DE2916744A1 - Detektor fuer infrarotstrahlung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Detektor fuer infrarotstrahlung und verfahren zu dessen herstellung

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Description

Murata TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER FP-0897
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BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor für Infrarotstrahlung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Detektors nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 24 oder-25.
Thermische Infrarotstrahlungs-Detektoren der genannten Art enthalten ein pyroelektrisch wirksames Sensorelement, beispielsweise ein Thermistor-Bolometer oder dergleichen.
Ein in Fig. 1 der anliegenden Zeichnung dargestellter herkömmlicher Infrarotstrahlungs-Detektor besitzt als Träger und Unterlage für sein Infrarotstrahlungs-Sensorelement 3 ein isolierendes Substrat 2, an dem durchgehend nach außen führende Anschlußstifte 1 und 1' befestigt sind. Das isolierende Substrat 2 ist über ein Distanzstück auf einer Grundplatte 5 befestigt, welche hermetisch abgedichtet mit einem Metallgehäuse 6 verbunden ist, in welchem sich eine durch eine entsprechend durchlässige Fensterplatte 7 abgeschlossene öffnung 6a zur Aufnahme von Infrarotstrahlung befindet. Die Fensterplatte 7 besteht aus einem Material, welches für Infrarotstrahlen in einem gewünschten Wellenlängenbereich durchlässig ist.
Bekanntlich ist mit einem solchen hermetisch abgedichteten . Metallgehäuse ein elektrischer Abschirmeffekt verbunden, und außerdem hat ein solches Metallgehäuse eine große mechanische Festigkeit. Jedoch bestitztder auf die beschriebene Weise eingekapselte bekannte thermische Detektor für Infrarotstrahlung folgende Nachteile:
Durch sein besonderes Gehäuse ist der bekannte Detektor teuer und nur für solche Anwendungsfälle geeignet, wo Kosten keine Rolle spielen. Zweitens bereitet die bekannte Gehäuseart Schwierigkeiten bei der Herstellung
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einer sogenannten gestreckten Version, deren Anschlüsse parallel zum Substrat verlaufen. Drittens bereitet das bekannte Gehäuse Schwierigkeiten bei der Anwendung flexibler isolierter Drähte als äußere Anschlüsse. Viertens gelangt bei einem solchen Metallgehäuse ein Klebemittel auf einen Infrarotstrahlungs-Übertragungsabschnitt des Fensters, wenn dieses aus einem Harz wie Polyäthylen bestehende Fenster über der öffnung aufgeklebt wird. Dies führt zu Empfindlichkeitsänderungen des Detektors und beeinträchtigt die Produktqualität. Der fünfte Nachteil besteht darin, daß aufgrund der relativ großen Wärmekapazität des Metallgehäuses Taubildung auf dem Gehäuse stattfindet, wenn die Umgebungstemperatur des Detektors rasch ansteigt. Taubildung auf der Fensterplatte führt zur Unterbrechung der Infrarotstrahlung, und die Feuchtigkeit kann zwischen Fensterplatte und Gehäuse in das Gehäuse eindringen. Der sechste Nachteil beruht darauf, daß sowohl das Metallgehäuse als auch das gewöhnlich aus Tonerde hergestellte isolierende Substrat für das Sensorelement gute Wärmeleiter sind. Wenn bei der Montage ein Kontakt zwischen Gehäuse und Substrat besteht, wird es schwierig, langsame Änderungen der Infrarotstrahlungsenergie festzustellen. Da siebentens das Metallgehäuse unvermeidbar recht groß ist, bereitet eine angestrebte Miniaturisierung Schwierigkeiten. Wird achtens ein Feldeffekttransistor als Impedanzwandler und Verstärker für das Sensorelement in dem Gehäuse untergebracht, dann muß dieser mit einem Harz überzogen werden, damit er gegen in das Gehäuse gelangende Feuchtigkeit geschützt ist. Handelsübliche Feldeffekttransistoren sind nur unzureichend gegen Feuchtigkeit geschützt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen relativ billig herstellbaren und zuverlässig arbeitenden Detektor
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für Infrarotstrahlung der eingangs genannten Art zu schaffen, der weitgehend frei ist von den aufgeführten Nachteilen, und ferner ein zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Detektors geeigentes Verfahren aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Bezug auf den Detektor durch den Patentanspruch 1 , und in Bezug auf das Herstellverfahren durch Patentanspruch 24 oder 25 gelöst. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in jeweils nachgeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Detektors für Infrarotstrahlung besteht darin, daß er sich sehr wirtschaftlich unc3 billig in einer Massenfertigung herstellen läßt, wobei ein großer Spielraum in der Wahl seiner Gestalt und Konstruktion verbleibt. So läßt sich der erfindungsgemäße Detektor ohne Schwierigkeiten entweder als gestreckte Version mit parallel zur Strahlenempfangsfläche des Sensors verlaufenden Anschlüssen oder als Typ mit senkrecht dazu verlaufenden Anschlüssen bauen. Zusätzlich ist es ohne weiteres möglich, isolierte flexible Anschlußdrähte als äußere Anschlüsse oder dergleichen zu verwenden. Daraus ergibt sich eine große Flexibilität in der Anwendung des erfindungsgemäßen verbesserten Infrarotstrahlungsdetektors, das heißt man kann seine geometrischen Abmessungen beliebig an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
Ein weiterer Vorteil bei dor Herstellung dos erfindungsgemäßen Detektors ergibt sich daraus, daß keine Gefahr einer Verschmutzung der Strahlenempfangsfläche des Infrarotstrahlen-Sensorelementes durch Klebstoffe besteht, weil solche nicht in diesen Bereich gelangen können. Da
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bei dem erfindungsgemäßen Detektor die äußere Umhüllung aus einem Kunstharzmaterial hergestellt wird, kann grundsätzlich eine rasche Änderung der Umgebungstemperatur nicht zu einer Taubildung auf dem Gehäuse führen, so daß auch Betriebsstörungen durch Taubildung wirksam ausgeschlossen sind.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren ist relativ leicht und einfach durchführbar, und es ermöglicht eine hohe und konstante Produktionsqualität.
Nachstehend werden einige die Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den Stand der Technik enthält, näher erläutert. Darin zeigen:
eine Schnittansicht eines herkömmlichen Infrarotstrahlungsdetektors ,
eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungs
detektors ,
ein schematisches Schaltbild zu der Ausführung von Fig. 1,
und 5 zwei weitere erfindungsgemäße Ausführungs-
beispiele,
bis 12 verschiedene Phasen der Herstellung des Ausführungsbeispiels von Fig. 2,
Fig. 13A und 13B eine Front- und Rückansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten isolierenden Substrates,
Fig. 14 einen Schnitt durch ein pyroelektrisches Infrarot-Strahlungssensorelement, wie es in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, und
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Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
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Fig. 15A und 15B eine Front- und Rückansicht eines mit einem Infrarot-Strahlungssensorelement und einem Feldeffekttransistor belegten isolierenden Subtrates entsprechend der in Fig. 8 gezeigten Herstellungsphase.
Die nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsdetektors enthalten ein thermisches Infrarotstrahlungs-Sensorelement, insbesondere ein pyroelektrisches Sensorelement in Chip-Form aus LiTaO3, PbTiO3, SBN, PZT oder dergleichen, es können aber auch andere thermische Infrarotsensoren sein, beispielsweise Dünnschichtelemente aus Zusammengesetzen Oxiden von Ni, Co, Mn, Cu, Fe oder dergleichen. Ein solches Gebilde aus einem mit einem Dünnfilm oder Dickfilm aus einer Oxid-Komposition beschichteten Substrat wird als Thermistor-Bolometer bezeichnet. Ferner eignet sich die Erfindung auch zur Anwendung an Infrarotstrahlungdetektoren, die mit einem photoelektrischen Halbleiterwandler bestückt
20 sind.
Bei dem in Fig. 2 geschnitten dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf einer Hauptoberfläche eines vorzugsweise in der Mitte mit einer öffnung 20a versehenen isolierenden Substrates 20 ein Infrarotstrahlungs-Sensorelement 30 angeordnet. Die unterhalb des ■ Sensorelementes 30 liegende öffnung 20a vermindert die Wärmestreuung des Sensorelementes 30 bzw. die Wärmeableitung von demselben. Diese öffnung 20a kann auch durch ein zwischen Substrat 20 und Sensorelement 30 zwischengelegtes Abstandselement aus einem wärmeisolierenden Material ersetzt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wird diese öffnung 20a außer zur Verminderung der Wärmestreuung noch mit Vorteil zur Unterbringung eines
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Feldeffekttransistors 40 ausgenutzt und dadurch die Gesamtdicke des Detektors reduziert. Am Umfang des isolierenden Substrates 20 sind nadeiförmige Anschlußstifte 10, 10' aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer befestigt. Das die öffnung 20a bedeckende Sensorelement 30 ist auf der ihm zugekehrten Oberfläche des Substrates 20 mittels eines elektrisch leitfähigen Klebemittels befestigt.
Das beispielsweise als pyroelektrische Type ausgebildete Sensorelement 30 besteht, wie in Fig. 14 dargestellt ist, aus einem auf gegenüberliegenden Hauptoberflächen mit Elektroden 32 und 33 beschichteten Keramiksubstrat 31 aus PbTiO., oder dergleichen, bei dem durch Polarisation mittels einer an die Elektroden 32 und 33 angelegten Spannung ein pyroelektrischer Effekt ausgelöst wird. Die eine Elektrode 33 ist mit einem schwarzen Film 34 aus gebundenem Ruß oder dergleichen
beschichtet. Dieser schwarze Film bildet eine Strahlenempfangsfläche zur wirksamen Aufnahme und Absorption von Infrarotstrahlen. Zweckmäßigerweise ist der schwarze Film 34 nach außen gekehrt.
Der innerhalb der öffnung 20a angeordnete Feldeffekttransistor 40 ist mittels eigener Anschlußdrähte an der rückseitigen Oberfläche des Substrates 20 befestigt.
Falls diese öffnung 20a nicht vorhanden ist, befestigt man den Feldeffekttransistor 40 einfach auf der rückseitigen Oberfläche des Substrates 20. Obwohl in Fig. nicht sichtbar, trägt das isolierende Substrat 20 auf seiner Oberfläche bestimmte Schichtwiderstandsmuster, die nachstehend in Verbindung mit Fig. 13 näher beschrieben werden und in Fig. 3 dargestellte Arbeitswiderstände Rg und Rs für den Feldeffekttransistor bilden.
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Das soweit mit den Anschlußstiften 10, 10', dem Sensorelement 30 und dem Feldeffekttransistor 40 versehene und verbundene Substrat 20 ist mit einer ersten Abdeckschicht 50 aus einem Harz (siehe Fig. 2) so bedeckt, daß ein Bereich der Strahlenempfangsfläche des Infrarotstrahlungs-Sensorelementes 30, die öffnung 20a einschließlich ihrer Umgebung und die äußeren Enden der Anschlußstifte 10 und 10' nicht bedeckt sind. Vorzugsweise besteht diese Abdeckschicht 50 aus einem isolierenden porösen Phenol- oder Epoxyharz. Der soweit vervollständigte Infrarotstrahlungsdetektor 100 wird danach auf seiner gesamten Außenoberfläche mit einer zweiten Abdeckschicht 60 beschichtet, die aus einem Harzmaterial wie Paraffinharz, Polyäthylen, Polypropylen oder dergleichen besteht, welches für Infrarotstrahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist zwischen der zweiten Abdeckschicht 60 und der Strahlenempfangsfläche des Sensorelementes 30 ein Zwischenraum gebildet, die zweite Abdeckschicht berührt folglich nicht die Sensor-Empfangsfläche. Diese zweite Abdeckschicht hat den Zweck, eine Abstrahlung der Wärme zu verhindern, welche durch einfallende Infrarotstrahlung in dem Sensorelement 30 erzeugt wird.
Der gemäß Fig. 2 in der öffnung 20a des Substrates 20 befestigte Feldeffekttransistor 40 ist ebenfalls mit der ersten Abdeckschicht 50 überzogen und dadurch besonders fest und stabil angebracht, so daß er wenig durch Vibration oder Schock beeinflußbar ist. Weil der FeIdeffekttransistor 40 durch beide Harz-Abdeckschichten 50 und 60 überdeckt ist, braucht man ihn nicht zum Schutz vor Feuchtigkeit vorher mit einem Harz zu beschichten. Es kann also ein billiger und kleiner Feldeffekttransistor eingebaut werden.
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Wenn der soweit fertiggestellte und gemäß Fig. 3 geschaltete Infrarotstrahlungsdetektor 100 Infrarotstrahlung aufnimmt, dann ändert sich als Funktion der Infrarotstrahlungsmenge der Polarisationsgrad des Keramiksubstrates 31 im Sensorelement 30. Dadurch tritt an den Oberflächen des Keramiksubstrates 31, das heißt an den Elektroden 32 und 33 eine elektrische Ladung auf, die durch den Feldeffekttransistor 40 einer Impedanzwandlung und Verstärkung unterzogen wird, und das Ergebnis ist als Ausgang an den Anschlußstiften 10, 10' abgreifbar. Das Prinzip dieses pyroelektrischen Infrarotdetektors ist in der Fachzeitschrift PROCEEDINGS OF THE IEEE, Vol. 66, No. 1 in dem Aufsatz "Pyroelectric Detectors and Materials" von S.T. LIU et al beschrieben. Die durch den erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsdetektor meßbare Infrarotstrahlung liegt in dem Infrarot-Wellenlängenbereich zwischen 0,76μΐη und 400μπι, ja sogar noch etwas unterhalb 0,76μΐη.
Das in Fig.4 der Zeichnung dargestellte zweite erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die zweite Harz-Abdeckschicht 60 direkt an das Infrarotstrahlungs-Sensorelement 30 angrenzt. Da die übrigen Einzelheiten der Ausführung von Fig. 4 mit denen in Fig. 2 im wesentlichen übereinstimmen, sind gleiche Einzelheiten mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und diese sollen auch nicht noch einmal erläutert werden.
Das in Fig. 5 dargestellte dritte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 2 im wesentlichen dadurch, daß seine Anschlußstifte 10 und 10' auf der einen Oberfläche des Substrates 20 befestigt sind und parallel zu dieser verlaufen. Die sonstigen Einzel-
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heiten der Ausführung von Fig. 5 stimmen im wesentlichen mit denen von Fig. 2 überein, es werden daher gleiche Bezugszahlen verwendet. Diese in Fig. 5 dargestellte gestreckte Version eignet sich besonders vorteilhaft für solche Anwendungsfälle, wo der Strahlungsdetektor 100 auf einer nicht dargestellten gedruckten Leiterplatte angeordnet wird und die einfallenden festzustellenden Infrarotstrahlen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte verlaufen. Auch die Ausführungsbeispiele von Fig. 4 und 5 sind vorzugsweise gemäß Fig. 3 geschaltet. An Stelle der relativ starren Anschlußstifte 10, 10' können auch flexible isolierte Drähte verwendet werden; dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Strahlungsdetektor beispielsweise direkt auf einer Metallplatte sitzt. Verbindet man den Strahlungsdetektor 100 über die starren Anschlußstifte 10, 10' mit der Metallplatte, dann müßte man zur Vermeidung von Kurzschlüssen durch die Metallplatte isolierende Abstandselemente oder dergleichen verwenden. Diese Umstände vermeidet man durch Verwendung von flexiblen isolierten Drähten, und diese bieten ferner den Vorteil, daß man bei der Montage des Strahlungsdetektors mehr Bewegungsfreiheit im Gegensatz zu starren Anschlußstiften erzielt und gegebenenfalls Platz sparen kann.
In allen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2, 4 und 5 ist das Sensorelement 30 durch einen elektrisch leitfähigen ,Kleber mit dem Substrat 20 verbunden und außerdem durch die erste Abdeckschicht 50 fixiert. Dies führt zu einem sehr stabilen und wenig durch Vibration oder Schock beeinflußbaren Aufbau.
Nachstehend wird in Verbindung mit den Fig. 6 bis 12 die Herstellung eines solchen Infrarotstrahlungsdetektors beschrieben.
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Das in Fig. 13A von dereinen und in Fig. 13B von der anderen Hauptoberfläche gesehen dargestellte isolierende Substrat 20 hat außer seiner öffnung 20a in der Mitte an seinem Umfang insgesamt fünf Kerben 21 bis 25, von denen die Kerben 21, 22 und 24 der Aufnahme von Anschlußdrähten des Feldeffekttransistors 4 0 und die übrigen Kerben 23 und 25 zum Befestigen der schon erwähnten Anschlußstifte 10 und 10' dienen. Auf der in Fig. 13A sichtbaren Oberfläche des Substrates sind Leiterbahnen gebildet, die sich um die Kerben 21 bis 25 erstrecken. Auf der gegenüberliegenden, in Fig.13B sichtbaren Oberfläche des Substrates ist eine andere Leiterbahn sichtbar, die sich um die Kerben 24 und 25 erstreckt. Ferner verbindet ein in Fig. 13A dargestellter und auf den Umfang des Substrates 20 aufgedruckter Schichtwiderstand 26, welcher dem Arbeitswider stand Rg entspricht, die um die Kerben 21 und 23 gelegten Leiterbahnen. Ein zweiter, dem Arbeitswiderstand Rs entsprechender Schichtwiderstand 28 verbindet in ähnlicher Weise die Leiterbahnen der Kerben 22 und 25.
Schließlich trägt die in Fig. 13A sichtbare Oberfläche des Substrates 20 noch eine um die öffnung 20a herumführende und elektrisch mit der Leiterbahn der Kerbe 24 verbundene Leiterbahn 27, welche (siehe Fig. 14) elektrisch mit der Elektrode 32 verbunden ist, wenn das Sensorelement 30 in zuvor beschriebener Weise auf dem Substrat 20 befestigt ist. Schließlich trägt auch noch die in Fig. 13B sichtbare gegenüberliegende Oberfläche des Substrates eine kreisbogenförmige Leiterbahn 29, welche die Leiterbahnen an den Kerben 24 und 25 miteinander verbindet. An dem so vorbereiteten Substrat 20 werden die Anschlußstifte 10 und 10' im Bereich der Kerben 23 und 25 elektrisch angeschlossen und befestigt.
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Dann wird gemäß Fig. 7 der Feldeffekttransistor 40 von unten her teilweise in die öffnung 20a des Substrates 20 eingesetzt und befestigt. Seine Gate-Elektrode wird mit der Leiterbahn der Kerbe 24, seine Source-Elektrode mit der Leiterbahn um die Kerbe 21 und seine Drain-Elektrode mit der Leiterbahn um die Kerbe 22 elektrisch verbunden.
Danach wird gemäß Fig. 8 ein gemäß Fig. 14 ausgebildetes Infrarotstrahlungs-Sensorelement 30 mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers so auf der Oberseite des Substrates 20 befestigt, daß sein als Strahlenempfangsfläche dienender schwarzer Film 34 oben liegt. Die Elektrode 32 des Sensorelementes wird elektrisch mit der Leiterbahn des Substrates 20 verbunden. Der elektrisch leitfähige Kleber kann als Hauptbestandteil ein Leitermaterial wie Ag, Ni, Au oder dergleichen enthalten. Der in Fig. 8 erreichte Herstellzustand ist in Fig. 15A von der einen und in Fig. 15B von der anderen Seite dargestellt. Gemäß Fig. 15A ist die Elektrode 33 des Sensorelementes 30 durch eine Drahtverbindung mit der Leiterbahn um die Kerbe 23 verbunden. Jetzt sind die in Fig. 3 dargestellten elektrischen Verbindungen hergestellt.
Gemäß Fig. 9 ist ein von einer durch Wärme verflüssigbaren Masse 71 umschlossener Chip 70 auf die Strahlenempfangsfläche des Sensorelementes 30 aufgesetzt, und die öffnung 20a des Substrates 20 ist mit einer ähnlichen durch Wärme verflüssigbaren Masse 72 ausgefüllt. Diese Massen 71 und 72 können beispielsweise aus Wachs, Paraffin, Vaseline oder dergleichen bestehen und haben die Eigenschaft, daß sie vorzugsweise bei Normaltemperatur fest sind und eine vorgegebene geometrische Form beibehalten, aber durch Wärmeeinwirkung flüssig werden und bei einer noch höheren Temperatur vergasen. Das Material dieser Massen 71 und
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kann auch, bei Normaltemperatur fest oder halbfest sein und bei höherer Temperatur sublimieren. Der Chip 70 besteht vorzugsweise aus einem dichten Material wie Tonerdekeramik, Steatitkeramik, Fosteritkeramik, Berylliumkeramik oder Metall, jedenfalls aus einem Material, welches kaum die verflüssigbare Masse absorbiert. Beispielsweise können die Massen 71, 72 aus Wachs bestehen, welches durch Aufheizen verflüssigt wird und nach Abkühlung an der Oberfläche des Chip 70 haftet. Auf diese Weise wird der Chip 70 mit Hilfe von Wachs vorübergehend auf dem Sensorelement 30 befestigt, was die Arbeit erleichtert und die Fertigungsqualität verbessert.
Bei den zuvor beschriebenen Massen 71 und 72, die durch Wärmeeinwirkung verflüssigt, vergast oder sublimiert werden, kann man unter dem Zustand "fest" ebenso einen wirklich festen Zustand als auch einen halbfesten Zustand verstehen. Ferner sei erwähnt, daß bei den eingangs beschriebenen Ausführungsbeispielen dieser mit der Masse 71 umgebene Chip 70 zur Bildung des Zwischenraumes 51 benutzt und anschließend entfernt wird. Zum Zwecke dieser Zwischenraum-Bildung kann man auch ein Element benutzen, das nur aus einem durch Wärme verflüssigbaren Material besteht und keinen Chip bzw. festen Körper enthält. Dadurch erspart man sich das Entfernen des Chip. Auf alle Fälle wird dieser Zwischenraum-Bildner mit oder ohne Chip aus einem durch Wärme verflüssigbaren Material gebildet und geometrisch so gestaltet, daß er im getrockneten oder verfestigten Zustand auf die Strahlenempfangsfläche des Sensorelementes aufgesetzt und nach Bildung des gewünschten Zwischenraumes durch Wärmeeinwirkung verflüssigt oder sublimiert wird, so daß dieses Material wieder entfernt werden kann. Alle diese Modifikationen fallen unter die vorliegende Erfindung.
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Das in Fig. 9 dargestellte Gebilde wird dann natürlich oder mittels Wärme getrocknet und in eine Lösung aus einem porösen isolierenden Harzmaterial wie Phenolharz oder Epoxyharz getaucht, wobei die erste Harz-Abdeckschicht 50 gebildet wird, siehe Fig. 10. Anschließend wird der Zwischenraum-Bildner so beheizt, daß die Materialien bzw. Massen 71 und 72 (siehe Fig. 9) verflüssigt, vergast oder sublimiert werden. Dabei werden sie teilweise in der ersten Harz-Abdeckschicht 50 absorbiert und nach außen abgegeben. Gemäß Fig. 10 befindet sich jetzt dort ein Spalt, wo zuvor die Massen 71 und 72 von Fig. 9 waren. Danach wird ein Teil der über dem Chip 70 liegenden ersten Abdeckschicht 50 mittels eines rotierenden Schleifelementes 80 bis zu einer strichpunktierten Linie in Fig. 10 entfernt und dadurch der Chip 70 freigelegt.
In Fig. 11 ist dargestellt, wie anschließend der auf diese Weise freigelegte Chip 70 mittels eines Unterdruck-Saugrohres 90 von dem Sensorelement 30 abgehoben und entfernt wird.
Das soweit fertiggestellte Bauteil wird dann auf der Seite, wo die erste Harzabdeckschicht 50 von der Strahlenempfangsfläche des Sensorelementes 30 entfernt wurde, in eine Lösung 60a aus dem ausgesuchten infrarotdurchlässigen Harzmaterial wie Polyäthylen eingetaucht und dabei bildet sich die zweite Ilarz-Abdeckschicht 60. Damit ist der erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsdetektor 100 fertiggestellt.
Weil gemäß Fig. 12 der vorgefertigte Detektor mit nach unten liegender Strahlenempfangsfläche seines Sensorelementes, wo der Abschnitt der ersten Abdeckschicht 50 entfernt wurde, eingetaucht wird, bildet sich die zweite
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Abdeckschicht 60 unter Freilassung des Zwischenraumes zwischen der zweiten Abdeckschicht 60 und dem Sensorelement 30, weil die Harzlösung 60a eine Oberflächenspannung hat. Füllt man in die zuvor gemäß Fig. 9 in die erste Abdeckschicht 50 gebildete öffnung ein gaserzeugendes Medium wie Aceton oder Äthylalkohol, bevor man das Erzeugnis gemäß Fig. 12 in die Lösung 60a eintaucht, dann erweitert sich der Zwischenraum auf der Strahlenempfangsseite des Sensorelementes 30 durch die Gasbildung noch mehr, und man kann eine weitere Verminderung der Wärmestreuung des Sensorelementes 30 erreichen.
Um bei dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel die zweite Harzabdeckschicht 60 in Kontakt mit dem Sensorelement 30 zu bringen, kann man das soweit vorbereitete Erzeugnis entweder in gegenüber Fig. 12 umgekehrter Lage in die Lösung 6Öa eintauchen, oder man taucht es ebenfalls wie in Fig. 12 ein und vermeidet die Bildung des sonst durch Oberflächenspannung entstehenden Zwischenraumes durch Schütteln, Vibrieren oder Umrühren der Lösung 60a.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel kann im wesentlichen so hergestellt werden, wie dies zuvor für das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 6 bis 12 beschrieben wurde. Die einzige Ausnahme bilden die Anschlußstifte 10 und 10', die ja gegenüber dem Substrat eine andere Richtung einnehmen, aber dies braucht wohl nicht näher beschrieben zu werden.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen befindet sich ein Infrarotstrahlungs-Sensorelement auf einem isolierenden Substrat. Es können jedoch durchaus zwei oder mehr Sensorelemente auf einem einzigen isolierenden
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Substrat angeordnet sein. In diesem Fall können zwei oder mehr unabhängige öffnungen im Substrat SeIn7 an denen die einzelnen Sensorelemente befestigt werden. Dies bedeutet nur geringfügige Abweichungen gegenüber dem zuvor beschriebenen Herstellverfahren, die der Fachmann durchaus beherrschen kann.
Bei den zuvor beschriebenen Strahlungsdetektoren mit pyroelektrischem Effekt besteht das Sensorelement aus Keramik, und es besteht durchaus die Möglichkeit, dessen Keramikplatte als isolierendes Substrat 20 des Strahlungsdetektors zu verwenden. Das heißt, in diesem Falle kann man überhaupt auf das Substrat 20 verzichten und erhält einen besonders kompakten Infrarotstrahlungsdetektor. Bei dieser Modifizierung läßt sich außerdem die Anzahl der Bauelemente vermindern und deren Herstellprozess vereinfachen, man erhält somit einen billigen Infrarotstrahlungsdetektor. Benutzt man das pyroelektrische Sensorelement selbst als isolierendes Substrat, dann erhält man folglich auch keine öffnung 20a und muß den Feldeffekttransistor 40 einfach auf der Oberfläche des Sensorelementes befestigen, die seiner Strahlenempfangsfläche gegenüberliegt.
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Claims (9)

  1. PATENTANWÄLTE
    TER MEER-MÜLLE R-STEI N ME I STE R
    Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandataires agreed pres !'Office european des brevets
    Dipl.-Chem. Dr. N, ter Meer Dipl-Ing. H. Steinmeister
    Dipl.-lng, F. E. Müller <-.. , „-_
    Triftstrasse 4. Siekerwall 7.
    D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1
    FP-0897 Mü/Gdt/hm
    25. April 1979
    MURATA MANUFACTURING COMPANY, LIMITED 26-10, Tenj in 2-chome, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu, Japan
    Detektor für Infrarotstrahlung und Verfahren zu dessen Herstellung
    Priorität: 26. April 1978 - Japan - No. 50373/1978
    PATENTANSPRÜCHE
    Detektor für Infrarotstrahlung, mit einem aus isolierendem Material bestehenden Substrat, auf dem ein Infrarotstrahlungs-Sensorelement mit seiner rückseitigen Oberfläche befestigt ist, welches bei auf seine als Strahlenempfangsfläche dienende Frontoberfläche auftreffender Infrarotstrahlung ein entsprechendes Signal erzeugt und mittels einer Signalabgabeeinrichtung, die mit an dem Substrat befestigten externen Anschlüssen elektrisch verbunden ist, abgibt, dadurch gekennzeichnet , daß das Infrarotstrahlungs-Sensor-
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    element (30) unter Aussparung seiner Strahlenempfangsfläche (34) sowie das isolierende Substrat (20) mit einem Teil der externen Anschlüsse (10, 10') mit einer ersten Harz-Abdeckschicht (50) überdeckt ist.
  2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Harz-Abdeckschicht (50) aus einem porösen Harz gebildet ist.
  3. 3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das poröse Harz ein thermoplastisches bzw. wärmehärtbares Harz oder dergleichen ist.
  4. 4. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf die erste Harz-Abdeckschicht (50) eine zweite Harz-Abdeckschicht
    (60) aufgetragen ist, welche aus einem für einen bestimmten Infrarotstrahlenbereich durchlässigen Harzmaterial besteht.
  5. 5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Harz-Abdeckschicht (60) aus Paraffin-Harz besteht.
  6. 6. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sich die zweite Harz-Abdeckschicht (60) im Kontakt mit der Strahlenempfangsfläche des Infrarotstrahlungs-Sensorelementes (30) befindet.
  7. 7. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Harz-Abdeckschicht (60) unter Bildung eines Zwischenraumes (51) in einem Abstand von der Strahlenempfangsfläche des Infrarotstrahlungs-Sensorelementes (30) gebildet ist.
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  8. 8. Detektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Infrarotstrahlungs-Sensorelement einen photoelektrischen Wandler enthält.
  9. 9. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Infratorstrahlungs-Sensorelement (30) ein thermischer Typ ist, der in Abhängigkeit von Wärme, die durch auf die Strahlenempfangsfläche (34) des Sensors auftreffende Infrarotstrahlung erzeugt wird, ein elektrisches Signal erzeugt.
    10. Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der thermische Typ ein Thermistor-Bolometer ist.
    11. Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der thermische Typ ein pyroelektrisches Sensorelement (30) ist.
    12. Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das pyroelektrische Sensorelement (30) eine Keramikplatte (31) enthält, die auf beiden Hauptoberflächen mit Elektroden (32, 33) zur Abnahme des elektrischen Signals belegt ist und auf der einen Elektrode (33) einen schwarzen Film (34) trägt, der die Strahlenempfangsfläche bildet.
    13. Detektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß mit dem pyroelektrischen Sensorelement (30) ein ebenfalls von der ersten Harz-Abdeckschicht (50) bedeckter, als Impedanzwandler und Signalverstärker dienender Feldeffekttransistor (40)
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    verbunden und zwischen der einen Elektrode (32) und den externen Anschlüssen (10, 10') angeschlossen ist, um das elektrische Signal an die externen Anschlüsse zu legen.
    14. Detektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein als Arbeitswiderstand (Rg, Rs) für den Feldeffekttransistor dienender und mit ihm verbundener Widerstand (26, 28) auf das isolierende Substrat (20) aufgedruckt ist.
    15. Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (40) auf der von dem Sensorelement abgekehrten Seite des Substrates (20) angeordnet ist.
    16. Detektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß in das isolierende Substrat (20) auf dieser anderen Seite bzw. Oberfläche eine Ausnehmung (20a) eingeformt ist, in die der Feldeffekttransistor eingesetzt ist.
    17. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die externen Anschlüsse (10, 10') so an dem isolierenden Substrat (20) befestigt sind, daß sie sich senkrecht zu dessen Oberfläche erstrecken (Fig. 2, Fig. 4).
    18. Detektor nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die externen Anschlüsse (10, 10') so an dem isolierenden Substrat (20) befestigt sind, daß sie sich parallel zu dessen Oberfläche erstrecken (Fig. 5).
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    19. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die externen Anschlüsse durch mindestens eine flexible isolierte Drahtleitung gebildet sind.
    20. Detektor nach Anspruch 1 oder 12, dadur'ch gekennz e ichnet, daß die äußeren Anschlüsse (10) direkt mit dem pyroelektrischen Sensorelement (30) verbunden sind, dessen Keramikplatte (31) das isolierende Substrat des Detektors bildet.
    21. Detektor nach Anspruch 12 oder 20, dadurch gekennzeichnet , daß die externen Anschlüsse (10, 10') an der Strahlenempfangsfläche des pyroelektrischen Sensorelementes (30) befestigt sind und sich senkrecht zur Oberfläche des isolierenden Substrates (20) erstrecken.
    22. Detektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die externen Anschlüsse (10, 10') so an dem pyroelektrischen Sensorelement (30) befestigt sind, daß sie sich parallel zu dessen Strahlenempfangsfläche (34) erstrecken.
    23. Detektor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die externen Anschlüsse (10, 10') durch mindestens eine flexible isolierte Drahtleitung gebildet sind.
    24. Verfahren zur Herstellung eines Detektors für Infrarotstrahlung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei ein Substrat aus einem isolierenden Material vorbereitet, dann ein Infrarotstrahltungs-Sensorelement mit einer als Strahlenempfangsfläche präparierten
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    Oberfläche, welches bei auftreffender Infrarotstrahlung ein elektrisches Signal abgeben kann, vorbereitet und mit äußeren Anschlüssen zur Weiterleitung des elektrischen Signals versehen, und danach das Sensorelement zusammen mit den Anschlüssen unter Bildung elektrischer Verbindungen mit dem isolierenden Substrat verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß
    - ein mit einem durch Wärmeeinwirkung von einem festen in einen flüssigen Zustand und zurück verwandelbaren Material bedeckter Körper vorbereitet,
    - der mit dem verwandelbaren Material bedeckte Körper auf die Strahlenempfangsfläche des Sensorelementes gesetzt,
    - eine erste Harz-Abdeckschicht auf der gesamten Oberfläche des isolierenden Substrates unter Einbeziehung des Sensorelementes und des Körpers geformt,
    - das isolierende Substrat zur Verflüssigung und zum Entfernen des verwandelbaren Materials beheizt,
    - ein der Strahlenempfangsfläche des Infrarotstrahlungs-Sensorelementes entsprechender Abschnitt der ersten Harz-Abdeckschicht zur Bildung einer Öffnung entfernt, und
    - der Körper durch die öffnung in der ersten Harz-Abdeckschicht entfernt und dabei an der Stelle, wo sich zuvor der mit dem Material bedeckte Körper befand, ein Raum gebildet wird.
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    25. Verfahren zur Herstellung eines Detektors für Infrarotstrahlung nach Anspruch 20, bei dem aus einer auf beiden Hauptoberflächen mit je einer Elektrode versehenen Keramikplatte ein pyroelektrisches Sensorelement gebildet wird, das auf der einen Elektrode mit einer strahlenabsorbierenden Schicht versehen wird, welche eine Strahlenempfangsfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß
    - mit den Elektroden des pyroelektrischen Sensorelementes äußere Anschlüsse verbunden,
    - ein mit einem durch Wärmeeinwirkung von einem festen in einen flüssigen Zustand und zurück verwandelbaren Material bedeckter Körper vorbereitet,
    - der mit dem verwandelbaren Material bedeckte Körper auf die Strahlenempfangsfläche des Sensorelementes gesetzt,
    - eine erste Harz-Abdeckschicht auf der gesamten Oberfläche des pyroelektrischen Elementes gebildet,
    - das pyroelektrische Element zur Verflüssigung und zum Entfernen des verwandelbaren Materials beheizt,
    - ein der Strahlenempfangsfläche des pyroelektrischen Elementes entsprechender Abschnitt der ersten Harz-Abdeckschicht zur Bildung einer öffnung entfernt, und
    - der Körper durch die öffnung in der ersten Harz-Abdeckschicht entfernt und dabei über der Strahlenempfangsfläche des pyroelektrischen Sensorelementes ein Raum gebildet wird.
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    26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Harz-Abdeckschicht ein poröses Harz verwendet wird, und daß beim Entfernen des verwandelbaren Materials das verflüssigte Material von dem porösen Harz der Abdeckschicht absorbiert wird.
    27. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet , daß als poröses Harz ein wärmehärtbares Harz verwendet wird, und daß gleichzeitig mit der thermischen Härtung des porösen wärmehärtbaren Harzes das Entfernen des durch Wärme verflüssigbaren verwandelbaren Materials durchgeführt wird.
    28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , daß als poröses wärmehärtbares Harz ein Phenolharz verwendet wird.
    29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , daß als poröses wärmehärtbares Harz ein Epoxyharz verwendet wird.
    30. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet , daß ferner eine zweite Harz-Abdeckschicht aus einem für einen bestimmten Infrarotstrahlenbereich durchlässigen Harz über der ersten Harz-Abdeckschicht gebildet und damit die Strahlenempfangsfläche des Infrarotstrahlen-Sensorelementes bedeckt wird.
    31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß diese zweite Harz-Abdeckschicht dadurch gebildet wird, daß das mit der ersten Harz-Abdeckschicht überzogene isolierende Substrat
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    in eine Lösung des für einen bestimmten Infrarotstrahlenbereich durchlässigen Harzes eingetaucht wird.
    32. Verfahren nach.Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß das isolierende Substrat mit der 'Seite in die Harzlösung eingetaucht wird, wo sich die durch das Entfernen der ersten Harz-Abdeckschicht gebildete öffnung befindet.
    33. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, d a d u rc h gekennzeichnet , daß das mit der ersten Harz-Abdeckschicht überzogene isolierende Substrat beim Eintauchen in die Lösung des durchlässigen Harzmaterials in Vibrationen versetzt wird.
    34. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der ersten Harz-Abdeckschicht überzogene isolierende Substrat in der Weise in die Lösung aus dem für einen bestimmten Infrarotstrahlenbereich durchlässigen Harz in der Weise eingetaucht wird, daß sich die durch das Entfernen der ersten Harz-Abdeckschicht gebildete öffnung auf der entgegengesetzen Seite befindet.
    35. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß vor dem Eintauchen des mit der ersten Harz-Abdeckschicht überzogenen isolierenden Substrates in die Lösung aus dem für einen bestimmten Infrarotstrahlenbereich durchlässigen Harz ein gasbildendes Mittel in die öffnung in der ersten Harz-Abdeckschicht oberhalb der Strahlenempfangsfläche des Infrarotstrahlen-Sensorelementes gefüllt wird.
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    36. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß für die zweite Harz-Abdeckschicht ein Paraffinharz verwendet wird.
    37. Verfahren nach Anspruch 24, 25 oder 30, dadurch gekennzeichnet , daß das durch Wärmeeinwirkung von einem festen in einen flüssigen Zustand und zurück verwandelbare Material Wachs oder Paraffin ist.
    38. Verfahren nach Anspruch 24, 25 oder 30, dadurch gekennzeichnet , daß als durch Wärmeeinwirkung von einem festen in einen flüssigen Zustand und zurück verwandelbares Material Vaseline verwendet wird.
    39. Verfahren nach Anspruch 24, 25 oder 30, dadurch gekennzeichnet , daß das durch Wärmeeinwirkung von einem festen in einen flüssigen Zustand und zurück verwandelbare Material die Eigenschaft hat, im festen oder halbfesten Zustand bei Normaltemperatur eine bestimmte geoemtrische Form zu behalten, jedoch bei erhöhter Temperatur flüssig zu werden.
    40. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper aus einem dichten Material hergestellt wird, welches im wesentlichen nicht das durch Erwärmung verflüssigte verwandelbare Material absorbiert.
    41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet , daß als dichtes Material eine Keramik aus Tonerde, Steatit, Fosterit oder Beryllium verwendet wird.
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    42. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß als dichtes Material ein Metall verwendet wird.
    43. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß bei der Vorbereitung des isolierenden Substrates auf einer Seite des Substrates ein Raum gebildet und der Feldeffekttransistor in diesen Raum gesetzt wird.
    44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet , daß der Raum, in welchem der Feldeffekttransistor angeordnet wird, mit einem durch Wärmeeinwirkung von einem festen in einen flüssigen Zustand und zurück verwandelbaren Material gefüllt wird, bevor die erste Harz-Abdeckschicht aufgetragen wird.
    45. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet , daß der einen Raum
    mit vorbestimmten geometrischen Abmessungen oberhalb der Strahlenempfangsoberfläche des Sensorelementes bildende Körper vollständig aus einem durch Wärmeeinwirkung von einem festen in einen flüssigen Zustand verwandelbaren Material gebildet wird.
    46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem verwandelbaren Material bestehende freiraumbildende Körper durch Erwärmen des isolierenden Substrates bzw. des Sensorelementes verflüssigt und entfernt wird.
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    ^ INSPECTED
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