Infrarotempfindliche Thermopile-Sensoren dienen als Detektoren in kontaktlosen Temperaturmesssystemen sowie optischen Gassensoren, beispielsweise in der Medizintechnik, Prozessüberwachung und Umweltsensorik. Gegenüber infrarotempfindlichen Halbleiterdioden können Thermopiles einen deutlich breiteren Spektralbereich erfassen und mittels Silizium-Technologie günstig hergestellt werden.
Im Infraroten (IR) Lichtspektrum kann Silizium selbst nicht mehr als Lichtabsorber und Signalgeber eingesetzt werden, da es über weitere Spektralbereiche transparent ist. Daher werden zusätzliche Beschichtungen aufgebracht und strukturiert. Hier führt das absorbierte Licht zu Temperaturänderungen. Dieses auf lokalen Temperaturänderungen basierende Messprinzip ist störanfällig auf andere Wärmeeinflüsse. Wird z.B. ein handgehaltenes Temperaturmessgerät (Thermometer) in die warme Hand genommen, trägt dieser Wärmeeintrag zu einem Driften der Sensorsignale bei. Dieses kann durch zusätzliche Temperatursensoren rechnerisch weitgehend kompensiert werden, jedoch werden Komplexität, Bauform und erreichbare Genauigkeit negativ beeinträchtigt. Ziel war es daher, einen IR-Strahlungs-Sensor zu entwickeln, der prinzipiell unabhängig gegenüber Nicht-Strahlungs-Wärmeeinträgen – also störenden Wärmequellen oder -senken im System oder dessen Umgebung ist.
Die übliche Bauform besteht aus einem siliziumbasierten Trägerrahmen und einer darin aufgespannten, meist nur einige Mikrometer dünnen Membran. Aufgrund der geringen thermischen Masse dieser Membran und der geringen Wärmeleitungsverluste, bewirken schon kleine thermische Strahlungsleistungen deutliche Temperaturunterschiede zwischen der beleuchteten Membran und dem (kalten) Trägerrahmen.
Bei Thermopile-Sensoren wird dieser Temperaturdifferenz als messbare elektrische Thermospannung erfasst. Das Ausgangssignal ist dabei proportional zu den Temperaturunterschieden. Wird nun durch Wärmeeintrag aus der Umgebung der Rahmen erwärmt, verfälscht dessen Temperaturänderung das gemessene Ergebnis der erfassten Strahlung auf den Membrangebieten.
Im Projekt wurde ein neuer Ansatz erprobt. Die kalten Enden der Thermosäulen wurden nicht wie bisher auf dem Rahmen des Sensorbauelementes, sondern ebenfalls auf der Membran platziert. Um dennoch einen Temperaturunterschied unter Beleuchtung zu erreichen, wurden die kalte Zone der Membran durch eine spiegelnde Metallbeschichtung gegenüber eintreffender IR-Strahlung abgeschirmt. Mittels geeignetem Sensordesign, können Wärmeänderungen des Rahmens auch unter asymmetrischer thermischer Störung weitgehend unterdrückt werden.
Als weitere Innovation wurden die Membranen – anders als üblich – von der Vorderseite der Bauelemente erzeugt. Gewöhnlich wird das Siliziumsubstrat lokal von der Chip-Rückseite her entfernt, wobei ein relativ breiter Chiprahmen prozesstechnisch verbleibt. Das Freistellen von der Chip-Vorderseite erlaubt es, bei gleichbleibender aktiver Fläche die Chipgröße zu reduzieren, die Ausbeute der Chips pro Wafer zu steigern und dadurch Kosten zu reduzieren. Damit verbunden sind auch geringere Bruchrisiken der fragilen Membranstrukturen in nachfolgenden Bearbeitungsschritten sowie vereinfachte Montage- und Hausungsmöglichkeiten der Bauelemente.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Projekt „NIVo – Neuartiger Isothermalsensor durch Vorderseitenkavitäten“ wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.
FKZ: 49MF200129
