstromquelle oder eine Signalverarbeitungsschaltung für die vom Infrarot-Sensorelement abgegebenen Signale.
- Wenn die Temperatur des/der elektrischen oder elektronischen Bauelemente konstant gehalten wird, ist der Bereich der Membran, in dem das(die) Infrarot-Sensorelement(e) angeordnet ist(sind), thermisch von der Halterung der Membran und damit vom Rest des Infrarot-Strahlungssensors isoliert, d. h. vor Temperaturschwankungen und -gradienten geschützt. Dies gilt sowohl für einen Wärmefluß, der während einer Temperaturmessung von außen über das Gehäuse eines Thermometers bis zum Infrarot-Strahlungssensor vordringt, als auch für einen Wärmefluß, der von einer im Substrat des Infrarot-Strahlungssensors integrierten elektronischen Schaltung verursacht wird.
- Als Infrarot-Sensorelement kann beispielsweise ein im thermisch isolierten Bereich des Infrarot-Strahlungssensors angeordnetes Thermopile-Sensorelement verwendet werden. Das Sensorelement kann in an sich bekannter Weise so beschaffen sein, daß in einem ersten Teil des isolierten Bereichs die Kaltstellen und in einem zweiten Teil des isolierten Bereichs die Warmstellen angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Anordnung, bei der die Kaltstellen des Thermopile-Sensorelements am Rande des thermisch isolierten Bereichs und in unmittelbarer Nähe der elektrischen oder elektronischen Bauelemente liegen, und daher durch diese auf konstanter Temperatur gehalten werden können. Die Warmstellen des Thermopile-Sensorelements befinden sich dann vorzugsweise in der Mitte des thermisch isolierten Bereichs.
- Statt eines Thermopile-Sensorelements können auch Bolometerelemente, pyroelektrische Sensorelemente, Thermoelemente, Thermistoren oder dergleichen verwendet werden.
- Bei allen oben beschriebenen Ausführungen erfindungsgemäßer Infrarot-Strahlungssensoren können auch mehrere Infrarot-Sensorelemente im thermisch isolierten Bereich der Membran, vorzugsweise matrixförmig nebeneinander, angeordnet sein, die gemeinsam durch am Rand der Membran oder an den Verbindungsstegen angeordnete elektrische oder elektronische Bauelemente thermisch gegenüber der Halterung der Membran isoliert sind. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn jedes Infrarot-Sensorelement individuell durch elektrische oder elektronische Bauelemente, die auf konstanter Temperatur gehalten werden können, vom Rest der Membran, d. h. auch von den anderen Infrarot-Sensorelementen, thermisch isoliert ist. Eine solche Anordnung kann insbesondere zur Abbildung einer Temperaturverteilung verwendet werden.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Figuren dargestellt sind. Es zeigen:
- Fig. 1 schematisch einen ersten erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungssensor in einer Querschnittsansicht (a) und einer Draufsicht (b);
- Fig. 2 schematisch einen zweiten erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungssensor mit einer matrixförmigen Anordnung mehrerer Sensorelemente;
- Fig. 3 schematisch einen dritten erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungssensor in Draufsicht.
- Ein erfindungsgemäßer Infrarot-Strahlungssensor ist in Fig. 1a im Querschnitt entlang einer Ebene dargestellt, die in Fig. 1b mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist. Er weist ein Substrat 4 mit einer Vertiefung 4a auf, die von einer Membran überspannt wird, die aus einem zentralen Bereich 1 und vier Verbindungsstegen 3 besteht. Die Vertiefung 4a und die Membran können in an sich bekannter Weise hergestellt sein. Der zentrale Bereich 1 ist im wesentlichen rechteckförmig, und ist auf einem wesentlichen Teil seiner Fläche mit einer infrarot-absorbierenden Schicht 2 bedeckt. Die Verbindungsstege 3 umgeben den zentralen Bereich 1 hakenförmig und verbinden ihn mit dem Substrat 4. Auf jedem Verbindungssteg 3 befindet sich ein elektrisches oder elektronisches Bauelement 5, dessen Temperatur konstant gehalten werden kann. Neben der Membran befindet sich auf dem Substrat 4 eine elektronische Schaltung 6.
- Das Substrat 4 und die Membran bestehen vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium. Daher können die elektronische Schaltung 6 und die elektrischen oder elektronischen Bauelemente 5 direkt auf dem Substrat 4 bzw. den Verbindungsstegen 3 integriert sein. Vorzugsweise bestehen die Bauelemente 5 aus MOS- Transistoren, die so beschaffen und so elektrisch beschaltet sind, daß ihre Verlustleistung mit steigender Temperatur abnimmt, und die zugeführte Wärmemenge durch die niedrigere Verlustleistung gerade kompensiert wird. Auf diese Weise bleibt die Temperatur der elektronischen Bauelemente 5 konstant. Dadurch wird eine thermische Isolierung des zentralen Bereichs 1 vom Substrat 4 bewirkt.
- Auf den zentralen Bereich 1 der Membran auftreffende Infrarot-Strahlung führt zu einer Temperaturerhöhung, die durch ein Infrarot-Sensorelement (in Fig. 1 nicht dargestellt) erfaßt wird. Das Infrarot-Sensorelement besteht beispielsweise aus einem Thermopile, dessen Warmstellen unter der infrarot-absorbierenden Schicht 2 angeordnet sind. Die Kaltstellen des Thermopile sind ebenfalls auf der Membran aber nicht unter der infrarotabsorbierenden Schicht 2 angeordnet. Die Kaltstellen können vorzugsweise in der Nähe der Bauelemente 5 positioniert sein, so daß sie von den Bauelementen 5 auf konstanter Temperatur gehalten werden. Auf mindestens einem der Verbindungsstege 3 verlaufende Zuleitungen, die das Infrarot-Sensorelement bzw. die elektrischen oder elektronischen Bauelemente 5 mit der elektronischen Schaltung 6 verbinden, sind ebenfalls nicht dargestellt. Die Zuleitungen sind beispielsweise in die Membran integriert oder auf die Membran aufgedampft oder aufgedruckt.
- Die elektronische Schaltung 6 enthält vorzugsweise eine Regelschaltung für die elektrischen oder elektronischen Bauelemente 5, um diese auf konstante Temperatur zu regeln, und/oder eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verarbeitung der vom Infrarot- Sensorelement gelieferten Signale.
- In Fig. 2 ist schematisch eine matrixförmige Anordnung von neun voneinander thermisch isolierten Bereichen dargestellt, die auf einer gemeinsamen Membran angeordnet sind, wobei sich in jedem thermisch isolierten Bereich ein Infrarot-Sensorelement befindet. Auf diese Weise ist jedes Infrarot-Sensorelement individuell durch elektrische oder elektronische Bauelemente, die auf konstanter Temperatur gehalten werden können, vom Rest der Membran, d. h. auch von den anderen Infrarot-Sensorelementen, thermisch isoliert. Auch bei dieser Ausführungsform dienen die in den Verbindungsstegen der einzelnen isolierten Bereiche integrierten elektrischen oder elektronischen Bauelemente der Konstanthaltung der Temperatur der Membran im Bereich jedes einzelnen Infrarot- Sensorelements. Die erfindungsgemäße Temperaturkonstanthaltung ist gerade bei einer derartigen Mehrfachanordnung von Infrarot-Sensorelementen besonders vorteilhaft, da die thermischen Widerstände zwischen den einzelnen Infrarot-Sensorelementen und dem gemeinsamen Substrat unterschiedlich sind, und von der jeweiligen Position des Infrarot- Sensorelements auf der Membran abhängen. Temperaturgradienten im Substrat könnten ohne Temperaturkonstanthaltung zu einem Temperaturgradienten auf der Membran führen, und das Abbild einer Temperaturverteilung im Blickfeld des Infrarot-Strahlungssensors verfälschen.
- In Fig. 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführung eines Infrarot-Strahlungssensors dargestellt. Bei dieser Ausführungsform bestehen die elektronischen Bauelemente 5 aus MOS-Transistoren, die nicht auf den Verbindungsstegen 3 sondern auf dem zentralen, rechteckigen Bereich 1 der Membran angeordnet sind. In Fig. 3 ist zusätzlich ein Thermopile als Infrarot-Sensorelement dargestellt, dessen Zuführungsdrähte über einen der Verbindungsstege 3 in den zentralen Bereich 1 geführt werden. Die MOS-Transistoren 5 dienen bei diesem Ausführungsbeispiel dazu, möglichst großflächige Bereiche konstanter Temperatur zu bilden, an denen die Kaltstellen des Thermopiles angeordnet werden können. Die Kaltstellen weisen damit eine hohe Temperaturkonstanz auf. Die Warmstellen des Thermopiles sind unter der infrarot-absorbierenden Schicht 2 angeordnet, die sich in der Mitte des zentralen Bereichs 1 der Membran befindet.
- Die MOS-Transistoren können auch an den Übergangsstellen zwischen dem zentralen Bereich 1 der Membran und den Verbindungsstegen 3 angeordnet werden, so daß sie gleichzeitig für eine besonders gute thermische Abkopplung des zentralen Bereichs 1 der Membran von den Verbindungsstegen 3, dem Substrat 4 und der elektronischen Schaltung 6 sorgen.
- Die in der Fig. 3 dargestellten MOS-Transistoren 5 bilden großflächige Inseln relativ hoher Wärmeleitfähigkeit, wenn sie im wesentlichen aus Silizium bestehen. Die thermische Abkopplung der Kaltstellen von den Warmstellen ergibt sich durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des zentralen Bereichs 1 der Membran, der beispielsweise aus SiN oder SiO2 besteht.
Claims (10)
1. Infrarot-Strahlungssensor mit mindestens einem Infrarot-Sensorelement,
einer Halterung für das Infrarot-Sensorelement und einem von der Halterung
thermisch isolierten Bereich,
dadurch gekennzeichnet, daß
er ferner mindestens ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement (5)
aufweist, das auf konstante Temperatur regelbar ist, und das zwischen dem
thermisch isolierten Bereich (1) und der Halterung (4) angeordnet ist.
2. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bauelement (5) aus einem NTC- oder PTC-Widerstand oder einem
Transistor besteht, und daß eine Regelschaltung vorhanden ist, die die Temperatur
des Bauelements (5) konstant halten kann.
3. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bauelement (5) aus einem MOSFET besteht, und daß eine
Konstantstromquelle vorhanden ist, deren konstanter Strom durch den MOSFET
fließen kann.
4. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der thermisch isolierte Bereich (1) durch Verbindungsstege (3) mit dem
Substrat (4) verbunden ist, und an jedem Verbindungssteg (3) ein
Bauelement (5) angeordnet ist.
5. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 1, 2, oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Infrarot-Sensorelement ein Thermoelement, ein Thermopile, ein
Bolometer oder ein pyroelektrisches Element ist.
6. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das/die Bauelemente (5) gleichzeitig als Temperaturreferenz für das/die
Infrarot-Sensorelemente dient/dienen.
7. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kaltstelle(n) des/der Thermoelements/e bzw. des/der Thermopiles in der
Nähe des/der Bauelements/e (5) angeordnet ist/sind.
8. Infrarot-Strahlungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
er mehrere Infrarot-Sensorelemente aufweist.
9. Infrarot-Strahlungssensor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
er mehrere durch elektrische oder elektronische Bauelemente (5) thermisch
voneinander isolierte Bereiche (1) aufweist, die auf konstanter Temperatur
gehalten werden können, und daß sich in jedem thermisch isolierten Bereich
(1) mindestens ein Infrarot-Sensorelement befindet.
10. Infrarot-Thermometer, insbesondere Infrarot-Ohrthermometer, mit einem
Infrarot-Strahlungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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