DE102008021297A1 - Pyroelectrical infrared sensor for use with microphonics and high signal-to-noise ratio, has pyroelectrical chip and low noise signal processing unit, where sensitive element has thickness under ten micrometers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Infrarotsensor mit sehr geringer Mikrofonie bei gleichzeitig sehr hohem Signal-Rausch-Abstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a pyroelectric infrared sensor with very Low microphony with a very high signal-to-noise ratio after the preamble of claim 1.
Der pyroelektrische Infrarotsensor wandelt absorbierte Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal um. Mit diesem Sensor ist es möglich die Lage, Größe, Temperatur, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit und Wellenlänge von Infrarotquellen zu detektieren. Der technisch interessante Wellenlängenbereich liegt zwischen 0,8 μm–25 μm.Of the pyroelectric infrared sensor converts absorbed infrared radiation into an electrical signal. It is possible with this sensor the location, size, temperature, direction of movement, Speed and wavelength of infrared sources too detect. The technically interesting wavelength range is between 0.8 μm-25 μm.
Der pyroelektrische Einelementsensor ist im Wesentlichen aus dem empfindlichen Element und einem Vorverstärker aufgebaut. Das empfindliche Element besteht aus pyroelektrischem Material, welches mit Elektroden auf der Ober- und Unterseite versehen ist. Trifft Infrarotstrahlung auf das empfindliche Element, wird diese absorbiert. Im pyroelektrischen Material entsteht eine Temperaturänderung, die zu einer Änderung der Polarisation und damit zu Ladungen auf den Elektroden führt.Of the The pyroelectric single element sensor is essentially made of the sensitive one Element and a preamplifier built. The sensitive element consists of pyroelectric material, which with electrodes on the top and bottom is provided. Meets infrared radiation on the sensitive element, this is absorbed. In the pyroelectric material creates a temperature change that leads to a change the polarization and thus leads to charges on the electrodes.
Bedingt durch den piezoelektrischen Effekt sind alle pyroelektrischen Strahlungssensoren beschleunigungsempfindlich. Durch Beschleunigung oder externe mechanische Anregung des Infrarotsensors entstehen im pyroelektrischen Element Zug-, Druck- und Biegespannungen. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes entstehen durch diese mechanischen Belastungen Ladungen auf den Elektroden. Diese Störsignale verfälschen besonders die Messergebnisse beim Nachweis von geringer Infrarotstrahlung. Das Verhalten wird als Beschleunigungsempfindlichkeit oder Mikrofonie bezeichnet. Die Wirkung des Einflusses externer mechanischer Anregungen auf das empfindliche Element und somit auf die Beschleunigungsempfindlichkeit ist in erster Linie von seiner mechanischen Ankopplung an die Umgebung und seiner möglichst spannungsfreien Halterung abhängig.conditioned by the piezoelectric effect are all pyroelectric radiation sensors acceleration sensitive. By acceleration or external mechanical Excitation of the infrared sensor arise in the pyroelectric element tensile, Pressure and bending stresses. Due to the piezoelectric effect caused by these mechanical loads on the charges Electrodes. These interfering signals falsify especially the results of the detection of low infrared radiation. The behavior is called acceleration sensitivity or microphony designated. The effect of the influence of external mechanical stimuli on the sensitive element and thus on the acceleration sensitivity is primarily due to its mechanical coupling to the environment and its possible tension-free mount dependent.
Andererseits erfordert ein sehr hoher Signal-Rausch-Abstand des Sensors eine möglichst geringe Dicke (wenige Mikrometer) des empfindlichen Elementes bei gleichzeitig hoher thermischer Isolation zu seiner Umgebung.on the other hand requires a very high signal-to-noise ratio of the sensor the smallest possible thickness (a few microns) of the sensitive element with simultaneous high thermal insulation to its environment.
Durch eine dämpfende und spannungsfreie Halterung oder die Verwendung eines Kompensationselementes kann die Mikrofonie von pyroelektrischen Sensoren verringert werden.By a damping and tension-free mount or use a compensation element can be the microphonic of pyroelectric Sensors are reduced.
Kommerziell werden in pyroelektrischen Sensoren vorwiegend empfindliche Elemente auf der Basis der Pyroelektrika Lithiumtantalat, Bleizirkonattitanat und Triglyzinsulfat eingesetzt. Die Dicke der empfindlichen Elemente liegt typisch zwischen 20 und 50 μm.Commercially become predominantly sensitive elements in pyroelectric sensors based on the pyroelectrics lithium tantalate, lead zirconate titanate and triglycine sulfate used. The thickness of the sensitive elements is typically between 20 and 50 microns.
Für die Realisierung von Sensoren mit einem weit höheren Signal-Rausch-Abstand werden insbesondere bei Sensoren auf der Basis von Lithiumtantalat Dicken des empfindlichen Elementes um 5 μm realisiert. Hierzu werden spezielle Ionenätzverfahren eingesetzt. Die bisherigen Lösungen zur Anordnung und Montage des empfindlichen Elementes im pyroelektrischen Sensor sichern einen hohen Signal-Rausch-Abstand, jedoch ist die Beschleunigungsempfindlichkeit der Sensoren für verschiedene Applikationen aufgrund der geringen Dicke des empfindlichen Elementes noch zu groß.For the realization of sensors with a much higher signal-to-noise ratio especially in sensors based on lithium tantalate Thickness of the sensitive element realized by 5 microns. For this special ion etching processes are used. The Previous solutions for the arrangement and mounting of the sensitive Elements in the pyroelectric sensor ensure a high signal-to-noise ratio, however, the acceleration sensitivity of the sensors is for different applications due to the small thickness of the sensitive Element still too big.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das empfindliche Element so auf dem pyroelektrischen Chip zu gestalten und anzuordnen, dass eine sehr geringe Beschleunigungsempfindlichkeit bei gleichzeitig sehr hohem Signal-Rausch-Abstand erreicht wird. Dabei soll eine ausgezeichnete Homogenität der Empfindlichkeit über der empfindlichen Fläche gesichert werden.Of the Invention is based on the object, the sensitive element so on the pyroelectric chip to shape and arrange that a very low acceleration sensitivity at the same time very high signal-to-noise ratio is achieved. It should be a excellent homogeneity of sensitivity over be secured the sensitive area.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Sensor entsprechend der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.According to the invention the task by a sensor according to the features of the claim 1 solved. Ausgestaltende features are in the dependent claims 2 to 6 described.
Die piezoelektrischen Signale entstehen durch Deformation des pyroelektrischen Chips bei Belastungen. Vor allem Beschleunigungen senkrecht zur Chip-Oberfläche (Z-Richtung) verursachen starke Durchbiegungen des pyroelektrischen Chips.The Piezoelectric signals are caused by deformation of the pyroelectric Chips under stress. Especially accelerations perpendicular to Chip surface (Z-direction) cause strong deflections of the pyroelectric chip.
Der Ansatzpunkt zur Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit bei gleichzeitig hohem Signal-Rausch-Abstand des Sensors ist eine möglichst spannungsfreie und weitgehend mechanisch und thermisch entkoppelte Anordnung des sehr dünnen empfindlichen Elementes von seiner Umgebung. Weiterhin haben Simulationsrechnungen ergeben, dass die Geometrie und Lage der Front- und Rückelektroden auf dem pyroelektrischen Chip einen Einfluss auf die Beschleunigungsempfindlichkeit haben.Of the Starting point for reducing the acceleration sensitivity with a high signal-to-noise ratio of the sensor is a as tension-free and largely mechanically and thermally decoupled arrangement of the very thin sensitive Element of his environment. Furthermore, have simulation calculations revealed that the geometry and location of the front and back electrodes on the pyroelectric chip an influence on the acceleration sensitivity to have.
Der erfindungsgemäße Detektor besitzt einen pyroelektrischen Chip aus LiTaO3, welcher über Silikonklebstoff an den Ecken mit dem Chipträger verbunden ist. Auf dem pyroelektrischen Chip befinden sich auf der Ober- und Unterseite Elektroden, die sich teilweise überlappen. Der Überlappungsbereich bildet das strahlungsempfindliche Element. Das empfindliche Element ist kleiner als der pyroelektrische Chip und von diesem fast vollständig durch einen Spalt getrennt. Die Breite der Verbindung zwischen dem empfindlichen Element und dem ihm umgebenden Rahmen aus pyroelektrischem Material ist klein gegenüber dem Umfang des empfindlichen Elements. Die Dicke des Rahmens ist typisch größer als 20 μm. Er sichert die mechanische Stabilität bei der Montage und der Kontaktierung des pyroelektrischen Chips. Die Dicke des empfindlichen Elementes und des Steges zum Rahmen ist typisch kleiner 10 μm. Dabei kann die Dicke des Steges vom Rahmen her kontinuierlich oder sprunghaft abnehmen. Die Dicke des Steges kann dünner als das empfindliche Element sein. Die Front- und Rückelektrode des empfindlichen Elementes werden über den Steg auf den Rahmen geführt und enden in den Kontaktierungsflächen des Chips. Die elektrische Kontaktierung und Verbindung mit der Nachfolgeelektronik erfolgt mittels Leitkleber.The detector according to the invention has a pyroelectric chip of LiTaO 3 , which is connected via silicon adhesive at the corners with the chip carrier. On the pyroelectric chip are located on the top and bottom electrodes, which partially overlap. The overlap area forms the radiation-sensitive element. The sensitive element is smaller than the pyroelectric chip and almost completely separated from it by a gap. The width of the connection between the sensitive element and the surrounding frame of pyroelectric material is small relative to the circumference of the sensitive element. The thickness of the frame is typically greater than 20 microns. It ensures the mechanical stability during assembly and contacting of the pyroelectric chip. The thickness of the sensitive element and the web to the frame is typically less than 10 microns. The thickness of the web from the frame can decrease continuously or suddenly. The thickness of the web may be thinner than the sensitive element. The front and back electrodes of the sensitive element are led to the frame via the bridge and terminate in the contacting surfaces of the chip. The electrical contact and connection with the follow-up electronics is done by conductive adhesive.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der sehr spannungsfreien symmetrischen Aufhängung des empfindlichen Elementes. Bei mechanischer Anregung in Z-Richtung entstehen die mechanischen Spannungen vorwiegend im Steg und tragen nur unwesentlich zu einer Ladungsbildung auf den Elektroden bei. Zum anderen sichert die Aufhängung des sehr dünnen empfindlichen Elementes über den dünnen Steg eine ausgezeichnete thermische Isolation und Homogenität der Empfindlichkeit über der empfindlichen Fläche. Die geringe Dicke des empfindlichen Elementes gewährleistet einen sehr hohen Signal-Rausch-Abstand des Systems.Of the Advantage of the solution according to the invention exists in the very tension-free symmetrical suspension of the sensitive element. For mechanical excitation in the Z direction The mechanical stresses mainly occur in the bridge and wear only insignificantly to a charge formation on the electrodes. On the other hand, the suspension of the very thin ensures sensitive element over the thin bridge one excellent thermal insulation and homogeneity of the Sensitivity over the sensitive area. The small thickness of the sensitive element ensures a very high signal-to-noise ratio of the system.
Für die dreidimensionale Strukturierung der pyroelektrischen Chips wird vorzugsweise Ionenstrahlätzen über Fotolackmasken verwendet. Hier können die Prozessparameter optimal an das zu realisierende Chiplayout angepasst werden. Durch den Einsatz von Ionenquellen mit großem Strahldurchmesser (> 200 mm) können die Chips mit einer typischen Größe von (3 × 3) mm2 in großen Stückzahlen sehr produktiv hergestellt werden.For the three-dimensional structuring of the pyroelectric chips, preferably ion beam etching via photoresist masks is used. Here, the process parameters can be optimally adapted to the chip layout to be realized. By using ion sources with a large beam diameter (> 200 mm), the chips with a typical size of (3 × 3) mm 2 can be produced very efficiently in large numbers.
Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:following The invention will be closer to exemplary embodiments explained. Show it:
In
In
In
- 11
- Pyroelektrischer Chippyroelectric chip
- 22
- Frontelektrodefront electrode
- 33
- Rückelektrodeback electrode
- 44
- Empfindliches Elementsensitive element
- 55
- Spalt, TrennspaltGap, separating gap
- 66
- Rahmenframe
- 77
- Stegweb
- 88th
- Kontaktierungsfläche der Frontelektrodecontacting surface the front electrode
- 99
- Kontaktierungsfläche der Rückelektrodecontacting surface the return electrode
- 1010
- Elektrischer Leitkleberelectrical conductive adhesive
- 1111
- Golddrahtgold wire
- 1212
- Silikonpunktsilicone point
- 1313
- Chipträgerchip carrier
- AA
- Standardsensor mit 5 μm dickem empfindlichen Elementstandard sensor with 5 μm thick sensitive element
- BB
- Erfindungsgemäßer Sensor mit 5 μm dickem empfindlichen Elementinventive Sensor with 5 μm thick sensitive element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DIAS INFRAED GMBH, 01217 DRESDEN, DE Owner name: TECHNISCHE UNIVERSITAET DRESDEN, 01069 DRESDEN, DE |
|
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: GERLACH, GERALD, PROF. DR., 01219 DRESDEN, DE Inventor name: KOEHLER, REINHARD, DR.-ING., 01109 DRESDEN, DE Inventor name: HOFMANN, GUENTER, PROF. DR., 01705 PESTERWITZ, DE Inventor name: NORKUS, VOLKMAR, DR.-ING., 01705 PESTERWITZ, DE |
|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |