检测电磁辐射的图像像素设备和传感器阵列以及检测电磁辐射的方法
【专利摘要】检测电磁辐射的图像像素设备和传感器阵列以及检测电磁辐射的方法。本发明涉及用于检测电磁辐射(1)的图像像素设备(100)，具有：吸收结构装置(110)，其被设计用于吸收电磁辐射(1)和将所述电磁辐射作为热量接收，并且所述吸收结构装置具有至少一个等离子体共振结构装置，所述等离子体共振结构装置设计用于向吸收结构装置(110)传送电磁辐射(1)；和具有至少一个探测元件(125)的探测装置(120)，所述探测元件被设计用于借助通过所接收的热量引起的至少一个探测元件(125)的电气特性的变化来检测电磁辐射(1)。
【专利说明】检测电磁辐射的图像像素设备和传感器阵列以及检测电磁辐射的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于检测电磁辐射的图像像素设备、用于检测电磁辐射的传感器阵列和用于借助图像像素设备检测电磁辐射的方法。
【背景技术】
[0002]US6552344B1说明了一种红外探测器和一种用于制造红外探测器的方法。
[0003]DE69216862T2说明了一种单片集成的用于红外辐射的微辐射热测量计传感器，其具有单片式半导体基体，该半导体基体具有多个凹陷和多个介电的薄层元件。所述多个介电的薄层元件具有带嵌入的氧化钒的凹陷。
[0004]DE102006028435A1说明了一种用于位置分辨的红外辐射探测的传感器，该传感器具有衬底、至少一个带有其值取决于温度地变化的电特性的微结构化传感器元件和位于空洞上的膜片，其中所述传感器元件设置在至少一个膜片的下侧。
[0005]此外在那里说明的传感器中传感器元件通过引线接触，这些引线在膜片中、膜片上或膜片下延伸。在此，在该膜片中构造有悬挂弹簧，该悬挂弹簧弹性地和绝缘地容纳各个传感器元件。
[0006]US2005017896A1说明了一种红外传感器，其具有带凹形区段的衬底、温度检测区段，该温度检测区段通过凹形区段中的空间的上部分处的支柱与所述衬底连接。此外那里说明的红外传感器包括反射红外线的薄膜和与该反射红外线的薄膜相对的吸收红外线的顶盖区段。
[0007]US20020034878A1说明了一种用于制造红外图像传感器的方法，其中通过刻蚀在半导体衬底中制造多个刻蚀孔，以便在该半导体衬底中构造至少一个中空的区段。
【发明内容】
[0008]本发明提出一种用于检测电磁辐射的具有权利要求1的特征的图像像素设备、一种用于检测电磁辐射的具有权利要求11的特征的传感器阵列、和一种根据权利要求12的用于借助图像像素设备检测电磁辐射的方法。
[0009]本发明的优点
[0010]本发明的构思在于，提供一种用于检测电磁辐射的、具有至少一个图像像素设备的传感器阵列，所述图像像素设备具有低的热容量和到衬底的小的热耦合并且由此能够实现高的图像重复频率。由此能够在相同的信噪比情况下减小像素并且从而低成本地制造。
[0011]本发明的核心是通过使用至少一个等离子体共振结构来改善吸收层的吸收特性。
[0012]这有利地允许，通过吸收伞来提高像素的填充因数。此外可以利用来自较大区域的光以产生图像像素设备的信号。这有利地允许提高信噪比。
[0013]有利的实施方式和扩展由从属权利要求以及参考附图由说明中得出。
[0014]根据本发明的一种实施方式规定，吸收结构装置与探测装置间隔开开构造和/或吸收结构装置与探测装置通过至少一个热桥耦合。由此能够通过图像像素设备进行电磁辐射的检测。
[0015]根据本发明的一种实施方式规定，吸收结构装置与探测装置相距电磁辐射的感兴趣波长的四分之一的多倍的高度。
[0016]根据本发明的一种实施方式规定，替代于探测装置地至少一个探测元件通过至少一个热桥与吸收结构装置耦合。
[0017]根据本发明的一种实施方式规定，吸收结构装置构造为吸收电磁辐射的层。
[0018]根据本发明的一种实施方式规定，吸收层的光学厚度是电磁辐射的波长的四分之
一的多倍。
[0019]根据本发明的一种实施方式规定，至少一个等离子体共振结构装置在吸收结构装置的至少一个表面上构造。这允许简单地制造图像像素设备。
[0020]根据本发明的一种实施方式规定，至少一个等离子体共振结构装置构造为金属的等离子体共振结构装置。由此能够改善吸收结构装置中的吸收。
[0021]根据本发明的一种实施方式规定，图像像素设备另外具有反射装置，所述反射装置在吸收结构装置的至少一个表面上构造。这允许简单地和紧凑地构造图像像素设备。
[0022]根据本发明的一种实施方式规定，图像像素设备另外具有耦合装置，所述耦合装置被设计用于将探测装置和/或吸收结构装置与衬底耦合。
[0023]所说明的构型和扩展彼此能够任意组合。
[0024]本发明的另外可能的构型、扩展和实现还包括未明确提到的本发明的在前面或者在下面关于实施例说明的特征的组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]附图应该促成对本发明的实施方式的进一步理解。这些附图图解实施方式并且与说明书关联地用于解释本发明的原理和概念。
[0026]其他的实施方式和许多所提到的优点鉴于附图得出。附图的所示元件不一定彼此按正确比例示出。
[0027]图1示出根据本发明的一种实施方式的、用于检测电磁辐射的图像像素设备的示意图；
[0028]图2示出根据本发明的另一种实施方式的、用于检测电磁辐射的图像像素设备的示意图；
[0029]图3示出根据本发明的又一种实施方式的、用于检测电磁辐射的图像像素设备的示意图；
[0030]图4示出根据本发明的又一种实施方式的、用于检测电磁辐射的传感器阵列的示意图；和
[0031]图5示出根据本发明的又一种实施方式的、用于借助图像像素设备检测电磁辐射的方法的流程图的示意图。
【具体实施方式】
[0032]在附图的图中，只要没有相反说明，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件、组件、部件或者方法步骤。
[0033]图1示出根据本发明的一种实施方式的、用于检测电磁辐射的图像像素设备的示意图。
[0034]作为电磁辐射可以探测红外辐射，简称IR辐射，或者可见光和长波的太赫辐射(Terahertzstrahlung)之间的光谱区域内的电磁波。约Imm和780nm之间的光谱区域可以称为红外辐射，这相应于300GHz到400THz的频率范围。
[0035]用于检测电磁辐射I的图像像素设备100例如包括具有至少一个等离子体共振结构装置115的吸收结构装置110，所述共振结构装置被设计用于把电磁辐射I向吸收结构装置110传送。
[0036]此外图像像素设备100可以具有带至少一个探测元件125的探测装置120，所述探测元件被设计用于检测接收的热量并且由此检测电磁辐射I。
[0037]图像像素设备100的吸收结构装置110把入射的射线通过吸收转变为热并且把该热向探测装置120传送。由探测装置120接收的热和由此引起的探测装置120的至少一个探测元件125的温度变化改变探测装置120的至少一个探测元件125的电特性。
[0038]作为所述至少一个探测元件125的电特性，例如通过温度变化可以引起所述至少一个探测元件125的电阻的变化并且该变化可以由探测装置120检测。
[0039]图像像素设备100的吸收结构装置110可以利用耦合装置135耦合到衬底20，其中耦合装置135可以构造为机械地固定在衬底20处和/或与衬底20电连接和/或与衬底20绝热。
[0040]图像像素设备100的吸收结构装置110可以具有吸收红外射线的材料，例如掺杂的氧化硅或者掺杂的砷化镓或者其他吸收红外射线的半导体，例如锗。
[0041]此外吸收结构装置110可以作为具有多个吸收层114、114a的层系统构造，所述吸收层分别具有行或列金属化部114a、116a。
[0042]利用伞形地设置在图像像素设备100上的吸收结构装置110，因此可以由图像像素设备100在大于探测装置120的横向扩展区域上检测电磁辐射I。
[0043]图像像素设备100的至少一个等离子体共振结构装置115可以作为一种超材料(Metamaterial)或者作为一种人工制造的结构来构造,其对于电场和磁场的透过性、介电常数和渗透性与在自然中常见的不同。
[0044]等离子体共振结构装置115的该特生可以通过在吸收结构装置110内部或者在其表面之一上专门制作的、多为周期性的、微小的精细结构实现，例如由电或磁活性的材料构成的单元或者单个元件。
[0045]此外可以通过相应选择的吸收结构装置110距探测装置120的距离a2和/或通过相应选择的吸收结构装置110的光学厚度al来提高入射的电磁辐射的取决于波长的吸收概率。
[0046]该光学厚度al可以是电磁辐射I的波长的四分之一的奇数多倍。
[0047]利用距离a2可以把等离子体共振结构装置115与多个吸收层114之一的表面间隔开。
[0048]图像像素设备100的吸收结构装置110例如在至少一点与探测装置120耦合。该耦合用于在图像像素设备100处机械地固定吸收结构装置110。[0049]此外通过该耦合可以有利地在吸收结构装置110和探测装置120之间构造热桥，以便把在吸收结构装置110中通过吸收产生的热输送给探测装置120。
[0050]在每个探测装置120有多个探测元件125的情况下，针对每一个探测元件125有一个桥是有利的。
[0051]该吸收可以通过在吸收结构装置110的至少一个表面上集成的等离子体共振结构装置115被进一步提闻。
[0052]在吸收结构装置110的与等离子体共振结构装置115相对的表面上和/或在像素层结构上可以设置构造为反射层的反射装置113。
[0053]反射层的金属涂层，也就是用金属面增加的层厚，在吸收结构装置110的相对的表面上金属化的情况下可以同样大小地选择。
[0054]以这种方式能够压力对称地构造图像像素设备100的吸收结构装置110的构造，并且吸收结构装置110在经历作用于图像像素设备100的温度变化的情况下也在很大程度上保持稳定。
[0055]如果在吸收结构装置110的两侧采用不同的金属化部，则可以相应地匹配金属反
射层的厚度。
[0056]为制造图像像素设备100，可以使用在吸收结构装置110中所设置的穿孔。
[0057]此外作为金属的等离子体共振结构装置115的金属可以使用金或者铟或者铝或者其他金属。
[0058]空洞的制造例如可以通过对牺牲层进行刻蚀来进行，必要时通过由支撑位置135对单个空洞有针对性地限制来支持。该支撑位置135例如可以实施为壁或者圆柱。
[0059]但是同样也可以对衬底进行阳极刻蚀，其中在衬底中例如产生多孔的硅并且该多孔的硅随后被除去，例如通过刻蚀处理，或者通过阳极化或者通过电解抛光。此外可以执行具有相似作用的硅深刻蚀方法。
[0060]图2示出根据本发明的另一种实施方式的、用于检测电磁辐射的图像像素设备的示意图。
[0061]与在图1中所示的实施方式不同，在图2中示出的实施方式的情况下，图像像素设备100具有构造为反射层的反射装置113以及同样等离子体共振结构。
[0062]其他在图2中所示的附图标记已经在与图1相关的【专利附图】
【附图说明】中说明，因此不进一步阐述。
[0063]图3示出根据本发明的又一种实施方式的、用于检测电磁辐射的图像像素设备的示意图。
[0064]与在图1中示出的实施方式不同，在图3中示出的实施方式的情况下，图像像素设备100另外具有第二等离子体共振结构装置115。此外在图3中示出的实施方式的情况下电磁辐射I通过两个等离子体共振结构装置115射到图像像素设备100的吸收结构装置110 上。
[0065]因此在图3中所示的图像像素设备100的情况下去掉了反射装置113。
[0066]在图3中所示的其他附图标记已经在与图1相关的【专利附图】
【附图说明】中说明，因此不进一步阐述。
[0067]图4示出根据本发明的又一种实施方式的、用于检测电磁辐射的传感器阵列的示意图。
[0068]用于检测电磁辐射I的传感器阵列10可以具有多个图像像素设备100。这些图像像素设备100例如与衬底20耦合并且以阵列的形式设置。各个图像像素设备100可以构造为矩形、正方形或者多边形的。
[0069]在这里将圆形的、方形的、约I毫米厚的片或者晶片表示为衬底20。该晶片可以具有单晶或者多晶的半导体材料并且通常用作电子系统的衬底。作为半导体材料可以使用娃、锗、砷化镓、碳化娃或者磷化铟。
[0070]图5示出根据本发明的又一种实施方式的、用于借助图像像素设备检测电磁辐射的方法的流程图的示意图。
[0071]作为第一方法步骤，借助等离子体共振结构装置115向吸收结构装置110传送SI电磁辐射I并且吸收该电磁辐射I并且作为热量接收吸收的电磁辐射I。
[0072]作为第二方法步骤，检测S2通过由吸收结构装置110所接收的热量引起的至少一个探测元件125的电特性的变化，以便由此探测电磁辐射I。
[0073]尽管上面根据优选的实施例说明了本发明，但是本发明不限于此，而是可以以多种多样的方式修改。本发明尤其是可以以多种多样的方式改变或者修改，而不偏离本发明的核心。
【权利要求】
1.用于检测电磁辐射⑴的图像像素设备(100)，具有: -吸收结构装置(110)，其被设计用于吸收电磁辐射(I)和将所述电磁辐射作为热量接收，并且设置在至少一个等离子体共振结构装置(115)处，所述等离子体共振结构装置被设计用于向吸收结构装置(110)传送电磁辐射(I);和 -具有至少一个探测元件(125)的探测装置(120)，其被设计用于，检测通过由吸收结构装置(110)所接收的热量引起的至少一个探测元件(125)的电气特性的变化并且由此检测电磁辐射⑴。
2.根据权利要求1所述的图像像素设备(100)，其中吸收结构装置(110)与探测装置(120)间隔开地构造和/或吸收结构装置(110)与探测装置(120)通过至少一个热桥耦合。
3.根据权利要求2所述的图像像素设备(100)，其中吸收结构装置(110)与探测装置(120)相距电磁辐射(I)波长的四分之一的多倍的高度地来构造。
4.根据权利要求2所述的图像像素设备(100)，其中探测装置(120)的至少一个探测元件(125)通过至少一个热桥与吸收结构装置(110)耦合。
5.根据上述权利要求之一所述的图像像素设备(100)，其中吸收结构装置(110)作为吸收电磁辐射(I)的层构造。
6.根据权利要求5所述的图像像素设备(100)，其中吸收层的光学厚度是电磁辐射(I)的波长的四分之一的多倍。
7.根据上述权利要求之一所述的图像像素设备(100)，其中至少一个等离子体共振结构装置(115)构造在吸收结构装置(110)的至少一个表面上。
8.根据上述权利要求之一所述的图像像素设备(100)，其中至少一个等离子体共振结构装置(115)构造为金属的等离子体共振结构装置(115)。
9.根据上述权利要求之一所述的图像像素设备(100)，其另外具有反射装置(113)，所述反射装置构造在吸收结构装置(110)的至少一个表面上。
10.根据上述权利要求之一所述的图像像素设备(100)，其另外具有耦合装置，所述耦合装置被设计用于将探测装置(120)和/或吸收结构装置(110)与衬底(20)耦合。
11.用于检测电磁辐射(I)的传感器阵列(10)，具有至少一个根据权利要求1到10之一所述的图像像素设备(100)，其中至少一个图像像素设备(100)耦合到衬底(20)。
12.用于借助图像像素设备(100)检测电磁辐射(I)的方法，具有下面的方法步骤: -借助等离子体共振结构装置(115)向吸收结构装置(110)传送(SI)电磁辐射(I)并且吸收该电磁辐射(I)并且作为热量接收所吸收的电磁辐射(I);和 -借助具有至少一个探测元件(125)的探测装置(12)检测(S2)通过由吸收结构装置(110)所接收的热量引起的至少一个探测元件(125)的电特性的变化，以便由此探测电磁辐射⑴。
【文档编号】G01J5/20GK103808415SQ201310664736
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】I·赫尔曼, C·舍林 申请人:罗伯特·博世有限公司