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WO2004102139A1 - Infrared sensor with improved radiant yield - Google Patents

Infrared sensor with improved radiant yield Download PDF

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Publication number
WO2004102139A1
WO2004102139A1 PCT/DE2004/000971 DE2004000971W WO2004102139A1 WO 2004102139 A1 WO2004102139 A1 WO 2004102139A1 DE 2004000971 W DE2004000971 W DE 2004000971W WO 2004102139 A1 WO2004102139 A1 WO 2004102139A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carrier substrate
sensor according
radiation
radiation sensor
layer
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/000971
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marion Simon
Wilhelm Leneke
Mischa Schulze
Karlheinz Storck
Jörg SCHIEFERDECKER
Stephan Karl
Original Assignee
Heimann Sensor Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heimann Sensor Gmbh filed Critical Heimann Sensor Gmbh
Priority to JP2006529594A priority Critical patent/JP4685019B2/en
Publication of WO2004102139A1 publication Critical patent/WO2004102139A1/en

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Definitions

  • the present invention relates to a radiation sensor, for example for non-contact temperature measurement or infrared gas spectroscopy.
  • thermometers A large number of techniques for measuring temperatures are known which take advantage of a large number of effects in measurement, in which physical or chemical substance properties show a temperature dependence. Almost all processes are based on heat transfer to the sensor or sensor. In the case of so-called touch thermometers, this heat transport takes place by conduction and convection, in the case of non-contact thermometers (radiation thermometers) by heat radiation.
  • the contact thermometers generally work very reliably and are usually simple and inexpensive to manufacture, their area of use is nevertheless restricted. For example, due to the material properties of the sensor, there is an upper temperature limit above which the sensor can no longer be operated. In addition, the contact thermometers are unsuitable for measuring the temperature of quickly moving or difficult to access objects.
  • thermometers which ideally have an absorption capacity that is independent of the wavelength and which heat up when the radiation (infrared radiation) strikes it, so that the heating of the adsorption element can serve as evidence of the emitted infrared radiation.
  • Radiation thermometers or so-called radiation pyrometers generally have optics, a detector with an absorption element and a housing which mechanically and thermally protects the optics and detector.
  • the infrared radiation emitted by the measurement object is imaged on an absorbing surface by suitable windows or optical components, this surface experiencing a temperature increase due to the absorption.
  • this method can in principle also be used to measure temperatures which are below the temperature of the detector. In this case, however, the temperature drop is greater than the temperature due to the self-radiation of the absorption element. increase due to the absorption of the detected radiation, so that a total decrease in temperature of the absorber element occurs.
  • the temperature increase or temperature difference can then be measured in different ways.
  • the thermistor Bolornetem one measures the change of the electrical resistance, with the thermocouples the voltage at the contact point of two metal wires, with the pyroelectric detectors a charge shift which arises with a temperature change of special insulator crystals.
  • thermocouples use the so-called Seebeck effect to detect the elevated temperature.
  • the connection point of a thermocouple made of two different thermoelectric materials is brought into contact with the absorber area, while the reference contact is generally at the temperature of the sensor housing. Since the sensor output voltages of such thermocouples are very low, many such thermocouples are often connected in series. Such a series connection of a large number of thermocouples is also referred to as a thermopile or thermopile.
  • miniaturized radiation sensors it is therefore particularly important for the miniaturized radiation sensors to achieve the highest possible absorption of the infrared radiation in the absorber system and to isolate the absorber surface thermally as well as possible from the surroundings in order to generate the greatest possible temperature increase and thus a large sensor output signal.
  • Radiation sensors are therefore already known with a detector designed as a chip, which consists of a support body with a recess and an absorber element, which absorbs radiation and is thereby heated, the absorber element being arranged above the recess, so that at least a section of the absorber element supports the support body not touched.
  • a membrane with very low thermal conductivity which essentially conceals the recess, is often arranged and the absorber element is positioned on the membrane. This ensures that the absorber element is largely thermally decoupled from the support body.
  • the known infrared sensors are mainly manufactured using silicon micromechanics and mounted in standard housings in electrical engineering.
  • EP 0 599 364 describes an infrared radiation detector in which the various chips, for example a thermopile array with an ASIC (application-specific circuit) for signal preprocessing and a memory IC on the base plate of a TO (transistor Outline) housing base are mounted.
  • the known TO housings have glazed pins for contacting and can therefore only be mounted on printed circuit boards in push-through contacting.
  • Modern SMD (Surface Mounted Device) mounting technology is not possible with this.
  • the infrared detector described in US Pat. No. 5,693,942 is also arranged in a TO housing, which must be mounted on printed circuit boards by means of push-through contacting.
  • the embodiment shown here has an additional recess in the housing base plate below the sensitive surface of the sensor chip.
  • the cutout which can also be designed to be reflective, serves to increase the distance between the absorber element and the carrier substrate in order to increase the sensitivity of the infrared sensor.
  • thermopile sensors available on the market each use a metal pin housing with a metal cap.
  • An optical element for example an infrared filter, is provided in the cap. Part of the infrared radiation falls through the infrared filter in the cap onto the area next to the sensor element, which usually consists of a metallic and thus also reflective TO bottom plate. These radiation components are reflected back to the absorber by multiple reflection on the housing wall or the metallic cap. These multiple reflections lead to an enlargement of the measuring spot, which is undesirable in those measuring arrangements which aim at the radiation or temperature measurement of a spatially limited measurement object. This is the normal case for non-contact temperature measurement.
  • the known solutions with a metal pin housing can only be contacted by means of a push-through contact on the next wiring level. This can be done, for example, by soft soldering. With the known solutions, SMD assembly techniques cannot be implemented.
  • a radiation sensor which has a detector, preferably a detector chip, consisting of a support body with a recess and an absorber element which absorbs radiation and is thereby heated, the absorber element being arranged above the recess, so that at least a section of the absorber element does not touch the support body and at least the base or the bottom surface the recess in the support body consists at least partially of a material which reflects the radiation to be detected.
  • a detector preferably a detector chip, consisting of a support body with a recess and an absorber element which absorbs radiation and is thereby heated, the absorber element being arranged above the recess, so that at least a section of the absorber element does not touch the support body and at least the base or the bottom surface the recess in the support body consists at least partially of a material which reflects the radiation to be detected.
  • This material which is preferably selected in such a way that it has practically no self-absorption and almost no transmission, reflects the radiation component that has passed through the absorber element back to the latter, in order to ensure that the reflected radiation component transmitted by the absorber element also increases the temperature of the Absorber element contributes.
  • the reflective layer or the reflective material can be arranged directly on or on the base or the bottom surface of the recess.
  • the recess in the support body is continuous, so that the absorber element is arranged directly above the material arranged under the support body.
  • At least the base or the bottom surface of the recess consists at least partially of a metallic material, preferably of gold.
  • the layer reflecting the radiation to be detected is advantageously designed as a layer and has a thickness of less than 2 ⁇ m.
  • the radiation sensor has a housing which consists of a carrier substrate and a cap with an opening which is designed such that the radiation to be detected can pass through the opening, the detector chip being arranged in the housing in this way, that the radiation passing through the opening at least partially strikes the absorber element.
  • the carrier substrate consists of a base material that is not electrically conductive. This feature in particular makes it possible to design the radiation sensor as an SMD (Surface Mounted Device).
  • SMD Surface Mounted Device
  • the carrier substrate advantageously consists of a ceramic base material, preferably of oxide ceramic or AIN ceramic.
  • the metal layer can then advantageously be formed by printed conductor and insulation tracks, preferably made of silver-palladium or silver-platinum.
  • the carrier substrate can also consist of an organic material, for example epoxy, Pertinax or polyimide, preferably FR2, FR3 or FR4.
  • the metal layer expediently consists of a metal layer laminated or additively applied with a thickness of preferably between approximately 20 and 150 ⁇ m, the metal layer preferably consisting of copper.
  • the carrier substrate has a radiation-absorbing layer as the uppermost layer around the support body, the radiation-absorbing layer being, for example, an organic lacquer, a photoresist or a solder resist.
  • the radiation-absorbing layer being, for example, an organic lacquer, a photoresist or a solder resist.
  • the carrier substrate has a marking which is arranged outside the cap, the marking being designed such that automatic positioning systems use the marking to provide orientation and / or can position the sensor.
  • the marking is advantageously arranged in the metallic layer.
  • the radiation-absorbing layer if it is present, does not extend over the entire carrier substrate, but rather leaves the metallic layer outside the cap at least partially uncovered, so that the marking can be arranged in the metallic layer.
  • connection contacts for the transmission of the detector signal from the housing are provided on the underside of the carrier substrate, ie on the side facing away from the cap.
  • the detector element is then advantageously connected to the connection contacts via metallized through-holes, so-called VIAs, through the carrier substrate, the connection contacts then preferably being designed as solder bumps.
  • VIAs metallized through-holes
  • the metallic layer and / or the radiation-absorbing layer, if these are present is advantageously interrupted in the immediate vicinity of the through holes. This creates a defined contact between the detector chip and the connection contact.
  • FIG. 1 shows a radiation sensor according to the invention in a top view from above with the cap removed
  • FIG. 2 shows a sectional view through the radiation sensor from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the radiation sensor according to the invention, in which the carrier substrate is designed as a direct plug connector
  • Figure 4 shows a further alternative embodiment of the radiation sensor according to the invention, in which a plug connector is arranged on the top of the carrier substrate
  • Figure 5 shows a further alternative embodiment of the radiation sensor according to the invention, in which the carrier substrate is designed as a flex or rigid-flex circuit board, and that End of the circuit board is designed as a direct connector with direct connector contacts.
  • FIGS. 1 and 2 The basic structure of the temperature sensor according to the invention is shown in FIGS. 1 and 2.
  • a detector chip 2 which here has a thermopile element, a silicon circuit 3 and a temperature reference 4 for measuring the ambient temperature are fastened with good thermal contact to a carrier substrate 1, which is either made of an organic circuit board material or a ceramic, such as oxide ceramic or AIN -Ceramic, exists.
  • the temperature reference 4 can optionally also be integrated in the silicon circuit 3, which can be designed, for example, as an application-specific integrated circuit with an amplifier and compensation circuit, as a so-called ASIC.
  • This circuit represents the first stage for signal conditioning.
  • the detector chip also has several elements which, for. B. are arranged in the form of a line or matrix.
  • the individual components 2, 3 and 4 are preferably mounted on the carrier substrate 1 with the aid of a conductive adhesive, for example a silver-filled epoxy adhesive.
  • a conductive adhesive for example a silver-filled epoxy adhesive.
  • soldering the chip components with a tin-lead solder or with a lead-free solder is also possible.
  • the detector chip 2, the temperature reference element 4 and the silicon circuit 3 are electrically conductively connected to the connection contact surfaces 6 of the carrier substrate 1 by means of thin bond wires 5.
  • the carrier substrate 1 has a metallization 11.
  • the detector chip 2 is mounted on a support body 17 which has a recess 18.
  • the absorber element 19 of the detector chip 2 is arranged above the recess 18 of the support body 17 such that the absorber element 19 has no contact with the support body 17, at least in some areas.
  • the metallization 11 is equipped with a very well reflective coating 7, which can be designed, for example, as a thin, galvanically or chemically applied gold layer. Such a coating can be implemented inexpensively, since it is one of the standard processes in the production of printed circuit boards.
  • the carrier substrate 1 consists of an organic carrier substrate material, such as FR2, FR3, FR4 or polyimide, a laminated or additively applied metal layer 11, preferably between about 20 and 150 ⁇ m thick, is placed under the detector chip 2, under the temperature reference 4 or arranged under the silicon circuit 3 up to the cap contact surface.
  • a laminated or additively applied metal layer preferably between about 20 and 150 ⁇ m thick
  • the copper layer usually present in printed circuit boards can be used as the metal layer.
  • the metal layer 11 advantageously consists of a printed conductor track, for example of silver-palladium or silver-platinum.
  • the metal layer 11 is coated with an absorbent layer 8 around the chip elements 2, 3 and 4 as well as around the contact surfaces 6 and the circular segment surface for the cap assembly.
  • the absorbent layer 8 can, for example, consist of a solder resist, preferably in the case of organic substrate material or a printed insulation layer, preferably in the case of ceramic substrates. This ensures that undesired radiation components that fall next to the absorber element 19 on the substrate surface are not reflected, but are absorbed by the absorption layer 8. This measure counteracts an increase in the size of the measuring spot.
  • a metallic cap 9, which consists for example of steel, nickel, measurement or copper, is mounted on the carrier substrate 1 in a gas-tight manner.
  • the metallic cap 9 has an opening 21 with an infrared filter 10 is covered, which is preferably optically coated.
  • the filter 10 can be installed in the cap 9, for example by gluing, soft soldering or diffusion welding.
  • the connection 12 between the cap 9 on the one hand and the carrier substrate 1 on the other hand can advantageously be made by soft soldering or by gluing.
  • the connection medium 12 between the cap 9 and the carrier substrate 1 is preferably selected depending on the application in such a way that either an electrical contact and thus a good thermal connection between the cap 9 and the metal layer 11 or an electrically insulated assembly is realized.
  • metallic soft solder is advantageously used and in the second case dielectric filled epoxy resin adhesive is used.
  • connection contact surfaces 6, as can be clearly seen in FIG. 2, are connected through lead-through holes 13, which are also referred to as vias, in the carrier substrate 1 to the connection contacts 14, which are designed here as solder bumps.
  • the through holes 13 are metallized on the walls and are sealed gas-tight from the bottom, for example with the aid of a drop of adhesive 15 or a solder seal with a solder ball, after completion of the assembly. This closure ensures that the sensor and thus the detector element 2 is protected against environmental influences, such as moisture, aggressive gases, etc.
  • the closure takes place under a defined gas atmosphere, for example in the case of a dry nitrogen atmosphere or noble gas atmosphere, in order to ensure a defined gas and moisture ratio in the interior.
  • a defined gas atmosphere for example in the case of a dry nitrogen atmosphere or noble gas atmosphere, in order to ensure a defined gas and moisture ratio in the interior.
  • solder balls 14 arranged on the underside of the carrier substrate 1 make it easy to make contact with the sensor element with the next wiring level or with a plug connector or with a flexible printed circuit board which acts as intermediate wiring.
  • the metallizations of the through holes 13 are guided to the solder bumps 14 printed on.
  • a surface mount device (SMD) has been realized.
  • SMD surface mount device
  • BGA ball grid array
  • PBGA plastic ball grid array
  • the most permanent contact of the sensor element with the next wiring level which in most applications consists of a printed circuit board, can be achieved by automatically re-melting the solder bump, ie by re-melting the printed circuit board with the BGA the so-called reflow soldering.
  • ball grid array bases could also be used for contacting for the sensor test or even for final assembly.
  • the asymmetrical marking 16 which is produced, for example, using the metallization 11, can be clearly seen in FIG.
  • This asymmetrical marking 16 enables automatic detection and positioning of the sensor by means of commercially available placement and test machines.
  • the marking can be on the top, i.e. on the cap side of the carrier substrate and also on the underside on the carrier substrate 1, the arrangement of the marking on the top of the carrier substrate 1 being particularly preferred.
  • the sensor element according to the invention fulfills all the requirements that are placed on an SMD component.
  • the carrier substrate 1 if a standardized printed circuit board is selected as the carrier substrate 1, for example, further external components can also be applied to the front or the back of the carrier substrate 1. This can be particularly advantageous if the additional components have a high electrical power loss, which can lead to thermal influencing of the infrared sensor chip.
  • the carrier substrate 1 designed as a printed circuit board can also be designed in such a way that other contacts to the next wiring level are possible.
  • the carrier substrate 1 can be equipped as a printed circuit board with contacts 23 for direct plug connectors 22 (see FIG. 3), - the carrier substrate 1 can be equipped as a printed circuit board with a plug connector 24, which can be located on the upper or lower side of the carrier substrate (see FIG 4)
  • the carrier substrate 1 can be designed as a printed circuit board, which is designed as a flex or rigid-flex printed circuit board and the end of the printed circuit board is designed as a direct connector 22 with direct connector contacts 23 (see FIG. 5). LIST OF REFERENCES

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Abstract

The invention relates to a radiation sensor, for example for the non-contact temperature measurement or infrared gas spectroscopy, comprising a detector chip (2), with a support body (17) which has a recess (18) and an absorber element (19) which absorbs radiation and is thus heated, whereby the absorber element (19) is arranged over the recess (18), such that at least a section of the absorber element (19) is not in contact with the support body (17) and the support body (17) is mounted on a support substrate (1). According to the invention, a radiation sensor, comprising a detector, preferably a detector chip, with a support body which has a recess and an absorber element which absorbs radiation and is thus heated, whereby the absorber element is arranged over the recess, such that at least a section of the absorber element is not in contact with the support body and whereby at least the base or the floor surface of the recess in the support body at least partly comprises a material which reflects the radiation for detection, can be provided, whereby at least the base or the floor surface of the recess (18) at least partly comprises a material (7) which reflects the radiation for detection and under which the support substrate (1) is located.

Description

Infrarotsensor mit verbesserter Strahlungsausbeute Infrared sensor with improved radiation yield
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungssensor, zum Beispiel für die berührungslose Temperaturmessung oder die Infrarot-Gasspektroskopie.The present invention relates to a radiation sensor, for example for non-contact temperature measurement or infrared gas spectroscopy.
Es sind eine Vielzahl von Techniken zur Messung von Temperaturen bekannt, die eine große Zahl von Effekten meßtechnisch ausnutzen, bei denen physikalische oder chemische Stoffeigenschaften eine Temperaturabhängigkeit zeigen. Dabei beruhen nahezu alle Verfahren auf einem Wärmetransport zum Meßfühler bzw. Sensor. Bei sogenannten Berührungsther ometem erfolgt dieser Wärmetransport durch Wärmeleitung und Konvektion, bei den berührungslosen Thermometern (Strahlungsthermometern) durch Wärmestrahlung.A large number of techniques for measuring temperatures are known which take advantage of a large number of effects in measurement, in which physical or chemical substance properties show a temperature dependence. Almost all processes are based on heat transfer to the sensor or sensor. In the case of so-called touch thermometers, this heat transport takes place by conduction and convection, in the case of non-contact thermometers (radiation thermometers) by heat radiation.
Auch wenn die Berührungsthermometer im allgemeinen sehr zuverlässig arbeiten und meist einfach und kostengünstig herzustellen sind, ist ihr Einsatzgebiet dennoch eingeschränkt. So gibt es beispielsweise bedingt durch die Materialeigenschaften des Meßfühlers eine obere Temperaturgrenze, oberhalb derer der Meßfühler nicht mehr betrieben werden kann. Darüber hinaus sind die Berüh- rungsthermometer ungeeignet, die Temperatur von schnell bewegten oder schwer zugänglichen Objekten zu messen.Even though the contact thermometers generally work very reliably and are usually simple and inexpensive to manufacture, their area of use is nevertheless restricted. For example, due to the material properties of the sensor, there is an upper temperature limit above which the sensor can no longer be operated. In addition, the contact thermometers are unsuitable for measuring the temperature of quickly moving or difficult to access objects.
Daher kommen in vielen Anwendungsgebieten berührungslose Meßverfahren zum Einsatz, die auf der Temperaturstrahlung beruhen. Jede Oberfläche mit einer Temperatur T > 0 K sendet elektro- magnetische Strahlung aus, die sogenannte Temperaturstrahlung. Trifft eine von einer Oberfläche ausgehende Strahlung auf eine andere Oberfläche, so wird sie teilweise reflektiert, absorbiert oder durchgelassen. Daher werden bei Strahlungsthermometern Absorptionselemente eingesetzt, die idealerweise eine von der Wellenlänge unabhängige Absorptionsfähigkeit aufweisen und die sich beim Auftreffen der Strahlung (Infrarotstrahlung) erwärmen, so daß die Erwärmung des Adsorpti- onselements als Nachweis für die emittierte Infrarotstrahlung dienen kann.For this reason, non-contact measurement methods based on thermal radiation are used in many areas of application. Every surface with a temperature T> 0 K emits electromagnetic radiation, the so-called temperature radiation. If radiation emanating from one surface strikes another surface, it is partially reflected, absorbed or transmitted. For this reason, absorption elements are used in radiation thermometers, which ideally have an absorption capacity that is independent of the wavelength and which heat up when the radiation (infrared radiation) strikes it, so that the heating of the adsorption element can serve as evidence of the emitted infrared radiation.
Strahlungsthermometer oder sogenannte Strahlungspyrometer weisen im allgemeinen eine Optik, einen Detektor mit einem Absorptionselement sowie ein Gehäuse auf, das Optik und Detektor mechanisch und thermisch schützt. Bei diesen Sensoren wird die von dem Meßobjekt ausgesandte Infrarotstrahlung durch geeignete Fenster oder optische Komponenten auf einer absorbierenden Fläche abgebildet, wobei diese Fläche aufgrund der Absorption eine Temperaturerhöhung erfährt. Es versteht sich, daß prinzipiell mit diesem Verfahren auch Temperaturen gemessen werden können, die unterhalb der Temperatur des Detektors liegen. In diesem Fall ist jedoch die Temperaturerniedrigung, aufgrund der Eigenabstrahlung des Absorptionselements größer als die Temperatur- erhöhung aufgrund der Absorption der erfaßten Strahlung, so daß insgesamt eine Temperaturerniedrigung des Absorberelements auftritt.Radiation thermometers or so-called radiation pyrometers generally have optics, a detector with an absorption element and a housing which mechanically and thermally protects the optics and detector. In these sensors, the infrared radiation emitted by the measurement object is imaged on an absorbing surface by suitable windows or optical components, this surface experiencing a temperature increase due to the absorption. It goes without saying that this method can in principle also be used to measure temperatures which are below the temperature of the detector. In this case, however, the temperature drop is greater than the temperature due to the self-radiation of the absorption element. increase due to the absorption of the detected radiation, so that a total decrease in temperature of the absorber element occurs.
Die Temperaturerhöhung bzw. Temperaturdifferenz kann anschließend auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Bei den Therrnistor-Bolornetem mißt man die Änderung des elektrischen Widerstands, bei den Thermoelementen die Spannung an der Kontaktstelle zweier Metalldrähte, bei den pyroelektrischen Detektoren eine Ladungsverschiebung, die bei einer Temperaturänderung spezieller Isolatorkristalle entsteht.The temperature increase or temperature difference can then be measured in different ways. With the thermistor Bolornetem one measures the change of the electrical resistance, with the thermocouples the voltage at the contact point of two metal wires, with the pyroelectric detectors a charge shift which arises with a temperature change of special insulator crystals.
Die Thermoelemente nutzen die sogenannten Seebeck-Effekt zum Nachweis der erhöhten Temperatur aus. Dabei wird der Verbindungspunkt eines Thermopaares aus zwei verschiedenen thermo- eleketrischen Materialien in Kontakt mit dem Absorberbereich gebracht, während sich der Referenzkontakt im allgemeinen auf der Temperatur des Sensorgehäuses befindet. Da die Sensorausgangsspannungen solcher Thermoelemente sehr gering sind, werden häufig viele solcher Thermoelemen- te in Reihe geschaltet. Eine solche Reihenschaltung einer Vielzahl von Thermoelementen wird auch als Thermosäule bzw. Thermopile bezeichnet.The thermocouples use the so-called Seebeck effect to detect the elevated temperature. The connection point of a thermocouple made of two different thermoelectric materials is brought into contact with the absorber area, while the reference contact is generally at the temperature of the sensor housing. Since the sensor output voltages of such thermocouples are very low, many such thermocouples are often connected in series. Such a series connection of a large number of thermocouples is also referred to as a thermopile or thermopile.
In den letzten Jahren wurden auf vielen technologischen Gebieten große Anstrengungen unternommen, elektrische und elektronische Bauteile zu miniaturisieren, wobei sie möglichst mit bekann- ten standardisierbaren Prozessen kostengünstig herzustellen sein sollen. Die zunehmende Miniaturisierung führt bei den Strahlungssensoren zu einer kleineren Absorberfläche und damit zu einer geringeren Temperaturerhöhung, was wiederum zu einem geringeren Signal und damit zu einer reduzierten Auflösung führt.In recent years, great efforts have been made in many technological fields to miniaturize electrical and electronic components, whereby they should be inexpensive to manufacture as far as possible using known standardized processes. The increasing miniaturization of the radiation sensors leads to a smaller absorber area and thus to a lower temperature increase, which in turn leads to a lower signal and thus to a reduced resolution.
Daher ist es gerade bei den miniaturisierten Strahlungssensoren wichtig, eine möglichst hohe Absorption der Infrarotstrahlung im Absorbersystem zu erzielen und die Absorberfläche möglichst gut thermisch von der Umgebung zu isolieren, um eine möglichst große Temperaturerhöhung und damit ein großes Sensorausgangssignal zu erzeugen.It is therefore particularly important for the miniaturized radiation sensors to achieve the highest possible absorption of the infrared radiation in the absorber system and to isolate the absorber surface thermally as well as possible from the surroundings in order to generate the greatest possible temperature increase and thus a large sensor output signal.
Bekannt sind daher bereits Strahlungssensoren mit einem als Chip ausgebildeten Detektor, der aus einem Tragkörper mit einer Ausnehmung und einem Absorberelement besteht, das Strahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt, wobei das Absorberelement über der Ausnehmung angeordnet ist, so daß zumindest ein Abschnitt des Absorberelements den Tragkörper nicht berührt. Zu diesem Zweck ist häufig eine Membran mit sehr geringer thermischer Leitfähigkeit, die Ausneh- mung im wesentlichen verdeckend, angeordnet und das Absorberelement auf der Membran positioniert. Dadurch ist sichergestellt, daß das Absorberelement von dem Tragkörper weitestgehend thermisch entkoppelt ist. Die bekannten Infrarotsensoren werden hauptsächlich mittels Silizium-Mikromechanik hergestellt und in Standardgehäusen der Elektrotechnik montiert. So ist beispielsweise in der EP 0 599 364 ein Infrarot-Strahlungsdetektor beschrieben, bei dem die verschiedenen Chips, zum Beispiel ein Ther- mopile-Array mit einem ASIC (anwendungsspezifischer Schaltkreis) zur Signalvorverarbeitung und ein Speicher-IC auf der Bodenplatte eines TO (Transistor Outline)-Gehäusebodens montiert sind. Die bekannten TO-Gehäuse haben jedoch eingeglaste Stifte zur Kontaktierung und lassen sich deshalb nur in Durchsteckkontaktierung auf Leiterplatten montieren. Eine moderne SMD (Surface Mounted Device)-Montagetechnik ist hiermit nicht möglich.Radiation sensors are therefore already known with a detector designed as a chip, which consists of a support body with a recess and an absorber element, which absorbs radiation and is thereby heated, the absorber element being arranged above the recess, so that at least a section of the absorber element supports the support body not touched. For this purpose, a membrane with very low thermal conductivity, which essentially conceals the recess, is often arranged and the absorber element is positioned on the membrane. This ensures that the absorber element is largely thermally decoupled from the support body. The known infrared sensors are mainly manufactured using silicon micromechanics and mounted in standard housings in electrical engineering. For example, EP 0 599 364 describes an infrared radiation detector in which the various chips, for example a thermopile array with an ASIC (application-specific circuit) for signal preprocessing and a memory IC on the base plate of a TO (transistor Outline) housing base are mounted. However, the known TO housings have glazed pins for contacting and can therefore only be mounted on printed circuit boards in push-through contacting. Modern SMD (Surface Mounted Device) mounting technology is not possible with this.
Auch der in der US-5,693,942 beschriebene Infrarotdetektor ist in einem TO-Gehäuse angeordnet, das mittels Durchsteckkontaktierung auf Leiterplatten montiert werden muß. Die hier gezeigte Ausführungsform besitzt in der Gehäusebodenplatte eine zusätzliche Aussparung unterhalb der empfindlichen Fläche des Sensorchips. Die Aussparung, die auch reflektierend ausgeführt sein kann, dient dazu, den Abstand zwischen Absorberelement und Trägersubstrat zu erhöhen, um die Emp- findlichkeit des Infrarotsensors zu erhöhen.The infrared detector described in US Pat. No. 5,693,942 is also arranged in a TO housing, which must be mounted on printed circuit boards by means of push-through contacting. The embodiment shown here has an additional recess in the housing base plate below the sensitive surface of the sensor chip. The cutout, which can also be designed to be reflective, serves to increase the distance between the absorber element and the carrier substrate in order to increase the sensitivity of the infrared sensor.
Die auf dem Markt erhältlichen Thermopile-Sensoren verwenden jeweils ein Metallstiftgehäuse mit metallischer Kappe. Dabei ist in der Kappe ein optisches Element, zum Beispiel ein Infrarotfilter, vorgesehen. Ein Teil der Infrarotstrahlung fällt durch das Infrarotfilter in der Kappe auf den Bereich neben dem Sensorelement, der üblicherweise aus einer metallischen und damit auch reflektierenden TO-Boden platte besteht. Diese Strahlungsanteile werden über Mehrfachreflexion an der Gehäusewandung oder der metallischen Kappe wieder zum Absorber zurückgeworfen. Diese Mehrfachreflexionen führen zu einer Meßfleckvergrößerung, die bei denjenigen Meßanordnungen, welche die Strahlungs- bzw. Temperaturmessung eines räumlich begrenzten Meßobjekts zum Ziel ha- ben, unerwünscht ist. Dies ist der Normalfall bei der berührungslosen Temperaturmessung. Die bekannten Lösungen mit Metallstiftgehäuse sind nur mittels einer Durchsteckkontaktierung auf der nächsten Verdrahtungsebene kontaktierbar. Dies kann beispielsweise durch Weichlöten erfolgen. Bei den bekannten Lösungen lassen sich SMD-Montagetechniken nicht umsetzen.The thermopile sensors available on the market each use a metal pin housing with a metal cap. An optical element, for example an infrared filter, is provided in the cap. Part of the infrared radiation falls through the infrared filter in the cap onto the area next to the sensor element, which usually consists of a metallic and thus also reflective TO bottom plate. These radiation components are reflected back to the absorber by multiple reflection on the housing wall or the metallic cap. These multiple reflections lead to an enlargement of the measuring spot, which is undesirable in those measuring arrangements which aim at the radiation or temperature measurement of a spatially limited measurement object. This is the normal case for non-contact temperature measurement. The known solutions with a metal pin housing can only be contacted by means of a push-through contact on the next wiring level. This can be done, for example, by soft soldering. With the known solutions, SMD assembly techniques cannot be implemented.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Strahlungssensor zur Verfügung zu stellen, der grundsätzlich für die SMD-Montagetechnik geeignet ist, der eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Infrarotstrahlung aufweist und dennoch kostengünstig herzustellen ist.Compared to this prior art, it is an object of the invention to provide a radiation sensor which is fundamentally suitable for SMD assembly technology, which has a high sensitivity to infrared radiation and is nevertheless inexpensive to manufacture.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Strahlungssensor gelöst, der einen Detektor, vorzugsweise einen Detektorchip, bestehend aus einem Tragkörper mit einer Ausnehmung und einem Absorberelement, das Strahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt, aufweist, wobei das Absorberelement über der Ausnehmung angeordnet ist, so daß zumindest ein Abschnitt des Absorberelements den Tragkörper nicht berührt und bei dem zumindest der Grund bzw. die Bodenfläche der Ausnehmung in dem Tragkörper zumindest teilweise aus einem Material besteht, das die zu detektierende Strahlung reflektiert.According to the invention, this object is achieved by a radiation sensor which has a detector, preferably a detector chip, consisting of a support body with a recess and an absorber element which absorbs radiation and is thereby heated, the absorber element being arranged above the recess, so that at least a section of the absorber element does not touch the support body and at least the base or the bottom surface the recess in the support body consists at least partially of a material which reflects the radiation to be detected.
Dieses Material, das vorzugsweise derart ausgewählt wird, daß es praktisch keine Eigenabsorption und nahezu keine Transmission aufweist, reflektiert denjenigen Strahlungsanteil, der das Absorberelement durchquert hat, zu diesem zurück, um sicherzustellen, daß der reflektierte, durch das Absorberelement transmittierte Strahlungsanteil ebenfalls zur Temperaturerhöhung des Absorberelements beiträgt. In mehreren Versuchen hat sich überraschenderweise gezeigt, daß es nicht notwendig ist, in der Bodenplatte bzw. dem Trägersubstrat eine zusätzliche Aussparung vorzusehen. Die reflektierende Schicht bzw. das reflektierende Material kann statt dessen direkt auf bzw. am Grund bzw. der Bodenfläche der Ausnehmung angeordnet sein. Mit Vorteil ist die Ausnehmung im Tragkörper durchgehend ausgeführt, so daß das Absorberelement direkt oberhalb des unter dem Tragkörper angeordneten Materials angeordnet ist.This material, which is preferably selected in such a way that it has practically no self-absorption and almost no transmission, reflects the radiation component that has passed through the absorber element back to the latter, in order to ensure that the reflected radiation component transmitted by the absorber element also increases the temperature of the Absorber element contributes. Surprisingly, several experiments have shown that it is not necessary to provide an additional cutout in the base plate or the carrier substrate. Instead, the reflective layer or the reflective material can be arranged directly on or on the base or the bottom surface of the recess. Advantageously, the recess in the support body is continuous, so that the absorber element is arranged directly above the material arranged under the support body.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht zumindest der Grund bzw. die Bodenfläche der Ausnehmung zumindest teilweise aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus Gold. Mit Vorteil ist die die zu detektierende Strahlung reflektierende Schicht als Schicht ausgebildet und weist eine Dicke von weniger als 2 μm auf.In a particularly preferred embodiment, at least the base or the bottom surface of the recess consists at least partially of a metallic material, preferably of gold. The layer reflecting the radiation to be detected is advantageously designed as a layer and has a thickness of less than 2 μm.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform weist der Strahlungssensor ein Gehäuse auf, das aus einem Trägersubstrat und einer Kappe mit einer Öffnung besteht, die derart ausgebildet ist, daß die zu detektierende Strahlung durch die Öffnung treten kann, wobei der Detektorchip derart in dem Gehäuse angeordnet ist, daß die durch die Öffnung tretende Strahlung zumindest teilweise auf das Absorberelement trifft.In a particularly expedient embodiment, the radiation sensor has a housing which consists of a carrier substrate and a cap with an opening which is designed such that the radiation to be detected can pass through the opening, the detector chip being arranged in the housing in this way, that the radiation passing through the opening at least partially strikes the absorber element.
Dies erlaubt eine einfache Verwirklichung des Strahlungssensor.This allows the radiation sensor to be easily implemented.
Das Trägersubstrat besteht in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einem Basismaterial, das elektrisch nicht leitend ist. Insbesondere dieses Merkmal erlaubt es, den Strahlungssen- sor als SMD (Surface Mounted Device) auszuführen.In a particularly preferred embodiment, the carrier substrate consists of a base material that is not electrically conductive. This feature in particular makes it possible to design the radiation sensor as an SMD (Surface Mounted Device).
Um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Trägersubstrat zu ermöglichen, weist dieses in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform eine metallische Schicht auf, die sich über bzw. in dem Trägersubstrat, zumindest bis zu dem Abschnitt auf dem die Kappe mit dem Trägersubstrat in Verbindung tritt, erstreckt und wobei die metallische Schicht den größten Teil der innerhalb der Kappe angeordneten Trägersubstratfläche bedeckt. Durch diese Maßnahme ist zusätzlich eine gute thermische Ankopplung der Kappe mit dem Trägersubstrat möglich. Es hat sich gezeigt, daß das Trägersubstrat mit Vorteil aus einem keramischen Grundwerkstoff, vorzugsweise aus Oxidkeramik oder AIN-Keramik besteht. Die Metallschicht kann dann mit Vorteil durch aufgedruckte Leit- und Isolationsbahnen, vorzugsweise aus Silber-Palladium oder Silber- Platin, gebildet werden.In order to enable a temperature distribution in the carrier substrate that is as uniform as possible, in a further particularly preferred embodiment the latter has a metallic layer which extends over or in the carrier substrate, at least up to the section on which the cap comes into contact with the carrier substrate and wherein the metallic layer covers most of the carrier substrate surface arranged within the cap. This measure additionally enables a good thermal coupling of the cap to the carrier substrate. It has been shown that the carrier substrate advantageously consists of a ceramic base material, preferably of oxide ceramic or AIN ceramic. The metal layer can then advantageously be formed by printed conductor and insulation tracks, preferably made of silver-palladium or silver-platinum.
Alternativ dazu kann das Trägersubstrat auch aus einem organischen Material, beispielsweise aus Epoxyd, Pertinax oder Polyimid, vorzugsweise aus FR2, FR3 oder FR4, bestehen. In diesem Fall besteht die Metallschicht zweckmäßigerweise aus einer auf laminierten oder additiv aufgebrachten Metallschicht mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen etwa 20 und 150 μm, wobei die Metall- Schicht vorzugsweise aus Kupfer besteht.Alternatively, the carrier substrate can also consist of an organic material, for example epoxy, Pertinax or polyimide, preferably FR2, FR3 or FR4. In this case, the metal layer expediently consists of a metal layer laminated or additively applied with a thickness of preferably between approximately 20 and 150 μm, the metal layer preferably consisting of copper.
Weiterhin hat es sich gezeigt, daß es besonders zweckmäßig ist, wenn das Trägersubstrat als oberste Schicht um den Tragkörper herum eine Strahlungsabsorbierende Schicht aufweist, wobei die Strahlungsabsorbierende Schicht beispielsweise ein organischer Lack, ein Photoresist oder ein Lötstoplack sein kann. Durch diese Maßnahme werden Strahlungsanteile, die nicht auf das Absorberelement fallen, nicht reflektiert, so daß der Meßfleck nicht vergrößert wird. Alternativ dazu kann die metallische Schicht auch aufgerauht werden, um die Absorption zu erhöhen.Furthermore, it has been shown that it is particularly expedient if the carrier substrate has a radiation-absorbing layer as the uppermost layer around the support body, the radiation-absorbing layer being, for example, an organic lacquer, a photoresist or a solder resist. By this measure, radiation components that do not fall on the absorber element are not reflected, so that the measurement spot is not enlarged. Alternatively, the metallic layer can also be roughened to increase the absorption.
Um eine automatische Montierung des Strahlungssensors zu ermöglichen, ist in einer weiteren be- sonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß das Trägersubstrat eine Markierung aufweist, die außerhalb der Kappe angeordnet ist, wobei die Markierung derart ausgelegt ist, daß automatische Positionierungssysteme anhand der Markierung eine Orientierung und/oder Positionierung des Sensors durchführen können.In order to enable automatic mounting of the radiation sensor, it is provided in a further particularly preferred embodiment that the carrier substrate has a marking which is arranged outside the cap, the marking being designed such that automatic positioning systems use the marking to provide orientation and / or can position the sensor.
Es hat sich gezeigt, daß die Markierung mit Vorteil in der metallischen Schicht angeordnet ist. Mit anderen Worten reicht die Strahlungsabsorbierende Schicht, sofern sie vorhanden ist, nicht über das gesamte Trägersubstrat, sondern läßt außerhalb der Kappe die metallische Schicht zumindest teilweise unbedeckt, so daß die Markierung in der metallischen Schicht angeordnet werden kann.It has been shown that the marking is advantageously arranged in the metallic layer. In other words, the radiation-absorbing layer, if it is present, does not extend over the entire carrier substrate, but rather leaves the metallic layer outside the cap at least partially uncovered, so that the marking can be arranged in the metallic layer.
Um eine SMD-Montage des erfindungsgemäßen Strahlungssensors zu ermöglichen, wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß die Anschlußkontakte für die Übertragung des Detektorsignals aus dem Gehäuse an der Unterseite des Trägersubstrats, d.h. an der der Kappe abgewandten Seite, vorgesehen sind. Die Verbindung des Detektorelements mit den Anschlußkontakten erfolgt dann mit Vorteil über metallisierte Durchgangslöcher, sogenannte VIAs, durch das Trägersubstrat, wobei die Anschlußkontakte dann vorzugsweise als Lothügel ausgebildet sind. Somit ist eine automatische Bestückung des Strahlungssensors mit bekannten SMD-Techniken möglich. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß mit Vorteil die metallische Schicht und/oder die strahlungsabsor- bierende Schicht, sofern diese vorhanden sind, in unmittelbarer Umgebung der Durchgangslöcher unterbrochen ist. Dies stellt einen definierten Kontakt zwischen Detektorchip und Anschlußkontakt her.In order to enable SMD mounting of the radiation sensor according to the invention, it is provided in a further advantageous embodiment that the connection contacts for the transmission of the detector signal from the housing are provided on the underside of the carrier substrate, ie on the side facing away from the cap. The detector element is then advantageously connected to the connection contacts via metallized through-holes, so-called VIAs, through the carrier substrate, the connection contacts then preferably being designed as solder bumps. This makes it possible to automatically equip the radiation sensor with known SMD techniques. Furthermore, it has been shown that the metallic layer and / or the radiation-absorbing layer, if these are present, is advantageously interrupted in the immediate vicinity of the through holes. This creates a defined contact between the detector chip and the connection contact.
Mit Vorteil werden die Durchgangslöcher gasdicht verschlossen und vorzugsweise mit einemThe through holes are advantageously closed gas-tight and preferably with a
Dichtmittel gefüllt.Sealant filled.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:Further advantages, features and possible uses of the present invention will become clear from the following description of preferred embodiments and the associated figures. Show it:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Strahlungssensor in einer Draufsicht von oben mit abgenommener Kappe, Figur 2 eine Schnittansicht durch den Strahlungssensor von Figur 1 ,1 shows a radiation sensor according to the invention in a top view from above with the cap removed, FIG. 2 shows a sectional view through the radiation sensor from FIG. 1,
Figur 3 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungssensors, bei dem das Trägersubstrat als Direktsteckverbinder ausgebildet ist,FIG. 3 shows an alternative embodiment of the radiation sensor according to the invention, in which the carrier substrate is designed as a direct plug connector,
Figur 4 eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungssensors, bei der ein Steckverbinder auf der Oberseite des Trägersubstrates angeordnet ist, und Figur 5 eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungssensors, bei der das Trägersubstrat als Flex- oder Starr-Flex-Leiterplatte ausgeführt ist und das Ende der Leiterplatte als Direktsteckverbinder mit Direktsteckverbinderkontakten ausgebildet ist.Figure 4 shows a further alternative embodiment of the radiation sensor according to the invention, in which a plug connector is arranged on the top of the carrier substrate, and Figure 5 shows a further alternative embodiment of the radiation sensor according to the invention, in which the carrier substrate is designed as a flex or rigid-flex circuit board, and that End of the circuit board is designed as a direct connector with direct connector contacts.
Der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Temperatursensors ist in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Ein Detektorchip 2, der hier ein Thermopile-Element aufweist, ein Siliziumschaltkreis 3 und eine Temperaturreferenz 4 zur Messung der Umgebungstemperatur sind mit gutem thermischen Kontakt auf einem Trägersubstrat 1 befestigt, das entweder aus einem organischen Leiterplattenmaterial oder einer Keramik, wie zum Beispiel Oxidkeramik oder AIN-Keramik, besteht. Es versteht sich, daß die Temperaturreferenz 4 gegebenenfalls auch in dem Siliziumschaltkreis 3, der zum Beispiel als applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis mit Verstärker- und Kompensationsschaltung, als sogenannter ASIC, ausgebildet sein kann, integriert sein kann. Dieser Schaltkreis stellt die erste Stufe zur Signalkonditionierung dar. Darüber hinaus versteht es sich, daß der Detektorchip auch mehrere Elemente, die z. B. in Form einer Zeile oder Matrix angeordnet sind, enthalten kann.The basic structure of the temperature sensor according to the invention is shown in FIGS. 1 and 2. A detector chip 2, which here has a thermopile element, a silicon circuit 3 and a temperature reference 4 for measuring the ambient temperature are fastened with good thermal contact to a carrier substrate 1, which is either made of an organic circuit board material or a ceramic, such as oxide ceramic or AIN -Ceramic, exists. It goes without saying that the temperature reference 4 can optionally also be integrated in the silicon circuit 3, which can be designed, for example, as an application-specific integrated circuit with an amplifier and compensation circuit, as a so-called ASIC. This circuit represents the first stage for signal conditioning. In addition, it goes without saying that the detector chip also has several elements which, for. B. are arranged in the form of a line or matrix.
Die Montage der einzelnen Komponenten 2, 3 und 4 auf dem Trägersubstrat 1 erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines leitfähigen Klebers, zum Beispiel einem silbergefüllten Epoxidkleber. Alternativ ist jedoch auch ein Auflöten der Chipkomponenten mit einem Zinn-Blei-Lot oder mit einem bleifreien Lot möglich.The individual components 2, 3 and 4 are preferably mounted on the carrier substrate 1 with the aid of a conductive adhesive, for example a silver-filled epoxy adhesive. Alternative is however, soldering the chip components with a tin-lead solder or with a lead-free solder is also possible.
Der Detektorchip 2, das Temperaturreferenzelement 4 und der Siliziumschaltkreis 3 sind durch dün- ne Bonddrähte 5 mit den Anschlußkontaktflächen 6 des Trägersubstrats 1 elektrisch leitend verbunden.The detector chip 2, the temperature reference element 4 and the silicon circuit 3 are electrically conductively connected to the connection contact surfaces 6 of the carrier substrate 1 by means of thin bond wires 5.
Das Trägersubstrat 1 weist eine Metallisierung 11 auf. Der Detektorchip 2 ist auf einem Tragkörper 17 montiert, der eine Ausnehmung 18 aufweist. Das Absorberelement 19 des Detektorchips 2 ist derart über der Ausnehmung 18 des Tragkörpers 17 angeordnet, daß das Absorberelement 19 zumindest bereichsweise keinen Kontakt zu dem Tragkörper 17 hat. Unterhalb des Absorberelements 19 ist die Metallisierung 11 mit einer sehr gut reflektierenden Beschichtung 7 ausgestattet, die zum Beispiel als dünne, galvanisch oder chemisch aufgebrachte Goldschicht ausgeführt sein kann. Solch eine Beschichtung ist kostengünstig realisierbar, da sie bei der Herstellung von Leiterplatten zu den Standardprozessen gehört.The carrier substrate 1 has a metallization 11. The detector chip 2 is mounted on a support body 17 which has a recess 18. The absorber element 19 of the detector chip 2 is arranged above the recess 18 of the support body 17 such that the absorber element 19 has no contact with the support body 17, at least in some areas. Below the absorber element 19, the metallization 11 is equipped with a very well reflective coating 7, which can be designed, for example, as a thin, galvanically or chemically applied gold layer. Such a coating can be implemented inexpensively, since it is one of the standard processes in the production of printed circuit boards.
Falls das Trägersubstrat 1 aus einem organischen Trägersubstratmaterial, wie zum Beispiel FR2, FR3, FR4 oder Polyimid, besteht, wird eine auflaminierte oder additiv aufgebrachte Metallschicht 11 von vorzugsweise zwischen circa 20 und 150 μm Dicke unter dem Detektorchip 2, unter der Tempe- raturreferenz 4 bzw. unter dem Siliziumschaltkreis 3 bis hin zur Kappenauflagefläche angeordnet. Als Metallschicht kann beispielsweise die üblicherweise bei Leiterplatten vorhandene Kupferschicht verwendet werden.If the carrier substrate 1 consists of an organic carrier substrate material, such as FR2, FR3, FR4 or polyimide, a laminated or additively applied metal layer 11, preferably between about 20 and 150 μm thick, is placed under the detector chip 2, under the temperature reference 4 or arranged under the silicon circuit 3 up to the cap contact surface. For example, the copper layer usually present in printed circuit boards can be used as the metal layer.
Wird als Trägersubstrat 1 ein Keramiksubstrat verwendet, dann besteht die Metallschicht 11 mit Vorteil aus einer gedruckten Leiterbahn, zum Beispiel aus Silber-Palladium oder Silber-Platin.If a ceramic substrate is used as the carrier substrate 1, then the metal layer 11 advantageously consists of a printed conductor track, for example of silver-palladium or silver-platinum.
Die Metallschicht 11 ist um die Chipelemente 2, 3 und 4 sowie um die Kontaktflächen 6 und der Kreissegmentfläche für die Kappenmontage mit einer absorbierenden Schicht 8 überzogen. Die absorbierende Schicht 8 kann beispielsweise aus einem Lötstoplack, vorzugsweise bei organi- schem Substratmaterial oder einer gedruckten Isolationsschicht, vorzugsweise bei Keramiksubstraten, bestehen. Dadurch wird sichergestellt, daß unerwünschte Strahlungsanteile, die neben dem Absorberelement 19 auf die Substratoberfläche fallen, nicht reflektiert werden, sondern durch die Absorptionsschicht 8 absorbiert werden. Durch diese Maßnahme wird einer Erhöhung der Meßfleckgröße entgegengewirkt.The metal layer 11 is coated with an absorbent layer 8 around the chip elements 2, 3 and 4 as well as around the contact surfaces 6 and the circular segment surface for the cap assembly. The absorbent layer 8 can, for example, consist of a solder resist, preferably in the case of organic substrate material or a printed insulation layer, preferably in the case of ceramic substrates. This ensures that undesired radiation components that fall next to the absorber element 19 on the substrate surface are not reflected, but are absorbed by the absorption layer 8. This measure counteracts an increase in the size of the measuring spot.
Wie in Figur 2 zu sehen ist, wird eine metallische Kappe 9, die beispielsweise aus Stahl, Nickel, Messung oder Kupfer besteht, auf dem Trägersubstrat 1 in einer gasdichten Art und Weise montiert. Die metallische Kappe 9 weist eine Öffnung 21 auf, die mit einem Infrarot durchlässigen Filter 10 bedeckt wird, der vorzugsweise optisch vergütet ist. Die Montage des Filters 10 in die Kappe 9 kann beispielsweise durch Kleben, Weichlöten oder Diffusionsschweißen erfolgen. Die Verbindung 12 zwischen der Kappe 9 einerseits und dem Trägersubstrat 1 andererseits kann mit Vorteil durch Weichlöten oder durch Kleben erfolgen. Das Verbindungsmedium 12 zwischen Kappe 9 und Trägersubstrat 1 wird vorzugsweise je nach Anwendungsfall derart ausgewählt, daß entweder ein elektrischer Kontakt und damit eine gute thermische Verbindung zwischen der Kappe 9 und der Metallschicht 11 oder aber eine elektrisch isolierte Montage verwirklicht wird. Im ersten Fall kommt mit Vorteil metallisches Weichlot und im zweiten Fall mit Vorteil dielektrisch gefüllter Epoxidharzkleber zum Einsatz.As can be seen in FIG. 2, a metallic cap 9, which consists for example of steel, nickel, measurement or copper, is mounted on the carrier substrate 1 in a gas-tight manner. The metallic cap 9 has an opening 21 with an infrared filter 10 is covered, which is preferably optically coated. The filter 10 can be installed in the cap 9, for example by gluing, soft soldering or diffusion welding. The connection 12 between the cap 9 on the one hand and the carrier substrate 1 on the other hand can advantageously be made by soft soldering or by gluing. The connection medium 12 between the cap 9 and the carrier substrate 1 is preferably selected depending on the application in such a way that either an electrical contact and thus a good thermal connection between the cap 9 and the metal layer 11 or an electrically insulated assembly is realized. In the first case metallic soft solder is advantageously used and in the second case dielectric filled epoxy resin adhesive is used.
Die Anschlußkontaktflächen 6 sind, wie in Figur 2 deutlich zu erkennen ist, über Durchführungslöcher 13, die auch als Vias bezeichnet werden, im Trägersubstrat 1 mit den Anschlußkontakten 14, die hier als Lothügel ausgebildet sind, verbunden. Die Durchführungslöcher 13 sind an den Wänden metallisiert und werden, zum Beispiel mit Hilfe eines Klebertropfens 15 oder eines Lotverschlusses mit Lotkugel von der Unterseite her nach Abschluß der Montage gasdicht verschlossen. Dieser Verschluß sorgt dafür, daß der Sensor und damit das Detektorelement 2 gegen Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, aggressive Gase, usw. geschützt ist.The connection contact surfaces 6, as can be clearly seen in FIG. 2, are connected through lead-through holes 13, which are also referred to as vias, in the carrier substrate 1 to the connection contacts 14, which are designed here as solder bumps. The through holes 13 are metallized on the walls and are sealed gas-tight from the bottom, for example with the aid of a drop of adhesive 15 or a solder seal with a solder ball, after completion of the assembly. This closure ensures that the sensor and thus the detector element 2 is protected against environmental influences, such as moisture, aggressive gases, etc.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Verschließen unter einer definierten Gasatmosphäre, zum Beispiel bei trockener Stickstoffatmosphäre oder Edelgasatmosphäre, um ein definiertes Gas- und Feuchteverhältnis im Innenraum sicherzustellen.In a particularly preferred embodiment, the closure takes place under a defined gas atmosphere, for example in the case of a dry nitrogen atmosphere or noble gas atmosphere, in order to ensure a defined gas and moisture ratio in the interior.
Durch die auf der Unterseite des Trägersubstrats 1 angeordneten Lotkugeln 14 ist eine leichte Kontaktierung des Sensorelements mit der nächsten Verdrahtungsebene oder mit einem Steckverbin- der oder mit einer flexiblen Leiterplatte, die als Zwischenverdrahtung wirkt, möglich.The solder balls 14 arranged on the underside of the carrier substrate 1 make it easy to make contact with the sensor element with the next wiring level or with a plug connector or with a flexible printed circuit board which acts as intermediate wiring.
Zu diesem Zweck werden die Metallisierungen der Durchführungslöcher 13 zu den aufgedruckten Lothügeln 14 geführt.For this purpose, the metallizations of the through holes 13 are guided to the solder bumps 14 printed on.
Im Ergebnis ist damit eine oberflächenmontierbares Bauelement (SMD) verwirklicht worden. Ein solches wird auch als Ball Grid Array (BGA) bezeichnet. Bei der Verwendung von Leiterplattenmaterial, zum Beispiel FR4, FR3, FR2 oder Polyimid als Trägersubstrat wird ein solches Bauelement auch als Plastic Ball Grid Array (PBGA) bezeichnet.As a result, a surface mount device (SMD) has been realized. This is also known as a ball grid array (BGA). When using circuit board material, for example FR4, FR3, FR2 or polyimide as the carrier substrate, such a component is also referred to as a plastic ball grid array (PBGA).
Die möglichst dauerhafte Kontaktierung des Sensorelements mit der nächsten Verdrahtungsebene, die in den meisten Anwendungsfällen aus einer Leiterplatte besteht, kann nach der automatischen Bestückung der Leiterplatte mit dem BGA durch das erneute Aufschmelzen der Lothügel, d.h. durch das sogenannte Reflow-Löten erfolgen. Selbstverständlich könnten auch Ball Grid Array Sockel für die Kontaktierung für den Sensortest oder sogar für die Endmontage verwendet werden.The most permanent contact of the sensor element with the next wiring level, which in most applications consists of a printed circuit board, can be achieved by automatically re-melting the solder bump, ie by re-melting the printed circuit board with the BGA the so-called reflow soldering. Of course, ball grid array bases could also be used for contacting for the sensor test or even for final assembly.
Deutlich zu erkennen ist in Figur 1 die asymmetrische Markierung 16, die beispielsweise unter Nutzung der Metallisierung 11 hergestellt wird. Durch diese asymmetrische Markierung 16 ist ein automatisches Erkennen und Positionieren des Sensors durch handelsübliche Bestückungs- und Testautomaten möglich. Prinzipiell kann die Markierung sowohl oberseitig, d.h. auf der Kappenseite des Trägersubstrats, als auch unterseitig auf dem Trägersubstrat 1 ausgeführt sein, wobei die Anordnung der Markierung auf der Oberseite des Trägersubstrats 1 besonders bevorzugt ist.The asymmetrical marking 16, which is produced, for example, using the metallization 11, can be clearly seen in FIG. This asymmetrical marking 16 enables automatic detection and positioning of the sensor by means of commercially available placement and test machines. In principle, the marking can be on the top, i.e. on the cap side of the carrier substrate and also on the underside on the carrier substrate 1, the arrangement of the marking on the top of the carrier substrate 1 being particularly preferred.
Insgesamt erfüllt das erfindungsgemäße Sensorelement alle Anforderungen, die an ein SMD- Bauelement gestellt werden.Overall, the sensor element according to the invention fulfills all the requirements that are placed on an SMD component.
Insbesondere dann, wenn als Trägersubstrat 1 eine standardisierte Leiterplatte gewählt wird, kön- nen beispielsweise auch weitere, externe Bauelemente auf der Vorderseite oder der Rückseite des Trägersubstrats 1 aufgebracht werden. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die zusätzlichen Komponenten eine hohe elektrische Verlustleistung aufweisen, die zur thermischen Beeinflussung des Infrarot-Sensorchips führen können.In particular, if a standardized printed circuit board is selected as the carrier substrate 1, for example, further external components can also be applied to the front or the back of the carrier substrate 1. This can be particularly advantageous if the additional components have a high electrical power loss, which can lead to thermal influencing of the infrared sensor chip.
Alternativ kann das als Leiterplatte ausgeführte Trägersubstrat 1 auch so ausgeführt sein, daß andere Kontaktierungen zur nächsten Verdrahtungsebene möglich sind. Das können folgende Ausführungsformen sein:Alternatively, the carrier substrate 1 designed as a printed circuit board can also be designed in such a way that other contacts to the next wiring level are possible. These can be the following embodiments:
- Das Trägersubstrat 1 kann als Leiterplatte mit Kontakten 23 für Direktsteckverbinder 22 ausgestattet sein (siehe Figur 3), - das Trägersubstrat 1 kann als Leiterplatte mit einem Steckverbinder 24, der sich auf der Trägersubstratober- oder -Unterseite befinden kann, ausgestattet sein (siehe Figur 4),- The carrier substrate 1 can be equipped as a printed circuit board with contacts 23 for direct plug connectors 22 (see FIG. 3), - the carrier substrate 1 can be equipped as a printed circuit board with a plug connector 24, which can be located on the upper or lower side of the carrier substrate (see FIG 4)
- das Trägersubstrat 1 kann als Leiterplatte, die als Flex- oder Starr-Flex-Leiterplatte ausgeführt ist und wobei das Ende der Leiterplatte als Direktsteckverbinder 22 mit Direktsteckverbinderkontakten 23 ausgeführt ist, ausgebildet sein (siehe Figur 5). Bezuqszeichenliste- The carrier substrate 1 can be designed as a printed circuit board, which is designed as a flex or rigid-flex printed circuit board and the end of the printed circuit board is designed as a direct connector 22 with direct connector contacts 23 (see FIG. 5). LIST OF REFERENCES
1 Trägersubstrat 2 Detektorchip 3 Silizium-Schaltkreis1 carrier substrate 2 detector chip 3 silicon circuit
4 Temperaturreferenz4 temperature reference
5 Bonddrähte5 bond wires
6 Anschlußkontaktfläche6 connection contact surface
7 reflektierendes Material7 reflective material
8 Strahlungsabsorbierende Schicht 9 Kappe 10 Filter8 radiation absorbing layer 9 cap 10 filter
11 metallische Leitung/Schicht 12 Verbindung zwischen Kappe und Trägersubstrat 13 Durchgangslöcher 14 Anschlußkontakte/Lotkugeln 15 Dichtmittel11 metallic line / layer 12 connection between cap and carrier substrate 13 through holes 14 connecting contacts / solder balls 15 sealant
16 Markierung 17 Tragkörper 18 Ausnehmung 19 Absorberelement16 marking 17 support body 18 recess 19 absorber element
20 Kappenauflagefläche 21 Kappenöffnung 22 Direktsteckverbinder20 cap contact surface 21 cap opening 22 direct plug connector
23 Direktsteckverbinderkontakt23 Direct connector contact
24 Steckverbinder24 connectors
25 Steckverbinderkontaktstift 25 connector contact pin

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Strahlungssensor, z. B. für die berührungslose Temperaturmessung oder die Infrarot- Gasspektroskopie, der einen Detektorchip (2) bestehend aus einem Tragkörper (17) mit ei- ner Ausnehmung (18) und einem Absorberelement (19), das Strahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt, aufweist, wobei das Absorberelement (19) über der Ausnehmung (18) angeordnet ist, so daß zumindest ein Abschnitt des Absorberelements (19) den Tragkörper (17) nicht berührt und der Tragkörper auf einem Trägersubstrat (1) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Grund bzw. die Bodenfläche der Ausnehmung (18) zumindest teilweise aus einem Material (7) besteht, das die zu detektierende Strahlung reflektiert und unter dem sich das Trägersubstrat (1) befindet.1. radiation sensor, e.g. B. for non-contact temperature measurement or infrared gas spectroscopy, which has a detector chip (2) consisting of a support body (17) with a recess (18) and an absorber element (19) which absorbs radiation and thereby heats up, wherein the absorber element (19) is arranged above the recess (18) so that at least a portion of the absorber element (19) does not touch the support body (17) and the support body is mounted on a carrier substrate (1), characterized in that at least the The base or the bottom surface of the recess (18) consists at least partially of a material (7) which reflects the radiation to be detected and under which the carrier substrate (1) is located.
2. Strahlungssensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Grund bzw. die Bodenfläche der Ausnehmung (18) zumindest teilweise aus einem metallischen Material (7), vorzugsweise aus Gold besteht, wobei das Material vorzugsweise als Schicht ausgebildet ist und vorzugsweise eine Dicke von weniger als 1 μm hat.2. Radiation sensor according to claim 1, characterized in that at least the base or the bottom surface of the recess (18) at least partially consists of a metallic material (7), preferably of gold, the material preferably being formed as a layer and preferably a thickness less than 1 μm.
3. Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (1 ,3. Radiation sensor according to claim 1 or 2, characterized in that a housing (1,
9) bestehend aus einem Trägersubstrat (1) und einer Kappe (9) mit einer Öffnung (21), die derart ausgebildet ist, daß die zu detektierende Strahlung durch die Öffnung (21) treten kann, vorgesehen ist, wobei der Detektor (2) derart in dem Gehäuse (1 , 9) angeordnet ist, daß die durch die Öffnung (21) tretende Strahlung zumindest teilweise auf das Absorberelement (19) trifft.9) consisting of a carrier substrate (1) and a cap (9) with an opening (21), which is designed such that the radiation to be detected can pass through the opening (21), the detector (2) is arranged in the housing (1, 9) in such a way that the radiation passing through the opening (21) at least partially strikes the absorber element (19).
4. Strahlungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) aus einem Basismaterial besteht, daß nicht elektrisch leitend ist.4. Radiation sensor according to claim 3, characterized in that the carrier substrate (1) consists of a base material that is not electrically conductive.
5. Strahlungssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) eine metallische Leitung oder Schicht (11) aufweist, die sich über das Trägersub- strat (1) zumindest bis zu dem Abschnitt (17), auf dem die Kappe (9) mit dem Trägersubstrat (1) in Verbindung tritt erstreckt und den größten Teil der innerhalb der Kappe (9) angeordneten Trägersubstratfläche bedeckt. 5. Radiation sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the carrier substrate (1) has a metallic line or layer (11) which extends over the carrier substrate (1) at least up to the section (17) on which the Cap (9) with the carrier substrate (1) extends extends and covers most of the carrier substrate surface arranged within the cap (9).
6. Strahlungssensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) aus einem keramischen Grundwerkstoff, vorzugsweise aus Oxidkeramik oder AIN- Keramik besteht.6. Radiation sensor according to claim 4 or 5, characterized in that the carrier substrate (1) consists of a ceramic base material, preferably of oxide ceramic or AIN ceramic.
7. Strahlungssensor nach Anspruch 6 soweit von Anspruch 5 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalleitung oder Metallschicht (11) durch aufgedruckte Leit- und Isolationsbahnen, vorzugsweise aus Silber-Palladium oder Silber-Platin gebildet wird.7. Radiation sensor according to claim 6 as far as dependent on claim 5, characterized in that the metal line or metal layer (11) is formed by printed conductive and insulating tracks, preferably made of silver-palladium or silver-platinum.
8. Strahlungssensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersub- strat (1) aus einem organischen Material, vorzugsweise aus Epoxyd, Pertinax oder Polyimid, besonders bevorzugt aus FR2, FR3 oder FR4 besteht.8. Radiation sensor according to claim 4 or 5, characterized in that the carrier substrate (1) consists of an organic material, preferably epoxy, Pertinax or polyimide, particularly preferably FR2, FR3 or FR4.
9. Strahlungssensor nach Anspruch 8 soweit von Anspruch 7 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (11) eine auflaminierte oder additiv aufgebrachte Metall- schicht ist mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen etwa 20 und 150 μm, wobei die Metallschicht (11) vorzugsweise aus Kupfer besteht.9. Radiation sensor according to claim 8 as far as dependent on claim 7, characterized in that the metal layer (11) is a laminated or additively applied metal layer with a thickness of preferably between about 20 and 150 microns, wherein the metal layer (11) is preferably made of Copper exists.
10. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) als oberste Schicht um den Tragkörper (17) herum eine strahlungs- absorbierende Schicht (8) aufweist, wobei die strahlungsabsorbierende Schicht (8) ein organischer Lack, ein Photoresist oder ein Lötstopplack ist.10. Radiation sensor according to one of claims 3 to 9, characterized in that the carrier substrate (1) as the uppermost layer around the support body (17) has a radiation-absorbing layer (8), the radiation-absorbing layer (8) being an organic lacquer , a photoresist or a solder mask.
11. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) mindestens eine Markierung (16) aufweist, die außerhalb der Kappe (9) angeordnet ist, wobei die Markierung (16) derart ausgelegt ist, daß automatische Positionierungssysteme anhand der Markierung (16) eine Orientierung und/oder Positionierung des Sensors durchführen können.11. Radiation sensor according to one of claims 3 to 10, characterized in that the carrier substrate (1) has at least one marking (16) which is arranged outside the cap (9), the marking (16) being designed such that automatic Positioning systems can perform an orientation and / or positioning of the sensor on the basis of the marking (16).
12. Strahlungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (16) in der metallischen Schicht (11) angeordnet ist.12. Radiation sensor according to claim 11, characterized in that the marking (16) is arranged in the metallic layer (11).
13. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturreferenz (4) vorgesehen ist, die von dem Detektor (2) getrennt ist. 13. Radiation sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that a temperature reference (4) is provided which is separate from the detector (2).
14. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis (8), vorzugsweise ein Silizium-Schaltkreis zur Verarbeitung des Detektorsignals vorgesehen ist.14. Radiation sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that a circuit (8), preferably a silicon circuit is provided for processing the detector signal.
15. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußkontakte (14) für die Übertragung des Detektorsignals aus dem Gehäuse (2, 9) an der Unterseite des Trägersubstrats (1) vorgesehen sind.15. Radiation sensor according to one of claims 3 to 14, characterized in that connection contacts (14) for the transmission of the detector signal from the housing (2, 9) on the underside of the carrier substrate (1) are provided.
16. Strahlungssensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement über metallisierte Durchgangslöcher (13) durch das Trägersubstrat (1) mit den Anschlußkontakten (14) verbunden ist, wobei die Anschlußkontakte (14) vorzugsweise als Lothügel ausgebildet sind.16. Radiation sensor according to claim 15, characterized in that the detector element is connected via metallized through holes (13) through the carrier substrate (1) to the connection contacts (14), the connection contacts (14) preferably being designed as solder bumps.
17. Strahlungssensor nach Anspruch 15 oder 16, soweit auf Anspruch 5 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (11) in unmittelbarer Umgebung der Durchgangslöcher (13) unterbrochen ist.17. Radiation sensor according to claim 15 or 16, insofar as related to claim 5, characterized in that the metallic layer (11) is interrupted in the immediate vicinity of the through holes (13).
18. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, soweit auf Anspruch 10 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsabsorbierende Schicht (8) in unmittelbarer Umgebung der Durchgangslöcher (13) unterbrochen ist.18. Radiation sensor according to one of claims 15 to 17, insofar as referred to claim 10, characterized in that the radiation-absorbing layer (8) is interrupted in the immediate vicinity of the through holes (13).
19. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangslöcher (13) gasdicht verschlossen sind und vorzugsweise mit einem Dichtmittel (15) gefüllt sind.19. Radiation sensor according to one of claims 15 to 18, characterized in that the through holes (13) are closed gas-tight and are preferably filled with a sealant (15).
20. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) als direkter Steckverbinder (22) ausgebildet ist.20. Radiation sensor according to one of claims 1 to 19, characterized in that the carrier substrate (1) is designed as a direct connector (22).
21. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ober- oder Unterseite des Trägersubstrats (1) ein Steckverbinder (24) vorzugsweise durch21. Radiation sensor according to one of claims 1 to 19, characterized in that on the top or bottom of the carrier substrate (1), a connector (24) preferably through
Löten oder Kleben befestigt ist. Soldering or gluing is attached.
2. Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das2. Radiation sensor according to one of claims 1 to 19, characterized in that the
Trägersubstrat (1) als flexible Leiterplatte oder als Starr-Flex-Leiterplatte ausgeführt ist und diese an einem Ende als Direktsteckverbinderstruktur (22) ausgebildet ist. Carrier substrate (1) is designed as a flexible printed circuit board or as a rigid-flex printed circuit board and this is formed at one end as a direct connector structure (22).
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