DE10321640A1

DE10321640A1 - Infrarotsensor mit verbesserter Strahlungsausbeute

Info

Publication number: DE10321640A1
Application number: DE10321640A
Authority: DE
Inventors: Marion Dr. Simon; Mischa Schulze; Wilhelm Dr. Leneke; Karlheinz Storck; Jörg Dr. Schieferdecker; Stephan Karl
Original assignee: HEIMANN Sensor GmbH
Current assignee: HEIMANN Sensor GmbH
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: WO2004102139A1; JP2007503586A; JP4685019B2; DE10321640B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungssensor, z. B. für die berührungslose Temperaturmessung oder die Infrarot-Gasspektroskopie, der einen Detektorchip (2), bestehend aus einem Tragkörper (17) mit einer 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. Um einen Strahlungssensor, 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, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, 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.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungssensor, zum Beispiel für die berührungslose Temperaturmessung oder die Infrarot-Gasspektroskopie.
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 Berührungsthermometern erfolgt dieser Wärmetransport durch Wärmeleitung und Konvektion, bei den berührungslosen Thermometern (Strahlungsthermometern) durch Wärmestrahlung.
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.
Daher kommen in vielen Anwendungsgebieten berührungslose Meßverfahren zum Einsatz, die auf der Temperaturstrahlung beruhen. Jede Oberfläche mit einer Temperatur T > 0 K sendet elektromagnetische 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 Adsorptionselements als Nachweis für die emittierte Infrarotstrahlung dienen kann.
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 Temperaturerhöhung aufgrund der Absorption der erfaßten Strahlung, so daß insgesamt eine Temperaturerniedrigung des Absorberelements auftritt.
Die Temperaturerhöhung bzw. Temperaturdifferenz kann anschließend auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Bei den Thermistor-Bolometern 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.
Die Thermoelemente nutzen die sogenannten Seebeck-Effekt zum Nachweis der erhöhten Temperatur aus. Dabei wird der Verbindungspunkt eines Thermopaares aus zwei verschiedenen thermoeleketrischen 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 Thermoelemente in Reihe geschaltet. Eine solche Reihenschaltung einer Vielzahl von Thermoelementen wird auch als Thermosäule bzw. Thermopile bezeichnet.
In den letzten Jahren wurden auf vielen technologischen Gebieten große Anstrengungen unternommen, elektrische und elektronische Bauteile zu miniaturisieren, wobei sie möglichst mit bekannten 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.
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.
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 Ausnehmung 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 Thermopile-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.
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 Empfindlichkeit des Infrarotsensors zu erhöhen.
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-Bodenplatte 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 haben, 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.
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.
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.
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.
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 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.
Dies erlaubt eine einfache Verwirklichung des Strahlungssensor.
Das Trägersubstrat besteht in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einem Basismaterial, das elektrisch nicht leitend ist. Insbesondere dieses Merkmal erlaubt es, den Strahlungssensor als SMD (Surface Mounted Device) auszuführen.
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 AlN-Keramik besteht. Die Metallschicht kann dann mit Vorteil durch aufgedruckte Leit- und Isolationsbahnen, vorzugsweise aus Silber-Palladium oder Silber-Platin, gebildet werden.
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 auflaminierten oder additiv aufgebrachten Metallschicht mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen etwa 20 und 150 μm, wobei die Metallschicht vorzugsweise aus Kupfer besteht.
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 Absorber element fallen, nicht reflektiert, so daß der Meßfleck nicht vergrößert wird. Alternativ dazu kann die metallische Schicht auch aufgerauht werden, um die Absorption zu erhöhen.
Um eine automatische Montierung des Strahlungssensors zu ermöglichen, ist in einer weiteren besonders 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.
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.
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 strahlungsabsorbierende Schicht, sofern diese vorhanden sind, in unmittelbarer Umgebung der Durchgangslöcher unterbrochen ist. Dies stellt einen definierten Kontakt zwischen Detektorchip und Anschlußkontakt her.
Mit Vorteil werden die Durchgangslöcher gasdicht verschlossen und vorzugsweise mit einem Dichtmittel gefüllt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Strahlungssensor in einer Draufsicht von oben mit abgenommener Kappe,
2 eine Schnittansicht durch den Strahlungssensor von 1,
3 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungssensors, bei dem das Trägersubstrat als Direktsteckverbinder ausgebildet ist,
4 eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungssensors, bei der ein Steckverbinder auf der Oberseite des Trägersubstrates angeordnet ist, und
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.
Der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Temperatursensors ist in den 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 AlN-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.
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.
Der Detektorchip 2, das Temperaturreferenzelement 4 und der Siliziumschaltkreis 3 sind durch dünne Bonddrähte 5 mit den Anschlußkontaktflächen 6 des Trägersubstrats 1 elektrisch leitend verbunden.
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.
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 Temperaturreferenz 4 bzw. unter dem Siliziumschaltkreis 3 bis hin zur Kappenauflagefläche angeordnet. Als Metallschicht kann beispielsweise die üblicherweise bei Leiterplatten vorhandene Kupferschicht verwendet werden.
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.
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 organischem 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.
Wie in 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.
Die Anschlußkontaktflächen 6 sind, wie in 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 Ver schluß sorgt dafür, daß der Sensor und damit das Detektorelement 2 gegen Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, aggressive Gase, usw. geschützt ist.
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.
Durch die auf der Unterseite des Trägersubstrats 1 angeordneten Lotkugeln 14 ist eine leichte Kontaktierung des Sensorelements mit der nächsten Verdrahtungsebene oder mit einem Steckverbinder oder mit einer flexiblen Leiterplatte, die als Zwischenverdrahtung wirkt, möglich.
Zu diesem Zweck werden die Metallisierungen der Durchführungslöcher 13 zu den aufgedruckten Lothügeln 14 geführt.
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.
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.
Deutlich zu erkennen ist in 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.
Insgesamt erfüllt das erfindungsgemäße Sensorelement alle Anforderungen, die an ein SMD-Bauelement gestellt werden.
Insbesondere dann, wenn als Trägersubstrat 1 eine standardisierte Leiterplatte gewählt wird, können 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.
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:

– Das Trägersubstrat 1 kann als Leiterplatte mit Kontakten 23 für Direktsteckverbinder 22 ausgestattet sein (siehe 3),
– das Trägersubstrat 1 kann als Leiterplatte mit einem Steckverbinder 24, der sich auf der Trägersubstratober- oder -unterseite befinden kann, ausgestattet sein (siehe 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 5).

1: Trägersubstrat
2: Detektorchip
3: Silizium-Schaltkreis
4: Temperaturreferenz
5: Bonddrähte
6: Anschlußkontaktfläche
7: reflektierendes Material
8: strahlungsabsorbierende Schicht
9: Kappe
10: Filter
11: metallische Leitung/Schicht
12: Verbindung zwischen Kappe und Trägersubstrat
13: Durchgangslöcher
14: Anschlußkontakte/Lotkugeln
15: Dichtmittel
16: Markierung
17: Tragkörper
18: Ausnehmung
19: Absorberelement
20: Kappenauflagefläche
21: Kappenöffnung
22: Direktsteckverbinder
23: Direktsteckverbinderkontakt
24: Steckverbinder
25: Steckverbinderkontaktstift

Claims

Strahlungssensor, z. B. für die berührungslose Temperaturmessung oder die Infrarot-Gasspektroskopie, der einen Detektorchip (2) bestehend aus einem Tragkörper (17) mit einer 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.
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.
Strahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (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.
Strahlungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) aus einem Basismaterial besteht, daß nicht elektrisch leitend ist.
Strahlungssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) eine metallische Leitung oder Schicht (11) aufweist, die sich über das Trägersubstrat (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.
Strahlungssensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) aus einem keramischen Grundwerkstoff, vorzugsweise aus Oxidkeramik oder AlN-Keramik besteht.
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.
Strahlungssensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) aus einem organischen Material, vorzugsweise aus Epoxyd, Pertinax oder Polyimid, besonders bevorzugt aus FR2, FR3 oder FR4 besteht.
Strahlungssensor nach Anspruch 8 soweit von Anspruch 7 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (11) eine auflaminierte oder additiv aufgebrachte Metallschicht ist mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen etwa 20 und 150 μm, wobei die Metallschicht (11) vorzugsweise aus Kupfer besteht.
Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) als oberste Schicht um den Tragkörper (17) herum eine strahlungsabsorbierende Schicht (8) aufweist, wobei die strahlungsabsorbierende Schicht (8) ein organischer Lack, ein Photoresist oder ein Lötstopplack ist.
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.
Strahlungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (16) in der metallischen Schicht (11) angeordnet ist.
Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturreferenz (4) vorgesehen ist, die von dem Detektor (2) getrennt ist.
Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis (8), vorzugsweise ein Silizium-Schaltkreis zur Verarbeitung des Detektorsignals vorgesehen ist.
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.
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.
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.
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.
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.
Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) als direkter Steckverbinder (22) ausgebildet ist.
Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ober- oder Unterseite des Trägersubstrats (1) ein Steckverbinder (24) vorzugsweise durch Löten oder Kleben befestigt ist.
Strahlungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (1) als flexible Leiterplatte oder als Starr-Flex-Leiterplatte ausgeführt ist und diese an einem Ende als Direktsteckverbinderstruktur (22) ausgebildet ist.