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Patent Searching and Data


Title:
INFRARED LIGHT SOURCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/185156
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an infrared light source, comprising a substrate, which has at least one monocrystalline silicon layer and which has a membrane in a partial region, the thickness of the membrane being less than 200 μm and the membrane comprising a part of the monocrystalline silicon layer, the substrate having at least one diffusion barrier layer for reducing the oxidation of the monocrystalline silicon layer, the diffusion barrier layer covering at least the membrane, the infrared light source also comprising a cover layer arranged on the membrane, which cover layer has an emissivity of at least 0.85.

Inventors:
FLEISCHER, Maximilian (Schlossangerweg 12, Höhenkirchen, 85635, DE)
HEDLER, Harry (Jahnstraße 8, Germering, 82110, DE)
POHLE, Roland (Fichtenstr. 22, Herdweg, 85570, DE)
WIESNER-FLEISCHER, Kerstin (Schloßangerweg 12, Höhenkirchen-Siegertsbrunn, 85635, DE)
ZAPF, Jörg (Dalandstr. 1, München, 81927, DE)
VON SICARD, Oliver (St.-Martins-Platz 3, München, 81541, DE)
Application Number:
EP2018/058595
Publication Date:
October 11, 2018
Filing Date:
April 04, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
G01N21/3504; G01J3/10; G01N21/25; H01L37/00; H05B3/00
Foreign References:
DE102012103662B32013-04-18
CN103332648A2013-10-02
DE102005008077A12006-08-31
US20090236614A12009-09-24
US20090108726A12009-04-30
Other References:
HILDENBRAND J ET AL: "Fast transient temperature operating micromachined emitter for mid-infrared optical gas sensing systems: design, fabrication, characterization and optimization", MICROSYSTEM TECHNOLOGIES ; MICRO AND NANOSYSTEMS INFORMATION STORAGE AND PROCESSING SYSTEMS, SPRINGER, BERLIN, DE, vol. 16, no. 5, 23 February 2010 (2010-02-23), pages 745 - 754, XP019804477, ISSN: 1432-1858
JI X ET AL: "Narrow-band midinfrared thermal emitter based on photonic crystal for NDIR gas sensor", SOLID-STATE AND INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY (ICSICT), 2010 10TH IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON, 2010, Piscataway, NJ, USA, pages 1459 - 1461, XP055478501, ISBN: 978-1-4244-5797-7, DOI: 10.1109/ICSICT.2010.5667558
INOUE T ET AL: "Realization of narrowband thermal emission with optical nanostructures", OPTICA, vol. 2, no. 1, 14 January 2015 (2015-01-14), pages 27, XP055330411, DOI: 10.1364/OPTICA.2.000027
FENG G ET AL: "Greatly enhanced infrared normal spectral emissivity of microstructured silicon using a femtosecond laser", MATERIALS LETTERS, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 65, no. 8, 27 January 2011 (2011-01-27), pages 1238 - 1240, XP028170454, ISSN: 0167-577X, [retrieved on 20110201], DOI: 10.1016/J.MATLET.2011.01.067
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Infrarot-Lichtquelle (1) umfassend ein Substrat, das we¬ nigstens eine einkristalline Siliziumschicht (13) aufweist und das in einem Teilbereich eine Membran (33) aufweist, wo¬ bei die Dicke der Membran (33) weniger als 200 ym beträgt und wobei die Membran (33) einen Teil der einkristallinen

Siliziumschicht (13) umfasst, wobei das Substrat wenigstens eine Diffusionssperrschicht zur Verminderung der Oxidation der einkristallinen Siliziumschicht (13) aufweist, wobei die Diffusionssperrschicht wenigstens die Membran (33) bedeckt, wobei die Infrarot-Lichtquelle (1) weiterhin eine auf der Membran (33) angeordnete Deck-Schicht (16) umfasst, die eine Emissivität von wenigstens 0,85 aufweist.

2. Infrarot-Lichtquelle (1) nach Anspruch 1, bei der die Deckschicht (16) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst :

- poröses Platin, insbesondere Platinmohr;

- poröses Palladium;

- poröses Gold;

- poröses Silber;

- poröses Bismut. 3. Infrarot-Lichtquelle (1) nach Anspruch 1, bei der die

Deck-Schicht (16) eine photonische Beschichtung mit Si-Pt- Si02-Strukturen umfasst.

4. Infrarot-Lichtquelle (1) nach Anspruch 1, bei der die Deck-Schicht (16) einen Schichtstapel mehrerer Schichten, die Silber oder Platin umfassen im Wechsel mit Schichten mit A1203 oder Si02 aufweist.

5. Infrarot-Lichtquelle (1) nach Anspruch 1, bei der die Deck-Schicht (16) eine Dicke von höchstens 10 ym aufweist.

6. Infrarot-Lichtquelle (1) nach Anspruch 1, die eine zweite einkristalline Siliziumschicht aufweist.

7. Gassensor-Anordnung umfassend eine Infrarot-Lichtquelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, einen Infrarotdetektor und eine Probenkammer, derart angeordnet, dass von der Infrarot-Lichtquelle (1) ausgesandte Strahlung wenigstens teilweise die Probenkammer durchtritt und in den Infrarotde¬ tektor fällt, weiterhin umfassend eine Auswerteeinrichtung, derart ausgestaltet, dass aus Signalen des Infrarotdetektors die Konzentration eines oder mehrerer Gase in der Probenkam- mer ermittelt wird.

8. Verfahren zum Betrieb einer Infrarot-Lichtquelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Teilbereich der Membran (33) auf eine Arbeitstemperatur von wenigstens 700 °C aufgeheizt wird.

9. Verfahren zum Betrieb einer Infrarot-Lichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Temperatur von wenigstens einem Teilbereich der Membran (33) mit einer Fre- quenz von wenigstens 20 Hz zwischen einer oberen Temperatur von wenigstens 700 °C und einer unteren Temperatur von höchstens 400 °C moduliert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Membran (33) mit einer Energiedichte von wenigstens 0,5 W/mm2 beheizt wird .

Description:
Beschreibung

Infrarot-Lichtquelle Die Erfindung betrifft eine Infrarot-Lichtquelle mit einem Substrat mit einer Membran. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Infrarot-Lichtquelle.

Miniaturisierte Infrarot-Lichtquellen werden beispielsweise für nicht-dispersive optische Systeme wie NDIR-Sensoren (non- dispersive infrared) zur Gasdetektion eingesetzt. So basiert ein Großteil der Sensoren zur Messung von Kohlendioxid (C02) auf dem NDIR-Prinzip . In diesen Systemen stellt die Infrarotquelle eine entscheidende Komponente hinsichtlich Preis, Energiebedarf und Langzeitstabilität dar.

Wesentliche Funktionsparameter für Infrarot-Lichtquellen sind die Strahlungsleistung im benötigten Spektralbereich sowie die erreichbare Modulationsfrequenz bei einer periodischen Änderung der Strahlungsleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Infrarot- Lichtquelle mit verbesserten Eigenschaften bezüglich der Strahlungsleistung und der erreichbaren Modulationsfrequenz anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Betriebs ¬ verfahren für die Infrarot-Lichtquelle anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Infrarot-Lichtquelle mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Eine Lösung hinsicht- lieh des Verfahrens besteht in dem Verfahren mit den Merkma ¬ len von Anspruch 10.

Die erfindungsgemäße Infrarot-Lichtquelle umfasst ein Sub ¬ strat, das wenigstens eine einkristalline Siliziumschicht aufweist und das in einem Teilbereich eine Membran aufweist, wobei die Dicke der Membran weniger als 200 ym beträgt und wobei die Membran einen Teil der einkristallinen

Siliziumschicht umfasst, wobei das Substrat wenigstens eine Diffusionssperrschicht zur Verminderung der Oxidation der einkristallinen Siliziumschicht aufweist, wobei die Diffusi ¬ onssperrschicht wenigstens die Membran bedeckt. Die Infrarot-Lichtquelle umfasst weiterhin eine auf der Memb ¬ ran angeordnete Deck-Schicht, die eine Emissivität von we ¬ nigstens 0,85 aufweist. Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Deckschicht die oberste Schicht des Substrats ist. Für die Erfindung wurde erkannt, dass bei dem genannten Auf ¬ bau der Infrarot-Lichtquelle alle verwendeten Materialien ei ¬ ne ausgezeichnete Stabilität bei hohen Temperaturen aufwei ¬ sen, sodass der IR-Strahler dauerhaft bei Betriebstemperatu ¬ ren des geheizten Bereichs von 700°C oder darüber betrieben werden kann.

Durch eine Erhöhung der Temperatur von 500 °C auf 700 °C wird die spektrale Leistungsdichte bei der für die Detektion von C02 verwendeten Wellenlänge von 4.2 ym vorteilhaft mehr als verdoppelt. Dadurch kann beispielsweise die Detektion von

Kohlendioxid deutlich energieeffizienter durchgeführt werden und die Leistungsaufnahme der Sensorsysteme entsprechend ge ¬ senkt werden. Bei gleicher Leistungsaufnahme steigt die

Lichtausbeute und daher die Messgenauigkeit.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön ¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen. - Die Deckschicht kann vorteilhaft eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen:

-- poröses Platin, insbesondere Platinmohr;

-- poröses Palladium;

-- poröses Gold;

-- poröses Silber;

-- poröses Bismut. Diese Materialien geben der Oberfläche der Infrarot- Lichtquelle eine hohe Emissivität und ermöglichen damit eine gute Lichtausbeute. In besonderen Ausgestaltungen kann die Deckschicht dadurch eine Emissivität von wenigstens 0,9 auf- weisen.

- Die Deckschicht kann eine photonische Beschichtung mit Si- Pt-Si02-Strukturen umfassen. Dadurch werden vorteilhaft sehr hohe Emissivitäten für die Deckschicht erreicht. Insbesondere kann die Deckschicht dadurch eine Emissivität von wenigstens 0,97 aufweisen .

- Die Deckschicht kann einen Schichtstapel mit Schichten mit Silber oder Platin umfassen im Wechsel mit Schichten mit A1203 oder Si02. Auch hierdurch wird vorteilhaft bei hoher Temperaturstabilität eine hohe Emissivität erreicht.

- Die Deckschicht kann eine Dicke von höchstens 10 ym aufwei ¬ sen. Eine verhältnismäßig dünne Deckschicht hat vorteilhaft eine geringe Wärmekapazität, beeinflusst also die gesamte Wärmekapazität des

- Die Infrarot-Lichtquelle kann eine zweite einkristalline Siliziumschicht aufweisen.

- Das Substrat kann wenigstens eine Leiterbahn umfassen, die zur Beheizung der Membran ausgestaltet ist. Die Leiterbahn umfasst bevorzugt eine Platinschicht. - Die Membran kann so gestaltet sein, dass ihre Fläche 0,2 mm2 oder weniger bertägt.

Mit der Infrarot-Lichtquelle kann vorteilhaft eine Gassensor- Anordnung aufgebaut werden, die weiterhin einen Infrarotde- tektor und eine Probenkammer umfasst. Die Elemente der Gas ¬ sensor-Anordnung sind derart angeordnet, dass von der Infra ¬ rot-Lichtquelle ausgesandte Strahlung wenigstens teilweise die Probenkammer durchtritt und in den Infrarotdetektor fällt. Schließlich ist eine Auswerteeinrichtung vorhanden, die derart ausgestaltet aus, dass aus Signalen des Infrarot ¬ detektors die Konzentration eines oder mehrerer Gase in der Probenkammer ermittelt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Infrarot-Lichtquelle wird wenigstens ein Teilbe ¬ reich der Membran auf eine Arbeitstemperatur von wenigstens 700 °C aufgeheizt.

Dabei kann die Temperatur von wenigstens einem Teilbereich der Membran mit einer Frequenz von wenigstens 20 Hz zwischen einer oberen Temperatur von wenigstens 700 °C und einer unteren Temperatur von höchstens 400 °C moduliert werden.

Bevorzugt wird die Membran mit einer Energiedichte von we ¬ nigstens 0,5 W/mm2 beheizt.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figuren. Darin zeigen schematisch :

Figur 1 ein Schnittbild der Infrarot-Lichtquelle,

Figur 2 eine Membranstrukturierung .

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Infrarot- Lichtquelle 1, die auf einem Membransubstrat realisiert ist. Figur 1 stellt dabei einen Schnitt durch die Infrarot- Lichtquelle 1 und das Membransubstrat dar. Dabei ist die Dar ¬ stellung nicht maßstabsgetreu, die meisten Dicken von Schichten sind weit überhöht dargestellt gegenüber den lateralen Ausdehnungen . Das Membransubstrat wird von einem Rahmen 10 aus

einkristallinem Silizium getragen. Im Schnittbild der Figur 1 sind nur zwei Stücke des Rahmens 10 erkennbar, diese bilden jedoch einen durchgehenden Rahmen 10 um die Membran 33. Die Membran 33 selbst wird durch eine Schichtfolge einer

Membranschicht 13 aus einkristallinem Silizium, einer Isolationsschicht 14 aus Siliziumdioxid Si02 und einer weiteren Isolationsschicht 21 aus Siliziumnitrid Si3N4 gebildet. Die Schichtfolge bildet in dem Bereich, in dem der Rahmen 10 eine Aussparung 11 aufweist, die Membran 33. Die Dicke der Membran 33 beträgt in diesem Beispiel 30 ym.

Auf der Membran 33 sind nun verschiedene Elemente unterge- bracht, die zusammen einen Aufbau für eine Infrarot- Lichtquelle bilden. Hierzu führt von einer Seite des

Membransubstrats ausgehend von einem Bereich oberhalb des Rahmens 10 eine Heizerschicht 15 auf die Membran 33. Im Be ¬ reich der Membran 33 ist die Heizerschicht 15 so struktu- riert, dass ein Heizmäander gebildet ist. Der elektrische Wi ¬ derstand ist im Bereich des Heizmäanders deutlich erhöht und eine elektrische Beheizung der Membran 33 ist somit möglich. Die Heizerschicht 15 ist weiterhin teilweise bedeckt von ei ¬ ner Isolationsschicht 18 aus Siliziumdioxid.

Der elektrische Heizer kann über den Temperaturgang des elektrischen Widerstandes auch als Temperatursensor verwendet werden. Die Heizerschicht 15 besteht bevorzugt aus Platin als Dünnschicht mit einer Dicke von beispielsweise zwischen 0,5 und 2 ym. Alternativ kann die Heizerschicht 15 auch bei ¬ spielsweise aus harten Legierungen von Platinmaterialien, beispielsweise Pt/Rh 70/30 bestehen. Zur Vermeidung einer Heizungszerstörung durch Elektromigration sind bei der

Heizerschicht 15 soweit möglich Ecken und kantige Übergange zu vermeiden und durch runde Strukturen zu ersetzen.

Das gezeigte Substrat bildet einen hochtemperaturfesten

Membranaufbau durch die Verwendung von einkristallinem Silizium als wesentlichem Membranmaterial und wie auch durch die Verwendung von Silizium als Material für den Rahmen 10. Dieses Material ist mit den Methoden der Mikrotechnologie gut bearbeitbar. Das Silizium als Membranmaterial gewährleistet neben ausreichender mechanischer Stabilität vor allem die be- nötigte Temperaturfestigkeit für einen dauerhaften Betrieb bei mehr als 700°C. Da das Material bereits im

einkristallinen Zustand ist, kann bei hohen Temperaturen kein weiterer Aufbau von mechanischen Spannungen stattfinden, der zur Beeinträchtigung der Membranfunktion führen wurde.

Als oberste Schicht für die Infrarot-Lichtquelle sind die bisher beschriebenen Schichten teilweise überdeckt durch eine Deckschicht 16 mit hoher Emissivität. Die Deckschicht 16 kann beispielsweise eine Schicht aus porösem Platin sein. Auch beispielsweise andere poröse Materialien wie poröse Metalle oder auch Metalloxide kommen dafür in Frage. Da die

Emissivität der obenauf liegenden Schicht direkten Einfluss auf die Emission von Strahlung hat, ist eine hohe Emissivität besonders wichtig für den Aufbau der Infrarot- Strahlungsquelle. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Emissivität wenigstens 0,85 beträgt, was ohne die Deckschicht nicht der Fall wäre. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Strukturierung des

Membransubstrats. Dabei ist wiederum der Rahmen 10 gezeigt, der das gesamte Membransubstrat umläuft. Im Rahmen 10 befin ¬ det sich die Membran 33. In der Draufsicht erkennt man, dass die Membran 33 nicht durchgängig mit dem Rahmen 10 verbunden ist. Vielmehr ist die Membran 33 an Stegen 32 aufgehängt. Die vier Stege 32 beginnen dabei auf der Innenseite des Rahmens 10, und laufen parallel zur Innenkante des Rahmens 10, bis sie jeweils eine Abwinkelung 34 erreichen und sich dort mit der eigentlichen Membranfläche 33 verbinden. Um diese Struk- turierung zu erreichen, weist das Substrat entsprechende Aus ¬ sparungen 31 auf.

Da sehr hohe Temperaturunterschiede zwischen der Temperatur des Rahmens 10 und Betriebstemperatur vorkommen, muss der Längenausdehnung der Membran 33 und dem entstehenden thermo- mechanischem Stress besondere Rechnung getragen werden. Dies geschieht durch die Aussparungen 31. Die Aussparungen gewährleisten eine federnde Aufhängung der Membran 33. Die Stege 32 nehmen mechanische Spannungen von der Membran 33 auf und verteilen diese über lange Federwege. Weiterhin agieren die Ste ¬ ge 32 selbstverständlich als Plattform für die elektrischen Zuleitungen auf die Membran 33.

Der gezeigte Aufbau erlaubt es, dass die hohen mechanischen Belastungen, die bei hohen Betriebstemperaturen auftreten, möglichst wenig zerstörerisch auf die Membran 33 wirken. Die mechanischen Belastungen ergeben sich dabei zum einen aus der hohen Differenz der Temperaturen zwischen dem Rahmen 10 und der Membran 33 und zum anderen aus unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den verschiedenen Materialien, aus denen die Membran 33 und die aufliegenden Schichten aufgebaut sind. Die unterschiedlichen Ausdehnungs- koeffizienten führen dabei zu einer Verwölbung der Membran 33. Die federnde Aufhängung durch die Stege 32 erlaubt der Membran 33 dabei eine relativ weitgehende Verformung. Die Ge ¬ samtausdehnung, die die Membran 33 durch die hohe Betriebstemperatur erfährt, kann ebenfalls sehr gut von den Stegen 32 abgefedert werden, indem sich die Membran beispielsweise leicht in ihrer Aufhängung über die Stege 32 verdreht. Die kritischen Werte für die mechanischen Belastungen werden dabei auch bei sehr hohen Betriebstemperaturen von 800 °C oder mehr nicht überschritten.

Ein besonderes Augenmerk ist bei den hohen Temperaturen im Betrieb auch auf die Haftung zwischen einzelnen Schichten des Aufbaus zu legen. Generell ist es notwendig, leitende Metall ¬ schichten aus beispielsweise Platin auf isolierendem Unter- grund aus beispielsweise Siliziumdioxid mit guter Haftfestig ¬ keit auch bei hohen Temperaturen aufzubringen. Da die Haftung von Platin auf Si02 unzureichend ist, werden hierzu haftvermittelnde Schichten benötigt. Die klassischen metallischen Haftvermittler wie Ti, Cr, W, Ta als dünne metallische

Schichten können hier nicht verwendet werden, da sie bei den hohen Temperaturen mit dem Pt legieren und auch nicht ausreichend oxidationsstabil sind. Hierzu werden vorteilhaft oxid ¬ ische Haftvermittler verwendet, beispielsweise Schichten aus stöchiometrischen Oxiden. Diese Schichten sind bevorzugt zwischen 50 nm und 200 nm dick. Vorteilhaft können die oxid ¬ ischen Haftvermittler weder nachoxidieren noch mit dem Platin legieren .

Es ist leicht ersichtlich, dass durch die beschriebenen Ausführungen eine leistungsfähige Infrarot-Lichtquelle mit einer Größe des beheizten Bereichs von 0,2 mm 2 weniger erlaubt. Die Heizleistung ist gegenüber herkömmlichen Substraten durch die starke thermische Isolation der Membran um etwa eine Größenordnung reduziert.

Weiterhin erlaubt die extrem kleine thermische Masse einen Betrieb, bei dem die Temperatur mit verhältnismäßig hoher Frequenz von 20 Hz oder mehr periodisch verändert wird.




 
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