DE102015216464A1 - Thermal sensor for detecting electromagnetic radiation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen thermischen Sensor zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, umfassend ein Pixelarray (1) mit einer Vielzahl von Pixeln (10), wobei die Pixel (10) ein Substratmaterial (11) und eine Absorberplatte (12) aufweisen, wobei die Absorberplatte (12) an Bimetallarmen (13, 14) über dem Substratmaterial (11) haltend aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine elektrische Spule (15, 16, 17, 18, 19, 20) in Anordnung am Substratmaterial (11) vorgesehen, wobei wenigstens eine elektrische Eigenschaft der Spule (15, 16, 17, 18, 19, 20) durch eine Änderung des Abstandes (d) der Absorberplatte (12) zum Substratmaterial (11) änderbar ist.The invention relates to a thermal sensor for detecting electromagnetic radiation, in particular heat radiation, comprising a pixel array (1) having a multiplicity of pixels (10), the pixels (10) comprising a substrate material (11) and an absorber plate (12) the absorber plate (12) is received on bimetal arms (13, 14) over the substrate material (11). According to the invention, at least one electrical coil (15, 16, 17, 18, 19, 20) is provided in arrangement on the substrate material (11), wherein at least one electrical property of the coil (15, 16, 17, 18, 19, 20) by a Changing the distance (d) of the absorber plate (12) to the substrate material (11) is changeable.
Description
Die Erfindung betrifft einen thermischen Sensor zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, umfassend ein Pixelarray mit einer Vielzahl von Pixeln, wobei die Pixel ein Substratmaterial und eine Absorberplatte aufweisen, wobei die Absorberplatte an Bimetallarmen über dem Substratmaterial haltend aufgenommen ist. The invention relates to a thermal sensor for detecting electromagnetic radiation, in particular heat radiation, comprising a pixel array having a multiplicity of pixels, the pixels having a substrate material and an absorber plate, wherein the absorber plate is held captive on bimetal arms over the substrate material.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die
Die
Eine Grundlage des Prinzips mit weiteren Beispielen von Strahlungsdetektoren unter Verwendung eines aus zwei Metallen bestehenden Elements zeigt die
Weitere Formen von Mikrobolometern arbeiten auf Basis von Dioden und sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, siehe beispielsweise
Das Prinzip des Mikrobolometers auf Basis von Dioden beruht darauf, dass beispielsweise vier in Serie geschaltete Dioden auf dem thermisch isolierten Pixel angeordnet sind, um dessen Temperatur zu messen. Die Messgröße bildet dabei z.B. die Differenzspannung zweier Pixel bei identischer Bestromung. Bei einem ersten Pixel handelt es sich dabei um ein aktives Pixel, welches durch eine große thermische Isolation und damit einen hohen Temperaturhub bei Einstrahlung gekennzeichnet ist. Das zweite Pixel ist thermisch deutlich besser an das Substrat angebunden und dient der Kompensation der Eigenerwärmung durch die Bestromung selbst und der Kompensation des hohen Offsets in Folge der Chiptemperatur. Diese Kompensation ist notwendig, da das eigentliche Messsignal nur wenige Mikrovolt bis Millivolt bei einem Offset von circa 2,5 Volt beträgt. The principle of the diode-based microbolometer is that, for example, four series-connected diodes are placed on the thermally isolated pixel to measure its temperature. The measured quantity forms, for example, the differential voltage of two pixels with identical current supply. A first pixel is an active pixel, which is characterized by a large thermal insulation and thus a high temperature swing upon irradiation. The second pixel is thermally much better connected to the substrate and serves to compensate the self-heating by the current itself and the compensation of the high offset as a result of the chip temperature. This compensation is necessary because the actual measurement signal is only a few microvolts to millivolts with an offset of about 2.5 volts.
Bolometer auf Basis des Bimetalleffekts mit optischer Auswertung und lateral neben dem Pixel angeordneten Bimetallärmchen und Schichtstresskompensationsstrukturen sind ebenfalls bekannt. Nachteilig sind dabei ein geringer Füllfaktor und eine komplizierte optische Auswertung. Weiterhin sind derartige Bolometer oftmals aus nicht CMOS-kompatiblen Materialien aufgebaut und können demnach nicht im selben Prozess wie die Auswerteschaltung bzw. mit standardmäßig verfügbaren Anlagen hergestellt werden. Bolometers based on the bimetallic effect with optical evaluation and laterally next to the pixel arranged Bimetallärmchen and Schichtstresskompensationsstrukturen are also known. The disadvantages are a low fill factor and a complicated optical evaluation. Furthermore, such bolometers are often constructed of non-CMOS compatible materials and thus can not be made in the same process as the evaluation circuit or with standard equipment available.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem an sich bekannten Funktionsprinzip eines Bolometers mit einer temperaturempfindlichen Bimetall-Aufhängung des Pixels, welche gleichzeitig die thermische Entkopplung des Pixels sicherstellt. Die Anordnung stellt elektrisch einen Kondensator dar, wobei eine Kondensatorplatte durch den Boden der Kavität und eine andere Kondensatorplatte durch das aufgehängte Pixel selbst dargestellt wird. Die aufgehängten Pixel werden dabei in einer großen Anzahl in einem Pixelarray zueinander angeordnet, sodass der thermische Sensor zur bildgebenden Datenbereitstellung geeignet ist.The present invention is based on the known principle of operation of a bolometer with a temperature-sensitive bimetallic suspension of the pixel, which simultaneously ensures the thermal decoupling of the pixel. The arrangement electrically represents a capacitor, wherein one capacitor plate is represented by the bottom of the cavity and another capacitor plate by the suspended pixel itself. The suspended pixels are arranged in a large number in a pixel array to each other, so that the thermal sensor is suitable for imaging data provision.
Gemessen wird die Veränderung der Kapazität, wenn sich durch Erwärmung des Pixels dieses oder seine Aufhängung verbiegt und sich der Abstand zwischen Pixel und Boden der Kavität verändert. Um den Messeffekt zu vergrößern, wird der Ruheabstand der beiden Kondensatorplatten bevorzugt sehr klein gewählt, typischerweise wenige Nanometer. Aufgrund des hohen Schichtstresses bei der Herstellung dieser Bimetallärmchen ist ein beliebiger Ruheabstand zwischen dem Pixel und dem Boden, je nach gewählter Materialkombination, allerdings nicht frei einstellbar. Aus diesem Grund ist eine Kompensation dieses Effektes wünschenswert. Ansonsten führt z.B. eine Schieflage des Pixels über der Kavität zu einer Verfälschung des Ergebnisses. Das liegt daran, dass bei den Bimetallaktoren das dem Substrat zugewandte und das dem Absorber zugewandte Material unterschiedliche temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten haben. Bereits durch die Abscheidung zur Herstellung derartiger Pixel biegen sich diese zum Beispiel nach oben hin durch. Ein Temperaturanstieg sorgt für eine weitere Verbiegung in Folge der unterschiedlichen Ausdehnung beider Materialien. Würde man nun zwischen zwei dieser Ärmchen eine Platte als Gegenelektrode eines Kondensators anordnen, würde diese schief hängen. Eine derartige Schieflage hat Nichtlinearitäten zur Folge, sodass ein thermisch-elektrisches Umwandlungssignal verfälscht wird, was folglich zu vermeiden ist.The change in capacitance is measured when, by heating the pixel, this or its suspension bends and the distance between the pixel and the bottom of the cavity changes. In order to increase the measurement effect, the idle spacing of the two capacitor plates is preferably chosen to be very small, typically a few nanometers. Due to the high layer stress in the production of these Bimetallärmchen is any rest distance between the pixel and the ground, depending on the chosen combination of materials, but not freely adjustable. For this reason, a compensation of this effect is desirable. Otherwise, for example, an imbalance of the pixel above the cavity leads to a falsification of the result. This is because, in the bimetallic actuators, the material facing the substrate and the material facing the absorber have different temperature-dependent expansion coefficients. Already by the deposition for the production of such pixels, for example, they bend upwards. A rise in temperature causes further bending as a result of the different expansion of both materials. Would you now between two of these little arms Placing a plate as the counter electrode of a capacitor, this would hang crooked. Such an imbalance results in nonlinearities, so that a thermal-electrical conversion signal is distorted, which is consequently to be avoided.
Eine weitere Vertiefung der Thematik bietet die Veröffentlichung „Polymer-Ceramic MEMS Bimorphs as Thermal Infrared Sensors“ von Clinton Gregory Warren, University of California, Berkeley, Frühjahr 2010. A further refinement of the topic is the publication "Polymer-Ceramic MEMS Bimorphs as Thermal Infrared Sensors" by Clinton Gregory Warren, University of California, Berkeley, Spring 2010.
Nachteilhaft bei einer kapazitiven Messung der elektromagnetischen Strahlung ist die Notwendigkeit, auch die bewegliche Kondensatorplatte, also die Absorberplatte oder die Bimetallarme, elektrisch kontaktieren zu müssen. Damit wird eine unerwünschte Wärmeableitung durch die elektrischen Leiter geschaffen, die die Absorberplatte kontaktieren. A disadvantage of a capacitive measurement of the electromagnetic radiation is the need to electrically contact the movable capacitor plate, ie the absorber plate or the bimetallic arms. Thus, an undesirable heat dissipation is created by the electrical conductors that contact the absorber plate.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung eines thermischen Sensors zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung, wobei eine vereinfachte Pixelstruktur erzeugt werden soll, die eine hohe thermisch-elektrische Linearität aufweist. Insbesondere soll eine Alternative zur kapazitiven Erfassung elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt werden. The object of the invention is to improve a thermal sensor for detecting electromagnetic radiation, wherein a simplified pixel structure is to be produced, which has a high thermal-electrical linearity. In particular, an alternative to the capacitive detection of electromagnetic radiation is to be provided.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem thermischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved on the basis of a thermal sensor according to the preamble of claim 1 with the characterizing features. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass wenigstens eine elektrische Spule in Anordnung am Substratmaterial vorgesehen ist, wobei wenigstens eine elektrische Eigenschaft der Spule durch eine Änderung des Abstandes der Absorberplatte zum Substratmaterial änderbar ist. The invention includes the technical teaching that at least one electrical coil is provided in arrangement on the substrate material, wherein at least one electrical property of the coil can be changed by changing the distance of the absorber plate to the substrate material.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die bewegliche Absorberplatte frei von einer elektrischen Kontaktierung ausführen zu können, sodass diese lediglich zur berührungslosen und kontaktlosen Änderung einer elektrischen Eigenschaft der Spule dienen kann, indem die Absorberplatte beispielsweise den Abstand zur Spule ändert. Da sich die Spule erfindungsgemäß auf, am oder im Substratmaterial befindet, und die Absorberplatte relativ zum Substratmaterial den Abstand ändern kann, kann die elektrische Eigenschaft der Spule, beispielsweise die Induktivität, derart elektrisch abgegriffen werden, dass aus der geänderten elektrischen Eigenschaft ein Messwert ableitbar ist. Wird das Pixel mit einer elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt, beispielsweise mit Wärmestrahlung, so verbiegen sich die Bimetallarme und der Abstand der Absorberplatte ändert sich relativ zum Substratmaterial. Dadurch ändert sich eine Eigenschaft der elektrischen Spule, die in einem Schwingkreis verschaltet sein kann. Die sich ändernde elektrische Eigenschaft kann beispielsweise die Induktivität betreffen, sodass sich eine Schwingfrequenz des Schwingkreises abhängig von dem Abstand der Absorberplatte zum Substratmaterial und folglich auch abhängig von der Einstrahlung, insbesondere von der Wärmestrahlung, ändert. Diese Änderung kann über einen entsprechenden elektronischen Baustein erfasst werden. The invention is based on the idea of being able to carry out the movable absorber plate freely from an electrical contact so that it can only serve for non-contact and contactless change of an electrical property of the coil, for example by the absorber plate changing the distance to the coil. Since the coil according to the invention is on, on or in the substrate material and the absorber plate can change the distance relative to the substrate material, the electrical property of the coil, for example the inductance, can be electrically tapped such that a measured value can be derived from the changed electrical property , If the pixel is exposed to electromagnetic radiation, for example heat radiation, the bimetal arms bend and the distance of the absorber plate changes relative to the substrate material. This changes a property of the electric coil that can be connected in a resonant circuit. The changing electrical property can relate, for example, to the inductance, so that an oscillation frequency of the resonant circuit changes depending on the distance between the absorber plate and the substrate material and consequently also on the irradiation, in particular on the thermal radiation. This change can be recorded via a corresponding electronic module.
Die Absorberplatte ist so ausgeführt, dass diese gute Absorbereigenschaften von elektromagnetischer Strahlung aufweist, insbesondere von Wärmestrahlung. Die Absorberplatte ist auch mit der Eigenschaft ausgestattet, die elektrische Eigenschaft der Spule aufgrund der Änderung des Abstandes zur Spule zu beeinflussen. Hierfür weist die Absorberplatte eine Metallschicht auf, die sich in Richtung zur Spule befindet und eine Absorberschicht befindet sich oberseitig der Metallschicht, auf die die elektromagnetische Strahlung einfallen kann. Alternativ kann sie, zumindest teilweise, aus einem Material mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit (beispielsweise dotiertes Si) gefertigt sein. Die Induktivität der Spule verringert sich beispielsweise dann, wenn die Absorberplatte den Abstand zur Spule verkleinert, und die Induktivität vergrößert sich, wenn die Absorberplatte ihren Abstand zur Spule vergrößert. The absorber plate is designed so that it has good absorber properties of electromagnetic radiation, in particular heat radiation. The absorber plate is also equipped with the property to influence the electrical property of the coil due to the change in the distance to the coil. For this purpose, the absorber plate on a metal layer, which is located in the direction of the coil and an absorber layer is located on the upper side of the metal layer on which the electromagnetic radiation can be incident. Alternatively, it may be made, at least in part, of a material having sufficient electrical conductivity (eg, doped Si). The inductance of the coil decreases, for example, when the absorber plate reduces the distance to the coil, and the inductance increases as the absorber plate increases its distance from the coil.
Mit Vorteil sind die Bimetallarme symmetrisch zur Mitte der Absorberplatte an zwei sich gegenüberliegenden Seiten an der Absorberplatte angeordnet. Erfolgt eine Wärmeeinwirkung durch elektromagnetische Strahlung und erwärmen sich die Bimetallarme, so führt die symmetrische Anordnung dazu, dass die Absorberplatte im Wesentlichen eine parallele Anordnung zum Substratmaterial beibehält, da sich beide Bimetallarme auf gleiche Weise verbiegen. Die thermosymmetrische Anordnung erhöht die thermisch-elektrische Linearität zwischen einer sich ändernden Wärmeeinstrahlung und der sich folglich ändernden elektrischen Eigenschaft der Spule. Advantageously, the bimetallic arms are arranged symmetrically to the center of the absorber plate on two opposite sides of the absorber plate. When heat is applied by electromagnetic radiation and the bimetallic arms heat up, the symmetric arrangement results in the absorber plate maintaining substantially parallel alignment with the substrate material as both bimetal arms bend in the same manner. The thermo-symmetric arrangement increases the thermal-electrical linearity between a changing heat radiation and the consequently changing electrical property of the coil.
Mit besonderem Vorteil sind erste Bimetallarme vorgesehen, die mit einem Anbindungspunkt am Substratmaterial angebunden sind und es sind zweite Bimetallarme vorgesehen, die mit einem Anbindungspunkt an der Absorberplatte angebunden sind. Mit Bezug auf den Flächenschwerpunkt der Absorberplatte befinden sich die Anbindungspunkte für die Bimetallarme an das Substratmaterial und an die Absorberplatte selbst in einer symmetrischen Anordnung, sodass eine Schiefstellung der Absorberplatte bei einer Verbiegung der Bimetallarme vermieden wird. Die ersten Bimetallarme, die an das Substratmaterial angebunden sind, erwärmen sich nicht oder nur unwesentlich bei einer Wärmeeinstrahlung, und die Bimetallarme, die an die Absorberplatte angebunden sind, erwärmen sich im Wesentlichen gleichermaßen mit der Absorberplatte. Folglich erfahren die Bimetallarme, die an der Absorberplatte angebunden sind, eine stärkere Verbiegung als die Bimetallarme, die an das Substratmaterial angebunden sind. With particular advantage, first bimetal arms are provided which are connected to a connection point on the substrate material and there are provided second bimetal arms which are connected to a connection point on the absorber plate. With respect to the centroid of the absorber plate, the attachment points for the bimetallic arms are to the substrate material and to the absorber plate itself in a symmetrical arrangement, so that a misalignment of the absorber plate is avoided in a bending of the bimetallic. The first bimetal arms, which are connected to the substrate material, do not heat up or only insignificantly at a heat radiation, and the bimetal arms, which are connected to the absorber plate, heat up substantially equally with the absorber plate. As a result, the bimetal arms attached to the absorber plate experience greater deflection than the bimetal arms attached to the substrate material.
Zwischen den ersten Bimetallarmen und den zweiten Bimetallarmen ist mit weiteren Vorteil eine Struktur zur thermischen Entkopplung ausgebildet, mit der die freien Enden der Bimetallarme miteinander verbunden sind. Mit besonderem Vorteil sind die Bimetallarme bezogen auf einen zwischen den Bimetallarmen ausgebildeten Schwerpunkt symmetrisch zueinander angeordnet. Between the first bimetal and the second bimetallic with further advantage, a structure for thermal decoupling is formed, with which the free ends of the bimetal are connected to each other. With particular advantage, the bimetal arms are arranged symmetrically relative to one another with respect to a center of gravity formed between the bimetal arms.
Mit weiterem Vorteil weisen die Bimetallarme und die Struktur zur thermischen Entkopplung zwischen den Anbindungspunkten an das Substratmaterial und an die Absorberplatte eine Mäanderform auf. Die Bimetallarme und die Struktur zur thermischen Entkopplung weisen jeweils eine Längserstreckung auf, die in ihren Haupt-Erstreckungsrichtungen parallel zueinander verlaufen. Die Struktur zur thermischen Entkopplung bildet dabei eine mechanische Verbindung der freien Enden der Bimetallarme unter gleichzeitiger Bildung einer Wärmebarriere. With further advantage, the bimetal arms and the structure for thermal decoupling between the attachment points to the substrate material and to the absorber plate have a meandering shape. The bimetallic arms and the structure for thermal decoupling each have a longitudinal extent, which extend in their main directions of extension parallel to each other. The structure for thermal decoupling forms a mechanical connection of the free ends of the bimetallic arms while forming a thermal barrier.
Die Absorberplatte weist mit weiterem Vorteil zumindest eine insbesondere plasmonische Absorber- und Antennenstruktur auf. Dadurch kann auf besondere Weise eine elektrische Eigenschaft der Spule unter Änderung des Abstandes der Absorberplatte verändert werden. Auch ist es denkbar, dass die Absorberplatte eine magnetische Schicht aufweist. Schließlich können auch mehrere Spulen mehrlagig übereinander und/oder in einer Ebene ineinander liegend ausgebildet sein, welche am Substratmaterial angeordnet sind. The absorber plate has, with further advantage, at least one in particular plasmonic absorber and antenna structure. This can be changed in a special way an electrical property of the coil while changing the distance of the absorber plate. It is also conceivable that the absorber plate has a magnetic layer. Finally, a plurality of coils may be formed in a multi-layered manner one above the other and / or in a plane lying one inside the other, which are arranged on the substrate material.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen thermischen Sensor mit einer Pixelstruktur zur induktiven Detektion von Infrarotstrahlung, und die Pixel bilden als wesentlichen Baustein eine Absorberplatte, die über einem Substratmaterial aufgehängt ist, und die Aufhängung durch die Bimetallarme kann ein Siliziumoxid (SiO2) aufweisen. Der Abstand zwischen der Absorberplatte und dem Substratmaterial kann beispielsweise /4 der zu detektierenden Wellenlänge betragen, wobei ein sehr kleiner Abstand zwischen der Absorberplatte und der zumindest einen Spule eine große Änderung der elektrischen Größe der Spule bei einer nur sehr kleinen Änderung des Abstandes zwischen der Absorberplatte und der Spule bewirkt. Die Spule ist beispielsweise ringförmig ausgebildet und weist Kupferleiterbahnen auf, die in oder auf dem Substratmaterial aufgebracht sind, wobei die Kupferleiterbahnen auch mehrlagig ausgeführt sein können, um die Induktivität der Spule zu erhöhen. Die Metallschicht der Absorberplatte ist beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet, wobei dann, wenn die Absorberplatte magnetisch oder magnetisierbar ist, kann diese auch ein Permalloy FeNi aufweisen. Die Schicht der Absorberplatte, die die Metallschicht bildet, muss dabei nicht durchgängig flächig ausgebildet sein, sondern kann auch Geometrieelemente enthalten, wie beispielsweise Schlitze oder sonstige Aussparungen. Auch dadurch kann die elektrische Eigenschaft der Spule in besonderer Weise verändert werden, wenn sich der Abstand der Spule zur Absorberplatte ändert. In summary, the invention relates to a thermal sensor having a pixel structure for inductive detection of infrared radiation, and the pixels constitute as an essential component an absorber plate suspended over a substrate material, and the suspension by the bimetal arms may comprise a silicon oxide (SiO 2). The distance between the absorber plate and the substrate material may be, for example, / 4 of the wavelength to be detected, with a very small distance between the absorber plate and the at least one coil a large change in the electrical size of the coil with only a very small change in the distance between the absorber plate and the coil causes. The coil is, for example, of annular design and has copper conductor tracks which are applied in or on the substrate material, wherein the copper conductor tracks can also be multi-layered in order to increase the inductance of the coil. The metal layer of the absorber plate is formed, for example, of copper or aluminum, wherein when the absorber plate is magnetic or magnetizable, it may also have a permalloy FeNi. The layer of the absorber plate, which forms the metal layer, does not have to be formed continuously flat, but may also contain geometric elements, such as slots or other recesses. Also, the electrical property of the coil can be changed in a special way, if the distance of the coil changes to the absorber plate.
Für ein bildgebendes System sind die Pixel in einem Array aus einer Anzahl von Pixeln in Zeilenrichtung und in Spaltenrichtung ausgebildet. Das Array wird vorteilhaft mit einem Niederdruck-Bondverfahren vakuumverkappt. Beispielsweise kann das Substratmaterial für das Gesamtpixelarray einheitlich und durchgehend ausgebildet sein, und der Aufbau der Spulen, der Absorberplatte und der Bimetallarme sowie der Kompensationsstruktur kann durch mikroelektronische Aufbau- und Verbindungstechnik hergestellt werden, insbesondere durch Oberflächen-Abscheideverfahren. Weiterhin ist es denkbar, dass die Spule auch ganzflächig über mehrere Pixel reichend vorhanden sein kann, die zum Beispiel auch im Substrat integriert ist oder die Spule im Deckel des Sensors eingefasst ist. For an imaging system, the pixels are formed in an array of a number of pixels in the row direction and in the column direction. The array is advantageously vacuum capped with a low pressure bonding process. For example, the substrate material for the overall pixel array may be unitary and continuous, and the structure of the coils, the absorber plate and the bimetallic arms, as well as the compensation structure may be fabricated by microelectronic assembly and bonding techniques, particularly by surface deposition techniques. Furthermore, it is conceivable that the coil can also be present over the entire surface over several pixels, which is integrated, for example, in the substrate or the coil is enclosed in the lid of the sensor.
Bezüglich des Verfahrens zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung mit einem thermischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine direkte Induktivitätsmessung vorgesehen sein, die durch einen Oszillator erfolgen kann, wobei die Messspule als frequenzbestimmendes Element in einem LC-Schwingkreis eingesetzt wird und die Resonanzfrequenz über einen Zähler bestimmt wird. Auch ist es denkbar, einen L-Integrator zu verwenden, wobei eine DC-Spannung an die Spule gelegt wird, der Strom entsprechend ansteigt und mittels eines Operationsverstärkers dieser in eine Messspannung gewandelt werden kann. Weiterhin ist die Verwendung eines DC-DC-Wandlers möglich, der prinzipiell darauf basiert, dass die Energie der Messspule auf einen Kondensator geladen wird, dessen Spannung als Messsignal dient. With respect to the method for detecting electromagnetic radiation with a thermal sensor according to the present invention, a direct inductance measurement can be provided, which can be done by an oscillator, wherein the measuring coil is used as a frequency-determining element in an LC resonant circuit and determines the resonance frequency via a counter becomes. It is also conceivable to use an L-integrator, wherein a DC voltage is applied to the coil, the current increases accordingly and this can be converted by means of an operational amplifier into a measuring voltage. Furthermore, the use of a DC-DC converter is possible, which is based in principle on the fact that the energy of the measuring coil is charged to a capacitor whose voltage serves as a measurement signal.
Die direkte Induktivitätsmessung ist ebenfalls möglich durch die Bestimmung eines Parallelwiderstandes, wobei zum Beispiel ein elektronischer Schaltkreis eingesetzt werden kann, der den Parallelwiderstand und die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises bestimmt. Hier kann durch die Auswahl einer geeigneten Parallelkapazität die Resonanzfrequenz eingestellt werden, wobei aus dem gemessenen Parallelwiderstand die Induktivität berechnet wird. Auch ist es denkbar, durch reaktive Spannungsteiler eine direkte Induktivitätsmessung vorzunehmen, wobei zum Beispiel über eine Phasenregelschleife (PLL) die Phasenbeziehung zwischen einem erregenden Sinussignal und der Spannung über dem LC-Schwingkreis bestimmt wird. Auch ist die Integration der Messspule in Brückenschaltungen denkbar, wobei die Hauptaufgabe der elektronischen Komponenten die Demodulation des Messsignals darstellt, wobei mindestens eine weitere Spule als Referenz verfügbar sein kann. The direct inductance measurement is also possible by the determination of a parallel resistor, wherein, for example, an electronic circuit can be used, which determines the parallel resistance and the resonant frequency of a resonant circuit. Here, by selecting a suitable parallel capacitance, the resonant frequency can be set, the inductance being calculated from the measured parallel resistor. It is also conceivable to carry out a direct inductance measurement by reactive voltage dividers, wherein, for example, via a Phase locked loop (PLL), the phase relationship between an exciting sinusoidal signal and the voltage across the LC resonant circuit is determined. The integration of the measuring coil in bridge circuits is also conceivable, the main task of the electronic components being the demodulation of the measuring signal, wherein at least one further coil can be available as a reference.
Alternativ ist die Erfassung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Wärmestrahlung, durch die Bestimmung von Koppelfaktoren von mindestens einer Sende- und mindestens einer Empfangsspule wie in der dritten und vierten Ausführungsform möglich, indem durch die Demodulation, die Summation und die Tiefpassfilterung der sinusförmigen Signale der Sender- und Messspule die Koppelfaktoren bestimmt werden. Alternatively, the detection of electromagnetic radiation, in particular heat radiation, by determining coupling factors of at least one transmitting and at least one receiving coil as in the third and fourth embodiment is possible by the demodulation, the summation and the low-pass filtering of the sinusoidal signals of the transmitter - And measuring coil, the coupling factors are determined.
Der Vorteil der nicht elektrisch kontaktierten Absorberplatte, die lediglich die elektrische Eigenschaft der Spule bei Änderung des Abstandes ändert, ist der Entfall einer Anschlussmetallisierung der Absorberplatte und damit des Pixels, wodurch eine bessere thermische Eigenschaft des Sensors erreicht wird. Auch ist die Herstellung vereinfacht aufgrund der nicht mehr benötigten Anschlussmetallisierung. The advantage of the non-electrically contacted absorber plate, which only changes the electrical property of the coil as the distance is changed, is the elimination of a terminal metallization of the absorber plate and thus of the pixel, whereby a better thermal property of the sensor is achieved. Also, the production is simplified due to the no longer required Anschlussmetallisierung.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNGPREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. It shows:
Die Bimetallarme
Die Mäanderstruktur aus den Bimetallarmen
Durch die gezeigte Ausgestaltung der Bimetallarme
Auf der oberen Seite des Substratmaterials
Der Abstand zwischen der Unterseite der Absorberplatte
Eine erste Spule
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use. Any features and / or advantages resulting from the claims, the description or the drawings, including constructive details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention, both individually and in the most diverse combinations.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 69736225 T2 [0002] DE 69736225 T2 [0002]
- EP 0716293 A1 [0003] EP 0716293 A1 [0003]
- US 3415712 A [0004] US 3415712 A [0004]
- DE 69716546 T2 [0005] DE 69716546 T2 [0005]
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