[發明專利]迂回式紅外傳感器

有效

• 申請號: 201380056207.4
• 申請日: 2013-08-29
• 公開（公告）號: CN104781641B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: F·普爾科利;G·亞馬;A·費伊;G·奧布賴恩
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司;F·普爾科利;G·亞馬;A·費伊;G·奧布賴恩
• 主分類號: G01J5/04
• 分類號: G01J5/04;G01J5/02;G01J5/06;G01J5/20;G01J5/08
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 郭毅

相關申請的交叉引用

本專利申請要求2012年8月31提交的美國臨時申請61/695,361的優先權，其全部內容在此通過引用并入本文。

技術領域

本發明涉及一種傳感器裝置以及一種制造這樣的裝置的方法。

背景技術

根據熟知為普朗克輻射定律、史蒂芬-玻爾茲曼定律和維恩位移定律的定律，處于任何非零溫度的物體輻射可描述為電磁波或光子的電磁能。維恩位移定律認為物體輻射的最長的波長(λ_max)與物體的溫度大致成反比，大致描述為下述公式：

由此，對于具有接近室溫的溫度的物體，發出的電磁輻射的大部分位于紅外區內。由于CO₂、H₂O以及其他氣體和材料的存在，地球大氣吸收具有特定波長的電磁輻射。然而，測量表明存在這樣的“大氣窗”，在所述“大氣窗”處吸收是最少的。這樣的“窗”的一個示例為8μm-12μm的波長區。另一個窗出現在3μm-5μm的波長范圍處。通常而言，具有接近室溫的溫度的物體發出波長接近10μm的輻射。因此，由接近室溫的物體發出的電磁輻射僅僅最少地被地球大氣吸收。相應地，高于或低于周圍室溫的物體的存在的檢測通過利用能夠測量由這樣的物體發出的電磁輻射的檢測器被容易地實現。

電磁輻射檢測器的一種常規應用是用于當人或車輛接近時自動通電的車庫門燈。另一應用是熱成像。在可能在用于駕駛員輔助的夜視系統中所使用的熱成像中，來自場景的電磁輻射被聚焦到檢測器陣列(array of detectors)上。熱成像區別于以下技術：所述技術利用光電倍增器來放大已有的任何量的微弱可見光或利用近紅外(～1μm波長)照明和近紅外攝像機。

電磁輻射檢測器的兩種類型為“光子檢測器”和“熱檢測器”。光子檢測器通過利用所述光子來激發材料中的電荷載體從而檢測入射光子。然后材料的激發通過電子的方式檢測。熱檢測器也檢測光子。然而，熱檢測器利用所述光子的能量來增加部件的溫度。通過測量溫度方面的變化，可以確定產生溫度方面的變化的光子的強度。

在熱檢測器中，進入光子引起的溫度變化可利用與溫度相關的電阻器(熱敏電阻)、熱釋電效應、熱電效應、氣體膨脹和其他方法來測量。熱檢測器的一個優點、特別是對于長波長紅外檢測的一個優點在于：熱檢測器不像光子檢測器，熱檢測器無需低溫冷卻來實現可接受的水平的性能。

一種類型的熱傳感器被熟知為“輻射熱測量計(bolometer)”。盡管“輻射熱測量計”這一詞的詞源覆蓋了任何用于測量輻射的裝置，但輻射熱測量計一般理解為依靠熱敏電阻來檢測長波長紅外窗(8μm-12μm)中或中波長紅外窗(3μm-5μm)中的輻射的熱檢測器。

輻射熱測量計的靈敏度隨著傳感器相對于周圍環境的更好的熱隔離性、隨著更高的紅外吸收系數、隨著更高的電阻溫度系數、隨著更高的電阻以及隨著更高的偏置電流(bias current)而大體上增加。由此，由于輻射熱測量計必須首先吸收入射電磁輻射以誘導溫度方面的變化，所以輻射熱測量計中的吸收體的效率與輻射熱測量計的靈敏度和準確度相關。理想情況下，期望入射電磁輻射的接近100％的吸收。理論上，位于光學厚度d的電介質或真空間隙之上的、其薄片電阻(sheet resistance)(單位為：歐姆每平方米)等于自由空間的特性阻抗的金屬膜對于波長4d的電磁輻射將具有100％的吸收系數。下述關系式為自由空間的特性阻抗(Y)的表達式：

其中，ε₀為真空介電常數，并且μ₀為真空磁導率。

自由空間的特性阻抗的數值接近377歐姆。所述間隙的光學長度定義為“nd”，其中，n為電介質、空氣或真空的折射率。

在過去，微電機系統(MEMS)已經在各種應用中證實為有效的解決方案，這是由于MEMS裝置所表現出的靈敏度、空間和時間分辨率以及低功率要求。一個這樣的應用是作為輻射熱測量計。已知的輻射熱測量計使用用作吸收體和機械支承的支承材料。通常，支承材料為氮化硅。熱敏膜形成在吸收體上以用作熱敏電阻。具有所附的熱敏電阻的吸收體結構通過具有高熱阻的懸掛臂錨定在襯底上從而使入射電磁輻射產生傳感器上的溫度的大幅增加。