CN111164414A - 具有集成的温度感测的红外探测器组件、气体测量装置和方法 - Google Patents

具有集成的温度感测的红外探测器组件、气体测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种制作具有集成的温度感测的红外探测器组件(10)的方法包括：在衬底(16)上形成至少一个IR敏感元件(12、14)，以及在所述衬底上形成用于(a)IR敏感元件和(b)至少一个热敏电阻器(34)的传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)。所述传导性电极衬垫和所述IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述IR敏感元件一起关于所述红外探测器组件的平面中的至少一个轴线(36、38)中心线对称，其中，所述中心线对称配置能操作用于减少在温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述IR敏感元件的温度之间的热滞后时间。第一热敏电阻器传导性电极衬垫(30)和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(32)中的每个具有两个衬垫端部部分(40、42)，所述两个衬垫端部部分与彼此间隔开并且经由包括热损失减少构件的衬垫中间部分(44)接合。

Description

具有集成的温度感测的红外探测器组件、气体测量装置和 方法
技术领域
本实施例大体涉及红外探测器，并且更具体地涉及一种具有集成的温度感测的红外探测器、一种具有所述红外探测器的气体测量装置、一种测量气体浓度的方法、以及一种制作所述红外探测器的方法。
背景技术
用来探测中等范围的红外能量的硒化铅探测器对环境温度的变化是敏感的。当探测器的环境温度漂移时，探测器的响应性也漂移。因此，使用硒化铅探测器的应用必须针对敏感性的漂移被热调节或数学地补偿。完成这一点的方法需要与硒化铅探测器的衬底的紧密热耦合，并且通常利用被外部地安装到硒化铅探测器的热敏电阻器来完成。然而，这种方法不利地基于探测器外部的测量结果来推测硒化铅的温度，并不直接测量探测器本身的温度。
许多二氧化碳描记系统使用两个IR探测器(例如，硒化铅探测器)。一个探测器用于探测样本气体吸收波长，而另一个探测器感测参考波长。必须密切监测这两个探测器以确定这两个探测器之间的温度的任何微小变化。这种二氧化碳描记系统的一个示例在题为“Systemandmethodfor performingheater-lessleadselenide-basedcapnometryand/orcapnography”的共同授予的美国专利公布No.2013/0292570中进行描述，通过引用将其并入本文。
现有技术的二氧化碳描记系统(例如，所提供的示例)还通过将热敏电阻器放置在硒化铅平板探测器附近来感测探测器处的温度，所述热敏电阻器通常被安装到衬底表面上，其之间中具有中间层，并且探测器主体也被安装到所述衬底表面上。遗憾的是，这种布置在热敏电阻器传感器与硒化铅平板探测器的薄膜温度之间引入大的热梯度和相关联的大的热滞后时间。这种大的热梯度和大的热滞后时间发生，因为薄膜被沉积在其上的衬底由不良热导体的熔融石英制成，并且由于一个或多个中间层的不良导热性。
因此，需要对硒化铅平板探测器进行更准确且更快响应的探测，特别是需要对关于温度变化的影响进行更准确且更快响应的探测，这避免现有技术中呈现的问题。用于克服本领域中的问题的改善的方法和装置是期望的。
发明内容
根据一个方面，公开了通过在尽可能靠近硒化铅探测器元件的点处将热敏电阻器直接集成在硒化铅(PbSe)探测器组件的衬底上而有利地克服本领域中的问题的装置和方法。因此，硒化铅探测器元件的温度能够被更准确地测量。此外，通过数学算法或热调节的温度补偿能够是更精确的，因此有利地消除由于探测器温度的变化的探测器漂移。
根据另一方面，一种红外探测器包括直接在与硒化铅探测器元件相同的衬底上添加(i)热敏电阻器或(ii)热敏电阻器化学成分中的至少一个，其中，单个探测器元件或多个探测器元件由单个或多个热敏电阻器元件监测。
本公开的实施例有利地解决了硒化铅的温度的变化的问题，硒化铅的温度现在能够被更准确地测量。此外，通过数学算法或热调节的温度补偿能够是更精确的，因此有利地消除了由于探测器元件温度的变化的探测器漂移。
本公开的实施例特别适用于二氧化碳气体探测和测量以及对具有中波红外光谱带中的吸收波长的任何其他气体的探测和测量。发明人已经发现了相对于IR敏感探测器薄膜的用于温度传感器的传导性电极衬垫的独创性且新颖的布置。这种温度传感器能够包括微型芯片热敏电阻器或电阻式热敏电阻器化学成分沉积。此外，如从本文中的公开内容将会变得更好理解的，在所安装的芯片热敏电阻器或电阻式热敏电阻器化学成分沉积紧邻两个IR探测器中的每个并且从那里被分开热耦合分开间距的情况下，然后能够探测这两个探测器之间的任何微小温差，并且能够以算法方式补偿这种微小温差以维持二氧化碳描记系统的CO2准确性。根据本公开的实施例的方法可以用于其中导电衬垫端子紧密靠近探测器感测材料存在的任何其他探测器材料或组件上。
在一个实施例中，增加探测器(诸如硒化铅(PbSe)平板探测器)的温度测量和温度跟踪准确性的创造性方法还涉及将微型芯片热敏电阻器安装到紧邻硒化铅探测器的镀金电极上而不与硒化铅薄膜接触。芯片热敏电阻器可以被表面安装到两个镀金电极上，所述两个镀金电极与用于IR敏感薄膜的镀金电极同时但是在IR敏感薄膜的沉积之后被沉积到熔融石英衬底上。这种布置源于探测器薄膜的电极端部既是导电的又是导热的认识。温度传感器(例如，热敏电阻器)紧邻硒化铅薄膜的安装将温度传感器放置在相对于硒化铅薄膜的用于最小化导热性损失并且相对于薄膜的最小化热滞后时间并且同时提供用于传感器电通信的电接线的位置处。还有利地实现了降低的电路成本和减小的空间要求。
根据一个实施例，一种制作具有集成的温度感测的红外探测器组件的方法包括直接在衬底上形成至少一个红外辐射敏感元件或IR敏感元件，其中，所述至少一个IR敏感元件被热耦合到所述衬底。所述方法还包括直接在所述衬底上形成用于(a)所述至少一个IR敏感元件和(b)至少一个热敏电阻器的传导性电极衬垫，其中，所述传导性电极衬垫被热耦合到所述衬底。所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件一起关于所述红外探测器组件的平面中的至少一个轴线中心线对称。所述中心线对称配置能操作用于减少在所述红外探测器组件的温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述至少一个IR敏感元件的温度之间的热滞后时间。
形成所述传导性电极衬垫包括(i)直接在所述衬底上将覆盖于所述衬底上面的传导性材料沉积并图案化成用于所述至少一个IR敏感元件中的每个IR敏感元件的至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫，以及(ii)直接在所述衬底上将覆盖于所述衬底上面的传导性材料沉积并图案化成用于所述至少一个热敏电阻器中的每个热敏电阻器的第一热敏电阻器传导性电极衬垫和第二热敏电阻器传导性电极衬垫。每对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫经由与所述对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫中的每个相应衬垫的边缘部分交叠的相应的至少一个IR敏感元件的边缘部分而电耦合到所述相应的至少一个IR敏感元件。所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫中的每个具有沿着相应的热敏电阻器传导性电极衬垫的长度尺寸间隔开的两个衬垫端部部分的平面图几何结构，所述两个衬垫端部部分具有长度尺寸和宽度尺寸并且经由衬垫中间部分接合。所述衬垫中间部分包括热损失减少构件，所述热损失减少构件具有的宽度尺寸小于其长度尺寸。所述衬垫中间部分的所述宽度尺寸小于所述两个衬垫端部部分中的每个衬垫端部部分的相应宽度尺寸。此外，所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫中的每个沿着与所述至少一个IR敏感元件的所述长度尺寸平行的线一前一后地延伸，紧邻所述至少一个IR敏感元件并且从那里被分开热耦合分开间距。
所述方法还包括执行选自包括以下项的组中的一项：(i)直接在所述衬底上经由沉积的电阻式热敏电阻器化学成分形成所述至少一个热敏电阻器，并且将具有所述传导性电极衬垫、所述至少一个IR敏感元件和所述至少一个热敏电阻器的所述衬底切割成至少一个个体红外探测器组件，以及(ii)将具有所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件的所述衬底切割成至少一个个体部分红外探测器组件，并且通过经由表面可安装电阻式热敏电阻器芯片将所述至少一个热敏电阻器直接设置在个体切割的衬底上来完成所述至少一个个体部分红外探测器组件。
结合直接在所述衬底上经由所述沉积的电阻式热敏电阻器化学成分形成所述至少一个热敏电阻器，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分之间。所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的热敏电阻器元件沉积放置距离。
结合将具有所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件的所述衬底切割成至少一个个体部分红外探测器组件并且将所述至少一个热敏电阻器直接设置在个体切割的衬底上，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述个体切割的衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分之间。所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的表面安装热敏电阻器放置距离。
根据另一实施例，所述方法包括，其中，所述衬底包括具有在0.50至0.70mm的范围内的厚度的石英衬底，并且其中，所述至少一个IR敏感元件包括硒化铅薄膜元件。此外，所述热耦合分开间距在0.10至0.30mm的范围内。
在另一实施例中，所述方法还包括，其中，(i)所述至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫以及(ii)所述至少一个热敏电阻器的所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫包括单一导电材料或多于一种导电材料，其中，所述多于一种导电材料中的每种具有至少90-100％匹配的导热性。在又一实施例中，所述传导性电极衬垫包括金和铂中的至少一种。
根据另一实施例的，所述方法包括所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件的所述中心线对称配置能操作用于将在所述红外探测器组件的温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述至少一个IR敏感元件的温度之间的所述热滞后时间减少至一秒或更少。
在又一实施例中，所述至少一个IR敏感元件包括选自包括以下项的组中的一项：(i)单个IR敏感元件、(ii)两个IR敏感元件、以及(iii)多个IR敏感元件。例如，所述至少一个IR敏感元件能够包括两个或更多个IR敏感元件，其中，所述传导性电极衬垫和所述两个或更多个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述两个或更多个IR敏感元件关于所述红外探测器组件的所述平面中的第一轴线和第二轴线中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。
在另一实施例中，所述至少一个热敏电阻器包括两个或更多个热敏电阻器，其中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件关于所述红外探测器组件的所述平面中的第一轴线和第二轴线中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。在又一实施例中，所述至少一个IR敏感元件包括一个或多个IR敏感元件，其中，所述至少一个热敏电阻器包括多个热敏电阻器，并且其中，所述至少一个热敏电阻器中的每个被设置为邻近所述一个或多个IR敏感元件中的至少一个。
根据另一实施例，一种具有集成的温度感测的红外探测器组件包括直接在衬底上形成的至少一个红外辐射敏感元件或IR敏感元件，其中，所述至少一个IR敏感元件被热耦合到所述衬底。所述组件还包括直接在所述衬底上形成的用于(a)所述至少一个IR敏感元件和(b)至少一个热敏电阻器的传导性电极衬垫。所述传导性电极衬垫被热耦合到所述衬底。所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件一起关于所述红外探测器组件的平面中的至少一个轴线中心线对称。所述中心线对称配置能操作用于减少在所述红外探测器组件的温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述至少一个IR敏感元件的温度之间的热滞后时间。
所述传导性电极衬垫包括(i)直接在所述衬底上的用于所述至少一个IR敏感元件中的每个IR敏感元件的至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫，其中，每对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫经由与所述对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫中的每个相应衬垫的边缘部分交叠的相应的至少一个IR敏感元件的边缘部分而电耦合到所述相应的至少一个IR敏感元件。所述传导性电极衬垫还包括(ii)直接在所述衬底上的用于所述至少一个热敏电阻器中的每个热敏电阻器的第一热敏电阻器传导性电极衬垫和第二热敏电阻器传导性电极衬垫。所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫中的每个具有沿着相应的热敏电阻器传导性电极衬垫的长度尺寸间隔开的两个衬垫端部部分的平面图几何结构，所述两个衬垫端部部分具有长度尺寸和宽度尺寸并且经由衬垫中间部分接合。所述衬垫中间部分包括热损失减少构件，所述热损失减少构件具有的宽度尺寸小于其长度尺寸。所述衬垫中间部分的所述宽度尺寸小于所述两个衬垫端部部分中的每个衬垫端部部分的相应宽度尺寸。此外，所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫中的每个沿着与所述至少一个IR敏感元件的所述长度尺寸平行的线一前一后地延伸，紧邻所述至少一个IR敏感元件并且从那里被分开热耦合分开间距。
具有集成的温度感测的所述红外探测器组件还包括选自包括以下项的组中的至少一个热敏电阻器：(i)直接在所述衬底上经由沉积的电阻式热敏电阻器化学成分形成的至少一个热敏电阻器，以及(ii)直接安装在所述衬底上的包括表面可安装电阻式热敏电阻器芯片的至少一个热敏电阻器。
结合所述沉积的电阻式热敏电阻器化学成分，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分之间。此外，所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的热敏电阻器元件沉积放置距离。
结合所述表面可安装电阻式热敏电阻器芯片，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分之间。此外，所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的表面安装热敏电阻器放置距离。
根据又一实施例，一种二氧化碳气体测量装置包括如本文中讨论的红外探测器组件。所述二氧化碳气体测量装置还包括电路，所述电路被耦合到所述红外探测器组件，并且被配置为(i)从所述至少一个热敏电阻器获得温度测量输出，并且(ii)基于所获得的温度测量来提供温度补偿的二氧化碳气体测量输出信号，其中，所述电路响应于所获得的温度测量而针对所述相应的至少一个IR敏感元件的温度的漂移对所述至少一个IR敏感元件的输出信号进行补偿。
在一个实施例中，所述二氧化碳气体测量装置的所述至少一个IR敏感元件包括两个IR敏感元件。在该实施例中，所述传导性电极衬垫和所述两个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述两个IR敏感元件关于所述红外探测器组件的所述平面中的第一轴线和第二轴线中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。此外，所述两个IR敏感元件中的一个被配置为输出IR参考信号，并且两个IR敏感元件中的另一个被配置为输出二氧化碳气体测量信号，其中，响应于所获得的温度测量而针对每个相应的IR敏感元件的温度的漂移对所述参考信号和所述二氧化碳气体测量信号两者进行温度补偿。
根据另外的其他的实施例，一种测量气体浓度的方法包括：提供如本文中讨论的红外探测器组件；经由被耦合到所述红外探测器组件的电路从所述至少一个热敏电阻器获得温度测量输出；以及经由所述电路基于所获得的温度测量来提供温度补偿的二氧化碳气体测量输出信号，其中，经由所述电路响应于所获得的温度测量而针对所述相应的至少一个IR敏感元件的温度的漂移对所述至少一个IR敏感元件的输出信号进行补偿。
在阅读和理解以下详细描述后，另外的其他优点和益处对本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
本公开的实施例可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。因此，附图是出于说明各种实施例的目的，并且不得被解释为对实施例的限制。在附图中，类似的附图标记指代类似的元件。此外，应注意，附图可以不按比例进行绘制。
图1是根据本公开的实施例的具有在衬底上与用于用作参考通道和样本通道的双硒化铅探测器元件集成的表面安装芯片热敏电阻器的IR探测器组件的顶视图和侧视图；
图2是根据本公开的实施例的用于与具有单个热敏电阻器元件(Rtherm℃)和两个硒化铅探测器元件(Ch_1Rdet和Ch_2Rdet)的双通道IR探测器组件一起使用的探测电路的电气示意图；
图3是根据本公开的实施例的具有在衬底上与用于用作参考通道和样本通道的双硒化铅探测器元件集成的双表面安装芯片热敏电阻器的IR探测器组件的顶视图和侧视图；
图4是根据本公开的实施例的具有在衬底上与用于用作参考通道或样本通道中的一个的单个硒化铅探测器元件集成的双表面安装芯片热敏电阻器的IR探测器组件的顶视图；
图5是根据本公开的实施例的具有在衬底上与用于用作参考通道或样本通道中的一个的单个硒化铅探测器集成的单个表面安装芯片热敏电阻器的IR探测器组件的顶视图；
图6图示了根据本公开的实施例的包括具有双IR探测器元件和集成的温度传感器的IR探测器组件的改进的二氧化碳描记系统；并且
图7是图示根据本公开的另一实施例的测量气体浓度的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图中描述和/或图示的并在以下描述中详述的非限制性示例来更充分地解释本公开的实施例及其各种特征和有利细节。应当注意，附图中示出的特征不一定是按比例绘制的，并且如技术人员将认识到的，一个实施例的特征可以与其他实施例一起使用，即使本文未明确说明也是如此。可以省略对公知部件和处理技术的描述，以免不必要地模糊本公开的实施例。本文中使用的示例仅旨在便于理解可以实践本发明的实施例的方式，并且进一步使得本领域技术人员能够实践本发明的实施例。因此，本文中的示例不应被解释为限制本公开的实施例的范围，其仅由随附权利要求和适用法律来限定。
应当理解，本公开的实施例不限于本文中描述的特定方法、协议、设备、装置、材料、应用等，因为这些都可以变化。还应理解，本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制所要求保护的实施例的范围。必须注意，如本文中和权利要求中所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。
除非另有定义，否则本文中使用的所有科学技术术语具有与本公开的实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。描述了优选的方法、设备和材料，但是与本文中描述的这些方法和材料类似或等同的任何方法和材料也能够用于实践或测试实施例。
根据一个实施例，石英晶片用作用于硒化铅探测器元件的直接沉积和图案化、紧接着金传导性衬垫元件的沉积和图案化的衬底。除了一个或多个热敏电阻器元件之外，金传导性衬垫元件提供了电连接到硒化铅探测器元件的器件。硒化铅对中等范围的红外辐射是敏感的，并且用于患者呼出的气体的中等范围的IR微光谱仪。通过为传导性电极衬垫(例如，金传导性衬垫)提供专门的形状和几何结构并且使用将石英晶片分离成硒化铅探测器元件(例如，单个探测器、多对探测器等)的切割图案，(i)安装商用热敏电阻器或(ii)沉积与温度变化成比例地改变电阻的电阻性化学成分的位置能够被提供在组件上。在一个实施例中，热敏电阻器位置被直接提供在两个探测器元件之间，给出具有单通道热敏电阻器测量的双通道探测器，所述单通道热敏电阻器测量被中心地间隔在两个硒化铅探测器元件之间，如将会在本文中进一步讨论的。其他实施例能够具有带有用于温度监测的单个或多个热敏电阻器元件的多个探测器元件，如将会在本文中进一步讨论的。
现在参考图1，一种制作具有集成的温度感测的红外探测器组件10的方法包括直接在衬底16上(例如，没有中介层)形成至少一个红外辐射敏感元件(经由附图标记12或14指示)或IR敏感元件。衬底16具有用于形成电气部件的合适衬底材料，例如，具有在0.50至0.70mm的范围内的厚度(如经由附图标记11指示的)的熔融石英材料。在图1的图示中，形成了两个IR敏感元件12和14，这提供了双通道探测器组件，包括第一探测器通道18和第二探测器通道20，如将会在本文中进一步讨论的。图1的红外探测器组件10在尺寸上是小的，例如，分别为大约4.6x5.6mm或更小，如经由附图标记13和15指示的。其他小尺寸大小也是可能的。
至少一个IR敏感元件(12、14)被热耦合到衬底16。至少一个IR敏感元件(12、14)中的每个能够包括红外敏感材料的薄膜层，所述薄膜层使用本领域中已知的合适技术通过形成或粘附被设置并图案化在衬底16的表面上。优选的IR敏感材料包括硒化铅(PbSe)。众所周知，硒化铅材料具有作为入射在该材料上的中等范围IR能量的量的函数的电阻率，因此适合用于测量IR辐射。薄膜层被成形为具有两个端部，跨这两个端部放置用于测量期望的特性的电压，如将会在本文中进一步讨论的。
该方法还包括直接在衬底16上(例如，没有任何中介层，并且其中，热敏电阻器34尚要被形成或安装，如下文中进一步讨论的)形成用于(a)至少一个IR敏感元件(12、14)和(b)至少一个热敏电阻器34的传导性电极衬垫(经由附图标记22、24、26、28、30和32指示)。传导性电极衬垫(22、24、26、28、30和32)被热耦合到衬底。传导性电极衬垫(22、24、26、28、30和32)和至少一个IR敏感元件(12、14)处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和至少一个IR敏感元件一起关于红外探测器组件10的平面中的至少一个轴线(经由附图标记36或38指示)中心线对称。
在一个实施例中，至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫((22，24)、(26，28))以及至少一个热敏电阻器34的第一热敏电阻器传导性电极衬垫(30)和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(32)包括单一导电且导热材料。在另一实施例中，电极衬垫包括多于一种类型的导电且导热材料，其中，多于一种类型的导电且导热材料中的每种具有至少90-100％匹配的导热性。例如，传导性电极衬垫能够包括金和铂中的至少一种。
在图1的实施例中，至少一个IR敏感元件包括两个IR敏感元件12和14，其中，传导性电极衬垫(22、24、26、28、30和32)和两个IR敏感元件12和14处于中心对称配置中，在该中心对称配置中，传导性电极衬垫和两个IR敏感元件关于红外探测器组件10平面中的第一轴线36和第二轴线38中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。热敏电阻器传导性电极衬垫的中心线对称配置和衬垫中间部分能操作用于有利地减少在红外探测器组件10(例如，(一个或多个)IR敏感元件)的温度瞬变期间至少一个热敏电阻器34的温度与至少一个IR敏感元件(12、14)的温度之间的热滞后时间，所述衬垫中间部分包括每个热敏电阻器传导性电极衬垫的热损失减少构件(如下文中进一步讨论的)。特别地，中心线对称配置优选地能操作用于将在红外探测器组件的温度瞬变期间至少一个热敏电阻器与至少一个IR敏感元件的温度之间的热滞后时间减少至一秒或更少。
仍然参考图1，传导性电极衬垫(22、24、26、28、30和32)的形成包括(i)直接在衬底16上将覆盖于衬底16上面的传导性材料沉积并图案化成用于至少一个IR敏感元件(12、14)中的每个IR敏感元件的至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫(例如，第一对(22，24)和第二对(26，28))，并且(ii)直接在衬底上将覆盖于衬底上面的传导性材料沉积并图案化成用于至少一个热敏电阻器34(尚要被形成或安装)中的每个热敏电阻器的第一热敏电阻器传导性电极衬垫和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(经由附图标记30和32指示)。传导性材料的沉积和图案化能够使用本领域中的合适技术来实现。
每对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫(例如，第一对(22，24)和第二对(26，28))电耦合到相应的至少一个IR敏感元件(例如，分别为第一IR敏感元件12和第二IR敏感元件14)。电耦合经由与该对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫中的每个相应衬垫的边缘部分交叠的相应的至少一个IR敏感元件的边缘部分来实现。这在图1中利用假想线的使用来示出，视情况而定。此外，每对第一IR敏感传导性电极衬垫和第二IR敏感传导性电极衬垫中的每个衬垫的相对的端部部分(即，和与IR敏感元件交叠的部分相对)有利地提供了线接合或其他合适的接合，其将会提供相应的IR敏感元件经由红外信号引线(未示出)到要在本文中进一步讨论的外部驱动和测量电子设备(未示出)的电耦合。在一个实施例中，第一IR敏感传导性电极衬垫和第二IR敏感传导性电极衬垫是椭圆化矩形的形状，即，具有圆角的矩形。
仍然参考图1，第一热敏电阻器传导性电极衬垫30和第二热敏电阻器传导性电极衬垫32中的每个分别具有沿着相应的热敏电阻器传导性电极衬垫的长度尺寸间隔开的两个衬垫端部部分(经由附图标记40和42指示)的平面图几何结构，两个衬垫端部部分40和42具有长度尺寸和宽度尺寸并且经由衬垫中间部分(经由附图标记44指示)接合。衬垫中间部分44包括热损失减少构件，所述热损失减少构件具有的宽度尺寸小于其长度尺寸。衬垫中间部分44的宽度尺寸小于两个衬垫端部部分40和42中的每个衬垫端部部分的相应宽度尺寸。在一个实施例中，两个衬垫端部部分中的每个是椭圆化正方形的形状，即，具有圆角的正方形。
衬垫中间部分44沿着其长度在宽度上薄于两个衬垫端部部分40和42，以便有利地降低沿着相应的传导性电极衬垫的长度从其一端到另一端的不期望热损失的可能性。此外，衬垫中间部分的尺寸和中心线对称特征的组合(如本文中讨论的)协同地且有利地最小化热损失，并且减小跨IR探测器组件的热梯度。跨IR感测元件和热敏电阻器的任何温度梯度被保持恒定，即，均匀，具有小于一秒的热滞后时间，以有利地实现跨设备的平衡的热特性。此外，由于传导性电极衬垫和IR敏感元件被直接设置在衬底16上而没有任何中介层，热滞后被进一步有利地最小化。
在一个实施例中，热敏电阻器传导性电极衬垫具有“杠铃”型形状。发明人发现，用于热敏电阻器传导性电极衬垫的仅仅矩形形状存在关于经由仅仅矩形形状的传导性电极衬垫的不期望热损失的问题。由于组件部件的小尺寸，需要一定量的衬底基板面将热敏电阻器电热耦合到其，但是这也限制被传输到要形成到控制或测量电路的电连接的每个热敏电阻器传导性衬垫(例如，其充当接合衬垫)的相对的衬垫端部部分的热量(例如，热损失)。换言之，衬垫中间部分44最小化被不期望地拉离IR探测器板元件的热量，其中后一情况将会在IR探测器元件与IR探测器组件的其余部分之间产生不期望的温度差(ΔT’s)。
在IR探测器组件上存在连接(去往组件外面或外部)的任何地方，存在热损失和跨零件的温度差的可能性。如果存在跨组件的温度梯度，那么第一通道与第二通道的PbSeIR敏感元件之间的不期望的温度差可能出现。本公开的实施例有利地最小化跨组件的不期望的温度梯度。
此外，第一热敏电阻器传导性电极衬垫30和第二热敏电阻器传导性电极衬垫32中的每个沿着与至少一个IR敏感元件12或14的长度尺寸平行的线一前一后地延伸，紧邻至少一个IR敏感元件并且从那里被分开热耦合分开间距(即，经由附图标记45指示)。在一个实施例中，热耦合分开间距45在0.10至0.30mm的范围内。这种布置尽可能靠近至少一个IR探测器元件12和14放置热敏电阻器或温度感测元件34，而不触碰至少一个IR探测器元件。因为除了IR辐射之外，至少一个IR探测器元件12和14的薄膜层电阻还会随着温度而变化，所以精确地知晓薄膜层处的温度以便补偿IR测量是重要的。
该方法还包括执行选自包括以下项的组中的一项：(i)经由沉积的电阻式热敏电阻器化学成分直接在衬底16上形成至少一个热敏电阻器34，并且将具有(a)传导性电极衬垫、(b)至少一个IR敏感元件和(c)至少一个热敏电阻器的衬底切割成至少一个个体红外探测器组件10，以及(ii)将具有(a)传导性电极衬垫和(b)至少一个IR敏感元件的衬底16切割成至少一个个体部分红外探测器组件(未示出)，并且通过经由表面可安装电阻式热敏电阻器芯片将至少一个热敏电阻器34直接设置在个体切割的衬底上来完成至少一个个体部分红外探测器组件(未示出)。
结合经由沉积的电阻式热敏电阻器化学成分直接在衬底16上形成至少一个热敏电阻器34，每个相应的至少一个热敏电阻器34被(a)热耦合到衬底16，并且(b)电耦合在相应对第一热敏电阻器传导性电极衬垫30和第二热敏电阻器传导性电极衬垫32的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(例如，端部部分42)之间。相应对第一热敏电阻器传导性电极衬垫30和第二热敏电阻器传导性电极衬垫32的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(例如，端部部分42)与彼此间隔开至少一个热敏电阻器34的热敏电阻器元件沉积放置距离(即，经由附图标记47指示)。用于将电阻式热敏电阻器化学成分沉积在衬底上的技术一般在本领域中是已知的，并且因此不在本文中进一步详细地描述。
结合将具有已经形成在其上的传导性电极衬垫和至少一个IR敏感元件的衬底16切割成至少一个个体部分红外探测器组件(未示出)并且将至少一个热敏电阻器34直接设置在个体切割的衬底上的二次操作，每个相应的至少一个热敏电阻器34被(a)热耦合到个体切割的衬底，并且(b)电耦合在相应对第一热敏电阻器传导性电极衬垫30和第二热敏电阻器传导性电极衬垫32的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(例如，端部部分42)之间。例如，热敏电阻器34能够经由银填充的环氧树脂被接合到传导性电极衬垫30和32，这产生导电且导热性接合两者。相应对第一热敏电阻器传导性电极衬垫30和第二热敏电阻器传导性电极衬垫32的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(例如，端部部分42)与彼此间隔开至少一个热敏电阻器34的表面安装热敏电阻器放置距离(还经由附图标记47指示)。此外，第一热敏电阻器传导性电极衬垫30和第二热敏电阻器传导性电极衬垫32的端部部分40有利地提供线接合或其他合适的接合，其将提供热敏电阻器经由温度信号引线(未示出)到要在本文中进一步讨论的外部驱动和测量电子设备(未示出)的电耦合。除了线接合或类似的接合技术之外，用于切割晶片和用于部件(诸如表面安装热敏电阻器芯片)在衬底上的表面安装的技术一般在本领域中是已知的，并且因此不在本文中进一步详细地描述。
根据本公开的额外实施例，至少一个IR敏感元件(12、14)能够包括选自包括以下项的组中的一项：(i)单个IR敏感元件、(ii)两个IR敏感元件、以及(iii)多个IR敏感元件。例如，至少一个IR敏感元件能够包括两个或更多个IR敏感元件，其中，传导性电极衬垫和两个或更多个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和两个或更多个IR敏感元件关于红外探测器组件的平面中的第一轴线36和第二轴线38中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。此外，在另一实施例中，至少一个热敏电阻器34能够包括两个或更多个热敏电阻器，其中，传导性电极衬垫和至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和至少一个IR敏感元件关于红外探测器组件的平面中的第一轴线36和第二轴线38中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。在又一实施例中，至少一个IR敏感元件(12、14)包括一个或多个IR敏感元件，其中，至少一个热敏电阻器34包括多个热敏电阻器，并且其中，至少一个热敏电阻器中的每个被设置为邻近一个或多个IR敏感元件中的至少一个。
本文中的方法有利地提供了IR探测器组件的可制造性，并且进一步提供了获得具有优于现有技术设备的更有利热特性(诸如响应于跨IR探测器组件的温度瞬变事件的热滞后时间)的设备的能力。例如，每个IR探测器组件一次切割两个IR敏感元件有利地消除了对执行针对匹配的特性(例如，导热性特性、Vstart操作特性等)单独筛选和/或匹配一对个体切割的IR感测元件的额外制造步骤的需要。换言之，一次切割一对IR敏感元件同时具有用于添加被紧密耦合到IR敏感元件的热敏电阻器的安装供应提供了例如关于匹配的特性、被切割为匹配的集合等的益处和优点。
例如，在如图1中所示的具有两个IR探测器元件的系统中，一个IR探测器感测元件12被布置为对气体进行采样，并且另一个IR探测器感测元件14用作参考。每个IR探测器感测元件包括经由至少一个热敏电阻器或温度传感器34来感测的其温度。
在又一实施例中，图1的IR探测器元件12和14两者、热敏电阻器34以及衬底16可以被额外地安装到用于加热和冷却衬底16的任选器件(图1中未示出)上。在下文中参考图6关于共同散热器图示并讨论这种任选的加热和耦合器件。通过该后一布置，两个探测器元件的硒化铅薄膜温度能够被准确地测量和跟踪。硒化铅薄膜温度数据也能够用于(i)通过使用经由热敏电阻器34的温度测量对用于加热或冷却衬底16的额外任选器件(参见图6，散热器152)的温度控制，以及用于(ii)探测器温度补偿算法以维持整个气体感测(例如二氧化碳描记)系统在宽的环境温度范围内的准确性。
任选的加热和耦合器件可以包括许多加热和冷却技术中的任一种，例如，被设置在衬底下面并由外部控制器驱动的电镍铬合金加热丝、帕尔贴冷却/加热、使用具有整体金属散热表面的电阻加热器元件(例如，表面安装功率电阻器)的被动受控加热、具有中间金属散热器(例如，金属散热片)以允许热量流入/流出探测器衬底的加热器/冷却器等。优选地，经由温度信号引线将温度信号提供给温度控制电路(参见图6，控制器210)，所述温度控制电路进而确定处于足以维持期望的衬底温度的值的回到加热器/冷却器器件(参见图6，散热器152)的加热或冷却控制输入。
现在参考图2，示出了用于与根据本公开的实施例的具有单个热敏电阻器元件34(Rtherm)和两个硒化铅探测器元件12和14(Ch_1Rdet和Ch_2Rdet)的双通道探测器组件10一起使用的探测电路50的电气示意图。
集成有温度传感器(例如，被热连接的芯片热敏电阻器34和硒化铅IR敏感元件12、14，如所讨论的)的IR探测器元件的红外探测器组件10可以被连接到气体浓度测量系统中的操作电路50。特别地，图2的电路50是用于生成温度补偿的IR信号的电路的一个实施例。电路50的一个特征是由温度探测器(Rtherm℃)和每个IR探测器元件接地连接(Ch_1Rdet和Ch_2Rdet)共享的共同接地引线52。
偏置电压或电流中的一个经过电阻式分压器以激励每个硒化铅IR探测器元件(Ch_1Rdet和Ch_2Rdet)。在图2的实施例中，源是电压源54。对于第一通道，电阻式分压器包括偏置电阻器Ch_1Rbias和通往接地52的IR探测器电阻Ch_1Rdet，其中，Ch_1Rbias是根据期望的输出范围选择的。对于第二通道，电阻式分压器包括偏置电阻器Ch_2Rbias和通往接地52的IR探测器电阻Ch_2Rdet，其中，Ch_2Rbias是根据期望的输出范围而选择的。分别经由附图标记56和58指示的得到的Ch_1探测器IR信号和Ch_2探测器IR信号分别从IR信号引线60和62处的相应分压器输出。IR信号56和58可以任选地通过探测器放大器64和66或等效物得到放大，以分别被进一步输出为放大的IR探测器信号56a和58a。然后，IR探测器信号可以被下面描述的气体探测器系统进一步使用，以提供系统控制功能，与其他数据进行组合以用于进一步的信号处理，并且/或者向显示器提供输出信息等。
通过另一个电阻式分压器施加单独的偏置电压或电流以激励温度传感器或热敏电阻器Rtherm℃。在图2的实施例中，源是电流源68。电路布置允许通过热敏电阻器Rtherm℃的偏置电流保持很小，小于50μA。小的偏置电流有助于防止热敏电阻器的自我发热，如果存在的话，这种自我发热会引入不期望的温度测量误差。
用于温度传感器34的电阻式分压器电路包括另一个偏置电阻器Rbias和通往接地52的温度传感器探测器电阻Rtherm℃，其中，该Rbias也是根据期望的输出范围而选择的。得到的温度信号70是从温度信号引线72处的分压器输出的。温度信号70可以任选地通过热敏电阻器放大器74或等效物得到放大，以被进一步输出为放大的温度信号70a。然后，温度探测器信号可以被下面描述的气体探测器系统进一步使用，以提供系统控制功能，从而与其他数据进行组合以用于进一步的信号处理，并且/或者向显示器提供输出信息等。温度探测器信号也可以用作衬底温度控制信号，以便使衬底和IR探测器维持在期望的温度。
上述布置使得能够进一步减小测量误差。通过这种布置，有利地以优于0.01℃的准确性测量实际的硒化铅IR敏感薄膜温度。因此，优于0.01℃的准确性进一步有利地允许要在下游的二氧化碳描记测量中执行的针对二氧化碳(CO2)准确性(即在二氧化碳描记系统可能能够暴露于的宽的环境温度范围内)的改进的温度补偿算法。
此外，如本文中关于图1和图2描述并且包括双通道硒化铅探测器元件(例如，样本通道和参考通道)的IR探测器组件的实施例有利地提供了温度补偿的IR信号的平行输出信号。这种布置对于使用参考探测器和样本探测器两者以不同频率同时探测气体流的IR吸收特性的气体探测器组件是有利的。许多二氧化碳描记系统使用参考探测器和样本探测器的这种布置。
如本文中的各种实施例中描述的硒化铅探测器元件和热敏电阻器设计的方法极大地改进了测量硒化铅探测器元件温度的准确性。此外，本公开的硒化铅探测器元件和热敏电阻器设计的方法有利地改进了用于测量样本通道与参考通道硒化铅平板探测器之间的温度的微小动态变化的响应时间。特别地，IR探测器组件的中心线对称配置有利地将在红外探测器组件的温度瞬变期间至少一个热敏电阻器的温度与至少一个IR敏感元件的温度之间的热滞后时间减少至一秒或更少。
现在参考图3，示出了根据另一实施例的具有集成的温度感测的红外探测器组件10，包括在衬底16上与用于用作参考样本和样本通道的双硒化铅探测器元件12和14集成的双表面安装芯片热敏电阻器34和80的关键部件的顶视图和侧视图。图3的实施例类似于图1的实施例，具有以下差别。至少一个IR敏感元件包括两个IR敏感元件12和14。传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32、76和78)以及两个IR敏感元件12和14处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和两个IR敏感元件关于红外探测器组件10的平面中的第一轴线36和第二轴线38中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。此外，至少一个热敏电阻器包括两个热敏电阻器，经由附图标记34和80指示。传导性电极衬垫、两个热敏电阻器和至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和至少一个IR敏感元件关于红外探测器组件的平面中的第一轴线和第二轴线中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。图3的实施例有利地提供了具有双热敏电阻器的双通道IR探测器组件，即，每个IR敏感元件一个热敏电阻器。
现在参考图4，示出了根据另一实施例的具有集成的温度感测的红外探测器组件10，包括在衬底16上与用于用作参考通道或样本通道的单个硒化铅探测器元件12集成的双表面安装芯片热敏电阻器34和80的关键部件的顶视图。图4的实施例类似于图1的实施例，具有以下差别。至少一个IR敏感元件包括一个IR敏感元件12。传导性电极衬垫(22、24、30、32、76和78)以及一个IR敏感元件12处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和单个IR敏感元件关于红外探测器组件10的平面中的第一轴线36和第二轴线38中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。此外，至少一个热敏电阻器包括两个热敏电阻器，经由附图标记34和80指示。传导性电极衬垫、两个热敏电阻器和至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和至少一个IR敏感元件关于红外探测器组件的平面中的第一轴线和第二轴线中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。图4的实施例有利地提供了具有双热敏电阻器的单通道IR探测器组件，即，一个热敏电阻器在单通道IR敏感元件的两个相对侧中的每个上。
现在参考图5，示出了根据另一实施例的具有集成的温度感测的红外探测器组件10，包括在衬底16上与用于用作参考通道或样本通道的单个硒化铅探测器元件12集成的单个表面安装芯片热敏电阻器34的关键部件的顶视图。图5的实施例类似于图1的实施例，具有以下差别。至少一个IR敏感元件包括一个IR敏感元件12。传导性电极衬垫(22、24、30和32)以及一个IR敏感元件12处于中心线对称配置中，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和单个IR敏感元件关于红外探测器组件10的平面中的第一轴线36中心线对称。此外，至少一个热敏电阻器包括一个热敏电阻器，经由附图标记34指示。传导性电极衬垫、单个热敏电阻器和至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置，在该中心线对称配置中，传导性电极衬垫和至少一个IR敏感元件关于红外探测器组件的平面中的第一轴线中心线对称。图5的实施例有利地提供了具有单个热敏电阻器的单通道IR探测器组件，即，一个热敏电阻器在单通道IR敏感元件的一侧上。
现在参考图6，示出了根据本公开的实施例的改进的二氧化碳描记或二氧化碳气体探测器系统100，其包括具有双IR探测器以及集成的温度传感器的红外探测器组件10。二氧化碳气体探测器系统100将改进的IR探测器组件10集成在其组件中。排除改进的探测器10，整个系统有点类似于题为“Systemandmethodforperformingheater-lessleadselenide-based capnometryand/orcapnography”的共同授予的美国专利公布No.2013/0292570中描述的组件，通过引用将其并入本文。传感器组件110被配置为探测气体主体中的二氧化碳水平。传感器组件110采用前述的具有图1的双IR探测器元件和集成的温度传感器的红外探测器组件10。在图6的实施例中，红外辐射探测器元件12被布置为捕获IR信号，并且红外辐射探测器14被布置为捕获IR参考信号。探测器12/14可以是硒化铅探测器。如前所述，经由温度传感器或热敏电阻器34针对IR探测器组件10处的温度变化对传感器设备110的测量结果进行补偿。这可以降低成本，增强稳定性，增强耐用性，增强制造性和/或提供优于现有传感器设备的其他优点。
在一个实施例中，传感器设备110包括“U”形壳体128，该壳体包围源组件112、中空气道组件114、探测器组件116和/或其他部件。“U”形壳体128的两个相对的支腿限定了支腿之间的间隙的相对侧，其中，源组件112被设置在间隙的一侧(源侧)上的一个支腿中，并且探测器组件116被设置在间隙的相对侧(探测器侧)上的相对的支腿中。传感器设备110可以包括被设置在壳体128内的自包含的电子器件(图6中未示出)。
气道组件114具有被设置在相对的侧上的窗口126，使得经由气道114的一侧上的窗口126进入气道的红外辐射穿过气道114中的样本气体(患者呼吸)并经由相对侧的窗口126离开。气道组件114可以是一次性单元或可重复使用的单元，这种可重复使用的单元能够可移除地夹在“U”形壳体中的间隙中，其中，源组件112和探测器组件116通常被布置为使得从源组件发出的红外辐射被引导穿过间隙而通过气道组件114中的气体样本以撞击到探测器组件116上。气道窗口126可以由塑料薄膜(一次性版本)、蓝宝石(可重复使用的版本)和/或其他材料形成。
源组件112包括辐射源118、光学器件120和/或其他部件。发射器118可以由脉冲能量源驱动以产生脉冲红外辐射。光学器件120可以包括蓝宝石半球透镜122、蓝宝石窗口124和/或其他光学部件。辐射源118产生包括“MWIR”(中波长红外)波段的宽带辐射。红外辐射通常是指占据0.7μm至300μm之间的光谱波长带的辐射。“MWIR”通常是指占据3μm至8μm之间的红外辐射带的中波长子集。由辐射源118发射的MWIR辐射包括参考波长和二氧化碳波长(分别为λREF和λCO2)。辐射源118可以以大约100Hz发生脉冲，以产生周期性变化的MWIR信号，其周期为大约10毫秒。蓝宝石半球透镜122收集并准直所发射的辐射，引导该辐射穿过间隙并经由蓝宝石窗口124通过气道组件114朝向探测器组件116。
探测器组件116包括光学系统130、IR探测器组件10和/或其他部件，所述IR探测器组件具有双IR探测器元件(12和14)以及集成的温度传感器34。光学系统130包括透镜组件138、分束器组件140和/或其他光学部件。透镜组件138(其在一个实施例中包括具有AR涂层(抗反射涂层)的硅平凸透镜)对从源组件112到达它的MWIR辐射进行聚焦，并且经由分束器组件140将电磁辐射引导朝向第一IR辐射探测器元件12和第二IR辐射探测器14。在分束器组件140中，二向色分束器144被定位为使包含二氧化碳波长λCO2的IR辐射反射朝向第一IR探测器元件12，并且使包含参考波长λREF的IR辐射通过并经由转向镜146朝向第二IR探测器14。使λCO2通过的窄带第一滤光器148被定位在第一IR探测器元件12的前面。使λREF通过的窄带第二滤光器150被定位在第二IR探测器元件14的前面。
如之前结合图2的讨论所描述的，第一IR探测器元件12和第二IR探测器元件14被设置在衬底16上，所述衬底可以进一步被设置在共同散热器152上。即，包括两个IR探测器元件的双通道的IR探测器组件10可以被任选地安装到散热器152。IR探测器组件可以使用导热性粘合剂被接合到主动加热或冷却的衬底的散热器上。如之前讨论的，散热器152提供用于加热和/或冷却衬底16的器件。在一个实施例中，散热器包括表面安装功率电阻器以仅提供至环境以上的一定温度的加热。在该实施例中，在温度控制或控制器电路210的控制下经由温度控制输入部250从外部电源供应用于加热的功率。到控制电路210的控制输入可以从电气温度信号引线234接收。来自控制电路210的用于控制衬底16的温度的输出然后用来驱动温度控制输入部250处的加热功率输入。得到温度控制循环。
在包括多于一个热敏电阻器(例如，两个热敏电阻器或双热敏电阻器)的IR探测器组件的实施例中，两个热敏电阻器中的任一个然后能够用来测量探测器温度，并且还用作用于温度控制循环的反馈变量项，例如，以维持期望的恒定衬底温度。备选地，来自两个芯片热敏电阻器的平均温度可以用于温度控制循环中的反馈温度值。
即使温度补偿的IR探测组件的探测器元件12和14(例如，芯片热敏电阻器和硒化铅探测器元件)被安装到共同衬底16，该衬底也将会经历一定程度的跨散热器152(例如，衬底加热器或冷却器)的差异温度梯度。这些温度梯度可以被考虑，并且在测量控制器电路中被实时地算法补偿，以在宽的环境操作范围内维持总体二氧化碳探测计系统准确性。对于两个探测器中的每个，芯片热敏电阻器尽可能靠近IR探测器薄膜沉积层的安装使得薄膜温度能够以优于0.01℃的准确性被测量。两个探测器之间的温度的任何不匹配或漂移通过这种布置来准确地测量，使得下游的处理和控制电路能够将非常准确的温度校正应用于IR信号。
仍然参考图6，来自IR信号引线212、214的IR信号输出分别将期望的IR探测信号和IR参考信号提供到气体探测器控制器电路210。来自温度信号引线234的温度信号输出也将来自IR探测器(例如，经由热敏电阻器34感测)的温度信号提供到控制器电路210。控制器210处理信号212、214和234，以根据光路穿过的样本气体来获得温度补偿的IR信号和对应的温度补偿的二氧化碳气体浓度值。控制器210还将二氧化碳值输出到输出部220，该输出部可以是视觉显示器。
控制器210可以任选地提供温度控制输出(该温度控制输出是温度信号234的函数)，以便将IR探测器组件10的温度维持在期望值。温度控制输出由IR探测器组件10经历，作为到散热器152的温度控制输入部250的输入230。温度控制算法可以是本文所述算法中的任一种算法、等同物或如本领域中已知的算法。
同样根据本发明的原理，描述了一种包含以上概述的装置来测量硒化铅平板探测器温度并得到改进且更快的温度测量结果的方法。本公开的实施例有利地在15至60秒内并且更优选地在30秒之下实现跨IR探测器组件从环境(或室温)到50℃的完全热稳定。这种特性能够被称为关于当热跨过IR探测器组件时的热滞后的设备热稳定特性。系统中的最小热滞后是期望的，使得温度变化能够被快速地探测，由此提供改进的IR探测能力的准确性。
现在转向图7，示出了图示根据本公开的另一实施例的用于测量气体浓度的方法300的流程图。结合该方法，图6的控制器210优选地包括(如图2中所示的)电路以提供在用于测量气体浓度的方法300中涉及的功能和步骤。方法300开始于提供如前所述且与图1和/或图3-5有关的具有IR辐射探测器元件以及集成的温度传感器的红外探测器组件的第一步骤302。然后，控制器210提供：经由(一条或多条)温度信号引线将恒定电流源输入到温度传感器中的一个或多个温度传感器的步骤304，以及经由(一条或多条)IR探测器信号引线将电压源输入到IR探测器元件薄膜层中的一个或多个的步骤306。具有双通道IR探测器的IR探测器组件10响应性地提供分别来自引线(234)和(212、214)的温度和IR信号的输出。控制器210接收从温度信号引线获得温度信号的获得步骤308的输出和从IR探测器信号引线接收IR信号的接收步骤310的输出。获得步骤308还可以包括放大温度信号，并且接收步骤310还可以包括放大IR探测器信号，这两种信号分别借助于放大电路(74)和(64、66)(参见图2)进行放大。
控制器210还基于获得步骤308来执行补偿来自接收步骤310的IR信号的漂移的步骤312。然后，控制器210基于补偿步骤和接收步骤来提供输出气体浓度的测量结果的步骤316，优选将该测量结果输出到输出部220(图6)。
控制器210任选地执行基于来自获得步骤308的温度信号来控制衬底的温度的步骤314。如前所述，控制器210可以使用一个或多个温度输入70(图2)、234(图6)来向共同散热器152的温度控制输入部250提供控制信号230，其中，控制信号230控制散热器152的加热能量或冷却能量以将衬底16维持在受控和期望的温度。
能够控制衬底16的温度(除了如本文中讨论的至少一个热敏电阻器尽可能靠近硒化铅探测器元件的定位和中心线对称性之外)的一个益处是有利地能够获得用于主动温度补偿的PbSe的温度的更准确表示。这进一步有利地使得IR探测器组件能够在探测器元件的范围之外被操作。换言之，设备能够被主动加热至特定的设置温度，其中，超过该特定的设置温度，设备停止调节，即，系统能够漂移。通过经由如本文中讨论的热敏电阻器和传导性衬垫来准确地监测IR探测器元件的温度，IR探测器组件能够在其调节温度之外被操作至提高的操作温度范围，例如，以有利地获得在超过其调节温度的操作范围内的额外15℃。
虽然上文已经详细描述了仅几个示例性实施例，但是本领域技术人员将容易认识到，在示例性实施例中可以进行许多修改而不会在实质上脱离本公开的实施例的新颖教导和优点。例如，本公开的实施例和实现所描述的实施例的目的的用于温度探测的热敏电阻器的各种配置能够有利地在二氧化碳描记仪、气体光谱仪、硒化铅探测器、中等范围的红外光谱仪中例如关于测量患者呼出的气体进行使用。因此，所有这样的修改均旨在被包括在如随附权利要求中所限定的本公开的实施例的范围内。在权利要求中，功能模块条款旨在涵盖本文中描述的执行所记载的功能的结构，不仅包括结构等同物，还包括等效结构。
另外，在一个或多个权利要求中置于括号内的任何附图标记都不应被解释为对权利要求的限制。词语“包括”和“包含”等并不排除除了在任何权利要求或说明书中作为一个整体列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。对元件的单数引用并不排除对这样的元件的复数引用，反之亦然。这些实施例中的一个或多个实施例可以借助于包括若干不同元件的硬件和/或借助于适当编程的计算机来实施。在列举了若干单元的装置型权利要求中，这些单元中的若干单元可以由同一项硬件来实施。某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (20)

1.一种制作具有集成的温度感测的红外探测器组件(10)的方法，所述方法包括：
在衬底(16)上形成至少一个红外辐射敏感元件或IR敏感元件(12、14)，其中，所述至少一个IR敏感元件被热耦合到所述衬底；
在所述衬底上形成用于(a)所述至少一个IR敏感元件和(b)至少一个热敏电阻器(34)的传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)，其中，所述传导性电极衬垫被热耦合到所述衬底，并且其中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件一起关于所述红外探测器组件的平面中的至少一个轴线(36、38)中心线对称，其中，所述中心线对称配置能操作用于减少在所述红外探测器组件的温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述至少一个IR敏感元件的温度之间的热滞后时间，其中，形成所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)包括：
(i)在所述衬底上将覆盖于所述衬底(16)上面的传导性材料沉积并图案化成用于所述至少一个IR敏感元件(12、14)中的每个IR敏感元件的至少一对((22，24)、(26，38))第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫，其中，每对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫经由与所述对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫中的每个相应衬垫的边缘部分交叠的相应的至少一个IR敏感元件的边缘部分而电耦合到所述相应的至少一个IR敏感元件，以及
(ii)在所述衬底上将覆盖于所述衬底(16)上面的传导性材料沉积并图案化成用于所述至少一个热敏电阻器(34)中的每个热敏电阻器的第一热敏电阻器传导性电极衬垫(30)和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(32)，其中，所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫中的每个具有沿着相应的热敏电阻器传导性电极衬垫的长度尺寸间隔开的两个衬垫端部部分(40、42)的平面图几何结构，所述两个衬垫端部部分具有长度尺寸和宽度尺寸并且经由衬垫中间部分(44)接合，其中，所述衬垫中间部分包括热损失减少构件，所述热损失减少构件具有的宽度尺寸小于其长度尺寸，另外其中，所述衬垫中间部分的宽度尺寸小于所述两个衬垫端部部分中的每个衬垫端部部分的相应宽度尺寸，另外其中，所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫(30)和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫(32)中的每个沿着与所述至少一个IR敏感元件(12、14)的所述长度尺寸平行的线一前一后地延伸，紧邻所述至少一个IR敏感元件(34)并且从那里被分开热耦合分开间距(45)；以及
执行选自包括以下项的组中的一项：
(i)在所述衬底(16)上经由沉积的电阻式热敏电阻器化学成分形成所述至少一个热敏电阻器(34)，其中，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫(30，32)的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(42)之间，其中，所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的热敏电阻器元件沉积放置距离(47)，并且将具有所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)、所述至少一个IR敏感元件(12、14)和所述至少一个热敏电阻器(34)的所述衬底(16)切割成至少一个个体红外探测器组件，以及
(ii)将具有所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)和所述至少一个IR敏感元件(12、14)的所述衬底(16)切割成至少一个个体部分红外探测器组件，并且通过经由表面可安装电阻式热敏电阻器芯片将所述至少一个热敏电阻器(34)设置在个体切割的衬底上来完成所述至少一个个体部分红外探测器组件，其中，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述个体切割的衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫(30，32)的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(42)之间，其中，所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的表面安装热敏电阻器放置距离(47)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底(16)包括具有在0.50至0.70mm的范围内的厚度的石英衬底，并且其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括硒化铅薄膜元件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热耦合分开间距(45)在0.10至0.30mm的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，(i)所述至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫((22，24)、(26，28))以及(ii)所述至少一个热敏电阻器(34)的所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫(30)和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫(32)包括单一导电材料或多于一种导电材料，其中，所述多于一种导电材料中的每种具有至少90-100％匹配的导热性。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)和所述至少一个IR敏感元件(12、14)的所述中心线对称配置能操作用于将在所述红外探测器组件(10)的温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述至少一个IR敏感元件的温度之间的所述热滞后时间减少至一秒或更少。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)包括金和铂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括选自包括以下项的组中的一项：(i)单个IR敏感元件、(ii)两个IR敏感元件、以及(iii)多个IR敏感元件。
8.根据权利要求1所述的方法，另外其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括两个或更多个IR敏感元件，并且其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)和所述两个或更多个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述两个或更多个IR敏感元件关于所述红外探测器组件(10)的所述平面中的第一轴线(36)和第二轴线(38)中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。
9.根据权利要求1所述的方法，另外其中，所述至少一个热敏电阻器(34)包括两个或更多个热敏电阻器，并且其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)和所述至少一个IR敏感元件(12、14)处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件关于所述红外探测器组件(10)的所述平面中的第一轴线(36)和第二轴线(38)中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。
10.根据权利要求1所述的方法，另外其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括一个或多个IR敏感元件，
其中，所述至少一个热敏电阻器(34)包括多个热敏电阻器，并且
其中，所述至少一个热敏电阻器中的每个被设置为邻近所述一个或多个IR敏感元件中的至少一个。
11.一种具有集成的温度感测的红外探测器组件(10)，包括：
在衬底(16)上形成的至少一个红外辐射敏感元件或IR敏感元件(12、14)，其中，所述至少一个IR敏感元件被热耦合到所述衬底；
在所述衬底上形成的用于(a)所述至少一个IR敏感元件和(b)至少一个热敏电阻器(34)的传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)，其中，所述传导性电极衬垫被热耦合到所述衬底，并且其中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件一起关于所述红外探测器组件的平面中的至少一个轴线(36、38)中心线对称，其中，所述中心线对称配置能操作用于减少在所述红外探测器组件的温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述至少一个IR敏感元件的温度之间的热滞后时间，其中，所述传导性电极衬垫包括：
(i)所述衬底上的用于所述至少一个IR敏感元件(12、14)中的每个IR敏感元件的至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫((22，24)、(26，28))，其中，每对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫经由与所述对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫中的每个相应衬垫的边缘部分交叠的相应的至少一个IR敏感元件的边缘部分而电耦合到所述相应的至少一个IR敏感元件，以及
(ii)所述衬底上的用于所述至少一个热敏电阻器(34)中的每个热敏电阻器的第一热敏电阻器传导性电极衬垫(30)和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(32)，其中，所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫中的每个具有沿着相应的热敏电阻器传导性电极衬垫的长度尺寸间隔开的两个衬垫端部部分(40、42)的平面图几何结构，所述两个衬垫端部部分具有长度尺寸和宽度尺寸并且经由衬垫中间部分(44)接合，其中，所述衬垫中间部分包括热损失减少构件，所述热损失减少构件具有的宽度尺寸小于其长度尺寸，另外其中，所述衬垫中间部分的所述宽度尺寸小于所述两个衬垫端部部分中的每个衬垫端部部分的相应宽度尺寸，另外其中，所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫中的每个沿着与所述至少一个IR敏感元件的所述长度尺寸平行的线一前一后地延伸，紧邻所述至少一个IR敏感元件并且从那里被分开热耦合分开间距(45)；以及
选自包括以下项的组中的至少一个热敏电阻器(34)：
(i)在所述衬底上经由沉积的电阻式热敏电阻器化学成分形成的至少一个热敏电阻器，其中，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(30，32)的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(42)之间，其中，所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的热敏电阻器元件沉积放置距离(47)，以及
(ii)被安装在所述衬底上的包括表面可安装电阻式热敏电阻器芯片的至少一个热敏电阻器，其中，每个相应的至少一个热敏电阻器被(a)热耦合到所述衬底并且(b)电耦合在相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(30，32)的最靠近彼此的相对的衬垫端部部分(42)之间，其中，所述相应对所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫和所述第二热敏电阻器传导性电极衬垫的最靠近彼此的所述相对的衬垫端部部分与彼此间隔开所述至少一个热敏电阻器的表面安装热敏电阻器放置距离(47)。
12.根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)，其中，所述衬底(16)包括具有在0.50至0.70mm的范围内的厚度的石英衬底，
其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括硒化铅薄膜元件，
其中，所述热耦合分开间距(45)在0.10至0.30mm的范围内，
其中，(i)所述至少一对第一IR敏感元件传导性电极衬垫和第二IR敏感元件传导性电极衬垫((22，24)、(26，28))以及(ii)所述至少一个热敏电阻器(34)的所述第一热敏电阻器传导性电极衬垫(30)和第二热敏电阻器传导性电极衬垫(32)包括单一导电材料或多于一种导电材料，其中，所述多于一种导电材料中的每种具有至少90-100％匹配的导热性，并且
其中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件的所述中心线对称配置能操作用于将在所述红外探测器组件的温度瞬变期间所述至少一个热敏电阻器的温度与所述至少一个IR敏感元件的温度之间的所述热滞后时间减少至一秒或更少。
13.根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)，其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)包括金和铂中的至少一种。
14.根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)，其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括选自包括以下项的组中的一项：(i)单个IR敏感元件、(ii)两个IR敏感元件、以及(iii)多个IR敏感元件。
15.根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)，另外其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括两个或更多个IR敏感元件，并且其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)和所述两个或更多个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述两个或更多个IR敏感元件关于所述红外探测器组件的所述平面中的第一轴线(36)和第二轴线(38)中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。
16.根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)，另外其中，所述至少一个热敏电阻器(34)包括两个或更多个热敏电阻器，并且其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)和所述至少一个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述至少一个IR敏感元件关于所述红外探测器组件的所述平面中的第一轴线(36)和第二轴线(38)中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。
17.根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)，另外其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括一个或多个IR敏感元件，
其中，所述至少一个热敏电阻器(34)包括多个热敏电阻器，并且
其中，所述至少一个热敏电阻器中的每个被设置为邻近所述一个或多个IR敏感元件中的至少一个。
18.一种二氧化碳气体测量装置(100)，包括根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)，其中，所述二氧化碳气体测量装置还包括：
电路(210)，其被耦合到所述红外探测器组件，并且被配置为(i)从所述至少一个热敏电阻器(34)获得温度测量输出(234)，并且(ii)基于所获得的温度测量来提供温度补偿的二氧化碳气体测量输出信号(220)，其中，所述电路响应于所获得的温度测量而针对所述相应的至少一个IR敏感元件的温度的漂移对所述至少一个IR敏感元件(12、14)的输出信号进行补偿。
19.根据权利要求18所述的二氧化碳气体测量装置(100)，其中，所述至少一个IR敏感元件(12、14)包括两个IR敏感元件，并且其中，所述传导性电极衬垫(22、24、26、28、30、32)和所述两个IR敏感元件处于中心线对称配置中，在所述中心线对称配置中，所述传导性电极衬垫和所述两个IR敏感元件关于所述红外探测器组件(10)的所述平面中的第一轴线(36)和第二轴线(38)中心线对称，所述第二轴线垂直于所述第一轴线，并且
其中，所述两个IR敏感元件中的一个被配置为输出IR参考信号(214)，并且两个IR敏感元件中的另一个被配置为输出二氧化碳气体测量信号(212)，其中，响应于所获得的温度测量而针对每个相应的IR敏感元件的温度的漂移对所述参考信号和所述二氧化碳气体测量信号两者进行温度补偿。
20.一种测量气体浓度的方法，包括：
提供根据权利要求11所述的红外探测器组件(10)；
经由被耦合到所述红外探测器组件的电路(210)从所述至少一个热敏电阻器(34)获得温度测量输出(234)；以及
经由所述电路基于所获得的温度测量来提供温度补偿的二氧化碳气体测量输出信号(220)，其中，经由所述电路响应于所获得的温度测量而针对所述相应的至少一个IR敏感元件的温度的漂移对所述至少一个IR敏感元件(12、14)的输出信号(212、214)进行补偿。
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