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Bereich der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung für multispektrale infrarote/visuelle
Strahlungen mit einer räumlichen
oder – bei
einigen Realisierungsarten – sogar
räumlichzeitlichen
Kohärenz.
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Sie
findet Anwendungen in dem Bereich der Erkennung von Objekten oder
Personen und in dem Bereich der Überwachung.
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Stand der
Technik
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In
den Erkennungs- und Überwachungsbereichen
können
in Abhängigkeit
vom Typ der zu detektierenden Strahlungen zahlreiche Detektoren
verwendet werden.
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Insbesondere
ist es zur Detektion von visuellen Strahlen üblich, photoelektrische Detektoren
zu verwenden, die aus Halbleitermaterialien hergestellt werden,
deren photoelektrische Eigenschaften ermöglichen, die visuellen Strahlen
in elektrische Signale umzuwandeln. Die Belichtung durch eine visuelle
Strahlung erzeugt nämlich
im Innern der Halbleitermaterialien eine Ladungsträgerzahl,
die zur absorbierten Lichtenergie proportional ist. Die häufigsten VIS-Detektoren
(VIS für "visuell") sind vom photovoltaischen
Typ und sind zum Beispiel pn-, pin-, Lawinen- oder SCHOTTKY-Photodioden
oder auch Phototransistoren. Die von diesen Detektoren stammenden
elektrischen Ladungen werden anschließend durch Multiplex-Vorrichtungen
oder Lesevorrichtungen des CCD- oder CMOS-Typs gesammelt, gespeichert
und verarbeitet.
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Außerdem ist
es zur Detektion von IR-Strahlung für den Fachmann klassisch, ungekühlte Wärmedetektoren
zu verwenden. Diese Detektoren umfassen generell ein oder mehrere
empfindliche Elemente, die durch eine IR-Strahlung im Band III (8
bis 12 μm)
erwärmt
werden können,
das charakteristisch ist für
die Temperatur und die Emissivität
der beobachteten Körper.
Die Erhöhung
der Temperatur eines empfindlichen Elements erzeugt nämlich eine
Veränderung
einer der elektrischen Eigenschaften des empfindlichen Materials:
Auftreten von elektrischen Ladungen durch pyroelektrischen Effekt
oder Veränderung
der Kapazität
durch Änderung
der dielektrischen Konstanten oder auch Veränderung des Widerstands eines
halbleitenden oder metallischen Materials.
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Jedoch,
um leistungsfähige
Detektoren zu erhalten, ist es notwendig, dass das empfindliche Material
folgende Eigenschaften aufweist:
- – eine kleine
Wärmemasse;
- – eine
gute Wärmeisolation
der aktiven Schicht gegenüber
ihrem Träger,
was die Realisierung einer Mikrobrücke erfordert; und
- – eine
starke Empfindlichkeit des Umwandlungseffekts von Erwärmung in
ein elektrisches Signal.
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Nur
Dünnschichtdetektoren
entsprechen diesen Bedingungen und insbesondere die bolometrischen
thermischen Detektoren wie beschrieben in der Patentanmeldung FR-A-2
752 299 und in der unter der Nummer 97 16791 eingereichten Patentanmeldung.
Die bolometrischen Detektoren des metallischen Typs sind generell
aus Nickel (Ni), aus Titan (Ti), aus Titannitrid (TiN) oder aus
Platin (Pt).
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Solche
Detektoren können
matrixförmig
mit einer Multiplexschaltung aus Silicium des CMOS- oder CCD-Typs
verbunden sein (hier auch Leseschaltung genannt), um monolithische
IR-Bildererzeuger zu realisieren, die bei Umgebungstemperatur funktionieren.
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Ein
Beispiel eines bolometrischen Detektors mit Mikrobrücke (Bezugszeichen 28)
ist in der 1 dargestellt. Die Multiplexschaltung
des CMOS- oder CCD-Typs trägt
das Bezugszeichen 1 und die Mikrobrücke das Bezugszeichen 4.
Diese Mikrobrücke 4 umfasst
Träger 5,
die aktive Elemente der Mikrobrücke
tragen und den Anschluss dieser aktiven Elemente an die Multiplexschaltung 1 durch
Metallverbindungen 6 gewährleisten, die in eine Schicht
aus Isoliermaterial 2 eingebettet sind, die die Multiplexschaltung 1 bedeckt.
Die aktiven Elemente der Mikrobrücke 4 sind:
eine Schicht aus IR-strahlungsempfindlichem Material 9 und
Elektroden 7, verlängert durch
Wärmeisolationsarme
8. Ein Reflektor 3 befindet sich unter der Mikrobrücke, um
die Reflexion der IR-Strahlen auf das empfindliche Material 9 sicherzustellen.
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Das
Dokument
US 4,651,001 beschreibt eine
Detektionsvorrichtung für
infrarote und visuelle Strahlungen, bei der die Detektoren übereinander angeordnet
sind. Das Dokument
US 6,097,031 beschreibt
eine Vorrichtung mit zwei durch einen Hohlraum getrennte Detektoren.
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Außerdem gibt
es für
die Detektion von Multispektralstrahlung stab- oder matrixförmig verbundene
Detektionsvorrichtungen. Bei diesen Vorrichtungen sind Detektoren
eines ersten Strahlungstyps mit Detektoren eines zweiten Strahlungstyps
verbunden: sie sind entweder aneinanderstoßend oder benachbart in einer
selben Ebene oder in verschiedenen Ebenen oder strikt übereinander
angeordnet.
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Die
häufigsten übereinander
angeordneten Multispektralsysteme auf dem Gebiet der IR-Detektion
werden aus einem Stapel epitaktischer CdxHg1-xTe-Schichten verschiedener
Zusammensetzungen realisiert, die man ihrerseits auf einem IR-transparenten
Substrat epitaxiert. Die Absorptionsspektralbänder werden durch die x-Zusammensetzung
der Detektierschichten bestimmt. Diese Detektoren sind vom photovoltaischen
Typ und funktionieren bei niedriger Temperatur, in einem zwischen
1 und 12 μm
enthaltenen Wellenlängenbereich,
das heißt
außerhalb
des Spektrums visueller Strahlungen.
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Diese
Systeme ermöglichen
folglich keine simultane Detektion von infraroten und visuellen
Strahlungen.
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Auf
dem Gebiet der infraroten und visuellen Strahlungen werden die üblichsten
Multispektraldetektionssysteme mit zwei Kameras realisiert, die
die Spektralbänder
jeweils im infraroten und visuellen Bereich abtasten, wie beschrieben
in dem Artikel "IR/VIS
Light Surveillance System Finds – Applications in Defense,
Security", EUROPHOTONICS, Dez./Jan.
98. Bei einem solchen System wird die IR-Kamera durch gekühlte Detektoren
gebildet, hergestellt aus InSb oder aus CdxHg1-xTe, die in den Bändern II
und III arbeiten. Die VIS-Kamera (VIS für "visuell") wird zum Beispiel aus einem Bauteil
des CCD-Typs realisiert.
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Weitere
Multispektraldetektionssysteme bestehen aus einer Anordnung gekühlter IR-Detektoren aus CdxHg1-xTe
und VIS-Detektoren (VIS für "visuell") aus Silicium. Die
von der beobachteten Szene stammende Strahlung wird dann durch eine äußere Vorrichtung
in zwei Strahlenbündel
gespalten, von denen jedes anschließend auf den ihm entsprechenden
Detektorentyp fokussiert wird.
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Bei
einem solchen System arbeiten die VIS-Detektoren bei Umgebungstemperatur
und die IR-Detektoren kalt bzw. gekühlt. Diese Systeme sind sehr
teuer und in der Anwendung ist kompliziert.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, die Nachteile der oben beschriebenen
Techniken zu beseitigen.
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Zu
diesem Zweck schlägt
sie eine multispektrale Detektionsvorrichtung für infrarote und visuelle Strahlungen
vor, die einfache ungekühlte
photoelektrische und thermische Detektoren benutzt, die annähernd bzw.
im Wesentlichen übereinander
angeordnet sind und eine (oder mehrere) Elektrode(n) und/oder eine
gemeinsame aktive Schicht haben können, was eine räumliche
(und in gewissen Fällen sogar
eine räumlich-zeitliche)
Kohärenz
der Detektion gewährleistet
und eine komplizierte und teure Detektorenkühlung vermeidet.
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Noch
genauer betrifft die Erfindung eine multispektrale Detektionsvorrichtung
für infrarote
und visuelle Strahlungen, umfassend:
- – mindestens
einen bolometrischen Detektor mit wenigstens einer aktiven Schicht
und zwei Steuerelektroden, der die Detektion von infraroten und visuellen
Strahlungen gewährleistet;
und
- – mindestens
einen photoelektrischen Detektor mit wenigstens zwei aktiven Schichten
und zwei Steuerelektroden, der nur die Detektion der visuellen Strahlungen
gewährleistet.
Eine elektronische Verarbeitung der Resultate der beiden Detektionen
ermöglicht
dann, zu der infraroten Komponente der einfallenden Strahlungen
zu gelangen.
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Der
bolometrische Detektor und der photoelektrische Detektor sind dadurch
gekennzeichnet, dass sie vom ungekühlten Typ sind, übereinander
angeordnet sind, mit direktem Kontakt und miteinander verbunden,
um ein einziges empfindliches Element zu bilden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst das empfindliche Element eine Mikrobrücke, die durch Trag- und Verbindungseinrichtungen
mit einer Multiplexschaltung verbunden ist.
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Nach
einer ersten Realisierungsart umfasst die Mikrobrücke die
aktiven Schichten des bolometrischen Detektors und des photoelektrischen
Detektors sowie ihre Steuerelektroden.
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Bei
dieser Realisierungsart können
der bolometrische Detektor und der photoelektrische Detektor wenigstens
eine gemeinsame Steuerelektrode haben.
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Nach
einer Variante der Erfindung bilden die aktiven Schichten des photoelektrischen
Detektors eine Photodiode mit einer unteren Elektrode und einer
oberen Elektrode, wobei diese letztere auch eine der Elektroden
des bolometrischen Detektors bildet. In diesem Fall umfasst die
Vorrichtung eine für
beide Detektoren gemeinsame a-Si:H-Schicht des Typs P+ , wobei der
photoelektrische Detektor außerdem
eine intrinsische a-Si:H-Schicht und eine a-Si:H-Schicht des Typs
N+ umfasst.
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Nach
einer anderen Variante der Erfindung bilden die aktiven Schichten
des photoelektrischen Detektors eine isolierte Photodiode. In diesem
Fall ist die aktive Schicht des bolometrischen Detektors aus a-Si:H
des Typs P+ oder N+ oder aus Vox oder aus Metall, und die aktiven
Schichten des photosensiblen Detektors sind aus a-Si:H des Typs
P+, intrinsischem a-Si:H und a-Si:H des Typs N+.
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Nach
wieder einer anderen Variante bilden die aktiven Schichten des photoelektrischen
Detektors einen Phototransistor. In diesem Fall sind die aktiven
Schichten des photoelektrischen Detektors und des bolometrischen
Detektors aus a-Si:H, mit unterschiedlichen Dotierungen.
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Nach
einer anderen Realisierungsart der Erfindung umfasst die Mikrobrücke die
aktiven Schichten und die Steuerelektroden des bolometrischen Detektors,
und der photoelektrische Detektor befindet sich unter der Mikrobrücke, dem
bolometrischen Detektor gegenüber.
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Bei
dieser Realisierungsart ist wenigstens ein Teil der Mikrobrücke aus
einem für
visuelle Strahlen transparenten Material oder umfasst ein oder zwei
Löcher,
um die sichtbaren Strahlen durch die Mikrobrücke hindurch durchzulassen.
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Bei
dieser Realisierungsart kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Reflektor
umfassen, angeordnet unter der Mikrobrücke, über der Adressierschaltung,
und realisiert aus einem die IR-Strahlen reflektierenden und die
visuellen Strahlen durchlassenden Material.
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Bei
dieser Realisierungsart kann der photoelektrische Detektor in die
Multiplexschaltung integriert sein.
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Nach
noch einer weiteren Realisierungsart umfasst die Mikrobrücke die
aktive Schichten und die Elektroden des bolometrischen Detektors,
der auf der Multiplexschaltung Vernetzungszonen bildet, in die der
photoelektrische Detektor eingefügt
ist.
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Unabhängig von
der Realisierungsart kann die Vorrichtung eine Vielzahl identischer
empfindlicher Elemente umfassen, die so miteinander verbunden sind,
dass sie eine Matrix aus empfindlichen Elementen bilden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
schon beschriebene 1 zeigt einen klassischen bolometrischen
Detektor mit Mikrobrücke;
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die 2 zeigt
den einer ersten Realisierungsart entsprechenden aktiven Teil der
Mikrobrücke
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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die 3 zeigt
den einer zweiten Realisierungsart entsprechenden aktiven Teil der
Mikrobrücke
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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die 4 zeigt
den einer dritten Realisierungsart entsprechenden aktiven Teil der
Mikrobrücke
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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die 5 zeigt
einen einer vierten Realisierungsart entsprechenden erfindungsgemäßen multispektralen
IR/VIS-Detektor; und
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die 6 zeigt
eine Matrix aus zwei einer fünften
Realisierungsart entsprechenden erfindungsgemäßen multispektralen IR/VIS-Detektoren.
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Detaillierte
Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung für multispektrale infrarote/visuelle
Strahlungen mit einem photoelektrischen Detektor und einem bolometrischen
Detektor, übereinanderliegend
miteinander verbunden und beide ungekühlt. Diese Vorrichtung kann
nach unterschiedlichen Realisierungsarten realisiert werden.
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Eine
erste Realisierungsart dieser Vorrichtung ist in der 2 dargestellt.
Noch genauer stellt diese 2 den aktiven
Teil der Mikrobrücke
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dar, wobei dieser Teil zugleich die Einrichtungen zur photoelektrischen
Detektion und die Einrichtungen zur thermischen Detektion umfasst.
Dieser in der 2 dargestellte aktive Teil der
Mikrobrücke
ersetzt in Bezug auf den klassischen bolometrischen Detektor der 1 die
Elemente 7 und 9 der 1.
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Dieser
aktive Teil umfasst drei Schichten aus empfindlichem Material:
- – eine
Schicht 10 aus a-Si:H, oder auch a-SiC:H, des Typs P+, die zugleich die empfindliche Schicht des
bolometrischen Detektors und eine der empfindlichen Schichten des
photoelektrischen Detektors bildet;
- – eine
Schicht 11 aus a-Si:H oder a-SiGe:H, die die intrinsische
Schicht des photoelektrischen Detektors bildet; und
- – eine
Schicht 12 aus a-Si:H, oder auch a-SiC:H, des Typs N+, die die dritte Schicht des photoelektrischen
Detektors bildet.
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Die
drei Schichten aus empfindlichen Materialien 10, 11 und 12 werden
alle drei zur photoelektrischen Detektion benutzt, und nur die Schicht 10 wird auch
zur thermischen Detektion benutzt.
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Die
Referenzen 13, 14 und 15 bezeichnen drei
Elektroden: die oberen 13 und 14 gehören zu dem
in der 2 mit T bezeichneten thermischen Detektionsteil
und die Elektrode 15 ist eine der Elektroden des mit P
bezeichneten photoelektrischen Detektors.
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Während einer
ersten Phase arbeitet der IR/VIS-Detektor nämlich als Bolometer. Es werden also
nur die oberen Elektroden 13 und 14 polarisiert, während die
untere Elektrode 15 nicht verbunden ist. Da die stark dotierten
Materialien der Schichten 10 und 12 unter visueller
Belichtung wenig oder keinen Photoleitungseffekt aufweisen, offenbart
die Messung des durch alle drei Schichten gebildeten Widerstands
die Erwärmung
der Mikrobrücke
und misst die gesamte einfallende Strahlung (infrarot + visuell).
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Während einer
zweiten Messphase arbeitet der IR/VIS-Detektor als photoelektrischer
Detektor. Die oberen Elektroden 13 und 14 sind
kurzgeschlossen und können
eine Masse bilden. Die Schichten 10, 11 und 12 bilden
dann eine polarisierte P+IN+-Photodiode, mit den
Elektroden 13 und 14 an der Masse und der Elektrode 15 als
Steuerelektrode. Diese Photodiode gewährleistet die Detektion der
visuellen Strahlung. Das Messen der Spannung des offenen Kreises
liefert zum Beispiel das Bild des Photonenflusses und erzeugt keine
Erwärmung
der Vorrichtung durch die Zugangs- bzw. Zugriffwiderstände.
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Beispielsweise
kann man angeben, dass die Schichten 10 und 12 eine
zwischen 0,01 μm
und 1 μm
enthalten sind und dass die intrinsische Schicht 11 eine
zwischen 0,05 μm
und 0,5 μm
enthaltene Dicke hat.
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Die
oben beschriebene Detektionsvorrichtung ermöglicht, eine räumliche
Kohärenz
der Detektion der multispektralen Strahlungen sicherzustellen.
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In
der 3 ist eine zweite Realisierungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt, bei der die thermische Detektion und die photoelektrische
Detektion in der Mikrobrücke
erfolgen.
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Nach
dieser Realisierungsart umfasst der aktive Teil der Mikrobrücke drei
Schichten von empfindlichen Elementen 10, 11 und 12,
die denen der 2 entsprechen, sowie eine isolierende
Schicht 16 und eine vierte empfindliche Schicht 17 aus
a-Si:H des Typs P+ oder N+ oder
auch aus Vox oder aus Metall.
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Bei
dieser Realisierungsart gewährleistet
nur die empfindliche Schicht 17 die thermische Detektion.
Die Schichten 10, 11 und 12 sowie die
Isolierschicht 16 realisieren eine isolierte Photodiode,
die die photoelektrische Detektion ermöglicht. Diese Isolierschicht 16 gewährleistet
die Trennung zwischen der aktiven Schicht und dem in der Figur mit
T bezeichneten thermischen Detektionsteil und dem mit P bezeichneten
photoelektrischen Detektionsteil. Bei dieser Realisierungsart umfasst
die Mikrobrücke
außerdem
drei Elektroden 18, 19 und 20. Die Elektrode 19 ist
eine spezifische Thermodetektionselektrode, das heißt spezifische
Bolometerelektrode, und die Elektrode 20 ist eine spezifische
Photodiodenelektrode zur Realisierung des photoelektrischen Detektors. Die
Elektrode 18 ist eine gemeinsame Elektrode beider Detektoren;
sie ist teilweise auf der Isolierschicht 16 positioniert,
ist aber auch in Kontakt mit der empfindlichen Schicht 10.
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Der
Detektor mit einem solchen aktiven Teil in der Mikrobrücke hat
den Vorteil, eine räumlich-zeitliche
Kohärenz
der Detektion der multispektralen Strahlungen mit nur drei Zwischenverbindungskontakten,
das heißt
drei Elektroden zu gewährleisten, da
die Elektrode 18 beiden Detektionstypen gemein ist. Anders
ausgedrückt
erfolgt die Detektion der multispektralen Strahlungen für die visuellen
Strahlungen und die infraroten Strahlungen simultan und in demselben
empfindlichen Element, das heißt
in demselben Raum.
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In
der 4 ist schematisch der aktive Teil der einer dritten
Realisierungsart entsprechenden Mikrobrücke dargestellt. Nach dieser
Realisierungsart umfasst der IR/VIS-Detektor einen thermischen Detektionsteil
T, gebildet durch eine empfindliche Schicht 10 und die
Elektroden 24 und 25, und einen photoelektrischen
Detektionsteil P.
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Der
photoelektrische Detektionsteil P umfasst, wie bei den vorhergehenden
Realisierungsarten, eine Schicht 11 aus a-Si:H und eine
aktive Schicht 12 aus a-Si:H oder a-SiC:H des Typs N+.
Der photoelektrische Detektionsteil bildet nach dieser Realisierungsart
einen Phototransistor. Dieser umfasst einen Source/Drain-Isolator 22 und
eine Metallschicht 21, die einerseits die Metallisierung 21a des Drains
und andererseits die Metallisierung 21b der Source bildet,
was zwei der Anschlüsse
des Phototransistors realisiert. Der Phototransistor umfasst zudem
eine Schicht 23, die den Gate-Isolator bildet. Der thermische
Detektionsteil befindet sich über
diesem Gate-Isolator 23. Er umfasst eine Schicht 10,
in der zwei Elektroden positioniert sind: eine Elektrode 24, die
eine der Elektroden des Bolometers ist, und eine Elektrode 25,
die einerseits die zweite Elektrode des Bolometers und andererseits
das Gate des Phototransistors ist. Wie bei der Realisierungsart
der 3, haben der photoelektrische Detektionsteil P und
der thermische Detektionsteil T also eine gemeinsame Elektrode,
nämlich
die Elektrode 25.
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Während der
thermischen Detektionsphase sind nur die oberen Elektroden 24 und 25 polarisiert. Mit
der Halbleiterschicht 10 bilden sie einen Widerstand, der
fähig ist,
die Temperatur der "bolometrischen
Tafel" zu messen.
Die Source- und Drain-Metallisierungen (21b, 21a)
sind nicht verbunden. Die weiter oben gemachte Bemerkung bezüglich der Photoleitung
der stark dotierten Materialien bleibt also gültig.
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Während der
photoelektrischen Detektionsphase werden die oberen Elektroden 25 und 24 auf dasselbe
Potential gebracht. Die Elektrode 25 dient dem Phototransistor
als Gate. Die Metallisierungen von Source und Drain 21b, 21a werden
dann mit ihren Versorgungen verbunden. Da der Stromfluss durch den
Transistor die Vorrichtung erwärmen
kann, erfolgt die thermische Detektion nach der Rückkehr dieses
Letzteren zum thermischen Gleichgewicht.
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Indem
man den Drain des Phototransistors mit der Elektrode 25 des
bolometrischen Widerstands verbindet, der auch das Gate des Phototransistors
bildet, benötigt
ein solcher VIS/IR-Detektor nur drei Versorgungskontakte 24, 25 und 22.
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In
den 5 und 6 sind zwei andere Realisierungsarten
der Erfindung dargestellt, in denen der thermische Detektionsteil
T sich in der Mikrobrücke
des Detektors befindet und der photoelektrische Detektionsteil P
in der Multiplexschaltung.
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Die 5 zeigt
also eine vierte Realisierungsart der Erfindung, in der der thermische
Detektionsteil T sich in der Mikrobrücke 4 des Detektors
befindet und der photoelektrische Detektionsteil P in der Multiplexschaltung 1 unter
der Mikrobrücke.
Anders ausgedrückt
erfolgt die thermische Detektion klassischerweise in Höhe der Mikrobrücke 4,
während
die photoelektrische Detektion in Höhe der Multiplexschaltung oder
CMOS- oder CCD-Schaltung mittels einer Photodiode oder eines Phototransistors 26 erfolgt,
die bzw. der sich unter der Mikrobrücke befindet. Anders ausgedrückt findet
man in dieser 5 dieselbe Mikrobrücke 4 wie
in der 1 wieder, mit ihren Trägern 5, ihren Kontaktzonen 6,
ihren Elektroden 7 und ihrer empfindlichen Schicht 9.
Diese Mikrobrücke 4 ist
mit der mit einer Isolierschicht 2 überzogenen Multiplexschaltung 1 verbunden.
Ein Reflektor 3 sichert die Reflexion der IR-Strahlen in
Richtung empfindliche Schicht 9.
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Außerdem umfasst
dieser erfindungsgemäße IR/VIS-Detektor
eine Photodiode oder einen Phototransistor 26, der die
photoelektrische Detektion realisiert. Zudem – damit diese Photodiode oder
dieser Phototransistor 26 die VIS-Strahlungen auffangen
kann -, ist diese Mikrobrücke
zumindest teilweise transparent für VIS-Strahlen, was bedeutet,
dass die empfindliche Schicht 9 und die Elektroden 7 transparent
sind für
VIS-Strahlen. Zu diesem Zweck können die
empfindliche Schicht 9 und/oder die Elektroden 7 ein
oder mehrere Löcher
aufweisen, die die VIS-Strahlen durchlassen. Diese Variante empfiehlt sich
im Wesentlichen dann, wenn die Mikrobrücke aufgrund ihrer Art oder
Dicke aus absorbierenden Materialien ist. Auch können die in der Mikrobrücke realisierten
Löcher
nur die tatsächlich
absorbierenden Schichten betreffen. Nach einer anderen Variante
kann die Mikrobrücke
aus einem transparenten Material hergestellt werden, oder auch aus
einem so dünnen
Material, dass es transparent und wenig absorbierend ist.
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Bei
dieser Realisierungsart wird der Reflektor 3 aus einem
Material hergestellt, das einerseits die Reflexion der IR-Strahlungen
in Richtung empfindlicher Schicht 9 und andererseits die
Transparenz für
die VIS-Strahlungen gewährleistet,
die die Photodiode oder den Phototransistor 26 erreichen
müssen. Dieser
Reflektor 3 kann aus leitfähigen transparenten Oxiden
wie ZnO, SnO2 und ITO (Indium Tin Oxide) hergestellt
werden; er kann optimiert werden, so dass er einerseits das Maximum
an IR-Strahlung in dem 8-12μm-Band
reflektiert (Reflexionsleistung über
90 %) und andererseits ein Maximum an Transparenz für VIS-Strahlen
aufweist.
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Ebenso
wie die Mikrobrücke
kann der Reflektor 3 mit Löchern transparent gemacht werden
für die
VIS-Strahlen.
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In
der 6 ist die fünfte
Realisierungsart der Erfindung dargestellt, bei der der thermische
Detektionsteil sich in der Mikrobrücke befindet und der photoelektrische
Detektionsteil in der Multiplexschaltung, am Mikrobrückenrand
(en bordure du micropont).
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In
dieser 6 sieht man eine Multiplexschaltung 1,
mit der zwei erfindungskonforme Detektoren D1 und D2 verbunden sind.
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Nur
der VIS/IR-Detektor D2 wird hier beschrieben, da der Detektor D1
mit D2 identisch ist.
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Wie
man in dieser 6 sieht, entspricht der thermische
Detektionsteil bezüglich
der Mikrobrücke 4,
der Verbindung 5, 6 der Mikrobrücke mit
der Multiplexschaltung 1 und des Reflektors 3 einem
klassischen bolometrischen Detektor, wie dargestellt in der 1.
Hingegen umfasst der erfindungsgemäße IR/VIS-Detektor einen photoelektrischen
Detektionsteil 27, der eine Photodiode oder ein Phototransistor sein
kann, angeordnet in der durch die Vernetzung des thermischen Detektionsteils,
das heißt
des bolometrischen Detektors, auf der Multiplexschaltung 1 freibleibenden
Stelle. Da der photoelektrische Detektionsteil 27 in der
Vernetzung des thermischen Detektionsteils ist, befinden sich diese
beiden Detektionsteile in einem selben empfindlichen Element; anders ausgedrückt bildet
dieses Element einen selben Elementarpunkt, obwohl der photoelektrische
Detektionsteil um einige Zehntel μm
versetzt ist in Bezug auf den thermischen Detektionsteil. Da die
Detektion der beiden Spektren in einem selben Elementarpunkt erfolgt,
betrachtet man die Detektion als mit räumlicher Kohärenz realisiert.
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Die
in der 6 dargestellte Realisierungsart hat den Vorteil
der einfachen Realisierung, da sich der photoelektrische Detektor
nicht strikt im Innern des thermischen Detektors befindet.
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Ohne
Rücksicht
auf die Realisierungsart der Erfindung können mehrere IR/VIS-Detektoren verbunden
und auf einer selben Multiplexschaltung angeordnet werden (wie dargestellt
in der 6 mit den beiden Detektoren D1 und D2), um eine
Matrix von empfindlichen Elementen zu realisieren. Eine solche matrixförmige Architektur
hat zahlreiche Anwendungen und insbesondere kann sie bei der IR-
und VIS-Bilderzeugung benutzt werden.
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Die
Verwendung von Dünnschicht-Mikrostrukturen,
so wie anhand der verschiedenen Realisierungsarten der Erfindung
beschrieben, ermöglicht, eine
effiziente thermische Isolation der Matrix aus empfindlichen Elementen
in Bezug auf die Multiplexschaltung zu realisieren. Diese Mikrostrukturen
können
durch verschiedene Verfahren erzeugt werden, die notwendigerweise
bzw. zwangsläufig
zu der Herstellung von Mikrobrücken
führen:
- – durch
Unterätzung
des Siliciumsubstrats unter den empfindlichen Elementen, wobei man
es partiell vom Substrat isoliert; oder
- – aufgrund
einer Opferschicht, typisch aus Polyimid, auf der die empfindlichen
Elemente erzeugt werden.
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Diese
Herstellungsmethoden sind dem Fachmann bekannt und insbesondere
in dem Dokument FR-A-2 752 299 beschrieben, sind aber in dieser
Anmeldung nicht genauer beschrieben.
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Anzumerken
ist jedoch, dass man die Dünnschichten
der Elemente (Dicken enthalten zwischen 0,005 μm und 1 μm) aus isolierendem Material
(SiN, SiO, ZnS usw.) oder aus amorphen oder kristallinen Halbleitern
(Si, Ge, SiC, a-Si:H, a-SiC:H, a-SiGe:H usw.) mit Hilfe der Niedertemperatur-Abscheidungstechniken
herstellt, die üblicherweise
für diese
Materialen benutzt werden, nämlich
Sputtern, Thermozersetzung, Plasmazersetzung. Die eventuelle Dotierung
dieser Schichten erfolgt, indem in den Reaktor ein Dotiergas eingeleitet
wird, etwa BF3 oder PH3, oder durch Ionenimplantation. Das Ätzen dieser
Materialien wird generell durch Plasma-unterstützte chemische Angriffsvertahren
realisiert.
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Die
metallischen Stoffe (Ti, TiN, Pt, Al, Pd, Ni, NiCr usw.), die die
resistiven Elemente, die Elektroden und die diversen Metallisierungen
des erfindungsgemäßen Detektors
bilden, werden ebenfalls durch Sputtern oder durch Thermo- oder
Plasmazersetzung abgeschieden.
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Als
Optimierungsmaßnahme
wird der Quadratwiderstand der die Elektrode bildenden Schichten
an die Impedanz des Vakuums angepasst. Außerdem wird der Abstand zwischen
den Elektroden und dem Reflektor ebenfalls so abgestimmt, dass ein Viertelwellenlängen-Hohlraum
entsteht, der bei der gesuchten Wellenlänge zu einem Absorptionsmaximum
führt.
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Außerdem kann
der photoelektrische Detektor abgestimmt werden auf den Bereich
der gesuchten Wellenlängen:
sichtbarer Bereich, UV-Bereich, ja sogar Röntgenstrahlen.