DE19732078C1 - Miniaturisierter thermoelektrischer Dünnschichtdetektor - Google Patents
Miniaturisierter thermoelektrischer DünnschichtdetektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten thermoelektrischen
Dünnschichtdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Detek
toren sind aus den GB 2 154 367 A bekannt und
finden bspw. zur berührungslosen IR-
Temperaturmessung Verwendung.
Die gattungsgemäßen Detektoren sind solche vom
sogenannten Aufhängetyp. Bei diesen Bauformen überspannt eine dünne
Membran einen als Wärmesenke wirkenden Trägerrahmen, wobei verteilt
auf der freitragenden Membranfläche die heißen Kontaktstellen und über
den Bereichen des Trägerrahmens die kalten Kontaktstellen von
mehreren in Reihe verschalteten thermoelektrischen Schenkelpaarungen
angeordnet sind. Um zu gewährleisten, daß alle heißen Kontaktstellen der
gleichen Temperatur unterliegen, ist eine radialsymmetrische Verteilung
der heißen Kontaktstellen erforderlich. Das Bestreben bei der
Konzipierung derartiger Anordnungen geht dahin, eine möglichst hohe
Empfindlichkeit zu erreichen. Dazu sind bereits in der GB 2 154 367 A auf
einer Empfängerfläche in der Größenordnung von 1 mm2 eine Anzahl
von mindestens fünfundzwanzig Schenkelpaarungen mit einem
bestimmten Längen/Breitenverhältnis der einzelnen Thermoschenkel
beschrieben. Eine weitere Erhöhung der Schenkelanzahl pro Fläche
wurde nach DD 233 014 derart beschrieben, daß zumindest die auf der
freitragenden Membran liegenden Schenkelbereiche zueinander
deckungsgleich übereinanderliegend und voneinander durch eine dünne
Lackschicht getrennt ausgeführt werden. Mit einer solchen Ausbildung
kann prinzipiell die Anzahl der Schenkelpaarungen bei gleicher
Empfängerfläche verdoppelt werden. Da die thermoelektrischen Schenkel
aber zur Gewährleistung eines bestimmten elektrischen Widerstands im
Querschnitt nicht beliebig verkleinerbar sind, bestimmt die mittlere Länge
der Thermopaare den Innenwiderstand und damit die Detektivität. Des
weiteren stößt die weitere Erhöhung der Schenkelzahl zur Anhebung der
Empfindlichkeit an ihre Grenze durch die technologisch realisierbare
Mindestbreite der Schenkel von z. Z. ca. 5 µm, so daß sich längs einer
kreisförmigen Empfängerfläche von 1 mm Durchmesser 300
Schenkelpaarungen mit einem Abstand von jeweils 5 µm anordnen
lassen. Der ohmsche Innenwiderstand als weiterer wichtiger Parameter
eines thermoelektrischen Dünnschichtsensors ist bei gegebenen
Schichtdicken durch die Länge der Thermopaarkette bzw. durch die
mittlere Länge der Thermopaare gegeben. Letztere hat als Maß für die
thermische Entkopplung der "heißen" und der Referenzkontakte der
Thermoschenkel wiederum Einfluß auf die Empfindlichkeit des
Dünnschichtsensors.
Nach dem gegenwärtig fortgeschrittensten Stand der Technik werden die
Trägerrahmen durch Silizium gebildet, die durch anisotropes
naßchemisches Ätzen eines (100)-Siliziumchips, das mit einem
SiO2/Si3N4-Dünnschichtsystem zur Bildung der Membran belegt ist,
hergestellt sind (siehe Elbel, Th.; Poser, S.; Fischer, H.: Sensors and
Actuators A, Bd. 41-42 (1994), S. 493-496). Dabei werden rechteckige
Membranfenster erhalten. Das hat zur Folge, daß die Länge der
Thermoschenkel zwischen den zentralen heißen Kontaktstellen und den
auf dem Trägerrahmen befindlichen kalten Kontaktstellen bei einer
radialsymmetrischen Anordnung der heißen Kontaktstellen stark variiert.
Der dabei große Anteil von langen Thermoschenkeln, die im Bereich der
Diagonalen der quadratischen Membranfenster auf die kalten
Wärmesenkenbereiche herauszuführen sind und der damit hohe Anteil
am ohmschen Innenwiderstand der Thermosäule beeinträchtigen die
Detektivität des thermoelektrischen Dünnschichtsensors, andererseits
limitiert sie bei gegebener Detektivität die maximal anordenbare Anzahl
von Thermoschenkelpaarungen und somit die Empfindlichkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer vergleichbaren
Anzahl, Geometrie und Materialauswahl von thermoelektrischen
Schenkelpaarungen, wie nach dem Stand der Technik realisierbar, die
Detektivität eines thermoelektrischen Dünnschichtdetektors und im
weiteren auch seine Empfindlichkeit zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten
Patentanspruchs gelöst.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Geometrie eines in ein
Siliziumsubstrat eingebrachten Membranfensters weitestgehend einer
vorgegebenen kreisförmigen Thermoschenkelverteilung anzupassen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines schematischen
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 die Verhältnisse bei einer radialsymmetrisch verteilten
Dünnschichtthermosäule, die auf einer quadratischen
Membran unter Einsatz eines tiefengeätzten (100)-
Siliziumchips nach dem Stand der Technik aufgebracht sind,
Fig. 2 die Verhältnisse bei einer radialsymmetrisch verteilten
Dünnschichtthermosäule, die auf einer Membran unter
Einsatz eines tiefengeätzten (110)-Siliziumchips gemäß
vorliegender Erfindung aufgebracht sind.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht einen Siliziumrahmen 1, der aus einem nach
dem Stand der Technik üblicherweise eingesetzten (100)-Siliziumchip
mittels naßchemischer Ätztechnologien präpariert wurde. Den Rahmen 1
überspannt ganzflächig ein SiO2/Si3N4-Dünnschichtsystem, gegen das
das Siliziumchip selektiv ätzbar ist. Auf diese Weise entsteht eine
freitragende, im Beispiel nach Fig. 1 quadratische SiO2/Si3N4-Membran
2. Auf dieser Membran werden thermoelektrische Schenkelpaarungen
derart angeordnet, daß ihre heißen Kontaktstellen auf einem
strichlinierten Kreis 3 und ihre kalten Kontaktstellen auf dem als
Wärmesenke wirkenden Siliziumrahmen 1 zu liegen kommen. Alle diese
Schenkelpaarungen sind untereinander in Reihe verschaltet, von denen
aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 1 lediglich zwei Paarungen in den
jeweils extremsten Positionen dargestellt sind. So weisen die von der
heißen Kontaktstelle 4 abgehenden und zu den Referenzkontaktstellen 7
auf dem Siliziumrahmen 1 geführte Thermoschenkel 5, 6 die kürzeste
mögliche Schenkellänge auf, während die über die Diagonale der
quadratischen Membran 2 von der heißen Kontaktstelle 4' zu den
Referenzkontaktstellen 7' zu führenden Thermoschenkel 5', 6' erheblich
länger ausgeführt sein müssen. Dadurch wird der ohmsche
Innenwiderstand der gesamten Thermosäule erhöht, was zu einer
Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses und damit zu einer
beschränkten Detektivität führt.
Fig. 2 zeigt ebenfalls in Draufsicht einen nach vorliegender Erfindung
präparierten Siliziumrahmen 1, der jedoch aus einem Siliziumchip mit
(110)-Orientierung präpariert wurde. Dazu findet eine nicht näher
dargestellte Tiefenätzmaske Verwendung, die unter Berücksichtigung der
unterschiedlichen Ätzraten der verschiedenen Siliziumkristallebenen
derart ausgeführt ist, daß bei Freilegung der SiO2/Si3N4-Membran 2' die
freistehenden Siliziumkanten weitestgehend Tangenten an den
strichlinierten Kreis 3, auf dem die heißen Kontaktstellen positioniert
werden sollen, bilden. Bedingt durch die Kristallorientierung des
eingesetzten Siliziumsubstrates, die entsprechenden Ebenen (100), (110)
und (111) sind in Fig. 2 angedeutet, entsteht somit die freitragende
Membran 2' in Form eines unregelmäßigen Achtecks, wobei die in Fig. 2
angegebenen Winkel betragen α = 70,53°, β = 125,27° und γ = 144,74°.
Ausreichend stabile Membranen lassen sich, bezogen auf den Abstand
gegenüberliegender Ebenen [z. B. (111)-(111)] in der Größenordnung von
4-12 mm bei Membrandicken von ca. 0,8 µm herstellen. Die auf diese
Membran 2' aufgebrachten Thermoschenkel lassen sich im Mittel mit
einer wesentlich geringeren Länge zwischen den heißen 4, 4' und kalten
7, 7' Kontaktstellen fertigen, wie es in Fig. 2 wieder anhand von zwei
beispielhaften Thermoschenkelpaarungen 5, 6 und 5', 6' dargestellt ist,
was den ohmschen Innenwiderstand der Thermosäule deutlich verringert
und somit ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis und damit eine
erhöhte Detektivität gegenüber einer Ausführung nach Fig. 1 bei Einsatz
einer gleichen Anzahl von thermoelektrischen Paarungen ermöglicht. Bei einem
vorgegebenen Innenwiderstand läßt sich so gegenüber einer Ausführung
nach Fig. 1 eine höhere Anzahl an Thermoelementenpaarungen
realisieren und so eine größere Thermokraft erzielen. Mit zunehmender
Größe der im Einzelfall vorgegebenen Empfängerfläche läßt sich bei
ansonsten identischen Verhältnissen einer Detektorausführung nach
Fig. 1 eine Erhöhung der Thermokraft realisieren, die bspw. bei einem
Durchmesser der Empfängerfläche von 1 mm bis zu 15%, bei 4 mm bis
zu 30%, bei 8 mm bis zu 50% und bei 12 mm bis zu 60% beträgt.
Weiterhin ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die
Thermoschenkel über Seitbereiche 8 des Achtecks auf den
Siliziumchiprahmen 1' herausgeführt werden, die weitestgehend eine
Tangente an dem vom Achteck umfaßten, gedacht gezogenen Kreis 3
bilden. Insbesondere sind die thermoelektrischen Schenkel (5, 6, 5', 6')
ausschließlich über die Seitbereiche 8, die in Fig. 2 jeweils von einem
dünnen Rechteck umfaßt dargestellt sind, der Seitberandungen (100),
(110), (111) des Achtecks auf den Siliziumchiprahmen 1' herausgeführt,
wobei die Länge der mittig zur jeweiligen Seitberandung angeordneten
Seitbereiche 8 unterhalb von 80% der jeweiligen Seitberandungslänge
festgelegt ist.
Abhängig vom Umfang der kreisförmigen Empfängerfläche, der
gewählten Breite der Thermoelemente und deren Abstand voneinander ist
deren maximale unterbringbare Anzahl und damit die Thermokraft der
Thermosäule sowie der erreichbare Innenwiderstand festgelegt. Mit einer
Länge des jeweils kürzesten Thermoschenkels 1 = 0,2 mm lassen sich bei
Realisierung verschiedener Breiten der Thermoelemente, für die im
Beispiel Schenkelpaarungen aus BiSb/Sb gewählt sind, die in
nachstehender Tabelle bei Vorgabe identischer Thermoschenkelbreiten,
d. h. identischer Thermokraft, im Vergleich zwischen zweier Sensoren
vom Aufhängetyp mit einer Ausnehmung in (100)- und (110)-
Orientierung dargestellten Parameter erzielen:
Dabei steht D [mm] für den Durchmesser der Empfängerfläche, b [µm]
für die Thermoschenkelbreite und z [mm] fur den Thermopaarabstand.
In einer weiteren Tabelle sind bei Vorgabe identischer Detektivitäten für
zwei unterschiedliche Empfängerflächen und Innenwiderstände R [kΩ]
der Thermosäule beispielhaft erzielbare Parameter, insbesondere ein
erreichbarer Netto-Empfindlichkeitsgewinn, gegenüber einer sonst
baugleichen Ausführung nach dem Stand der Technik gegenübergestellt.
1
- Siliziumrahmen nach dem Stand der Technik
1
'- Siliziumrahmen nach der Erfindung
2
- quadratische Membran nach dem Stand der Technik
2
'- achteckförmige Membran nach der Erfindung
3
- Kreis (Plazierung von heißen Kontaktstellen)
4
,
4
'- heiße Kontaktstellen
5, 6,
5
',
6
'- Thermoschenkelpaarungen
7
,
7
'- Referenzkontaktstellen
8
- Seitbereiche über die Thermoschenkel auf den Rahmen
1
'
geführt werden
Claims (2)
1. Miniaturisierter thermoelektrischer Dünnschichtdetektor mit einem
Siliziumrahmen (1), der eine anorganische Dünnschichtmembran (2)
trägt, auf der eine Dünnschichtthermosäule, gebildet durch mehrere
radialsymmetrisch verteilte und elektrisch in Reihe verschalteter
Thermoschenkelpaarungen (5, 6, 5', 6') im wesentlichen gleicher
Länge, angeordnet ist, wobei die Thermoschenkel einseitig auf den
Siliziumrahmen herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein
(110)-Siliziumchip eingesetzt ist, in den ein achteckiger Bereich zur
Bildung der freitragenden Membran (2') eingebracht ist, derart dessen daß
Seitberandungen, gebildet durch die Kristallebenen
(100), (110), (111) des Siliziums, weitestgehend Tangenten arg
einen vom Achteck umfaßten, gedacht gezogenen Kreis (3) bilden.
2. Miniaturisierter thermoelektrischer Dünnschichtdetektor nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen
Schenkel (5, 6, 5', 6') ausschließlich über Seitbereiche (8) der
Seitberandungen des Achtecks auf den
Siliziumchiprahmen (1') herausgeführt sind, wobei die Länge der mittig
zur jeweiligen Seitberandung angeordneten Seitbereiche (8) unterhalb
von 80% der jeweiligen Seitberandungslänge festgelegt ist.
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Citations (3)
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GB2154367A (en) * | 1983-12-06 | 1985-09-04 | Hermsdorf Keramik Veb | Thermoelectric sensor |
DD233014A1 (de) * | 1984-12-27 | 1986-02-12 | Akad Wissenschaften Ddr | Thermoelektrischer duennschichtdetektor |
JPS63318175A (ja) * | 1987-06-19 | 1988-12-27 | New Japan Radio Co Ltd | サ−モパイル |
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1997
- 1997-07-25 DE DE19732078A patent/DE19732078C1/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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GB2154367A (en) * | 1983-12-06 | 1985-09-04 | Hermsdorf Keramik Veb | Thermoelectric sensor |
DD233014A1 (de) * | 1984-12-27 | 1986-02-12 | Akad Wissenschaften Ddr | Thermoelektrischer duennschichtdetektor |
JPS63318175A (ja) * | 1987-06-19 | 1988-12-27 | New Japan Radio Co Ltd | サ−モパイル |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
US-Z.: Sensors and Actuators A, Bd. 41-42, 1994, S. 493-496 * |
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