檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備和傳感器陣列以及檢測(cè)電磁輻射的方法
【專利摘要】檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備和傳感器陣列以及檢測(cè)電磁輻射的方法。本發(fā)明涉及用于檢測(cè)電磁輻射(1)的圖像像素設(shè)備(100)，具有：吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)，其被設(shè)計(jì)用于吸收電磁輻射(1)和將所述電磁輻射作為熱量接收，并且所述吸收結(jié)構(gòu)裝置具有至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置，所述等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)用于向吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)傳送電磁輻射(1)；和具有至少一個(gè)探測(cè)元件(125)的探測(cè)裝置(120)，所述探測(cè)元件被設(shè)計(jì)用于借助通過所接收的熱量引起的至少一個(gè)探測(cè)元件(125)的電氣特性的變化來檢測(cè)電磁輻射(1)。
【專利說明】檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備和傳感器陣列以及檢測(cè)電磁輻射的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備、用于檢測(cè)電磁輻射的傳感器陣列和用于借助圖像像素設(shè)備檢測(cè)電磁輻射的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]US6552344B1說明了一種紅外探測(cè)器和一種用于制造紅外探測(cè)器的方法。
[0003]DE69216862T2說明了一種單片集成的用于紅外輻射的微輻射熱測(cè)量計(jì)傳感器，其具有單片式半導(dǎo)體基體，該半導(dǎo)體基體具有多個(gè)凹陷和多個(gè)介電的薄層元件。所述多個(gè)介電的薄層元件具有帶嵌入的氧化釩的凹陷。
[0004]DE102006028435A1說明了一種用于位置分辨的紅外輻射探測(cè)的傳感器，該傳感器具有襯底、至少一個(gè)帶有其值取決于溫度地變化的電特性的微結(jié)構(gòu)化傳感器元件和位于空洞上的膜片，其中所述傳感器元件設(shè)置在至少一個(gè)膜片的下側(cè)。
[0005]此外在那里說明的傳感器中傳感器元件通過引線接觸，這些引線在膜片中、膜片上或膜片下延伸。在此，在該膜片中構(gòu)造有懸掛彈簧，該懸掛彈簧彈性地和絕緣地容納各個(gè)傳感器元件。
[0006]US2005017896A1說明了一種紅外傳感器，其具有帶凹形區(qū)段的襯底、溫度檢測(cè)區(qū)段，該溫度檢測(cè)區(qū)段通過凹形區(qū)段中的空間的上部分處的支柱與所述襯底連接。此外那里說明的紅外傳感器包括反射紅外線的薄膜和與該反射紅外線的薄膜相對(duì)的吸收紅外線的頂蓋區(qū)段。
[0007]US20020034878A1說明了一種用于制造紅外圖像傳感器的方法，其中通過刻蝕在半導(dǎo)體襯底中制造多個(gè)刻蝕孔，以便在該半導(dǎo)體襯底中構(gòu)造至少一個(gè)中空的區(qū)段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出一種用于檢測(cè)電磁輻射的具有權(quán)利要求1的特征的圖像像素設(shè)備、一種用于檢測(cè)電磁輻射的具有權(quán)利要求11的特征的傳感器陣列、和一種根據(jù)權(quán)利要求12的用于借助圖像像素設(shè)備檢測(cè)電磁輻射的方法。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0010]本發(fā)明的構(gòu)思在于，提供一種用于檢測(cè)電磁輻射的、具有至少一個(gè)圖像像素設(shè)備的傳感器陣列，所述圖像像素設(shè)備具有低的熱容量和到襯底的小的熱耦合并且由此能夠?qū)崿F(xiàn)高的圖像重復(fù)頻率。由此能夠在相同的信噪比情況下減小像素并且從而低成本地制造。
[0011]本發(fā)明的核心是通過使用至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)來改善吸收層的吸收特性。
[0012]這有利地允許，通過吸收傘來提高像素的填充因數(shù)。此外可以利用來自較大區(qū)域的光以產(chǎn)生圖像像素設(shè)備的信號(hào)。這有利地允許提高信噪比。
[0013]有利的實(shí)施方式和擴(kuò)展由從屬權(quán)利要求以及參考附圖由說明中得出。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，吸收結(jié)構(gòu)裝置與探測(cè)裝置間隔開開構(gòu)造和/或吸收結(jié)構(gòu)裝置與探測(cè)裝置通過至少一個(gè)熱橋耦合。由此能夠通過圖像像素設(shè)備進(jìn)行電磁輻射的檢測(cè)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，吸收結(jié)構(gòu)裝置與探測(cè)裝置相距電磁輻射的感興趣波長(zhǎng)的四分之一的多倍的高度。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，替代于探測(cè)裝置地至少一個(gè)探測(cè)元件通過至少一個(gè)熱橋與吸收結(jié)構(gòu)裝置耦合。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，吸收結(jié)構(gòu)裝置構(gòu)造為吸收電磁輻射的層。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，吸收層的光學(xué)厚度是電磁輻射的波長(zhǎng)的四分之
一的多倍。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置在吸收結(jié)構(gòu)裝置的至少一個(gè)表面上構(gòu)造。這允許簡(jiǎn)單地制造圖像像素設(shè)備。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置構(gòu)造為金屬的等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置。由此能夠改善吸收結(jié)構(gòu)裝置中的吸收。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，圖像像素設(shè)備另外具有反射裝置，所述反射裝置在吸收結(jié)構(gòu)裝置的至少一個(gè)表面上構(gòu)造。這允許簡(jiǎn)單地和緊湊地構(gòu)造圖像像素設(shè)備。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式規(guī)定，圖像像素設(shè)備另外具有耦合裝置，所述耦合裝置被設(shè)計(jì)用于將探測(cè)裝置和/或吸收結(jié)構(gòu)裝置與襯底耦合。
[0023]所說明的構(gòu)型和擴(kuò)展彼此能夠任意組合。
[0024]本發(fā)明的另外可能的構(gòu)型、擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)還包括未明確提到的本發(fā)明的在前面或者在下面關(guān)于實(shí)施例說明的特征的組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]附圖應(yīng)該促成對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的進(jìn)一步理解。這些附圖圖解實(shí)施方式并且與說明書關(guān)聯(lián)地用于解釋本發(fā)明的原理和概念。
[0026]其他的實(shí)施方式和許多所提到的優(yōu)點(diǎn)鑒于附圖得出。附圖的所示元件不一定彼此按正確比例示出。
[0027]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備的示意圖；
[0028]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備的示意圖；
[0029]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備的示意圖；
[0030]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的傳感器陣列的示意圖；和
[0031]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方式的、用于借助圖像像素設(shè)備檢測(cè)電磁輻射的方法的流程圖的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]在附圖的圖中，只要沒有相反說明，相同的附圖標(biāo)記表示相同的或者功能相同的元件、組件、部件或者方法步驟。
[0033]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備的示意圖。
[0034]作為電磁輻射可以探測(cè)紅外輻射，簡(jiǎn)稱IR輻射，或者可見光和長(zhǎng)波的太赫輻射(Terahertzstrahlung)之間的光譜區(qū)域內(nèi)的電磁波。約Imm和780nm之間的光譜區(qū)域可以稱為紅外輻射，這相應(yīng)于300GHz到400THz的頻率范圍。
[0035]用于檢測(cè)電磁輻射I的圖像像素設(shè)備100例如包括具有至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115的吸收結(jié)構(gòu)裝置110，所述共振結(jié)構(gòu)裝置被設(shè)計(jì)用于把電磁輻射I向吸收結(jié)構(gòu)裝置110傳送。
[0036]此外圖像像素設(shè)備100可以具有帶至少一個(gè)探測(cè)元件125的探測(cè)裝置120，所述探測(cè)元件被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)接收的熱量并且由此檢測(cè)電磁輻射I。
[0037]圖像像素設(shè)備100的吸收結(jié)構(gòu)裝置110把入射的射線通過吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岵⑶野言摕嵯蛱綔y(cè)裝置120傳送。由探測(cè)裝置120接收的熱和由此引起的探測(cè)裝置120的至少一個(gè)探測(cè)元件125的溫度變化改變探測(cè)裝置120的至少一個(gè)探測(cè)元件125的電特性。
[0038]作為所述至少一個(gè)探測(cè)元件125的電特性，例如通過溫度變化可以引起所述至少一個(gè)探測(cè)元件125的電阻的變化并且該變化可以由探測(cè)裝置120檢測(cè)。
[0039]圖像像素設(shè)備100的吸收結(jié)構(gòu)裝置110可以利用耦合裝置135耦合到襯底20，其中耦合裝置135可以構(gòu)造為機(jī)械地固定在襯底20處和/或與襯底20電連接和/或與襯底20絕熱。
[0040]圖像像素設(shè)備100的吸收結(jié)構(gòu)裝置110可以具有吸收紅外射線的材料，例如摻雜的氧化硅或者摻雜的砷化鎵或者其他吸收紅外射線的半導(dǎo)體，例如鍺。
[0041]此外吸收結(jié)構(gòu)裝置110可以作為具有多個(gè)吸收層114、114a的層系統(tǒng)構(gòu)造，所述吸收層分別具有行或列金屬化部114a、116a。
[0042]利用傘形地設(shè)置在圖像像素設(shè)備100上的吸收結(jié)構(gòu)裝置110，因此可以由圖像像素設(shè)備100在大于探測(cè)裝置120的橫向擴(kuò)展區(qū)域上檢測(cè)電磁輻射I。
[0043]圖像像素設(shè)備100的至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115可以作為一種超材料(Metamaterial)或者作為一種人工制造的結(jié)構(gòu)來構(gòu)造,其對(duì)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的透過性、介電常數(shù)和滲透性與在自然中常見的不同。
[0044]等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115的該特生可以通過在吸收結(jié)構(gòu)裝置110內(nèi)部或者在其表面之一上專門制作的、多為周期性的、微小的精細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如由電或磁活性的材料構(gòu)成的單元或者單個(gè)元件。
[0045]此外可以通過相應(yīng)選擇的吸收結(jié)構(gòu)裝置110距探測(cè)裝置120的距離a2和/或通過相應(yīng)選擇的吸收結(jié)構(gòu)裝置110的光學(xué)厚度al來提高入射的電磁輻射的取決于波長(zhǎng)的吸收概率。
[0046]該光學(xué)厚度al可以是電磁輻射I的波長(zhǎng)的四分之一的奇數(shù)多倍。
[0047]利用距離a2可以把等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115與多個(gè)吸收層114之一的表面間隔開。
[0048]圖像像素設(shè)備100的吸收結(jié)構(gòu)裝置110例如在至少一點(diǎn)與探測(cè)裝置120耦合。該耦合用于在圖像像素設(shè)備100處機(jī)械地固定吸收結(jié)構(gòu)裝置110。[0049]此外通過該耦合可以有利地在吸收結(jié)構(gòu)裝置110和探測(cè)裝置120之間構(gòu)造熱橋，以便把在吸收結(jié)構(gòu)裝置110中通過吸收產(chǎn)生的熱輸送給探測(cè)裝置120。
[0050]在每個(gè)探測(cè)裝置120有多個(gè)探測(cè)元件125的情況下，針對(duì)每一個(gè)探測(cè)元件125有一個(gè)橋是有利的。
[0051]該吸收可以通過在吸收結(jié)構(gòu)裝置110的至少一個(gè)表面上集成的等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115被進(jìn)一步提聞。
[0052]在吸收結(jié)構(gòu)裝置110的與等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115相對(duì)的表面上和/或在像素層結(jié)構(gòu)上可以設(shè)置構(gòu)造為反射層的反射裝置113。
[0053]反射層的金屬涂層，也就是用金屬面增加的層厚，在吸收結(jié)構(gòu)裝置110的相對(duì)的表面上金屬化的情況下可以同樣大小地選擇。
[0054]以這種方式能夠壓力對(duì)稱地構(gòu)造圖像像素設(shè)備100的吸收結(jié)構(gòu)裝置110的構(gòu)造，并且吸收結(jié)構(gòu)裝置110在經(jīng)歷作用于圖像像素設(shè)備100的溫度變化的情況下也在很大程度上保持穩(wěn)定。
[0055]如果在吸收結(jié)構(gòu)裝置110的兩側(cè)采用不同的金屬化部，則可以相應(yīng)地匹配金屬反
射層的厚度。
[0056]為制造圖像像素設(shè)備100，可以使用在吸收結(jié)構(gòu)裝置110中所設(shè)置的穿孔。
[0057]此外作為金屬的等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115的金屬可以使用金或者銦或者鋁或者其他金屬。
[0058]空洞的制造例如可以通過對(duì)犧牲層進(jìn)行刻蝕來進(jìn)行，必要時(shí)通過由支撐位置135對(duì)單個(gè)空洞有針對(duì)性地限制來支持。該支撐位置135例如可以實(shí)施為壁或者圓柱。
[0059]但是同樣也可以對(duì)襯底進(jìn)行陽(yáng)極刻蝕，其中在襯底中例如產(chǎn)生多孔的硅并且該多孔的硅隨后被除去，例如通過刻蝕處理，或者通過陽(yáng)極化或者通過電解拋光。此外可以執(zhí)行具有相似作用的硅深刻蝕方法。
[0060]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備的示意圖。
[0061]與在圖1中所示的實(shí)施方式不同，在圖2中示出的實(shí)施方式的情況下，圖像像素設(shè)備100具有構(gòu)造為反射層的反射裝置113以及同樣等離子體共振結(jié)構(gòu)。
[0062]其他在圖2中所示的附圖標(biāo)記已經(jīng)在與圖1相關(guān)的【專利附圖】

【附圖說明】中說明，因此不進(jìn)一步闡述。
[0063]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的圖像像素設(shè)備的示意圖。
[0064]與在圖1中示出的實(shí)施方式不同，在圖3中示出的實(shí)施方式的情況下，圖像像素設(shè)備100另外具有第二等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115。此外在圖3中示出的實(shí)施方式的情況下電磁輻射I通過兩個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115射到圖像像素設(shè)備100的吸收結(jié)構(gòu)裝置110 上。
[0065]因此在圖3中所示的圖像像素設(shè)備100的情況下去掉了反射裝置113。
[0066]在圖3中所示的其他附圖標(biāo)記已經(jīng)在與圖1相關(guān)的【專利附圖】

【附圖說明】中說明，因此不進(jìn)一步闡述。
[0067]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方式的、用于檢測(cè)電磁輻射的傳感器陣列的示意圖。
[0068]用于檢測(cè)電磁輻射I的傳感器陣列10可以具有多個(gè)圖像像素設(shè)備100。這些圖像像素設(shè)備100例如與襯底20耦合并且以陣列的形式設(shè)置。各個(gè)圖像像素設(shè)備100可以構(gòu)造為矩形、正方形或者多邊形的。
[0069]在這里將圓形的、方形的、約I毫米厚的片或者晶片表示為襯底20。該晶片可以具有單晶或者多晶的半導(dǎo)體材料并且通常用作電子系統(tǒng)的襯底。作為半導(dǎo)體材料可以使用娃、鍺、砷化鎵、碳化娃或者磷化銦。
[0070]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方式的、用于借助圖像像素設(shè)備檢測(cè)電磁輻射的方法的流程圖的示意圖。
[0071]作為第一方法步驟，借助等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置115向吸收結(jié)構(gòu)裝置110傳送SI電磁輻射I并且吸收該電磁輻射I并且作為熱量接收吸收的電磁輻射I。
[0072]作為第二方法步驟，檢測(cè)S2通過由吸收結(jié)構(gòu)裝置110所接收的熱量引起的至少一個(gè)探測(cè)元件125的電特性的變化，以便由此探測(cè)電磁輻射I。
[0073]盡管上面根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此，而是可以以多種多樣的方式修改。本發(fā)明尤其是可以以多種多樣的方式改變或者修改，而不偏離本發(fā)明的核心。
【權(quán)利要求】
1.用于檢測(cè)電磁輻射⑴的圖像像素設(shè)備(100)，具有: -吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)，其被設(shè)計(jì)用于吸收電磁輻射(I)和將所述電磁輻射作為熱量接收，并且設(shè)置在至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置(115)處，所述等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置被設(shè)計(jì)用于向吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)傳送電磁輻射(I);和 -具有至少一個(gè)探測(cè)元件(125)的探測(cè)裝置(120)，其被設(shè)計(jì)用于，檢測(cè)通過由吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)所接收的熱量引起的至少一個(gè)探測(cè)元件(125)的電氣特性的變化并且由此檢測(cè)電磁輻射⑴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)與探測(cè)裝置(120)間隔開地構(gòu)造和/或吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)與探測(cè)裝置(120)通過至少一個(gè)熱橋耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)與探測(cè)裝置(120)相距電磁輻射(I)波長(zhǎng)的四分之一的多倍的高度地來構(gòu)造。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中探測(cè)裝置(120)的至少一個(gè)探測(cè)元件(125)通過至少一個(gè)熱橋與吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)耦合。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)作為吸收電磁輻射(I)的層構(gòu)造。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中吸收層的光學(xué)厚度是電磁輻射(I)的波長(zhǎng)的四分之一的多倍。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置(115)構(gòu)造在吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)的至少一個(gè)表面上。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中至少一個(gè)等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置(115)構(gòu)造為金屬的等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置(115)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的圖像像素設(shè)備(100)，其另外具有反射裝置(113)，所述反射裝置構(gòu)造在吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)的至少一個(gè)表面上。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的圖像像素設(shè)備(100)，其另外具有耦合裝置，所述耦合裝置被設(shè)計(jì)用于將探測(cè)裝置(120)和/或吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)與襯底(20)耦合。
11.用于檢測(cè)電磁輻射(I)的傳感器陣列(10)，具有至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1到10之一所述的圖像像素設(shè)備(100)，其中至少一個(gè)圖像像素設(shè)備(100)耦合到襯底(20)。
12.用于借助圖像像素設(shè)備(100)檢測(cè)電磁輻射(I)的方法，具有下面的方法步驟: -借助等離子體共振結(jié)構(gòu)裝置(115)向吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)傳送(SI)電磁輻射(I)并且吸收該電磁輻射(I)并且作為熱量接收所吸收的電磁輻射(I);和 -借助具有至少一個(gè)探測(cè)元件(125)的探測(cè)裝置(12)檢測(cè)(S2)通過由吸收結(jié)構(gòu)裝置(110)所接收的熱量引起的至少一個(gè)探測(cè)元件(125)的電特性的變化，以便由此探測(cè)電磁輻射⑴。
【文檔編號(hào)】G01J5/20GK103808415SQ201310664736
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月7日
【發(fā)明者】I·赫爾曼, C·舍林 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司