具有带有载体元件和多个热电偶的微结构的红外传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有带有载体元件和多个热电偶的微结构的红外传感器。此外，本发明涉及用于制造具有载体元件和多个热电偶的微结构的方法。
【背景技术】
[0002]所述类型的红外传感器和对应的制造方法例如由DE 10 2009 043 413 B3已知。因此，红外传感器可以被构造为三维微结构，在所述微结构中，各个热电偶分别由两个彼此并行取向的半导体棒构成，所述半导体棒自撑地从传感器的载体元件立起(abstehen)。在其自由端部处，两个半导体棒彼此电连接，从而两个半导体棒一起形成双棒。此外，两个半导体棒由具有不同塞贝克系数的材料构成。在所述两个半导体棒之间可以测量所谓的热电力，也即当在双棒的自由端部与处于传感器底部处的其端部之间存在热差时产生的电压，其中在所述自由端部处，两个半导体棒相连接。双棒中的每一个在此情况下可以是红外传感器的图像面中的图像元素(像素)。
[0003]这种红外传感器例如可以被装入到热成像相机中。为了保证足够的图像分辨率，在这样的热成像相机中通常使用具有数千个热电偶的红外传感器。为了能够分析热电偶或者为了能够测量在传感器元件之间的热电电压，使用相应的测量电路。由于待分析的传感器元件的高数量，测量电子装置需要很多结构空间。此外，存在在红外传感器芯片和测量电子装置之间的电的和机械的连接的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的任务因此是提供开头所述类型的红外传感器，所述红外传感器更紧凑地被构建并且可以更成本低地来制造。
[0005]该任务通过具有权利要求1的特征的红外传感器和通过具有权利要求7的特征的方法来解决。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中予以说明。
[0006]根据本发明的红外传感器包括具有载体元件和多个热电偶的微结构，其中热电偶中的每一个均包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一传感器元件具有第一塞贝克系数，第二传感器元件具有第二塞贝克系数，其中第一和第二传感器元件从载体元件的前侧穿过载体元件延伸到载体元件的背侧上，并且其中第一和第二传感器元件在载体元件的上侧的区域中彼此电连接，其中载体元件构成用于集成回路的衬底，所述集成回路被构造在载体元件的背侧上并且包括至少一个与第一和第二传感器元件电连接的构件。
[0007]红外传感器利用微技术制造方法来制成。红外传感器可以由半导体材料、尤其是硅制成。红外传感器具有多个热电偶。例如，红外传感器可以包括几千个热电偶。热电偶中的每一个均包括两个传感器元件，所述传感器元件具有不同的塞贝克系数。各个传感器元件在此可以棒状地或空心圆柱体状地构造。优选地，各个传感器元件彼此并行地布置并且被构造为使得所述传感器元件基本上垂直地从载体元件的前侧立起。在自由端部处，第一和第二传感器元件分别彼此电连接。传感器元件从自由端部穿过载体元件延伸到载体元件的背侧上。在载体元件的背侧处，可以量取在第一和第二传感器元件之间的热电电压。
[0008]载体元件构成用于集成回路的衬底。集成回路被构造在载体元件的背侧上。尤其是，集成回路直接集成到载体元件或半导体材料中。集成回路可以包括一个或多个电子构件，所述电子构件尤其是按照CMOS工艺制成。集成回路的至少一个构件在此与第一和第二传感器元件电连接。集成回路也可以包括相应的印制导线。这能够实现:至少用于热电偶的分析电路的部分被集成在半导体衬底上，其中由所述半导体衬底在微技术上也制成红外传感器。因此，可以实现红外传感器的更紧凑的结构。此外，用于构建和连接技术的步骤的数量被减少。
[0009]优选地，至少一个器件被构造用于检测在第一和第二传感器元件之间的电压。红外传感器的各自热电偶的所谓“冷端部”位于载体元件的背侧上。所谓的“热端部”位于传感器元件的自由端部处，在所述自由端部处，所述传感器元件电连接。如果现在在“热端部”和“冷端部”之间存在温差，则形成在第一和第二传感器元件之间的热电电压。该热电电压现在可以直接利用在载体结构的背侧上的相应的器件被进一步处理。因此，每个热电偶的信号可以直接在产生所述信号的地点处被检测。因此，可以减小例如由于长测量线路而可能产生的测量误差。
[0010]在一种实施方式中，集成回路包括放大器和/或模拟数字转换器。集成回路也可以包括相应的器件，所述器件被构造用于相应地进一步处理各自的热电偶的信号或热电电压。例如，测量信号可以相应地被放大。为此，放大器可以由晶体管构成，所述晶体管以CMOS工艺来制成。集成回路也可以包括元件，利用所述元件可以数字化测量信号或热电电压。在此也可以设想的是，集成回路包括相应的逻辑元件。这能够实现:在红外传感器或传感器芯片处直接输出一个所准备的信号或多个信号。
[0011]在另一扩展方案中，集成回路包括用于检测载体元件的背侧上的温度的温度传感器。因此，除了温差电压也可以检测在各自的热电偶的“冷端部”处的温度。在此，在集成回路中也可以设置多个温度传感器。利用温度传感器所检测的信号可以直接利用集成回路被进一步处理。因此，例如可以实现测量信号的有效的温度补偿。
[0012]优选地，第一传感器元件被构造为空心型材，并且第二传感器元件布置在第一传感器元件中。第一传感器元件可以具有空心圆柱体的基本形状，而或者例如也可以被构造为有角的管。第二传感器元件布置在第一传感器元件中。换句话说，空心的第一传感器元件由第二传感器元件例如完全填满，而或者第二传感器元件在其侧是空心型材，所述空心型材例如同轴地在第一传感器元件中延伸。通过两个交错地(ineinander)插入的传感器元件可以实现特别紧凑的结构，其中各个热电偶紧密地并排。从而对于小图像面上的各个像点可以布置很多单个热电偶。
[0013]在另一实施方式中，集成回路具有焊接接触部。这些焊接接触部例如可以被构造为焊盘。在所述焊盘上可以施加焊料。同样可以设想使用相应的焊接膏。这能够实现红外传感器的简单的电接触。这又简化了红外传感器到壳体或者热成像相机中的装入。
[0014]根据本发明的用于制造具有载体元件和多个热电偶的微结构的方法包括:提供衬底材料，所述衬底材料构成用于集成回路的衬底；在所述衬底材料的背侧上构造所述集成回路，其中，所述集成回路包括至少一个器件；构造多个孔道(Schacht)，所述孔道从所述衬底材料的背侧延伸到所述衬底材料中；在所述多个孔道的预先确定的第一数量的孔道的各自内部空间中布置具有第一塞贝克系数的第一材料用于构造各自的第一传感器元件；在所述多个孔道的预先确定的第二数量的孔道的各自内部空间中布置具有第二塞贝克系数的第二材料用于构造各自的第二传感器元件；和从所述衬底材料的前侧出发移除所述衬底材料并且由此露出所述第一和/或第二传感器元件的至少一个区域。
[0015]用于制造构成红外传感器的微结构的初始材料是衬底材料，所述衬底材料尤其由半导体材料构成。向衬底材料的背侧上构造集成回路。在此，优选应用CMOS工艺。随后，集成回路可以被相应地掩蔽或钝化。接着，从背侧蚀刻多个孔道到衬底材料中。在孔道的多个中引入具有第一塞贝克系数的第一材料。这例如可以通过气相沉积(CVD-Chemical VapourDeposit1n:化学气相沉积)实现。此外，将具有与第一材料不同的塞贝克系数的第二材料引入到孔道中。在此，也可以在相同孔道的内部空间中引入第一和第二材料。对于此替代地，第一材料被引入到第一孔道的内部空间中而第二材料被引入到相邻的第二孔道的内部空间中。此外，使第一和第二材料在预给定的区域中彼此电连接。随后，从前侧出发移除衬底材料，以便露出各个传感器元件。由此可以提供用于红外传感器的简单制造方法，其中，分析电子装置集成在传感器芯片上。
[0016]优选地，首先在所述孔道的各自内部空间中布置所述第一材料，然后将电绝缘材料施加到所述第一材料上并且然后将第二材料施加到所述电绝缘材料上。在所述多个孔道中的每一个的内部空间中施加第一材料。在此，可以如此施加电绝缘材料，使得所述电绝缘材料仅仅局部地覆盖第一材料。随后施加第二材料到电绝缘材料上。因此，可以提供用于制造多个热电偶的简单的制造方法，其中，各自热电偶的两个传感器元件交错地布置。
[0017]优选地，作为衬底材料提供具有第一半导体层、第二半导体层和布置在这些半导体层之间的绝缘层的半导体材料。因此，例如可以使用所谓的SOI晶片。第一半导体层可以构成用于集成回路的衬底。通过电绝缘层可以减小集成回路中的开关时间、功率消耗和尤其泄漏电流。第二半导体层可以通过微系统技术的方法用于制造各个热电偶。
[0018]在一种实施方式中，为了构造所述孔道，利用干式化学蚀刻方法蚀刻所述第一半导体层并且利用电化学蚀刻方法蚀刻所述第二半导体层。对于同时用作用于集成回路的衬底的第一半导体层，可以在微系统技术中使用常用的干式蚀刻方法。孔道在此情况下可以具有2至10 μπι的直径。为了蚀刻通常具有比第一半导体层更高的层厚度的第二半导体层，可以使用电化学蚀刻方法。尤其可以使用所谓的PAECE方法(Photo AssistedElectrochemical Etching:光辅助电化学蚀刻)。利用该方法可以实现高的纵横比。
[0019]先前与根据本发明的红外传感器相关联地描述的优点和改进方案可以以相同的方式转用到根据本发明的方法上。
【附图说明】
[0020]现在根据附图更