DE102007052565A1

DE102007052565A1 - Positionsempfindlicher Strahlungssensor

Info

Publication number: DE102007052565A1
Application number: DE200710052565
Authority: DE
Inventors: Wolfgang R Fahrner; Dietmar Fink; Kurt Hoppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-03
Filing date: 2007-11-03
Publication date: 2009-05-20

Abstract

die Erfindung betrifft einen zweidimensionalen positionsempfindlichen Strahlungssensor, wobei nanoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten, ortsveränderlichen Strahlungsfluss die beiden positionsabhängigen Messspannungen mittels positionsgetreuer Nanoröhrendurchkontaktierung hin zur halbleitenden Unterseite mit so erzeugtem Massebezug abgreifbar durchschaltet und gleichzeitig die sensorauslösende, fokussierte Strahlungsleistung im Konstantstrombetrieb der Durchkontaktimpedanz in entkoppelte Signalmessspannung ebenso abgreifbar umsetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweidimensionalen positionsempfindlichen Strahlungssensor zur Detektion von Position und Strahlungsleistung und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie eine Verwendung desselben.
Technisches Problem der Erfindung
Positionsempfindliche Detektoren (PSD = Position Sensitive Device) verwenden Pixel- und analoge Lateral-Photodioden. Nachteilig ist bei diesem Stand der Technik zum einen der große Signalverarbeitungsaufwand und zum anderen konzeptbedingt, zur Vermeidung von sensorauslösenden Strahlungsschwankungen nebst Rauschen ein hoher analogrechentechnischer Schaltungsaufwand, welcher in der schwierigen, aufwändigen PSD-Auswertung mehrerer Fotodiodenströme über 5 Größenordnungen auf zwei Fotodiodenebenen zu suchen ist.
Vorteil der Erfindung
Die technische Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist ausgehend von einem gattungsgemäßen, positionsempfindlichen Sensor der eingangs beschriebenen Art darin zu sehen, einen positionsempfindlichen Strahlungssensor mit dem neu entwickelten und unter PCT/DE2004/00/001070 patentangemeldeten Halbleitermaterial TEMPOS „Tunable Electronic Material with Pores an Silicon" anzugeben, der die Dimensionierung und die optoelektronisch steuerbare Auflösung im Nanometerbereich sicher erschließt. Die technische Aufgabe der Erfindung ist ferner die nanometrische Verkleinerung sowie die einfache, reproduzierbare, sichere und kostengünstige Herstellung des neuen positionsempfindlichen Strahlungssensors.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass nanoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten, ortsveränderlichen Strahlungsfluss die beiden positionsabhängigen Messspannungen mittels positionsgetreuer Nanoröhrendurchkontaktierung hin zur halbleitenden Unterseite mit so erzeugtem Massebezug abgreifbar durchschaltet und gleichzeitig die sensorauslösende, fokussierte Strahlungsleistung im Konstantstrombetrieb der Durchkontaktimpedanz in entkoppelte Signalmessspannung ebenso abgreifbar umsetzt.
Die erfindungsgemäße Lösung des Problems beziehungsweise der technischen Aufgabe besteht in der nanometrisch örtlich optoelektronisch aktivierten TEMPOS-Struktur von positionsabhängigen abgreifbaren Spannungswerten nebst Strahlungsleistungsmessung mittels eingeprägtem Strom und ist dem Patentanspruch zu entnehmen. Der erfindungsgemäße positionsempfindliche Strahlungssensor erschließt mit seiner Dimensionierung, Auslegung und Auflösung den Nanometerbereich.
Durch den neuen positionsempfindlichen Strahlungssensor mit neuem nanoskalierendem Ionenimplantations-Halbleitermaterial wird entsprechend der Zielsetzung die zweidimensionale Bestimmung der Position und zugleich die Messung der sensorauslösenden Strahlungsleistung sichergestellt. Er löst weiterhin erfindungstypisch mit modernen, neuen Anwendungen sicher das Problem der nanometrischen Sensorauflösung.
Dieser neue zweidimensionale positionsempfindliche Strahlungssensor wird in der nanometrischen Sensorik zur Positions- und zur Strahlungsleistungsbestimmung als optoelektronisches Messgerät und weiterhin als sequentielle Kamera für die technische Bilderzeugung, Partikelortung und Transmissionsmessung an transparenten Werkstoffen, Flüssigkeiten und Gasen angewendet.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung beruht auf der Idee, Position und zugleich die Strahlungsempfindlichkeit von Nanoröhren des entsprechend nanorohrstrukturierten chipflächigen Elektronikmaterials TEMPOS zur zeitgleichen, kombinierten Positions- und Strahlungsleistungsbestimmung eingekoppelter fokussierter Strahlung mit messbarer örtlicher Nanoröhrenleitfähigkeitserhöhung auszunutzen und sicher auch mit diesem erfindungsgemäßen nanoskalierenden Ab- und Durchgriff hin zur halbleitenden Sensorchipunterseite zweidimensional positionsmesstechnisch zu erschließen. Dazu wird erfindungstypisch der Sensor-Chip auf seiner Oberseite konstruktiv-vorteilhaft homogen niederohmig indiumzinnoxidstrahlungstransparent, lichtdurchlässig beschichtet und bildet so einen zweidimensionalen x, y-Spannungsteiler mit positionsempfindlichem, strahlungsaktiviertem nanoskalierendem, exaktpunktuellem Ab- und Durchgriff gleich einer Nanoröhrendurchkontaktierung hin zur metallisierten Unterseite. Die Positionsempfindlichkeit des nanoskalierenden Strahlungssensormaterials erschließt in dieser erfindungstypischen Anordnung die sofortige, schnelle elektronische Auswertung der auswertbaren Spannungswerte für die y, y-Position und zugleich der Leistung der eingekoppelten auslösenden Strahlungsleistung.
Die Erfindung beschreibt die gegenständliche Ausbildung des Strahlungssensors sowie dessen Verwendung und Verfahrensweisen zur Herstellung beziehungsweise Verwendung desselben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nach folgendem Ausführungsbeispiel sind in den Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiel
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt beispielhaft den Schaltungsaufbau für den positionsempfindlichen Strahlungssensor, der mit strahlungsleistungssteuerbarem neuem nanoröhrenbasierendem TEMPOS arbeitet.
Der Sensorchip wird auf seiner lichttransparenten, konstruktiv kiloohmindiumzinnoxidbeschichteten Oberseite x, y-richtungsversetzt aus den beiden Batterien Bx und By mit konstanten Speisespannungen Ux und Uy über längliche parallele Kontakte, Batterieanschlussbalken an den Chiprändern getrennt gespeist. So breiten sich auf der leitbeschichteten Oberseite ganzflächig über alle Nanoporen des Sensors x, y-Spannungsbeläge aus. Trifft fokussierte Strahlung im Kreuzungsfeld KF der Batterieanschlussbalken des Sensors auf, so wird im TEMPOS-Material in der optisch mit der Strahlungsleistung ∅ angesprochenen Nanoröhre NR deren Leitwert strahlungsleistungsabhängig sprunghaft angehoben und somit die örtliche, exakte Nanoröhrendurchkontaktierung beziehungsweise die Durchleitung der positionsgetreuen y, y-Spannungswerte von der Sensoroberseite hin zur ganzflächig halbleitenden oder auch metallisierten Unterseite gleichstromlos, leerlaufend auf Masse 0V-bezogen übertragen, auswertbar durchgeschaltet. Der mit dem Pluspol der Batterie Bx identische TEMPOS-Abgriff an der Sensoroberseite liefert die Messspannung U(x) gegen Masse 0V für die Strahlposition x. Der mit dem Pluspol der Batterie By identische TEMPOS-Abgriff an der Sensoroberseite liefert hierzu analog wiederum 0V-massebezogen die Messspannung U(y) für die Strahlposition Y. Wird mittels der Festfrequenzwechselstromquelle K_i ein amplitudenkonstanter Sinusstrom über den Koppelkondensator C an einem Abgriff der TEMPOS-Oberseite in den strahlungsleistungsabhängigen, konstruktiv Megaohm-TEMPOS-Nanorohrwiderstand NR eingeprägt, so liefert der Sensor am Abgriff der Stromquelle K_i die Signalwechselspannung u(∅) als direktes Maß für die Strahlungsleistung ∅.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2004/00/001070 [0003]

Claims

Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor, dadurch gekennzeichnet, dass nanoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten, ortsveränderlichen Strahlungsfluss die beiden positionsabhängigen Messspannungen mittels positionsgetreuer Nanoröhrendurchkontaktierung hin zur halbleitenden Unterseite mit so erzeugtem Massebezug abgreifbar durchschaltet und gleichzeitig die sensorauslösende, fokussierte Strahlungsleistung im Konstantstrombetrieb der Durchkontaktimpedanz in entkoppelte Signalmessspannung ebenso abgreifbar umsetzt.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die TEMPOS-Grundstruktur aufgebrachten Spannungsteilerbeläge mit typischen Widerständen im kΩ-Bereich entweder aus optisch transparenten und elektrisch leitenden Nanoclustern ersetzt werden, derart, das ein nennenswerter Bruchteil der gesamten Strahlungsintensität zwischen den Nanoclustern durchgelassen wird und auf die darunterliegenden Nanoröhren trifft, wobei der Nanoclusterabstand gering genug ist, um eine genügend kleine Leitfähigkeit dieser Nanoclusterschicht zu erzielen.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die positionsabhängigen Messspannungen durch rechtwinklig oder schiefwinklig zueinander angeordnete Kontake oder durch radial angeordnete Kontakte auf den Strahlungssensor übertragen werden.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle des Halbleiter-Rückkontaktes Kontakt-Schichten anderer leitender oder halbleitender Materialien oder Metalle, leitender Polymere beziehungsweise fester oder flüssiger Elektrolyte oder nichtwässeriger Innenleiter verwendet.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines großflächigen, die ganze Sensor-Rückseite bedeckenden Kontaktes mehrere segmentierte, elektrisch getrennt abgreifbare Kontakte angeordnet sind, so dass mehrere Sensorelemente gleichzeitig erfasst und bearbeitet werden können.
Zweidimensionaler, positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkontakt aus verschiedenen, einzeln kontaktierten Segmenten in beliebiger, also recht- und schiefwinkliger oder radialer Anordnung besteht.
Zweidimensionaler, positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nanoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten leistungskonstanten Strahlungsbetrieb die Transmission an der Sensoroberfläche eingebrachter transparenter Stoffe, Flüssigkeiten und Gase hinsichtlich von Partikelverunreinigungen in ortsabhängige abgreifbare Messspannung umsetzt.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass naonoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten, ortsfesten Strahlungsbetrieb temperaturunabhängige Ausdehnungen und Widerstände in abgreifbare Messspannungen umsetzt.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nanoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten, ortsfesten Strahlungsbetrieb druckabhängige Sensorausdehnungen in abgreifbare Messspannungen umsetzt.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nanoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten, ortsfesten Strahlungsbetrieb auf den Sensorkörper wirkende mechanische Schwingungen und Rauschen in abgreifbare Messspannungen umsetzt.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nanoskalierendes TEMPOS-Strahlungssensormaterial im fokussierten, ortveränderlichen und bildgebenden Strahlungsbetrieb bei Spannungsauswertung von Position und Strahlungsleistung den sequentiellen Kamerabetrieb erschließt.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierten Rückkontakte derart schachbrettförmig angeordnet sind, dass das durch parallele Informationen aus den rückseitigen Segmenten simultan erhaltene Bild unmittelbar eine grobe Übersicht über die vorhandene Strahlungsverteilung liefert, die anschließend durch sequentielles Abtasten der Strahlung über die positionsabhängig detektierende Vorderseite bis auf die nanometrische Auflösung verfeinerbar und steigerbar ist.
Zweidimensionaler rückseitig segmentierter positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf verschiedene Segmente monoenergetische Strahlung verschiedener wohldefiniert wählbarer Wellenlängen fällt, wobei diese so wählbar sind, dass sie an den Absorptionsbanden ausgewählter chemischer funktioneller Gruppen, mithin also mehrere chemische Verbindungen gleichzeitig oder sequentiell nach einem vorgegebenen Programm zu bestimmen vermag.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ort des Sensors durch Interferenz eine andere wohldefinierte Strahlungswellenlänge zur Analyse unbekannter, auf den Sensor aufgebrachter Substanzen nach Art eines optischen Absorptionsspektrometers verfügbar ist.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Poren der mikro- oder nanoporösen Deckschicht der TEMPOS-Grundstruktur mit geöffneten Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Nanoröhren anderen Materials ausgekleidet ist.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der in die Poren der mikro- oder nanoporösen Deckschicht des TEMPOS-Materials die Schichtdicke der mikro- oder nanoporösen Deckschicht bei weitem übersteigt, so dass sie als Resonatoren wohldefinierter Länge zwischen einigen 100 nm und einigen Dutzend μm wirken, und somit als Interferenzfilter speziell für den Bereich des nahen UV-Lichtes bis hin zum fernen Infrarot einsetzbar sind.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorauslösende Strahlung durch Partikelstrahlung gebildet ist.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhren mit Sensormaterialien aufgefüllt sind, die nicht auf Licht, sondern auf andere physikalische oder chemische Parameter ansprechen, so dass auf diese Weise neue, auf die entsprechenden Parameter empfindliche zweidimensionale Sensoren entstehen.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhren in verschiedenen Positionen mit unterschiedlichen, auf verschiedene physikalische oder chemische Parameter ansprechenden Sensormaterialien aufgefüllt sind, sowie an ausgewählten Positionen für Eich- und Normierzwecke unausgefüllt bleiben oder mit einem vorgegebenen Standard-Sensormaterials ausgefüllt sind, so dass mit einem Bauelement mehrere physikalische oder chemische Parameter gleichzeitig erfassbar sind.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Sensor an der Stelle des nanoporigen TEMPOS-Materials aus einer auf einem Halbleiter befindlichen nanoporigen isolierenden Schicht aus Siliziumoxiden oder Polymeren freitragende mikro- oder nanoporöse, auch flexible, Folien angeordnet sind.
Zweidimensionaler positionsempfindlicher Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhrchendurchkontaktierung nicht in senkrechter, sondern in wohldefiniert zur Sensoroberfläche geneigter Richtung erfolgt und die nanoproige isolierende Schicht zwischen den Nanoröhren für die Strahlung nicht transparent ist, so dass ausschließlich aus dieser Richtung kommende Strahlung detektiert wird und der zweidimensionale Strahlungs-Positionssensor damit gleichzeitig auch zu einem Strahlungsrichtungs-Detektor wird.