DE102008018504A1

DE102008018504A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102008018504A1
Application number: DE102008018504A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Bousak; Andreas Prof. Dr. Offenhäusser; Helmut Prof. Dr. Schmitz
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009124644A1; EP2265913A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer (2), die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, wobei die Messkammer (2) eine durch ein Fenster (3) verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkammerwandung als flexible Membran (M) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer (2) enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran (M) eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest auf der der Messkammer (2) gegenüberliegenden Seite der Membran (M) eine Druckentlastungskammer (7) gebildet ist, welche mit der Messkammer (2) in Fluidverbindung steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Infrarot-Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer, die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, wobei die Messkammer eine durch ein Fenster verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkammerwandung als flexible Membran derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen.
Die Larven des schwarzen Kiefernprachtkäfers der Gattung Melanophila acuminata, von denen es weltweit ungefähr ein dutzend Arten gibt, können sich nur im Holz von frischen verbrannten Bäumen entwickeln. Die Elterngeneration ist deshalb darauf angewiesen, Waldbrände möglichst schnell zu orten, um dort unter der Rinde der frisch verbrannten Bäume ihre Eier abzulegen. Zur Ortung der Waldbrände besitzt der Käfer zwei rechts und links an jeder Körperseite angeordneten Grubenorgane, in denen sich dicht gepackt etwa 70 Infrarot (IR) Sensillien befinden, die sehr empfindlich IR-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 2 und 4 μm detektieren können. Im Rahmen der Entwicklung bionischer Infrarotsensoren gehen die Bestrebungen dahin, Prototypen zu entwickeln, die sich das fotomechanische Funktionsprinzip der Käfer zur Detektion von IR-Strahlung zu Nutze machen.
Die Basis für solche biologischen IR-Sensoren bilden sogenannte Golay-Sensoren, deren Funktion schon seit langem bekannt ist. Diese Sensoren besitzen eine Messkammer (Zelle), die mit einem insbesondere gasförmigen Fluid gefüllt ist, welches IR-Strahlung absorbiert. Die Vorderseite der gasbefüllten Zelle bildet eine durch ein Fenster verschlossene Eintrittsöffnung für die IR-Strahlung, und die Rückseite der Zelle ist durch eine flexible Membran verschlossen. Im Betrieb wird die in die Zelle eintretende IR-Strahlung durch das dort vorhandene Gas absorbiert und dabei erhitzt, so dass sich das Gas ausdehnt und die Membran gewölbt wird. Die Wölbung wird dann optisch oder alternativ kapazitiv oder mit einem Tunnelkontakt erfasst und ausgewertet.
Bisher bekannte mikrosturkturierte Golay-Sensoren, die auf kapazitiver Basis arbeiten, werden durchgehend auf der Basis eines Silizium-Wafers gefertigt, bei dem durch Ätzverfahren wie zum Beispiel ein anisotrops, nasschemisches Ätzverfahren mit KOH die Messkammer als Kavität hergestellt und der Boden der Zelle zum Beispiel durch Goldbeschichtung eine Platte des Kondensators bildet. Die andere Platte des Kondensators wird durch ein zum Beispiel mit Aluminium beschichtetes oder entsprechend strukturiertes Glassubstrat gebildet, das mit dem Silizium-Wafer durch anodisches Bonden verbunden wird. Mit einem weiteren Bond-Prozess wird dann durch ein Fenster mit möglichst geringer IR-Absorption die Messkammer im Silizium-Wafer geschlossen.
Wesentlich für eine gute Funktionsweise der Golay-Sensoren ist, dass sich die Temperatur in der Messkammer durch die eintretende IR-Strahlung möglichst stark erhöht. Insofern hängt die Messempfindlichkeit der Golay-Sensoren in direktem Maß ab von dem Absorptionskoeffizienten der Zellenfüllung. Je größer dieser Absorptionskoeffizient ist, desto aktiver wird die einfallende IR-Strahlung in einen Temperaturanstieg der Zellenfüllung und damit zu einem Druckanstieg und einer damit verbundenen Änderung der Kapazität des Kondensators umgesetzt. Bei einer Zellentiefe von 0,5 mm und einer Gasfüllung werden nur wenige Prozent der IR-Strahlung absorbiert. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik unterschied liche Maßnahmen getroffen, um die Absorption zu verbessern. Zum einen ist bekannt, eine IR-absorbierende Folie aus Metall oder Kunststoff in die Zelle zu integrieren, die dann die absorbierte Energie durch Wärmeleitung an das Gas weitergibt. In ähnlicher Weise werden die Zellenwände mit IR-Strahlung-absorbierenden Schichten versehen. Alternativ werden hochreflektierende Zellenwände eingesetzt, die eine mehrfache IR-Reflektion und damit eine verbesserte Absorption im Gas bewirken. Diese Maßnahmen sind bei mikrostrukturierten IR-Sensoren jedoch sehr aufwendig, weshalb nach Alternativen gesucht wird.
Weiterhin gehen die Bestrebungen dahin, die Empfindlichkeit der ungekühlten IR-Sensoren zu erhöhen. Diese wird im Wesentlichen beeinflusst durch das Temperaturrauschen und das Photonenrauschen, die jeweils nur durch eine Kühlung des Sensors reduziert werden können. Hinzu kommt das Rauschen des Ausleseverfahrens, das bei einer kapazitiven Auswertung in der gleichen Größenordnung liegen kann wie das Temperaturrauschen. Gegenmaßnahmen sind im Stand der Technik bisher nicht bekannt.
Schließlich besteht ein Problem der Golay-Sensoren darin, dass sie im Gegensatz zu Halbleitersensoren empfindlich auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagieren und daher bei konstanter Temperatur betrieben werden müssen. Konkret beträgt die Temperaturerhöhung in der Messkammer einige mK bis etwa 100 mK und ist damit immer deutlich niedriger als die Temperaturänderungen der Umgebung. Die Unterdrückung der Störungen aus der Umgebungstemperaturänderung wird im Stand der Technik durch künstliche Lecks von der Messkammer in die Umgebung erreicht. Dabei wird die Lecköffnung so bemessen, dass seine Zeitkonstante wesentlich größer ist als die Zeitkonstante bei der Aufheizung der Zelle, beispielsweise einige Minuten im Vergleich zu einigen Millisekunden, und damit der während des Aufheizprozesses über das Leck abfließende Massenstrom zu vernachlässigen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art in der Weise weiterzubilden, dass sie eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und für mikrostrukturierte Anordnungen geeignet sind.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest auf der der Messkammer gegenüberliegenden Seite der Membran eine Druckentlastungskammer gebildet ist, welche mit der Messkammer in Fluidverbindung steht. Durch diese Maßnahme wird ein Druckausgleich zwischen der Druckentlastungskammer und der Messkammer hergestellt und damit gewährleistet, dass langsame Druckänderungen in der Messkammer beispielsweise aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur nicht zu Verformungen an der Membran führen. Dabei muss allerdings gewährleistet bleiben, dass schnelle Temperaturänderungen aufgrund der Absorption von IR-Strahlung doch zu einem Druckaufbau in der Messkammer und damit zu einer messbaren Verformung der Membran führen.
Wenn die Messkammer mit einem gasförmigen Fluid gefüllt ist, kann die Messkammer mit der Druckentlastungskammer durch Perforationsöffnungen in der an der Membran anliegenden Platte des Kondensators und der Membran realisiert sein. Dabei muss allerdings durch die Geometrie der Perforation, d. h. die Lochanzahl und die Lochdurchmesser, sichergestellt werden, dass die Zeitkonstante τ_Gas bzw. τ_Wasser des Druckausgleichs viel größer ist als die Zeitkonstante τ_Zelle des Druckaufbaus in der Zelle durch eine IR-Einstrahlung.
Die Zeitkonstante für den Druckausgleich bei einer Gasfüllung ergibt sich bei zu vernachlässigende Dichteänderungen (Δρ/ρ ≅ 0) aus der Gleichung
und für eine Wasserfüllung, bei der jetzt auch das Dielektrikum im Kondensator Wasser ist, aus der Gleichung
mit η: Viskosität des Fluids, L_L: Länge einer Perforationsbohrung, hier gleich Dicke der Kondensatorplatte, V_Z: Zellenvolumen, V_R: Entlastungsvolumen, β: Kompressibilitätskoeffizient Wasser, N_L: Anzahl der Perforationsbohrungen, R_L: Radius der Perforationsbohrungen, P_O: Gasdruck in der Zelle.
Die Zeitkonstante für die Aufheizung einer kreisförmigen Zelle durch eine IR-Einstrahlung kann für ein sehr gut wärmeleitendes Material wie Silizium näherungsweise ermittelt werden aus
mit ρ: Dichte Fluid, c_ρ: Wärmekapazität Fluid, λ: Wärmeleitfähigkeit Fluid, R_Z: Zellenradius.
Für eine mit Xenon gefüllte Zelle mit einem Durchmesser von 0,75 mm ergibt sich eine Zeitkonstante von τ_Zelle = 3,6 ms. Die Zeitkonstante des Druckausgleichs τ_Gas sollte etwa 100-fach größer sein als τ_Zelle, damit die Messung des IR-Signals nicht durch einen spürbaren Gasverlust bis zum Erreichen der stationären Temperatur in der Zelle verfälscht wird.
Bei einer Perforation von 25 Löchern mit einem Durchmesser D_L von 0,6 μm (Dicke Kondensatorplatte L_L = 1,5 μm) nur zum Volumen V_R zwischen den Kondensatorplatten ergibt sich nur eine Zeitkonstante τ_Gas = 1,9 ms, d. h. der Druckausgleich erfolgt sofort bei der Aufheizung und es gibt keinen Messeffekt mehr. Eine Steigerung der Zeitkonstante durch weniger Löcher ist unzweckmäßig, da sonst der Effekt der Reduzierung des Kondensatorrauschens verloren geht. Eine Verringerung des Durchmessers der Perforationslöcher ist ebenfalls problematisch, da jetzt schon ein Aspektverhältnis L_L/D_L = 2,5 erreicht wird und die Herstellung von Löchern mit größeren Aspektverhältnissen immer schwieriger wird. Als einzige realistische Maßnahme verbleibt nur die Vergrößerung des Volumens V_R. Bei V_R = V_Z ergibt sich ein τ_Gas = 480 ms, maximal lässt sich in diesem Beispiel mit V_R >> V_Z ein τ_Gas = 950 ms erreichen. Auf diesem Weg kann die Forderung τ_Gas >> τ_Zelle erreicht werden. Die Reduzierung des Kondensator-Rauschens für diese Perforation verbessert die spezifische Detektivität D* im Vergleich zum Kondensator ohne Perforation um etwa 45%. Der effektivste Weg zur Verbesserung dieses Resultats ist die Herstellung von Perforationslöchern mit größerem Aspektverhältnis.
Das Diagramm gemäß 13 zeigt den Einfluss der Perforation einer Kondensatorplatte auf das Rauschen bei einer gasgefüllten Zelle. Aus diesem Diagramm wird deutlich, dass durch eine geeignete Wahl der Anzahl von Perforationslöchern und des Lochdurchmessers das Rauschen eines Kondensators deutlich reduziert werden kann.
Wenn die Messkammer mit einem flüssigen Fluid wie beispielsweise Wasser gefüllt ist, ist die Auslegung problematischer, da bei gleicher Zellengeometrie die Zeitkonstante bei Wasserfüllung deutlich größer im Vergleich zur Gasfüllung ist, weshalb zur Reduzierung der Zeitkonstante τ_Zelle der Zellenradius reduziert werden sollte. Für einen Zellendurchmesser von z. B. 0,5 mm ergibt sich eine Zeitkonstante von τ_Zelle = 74 ms. Selbst mit nur einem Perforationsloch mit der Geometrie wie oben und V_R >> V_Z ergibt sich τ_Wasser = 21 ms, d. h. für eine Wasserfüllung ergibt sich keine Lösung wegen τ_Zelle > τ_Wasser.
Um bei einer Wasserfüllung eine Druckentlastung für lansame Druckänderungen zu realisieren, muss die Kanallänge deutlich erhöht werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Druckentlastungskammer mit der Messkammer im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch einen Kanal verbunden ist, welcher die Druckkammer umgibt und an seinem einen Ende in die Druckkammer und an seinem anderen Ende in die Druckentlastungskammer mündet. Bei dieser Ausführungsform sind die Druckentlastungskammer und die Messkammer also nicht durch Perforation in der Kondensatorplatte, sondern durch einen Entlastungskanal, der um die Messkammer herumgeführt ist, verbunden. Aufgrund dieser verlängerten Kanallänge können akzeptable Zeitkonstanten τ_Wasser erreicht werden. Bei einem Kanaldurchmesser von 2 μm ergibt sich beispielsweise schon bei einer Kanallänge von 4 mm noch eine akzeptable Zeitkonstante τ_Wasser von 460 ms. Die Messeinrichtung kann in üblicher Weise kapazitiv, optisch oder auch piezoelektrisch arbeiten. Im Falle einer kapazitiven Messeinrichtung ist die Druckentlastungskammer zumindest im Bereich zwischen den Kondensatorplatten ausgebildet. Diese können als Beschichtungen an der von der Messkammer weg weisenden Seite der Membran und beispielsweise einer Basisplatte ausgebildet sein. Der Kanal kann beispielsweise spiralförmig oder mäanderförmig ausgebildet sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckentlastungskammer eine Druckentlastungsöffnung zur Umgebung hin aufweist, die im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch eine flexible Folie abgedeckt ist. Damit kann zusätzlich noch ein Druckausgleich zur Umgebung stattfinden.
Wenn mehrere Messkammern vorgesehen sind, stellt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Druckentlastungskammer für jede Messkammer ein abgeschlossens Volumen dar. Damit sind die Sensoranordnungen unabhängig voneinander und können getrennt voneinander ausgewertet werden.
In an sich bekannter Weise kann die wenigstens eine Messkammer von einer in ein Substrat – insbesondere in einen Silizium-Wafer – eingebrachten Kavität gebildet sein, die einseitig auf der die Eintrittsöffnung aufweisende aktive Seite von einer Fensterplatte bedeckt ist. Dabei kann die Membran den Boden der Ausnehmung bilden.
Wenn in dem Substrat mehrere Messkammern ausgebildet sind, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in den Wandbereichen zwischen den Messkammern zusätzlich Isolationsaussparungen vorgesehen sind. Dieser Ausgestaltung, die im Übrigen auch unabhängig von einer Fluidverbindung zwischen der Messkammer und einer Druckentlastungskammer verwirklicht sein kann, liegt die Überlegung zugrunde, dass die Verbesserung der Wärmeisolierung der Zelle in einem Silizium-Wafer durch eine Freistellung der Zellenwände erreicht werden kann.
Durch die verbesserte Isolierung der Zellen steigt das mittlere Temperaturniveau bei einer IR-Absorption im Vergleich zu einer geringer isolierten Zelle an. Die höhere Temperatur bewirkt einen höheren Druck in der Zelle und damit eine höhere Kapazitätsänderung.
Der Einfluss der Zellengeometrie und der Stoffwerte auf das mittlere Temperaturniveau in der Zelle kann unter der Voraussetzung einer zu vernachlässigenden Wärmeleitung in axialer Richtung für den stationären Zustand beschrieben werden durch die Gleichung
wobei T₀: Umgebungstemperatur, q''': absorbierte IR-Strahlung pro Volumeneinheit, λ₁, λ₁: Wärmeleitfähigkeit des Gases in der Zelle und des Wandmaterials; α: Wärmekoeffizient an der Außenwand.
Die Temperaturen können der 14 entnommen werden, die ein Diagramm zeigt, das dem Temperaturverlauf in einer isolierten Zelle darstellt.
Ohne Isolierung durch Freistellung der Wendung ergibt sich das folgende mittlere Temperaturniveau für λ₁ << λ₂, wie bei einem Silizium-Wafer
Der Temperaturverlauf ist in 15 dargestellt.
Schließlich wird auf die 16 verwiesen. Dieses Diagramm zeigt im Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des übermittelten Temperaturprofils in der Zelle zwischen einer Zelle mit Isolierspalt (oben) und eine Zelle ohne Isolierspalt für den stationären Zustand (unten), wobei die Zelle mit einem Kohlendioxid als IR-Strahlung absorbierendes Gas versehen ist. Randdaten sind zu nennen:
R₁ = 0,5 mm, R₂ = 2 mm; λ₁(CO₂) = 0,0164 W/mK, λ₂ (Silizium) = 148 W/mK, α = 40 W/m²K, q''' = 20 KW/m³ entsprechend IR-Leistungsdichte von 10 W/m² und einer Zellentiefe von 0,5 mm bei vollständiger Absorption.
Bei der Herstellung der Messkammern bzw. Zellenvolumina mit einem Bosch-Prozess oder anderen Äzprozessen können beispielsweise gleichzeitig radiale Ringspalte um die Zelle hergestellt werden, so dass freistehende Zellwände entstehen. Alternativ zum Ringspalt kann auch das gesamte Material zwischen den Wänden entfernt werden. Zur einfachen Herstellung in Silizium durch Äzprozesse sollte die Breite des Ringspalts etwa der Ringspalttiefe entsprechen. Bei der gesamten Freistellung der Zellenwände kann der minimale Abstand der Zellenwände wegen des verbesserten Abtransports der Reaktionsprodukte reduziert werden.
Die Dicke der Zellenwände sollte möglichst gering sein, um den Wärmeabfluss zu dem verbleibenden Silizium-Boden zu reduzieren. Die minimale Zellenwanddicke ergibt sich aus der Stabilität der Zellenwände und der notwendigen Fläche zum Aufbonden des IR-durchlässigen Fensters.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Silizium mit 148 W/mK führt zu einer geringen Isolierwirkung der Wand selbst. Durch ein Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit kann die Wand neben der Isolierwirkung des Spaltes selbst noch zur Isolation beitragen. Entsprechend können die Messkammer von Röhrchen aus einem wärmeisolierenden Mate rial wie beispielsweise Glas (Pyrex) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,13 W/mK und Polymethylacrylat (PMMA) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,19 W/mK ausgebildet sein, die auf einen Silizium-Wafer, in welchem die Membranen ausgebildet sind, beispielsweise durch Bonden oder Kleben fixiert sind. In diesem Fall kann das IR-Strahlungdurchlässige Fenster an den Röhrchen ebenfalls festgeklebt werden.
Auch in diesem Fall können die Röhrchen beabstandet voneinander angeordnet sein, um Isolationsräume zu bilden, die zur Steigerung der Stabilität mit einem Wärme isolierenden Material wie beispielsweise einem Klebstoff gefüllt sein können.
Die 17 zeigt einen Vergleich des radialen Temperaturprofils in des gemittelten Temperaturprofil in einer Zelle mit Isolierspalt für die verschiedenen Wandwerkstoffe, wenn die Zellen mit Kohlendioxid gefüllt sind und die 18 zeigt den Vergleich, wenn die Zellen mit Wasser gefüllt sind. Die Diagramme zeigen beispielsweise die verbesserte Isolierwirkung der Wand für die Werkstoffe Glas und Polymethylacrylat.
Die Röhrchen können auch kreisrund ausgebildet und in Linienkontakt zueinander angeordnet sein. In diesem Fall bilden sie ein Röhrchenbündel, das eine hohe Stabilität besitzt. Wenn dessen Zwischenräume ebenfalls mit einem Klebstoff gefüllt werden, kann das Glasbündel bei diesem Gießprozess auch gleichzeitig verklebt werden. Die Anordnung der Röhrchen als sich berührendes Bündel hat den Vorteil, dass die Röhrchen gemeinsam gehandhabt und an dem Trägersubstrat, d. h. dem Silizium-Wafer festgeklebt werden können, wobei das Bündel nur an zwei Stellen positioniert zu werden braucht, um eine genaue Ausrichtung zu erhalten.
Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsformen können die Isolationsräume auch mit einem IR-Strahlung absorbierenden Material gefüllt sein. Da sich dieses beim Auftreffen von IR-Strahlung erwärmt, wird im Wesentlichen verhindert, dass aus den Zellen Wärme in ungewollter Weise abgeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren Maßnahme der vorliegenden Erfindung, die unabhängig von der beanspruchten Verbindung der Druckentlastungskammer und der Messkammer und auch der beanspruchten Isolation der Messkammern durch entsprechende Isolationsaussparungen zwischen den Messkammern und/oder der Ausbildung der Messkammern in Röhrchen aus einem wärmeisolierenden Material vorgesehen sein kann, besteht darin, in die wenigstens eine Messkammer zusätzlich wenigstens ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material einzubringen.
Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, durch das zusätzliche IR-Strahlung absorbierende Material den Absorptionskoeffizienten der Zelle für Infrarotstrahlung zu erhöhen mit der Folge, dass ein höheres Maß an IR-Strahlung absorbiert wird und damit eine stärke Temperaturerhöhung stattfindet. Geeignete Materialien sind Kunststoffe wie beispielsweise Polymere, die sehr hohe Absorptionskoeffizienten aufweisen. Wenn man von einer Wellenlänge von 3 μm der IR-Strahlung ausgeht, ergeben sich Absorptionskoeffizienten verschiedener Polymere zwischen 20 und 240 l/cm. Für eine Absorption von 99% der IR-Strahlung dieser Wellenlänge müsste die Dicke des Polymers etwa 0,2 bis 2 mm betragen.
Um eine große Oberfläche zu erreichen, können die Polymere als Einzelpartikel oder als insbesondere schwamm- bzw. netzartige Strukturen in die Zelle eingebracht sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass dünne Polymerfäden oder Poylmerfasern vorgesehen sind, die beispielsweise eine Länge von 10 bis 15 μm besitzen können. Diese Polymerfäden können zu zylinder- oder kugelförmigen Absorptionskörpern locker aufgewickelt sein, die auf passende Länge geschnitten automatisch in die Zellen eingesetzt werden können. Durch Variation des Polymerwerkstoffs, des Fadendurchmessers und der Wickeldichte können bezüglich Absorption und Wärmekapazität angepasste Absorptionskörper hergestellt werden. Die oft auch als Engelshaar bezeichneten Polymerfäden entstehen als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Granulatherstellung und brauchen daher nicht separat hergestellt zu werden.
Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, dünne Polymerfäden oder Polymerfasern auf einem Polymerfilm aufzubringen. Falls die Herstellung des Films und der Fasern in den benötigten Dimensionen möglich ist, können durch Aufwickeln dieses Films auch zylinderförmige Absorptionskörper hergestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich können Absorptionskörper in Form von Hohlkörpern mit einer Hülle aus Kunststoff vorgesehen sein, wobei der Hohlraum der Absorptionskörper mit Gas gefüllt ist. Dieser Ausgestaltungsform liegt die Überlegung zugrunde, einen Polymerkörper zu schaffen, der als Absorptionskörper wirkt und gleichzeitig noch die Kompensation von langsamen Temperatur- bzw. Druckänderungen übernimmt.
Thermoplaste wie z. B. Polyethylen zeigen oberhalb der Glastemperatur (Übergang vom spröden in den elastischen Bereich) ein viskoelastisches Verhalten, bei dem das reversible Verformungsverhalten durch eine zeitabhängige und eine zeitunabhängige Komponente repräsentiert wird. Dieses Verhalten wird in die Rheologie durch das Kelvin-Voigt-Modell beschrieben, bei dem ein Federelemnt und ein viskoses Dämpfungselement parallel geschaltet werden. Bei einer plötzlichen Belastung kann das Federelement nicht gestaucht werden, so dass Dämpfungselement zunächst keine Verformung zeigt. Mit zunehmender Zeit wird das Dämpfungselement jedoch verformt und die Feder gespannt, so dass ein stationärer Verformungszustand erreicht wird.
Nach der Entlastung wird die Feder entspannt, wobei wieder das Dämpfungsglied die Verformung zeitabhängig verzögert. Nach ausreichender Zeit wird wieder der Anfangszustand erreicht. Damit hat man ein Modell mit einer reversiblen, zeitabhängigen Verformung. Bei der richtigen Wahl der Parameter verformt sich das Element bei einer kurzzeitigen Stoßbelastug nicht, kann aber langsame Belastungen reversibel kompensieren.
Eine z. B. ballförmige Struktur, bei der die Hülle aus z. B. Polyethylen besteht und der Hohlraum mit Gas gefüllt ist, wäre ein Beispiel für ein Kelvin-Voigt-Modell, da die Hülle das Dämpfungsglied und der Gasraum die Feder darstellt. Die Forderung, dass die Betriebstemperatur über der Glastemperatur der Polyethylenhülle liegen muss, kann durch die Wahl des Chlorgehalts im Polyethylen in einem ausreichend großen Temperaturbereich eingestellt werden, z. B. kann eine Glastemperatur von weniger als 0°C erreicht werde. Mögliche Ausführungsbeispiel wären z. B. gasgefüllte Mikrokügelchen aus Polymer (Durchmesser ca. 10–100 μm) oder ein Körper aus Polymerschaum. Die Wahl der Dämpfungseigenschaften könnte abgestimmt auf de Anwendungsfall durch den Polymerwerkstoff, die Wanddicke der Hüllen und weiterer geometrischer Merkmale erfolgen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindungen wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die vorliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
1 im Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Verwendung eines flüssigen Absorptionsfluids,
2 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 1,
3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Verwendung mit einem gasförmigen Absorptionsfluid im Längsschnitt,
4 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 3,
5 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung für die Verwendung eines gasförmigen Absorptionsfluids,
6 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 5,
7 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung für die Verwendung mit einem gasförmigen Absorptionsfluid im Längsschnitt,
8 eine Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung mit voneinander isolierten Messkammern bzw. Zellen im Längsschnitt,
9 die Sensoranordnung im Schnitt A-A aus 8,
10 eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung mit voneinander beabstandeten Messkammern im Längsschnitt,
11 die Sensoranordnung aus 10 mit verfüllten Zwischenräumen,
12 ein Rohrbündel für die Verwendung in einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
13 ein Diagramm, das den Einfluss der Perforation einer Kondensatorplatte auf das Rauschen einer mit Gas gefüllten Zelle zeigt,
14 ein Diagramm, das dem Temperaturverlauf in einer isolierten Zelle zeigt,
15 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf in einer nicht isolierten Zelle zeigt,
16 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in einer Zelle zwischen einer Zelle mit Isolierspalt und einer Zelle ohne Isolierspalt für den stationären Zustand zeigt,
17 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in der Zelle mit Isolierspalt für den Wandwerkstoff Silizium, Glas (Pyrex) und Kunststoff (PMMA) für den stationären Zustand bei Zellenfüllung Kohlendioxid zeigt und
18 ein Diagramm, das den Vergleich eines radialen Temperaturprofils und des gemittelten Temperaturprofils in einer Zelle mit Isolierspalt für die Wandwerkstoffe Silizium, Glas (Pyrex) und Kunststoff (PMMA) für den stationären Zustand bei Zellenfüllung Wasser zeigt.
In der 1 ist eine Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt – im folgenden IR-Strahlung genannt – dargestellt. Eine solche Sensoranordnung in Mikrostruktur ist insbesondere für den Einsatz in Nachtsichtgeräten beispielsweise für Automobile oder Flugzeuge geeignet. Auch können sie bei der Überwachung von industriellen Produktionsprozessen, beim Feuerwehreinsatz, bei medizinischen und tiermedizinischen Diagnostiken sowie bei der Minensuche in Nachtsichtgeräten für militärische und zivile Einsätze verwendet werden. Die Sensoranordnung umfasst ein Substrat 1, das hier von einem Silizium-Wafer gebildet ist. In dem Substrat 1 sind eine Vielzahl von Messkammern 2 oder Zellen vorgesehen, die als Durchgangsöffnungen in das Siliziummaterial eingeätzt sind.
Auf der Oberseite des Substrats 1 ist eine Fensterplatte 3 aus einem IR-Strahlung-durchlässigen Material wie beispielsweise Pyrex durch Kleben oder Bonden befestigt, welche die obenseitigen Eintrittsöffnungen der Zellen 2 abdeckt.
An ihrer Unterseite sind die Zellen 2 durch einen dünnen SiliziumWafer 4 verschlossen, welcher an der Unterseite des Substrats 2 befestigt ist und eine verformbare Membran M bildet. Jeder Zelle 2 ist ein Kondensator 5 zugeordnet, dessen obere Kondensatorplatte 5a in Form einer Beschichtung an dem Silizium-Wafer 4 unterhalb der Zelle 2 vorgesehen ist und dessen untere Kondensatorplatte 5b an einer Basisplatte 6 angebracht ist.
Zwischen dem dünnen Silizium-Wafer 4 und der Basisplatte 6 wird ein durchgehender Raum gebildet, der eine Druckentlastungskammer 7 bildet. Die Druckentlastungskammer 7 ist mit den Messkammern 2 jeweils durch einen Verbindungskanal 8 verbunden. Dieser ist in dem Silizium-Wafer 4 und einer zwischen diesem und dem Substrat 2 vorgesehenen Zwischenplatte 9 spiralförmig ausgebildet und mündet einerseits in die Zelle 2 und andererseits in die Druckentlastungskammer 7. Der Verbindungskanal 8 kann beispielsweise auch mäanderförmig ausgebildet sein. Durch die Kanäle 8 wird erreicht, dass in der Druckentlastungskammer 7 sowie den Zellen 2 ein Druckausgleich zwischen den Kammern 2, 7 stattfinden kann. Der Querschnittfläche und -länge der Kanäle 8 sind dabei so bestimmt, dass langsame Druckänderungen in der Messkammer 2, wie sie beispielsweise bei Änderungen in der Umgebungstemperatur auftreten, ausgeglichen werden, jedoch bei schnellen Druckänderungen, wie sie beim Eintreten von IR-Strahlung in die Messer 2 auftreten, ein solcher Druckausgleich jedoch nicht stattfinden kann, so dass sich die Membran M verformt. Des weiteren ist in der Basisplatte 6 eine Druckentlastungsöffnung 10 zur Umgebung hin vorgesehen, so dass sich in der Messkammer 2 sowie der Druckentlastungskammer 7 etwa Umgebungsdruck einstellt. An der Unterseite der Basisplatte 6 ist eine Folie 11 vorgesehen, welche die Druckentlastungsöffnung verschließt, so dass aus der Druckentlastungskammer 7 kein Wasser austreten kann.
In den 3 und 4 ist eine alternative Ausführung einer Sensoranordnung dargestellt. Diese besteht, wie die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform, aus einem Substrat 1 in der Form eines Silizium-Wafers, in welchem Messkammern 2 bzw. Zellen ausgebildet sind. Wie in der 3 erkennbar ist, werden die Messkammern 2 von zur Bodenseite hin noch verschlossene Ausnehmungen in dem Substrat 1 gebildet, wobei der beim Herstellen der Ausnehmungen bleibende Boden eine dünne Membran M bildet.
An der Oberseite des Substrats 2 ist auch hier eine Fensterplatte 3 vorgesehen, welche die offenen Oberseiten der Messkammern 2 verschließt, und an der Unterseite des Substrats 2 sind Kondensatoren 5 vorgesehen, wobei je weils die obere Platte 5a der Kondensatoren an der Unterseite einer Membran M und die untere Platte 5b des Kondensators auf der Basisplatte 6 ausgebildet sind.
Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird zwischen der Basisplatte 6 und dem Substrat 1 eine Druckentlastungskammer 7 gebildet, die durch eine Druckentlastungsöffnung 10 in der Basisplatte 6 mit der Umgebung verbunden ist. Die Druckentlastungskammer 7 ist des weiteren mit den Messkammern 2 verbunden, und zwar hier durch Perforationsöffnungen 12, welche die oberen Platten 5a der Kondensatoren 5a sowie die Membranen M durchsetzen. Auch bei dieser Ausführungsform sind die Perforationsöffnungen 12 so bemessen, dass ein Druckausgleich zwischen den Messkammern 2 und der Druckentlastungskammer 7 bei langsamen Druckänderungen stattfindet, nicht jedoch schnelle Druckänderungen aufgrund von eintretender IR-Strahlung ausgeglichen werden.
Die in den 5 und 6 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung entspricht der zuvor anhand der 3 und 4 beschriebenen Ausführungsform mit der Maßgabe, dass hier jeder Messkammer 2 eine eigene Druckentlastungskammer 7 zugeordnet ist. Hierzu ist zwischen der Basisplatte 6 und dem Substrat 1 eine Zwischenplatte 13 vorgesehen, in welcher den Messkammern 2 zugeordnete, kreisförmige Hohlräume ausgebildet sind. Aufgrund dieser Anordnung sind die Messkammern 2 und zugehörigen Druckentlastungskammern 7 voneinander un abhängig. Außerdem sind die Druckentlastungskammern 7 auch nicht zur Umgebung hin geöffnet, so dass die Messkammern 2 und zugehörigen Druckentlastungskammern 7 abgeschlossene Systeme darstellen.
Die in der 7 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung entspricht der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsform mit dem einzigen Unterschied, dass die Druckentlastungskammern 7 ein größeres Volumen besitzen. Hierzu wird eine Basisplatte 6 größerer Dicke verwendet, in welcher um die untere Kondensatorplatte 5b herum ringförmige Ausnehmungen 14 ausgebildet sind.
Bei sämtlichen vorbeschriebenen Sensoranordnungen sind die Messkammern 2 mit einem gasförmigen oder flüssigen Fluid gefüllt, welches IR-Strahlung absorbiert. Wenn IR-Strahlung durch die Fensterplatte 3 in die Messkammern 2 eintritt, wird diese Strahlung entsprechend zumindest teilweise absorbiert mit der Folge, dass sich die Temperatur des Fluids erhöht und sich dieses ausdehnt. Aufgrund der Ausdehnung wird die Membran M und damit die obere Kondensatorplatte 5a verformt, so dass sich die Kapazität des Kondensators 5 ändert. Diese Änderung wird erfasst und ausgewertet.
Die Messkammern 2 und die Druckentlastungskammer(n) 7 sind miteinander verbunden, so dass Druckunterschiede zwischen den Kammern 2, 7 aufgrund von langsamen Druckän derungen in einer der Kammern 2, 7 beispielsweise aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur ausgeglichen werden und sich die obere Kondensatorplatte 5a aufgrund von solchen langsamen Temperaturänderungen nicht verformt.
In den 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung dargestellt. Diese umfasst ein Substrat 1, in welchem Messkammern 2 als zur Substratoberseite hin offene und zur Substratunterseite hin verschlossene Ausnehmungen eingebracht sind. Dabei sind die Böden der Messkammern 2 als dünnwandige Membranen M ausgebildet.
Unterhalb des Substrats 1 ist eine Basisplatte 6 angeordnet, die mit der Substratunterseite durch eine Zwischenplatte 15 verbunden ist. In der Zwischenplatte 15 sind kreisförmige Aussparungen vorgesehen, so dass zwischen dem Substrat 1 und der Basisplatte 6 im Bereich der Messkammern kreisförmige Hohlräume 17 gebildet werden. In diesen Hohlräumen 17 sind Kondensatoren 5 untergebracht, wobei die obere Kondensatorplatte 5a als Beschichtung an der Unterseite der Membran M vorgesehen ist und die untere Kondensatorplatte 5b an der Basisplatte 6 fixiert ist. Die Hohlräume 17 können als Druckentlastungsräume ausgebildet sein, welche mit den Messkammern 2 in zuvor beschriebener Weise verbunden sind, müssen dies aber nicht.
Die offenen Oberseiten der Messkammern 2 sind durch eine für Infrarotstrahlung durchlässige Fensterscheibe 3 verschlossen, die an der Oberseite des Substrats 2 angebracht, insbesondere festgeklebt oder gebondet ist.
Wie die 8 und 9 deutlich erkennen lassen, werden die Zellen der Messkammern 2 nur von dünnen Wänden 18 begrenzt, während die herumliegenden Bereiche unter Bildung von Isolationsraum 19 weggeätzt sind. Durch diese Isolationsspalte 19 werden Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert.
Die in 10 dargestellte Ausführungsform entspricht der in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsform mit der Maßgabe, dass die Messkammern 2 durch Röhrchen 20 aus einem wärmeisolierenden Material wie beispielsweise Glas (Pyrex) gebildet sind, die auf dem hier als dünne Platte ausgebildeten Substrat 1 fixiert, beispielsweise festgeklebt oder festgebondet sind. Durch die Verwendung eines wärmeisolierenden Materials können Wärmeverluste aus dem Inneren der Messkammern 2 noch effektiver verhindert werden.
Die 11 zeigt weiter die Sensoranordnung aus 10, wobei die zwischen den Röhrchen 20 gebildeten Isolationsräume 19 mit einem Klebstoff 22 aus einem wärmeisolierenden Material gefüllt sind. Der Klebstoff gibt der Anordnung zusätzlichen Halt. Außerdem kann beim Eingießen des Klebstoffs in die Zwischenräume gleichzeitig eine Fi xierung der Röhrchen 20 an dem Substrat 2 erreicht werden. Der Klebstoff kann auch aus einem IR-Strahlung absorbierenden Material bestehen. In diesem Fall erwärmt sich der Klebstoff 22 bei einfallender IR-Strahlung, wodurch einer Wärmeabfuhr aus den Messkammern 2 entgegengewirkt wird.
Die 12 zeigt noch eine Anordnung der Glasröhrchen 20, die hier einen kreisrunden Querschnitt besitzen, und einander unter Bildung von Linienkontakten berühren. In dieser Anordnung sind die Glasröhrchen 20 miteinander verklebt, so dass sie ein Bündel bilden, welches gemeinsam an einem Substrat 2 positioniert und fixiert werden kann. Der Linienkontakt lässt dabei kaum einen Wärmeübergang von einem Röhrchen 20 zum anderen zu.

Claims

Sensoranordnung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge im oder nahe am Infrarotbereich liegt, mit wenigstens einer Messkammer (2), die mit einem die zu messende Strahlung selektiv absorbierenden Fluid befüllbar ist, wobei die Messkammer (2) eine durch ein Fenster (3) verschlossene Eintrittsöffnung für die Strahlung aufweist und ein Teil der Messkammerwandung als flexible Membran (M) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Volumenänderung des in der Messkammer (2) enthaltenen Fluids aufgrund der Absorption der eintretenden Strahlung verformt wird, und wobei der Membran (M) eine Messeinrichtung zugeordnet ist um die Verformung zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf der der Messkammer (2) gegenüberliegenden Seite der Membran (M) eine Druckentlastungskammer (7) gebildet ist, welche mit der Messkammer (2) in Fluidverbindung steht.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungskammer (7) mit der Messkammer (2) im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch einen insbesondere spiralförmigen Kanal (8) verbunden ist, welcher die Messkammer (2) umgibt und an seinem einen Ende in die Messkammer (2) und an seinem anderen Ende in die Druckentlastungskammer (7) mündet.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Membran (M) anliegenden Platte (5a) des Kondensators (5) und die Membran (M) perforiert sind, um die Messkammer (2) und die Druckentlastungskammer (7) zu verbinden.
Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungskammer (7) eine Druckentlastungsöffnung (10) zur Umgebung hin aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungsöffnung (10) im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids durch eine flexible Folie (11) abgedeckt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungskammer (7) für jede Messkammer (2) ein abgeschlossenes Volumen darstellt.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen Kondensator (5) umfasst und die Druckentlastungskammer (7) zumindest im Bereich zwischen den Kodensatorplatten (5a, 5b) ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messkammer (2) von einer in ein Substrat (1), insbesondere unter Ausbildung der Membran (M), eingebrachten Kavität gebildet ist, die einseitig auf der die Eintrittsöffnung aufweisenden aktiven Seite von einer Fensterscheibe (3) bedeckt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (1) mehrere Messkammern (2) ausgebildet sind, wobei in den Wandbereichen zwischen den Messkammern (2) Isolationsräumen (19) vorgesehen sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsräume (19) mit einem IR-Strahlung absorbierenden Material oder einem Wärme isolierenden Material verfüllt sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) ein Silizium-Wafer, Glas-Wafer oder Kunststoff-Wafer ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammern (2) von Röhrchen (20) aus einem wärmeisolierenden Material ausgebildet sind, die auf einem Wafer (2) insbesondere aus Silizium, Glas oder Kunststoff, in welchem die Membranen (M) ausgebildet sind, fixiert sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen (20) aus Glas bestehen.
Sensoranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen (20) beabstandet voneinander angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen (20) rund ausgebildet und in Linienkontakt zueinander angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsräume (19) zwischen den Röhrchen (20) mit einem Klebstoff (22) gefüllt sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (22) aus einem IR-Strahlung absorbierenden Material besteht.
Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die wenigstens eine Mess kammer (2) zusätzlich wenigstens ein Infrarotstrahlung absorbierendes Material eingebracht ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Strahlung absorbierende Material ein Kunststoff und insbesondere ein Polymer ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Strahlung absorbierende Material in Form einer Beschichtung auf die Seitenwand der Messkammer aufgebracht ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht eine schwamm- bzw. netzartige Struktur besitzt.
Sensoranordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das IR-Strahlung absorbierende Material in Form von dünnen Polymerfäden oder Polymerfasern vorliegt.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polymerfäden zu zylinder- oder kugelförmigen Absorptionskörpern locker aufgewickelt sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass dünne Polymerfäden oder Polymerfasern auf einen Polymerfilm aufgebracht sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Absorptionskörper als Hohlkörper mit einer Hülle aus Kunststoff vorgesehen sind und der Hohlraum der Absorptionskörper mit Gas gefüllt ist.