具高解析度的紅外光檢測器的製作方法

2023-05-26 23:34:01

專利名稱：具高解析度的紅外光檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有高解析度和高結構密度的紅外光檢測器。
背景技術：
使用紅外光來檢測氣體是已知的。在有合適的光源的情況下，用紅外光來暴露待檢測的氣體，其中紅外光的一部分被氣體吸收，使得殘餘的光剩餘下來。可用紅外光傳感器來測量殘餘的光，使用所述紅外光傳感器可檢測殘餘的光的波長範圍和/或強度，並相應地將殘餘的光轉換為電信號。假設有合適的評估，那麼便可基於電信號來推斷經檢測氣體的類型和內容物。紅外光檢測器具有在載體膜上布置成柵格布置的多個傳感器晶片。傳統上由具有熱電敏材料(例如，鋯鈦酸鉛(PZT))的層產生傳感器晶片。傳統上由矽產生載體膜。傳感器晶片與電極電子地接線，其中電極(舉例來說)是由吸收紅外輻射的鉬或鉻鎳合金產生的。傳感器晶片附接到載體膜，並以熱傳導的方式與其接觸。傳感器晶片因此經由載體膜以熱傳導的方式彼此耦合。通過載體膜從一個傳感器晶片到另一傳感器晶片的熱傳導由載體膜的熱傳導率以及載體膜的厚度界定。如果所述傳感器晶片中的一者暴露於紅外光，那麼由於傳感器晶片吸收紅外光的緣故，所述傳感器晶片被加熱。所述熱經由熱傳導從傳感器晶片傳送到載體膜，其中在載體膜和其它傳感器晶片中發生溫度均一化。(例如)由於瞬時的紅外光暴露的緣故而未激活的傳感器晶片由位於其周圍的不同傳感器晶片加熱， 這結果是此傳感器晶片的不需要的激活。此效應被稱為熱串擾，且希望在紅外光檢測器中儘可能地抑制熱串擾，使得紅外光檢測器具有高解析度。已知將若干個傳感器晶片之間的距離選擇為儘可能大來減少熱串擾的消極影響。 從而實現了在給定在載體膜中提供的溫度梯度的情況下由布置在鄰近的若干傳感器晶片對一傳感器晶片的加熱可保持在可容忍的範圍內。然而，此措施的缺點在於紅外光檢測器的面積延伸由於傳感器晶片之間的較大距離的緣故而過大。

發明內容
本發明的目的是實現一種具有高解析度和高集成密度兩者的紅外光檢測器。根據本發明的紅外光檢測器具有載體膜以及在載體膜上彼此附接的至少兩個傳感器晶片，所述載體膜具有在傳感器晶片之間彼此平行而布設的至少兩個孔的軌跡(即， 孔軌跡)，所述孔軌跡分別具有接連地定位的多個孔；其中一個孔軌跡的孔相對於鄰近的另一孔軌跡的孔偏移，即，與鄰近的其它孔軌跡的孔交錯；其中孔軌跡阻礙在載體膜中從一個傳感器晶片到另一傳感器晶片的熱傳導。從一個傳感器晶片到另一傳感器晶片的熱傳導發生於載體膜的材料中。由於載體膜的材料在孔軌跡的孔處被移除，所以經由所述孔來抑制熱傳導。因此僅載體膜的位於孔之間的材料剩餘下來，以用於從一個傳感器晶片到另一傳感器晶片的熱傳遞。鄰近的孔軌跡的孔是偏移的，藉此從一個傳感器晶片到另一傳感器晶片通過載體膜的材料的距離在孔軌跡的區域中蜿蜒地漂移，且因此被設計成比兩個傳感器晶片之間的直線連接更長。由於此原因，從一個傳感器晶片到另一傳感器晶片的熱傳導路徑延伸通過載體膜的材料。因此由具有較高溫度的傳感器晶片輸入到具有較低溫度的一個傳感器晶片中的熱較小。因此由於熱交換的緣故的傳感器晶片的串擾減少。因此紅外光檢測器的空間解析度較高，其中載體膜的傳感器晶片填充密度較高。載體膜的具備孔軌跡的區域使兩個鄰近的傳感器晶片熱絕緣，因為較小量的熱從一個傳感器晶片傳遞到另一傳感器晶片。由於此原因，可通過輻射熱快速地對傳感器晶片加熱，藉此在輻射熱入射到傳感器晶片上時傳感器晶片的電信號以有利的方式急劇增加。 根據本發明的紅外光檢測器因此具有較短的響應時間。由於載體膜中有孔軌跡的孔，因此載體膜經設計以便穿孔，其中載體膜的強度減弱。然而，載體膜的強度由於孔的偏移布置的緣故而足夠高。藉此在紅外光檢測器的製造中廢品率較低。根據本發明，還有一種情況是，提供至少一個熱導體條帶，其布設在載體膜的面向傳感器晶片中的一者的一側上的傳感器晶片之間，所述熱導體條帶與載體膜相比熱傳導率較高，且經由載體膜以熱傳導方式與傳感器晶片連接，使得可用熱導體條帶從傳感器晶片耗散熱，藉此傳感器晶片的響應時間較低。歸因於孔軌跡的絕緣效應，在結束熱輻射時，傳感器晶片僅可通過經由載體膜的熱排放而緩慢冷卻。結果是，在傳感器晶片上沒有熱輻射時電信號的下降是平坦的。熱導體條帶的提供實現了補救，用所述熱導體條帶可從傳感器晶片快速帶走熱，使得歸因於藉助於熱導體條帶的熱交換，傳感器晶片在沒有熱輻射時通過經由熱導體條帶的熱交換而迅速冷卻。因此在傳感器晶片處沒有熱輻射時電信號的下降是急劇的。因此即使紅外光檢測器可能具有高的傳感器晶片填充密度，紅外光檢測器的響應時間也較低。而且，根據本發明，熱導體條帶為薄膜條帶。薄膜條帶可有利地附接在載體膜上， 布設在傳感器晶片中的一者與孔軌跡之間，其中薄膜條帶不需要垂直於載體膜而伸出傳感器元件。熱經由載體膜從鄰近於薄膜條帶的傳感器晶片傳遞到所述薄膜條帶且在所述薄膜條帶中被耗散，使得在載體膜的提供有孔軌跡的區域處僅可實現減少的熱流。至少一個肋狀物優選地附接到載體膜的背離所述傳感器晶片的側上，布設在傳感器晶片之間，所述肋狀物與載體膜相比熱傳導率較高，且經由載體膜以熱傳導的方式與傳感器晶片連接，使得可用肋狀物從傳感器晶片耗散(即，排放)熱，藉此傳感器晶片的響應時間較低。由於肋狀物布置在載體膜的背離傳感器晶片的側上，所以肋狀物可優選地附接在載體膜的其中提供有孔軌跡的區域中。因此由肋狀物來耗散熱流的通過載體膜的具有孔軌跡的區域的一部分，使得減少經由載體膜的具有孔軌跡的區域從一個傳感器晶片傳遞到另一傳感器晶片的熱流。還優選的是，在載體膜中的孔中的至少一者形成盲孔，且在載體膜的朝向傳感器晶片的一側上開口 ；且/或在載體膜中的孔中的至少一個其它者形成盲孔，且在載體膜的背離傳感器晶片的一側上開口 ；且/或載體膜中的至少一個額外的孔形成為通孔。如果所述孔中的一者設計為盲孔，那麼盲孔便不完全穿透載體膜。載體膜因此具有穩定的結構，藉此增加載體膜的在孔軌跡的區域中的強度。舉例來說，如果載體膜由兩個或兩個以上的層組成，那麼可(舉例來說)為一個層選擇二氧化矽(Si02)，且為另一層選擇氮化矽 (Si2Ni3)。氮化矽與二氧化矽相比熱傳導率較高，使得在載體膜中熱傳導主要發生在氮化矽層中。舉例來說，如果盲孔的尺寸經設定以使其穿透氮化矽層，那麼孔軌跡的熱障效應便較高，其中然而在盲孔的區域中剩餘的二氧化矽層的穩定效應導致載體膜的強度較高。而且，在紅外光檢測器的生產和安裝中可接受或者可分別有利地調節在載體膜的一側與載體膜的另一側之間的壓力差，因為在孔形成為盲孔的情況下不能經由載體膜發生壓力補償。所述孔中的至少一者具有圓形橫截面，其中或者所述孔中的至少一個其它者具有橢圓形橫截面。因此減少由在載體膜中提供孔軌跡的孔造成的凹口應力效應，此載體膜藉此具有較高強度。橢圓形橫截面的主半軸優選與有關的孔軌跡的路線對準。因此在有關的孔軌跡的個別孔之間，載體膜材料的強度減少，藉此減少通過載體膜的橫斷孔軌跡的熱流。優選在兩個傳感器晶片之間提供緊靠彼此而定位且彼此平行而布設的至少兩個孔軌跡。較優選的是，提供三個孔軌跡，所述孔軌跡的孔以一方式偏移使得中間的孔軌跡的孔中的每一者分別布置在由其它孔軌跡的緊鄰中間孔的孔形成的四邊形的中心中。因此用所述孔形成其中載體膜中的熱障效應和載體膜的強度兩者均較高的緊湊式布置。傳感器晶片的長度和/或寬度優選地處於30 μ m到900 μ m的範圍內，且孔的直徑優選地處於IOOnm 到50 μ m的範圍內。還優選的是，在孔軌跡中的一者中的孔間距離處於有關的孔的直徑的
0.5倍到2倍的範圍內。而且，從一個孔軌跡的孔中的一者到另一孔軌跡中的另一孔(所述另一孔緊鄰所述孔)的距離處於有關的孔的直徑的0. 1倍到2倍的範圍內。


下文中使用所附的示意圖闡釋根據本發明的紅外光檢測器的優選示範性實施例。 所展示的有圖1為紅外光檢測器的平面圖，圖2為來自圖1的細節A，以及圖3到圖5為紅外光檢測器的多個示範性實施例的橫截面。
具體實施例方式從圖1到圖5中明白，紅外光檢測器1具有經設計具有膜厚度3的載體膜2。載體膜2形成用於第一傳感器晶片4、第二傳感器晶片5以及第三傳感器晶片6的襯底。在圖
1、圖3到圖5中，傳感器晶片4到6以等距離方式彼此靠近而附接。支撐框架7提供於所述載體膜2的外部邊緣上，在載體膜2下側上，其圍繞載體膜2並支撐載體膜2。傳感器晶片4到6包括熱電材料，使得在用紅外光對其進行暴露時-尤其在介於 3 μ m到20 μ m之間的波長範圍中-在傳感器晶片4到6處存在對應的電信號。在用紅外光對傳感器晶片4到6進行暴露時，紅外光被傳感器晶片4到6吸收，使得傳感器晶片4到 6變熱。考慮到對傳感器晶片4到6的不同加熱，發生傳感器晶片4到6的串擾，這對於紅外光檢測器1的測量精度是不利的。為了削減傳感器晶片4到6的串擾，分別在第一傳感器晶片4與第二傳感器晶片5之間以及在第二傳感器晶片5與第三傳感器晶片6之間提供熱障8。熱障具有第三孔軌跡23，其中孔軌跡21到23彼此平行而布設且面向傳感器晶片 4到6的側面。孔軌跡21到23布置在相應的傳感器晶片4到6之間的中心，並在縱向方向上延伸，使得熱障8在其縱向端部處從傳感器晶片4到6突出到載體膜2的縱向端部中。 孔軌跡21到23由一行孔形成，其中每一孔軌跡的孔具有橢圓形橫截面，所述橢圓形橫截面的較大直徑與相應的孔軌跡21到23的路線對準。在圖2中將第一孔軌跡21的第一孔M和第二孔25、第二孔軌跡22的第三孔沈和第四孔27、以及第三孔軌跡23的第五孔28和第六孔四作為實例而展示。孔軌跡21到 23以及其孔對到四經布置成偏移的，其中孔對、25、觀、30布置在假想的四邊形的拐角處， 且第三孔沈布置在此四邊形的中心點處。在第一孔M與第二孔25之間形成載體膜2的網，所述網在第一孔24與第三孔沈、第三孔沈與第五孔28、以及第五孔28與第六孔四之間繼續。設計所述網以使得其路徑漂移，其中在傳感器晶片4到6中的兩者之間沿著所述網發生熱交換。由於網的漂移路徑的緣故，熱傳導的路徑一舉例來說，從第一傳感器晶片4 到第二傳感器晶片5——與所述第一傳感器晶片4與所述第二傳感器晶片5之間的距離相比是延伸的。因此從第一傳感器晶片4 (如果其與第二傳感器晶片5相比受熱更顯著)到傳感器晶片5中的熱輸入減少，藉此熱障8阻礙從第一傳感器晶片4到第二傳感器晶片5 的熱傳遞。因此減少從第一傳感器晶片4到第二傳感器晶片5的串擾。熱障8在其它傳感器晶片5、6之間以類似的方式起作用。圖1中的截面B-B展示於圖3中。孔M到四形成為各自具有盲孔底座10的若干個盲孔。載體膜2的材料在盲孔底座10處形成為底板12。底板12的橫截面由膜厚度3 與盲孔深度12之間的差導致。由於網橫截面13小於膜厚度3，所以通過載體膜2的橫斷熱障8的熱傳遞減少。在圖4中，以熱傳導的方式與載體膜2連接的肋狀物14布置在所述載體膜2上， 處於熱障8下方。通過底板12的熱因此由肋狀物14耗散，且可輸出到肋狀物14的周圍或輸出到與肋狀物14毗連且物理接觸的組件。肋狀物14因此具有散熱片的功能，其熱性質尤其由肋狀物寬度15和肋狀物高度16限定。在圖4中的另一實施例中，第一薄膜條帶17附接在載體膜2上在第二傳感器晶片 5與熱障8之間，且第二薄膜條帶18附接在載體膜2上在第三傳感器晶片6與熱障8之間。 可用薄膜條帶17、18從傳感器晶片5、6帶走熱。薄膜條帶17、18的材料的熱傳導係數優選高於載體膜2的材料的熱傳導係數。薄膜條帶17、18充當散熱片，其熱性質由薄膜條帶高度19和薄膜條帶寬度20界定。在圖5中的另一實施例中，第一熱障8和第二熱障9彼此靠近而布置在第一傳感器4與第二傳感器5之間。類似於圖4，肋狀物14布置在第一熱障8與第二熱障9之間。 可因此通過肋狀物14來排放熱的已通過第一熱障8和/或第二熱障9的部分。在圖5中的另一實施例中，薄膜條帶17位於第一熱障8與第二熱障9之間。可用薄膜條帶17來排放已通過第一熱障8和/或第二熱障9的熱。
權利要求
1.一種紅外光檢測器，其中具有載體膜O)以及在所述載體膜( 上彼此附接的至少兩個傳感器晶片G、5)，所述載體膜( 具有在所述傳感器晶片(4、幻之間彼此平行而布設的至少兩個孔軌跡01、22)，所述孔軌跡(21、2幻各自具有接連地定位的多個孔04、15 ； 26,27)；其中所述一個孔軌跡的所述孔(對、2幻相對於所述鄰近的另一孔軌跡02) 的所述孔(26、27)偏移；藉此所述孔軌跡(21、2幻阻礙在所述載體膜O)中從所述一個傳感器晶片(4)到所述另一傳感器晶片(5)的熱傳導；其中提供至少一個熱導體條帶(17、 18)，其布設在所述載體膜O)的面向所述傳感器晶片G、5)的側上的所述傳感器晶片(4、 5)之間，所述熱導體條帶(17、18)與所述載體膜( 相比熱傳導率較高，且經由所述載體膜O)以熱傳導方式與所述傳感器晶片(4、幻連接，使得可用所述熱導體條帶(17、18)耗散來自所述傳感器晶片(4、幻的熱，藉此所述傳感器晶片G、5)的響應時間較低；其中所述熱導體條帶(17、18)為薄膜條帶。
2.根據權利要求1所述的紅外光檢測器，其中至少一個肋狀物(14)附接到所述載體膜 (2)的背離所述傳感器晶片G、5)的一側上，布設在所述傳感器晶片(4、5)之間，所述肋狀物(14)與所述載體膜( 相比熱傳導率較高，且經由所述載體膜O)以熱傳導的方式與所述傳感器晶片(4、幻連接，使得可用所述肋狀物(14)從所述傳感器晶片(4、幻耗散熱，藉此所述傳感器晶片G、5)的所述響應時間較低。
3.根據權利要求2所述的紅外光檢測器，其中所述肋狀物(14)的從所述載體膜(2)伸出的延伸段(16)至少對應於所述載體膜O)的厚度(3)。
4.根據權利要求1到3中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中在所述載體膜(2) 中所述孔(對到四)中的至少一者形成盲孔，且在所述載體膜O)的朝向所述傳感器晶片 (4,5)的所述側上開口 ；且/或在所述載體膜O)中所述孔(對到四)中的至少一個其它者形成盲孔，且在所述載體膜( 的背離所述傳感器晶片(4、幻的所述側上開口 ；且/或在所述載體膜O)中的至少一個額外的孔04到29)形成為通孔。
5.根據權利要求1到4中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中所述孔04到29) 中的至少一者具有圓形橫截面。
6.根據權利要求1到5中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中所述孔(M到29) 中的至少一者具有橢圓形橫截面。
7.根據權利要求6所述的紅外光檢測器，其中所述橢圓形橫截面的主半軸與所述有關的孔軌跡01、22、23)的曲線對準。
8.根據權利要求1到7中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中在所述載體膜(2) 上的所述兩個傳感器晶片(4、幻之間提供彼此緊鄰且彼此平行而布設的至少兩個孔軌跡 (21,22,23)。
9.根據權利要求1到8中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中在所述載體膜(2) 中提供所述孔軌跡01、22、23)中的三者，所述孔軌跡01、22、23)的所述孔Q4到29)以一方式偏移使得所述中間的孔軌跡0 的所述孔06、27)中的每一者分別布置在由緊鄰所述中間的孔(26)的所述其它孔軌跡(22,23)的孔(24,25,28,30)形成的四邊形的中心。
10.根據權利要求1到9中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中所述傳感器晶片 (4,5)的長度和/或寬度處於30μπι到900μπι的範圍中，且所述孔Q4到29)的直徑處於 IOOnm到50 μ m的範圍內。
11.根據權利要求1到10中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中在所述孔軌跡 (21,22,23)中的任一者中的孔間距離處於所述有關的孔(M到29)的所述直徑的0.5倍到 2倍的範圍內。
12.根據權利要求1到11中任一權利要求所述的紅外光檢測器，其中從所述一個孔軌跡的所述孔04、25)中的一者到所述另一孔軌跡0 中的緊鄰所述一個孔(對、24) 的所述另一孔06、27)的距離處於所述有關的孔04到29)的所述直徑的0. 1倍到2倍的範圍內。
全文摘要
本發明涉及一種紅外光檢測器，其具有載體膜(2)以及固定在所述載體膜(2)上彼此橫臥的至少兩個傳感器晶片(4、5)，所述載體膜(2)具有在所述傳感器晶片(4、5)之間彼此平行而布設的至少兩排孔(21、22)，所述排孔(21、22)各自具有接連地定位的多個孔(24、15；26、27)；其中所述一排孔(21)的所述孔(24、25)相對於所述鄰近的另一排孔(22)的所述孔(26、27)交錯排列；藉此所述排孔(21、22)阻礙在所述載體膜中從所述一個傳感器晶片(4)到所述另一傳感器晶片(5)的熱傳遞。
文檔編號G01J5/34GK102439400SQ201080022312
公開日2012年5月2日 申請日期2010年3月18日 優先權日2009年3月26日
發明者史考特·費伯恩 申請人:派洛斯有限公司