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CN101084575A - 用于检测特殊的红外电磁辐射的部件 - Google Patents

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CN101084575A CNA2005800438157A CN200580043815A CN101084575A CN 101084575 A CN101084575 A CN 101084575A CN A2005800438157 A CNA2005800438157 A CN A2005800438157A CN 200580043815 A CN200580043815 A CN 200580043815A CN 101084575 A CN101084575 A CN 101084575A
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Abstract

用于检测电磁辐射的这个部件包括：—限定腔(5)的盒体，腔(5)被置于真空或低压之下，所述盒体的一个表面含有窗户(4)，窗户(4)对于要检测的辐射是可透过的，所述腔包含用于检测所讨论的辐射的至少一个检测器(6)，检测器(6)被布置在所述腔内部基本对着可透过的窗户，—残留气体的泵吸装置或吸气器，以使腔(5)中的真空或低压保持在合理的水平，—用于保证检测器的温度调节的热稳定装置(18)。热稳定装置包含被集成在限定盒体的一个壁的大部分中的电阻加热元件(18)。

Description

用于检测特殊的红外电磁辐射的部件
本发明涉及检测电磁辐射、特别是红外辐射的部件。
尤其是这样一种部件被用于安装成例如红外摄像机中的光学成像部件，所述部件在环境温度下工作以便构成所讨论领域中的所谓“电红外成像视网膜”。
在红外成像中，需要把所谓的检测器放在大致高真空的腔内部，以便所使用的检测器能正确地工作和获得对所观察景物温度变化的最大敏感度。
经常需要小于10-2mbar的压力，以便使这样一种检测器满意地工作。因此检测器被密封在气密室中，在室内部已生成所需的真空或低压环境。
因而，如同环境温度下红外成像领域中常有的情况，当使用了生物检测器时，也需要稳定住所述检测器的温度，以便获得较好的性能以及有关所观察景物温度的精度方面的所需敏感度。
这种温度稳定在传统上通过使用热电模块来实现，所述热电模块例如是：与PID(Proportional Integral Derivative-比例集成微商)控制器以及热传感器相连的珀尔帖式(peltier-type)热电模块，所述热传感器布置成靠近或在检测器内部，所述检测器是欲要被稳定而因此位于上述盒体限定的室内部。
下面联系图1来描述根据现有技术的辐射热检测器的密封外壳，图1是简略的视图。
这主要包括基板1，基板1由陶瓷材料或金属或甚至是这两种形式材料的结合物制成。在此情况下，基板1构成外壳的底部。它具有侧壁2并利用在其上表面上的盖3而被气密地密封。盖3具有窗户4，窗户4对于要检测的辐射是可透过的，在红外辐射的情况下，以及例如对于具有波长8-12μm或3-5μm的通常检测波长的辐射是可透过的。
由此限定了内部具有真空或低压的腔或室5，所述真空或低压一般小于10-2mbar。构成这个腔5的元件被密封，使得氦的泄漏率小于10-12mbar.1/s。
在这个腔内部，基板1容纳了有效的检测器，特别是一个或多个位于窗户4下的辐射热检测器。这个或这些辐射热计6与连接电路7相连接，这个组件或芯片被连接于热电模块8，热电模块8例如通过钎焊或环氧树脂粘接而连接于基板1。如已经陈述的，这个模块用于保证芯片温度的控制，以便特别是用作由检测器6分析的变量方面的参考，和以便在此基础上保证所作的测量的某种程度的可重复性。
这个微辐射热计及连接电路组件6，7通过带导线的接头9在电路上还连接于其外部环境，带导线的接头9连接于穿过所述基板1的标准的输入/输出端10，并且通过互连及工作电路11连接于装在装置内的电子仪器，所述电子仪器例如是摄像机。
热电模块8产生的热利用散热片12扩散，散热片12被布置成靠着基板1的下表面，并被布置得在所述模块下方基本成垂直。
为了保持腔5内部的真空，在腔的内部安装了能够吸收和一般地说是泵吸使用检测元件期间释放的气体分子的装置，这种装置称为“吸气器”。
这个吸气器13连接于穿过基板1的电源输入端14，所述输入端还被连接于互连电路11。
为达到热控制方面的最佳效率，传统上热电模块被布置在具有真空或低压环境的盒体内部。
尽管如此，曾考虑过把这个模块布置在盒体外部的可能性，由此使得更易于制造盒体和在其内部获得真空，但是，首先它恶化了辐射热检测器的热控制的效率，而其次使所述热电模块的功率消耗恶化(例如见文件US-A-5914488，它描述了应用加热模块替代热电模块的等效原理)。
含有在盒体限定的腔5内部的热电模块、而一般说是热稳定装置的缺点，主要是：事实上它使盒体更加复杂。
事实上，首先需要使盒体的高度通常增加1.5-4.5mm，而因此增加了这样一种装置的总体尺寸。
其次，还必须备有专用的电源插头，以便在电路上连接热稳定装置。
最后，组件及排气的温度必须被限制至热稳定装置能经受住的最高温度。
另一方面，在稳定装置或热控制装置被置于盒体外部的结构的情况下，所述装置的功率消耗是过多的，而包含盒体及热稳定装置的整个系统的总体尺寸是较大的。这也使得把盒体组装在PCB上的过程(连接于PCB的方法，记录温度等)更复杂。
此外和不管温度控制装置布置在何处，即盒体内部或外部，特别是由于制造有效的控制装置的成本，以及还有因为把这个装置装入盒体中引起的成本，和为容纳这样一种控制装置而与特别设计的盒体特点有关的成本，使它与盒体集成起来是昂贵的。
本发明的目的主要是克服这各种缺点。因此其目标瞄准把温度控制装置、尤其是加热装置集成在密封外壳的一个壁的大部分上，特别是在所述外壳的底部上。为实现这点，本发明涉及优先使用共烧结陶瓷技术来生产外壳的壁。
根据本发明，用于检测电磁辐射、特别是红外辐射的元件包括：
-限定腔的盒体，所述腔被置于真空或低压下并包含至少一个检测器，所述盒体的一个面含有窗户，窗户对于要检测的辐射是可透过的，所述检测器用于检测所关心的辐射并被布置在所述腔的内部基本对着可透过的窗户，
-残留气体的泵吸装置或吸气器，以便把腔内的真空或低压保持在合理的水平，
-热稳定装置，用于保证检测器温度的调节。
根据本发明，热稳定装置含有电阻加热元件，电阻加热元件被集成于限定盒体的壁之一的整块材料中，特别是限定在其底部之中。
在此情况下，壁而因此底部是由共烧结的陶瓷制成并包括通过烧结而彼此连结的至少两个邻接的陶瓷层：
-上层，检测器通过钎焊或环氧树脂粘结而连接于上层；
-下层，在与上层接触的其表面上，下层含有通过网板印刷而获得的所述电阻装置，通过烧结使这个下层连接于所述上层。
在这个方法中，仅是一个电阻加热元件作为热稳定装置被集成在壁的大部分上，而尤其是在根据本发明的检测部件的密封外壳的底部上。这个电阻加热元件由在盒体外部的PID控制器监测。为实现这点，以和任何其它通路相同的方法，通过部件使它在电路上连接于盒体的一个或多个电输出端。盒体至PCB的连接也称为互连电路(11)，用于保证PID控制器连接于电阻加热元件。
这个电阻加热元件可具有各种图形，尤其是笔直的、圈形的、螺旋形的等，目的是达到检测器上要被控制或被稳定的温度尽可能地均匀。
根据本发明的另一个方面，用于增大上述集成的加热装置与外部环境之间的热阻抗的装置也被集成在壁的大部分中，特别是集成在盒体的底部。
为实现这点，如同早先描述所生成的底部被连接于第三下层，第三下层设置有任何形状的、填充有空气并开口于外部环境中的一定数量空腔，由此减小盒体与印刷的连接电路之间的表面接触。
在本发明的另一个实施例中，第二空腔被限定在盒体的底部以保证热绝缘，所述第二空腔经制作在共烧结陶瓷层上的通孔与上空腔连通，上空腔特别是容纳了含有检测器及其连接电路的组件，共烧结陶瓷层含有热稳定装置的电阻加热元件。
通过仅以示例方法给出的下列说明，参考了各附图，将更容易理解实现本发明的方法和其导致的优点。
如早先陈述的，图1是根据现有技术的装置的简略剖视图；
图2是根据本发明的检测部件的第一实施例的简略剖视图；
图3是根据本发明的检测部件的第二实施例的简略剖视图；
图4是根据本发明的检测部件的第三实施例的简略剖视图；以及图5是除去窗户之后的俯视图，所述窗户对于要检测的辐射是可透过的。
对于图释现有技术的图和图释本发明的图是通用的元件，在下列说明中给予了相同的标号。
根据本发明的检测部件，如同现有技术的情况，盒体被气密地密封，以便至少把氦泄漏限制在约10-12 mbar.1/s的数值。
这个盒体包括下面更详细描述的由共烧结陶瓷制成的基板1，在基板1上，通过钎焊或环氧树脂安装了与连接电路7连接的一个或多个微辐射热计6。连接电路7自身有利地装设有热传感器23，传感器23的用途是以已知方式连续地优化包含组件6，7的芯片的热控制。
这个盒体的上表面被具有窗户4的盖3封闭，窗户4对于要检测的辐射是可透过的，在此情况下对红外辐射是可透过的。
根据本发明的另一个基本方面，电阻加热元件被集成于基板1的大部分中，所述电阻加热元件属于被限定在盒体内部的空腔中的热稳定装置并涉及辐射热检测器6的热控制。
在所描述的例子中，基板1是三层式基板。陶瓷制成的中间层16在其上表面上，即其指向芯片6，7的表面上，容纳有电阻加热元件18。
为了使这个电阻加热元件与所述芯片6，7在电路上绝缘，也是由陶瓷制成的上层17被布置在中间层16的顶部。
组件16，17，18用于通过焦耳效应保证均匀加热芯片6，7，以便在空间上和暂时地使芯片温度保持高于环境温度若干度。
如早先已陈述的，电阻加热元件18是通过未处理的陶瓷片上的墨水形式的网板印刷导线来敷设的。在已知的方式中，这些陶瓷片，在共烧结之前而因此在被烧硬之前是处于非刚硬形式的，而因此是软的或柔性的，并使用所讨论的技术，被称为“原料的”。
于是，具有各种导线图形及线路的若干陶瓷片可被布置成一个在另一个顶部上，以便获得电阻加热元件的所需断面，而因此保证叠加芯片的加热尽可能均匀。
两个不同平面的导电通路之间的电连通由通道(未图示)保证。
一旦应用技术人员熟悉的工具使原料的网板印刷的陶瓷片被组装、对准及压缩之后，它们就在高温及压力下被烧结，以便陶瓷片相互结合。如此获得的组件是坚硬的，而后可被切割成各个模块，各个模块构成例如基板1的两个层16，17。这个组件16，17与一个或两个陶瓷层15连接，以便使电阻加热元件18与印刷的互连电路11绝缘。
此外，在所述基板的生产期间，有效的空腔5由基板1上附加的周边陶瓷层21，22限定。于是，陶瓷层15，16，17，21，22全部被组装在一起并同时地被共烧结。
有两种主要形式的技术用于烧结这种陶瓷：
-所谓的LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic-低温共烧结陶瓷)技术，此处烧结发生在约800℃时，而此处使用银基的墨水产生电导线；
-所谓的HTCC(High Temperature Cofired Ceramic-高温共烧结陶瓷)技术，此处烧结温度等级是1,500℃，而此处使用基于钨形式的耐熔金属的墨水来产生电导线。
在联系图2描述的实施例中，特别应用了HTCC技术。事实上，如已知的，钨形式的内部电导线比银基的导线具有更大的电阻，而这使得应用导电通路作为芯片所需的焦耳效应加热的电阻变得容易。
此外，HTCC技术使它能用氧化铝形式的基板来工作，所述基板具有15-20W/m/K的平均热传导率，或甚至是AIN(氮化铝)形式的基板提供了更好的热传导率(180W/m/K)，于是促进了芯片附近的热扩散。
图2图释的是剖视图。可看到电阻加热元件18，它可被假设为是连续的线圈或螺旋线，要提醒读者：被关注的目的是：保证要控制温度的芯片的平面处的热扩散尽可能均匀。
网板印刷的应用提供了电阻加热元件形状或结构方面的非常大的自由度。
通常，目标是消耗10mW-5W。
为有利地及为减小热损失而因此减小装置的功率消耗，本发明的目的是减小如先前制成的基板1与印刷的互连电路11之间的热传导或接触表面面积。这引出了下面参考图3描述的本发明实施例。
对前述的两个共烧结陶瓷层16，17增加一个用相同材料制成的层15，层15的中心区域可具有任何断面的空腔26，特别是平行管形的、圆柱形的等，它们连接于同一个外部环境。这限制了基板与互连电路11之间的接触面积，而因此限制了制成所述基板的材料的内在传导造成的热损失。
空腔26被制成得以避免基板的上层16与17有任何沉陷的危险，例如通过粘结至空腔的尺寸与限定所述空腔的圆柱的尺寸的至少1/4的比例。例如，选择2mm宽和2.5mm间距的空腔。因此，层15的周边边沿没有这种空腔，以便特别地允许靠近侧壁的电接头19移动，这些接头携带了芯片6，7或电阻加热元件18与印刷的互连电路11之间的电信号。
上层16及17还可具有空腔24，25，以便限制构成基板的陶瓷的侧面的平面处的传导造成的损失。
还可以观察下面参考图4及5描述的本发明另一个实施例，它仍具有限制热损失的目的。
在这个实施例中，组件16，17，18保持如同联系图2所描述的情况。它是这样的：上空腔5被限定在盒体的上部分中，所述空腔特别容纳有芯片6，7，提醒读者：所述空腔被保持近似为10-2mbar的真空。
因此，通过使用两个附加平面的陶瓷层28，29来限定第二种所谓的“下”  空腔或“热绝缘空腔”27，所述空腔通常通过钎焊在其下底部平面处被金属板30所封闭。后者能够容纳吸气器31，吸气器31通过物理汽相淀积PVD来制成或通过钎焊或通过任何其它装置把它单独安装在金属板30上。
上空腔5与下空腔27利用制成在组件16，17中的孔32而互相连通。这是这样的：在这两个空腔的每个空腔中的真空的压力永远是相等的。
由于至少一个元件，和例如由于4个臂或连接件33，层16，17与盒体的其余部分在物理上是邻接的，连接件33首先在下热绝缘空腔27上方机械地支承芯片6，7，和其次通过电导线使它能够沟通耐热元件18至盒体的合适输出端的电接触，所述电导线如同所述电阻加热元件18是同时被网板印刷的。这4个臂或连接件33例如是基本被布置在层16，17的4个角上。
孔32使它可增大芯片6，7平面中的热绝缘，由此减小通过连接件33的内在传导的热损失。
因此真空腔27提供了电阻加热元件18与盒体底部之间的热绝缘，盒体主要包含了本身与外部环境直接接触的下陶瓷层28。
这个热绝缘加上孔32固有的热绝缘，使得它能够由于显著地减小热损失来减小电阻加热元件的功率损耗。
此外，这个实施例保证了：随着盒体对于外部环境条件的变化和对于在其内安装于PCB上的例如摄像机的结构显著地变得不敏感，就可在盒体内部得到某种程度的热均匀性。
本发明具有某些优点，下面描述了其中主要的优点。
首先，在总体尺寸方面：如果密封的外壳的底部含有至少两个陶瓷平面，如同它经常存在的情况，增加网板印刷的图形对其总体尺寸没有影响。
这给予密封的装置极小的总体尺寸，因为所述盒体的腔因热电模块的厚度而减小。另一方面，如果变得需要对基板增加陶瓷平面，基板通常具有0.2-0.5mm的厚度，这与现有技术相比它无论如何仍是薄的，现有技术需要加大的厚度是1.5-4.5mm。
引致的额外成本局限于在具有网板印刷的基板平面处附加的陶瓷。与现有技术所要求的把外部热控制装置加在盒体底部的成本相比，这是微小的。
此外，与具有使用珀尔帖式热控装置的装置情况相反，在组件或排气的温度方面，用来实施烧结的高温不是限制因素。
最后，在产品制造期间，电阻加热元件图形或加热元件被直接连接于盒体的输出端，因此为把控制装置连接于盒体不需要特别的阶段。

Claims (11)

1.用于检测电磁辐射、特别是红外辐射的部件，包括：
—限定腔(5)的盒体，腔(5)被置于真空或低压下，所述盒体的一个面含有窗户(4)，窗户(4)对于要检测的辐射是可透过的，所述腔包含至少一个所关心的辐射的检测器(6)，检测器(6)设置在所述腔内基本对着可透过的窗户，
—残留气体的泵吸装置(13)或吸气器，以便把腔(5)的真空或低压保持在合理的水平，
—热稳定装置(18)，用于保证温度调节检测器，
其特征在于：热稳定装置含有电阻加热元件(18)，电阻加热元件(18)被集成在限定盒体的壁之一的整块材料中。
2.如权利要求1所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：构成热稳定装置的电阻加热元件(18)被集成于盒体底部的整块材料中，特别是在基板(1)中，与连接电路(7)连接的检测器(6)安装在基板(1)上。
3.如权利要求2所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：基板(1)是陶瓷制成的，和基板(1)包括通过烧结而相互连结的至少两个层：
—上层(17)，检测器(6，7)通过钎焊或环氧树脂粘结而连接在上层(17)上；
—和下层(15，16)，在其与上层(17)接触的面上它包含电阻加热元件(18)，电阻加热元件(18)是通过网板印刷获得的，所述下层(16)通过烧结而连结于上层(17)。
4.如权利要求1-3中任何项所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：构成热稳定装置的电阻加热元件(18)被在盒体外部的控制器、特别是PID式控制器所监测。
5.如权利要求3及4中任何项所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：构成热稳定装置的电阻加热元件(18)具有各种形式的图形，特别是笔直的、圈形的或螺旋形的，以便保证检测器(6)平面处的温度尽可能均匀。
6.如权利要求3-5中任何项所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：用于增大构成热稳定装置的电阻加热元件(18)与互连或读取电路(11)之间的热阻抗的装置也被集成于基板(1)的整块材料之中。
7.如权利要求6所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：用于增大热阻抗的所述装置通过在基板(1)的下层(15)中实施具有任何断面的空腔(26)而形成，空腔(26)被构造用来减小所述基板与印刷的互连电路(11)之间的接触表面面积。
8.如权利要求6所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：用于增大热阻抗的所述装置含有第二种所谓的热绝缘空腔(27)，热绝缘空腔(27)被限定在盒体的底部中并经制作在共烧结陶瓷层(16，17)上的通孔(32)与上空腔(5)连通，上空腔(5)特别是容纳了包含检测器(6)及其连接电路(7)的组件，共烧结陶瓷层(16，17)集成了热稳定装置的电阻加热元件(18)。
9.如权利要求8所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：热绝缘空腔(27)由共烧结陶瓷层(28，29)限定。和所述空腔(27)在其底部平面处被能够容纳“吸气器”式装置的金属板(30)所封闭。
10.如权利要求8及9中任何项所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：由于至少一个元件(33)将容纳了构成热稳定装置(16，17)的电阻加热元件(18)的共烧结陶瓷层与盒体的其余部分机械连接，所述元件(33)一方面用于在热绝缘空腔(27)的上方机构地支承检测器组件(6)-连接电路(7)，另一方面用于允许利用电导线连通电阻加热元件(18)至盒体的合适输出端的电接触，所述电导线与所述电阻加热元件(18)是同时被网板印刷的。
11.如权利要求10所要求的用于检测电磁辐射的部件，其特征在于：保证共烧结陶瓷层(16，17)与盒体的其余部分机械连接的元件含有4个臂或连接件(33)，连接件(33)基本布置在所述层的4个角处。
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