CH684446A5

CH684446A5 - Passiver Infrarotbewegungsdetektor.

Info

Publication number: CH684446A5
Application number: CH254692A
Authority: CH
Inventors: Martin Forster; Peter Ryser
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1994-09-15
Also published as: EP0588073A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen passiven Infrarotbewegungsdetektor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Infrarotbewegungsdetektors.

Die Verwendung von passiven Infrarotbewegungsmeldern ist allgemein bekannt. Sie dienen zur Detektion von sich bewegenden, Infrarotstrahlung aussendenden Objekten, beispielsweise in Eindringüberwachungsanlagen. Solche Infrarotbewegungsmelder bestehen im allgemeinen aus einem pyro-elektrischen Strahlungsempfänger (Sensor), einer in Strahlungsrichtung davor angeordneten Optik (Spiegel oder Linsen) zur Bündelung der aus dem zu überwachenden Bereich eintreffenden Strahlung auf dem Detektor und einer Auswerteschaltung.

Die verwendeten pyroelektrischen Strahlungsempfänger (Sensoren) bestehen aus flächenförmig angeordneten Plättchen oder Folien aus pyroelektrischen Materialien mit an entgegengesetzten Flächen angeordneten Elektroden. Als pyroelektrische Materialien dienen beispielsweise zu dünnen Schichten geschliffene Plättchen aus Lithiumtantalat oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Folien aus Polyvinylidenfluorid (PVDF). Die Sensorelemente bilden Kondensatoren, die im allgemeinen eine Kapazität von etwa 10 pF aufweisen. Bei einer Temperaturänderung des pyroelektrischen Materials, beispielsweise als Folge der Absorption von Infrarotstrahlung, ändert sich die Polarisation des Materials. Die sich daraus ergebende Umverteilung von an der Oberfläche des Materials liegenden Ausgleichsladungen bewirkt das Fliessen eines Stromes im Sensorschaltkreis.

Die beim Eintritt eines Objekts, dessen Temperatur sich von der Temperatur der Umgebung unterscheidet, in einen zu überwachenden Raum auftretende Infrarotstrahlung wird durch eine fokussieren-de Optik (Spiegel oder Linse) auf den im Brennpunkt oder in der Nähe des Brennpunktes der Optik angeordneten Strahlungsempfänger geleitet. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Optik in der Weise in getrennte Elemente unterteilt ist, dass der zu überwachende Raum in diskrete Empfindlichkeitsbereiche (Überwachungsbereiche) unterteilt ist, wie es in der US-A1 3 703 718 vorgeschlagen wurde. Jedesmal wenn ein Eindringling einen der Empfindlichkeitsbereiche betritt oder diesen verlässt, ändert sich die auf den Strahlungsempfänger fallende Strahlung plötzlich, und diese plötzlichen Strahlungsänderungen ergeben eine erheblich verlässlichere Detektion eines Eindringlings, da die durch das Betreten oder Verlassen eines Empfindlichkeitsbereichs verursachte Signaländerung erheblich grösser ist als die durch die Bewegung eines Eindringlings innerhalb eines Bereichs verursachte Signaländerung.

Infrarot-Bewegungsmelder der beschriebenen Art sind beispielsweise in der CA-A 1 261 941, der EP-A1 0 218 055 und der EP-A2 0 209 385 geoffenbart. Ein Nachteil dieser Systeme besteht darin, dass die Baulänge der Infraroteindringdetektoren -durch die Länge der Brennweiten der Spiegel oder Linsen bedingt - ziemlich gross wird. Ein weiterer

Nachteil besteht darin, dass sie aus mehreren Teilen (z.B. Spiegeloptik, Fresnellinsen, Sensoren, Printplatte) bestehen, die aufeinander abgestimmt (justiert) werden müssen. Dies bewirkt eine komplizierte Herstellung des Melders und eine minimale Baugrösse kann nicht unterschritten werden.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher verwendeten Infrarotbewegungsdetektoren zu vermeiden und insbesondere solche Infrarotbewegungsdetektoren zu schaffen, die eine vereinfachte Herstellung ermöglichen und die klein und präzis sind.

Diese Aufgabe wird bei einem passiven Infrarotbewegungsdetektor der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und bei einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Detektors durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich bei dem passiven Infrarotbewegungsdetektor das Infrarotfilter oberhalb einer in einer Sili-ciumplatte zum Durchtritt einfallender Infrarotstrahlung angeordneten Öffnung; auf dem Infrarotfilter und fest damit verbunden ist die Fresnellinsen-Zo-nenoptik angeordnet, und auf der dem Infrarotfilter abgewandten Seite der Siliciumplatte sind eine Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht und Elektroden zum Ableiten der Signale angeordnet.

Gemäss weiteren bevorzugten Ausführungsformen befinden sich in der Fresnellinsen-Zonenoptik ein Druckausgleich und/oder an der Oberseite der Siliciumplatte ein Luftausgleich.

Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemässen passiven Infrarotbewegungsdetektors befindet sich zwischen der Siliciumplatte und der Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht eine Siliciumdioxidschicht und eine Edelmetallschicht, wobei sich die Edelmetallschicht in unmittelbarem Kontakt mit der Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht befindet. Vorzugsweise besteht die Edeimetallschicht aus Platin.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemässen passiven Infrarotbewegungsdetektors ist die Oberseite der Siliciumplatte und der nicht von der Siliciumplatte bedeckte Teil der Siliciumdioxidschicht von einer Absorberschicht bedeckt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Infrarotbewegungsdetektor,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Infrarotbewegungsdetektor gemäss Fig. 1 in vergrössertem Massstab,

Fig. 3 eine Draufsicht (von unten) auf einen pyroelektrischen Strahlungsempfänger, wie er in einem Infrarotbewegungsdetektor gemäss Fig. 1 verwendbar ist,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen pyroelektrischen Strahlungsempfänger gemäss Fig. 3, wie er

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in einem Infrarotbewegungsdetektor gemäss Fig. 1 verwendbar ist,

Fig. 5 eine elektrische Schaltung für einen pyroelektrischen Strahlungsempfänger, wie er in einem Infrarotbewegungsdetektor gemäss Fig. 1 verwendbar ist und

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Anordnung aus Fresnellinsen-Zonenoptik, IR-Filter und Si-PZT-Membran zur Herstellung eines pyroelektrischen Strahlungsempfängers wie er in einem Infrarotbewegungsdetektor gemäss Fig. 1 verwendbar ist.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässer Infrarotbewegungsdetektor im Querschnitt dargestellt. Der Infrarotbewegungsdetektor besteht im wesentlichen aus einem Sockel 1, welcher eine Kappe 3 trägt. Die Kappe 3, die den Innenraum des Infrarotbewegungsdetektors umschliesst, weist in ihrer oberen Abdeckung 5 eine Öffnung auf, in die eine Optik 7 zusammen mit einem Infrarotfilter 9 und einer einen Sensor tragenden Siliciumplatte 11 eingesetzt ist.

Der Sockel 1 bildet den unteren Abschluss des Innenraums des Infrarotbewegungsdetektors. Auf seiner Oberseite befindet sich ein Hybrid 13 und darauf ein angepasster, systemintegrierter Schaltkreis (ASIC) 15 oder ein Mikroprozessor. Die Verbindung zwischen der Siliciumplatte 11 mit dem Sensor und dem Hybrid 13 wird durch einen Kon-taktbügei 17 hergestellt. Die mechanische und elektrische Verbindung mit den anderen Bauteilen erfolgt über Kontaktstifte 19.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch den Infrarotbewegungsdetektor von Fig. 1 in einem vergrösserten Massstab, d.h. nur die aus Optik 7 und Siliciumplatte 11 mit dem Sensor bestehenden Baueinheit. Auf der in der Mitte eine zum Durchtritt von Infrarotstrahlung geeignete Aussparung 2 aufweisenden Siliciumplatte 11 befinden sich übereinander (in Fig. 2 von oben nach unten) eine Siliciumdioxidschicht 27, eine Platinschicht 29 und eine Schicht 31 aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT-Schicht), die den eigentlichen Infrarotsensor bildet. Auf der PZT-Schicht 31 befinden sich zwei Elektroden 33, welche die elektrischen Signale ableiten und über die Kontaktstifte 19 (Fig. 1) einer nicht dargestellten Auswerteschaltung zuführen.

Auf der den Elektroden 33 abgewandten Seite ist die Siliciumplatte 11 von einer Absorberschicht 25 bedeckt; darüber befindet sich eine das Infrarotfilter 9 bildende planparallele Platte. An der Oberseite der Siliciumscheibe 11 ist unterhalb des Infrarotfil-ters 9 ein Luftausgleich 23 vorgesehen. Auf der Oberseite des Infrarotfilters 9 ist eine Fresnellinsen-Zonenoptik 7 aufgeklebt, in der ein Druckausgleich 21 vorgesehen ist.

In Fig. 3 ist die Anordnung der Elektroden 33 auf der PZT-Schicht 31 zu erkennen. Die Elektroden 33 sind auf die PZT-Schicht 31 aufgedampft. Fig. 4 zeigt die Anordnung gemäss Fig. 3 im Querschnitt.

In Fig. 5 ist eine Schaltung für einen erfindungsgemässen Infrarotbewegungsdetektor dargestellt, der als sogenannter Dual-Sensor ausgebildet ist und zwei Sensorelemente 35 aufweist. Diese sind entgegengesetzt polarisiert seriell zueinander geschaltet. Parallel dazu ist ein Arbeitswiderstand 37

geschaltet. Als Verstärkerelement dient ein Feldeffekttransistor 39.

Die Herstellung eines pyroelektrischen Strahlungsempfängers für einen erfindungsgemässen Infrarotbewegungsdetektor kann gemäss folgendem Ausführungsbeispiel erfolgen:

BEISPIEL

Eine Siliciumplatte 11 geeigneter Grösse und Dicke (400 jim) wird zur Entfernung der Oxidschicht mit verdünnter Flusssäure gereinigt. Durch chemisches Aufdampfen wird eine 1 bis 2 (im dicke Siliciumdioxidschicht 27 aufgetragen, auf die eine dünne Platinschicht 29 aufgedampft wird.

Auf die so hergestellte Platinschicht 29 wird eine organische PZT-Lösung aufgesponnen, und das organische Lösungsmittel wird bei ca. 400°C durch Kurz-Wärmebehandlung verdampft. Diese Behandlung wird mehrfach wiederholt, bis eine ca. 1 um dicke PZT-Schicht 31 von amorphem Blei-Zirkonat-Titanat entstanden ist. Diese wird durch Aufheizen auf 600 bis 800°C zum Kristallisieren gebracht. Auf die PZT-Schicht 31 werden die Elektroden 33 aufgedampft. An der den Elektroden 33 abgewandten Seite der Siliciumplatte 11 werden etwa 300 um breite Schlitze in das Silicium eingesägt oder eingeschliffen, die später als Luftausgleich 23 dienen.

Dann wird auf die Rückseite der Siliciumplatte 11 an den Stellen, die nicht geätzt werden sollen, ein Fotolack aufgetragen, und an den nicht abgedeckten Stellen wird das Silicium bis auf die Siliciumdioxidschicht 27 anisotrop geätzt. Auf die geätzte Siliciumscheibe 11 wird eine Absorberschicht 25 aufgetragen, die an den Stellen, an denen das Silicium vollständig weggeätzt wurde, die Siliciumdioxidschicht 27 bedeckt. Auf die Absorberschicht 25 wird das Infrarotfilter 9 aufgeleimt. Dadurch, dass das Silicium teilweise weggeätzt worden ist, entstehen zwischen Infrarotfilter 9 und Siliciumdioxidschicht 27 Hohlräume, die über die in der Siliciumscheibe 11 angebrachten Schlitze den erwähnten Luftausgleich 23 herstellen. Auf das Infrarotfilter 9 wird eine Fresnellinsen-Zonenoptik-Modulplatte geleimt, und das gesamte Paket aus Siliciumplatte 11, Infrarotfilter 9 und Fresnellinsen-Zonenoptik-Mo-dulplatte wird in einzelne Chips zersägt, die dann in die Kappe 3 (Fig. 1) geleimt werden.

Getrennt von den bisher genannten Bauteilen wird der Hybrid 13 mit dem ASIC 15 auf den Sok-kel 1 geleimt und auf den Hybrid 13 wird der Kontaktbügel 17 zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen der PZT-Schicht 31 und dem ASIC 15 geleimt. Die Kappe 3 mit dem eingeleimten Chip (bestehend aus Siliciumplatte 11, Infrarotfilter 9 und Fresnellinsen-Zonenoptik 7) wird auf den Sockel 1 geschweisst und ergibt den fertigen passiven Infra-rotbewegu ngsmelder.

Abwandlungen dieses Infrarotbewegungsmelders und des Verfahrens zu seiner Herstellung sind im Rahmen der Erfindung gemäss den Patentansprüchen möglich und dem Fachmann geläufig.

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Claims

Patentansprüche

1. Passiver Infrarotbewegungsdetektor zur Detektion des Eindringens Infrarotstrahlung aussendender Objekte in zu überwachende Räume, mit einem Infrarotsensor und einer in Strahlenrichtung davor angeordneten Fresnellinse zur Bündelung der Infrarotstrahlung auf den Infrarotsensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor durch einen mit einem Infrarotfilter (9) versehenen pyroelektrischen Strahlungsempfänger (31) mit mehreren pyroelektrischen Flächen gebildet, und dass der Strahlungsempfänger starr mit einer Fresnellinsen-Zonenoptik (7) verbunden ist.

2. Passiver Infrarotbewegungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Infrarotfilter (9) oberhalb einer in einer Siliciumplatte (11 ) zum Durchtritt von einfallender Infrarotstrahlung angeordneten Öffnung (2) befindet, dass auf dem Infrarotfilter und fest damit verbunden die Fresnel-linsen-Zonenoptik (7) angeordnet ist, und dass auf der dem Infrarotfilter abgewandten Seite der Siliciumplatte eine Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht (31) und Elektroden (33) angeordnet sind.

3. Passiver Infrarotbewegungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Fresnellinsen-Zonenoptik (7) ein Druckausgleich (21) und an der Oberseite der Siliciumplatte (11) ein Luftausgleich (23) befinden.

4. Passiver Infrarotbewegungsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Siliciumplatte (11) und der Blei-Zirko-nat-Titanat-Schicht (31) eine Siliciumdioxidschicht (27) und eine Edelmetallschicht (29) vorgesehen sind, wobei sich die Edelmetallschicht in unmittelbarem Kontakt mit der Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht befindet.

5. Passiver Infrarotbewegungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallschicht (29) aus Platin besteht.

6. Passiver Infrarotbewegungsdetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Edelmetallschicht (29) abgewandte Seite der Siliciumplatte (11 ) und der nicht von der Siliciumplatte bedeckte Teil der Siliciumdioxidschicht (27) von einer Absorberschicht (25) bedeckt sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines passiven Infrarotbewegungsdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine von Oxid befreite Oberfläche einer Siliciumplatte (11) durch chemisches Aufdampfen eine dünne Siliciumdioxidschicht (27) aufgetragen und dass diese mit einer dünnen Edelmetallschicht (29) überzogen wird, dass durch wiederholtes Auftragen einer organischen Blei-Zirkonat-Titanat-Lösung und Verdampfen des Lösungsmittels auf die Edelmetallschicht eine dünne Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht (31) aufgetragen und diese durch Aufheizen auf eine Temperatur von über 400°C zum Kristallisieren gebracht wird, dass auf die Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht zwei Elektroden (33) aufgedampft und in die den Elektroden entgegengesetzte Oberfläche der Siliciumplatte Schlitze in der Weise eingesägt werden, dass sie beim Infrarotbewegungsdetektor als Luftausgleich (23) dienen können, dass auf dieselbe Oberfläche der Siliciumplatte ein Fotolack aufgetragen und in der Weise belichtet wird, dass nach Entfernen der nichtbelichteten Stellen annähernd quadratische Flächen auf der Siliciumplatte bleiben, dass diese Stellen anisotrop bis auf die Siliciumdioxidschicht geätzt werden, dass auf die freigelegten Silicium-dioxidflächen und die verbleibenden Stege der Siliciumplatte eine Absorberschicht (25) aufgetragen, eine Infrarotfilterplatte (9) über die Siliciumplatte gelegt und über der Absorberschicht auf die verbleibenden Stege der Siliciumplatte aufgeleimt wird, dass auf die Infrarotfilterplatte über die aus der Siliciumplatte herausgeätzten Öffnungen eine Fresnel-linsen-Zonenoptikplatte (7) aufgeleimt und die Kombination aus Siliciumplatte, Infrarotfilterplatte und Fresnellinsen-Zonenoptikplatte in einzelne Chips zersägt wird, die jeweils in die obere Öffnung einer Kappe (3) geleimt werden, und dass ein Hybrid (13) mit Elektronikbausteinen (15) auf einen Transistorsockel (1) und auf den Hybrid ein Kontaktbügel (17) geleimt und der Transistorsockel mit dem Chip in die untere Öffnung der Kappe geschweisst wird.

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