DD300201A7 - HYBRID PYROELECTRIC MULTI-ELEMENT 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).The invention relates to a hybrid pyroelectric multi-element sensor consisting of a chip of monocrystalline triglycine sulfate or a thermal properties related pyroelectric monocrystalline material having a plurality of arranged in a row or in a matrix sensitive elements and a readout circuit, which are contacted with each other. According to the invention, the chip is 70 to 90 mm thick. It has been found that the NET values can be reduced in such an arrangement with a thickness of the pyroelectric material far in excess of the previous recommendations and embodiments. The pyroelectric acts to some extent as a thermal insulator itself. Compared to an arrangement with a thickness of the dielectric of 2 mm and a thickness of the pyroelectric of 20 or 40 mm, the NET value drops to less than half of that in which both the dielectric and the pyroelectric are 20 mm thick He only 13 (each for a chopper frequency of 15 Hz and TGS).

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Die Erfindung betrifft einen hybriden pyroelektrischen Mehrelementsensor, bestehend aus einem Chip aus einkristallinemThe invention relates to a hybrid pyroelectric multi-element sensor, consisting of a chip of monocrystalline Triglyzinsulfat oder einem diesem hinsichtlich der thermischen Eigenschaften verwandten pyroelektrischen einkristallinenTriglyzinsulfat or one with respect to the thermal properties related pyroelectric monocrystalline Material mit mehreren in einer Zeile oder in einer Matrix angeordneten empfindlichen Elementen und einem Ausleseschaltkreis,Material having a plurality of sensitive elements arranged in a row or in a matrix and a readout circuit,

die miteinander kontaktiert sind.which are contacted with each other.

Hybrido pyroelektrische Mehrelementsensoren der eingangs genannten Art sind bekannt. Eine nicht einfach zu realisierendeHybrido pyroelectric multi-element sensors of the type mentioned are known. A not easy to realize Aufga ν die elektrische Kontaktierung des Mehrelementsensors mit dem Ausleseschaltkreis. Die Anordnunp «oll inAufga ν the electrical contacting of the multi-element sensor with the readout circuit. The arrangement 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.ensure a high spatial and thermal resolution metrological, even after prolonged use and under mechanical alternating loads reliably and be produced with little effort. It is difficult to meet these partly contradictory demands.

Im Interesse einer materialseitigen hohen räumlichen und thermischen Auflösung muß die Änderung der mittleren TemperaturIn the interest of a material-side high spatial and thermal resolution, the change in the average temperature

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 einebe as large as possible of the pyroelectric. Therefore, according to WALTHER and GERBER (InfrarotmeßtecSnik, VEB Verlag Technik Berlin, 1981), a self-supporting arrangement of the pyroelectric chip and a single-element and multi-element sensors

Chipdicke von 2 bis 20 pm gefordert. Der Chip sollte also möglichst dünn sein und der Wärmeaustausch mit der UmgebungChip thickness required from 2 to 20 pm. The chip should therefore be as thin as possible and the heat exchange with the environment

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.possible only by radiation. The self-supporting design is not feasible for mechanically heavier loaded chips. The demand for a small chip thickness is always taken into account in the most diverse designs.

Klebegebondete Hybridbauelemente haben eine Elementezahl von 256 (16x16) bei einem Mittenabstand von 256pmAdhesive bonded hybrid devices have a number of elements of 256 (16x16) with a center distance of 256pm

(J.E. Loveluck, S. G. Porter: A charge coupled [CCDl pyroelectric Array Proc. of the SPIE, Vol.395,11983), S. 86... 90).(J.E. Loveluck, S.G. Porter: A charge coupled [CCD1 Pyroelectric Array Proc. Of the SPIE, Vol.395, 1183), pp. 86-90].

Elementmittenabstände unter ΙΟΟμιη lassen sich mit dieser Technologio nicht realisieren.Element center distances below ΙΟΟμιη can not be realized with this technology. Elementmittenabständevon 256μηη wurden ebenfalls mittels einer Löttechnologie hergestellt, bei dem die Lothügel mittelsElement center spacings of 256μηη were also made by means of a soldering technology, in which the solder bumps by means of Galvanik aufgebracht wurden (R. Watton u.a.: Technologies and performance for linear and 2 dimensional pyroelectric Arrays.Electroplating (R. Watton et al .: 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 nochProc. of the SPiE, Vol.510 (1984), pp. 139-148). The massive Lothügei could still with other, more expensive technologies

etwas kleiner hergestellt werden. Es stört abei der geringe thermische Widerstand zwischen dem pyroelektrischen Chip und demmade a little smaller. It interferes with the low thermal resistance between the pyroelectric chip and the

Ausleseschaltkreis. Niedrige NET-Werte können nicht erreicht werden.Readout circuit. Low NET values can not be achieved. Bei einer anderen Lötverbindung sind die beloteten Anschlußflächen auf einem Fotoresist),ügel aufgebracht und ihrerseitsIn another solder joint, the soldered pads on a photoresist) are applied, and in turn

durch einen seitlichen Leiter galvanisch mit den darunterliegenden Anschlußflächen des Ausleseschaltkreises verbundenelectrically connected by a lateral conductor to the underlying pads of the readout circuit

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

Bethlehem (USAl 1986). Der thermisch isolierende Festkörperresist bewirkt eine beträchtliche Verringerung der NET.Bethlehem (USAl 1986). The thermally insulating solid state resist causes a significant reduction in NET. Andererseits steigt der technologische Aufwand erheblich, insbesondere, wenn die Elementmittenabstände kleiner 10Ομπι seinOn the other hand, the technological complexity increases considerably, especially if the element center distances are less than 10Ομπι

sollen. Die Metallisierung des Fotoresthügels muß sehr dünn (wesentlich kleiner als 1 pm) sein, wenn dessen thermischeshould. The metallization of the Fotoresthügels must be very thin (much smaller than 1 pm), if its thermal

Isolationswirkung zum Tragen kommen soll. Dadurch aber sinkt die Zuverlässigkeit der elektrischen Kontaktierung erheblich.Isolation effect should come to fruition. As a result, the reliability of the electrical contact decreases significantly. Nach US-PS 4214165 ist die kapazitive Kopplung eines Mehrelementsensors mit einem Ausleseschaltkreis bekannt. ZwischenAccording to US-PS 4214165 the capacitive coupling of a multi-element sensor with a readout circuit is known. Between

dem Mehrelementsensor und dem Ausleseschaltkreis befindet sich eine Isolationsschicht aus Luft. Vakuum oder einem Polymer.the multi-element sensor and the readout circuit is an insulation layer of air. Vacuum or a polymer.

Dio kapazitive Kopplung ist mit dem geringsten Aufwand realisierbar. Sie verbindet gute thermische Isolation und elektrischeDio capacitive coupling can be realized with the least effort. It combines good thermal insulation and electrical Kopplung miteinander. Im Interesse eines hohen elektrischen Einlesewirkungsgrades muß die dielektrische KoppelschichtCoupling with each other. In the interest of high electrical Einlesewirkungsgrades the dielectric coupling layer

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.be as thin as possible. When using an approximately 1 pm thick layer of air as a dielectric between the multi-element sensor and the readout circuit this requirement would be met and at the same time guarantees a high thermal insulation. Unfortunately, the pyroelectric sensor material in this case is no longer mechanically supported, i. H. it is hardly loadable. With a polymer layer as thin as a pyroelectric, it would be possible to ensure simple technological manufacturability, mechanical strength of the pyroelectric material, and high electrical read-in efficiency. The thermal insulation remains unsatisfactory for sophisticated sensors.

In US-PS 4311906 ist zwischen dem Chip und dem Ausleseschaltkreis ebenfalls eine dielektrische Polymerschicht vorgesehen.U.S. Patent 4,311,906 also provides a dielectric polymer layer between the chip and the readout circuit. Zusätzlich ist zwischen der Polymerschicht und dem Ausleseschaltkreis eine weitere thermisch gut isolierende SchichtIn addition, between the polymer layer and the readout circuit is another thermally well insulating layer

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.arranged. In this additional layer thin metal bridges for electrical contact between the dielectric and the readout circuit are embedded. They completely eliminate the advantage of the technologically easily realizable dielectric coupling.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen hybriden pyroelektrischen Mehrelementsensor mit hoher thermischer Auflösung anzugeben,The object of the invention is to provide a hybrid pyroelectric multi-element sensor with high thermal resolution,

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.which consists of a chip of monocrystalline triglycine sulfate or a pyroelectric monocrystalline material having a plurality of sensitive elements which is related to the thermal properties and is dielectrically contacted with a read-out circuit via an approximately 1 μm thick polymer layer.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der pyroelektrische Chip eine Dicke von 70 bis 90pm aufweist.According to the invention, this object is achieved in that the pyroelectric chip has a thickness of 70 to 90pm.

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).It would be found that the NET values can be reduced in such an arrangement with a thickness of the pyroelectric material far in excess of the previous recommendations and embodiments. The pyroelectric acts to some extent as a thermal insulator itself. Compared to an arrangement with a thickness of the dielectric of 2μπι and a thickness of the pyroelectric of 20 or 4Q \ im , the NET value drops to less than half, compared to such, b .. 'i of both the dielectric and the pyroelectric 20Mm thick are only Vs (each for a chopper frequency of 15Hz and 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.In a preferred embodiment, the sensitive elements of the chips with trenches separating the pyroelectric material are mutually thermally isolated. This reduces the mutual thermal influence from one sensitive element to another.

Die Lösung verbindet einfache Herstellbarkeit, hohe Meßqualität und Robustheit miteinander.The solution combines easy manufacturability, high measurement quality and robustness.

Die Lösung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigenThe solution is shown in more detail in the following embodiments. In the drawings show

Fig. 1: einen Querschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Lösung, Fig. 2: einen Querschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung.Fig. 1: a cross section of a first solution according to the invention, Fig. 2: a cross section of a second solution according to the invention.

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.The solution according to the invention is presented in two first variants. The variants have in common: the pyroelectric material (chip) 1 of the multi-element sensor with the front electrode 2, the readout circuit 4 with the input electrodes 5 and arranged between the pyroelectric material and the input electrode polymer layer 3. The pyroelectric material consists of L-alanine doped DTGS with a thickness of 80pm. The sensitive elements 7 have a center distance of 50 \ im. The dielectric 3 is made of silicone rubber and has a thickness of about 1 μητι. It compensates for the thermal expansion of DTSG: L-alanine and silicon. A height compensation, as in the use of hill structures, is not required. The effort for masks and positioning is 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.In the second example (FIG. 2), the sensitive elements 6 of the pyroelectric chip 1 are completely separated from one another. A carrier film 8 of polyvinylidene fluoride ensures the cohesion of the elements, especially during assembly. The dielectric 3 and the front electrode 2 are made over the entire surface, as in the first example.

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.1. A hybrid pyroelectric multi-element sensor consisting of a chip of monocrystalline triglycine sulfate or a thermal properties related pyroelectric monocrystalline material having a plurality of sensitive elements, which is dielectrically kontaktiart about a 1 μηη strong Poylmerschicht with a readout circuit, characterized in that the pyroelectric Chip (1) has a thickness of 70 to 90μηι. 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.2. Sensor according to claim 2, characterized in that the sensitive elements (7) completely cut through and below the front electrode (2) with an approximately 1 pm thick polymer layer (8) are covered.