DE19808132B4 - Component for transmitting and receiving infrared radiation - Google Patents

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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.Component for transmitting and / or receiving infrared radiation, in which a thin, structured metal layer is applied to a carrier (3) of thermally highly conductive material, characterized in that strip-shaped profiles are incorporated in the carrier (3), so that strip-shaped Showing support elements on which the thin metal layer is located.

Figure 00000001
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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.The The invention relates to a component for transmitting and / or receiving of infrared radiation, wherein on a support a thin, structured metal layer is applied.

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.in the State of the art are various forms of transmitter for infrared Radiation known. The simplest versions consist of small coils, both in the air or under inert gas in the flask, z. B. Pistons of incandescent lamps, operated become. As receiver serve thermocouples or relatively large-area resistance thermometers, in the previously known solutions However, they have the disadvantages that they are relatively small Sensitivity and have a relatively large temporal inertia.

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.It are also thin-film systems known on massive girders or realized on membranes. The previously known arrangements This is based on metal films on documents, although one for many Purposes show sufficient temporal behavior, but not in the Optimized for a very fast change in the control can be.

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.In order to these systems for Infrared detectors can be used, it is necessary that thereby the energy delivery or admission is made controllable. In order to optimize the function of the receiver and the downstream to ensure electronic arrangement the radiation must be as possible in the form of rectangular Pulses are given with a high repetition frequency. This requires, inter alia, as possible low thermal capacity of the system. Currently it is usual, thinnest wires or thin Use metal films on membranes to get the emitter in the shortest possible time Heat up time and cool down to be able to.

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.Next the thermal capacity plays the heat conduction for the temporal behavior plays a significant role. To quickly heat up to allow the spotlight must be the heat release to the environment as possible be low. The opposite claim must be made if a quick cooling the radiator is to be achieved, resulting in a rapid decay the radiation pulse is connected. The time behavior overall consists of the two processes Heating and cooling together. To a desired To achieve high frequency of heating and cooling, the must heat dissipation be optimized together with the thermal capacity.

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.at the known arrangements is disadvantageous that the introduced Energy except by the used infrared radiation in a non-optimizable way by heat conduction over the level Heizunterlage and / or the heat conduction is dissipated via the surrounding gas. An optimization of the heating and cooling cycle is only very limited or not possible. This limits the maximum pulse rate. This disadvantage occurs both at the transmitter and the receiver arrangement, because a dualism exists between the infrared emission and absorption.

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.To DE 44 11 871 A1 is an electrically modulated thermal radiation source is known in which a thin, structured metal layer is mounted on a carrier of thermally highly conductive material. The arrangement contains, as a structured metal layer, threads that are thermally connected to one another by means of silicon nitride bridges in order to improve the cross-sectional temperature distribution. It is disadvantageous that the metal layers are supported only to a small extent.

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.It is also after EP 0 776 023 A2 an electrically modulated thermal radiation source is known, which has a multi-layer structure, in which on a substrate insulating layers are applied, on which a contact metallization layer is arranged, are formed in the very narrow filaments on an intermediate insulating layer. The inventively required low thermal capacity of the system can not be achieved with such an arrangement.

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.At an in DE 40 07 129 C2 the temperature sensor is an electrically conductive layer disposed on a substrate, wherein the electrically conductive layer comprises a plurality of meander-shaped conductor tracks in a measuring window. Another disadvantage here is that the required low thermal capacity of the system can not be achieved.

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.Of the The invention is therefore based on the object, components for transmission and to provide reception of infrared radiation at a optimized heat capacity related with optimized heat dissipation allow pulsed radiation with maximum pulse rate and steep edges.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.According to the invention Task by the device according to claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauelementes sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments of the device according to the invention are in the dependent claims specified.

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.As a support for the radiator and the receiver, a thermally moderate to highly conductive material is used, preferably silicon or Al 2 O 3 , wherein the radiating or absorbing thin Metal layer is on strip-shaped support elements, which is designed so that its height and thickness allows a maximum repetition frequency for the radiation pulses.

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.The Metal layer is made of suitable material, preferably made of Precious metal. It is made by evaporation or sputtering on the Pad deposited. The adhesive strength on the substrate can by a suitable adhesive layer z. B. be improved from tantalum. The production of the geometric shape of the metal strip is preferably carried out in the lift-off procedure. Another variant provides that the Adhesive layer is produced with a suitable Strukturierverfahren and subsequently the production of the actual radiator or receiver layer self-shaping over a Mikrogalvanikverfahren takes place. To improve the emission or absorption capacity for the infrared radiation as well as for passivation against undesired environmental influences the metal layer with a suitable material, preferably metal oxide covered. This additional Layer is also applied by evaporation or sputtering. At the end of the technological process annealing processes are planned that stabilize the whole system.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The Invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. In the associated Show drawing:

1 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Strahleranordnung mit Referenzwiderstand, 1 the top view of a radiator arrangement according to the invention with reference resistance,

2 die in 1 gezeigte Anordnung im Schnitt, 2 in the 1 shown arrangement in section,

3 eine Draufsicht durch eine Anordnung, bei der die Metallschichten in Parallelschaltung betrieben werden, 3 a top view of an arrangement in which the metal layers are operated in parallel,

4 eine Anordnung, bei der die Metallschichten in Reihe geschaltet sind und 4 an arrangement in which the metal layers are connected in series and

5 eine Anordnung, bei der eine Strahler- und eine Empfängerstruktur nebeneinander angeordnet sind. 5 an arrangement in which a radiator and a receiver structure are arranged side by side.

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.The 1 and 2 explain the basic structure of the arrangement according to the invention. In the consisting of silicon with a SiO 2 layer, Al 2 O 3 , other ceramic or other suitable material carrier 3 strip-shaped profiles are preferably incorporated by etching, so that there are strip-shaped support elements, on which there is a thin metal film. This thin metal film is preferably in the form of a meander 2 structured and has connection surfaces for the electrical connection to the outside. In addition, on this arrangement, a reference resistor 1 attached, which also consists of a meander-shaped structured metal layer with two connection surfaces.

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.The 3 and 4 explain various forms of interconnection of metal strips. In 3 These metal strips are connected in the form of a pure parallel circuit with each other and with the pads. The 4 shows a corresponding arrangement in which the metal strips are operated in pure series connection. The finally used arrangement can consist of a pure parallel circuit, a pure series circuit or a combination of both for the purpose of optimizing the radiation power.

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.Either in the radiator arrangement and in the receiver arrangement are for better circuit technology Optimization of the energy input Resistance structures for the determination the average temperature is arranged on the component.

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. 5 shows an arrangement in which two structures are mounted side by side on the carrier, one of which can be operated as a transmitter and a receiver. The transmitter structure is formed so that the metal strips are connected in parallel, while in the receiver structure, the metal strips are arranged in series. In addition, there is a reference resistor around this layer that can be used as a reference sensor.

Claims (9)

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.Component for transmitting and / or receiving infrared radiation, in which on a support ( 3 ) of thermally highly conductive material, a thin, structured metal layer is attached, characterized in that in the carrier ( 3 ) strip-shaped profiles are incorporated, so that there are strip-shaped support elements on which the thin metal layer is located. 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.Component according to Claim 1, characterized that the thin one Metal layer is structured so that the resulting metal strip parallel with each other and with the connection surfaces for the electrical connection outward are connected. 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.Component according to Claim 1, characterized in that the thin metal layer is structured so that the resulting metal strips in the form of a meander ( 2 ) are connected in series with each other and with the pads for the electrical connection to the outside. 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.Component according to claim 1, characterized in that the thin metal layer so struk tured that the resulting metal strips in groups of some strips in the form of a meander ( 2 ) are connected in series with each other and the groups are connected in parallel with each other and with the connection surfaces for the electrical connection to the outside. 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.Component according to one of the preceding claims, characterized in that between carrier ( 3 ) and thin metal layer, another layer for improving the adhesion strength of the thin metal layer is disposed. 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.Component according to one of the preceding claims, characterized characterized in that on the thin Metal layer an additional Layer to increase the emissivity as well as the increase of absorbency for infrared Radiation and for the protection against unwanted Environmental influences attached is. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Schicht aus Metalloxid besteht.Component according to Claim 6, characterized that extra Layer consists of metal oxide. 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.Component according to one of the preceding claims, characterized in that in the vicinity of the strip-shaped profiles, a further layer serving as a reference resistor ( 1 ), is arranged. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei streifenförmige Profile auf dem Träger (3) nebeneinander angebracht sind.Component according to one of the preceding claims, characterized in that at least two strip-shaped profiles on the support ( 3 ) are mounted side by side.
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