DD300201A7 - Hybrider pyroelektrischer mehrelement-sensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hybriden pyroelektrischen Mehrelementsensor, bestehend aus einem Chip aus einkristallinem Triglyzinsulfat oder einem diesem hinsichtlich der thermischen Eigenschaften verwandten pyroelektrischen einkristallinen Material mit mehreren in einer Zeile oder in einer Matrix angeordneten empfindlichen Elementen und einem Ausleseschaltkreis, die miteinander kontaktiert sind. Erfindungsgemaesz ist der Chip 70 bis 90 mm dick ist. Es wurde gefunden, dasz die NET-Werte bei einer solchen Anordnung mit einer weit ueber den bisherigen Empfehlungen und Ausfuehrungen liegenden Dicke des pyroelektrischen Materials verringert werden koennen. Das Pyroelektrikum wirkt bis zu einem gewissen Grade selbst als thermischer Isolator. Gegenueber einer Anordnung mit einer Dicke des Dielektrikums von 2 mm und einer Dicke des Pyroelektrikums von 20 oder 40 mm sinkt der NET-Wert auf unter die Haelfte, gegenueber einer solchen, bei der sowohl das Dielektrikum als auch das Pyroelektrikum 20 mm dick sind, betraegt er nur noch 13 (jeweils fuer eine Chopperfrequenz von 15 Hz und TGS).

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Die Erfindung betrifft einen hybriden pyroelektrischen Mehrelementsensor, bestehend aus einem Chip aus einkristallinem Triglyzinsulfat oder einem diesem hinsichtlich der thermischen Eigenschaften verwandten pyroelektrischen einkristallinen Material mit mehreren in einer Zeile oder in einer Matrix angeordneten empfindlichen Elementen und einem Ausleseschaltkreis,

die miteinander kontaktiert sind.

Hybrido pyroelektrische Mehrelementsensoren der eingangs genannten Art sind bekannt. Eine nicht einfach zu realisierende Aufga ν die elektrische Kontaktierung des Mehrelementsensors mit dem Ausleseschaltkreis. Die Anordnunp «oll in

meßtechnischer Hinsicht eine hohe räumliche und thermische Auflösung gewährleisten, noch nach längerem Gebrauch undunter mechanischen Wechselbelastungen zuverlässig arbeiten und mit geringem Aufwand herstellbar sein. Es ist schwer, diesenzum Teil gegensätzlichen Forderungen gerecht zu werden.

Im Interesse einer materialseitigen hohen räumlichen und thermischen Auflösung muß die Änderung der mittleren Temperatur

des Pyroelektrikums möglichst groß sein. Nach WALTHER und GERBER (InfrarotmeßtecSnik. VEB Verlag Technik Berlin, 1981)wird deshalb für Einelement- und Mehrelementsensoren eine freitragende Anordnung des pyroelektrischen Chips und eine

Chipdicke von 2 bis 20 pm gefordert. Der Chip sollte also möglichst dünn sein und der Wärmeaustausch mit der Umgebung

möglichst nur durch Strahlung erfolgen. Die freitragende Ausführung ist bei mechanisch stärker belasteten Chips nichtrealisierbar. Der Forderung nach einer geringen Chipdicke wird bei den verschiedensten Ausführungen immer Rechnunggetragen.

Klebegebondete Hybridbauelemente haben eine Elementezahl von 256 (16x16) bei einem Mittenabstand von 256pm

(J.E. Loveluck, S. G. Porter: A charge coupled [CCDl pyroelectric Array Proc. of the SPIE, Vol.395,11983), S. 86... 90).

Elementmittenabstände unter ΙΟΟμιη lassen sich mit dieser Technologio nicht realisieren. Elementmittenabständevon 256μηη wurden ebenfalls mittels einer Löttechnologie hergestellt, bei dem die Lothügel mittels Galvanik aufgebracht wurden (R. Watton u.a.: Technologies and performance for linear and 2 dimensional pyroelectric Arrays. Proc. of the SPiE, Vol.510 (1984), S. 139... 148). Die massiven Lothügei könnten mit anderen, aufwendigerenTechnologien noch

etwas kleiner hergestellt werden. Es stört abei der geringe thermische Widerstand zwischen dem pyroelektrischen Chip und dem

Ausleseschaltkreis. Niedrige NET-Werte können nicht erreicht werden. Bei einer anderen Lötverbindung sind die beloteten Anschlußflächen auf einem Fotoresist),ügel aufgebracht und ihrerseits

durch einen seitlichen Leiter galvanisch mit den darunterliegenden Anschlußflächen des Ausleseschaltkreises verbunden

(R. Watton: Ferroelectrics for infrared detection and imaging. 1986 ΙίΞΕΕ International Symp. on the Application of Ferroelectrics

Bethlehem (USAl 1986). Der thermisch isolierende Festkörperresist bewirkt eine beträchtliche Verringerung der NET. Andererseits steigt der technologische Aufwand erheblich, insbesondere, wenn die Elementmittenabstände kleiner 10Ομπι sein

sollen. Die Metallisierung des Fotoresthügels muß sehr dünn (wesentlich kleiner als 1 pm) sein, wenn dessen thermische

Isolationswirkung zum Tragen kommen soll. Dadurch aber sinkt die Zuverlässigkeit der elektrischen Kontaktierung erheblich. Nach US-PS 4214165 ist die kapazitive Kopplung eines Mehrelementsensors mit einem Ausleseschaltkreis bekannt. Zwischen

dem Mehrelementsensor und dem Ausleseschaltkreis befindet sich eine Isolationsschicht aus Luft. Vakuum oder einem Polymer.

Dio kapazitive Kopplung ist mit dem geringsten Aufwand realisierbar. Sie verbindet gute thermische Isolation und elektrische Kopplung miteinander. Im Interesse eines hohen elektrischen Einlesewirkungsgrades muß die dielektrische Koppelschicht

möglichst dünn sein. Bei Verwendung einer etwa 1 pm starken Luftschicht als Dielektrikum zwischen dem Mehrelementsensorund dem Ausleseschaltkreis wäre diese Forderung erfüllt und zugleich eine hohe thermische Isolation garantiert. Leider wird daspyroelektrische Sensormaterial in diesem Fall mechanisch nicht mehr unterstützt, d. h. es ist kaum belastungsfähig. Mit einerebenso dünnen Polymerschicht als Pyroelektrikum wären einfache technologische Herstallbarkeit, mechanische Belastbarkeitdes pyroelektrischen Materials und hoher elektrischer Einlesewirkungsgrad gesichert. Die thermische Isolation bleibt füranspruchsvolle Sensoren allerdings unbefriedigend.

In US-PS 4311906 ist zwischen dem Chip und dem Ausleseschaltkreis ebenfalls eine dielektrische Polymerschicht vorgesehen. Zusätzlich ist zwischen der Polymerschicht und dem Ausleseschaltkreis eine weitere thermisch gut isolierende Schicht

angeordnet. In diese zusätzliche Schicht sind dünne Metallbrücken zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem Dielektrikumund dem Ausleseschaltkreis eingebettet. Sie heben den Vorteil der technologisch einfach realisierbaren dielektrischen Kopplungvollständig auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen hybriden pyroelektrischen Mehrelementsensor mit hoher thermischer Auflösung anzugeben,

der aus einem Chip aus einkristallinem Triglyzinsulfat oder einem diesem hinsichtlich der thermischen Eigenschaftenverwandten pyroelektrischen einkristallinen Material mit mehreren empfindlichen Elementen besteht und über eine etwa 1 pmstarke Polymerschicht mit einem Ausleseschaltkreis dielektrisch kontaktiert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der pyroelektrische Chip eine Dicke von 70 bis 90pm aufweist.

Es w'l'de gefunden, daß dio NET-Werte bei einer solchen Anordnung mit einer weit über den bisherigen Empfehlungen und Ausführungen liegenden Dicke des pyroelektrischen Materials verringert werden können. Das Pyroelektrikum wirkt bis zu einem gewissen Grade selbst als thermischer Isolator. Gegenüber einer Anordnung mit einer Dicke des Dielektrikums von 2μπι und einer Dicke des Pyroelektrikums von 20 oder 4Q\im sinkt der NET-Wert auf unter die Hälfte, gegenüber einer solchen, b..'i der sowohl das Dielektrikum als auch das Pyroelektrikum 20Mm dick sind, beträgt er nur noch Vs (jeweils für eine Chopperfrequenz von 15Hz und TGS).

In einer vorzugsweisen Ausführung sind die empfindlichen Elemente dos Chips mit das pyroelektrische Material durchtrennenden Gräben gegenseitig thermisch isoliert. Dadurch sinkt die gegenseitige thermische Beeinflussung von einem empfindlichen Element zum anderon.

Die Lösung verbindet einfache Herstellbarkeit, hohe Meßqualität und Robustheit miteinander.

Die Lösung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1: einen Querschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Lösung, Fig. 2: einen Querschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung.

Die erfindungsgemäße Lösung wird in zwei ersten Varianten vorgestellt. Den Varianten ist gemeinsam: das pyroelektrische Material (Chip) 1 des Mehrelementsensors mit der Frontelektrode 2, der Ausleseschaltkreis 4 mit den Eingangselektroden 5 und die zwischen dem pyroelektrischen Material und den Eingangselektroden angeordnete Polymerschicht 3. Das pyroelektrische Material besteht aus L-Alanin dotiertem DTGS mit einer Dicke von 80pm. Die empfindlichen Elemente 7 haben einen Mittenabstand von 50 \im. Das Dielektrikum 3 besteht aus Silikonkautschuk und hat eine Dicke von etwa 1 μητι. Es gewährleistet einen Ausgleich der Wärmeausdehnung von DTSG:L-Alanin und Silizium. Ein Höhenausgleich, wie bei der Verwendung von Hügelstrukturen, ist nicht erforderlich. Der Aufwand für Masken und Positionierung ist minimal.

Im zweiten Beispiel (Fig.2) sind die empfindlichen Elemente» 6 des pyroelektrischen Chips 1 vollständig voneinander getrennt. Eine Trägerfolie 8 aus Polyvinylidenfluorid gewährleistet den Zusammenhalt der Elemente, insbesondere auch während der Montage. Das Dielektrikum 3 und die Frontelektrode 2 sind wie im ersten Beispiel, ganzflächig ausgeführt.

Claims (2)

1. Hybrider pyroelektrischer Mehrelementsensor, bestehend aus einem Chip aus einkristallinem Triglyzinsulfat oder einem diesem hinsichtlich der thermischen Eigenschaften verwandten pyroelektrischen einkristallinen Material mit mehreren empfindlichen Elementen, der über eine etwa 1 μηη starke Poylmerschicht mit einem Ausleseschaltkreis dielektrisch kontaktiart ist, gekennzeichnet dadurch, daß der pyroelektrische Chip (1) eine Dicke von 70 bis 90μηι aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die empfindlichen Elemente (7) vollständig durchtrennt und unterhalb der Frontelektrode (2) mit einer etwa 1 pm starken Polymerschicht (8) bedeckt sind.