DE19808132B4

DE19808132B4 - Bauelement zum Senden und Empfangen von infraroter Strahlung

Info

Publication number: DE19808132B4
Application number: DE19808132A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. habil. Buff; Olaf Dr. Kiesewetter
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: DE19808132A1

Abstract

Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von infraroter Strahlung, bei dem auf einem Träger (3) aus thermisch gut leitendem Material eine dünne, strukturierte Metallschicht angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (3) streifenförmige Profile eingearbeitet sind, so dass sich streifenförmige Stützelemente ergeben, auf denen sich die dünne Metallschicht befindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von infraroter Strahlung, bei dem auf einem Träger eine dünne, strukturierte Metallschicht aufgebracht ist.
Im Stand der Technik sind verschiedene Formen von Sender für infrarote Strahlung bekannt. Die einfachsten Ausführungen bestehen aus kleinen Wendeln, die sowohl in der Luft oder auch unter Schutzgas in Kolben, z. B. Kolben von Glühlampen, betrieben werden. Als Empfänger dienen Thermoelemente oder relativ großflächige Widerstandsthermometer, die bei den bisher bekannten Lösungen allerdings die Nachteile aufweisen, dass sie eine relativ geringe Empfindlichkeit und eine relativ große zeitliche Trägheit haben.
Es sind ferner Dünnfilmsysteme bekannt, die auf massiven Trägern oder auf Membranen realisiert werden. Die bisher bekannten Anordnungen gehen dabei von Metallfilmen auf Unterlagen aus, die zwar ein für viele Zwecke ausreichendes zeitliches Verhalten zeigen, jedoch nicht im Hinblick auf einen sehr schnellen Wechsel in der Ansteuerung optimiert werden können.
Damit diese Systeme für Infrarotdetektoren eingesetzt werden können, ist es erforderlich, dass dabei die Energieabgabe bzw. -aufnahme steuerbar gemacht wird. Um hierbei eine optimale Funktion der Empfänger und der nachgeschalteten elektronischen Anordnung zu gewährleisten, muss die Strahlung möglichst in Form von rechteckförmigen Impulsen mit einer hohen Wiederholfrequenz abgeben werden. Dies erfordert unter anderem eine möglichst geringe thermische Kapazität des Systems. Gegenwärtig ist es üblich, dünnste Drähte oder dünne Metallfilme auf Membranen zu verwenden, um den Strahler in kürzester Zeit aufheizen und abkühlen zu können.
Neben der thermischen Kapazität spielt die Wärmeleitung für das zeitliche Verhalten eine bedeutende Rolle. Um ein schnelles Aufheizen des Strahlers zu ermöglichen, muss die Wärmeabgabe an die Umgebung möglichst gering sein. Die gegenteilige Forderung muss erhoben werden, wenn eine schnelle Abkühlung des Strahlers erreicht werden soll, was mit einem schnellen Abklingen des Strahlungsimpulses verbunden ist. Das Zeitverhalten insgesamt setzt sich aus den beiden Vorgängen Aufheizen und Abkühlen zusammen. Um eine gewünschte hohe Frequenz des Aufheizen und Abkühlen zu erreichen, muss die Wärmeableitung zusammen mit der thermischen Kapazität optimiert werden.
Bei den bekannten Anordnungen ist nachteilig, dass die eingebrachte Energie außer durch die genutzte infrarote Strahlung in nicht optimierbarer Weise durch Wärmeleitung über die ebene Heizunterlage und/oder die Wärmeleitung über das umgebende Gas abgeführt wird. Eine Optimierung des Aufheiz- und Abkühlzyklus ist dabei nur sehr beschränkt oder gar nicht möglich. Damit ist die maximale Pulsfrequenz begrenzt. Dieser Nachteil tritt sowohl an der Sender- als auch an der Empfängeranordnung auf, da ein Dualismus zwischen der infraroten Emission und Absorption existiert.
Nach DE 44 11 871 A1 ist eine elektrisch modulierbare thermische Strahlungsquelle bekannt, bei der auf einem Träger aus thermisch gut leitenden Material eine dünne, strukturierte Metallschicht angebracht ist. Die Anordnung enthält als strukturierte Metallschicht Fäden, die mittels Siliziumnitridbrücken thermisch miteinander verbunden sind, um die Querschnittstemperaturverteilung zu verbessern. Dabei ist nachteilig, dass die Metallschichten nur in geringem Maße abgestützt werden.
Ferner ist nach EP 0 776 023 A2 eine elektrisch modulierbare thermische Strahlungsquelle bekannt, die eine Mehrschichtstruktur aufweist, bei der auf einem Substrat Isolationsschichten aufgebracht sind, auf welchen eine Kontaktmetallisierungsschicht angeordnet ist, bei der sehr schmale Glühfäden auf einer Zwischenisolationsschicht ausgebildet sind. Die erfindungsgemäß erforderliche geringe thermische Kapazität des Systems kann mit einer derartigen Anordnung nicht erreicht werden.
Bei einem in DE 40 07 129 C2 angegebenen Temperatursensor ist eine elektrisch leitende Schicht auf einem Substrat angeordnet, wobei die elektrisch leitende Schicht eine Vielzahl von mäanderförmigen Leiterbahnen in einem Messfenster umfasst. Nachteilig ist auch hierbei, dass erforderliche geringe thermische Kapazität des Systems nicht erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Bauelemente zum Senden und Empfangen von infraroter Strahlung zu schaffen, die bei einer optimierten Wärmekapazität im Zusammenhang mit einer optimierten Wärmeabgabe eine gepulste Strahlung mit maximaler Pulsfrequenz und steilen Flanken ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauelementes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Als Träger für den Strahler und den Empfänger wird ein thermisch mäßig bis gut leitendes Material eingesetzt, vorzugsweise Silizium oder Al₂O₃, wobei sich die strahlende bzw. absorbierende dünne Metallschicht auf streifenförmigen Stützelementen befindet, die so gestaltet ist, dass sie durch ihre Höhe und Dicke eine maximale Wiederholfrequenz für die Strahlungsimpulse ermöglicht.
Die Metallschicht besteht aus geeignetem Material, vorzugsweise aus Edelmetall. Sie wird durch Verdampfung oder Kathodenzerstäubung auf der Unterlage abgeschieden. Die Haftfestigkeit auf dem Substrat kann durch eine geeignete Haftschicht z. B. aus Tantal verbessert werden. Die Herstellung der geometrischen Form der Metallstreifen erfolgt vorzugsweise im Lift-Off-Verfahren. Eine andere Variante sieht vor, dass die Haft schicht mit einem geeigneten Strukturierverfahren erzeugt wird und nachfolgend die Herstellung der eigentlichen Strahler- oder Empfängerschicht selbstformend über ein Mikrogalvanikverfahren erfolgt. Zur Verbesserung der Emission- bzw. Absorptionsfähigkeit für die infrarote Strahlung sowie zur Passivierung gegen unerwünschte Umwelteinflüsse ist die Metallschicht mit einem geeigneten Material, vorzugsweise Metalloxid bedeckt. Diese zusätzliche Schicht wird ebenfalls durch Verdampfen oder Zerstäuben aufgebracht. Am Ende des technologischen Prozesses sind Tempervorgänge vorgesehen, die das gesamte System stabilisieren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Strahleranordnung mit Referenzwiderstand,
2 die in 1 gezeigte Anordnung im Schnitt,
3 eine Draufsicht durch eine Anordnung, bei der die Metallschichten in Parallelschaltung betrieben werden,
4 eine Anordnung, bei der die Metallschichten in Reihe geschaltet sind und
5 eine Anordnung, bei der eine Strahler- und eine Empfängerstruktur nebeneinander angeordnet sind.
Die 1 und 2 erläutern den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. In den aus Silizium mit einer SiO₂-Schicht, Al₂O₃, anderer Keramik oder sonst noch geeignetem Material bestehenden Träger 3 sind streifenförmige Profile vorzugsweise durch Ätzen eingearbeitet, so dass sich streifenförmige Stützelemente ergeben, auf denen sich ein dünner Metallfilm befindet. Dieser dünne Metallfilm ist vorzugsweise in Form eines Mäanders 2 strukturiert und besitzt Anschlussflächen für die elektrische Verbindung nach außen. Außerdem ist auf dieser Anordnung ein Referenzwiderstand 1 angebracht, der ebenfalls aus einer mäanderförmig strukturierten Metallschicht mit zwei Anschlussflächen besteht.
Die 3 und 4 erläutern verschiedene Formen der Zusammenschaltung der Metallstreifen. In 3 sind diese Metallstreifen in Form einer reinen Parallelschaltung miteinander und mit den Anschlussflächen verbunden. Die 4 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der die Metallstreifen in reiner Reihenschaltung betrieben werden. Die letztendlich genutzte Anordnung kann zwecks Optimierung der Strahlungsleistung aus einer reinen Parallelschaltung, einer reinen Reihenschaltung oder einer Kombination aus beiden bestehen.
Sowohl bei der Strahleranordnung als auch bei der Empfängeranordnung sind zur besseren schaltungstechnischen Optimierung des Energieeintrages Widerstandsstrukturen zur Ermittlung der Durchschnittstemperatur auf dem Bauelement angeordnet.
5 zeigt eine Anordnung, bei der auf dem Träger zwei Strukturen nebeneinander angebracht sind, wovon eine als Sender und eine als Empfänger betrieben werden kann. Die Sendererstruktur ist dabei so ausgebildet, dass die Metallstreifen parallel geschaltet sind, während bei der Empfängerstruktur die Metallstreifen in Reihenschaltung angeordnet sind. Zusätzlich befindet sich um diese Schicht herum ein Referenzwiderstand, der als Referenzsensor verwendet werden kann.

Claims

Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von infraroter Strahlung, bei dem auf einem Träger (3) aus thermisch gut leitendem Material eine dünne, strukturierte Metallschicht angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (3) streifenförmige Profile eingearbeitet sind, so dass sich streifenförmige Stützelemente ergeben, auf denen sich die dünne Metallschicht befindet.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht so strukturiert ist, dass die entstehenden Metallstreifen parallel miteinander und mit den Anschlussflächen für den elektrischen Anschluss nach außen verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht so strukturiert ist, dass die entstehenden Metallstreifen in Form eines Mäanders (2) in Reihe miteinander und mit den Anschlussflächen für den elektrischen Anschluss nach außen verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht so strukturiert ist, dass die entstehenden Metallstreifen in Gruppen aus einigen Streifen in Form eines Mäanders (2) in Reihe miteinander verbunden sind und die Gruppen parallel miteinander und mit den Anschlussflächen für die elektrische Verbindung nach außen verbunden sind.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Träger (3) und dünner Metallschicht eine weitere Schicht zur Verbesserung der Haftfestigkeit der dünnen Metallschicht angeordnet ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dünnen Metallschicht eine zusätzliche Schicht zur Erhöhung der Emissionsfähigkeit sowie der Erhöhung der Absorptionsfähigkeit für infrarote Strahlung und für den Schutz gegen unerwünschte Umwelteinflüsse angebracht ist.
Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht aus Metalloxid besteht.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der streifenförmigen Profile eine weitere Schicht, die als Referenzwiderstand (1) dient, angeordnet ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei streifenförmige Profile auf dem Träger (3) nebeneinander angebracht sind.