DE102017201549A1 - Thermische Detektorvorrichtung - Google Patents

Abstract

Thermische Detektorvorrichtung (100), aufweisend:- wenigstens zwei Detektorkammern (10, 20);- wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) unterschiedliche Innendrücke (V1, V2) ausgebildet ist; und- wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) ein Detektorelement (13, 23) angeordnet ist, mit dem eine auftreffende Messstrahlung (OP) in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine thermische Detektorvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung.
• Stand der Technik
• In der optischen Messtechnik zur Temperaturmessung werden thermische Detektoren wie z.B. Thermopile, Pyrodetektoren oder Dioden-Arrays verwendet, wie es zum Beispiel aus DE 600 03 885 T2 bekannt ist. Mit den genannten Detektoren kann vorteilhaft eine berührungslose Temperaturerfassung realisiert werden. Dabei wird je nach Anwendung ein Detektor mit einer entsprechenden Temperaturempfindlichkeit gewählt. Soll zum Beispiel ein geringer Temperaturunterschied erfasst werden, ist ein Detektor mit hoher Detektivität (V/W) erforderlich. Ist eine Messung von hohen Temperaturen erforderlich, wie zum Beispiel im Brandfall, ist es von Vorteil, einen Detektor einzusetzen, welcher eine geringere Detektivität aufweist, um in dem hohen Temperaturbereich nicht zu übersteuern. Insbesondere bei Anwendungen für sehr unterschiedliche Temperaturbereiche ist ein Detektor notwendig, welcher eine hohe Dynamik bereitstellt.
• Der Aufbau eines thermischen Detektors basiert typischerweise auf der thermischen Entkopplung des eigentlichen Sensorelements von der Umgebung um auf diese Weise geringe Temperaturunterschiede, die auf dem Sensorelement durch die Änderung der Objekttemperatur entstehen, zu erfassen. Wenn sich die Objekttemperatur um 1 Kelvin (K) ändert, so beträgt die Änderung auf dem Sensorelement aufgrund der absorbierten Infrarotleistung typischerweise wenige mK.
• Damit diese Temperaturdifferenz auf dem Sensorelement entstehen kann, werden die Sensorelemente thermisch entkoppelt. Dies geschieht zum einen durch eine definierte mechanische Aufhängung des Sensors, wie es in 1 beispielhaft an einem Pixelelement dargestellt ist und zum anderen durch das eingeschlossene Vakuum des Sensorelements.
• Beispielsweise kann die genannte thermische Entkopplung konventionell durch einen Waferbondprozess erreicht werden, bei dem zwei Wafer vakuumdicht miteinander verbunden werden. Im Volumen zwischen den beiden Wafern, in welchem das Sensorelement platziert ist, herrscht typischerweise ein Absolutdruck von weniger als 1 mbar. Dieser Wert bestimmt sehr stark die Empfindlichkeit des Sensors. Je höher der Druck, desto niedriger die Empfindlichkeit des Sensors.
• Eine Erfassung von sehr unterschiedlichen Temperaturbereichen mit hoher Temperaturauflösung ist mit einem Detektor konventionell nur mit sehr hohem technischem Aufwand möglich. Insbesondere ist die Erfassung von unterschiedlichen Temperaturbereichen, die weit auseinanderliegen, zum Beispiel Personenerfassung, Messbereich 20°C bis 50°C, Branddetektion 200°C bis 1000 °C technisch nur mit hohem Aufwand möglich. Dies lässt sich durch das physikalische T⁴-Gesetz (Stefan-Boltzmann-Gesetz) begründen: $$\text{P}=\mathrm{\sigma }\times \text{A}\times {\text{T}}^4$$

  

  mit den Parametern:

P

Strahlungsleistung

A

Fläche

σ

Stefan-Boltzmann-Konstante

• Der Zusammenhang von Gleichung (1), der die thermisch abgestrahlte Leistung (Strahlungsleistung) eines idealen schwarzen Körpers in Abhängigkeit von seiner Temperatur angibt, ist in 3 verdeutlicht. Man erkennt mehrere Verläufe von spektraler spezifischer Ausstrahlung (in W/m²µm) bzw. spektraler Strahldichte (in W/m²µmsr) in Abhängigkeit von der Wellenlänge W (in µm). Die einzelnen Verläufe sind bei unterschiedlichen Temperaturen (in K) eines schwarzen Strahlungskörpers aufgetragen.
• Weiterhin ist die Auswerteschaltung von Thermodetektoren eine begrenzende Größe, da die elektrischen Spannungsbereiche bei den Verstärkerstufen und Analog-Digital-Konvertern begrenzt sind und eine Arbeitspunktauslegung für einen hohen Temperaturmessbereich technisch sehr schwierig und kostenintensiv ist. Eine hohe Dynamik und eine hohe Auflösung des Sensors sind daher zusammen nur sehr schwer realisierbar. Dazu ist für jede Applikation eine kostenintensive Änderung im Design bzw. in der ASIC-Auslegung notwendig.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten berührungslosen thermischen Detektor bereit zu stellen.
• Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer thermischen Detektorvorrichtung, aufweisend:
• - wenigstens zwei Detektorkammern;
• - wobei in jeder Detektorkammer ein unterschiedlicher Innendruck ausgebildet ist; und
• - wobei in jeder Detektorkammer ein Detektorelement angeordnet ist, mit dem eine auftreffende Messstrahlung in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.
• Auf diese Weise ist mittels der in den Detektorkammern herrschenden unterschiedlichen Innendrücke eine unterschiedliche Empfindlichkeit der Messelemente realisiert. Vorteilhaft ist es dadurch möglich, eine Empfindlichkeit von einzelnen Detektorkammern der Detektorvorrichtung einzustellen und somit flexibel auf unterschiedliche Anwendungszwecke zu konfigurieren. Dabei werden die oben erwähnten Gesetzmäßigkeiten des Stefan-Boltzmann-Gesetzes ausgenutzt.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung, aufweisend die Schritte:
• - Bereitstellen von wenigstens zwei Detektorkammern;
• - Anordnen von jeweils einem Detektorelement in jeder Detektorkammer; und
• - Ausbilden von unterschiedlichen Innendrücken in jeder der Detektorkammern.
• Bevorzugte Ausführungsformen der thermischen Detektorvorrichtung und des Verfahrens zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der thermischen Detektorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Innendrücke in den Detektorkammern mit Getterelementen eingestellt sind. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Innendrücke in den Detektorkammern auf technisch bewährte und an sich bekannte Weise eingestellt werden.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der thermischen Detektorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorkammern nach einem Ausbilden der Innendrücke mittels Laserreseal hermetisch dicht verschlossen werden. Auf diese Weise wird ein alternatives Verfahren zum Ausbilden der unterschiedlichen Innendrücke in den Detektorkammern bereitgestellt.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der thermischen Detektorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorvorrichtung eine elektronische Auswerteschaltung aufweist. Vorteilhaft wird auf diese Weise eine Rechenkapazität zum Auswerten der erfassten Strahlungsleistung bereitgestellt.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der thermischen Detektorvorrichtung sehen vor, dass die elektronische Auswerteschaltung als ein ASIC oder als ein Multiplexer ausgebildet ist. Auf diese Weise werden unterschiedliche, der Erfassung nachgeordnete Auswerteleistungen bereitgestellt.
• Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleich Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
• Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die thermische Detektorvorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung ergeben und umgekehrt.
• In den Figuren zeigt:
• 1 eine Topologie einer herkömmlichen thermischen Detektorvorrichtung;
• 2 einen schematischen Verlauf einer Empfindlichkeit eines thermischen Detektors als Funktion eines Innendrucks im Sensor;
• 3 die prinzipiellen Abhängigkeiten des physikalischen Stefan-Boltzmann-Gesetzes;
• 4 eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen thermischen Detektorvorrichtung mit zwei Detektorkammern mit unterschiedlichen Innendrücken;
• 5 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer thermischen Detektorvorrichtung mit zwei Kammern mit unterschiedlichen Innendrücken;
• 6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer thermischen Detektorvorrichtung mit zwei Kammern mit unterschiedlichen Innendrücken;
• 7 eine schematische Darstellung eines thermischen Mehrkammerndetektors; und
• 8 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Ein Kerngedanke der Erfindung ist es insbesondere, eine flexible Anpassung von Druckverhältnissen bei einem thermischen Mehrkanalsensor zu realisieren. Durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse bzw. Vakuen und daraus resultierend unterschiedlichen thermischen Entkopplungsgrade der eigentlichen Sensorelemente weisen die einzelnen Sensorkammern auf einem Detektorchip unterschiedliche Empfindlichkeiten auf. Dadurch sind auf einfache Weise für unterschiedliche Applikationen jeweils eine hohe Dynamik und ein hoher Detektionsgrad ermöglicht.
• Weiterhin kann die Empfindlichkeit der einzelnen Detektoren auf dem Sensorchip in einem Mediumsensor an unterschiedliche optische Leitungsparameter, welche zum Beispiel durch optische Filter (Transmission, Bandbreite, usw.) selektiert werden, angepasst werden.
• Vorteilhaft ergeben sich dadurch unter anderem folgende Vorteile:
• - Keine Anpassung an das Design (z.B. Sensoraufhängung, Dotierung, Materialauswahl, Absorptionsschichten, usw.), um unterschiedliche Anforderungen an die Empfindlichkeit zu realisieren
• - Eine einfache und schnelle Anpassung an unterschiedliche Applikationen
• - Unterschiedliche Applikationen können mit hohen Anforderungen an Dynamik und Auflösung des Sensors bedient werden
• - Kosteneffizientes Konzept, dessen Realisierung auf hochvolumenfähigen Waferprozessen basiert
• - Hohe Skalierbarkeit: eine Anzahl der unabhängigen Detektorkammern kann applikationsspezifisch gewählt werden
• - Hohe Flexibilität: Druckverhältnisse in den einzelnen Detektorkammern können applikationsspezifisch gewählt werden und können im Prozess vergleichsweise einfach geändert werden.
• 1 zeigt in einer Draufsicht auf eine konventionelle thermische Detektorvorrichtung 100 in Form eines Messpixels. Erkennbar sind zwei L-förmige Aufhängungselemente, mit denen die thermische Detektorvorrichtung 100 vom umgebenden Substrat getrennt ist, wodurch eine hohe thermische Entkopplung der thermischen Detektorvorrichtung vom umgebenden Substrat bereitgestellt ist. Je höher diese thermische Entkopplung ist, umso höher ist die Empfindlichkeit der thermischen Detektorvorrichtung 100.
• 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Empfindlichkeit E der thermischen Detektorvorrichtung 100 als Funktion eines Innendrucks V in einer Detektorkammer. Erkennbar sind ein erster Innendruck V1 und ein zweiter, niedrigerer Innendruck V2. Man erkennt, dass die Empfindlichkeit der thermischen Detektorvorrichtung 100 mit steigendem Innendruck in der Detektorkammer definiert abnimmt.
• 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch die vorgeschlagene thermische Detektorvorrichtung 100 in Form eines zweikanaligen Detektors mit zweit Detektorkammern 10, 20. Dabei umfasst die thermische Detektorvorrichtung 100 zwei dichte, voneinander getrennte Detektorkammern 10, 20. Die Detektorkammern 10, 20 können dadurch realisiert werden, dass zwei Wafer (Wafer mit dem Sensorchip und optionaler ASIC-Schaltung und ein Kappenwafer) durch einen Waferbondprozess hermetisch dicht miteinander verbunden werden. Eine thermische Messstrahlung OP trifft auf ein in der Detektorkammer 10, 20 angeordnetes Detektorelement 13, 23 und generiert auf diese Weise ein elektrisches Signal (z.B. eine elektrisches Spannungssignal), welches nachfolgend mit einer optionalen elektronischen Auswerteschaltung 50 ausgewertet bzw. weitergeleitet werden kann. Die elektronische Auswerteschaltung kann beispielsweise als eine anwendungsspezifische elektronische Schaltung (ASIC) ausgebildet sein. Beispielsweise kann die elektronische Auswerteschaltung auch als ein Multiplexer ausgebildet sein, der die von den Detektorelementen 13, 23 generierten elektrischen Signale zur weiteren Auswertung weiterleitet.
• 5 zeigt prinzipiell, wie die unterschiedlichen Innendrücke V1 und V2 in den Detektorkammern 10, 20 erzeugt bzw. eingestellt werden können. Zunächst werden die beiden Detektorkammern 10, 20 dicht realisiert und schließen zunächst den ersten Innendruck V1 (typischerweise wenige mbar) ein, der beim Bonden mittels eines ersten Getterelements 11 eingestellt wird. Um den zweiten Innendruck V2 in der zweiten Detektorkammer 20 einzuschließen, kann zum Beispiel eine Menge des Gettermaterials, welches für die Feinjustierung der Druckverhältnisse in den Detektorkammern 10, 20 verwendet wird, geeignet gewählt werden. Dies wird durch ein entsprechend dimensioniertes zweites Getterelement 21 realisiert.
• Wird beispielsweise ein höherer Absolut- bzw. Innenddruck V2 in der zweiten Detektorkammer 20 benötigt, wird ein kleineres Getterelement 21 mit weniger Gettermaterial in der zweiten Detektorkammer 20 aufgebracht. Dadurch wird in der zweiten Detektorkammer 20 weniger Restgas gebündelt, wodurch der thermische Widerstand des Messpixels der zweiten Detektorkammer 20 größer als in der ersten Detektorkammer 10 ist.
• Dadurch entsteht durch die auftreffende Messstrahlung OP, die von einem Messobjekt (nicht dargestellt) emittiert wird, eine geringere Temperaturdifferenz, wodurch im Ergebnis die effektive Empfindlichkeit des Pixels herabgesetzt ist.
• Eine weitere Realisierungsmöglichkeit der thermischen Detektorvorrichtung 100 basiert auf einem an sich bekannten Laserreseal-Prozess, wobei auch auf diese Weise der Innendruck in den Detektorkammern 10, 20 hochgenau eingestellt werden kann.
• 6 zeigt schematisch diese Umsetzungsmöglichkeit mit spezifischen Bereichen 12, 22 der Detektorvorrichtung 100 für den Laserreseal-Prozess. Zu diesem Zweck wird nach dem Bondprozess die jeweilige Detektorkammer 10, 20, in der der geeignete Innendruck eingestellt werden soll, durch einen Laserschmelzprozess geöffnet. Durch die Druckverhältnisse in der Prozesskammer (nicht dargestellt) wird ein entsprechender Druck auch im Inneren der Detektorkammer 10, 20 eingestellt. Anschließend wird die Detektorkammer 10, 20 in den Laserreseal-Bereichen 12, 22 mit dem Laser verschlossen bzw. zugeschweißt. Dieser Prozess kann für jede Detektorkammer 10, 20 wiederholt werden.
• Beispielsweise kann der erwähnte Prozess folgendermaßen ablaufen: Die Detektorkammern 10, 20 werden geöffnet, danach wird der Druck in der Prozesskammer (nicht dargestellt) und somit auch in der Detektorkammer 10, 20 eingestellt und die erste Detektorkammer 10 wird mittels Laser verschweißt. Danach wird ein weiterer, niedrigerer Druck in der Prozesskammer eingestellt, wodurch sich ein zweiter Innendruck V2 in der zweiten Detektorkammer 20 einstellt, die nachfolgend mittels Laser verschweißt wird.
• Dieser Vorgang kann so oft als nötig wiederholt werden. Auf diese Weise können beispielsweise vier Detektorkammern 10, 20, 30, 40 mit geeigneten, gleichen oder unterschiedlichen Innendrücken V1... V4 realisiert werden, wie in der Draufsicht der thermischen Detektorvorrichtung 100 von 7 schematisch dargestellt. Im Ergebnis können auf diese Weise die vier Detektorkammern 10, 20, 30, 40 mit gleichen oder unterschiedlichen Empfindlichkeiten realisiert werden.
• Eine nicht in Figuren dargestellte Ausführungsform der vorgeschlagenen thermischen Detektorvorrichtung 100 sieht vor, dass lediglich eine einzelne Detektorkammer vorgesehen ist, in der je nach Erfordernis ein unterschiedlicher Innendruck eingestellt wird, um eine entsprechende Empfindlichkeit des thermischen Sensorpixels zu realisieren.
• 8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführung von des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung.
• In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen von wenigstens zwei Detektorkammern 10, 20 durchgeführt.
• In einem Schritt 210 wird jeweils ein Detektorelement 13, 23 in jeder Detektorkammer 10, 20 angeordnet.
• Schließlich wird in einem Schritt 220 ein Ausbilden von unterschiedlichen Innendrücken V1, V2 in jeder der Detektorkammern 10, 20 durchgeführt.
• Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 60003885 T2 [0002]

Claims (9)

1. Thermische Detektorvorrichtung (100), aufweisend: - wenigstens zwei Detektorkammern (10, 20); - wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) ein unterschiedlicher Innendruck (V1, V2) ausgebildet ist; und - wobei in jeder Detektorkammer (10, 20) ein Detektorelement (13, 23) angeordnet ist, mit dem eine auftreffende Messstrahlung (OP) in ein elektrisches Signal umwandelbar ist.
2. Detektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Innendrücke (V1, V2) in den Detektorkammern (10, 20) mit Getterelementen (11, 21) eingestellt sind.
3. Detektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorkammern (10, 20) nach einem Ausbilden der Innendrücke (V1, V2) mittels Laserreseal hermetisch dicht verschlossen werden.
4. Detektorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorvorrichtung (100) eine elektronische Auswerteschaltung (50) aufweist.
5. Detektorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteschaltung (50) als ein ASIC oder als ein Multiplexer ausgebildet ist.
6. Verfahren zum Herstellen einer thermischen Detektorvorrichtung (100) aufweisend die Schritte: - Bereitstellen von wenigstens zwei Detektorkammern (10, 20); - Anordnen von jeweils einem Detektorelement (13, 23) in jeder Detektorkammer (10, 20); und - Ausbilden von unterschiedlichen Innendrücken (V1, V2) in jeder der Detektorkammern (10, 20).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die unterschiedlichen Innendrücke (V1, V2) in den Detektorkammern (10, 20) jeweils durch Getterelemente (11, 21) eingestellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei nach einem Einstellen der Innendrücke (V1, V2) in den Detektorkammern (10, 20) die Detektorkammern (10, 20) jeweils durch einen Laserresealprozess verschlossen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei für jede Detektorkammer (10, 20) eine elektronische Auswerteschaltung (50) bereitgestellt wird.

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