DE68908863T2

DE68908863T2 - Vorrichtung zur thermischen Abbildung.

Info

Publication number: DE68908863T2
Application number: DE89312730T
Authority: DE
Inventors: Elvin Leonard Nix; Alastair Sibbald; Stanley Taylor
Original assignee: Thorn EMI PLC
Current assignee: Central Research Laboratories Ltd
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1989-12-06
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2009-12-07
Also published as: EP0375205B1; CA2005771A1; EP0375205A3; ATE93962T1; EP0375205A2; GB8829685D0; US5077474A; JPH02215583A; DE68908863D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf thermisch abbildende Vorrichtungen, und insbesondere auf thermisch abbildende Vorrichtungen, die eine Gruppe von pyroelektrischen Detektorelementen enthalten, die auf Infrarotstrahlung ansprechen.
Der Hauptfaktor, der die Funktion vorhandener thermisch abbildender Vorrichtungen begrenzt, ist die thermische Leitfähigkeit zwischen benachbarten Detektorelementen und zwischen jedem Detektorelement und der stützenden und abfragenden Struktur.
EP-A-298 568, ein Dokument, das unter die Bestimmungen von Artikel 54(3), EPÜ fällt, offenbart eine zweidimensionale Gruppe von Infrarot-Detektorelementen mit hinteren und vorderen Elektroden, wobei jedes Element einen Sammelbereich hat, dessen seitliche Abmessungen wenigstens so groß sind wie die der elektrischen Verbindung mit der hinteren Elektrode, so daß das Element die darunterliegenden Leiter überragt.
In unseren anhängigen europäischen Patentanmeldungen 89 30 5494 und 89 30 5496 sind thermisch abbildende Vorrichtungen beschrieben, die so ausgebildet sind, daß sie die thermische Leitfähigkeit zwischen den Detektorelementen und der tragenden und abfragenden Struktur vermindern. Diese Vorrichtungen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 und 4 und 5 der beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil der Elektrodenstruktur der in der europäischen Patentanmeldung 89 30 5494 beschriebenen Vorrichtung zeigt,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche der in Fig. 1 dargestellten Figur zeigt; und
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A' der Vorrichtung in Fig. 1 und 2 zeigt;
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche einer in der europäischen Patentanmeldung 89 30 5496 beschriebenen Vorrichtung zeigt; und
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie B-B' der Vorrichtung von Fig. 4 zeigt.
Gemäß Fig. 1 bis 5, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen belegt sind, ist auf einer Seite eines pyroelektrischen Films 1 eine Gruppe von untereinander verbundenen Elektroden 2 und auf der anderen Seite eine Gruppe von diskreten Elektroden 4 angeordnet. Elektrisch leitende Anschlußflächen 4 sind durch lange dünne Leiter 5 mit den diskreten Elektroden 3 und durch elektrisch leitende Stützen 6 mit Eingangs-Anschlußflächen 7 einer integrierten Signalverarbeitungsschaltung verbunden, die sich neben den Eingangs-Anschlußflächen von elektrischen Schaltungen befindet, die sich in Bereichen 8 einer Silikonscheibe 9 befinden. Die Eingangs-Anschlußflächen 7 sind durch Bereiche 10 von einer passivierenden Schicht aus isolierendem Material, z.B. Siliziummonoxid, getrennt. In der Anordnung von Fig. 1 bis 3 ist jede diskrete Elektrode, wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, quadratisch mit einem zentralen Zwischenraum 11 ausgebildet, in dem die Anschlußfläche 4 liegt. Der lange schmale Leiter 5 erstreckt sich um die Anschlußfläche 4 herum innerhalb des Zwischenraums 11. Die miteinander verbundenen Elektroden 2 haben - wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist - ein zentrales Loch 12, das dem Zwischenraum 11 in der entsprechenden diskreten Elektrode 3 entspricht und können eine Infrarot absorbierende Schicht 13 tragen, die beispielsweise aus schwarzem Gold, Platinschwarz oder einer Sandwich-Struktur aus Metall-Dielektrikum-Metall bestehen.
Bei dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die diskreten Elektroden 3 einen Abstand von entsprechenden elektrisch leitfähigen Anschlußflächen 4 und sind mit ihnen über lange schmale Leiter 5 verbunden. Die Stützen sind an entsprechenden elektrisch leitenden Anschlußflächen 4 angebracht, von denen jede zentral in bezug auf mehrere (vier in dem dargestellten Ausführungsbeispiel) benachbarte diskrete Elektroden 3 angeordnet sind. Die miteinander verbundenen Elektroden 2 befinden sich in Positionen, die den diskreten Elektroden 3 entsprechen und wiederum eine geeignete Infrarot absorbierende Schicht 13 tragen.
Die beiden in Fig. 1 bis 5 dargestellten Anordnungen sehen eine niedrige thermische Leitfähigkeit von den aktiven Bereichen der diskreten Elektroden 3 zu den Stützen 6 vor, weil die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 3 und den Stützen 6 den langen schmalen Leiter 5 enthält. Beide Anordnungen umfassen jedoch beträchtliche Bereiche entweder innerhalb der (in der in Fig. 1 bis 3 veranschaulichten Vorrichtung) oder um die (in der in Fig. 4 und 5 dargestellten Vorrichtung) diskreten Elektroden 3, wo die auftreffende Strahlung verloren geht und demzufolge das Signal/Rauschverhältnis der Vorrichtung vermindert wird. Bei der in Fig. 4 und 5 dargestellten Vorrichtung könnten die diskreten Elektroden 3 durch mäanderförmige Ausbildung des Leiters 5 näher aneinandergebracht werden, wie in der europäischen Patentanmeldung 89 30 5496 vorgeschlagen, jedoch würde dort beträchtliche auftreffende Strahlung an den Anschlußflächen 4 und um diese herum verloren gehen.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine thermisch abbildende Vorrichtung der in unseren schwebenden europäischen Patentanmeldungen 89 30 5494 und 89 30 5496 beschriebenen Art zu schaffen, bei der jedoch weitgehend der gesamte Bereich des pyroelektrischen Films zur Erzeugung von Signalen ausgenutzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht von einer thermischen Abbildungsvorrichtung aus umfassend: Eine Schicht aus pyroelektrischem Material; eine Gruppe von miteinander verbundenen Elektroden, die sich auf einer Hauptfläche der Schicht befinden; eine Gruppe von diskreten Elektroden, die sich auf der anderen Hauptfläche der Schicht befinden, um somit mit den miteinander verbundenen Elektroden eine Gruppe von pyroelektrischen Detektorelementen zu bilden; eine Vielzahl von Stützen, die die Schicht tragen und den Durchlaß von elektrischen Signalen zwischen dem Detektorelement und einem elektrischen Signalverarbeitungsmittel ermöglichen, wobei jede Stütze elektrisch mit einer diskreten Elektrode durch einen länglichen Streifen aus elektrisch leitendem Material verbunden ist, der sich über einen Bereich der Schicht erstreckt, die keine Elektroden trägt, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die eine Hauptfläche der Schicht Bereiche aus Infrarot absorbierendem Material trägt, die sich in die keine Elektroden tragenden Bereiche hinein erstrekken, wobei die Bereiche bewirken, daß Wärme von jedem Bereich zu dem benachbarten pyroelektrischen Detektorelement geleitet wird.
Die Bereiche von Infrarot absorbierendem Material umfassen Verlängerungen der miteinander verbundenen Elektroden, die so angeordnet sind, daß sie die Bereiche ohne elektrischen Kontakt mit den Bereichen überragen. Bei einer solchen Anordnung tragen die miteinander verbundenen Elektroden und ihre Verlängerungen vorzugsweise Infrarot absorbierende Schichten.
Die Erfindung wird nachfolgend nur beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 bis 5 die bereits beschriebenen bekannten Anordnungen;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche einer ersten Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie C-C' der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung
Fig. 8 bis 11 Stufen bei der Herstellung eines Teils der in Fig. 6 und 7 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberfläche einer zweiten Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
Fig. 13 einen Schnitt entlang der Linie D-D' der in Fig. 12 dargestellten Vorrichtung.
Die in Fig. 6 und 7 dargestellte Vorrichtung ist eine Modifikation der zuvor anhand von Fig. 1 bis 3 beschriebenen Vorrichtung. Ein pyroelektrischer Film 31 hat auf einer Seite eine Gruppe von untereinander verbundenen Goldelektroden 32 und eine Gruppe von diskreten Goldelektroden 33 auf der anderen Seite. Elektrisch leitende Anschlußflächen 34 sind durch lange dünne gewickelte Leiter 35 mit den diskreten Elektroden 33 und durch elektrisch leitende Stützen mit Eingangs-Anschlußflächen 37 von integrierten Signalverarbeitungsschaltungen 38 verbunden, die innerhalb von benachbarten Bereichen einer Siliziumscheibe 39 angeordnet sind. Die Eingangs-Anschlußflächen 37 sind durch Bereiche einer passivierenden Schicht 40 aus isolierendem Material getrennt, die sich auf der Scheibe 39 befindet. Die diskreten Elektroden 33 sind in äquivalenter Weise wie anhand von Fig. 3 beschrieben, ausgebildet. Die untereinander verbundenen Elektroden 32 unterscheiden sich von den in Fig. 2 und 3 dargestellten Elektroden darin, daß sie Verlängerungen 32a haben, die sich über Bereiche des pyroelektrischen Films 31 erstrecken, die die gewikkelten Leiter 35 auf der anderen Hauptfläche tragen. Die Verlängerungen 32a haben einen Abstand von der Oberfläche des pyroelektrischen Films, so daß die Verlängerungen Kuppeln bilden, was in Fig. 6 und 7 ersichtlich ist. Diese Kuppeln haben ein mittleres kleines Loch 41 zur Erleichterung der Herstellung, was nachfolgend noch erläutert wird. Die miteinander verbundenen Elektroden 32 tragen zusammen mit den Verlängerungen 32a eine Schicht 42 aus Infrarot absorbierendem Material, z.B. Platinschwarz auf einer Platinschicht 43 oder irgendein anderes geeignetes Infrarot absorbierendes Material, z.B. schwarzes Gold oder einen Sandwich- Aufbau Metall-Dielektrikum-Metall.
Es ist ersichtlich, daß die kuppelförmigen Verlängerungen 32a mit ihren überragenden Infrarot absorbierenden Schichten Strahlung in den Bereichen rund um die die Stützen tragenden Leiter 35 auffangen, die andernfalls verloren ginge. Dadurch, daß diese Verlängerungen 32a zwischen dem pyroelektrischen Film 31 einen Abstand bilden, wird der Wärmeabfluß vom Absorber zu den nicht-aktiven, d.h. nicht mit Elektroden versehenen Flächen des pyroelektrischen Materials, minimiert.
Aus der in Fig. 6 und 7 dargestellten Anordnung ist ersichtlich, daß durch das Loch 41 in den Elektrodenverlängerungen 32a verlaufende Strahlung auf einen nicht mit Elektroden versehenen Teil des pyroelektrischen Films fällt. Dies kann von Nachteil sein, insbesondere bei einer Gruppe von sehr kleinen pyroelektrischen Sensorpixeln, da eine nennenswerte Signalverminderung die Folge sein würde. Diesem Problem kann abgeholfen werden, indem die Löcher 21 seitlich in die Verlängerungen 32a verlegt werden und dafür gesorgt wird, daß die Löcher 41 über einem mit Elektroden versehenen Teil der pyroelektrischen Schicht liegen.
Gemäß Fig. 8 bis 11 können die miteiander verbundenen Elektroden 32 nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden.
1. Gemäß Fig. 8 wird eine Schicht aus Aluminium (z.B. mit einer Dicke von 3 Mikron) auf die obere Fläche des pyroelektrischen Films 31 in einem solchen Muster aufgedampft, daß sie diejenigen Bereiche des Films bedeckt, wo die miteinander verbundenen Elektroden durch innere Kuppeln 32a verlängert sind, die einen Abstand von dem Film haben. Somit wird eine Gruppe von Aluminium-Formkörpern 45 gebildet.
2. Ein dünnes Muster 32 von untereinander verbundenen Elektroden aus Gold (z.B. mit einer Dicke von 0,03 Mikron) wird dann auf die Oberseite der pyroelektrischen Schicht 31 und die Aluminium-Formkörper 45 aufgedampft.
3. Eine Schicht 43 aus Platin (z.B. mit einer Dicke von 0,1 Mikron) wird auf die Goldschicht aufgedampft und dann teilweise oder ganz in eine "Platinschwarz"-Infrarotstrahlung absorbierende Fläche 42 durch Standardverfahren umgewandelt, um die in Fig. 9 dargestellte Struktur zu erzeugen.
4. Eine Polymer-Photoresist-Schicht 47 wird dann auf die Platinschwarz-Fläche 42 aufgebracht.
5. Durch photolithographische Standardtechniken wird dann über den mittleren Bereichen der Aluminiumscheiben 45 ein Muster von Löchern 41 in der Photoresist-Schicht 47 erzeugt, um Zugang zu den Aluminium-Formkörpern 45 gemäß Fig. 10 zu erhalten.
6. Die Aluminiumscheiben 45 werden durch Plasmaätzung durch die Platinschwarz-Schicht 42, die Platinschicht 43 und die Goldschicht 32 hindurch freigelegt. Die Plasmaätzung wird gewählt, da diese Technik eine feine Auflösung und gerade Seitenwände ergibt.
7. Die Aluminiumscheiben 45 werden durch Feuchtätzung in einer auf Essigsäure beruhenden Lösung oder durch ein anderes geeignetes Atzmittel entfernt.
8. Schließlich wird der Photoresist entfernt und die obere Elektrodenfläche gespült und getrocknet, um die in Fig. 11 dargestellte Struktur zu erhalten.
Es sei hervorgehoben, daß es zahlreiche andere Wege zur Herstellung der beschriebenen Vorrichtung einschließlich der Verwendung von anderen Werkstoffen gibt. Wenn insbesondere die miteinander verbundenen Goldelektroden 32 ausreichend dick ausgebildet werden, um einen niedrigen Schichtwiderstand von beispielsweisw weniger als 10 Ohm pro Quadrat zu besitzen, kann eine dünne Schicht aus einem dielektrischen Material, z.B. aus Polyimid, auf der Goldschicht gebildet werden. Eine dünne metallische Deckschicht mit einem geeigneten Schichtwiderstand von beispielsweise 377 Ohm pro Quadrat kann dann auf der Polyimid-Schicht aufgebracht werden, um eine Infrarotstrahlung absorbierende Struktur aus Metall-Dielektrikum-Metall zu bilden, die die Stelle der zuvor beschriebenen Platin/Platinschwarz-Kombination einnimmt.
Die in Fig. 12 und 13 dargestellte zweite erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Anpassung an die zuvor anhand von Fig. 4 und 5 beschriebene Vorrichtung. Ein pyroelektrischer Film 51 besitzt eine Gruppe von untereinander verbundenen Elektroden 52 auf einer Seite und eine Gruppe von diskreten Elektroden 53 auf der anderen Seite.
Elektrisch leitende Anschlußflächen 54 sind durch lange dünne Leiter 55 mit den diskreten Elektroden 53 und durch elektrisch leitende Stützen 56 mit Eingangs-Anschlußflächen 57 einer integrierten Schaltung 58 verbunden, die innerhalb von benachbarten Bereichen einer Siliziumscheibe 59 gebildet werden, wobei die Schaltung bewirkt, daß von den pyroelektrischen Sensorelementen erzeugte elektrische Signale verarbeitet werden. Die Eingangs-Anschlußflächen 57 sind, wie zuvor, durch Bereiche 60 einer elektrisch isolierenden Schicht getrennt.
Die miteinander verbundenen Elektroden 52 haben jeweils Verlängerungen 52a in Form eines äußeren Randes, der einen Abstand von dem pyroelektrischen Film 51 hat. Es ist ein kleiner Spalt 61 zwischen den Rändern von einander benachbarten, untereinander verbundenen Elektroden mit Ausnahme über den Stützen 56 vorhanden, wo die Elektroden miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen Elektroden 52 und ihre Verlängerungen 52a tragen eine Schicht 63 aus einem Infrarot absorbierenden Material, z.B. schwarzes Gold oder Platinschwarz. Die zweite erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet daher in analoger Weise wie die anhand der Fig. 6 und 7 beschriebene Vorrichtung, indem die randförmigen Verlängerungen 52a der Elektroden 52 mit ihrer darüberliegenden Infrarot absorbierenden Schicht 63 Strahlung in den Bereichen auffangen, die den nicht mit Elektroden versehenen Bereichen zwischen den Stützen 56 und den diskreten Elektroden 53 entsprechen.
Es sei hervorgehoben, daß die zweite erfindungsgemäße Vorrichtung in gleicher Weise wie die erste Vorrichtung hergestellt werden kann. Ein besonderes Herstellungsverfahren würde darin bestehen, Aluminium-Formkörper in einer allgemeinen Fensterrahmen-Konfiguration entsprechend der Form der Verlängerungen 52a in äquivalenter Weise wie die als Aluminiumscheiben geformten Körper 45 in Fig. 8 bis 10 zu verwenden.

Claims

1. Thermische Abbildungsvorrichtung, umfassend: Eine Schicht aus pyroelektrischem Material, eine Gruppe von miteinander verbundenen Elektroden, die sich auf einer Hauptfläche der Schicht befinden; eine Gruppe von diskreten Elektroden, die sich auf der anderen Hauptfläche der Schicht befinden, um mit den miteinander verbundenen Elektroden eine Gruppe von pyroelektrischen Detektorelementen zu bilden; eine Vielzahl von Stützen, die die Schicht tragen und den Durchlaß von elektrischen Signalen zwischen dem Detektorelement und einem elektrischen Signalverarbeitungsmittel ermöglichen, wobei jede Stütze elektrisch mit einer diskreten Elektrode durch einen länglichen Streifen aus elektrisch leitendem Material verbunden ist, der sich über einen Bereich der Schicht erstreckt, der keine Elektroden trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hauptfläche der Schicht Bereiche aus Infrarot absorbierendem Material trägt, die sich in die keine Elektroden tragenden Bereiche hinein erstrecken, wobei die Bereiche bewirken, daß Wärme von jedem Bereich zu dem benachbarten pyroelektrischen Detektorlement geleitet wird.

2. Thermische Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bereiche von Infrarot absorbierendem Material Verlängerungen der miteinander verbundenen Elektroden umfassen, die so angeordnet sind, daß sie die Bereiche ohne elektrischen Kontakt mit den Bereichen überragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die miteinander verbundenen Elektroden und ihre Verlängerungen Infrarot absorbierende Schichten tragen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schicht aus einem pyroelektrischen Film besteht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich jede Stütze auf einem elektrischen Kontaktbereich innerhalb einer entsprechenden diskreten Elektrode befindet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der sich jede Stütze auf einem elektrischen Kontaktbereich auf der anderen Hauptfläche befindet, wobei jede diskrete Elektrode von einem entsprechenden elektrischen Kontaktbereich getrennt ist aber diesen nicht nennenswert umgibt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bereiche aus Infrarot absorbierendem Material mit Ausnehmungen versehen sind, um die Herstellung der Vorrichtung zu erleichtern.

8. Verfahren zur Herstellung einer thermischen Abbildungsvorrichtung, umfassend die Schritte: Bildung einer Schicht aus pyroelektrischem Material; Bildung einer Gruppe von Formkörpern auf einer ersten Hauptfläche der Schicht aus pyroelektrischem Material; Bildung einer untereinander verbundenen Elektrodenstruktur über der Gruppe von Formkörpern und freiliegenden Bereichen der ersten Fläche; Bildung einer Schicht aus Infrarot absorbierendem Material über der untereinander verbundenen Elektrodenstruktur; selektives Ätzen eines Musters von Ausnehmungen in die Schicht aus Infrarot absorbierendem Material und die untereinander verbundene Elektrodenstruktur, um so Zugang zu den Formkörpern zu erhalten; Wegätzen der Formkörper; und Bildung einer Gruppe von diskreten Elektroden, einer Gruppe von Stützen und einer Gruppe von länglichen Streifen, die elektrisch entsprechende Paare von diskreten Elektroden und Stützen auf der zweiten Hauptfläche der Schicht aus pyroelektrischem Material verbinden.