DE102011012989B4

DE102011012989B4 - Sensorkopf für einen Röntgendetektor

Info

Publication number: DE102011012989B4
Application number: DE102011012989.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Scheid; Andreas Pahlke
Original assignee: KETEK GmbH
Current assignee: KETEK GmbH
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2031-03-04
Also published as: US20120228498A1; DE102011012989A1; US8822923B2

Abstract

Sensorkopf (27) für einen Röntgendetektor (26), aufweisendeinen ersten Leiterträger (11) mit einer Stirnfläche (23),ein für Röntgenstrahlung (17) empfindliches Sensorelement (10), das auf der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) angeordnet ist, das elektrisch leitend mit Leitern des ersten Leiterträgers (11) verbunden ist und das eine Detektionsfläche (37) aufweist,Kontaktelemente (15), die über die Leiter des ersten Leiterträgers (11) elektrisch leitend mit dem Sensorelement (10) verbunden sind,Bonddrähte (19), wobei die Bonddrähte (19) den ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbinden, so dass das Sensorelement (10) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbunden ist,wobei die Bonddrähte (19) auf einer der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) abgewandten Seite zumindest teilweise unterhalb des ersten Leiterträgers (11) verlaufen,wobei in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) die Detektionsfläche (37) die Bonddrähte (19) zumindest teilweise überdeckt,wobei die Kontaktelemente (15) als Kontaktstifte (34) ausgebildet sind, undwobei die Kontaktstifte (34) in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) eine Fläche aufspannen, deren Inhalt kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche (37) ist.

Description

Es wird ein Sensorkopf für einen Röntgendetektor angegeben.
Röntgendetektoren sind aus den Druckschriften DE 10 2005 037 860 A1 , US 2009/0 290 680 A1 und US 6 510 195 B1 bekannt.
In der Druckschrift US 2005/0 139 757 A1 findet sich ein pixelierter Detektor für Photonen.
Ein Sensor in Form eines Halbleiterchips mit einer Mehrzahl von Fotodioden ist in der Druckschrift EP 1 492 168 A1 offenbart.
Bei der Elektronenstrahlmikroanalyse wird Röntgenstrahlung, die bei der Abtastung einer Probe durch einen Elektronenstrahl in einem Elektronenmikroskop, beispielsweise einem Rasterelektronenmikroskop (REM) oder einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), entsteht, detektiert und ausgewertet.
Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) wird Röntgenstrahlung, die bei der Bestrahlung einer Probe mit Röntgenstrahlen, insbesondere durch eine Röntgenröhre, erzeugt wird, detektiert und ausgewertet.
Oftmals werden energiedispersiven Röntgendetektoren (EDX-Detektoren) eingesetzt, die sich unter anderem dadurch auszeichnen, dass sie einen relativ großen Raumwinkel erfassen können. Zur Gruppe der EDX-Detektoren gehören auch die sogenannten Siliziumdriftdetektoren (SDD-Detektoren), die üblicherweise aus Silizium-Wafern hergestellt werden.
Es ist eine zu lösende Aufgabe, einen Sensorkopf für einen Röntgendetektor anzugeben, der im Vergleich zu bekannten Sensorköpfen verbesserte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den im unabhängigen Anspruch sowie durch die in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Sensorköpfe gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Es wird ein Sensorkopf angegeben, der einen ersten Leiterträger mit einer Stirnfläche aufweist. Der erste Leiterträger kann beispielsweise einen Körper und in dem Körper geführte Leiter zur Kontaktierung von Bauelementen aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Leiterträger als Leiterplatte ausgeführt.
Es ist ein Sensorelement auf dem ersten Leiterträger angeordnet. Das Sensorelement kann beispielsweise als Sensorchip ausgeführt sein. Das Sensorelement ist ein für Röntgenstrahlung empfindliches Sensorelement. Das Sensorelement kann beispielsweise ein Si(Li)-Detektor, ein HPGe-Detektor, eine PIN-Diode, ein aus Verbindungshalbleitern bestehender Detektor, ein Silizium-Driftdetektor mit externen Transistoren oder ein Silizium-Driftdetektor mit integriertem FET sein. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Silizium-Driftdetektor.
Das Sensorelement ist auf der Stirnfläche des ersten Leiterträgers angeordnet und ist elektrisch leitend mit den Leitern des ersten Leiterträgers verbunden.
Das Sensorelement weist eine Detektionsfläche auf. Die Detektionsfläche ist zum Strahlungsempfang einer von dem Sensorkopf zu erfassenden Strahlung vorgesehen und kann hier und im Folgenden auch als Sensorfläche bezeichnet werden. Der Sensorkopf eignet sich zur Erfassung einer Röntgenstrahlung.
Durch einen hier beschriebenen Sensorkopf kann die Detektionsfläche eines Sensorkopfes eines Röntgendetektors, insbesondere eines SDD-Detektors, unter Beibehaltung der Gesamtgröße des Röntgendetektors maximiert werden. Dadurch kann beispielsweise mit Vorteil erreicht werden, dass der Sensorkopf möglichst nahe an einer Probe positioniert werden kann, zum Beispiel in einem zu der Probe seitlich versetzten, räumlich begrenzten Bereich. Dadurch kann der Abstand der Probe zum Sensorkopf verringert und gleichzeitig der Raumwinkel der Strahlung, und damit die vom Sensorkopf erfasste Strahlungsmenge, vergrößert werden.
Der Sensorkopf weist Kontaktelemente auf, die über die Leiter des ersten Leitertägers elektrisch leitend mit dem Sensorelement verbunden sind. Die Kontaktelemente können beispielsweise als weiterführende Kontaktelemente ausgebildet sein und einer Weiterkontaktierung beziehungsweise externen Kontaktierung des Sensorkopfes dienen.
Der Sensorkopf weist Bonddrähte auf, die den ersten Leiterträger elektrisch leitend mit den Kontaktelementen verbinden, so dass das Sensorelement elektrisch leitend mit den Kontaktelementen verbunden ist. Beispielsweise kann der Sensorkopf für jedes Kontaktelement genau einen Bonddraht aufweisen. Die Bonddrähte verlaufen auf einer der Stirnseite des ersten Leiterträgers abgewandten Seite zumindest teilweise unterhalb des ersten Leiterträgers.
Die Detektionsfläche überdeckt die Bonddrähte in Aufsicht auf die Detektionsfläche zumindest teilweise. In anderen Worten werden die Bonddrähte in Aufsicht auf die Detektionsfläche des Sensorelements zumindest teilweise von der Detektionsfläche verdeckt, wobei die Aufsichtrichtung vorzugsweise im rechten Winkel zur Detektionsfläche erfolgt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform überdeckt die Detektionsfläche die Bonddrähte in Aufsicht auf die Detektionsfläche vollständig.
Die Kontaktelemente sind als Kontaktstifte ausgebildet. Die Kontaktstifte weisen vorzugsweise ein oder mehrere elektrisch leitende Materialien auf. Beispielsweise können die Kontaktstifte vergoldet sein.
Die Kontaktelemente spannen in Aufsicht auf die Detektionsfläche eine Fläche auf, deren Inhalt kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche ist. Weiterhin können die Kontaktstifte in Aufsicht auf die Detektionsfläche eine Fläche aufspannen, deren Inhalt kleiner oder gleich dem Flächeninhalt der Stirnfläche des ersten Leiterträgers ist. Vorzugsweise wird die von den Kontaktstiften aufgespannte Fläche in Aufsicht auf die Detektionsfläche vollständig von der Detektionsfläche überdeckt. Zur Isolation können die Kontaktstifte zumindest teilweise von einem röhrenförmigen Glaskörper umschlossen sein. Der Glaskörper ist vorzugsweise an zwei Enden offen, um den Kontaktstift zur Kontaktierung freizugeben.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zum Flächeninhalt der von den Kontaktstiften aufgespannten Fläche kleiner oder gleich als 1,5. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zum Flächeninhalt der von den Kontaktstiften aufgespannten Fläche größer 1,0.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zum Flächeninhalt der von den Kontaktstiften aufgespannten Fläche in einem Bereich zwischen 1,0 und 1,5. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zum Flächeninhalt der von den Kontaktstiften aufgespannten Fläche in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,35. Es hat sich gezeigt, dass sich ein Sensorkopf, bei dem die Detektionsfläche des Sensorelements zu der von den Kontaktstiften aufgespannten Fläche ein derartiges Verhältnis aufweist, besonders vorteilhaft erweist. Beispielsweise kann vermieden werden, dass die Kontaktstifte in Aufsicht auf die Detektionsfläche unter der Detektionsfläche hervorragen. Dadurch kann es ermöglicht werden, mehrere Sensorköpfe derart zueinander anzuordnen, dass die Detektionsflächen in unmittelbarer Nähe flächig nebeneinander angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf einen Grundkörper auf. Der Grundkörper kann beispielsweise einen Sockel und eine Bodenplatte umfassen. Der Sockel dient zum Beispiel der mechanischen Befestigung der Bauteile des Sensorkopfes. Vorzugsweise weist der Sockel ein Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, auf. Die Bodenplatte kann beispielsweise auf dem Sockel angeordnet sein. Die Bodenplatte weist vorzugsweise Bohrungen auf, in denen vorzugsweise die Glaskörper, die die Kontaktstifte aufnehmen, angeordnet sind. Vorzugsweise entspricht die Länge der Glaskörper der Dicke der Bodenplatte. Der Grundkörper kann auch weitere Elemente, wie zum Beispiel einen thermoelektrischen Kühler oder Signal- und Steueranschlüsse aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktstifte mit dem Grundkörper verbunden und ragen vom Grundkörper ab, so dass zwischen den Kontaktstiften und dem Grundkörper ein Freiraum gebildet ist. Vorzugsweise deckt dabei die Detektionsfläche diesen Freiraum ab. Beispielsweise können die Kontaktstifte an dem Grundkörper gehaltert sein und von diesem in Richtung des ersten Leiterträgers abragen.
Der Grundkörper kann in Aufsicht auf die Detektionsfläche, die vorzugsweise senkrecht zur Detektionsfläche erfolgt, eine Fläche definieren, die der Ausdehnung des Grundkörpers in lateraler Richtung, also in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Detektionsfläche ist, entspricht. Gemäß einer Ausführungsform ist das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zu der vom Grundkörper des Sensorkopfes definierten Fläche kleiner als 1. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zu der vom Grundkörper definierten Fläche größer als 1.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zu der vom Grundkörper definierten Fläche in einem Bereich zwischen 0,4 und 1,4. Besonders bevorzugt wird ein Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zu der vom Grundkörper des Sensorkopfes definierten Fläche in einem Bereich zwischen 0,6 und 1,2. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass ein Sensorkopf, der ein solches Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche zu der vom Grundkörper definierten Fläche aufweist, besonders gut dazu geeignet ist, möglichst nahe an einer Probe positioniert zu werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf einen zweiten Leiterträger auf. Der zweite Leiterträger ist vorzugsweise auf der von der Stirnfläche abgewandten Seite des ersten Leitertägers angeordnet und mit dem ersten Leiterträger elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise definiert der zweite Leiterträger eine Fläche, deren Flächeninhalt kleiner ist als der Flächeninhalt der Detektionsfläche. Weiterhin wird bevorzugt, dass der zweite Leiterträger in Aufsicht auf die Detektionsfläche von der Detektionsfläche und/oder von dem ersten Leiterträger vollständig verdeckt wird.
Der erste und/oder der zweite Leiterträger können beispielsweise als Leiterplatte ausgebildet sein. Der erste und/oder der zweite Leiterträger können beispielsweise mit Phenolharz oder Epoxidharz getränktes Papier, mit Epoxidharz getränktes Glasfasergewebe, Teflon, Polyesterfolie oder eine Keramik aufweisen. Die Leiter wenigstens eines Leiterträgers können beispielsweise Kupfer aufweisen oder aus Kupfer sein. Sie können aber auch andere Materialien aufweisen. Vorzugsweise weist der erste und/oder zweite Leiterträger eine Multilayer-Verbundkeramik auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Leiterträger in Aufsicht auf die Detektionsfläche innerhalb einer von den Kontaktelementen definierten Fläche angeordnet.
Beispielsweise ist der zweite Leiterträger innerhalb der von den Kontaktstiften aufgespannten Fläche angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Leiterträger auf der dem ersten Leiterträger zugewandten Seite eine Stirnfläche auf, die kleiner als die von den Kontaktelementen aufgespannte Fläche ist. Vorzugsweise sind die als Kontaktstifte ausgeführten Kontaktelemente auf der von der Stirnfläche abgewandten Seite des zweiten Leiterträgers derart angeordnet, dass die Längsachsen der Kontaktstifte einen rechten Winkel mit der Stirnfläche des zweiten Leiterträgers bilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Bonddrähte direkt mit zumindest einem Teil der Kontaktelemente verbunden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Bonddrähte direkt mit dem zweiten Leiterträger verbunden. Beispielsweise kann an dem zweiten Leiterträger eine Mehrzahl von Kontaktierstellen angeordnet sein, die zum Beispiel als Bondinseln ausgebildet sein können, und von denen mindestens ein Teil über jeweils mindestens einen Bonddraht mit den Kontaktelementen elektrisch leitfähig verbunden ist. Weiterhin kann der Sensorkopf eine Mehrzahl von Signal- und Steueranschlüssen aufweisen. Vorzugsweise werden die Kontaktelemente, insbesondere die Kontaktstifte, als Signal- und Steueranschlüsse verwendet.
Als Material für die Kontaktierstellen wird ein Material gewählt, das eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiterträger und dem Bonddraht erzeugt. Dabei sollen die Kontaktierstellen insbesondere beim Kontaktiervorgang orts- und formfest bleiben. Dazu eignen sich beispielsweise Metalle oder Metallpulver enthaltende Klebstoffe. Vorzugsweise enthalten die Kontaktierstellen Gold und/oder Aluminium.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Leiterträger einen Vorsprung auf. Die Kontaktierstellen auf dem zweiten Leiterträger, über die der zweite Leiterträger mittels der Bonddrähte mit den Kontaktelementen elektrisch leitend verbunden ist, sind dabei vorzugsweise auf einer dem ersten Leiterträger zugewandten Seite des Vorsprungs des zweiten Leiterträgers angeordnet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Vorsprung um einen randseitigen Steg, der zum Beispiel umlaufend um die zweite Leiterplatte verlaufen kann. Die Kontaktelemente sind dabei in Aufsicht auf die Detektionsfläche vorzugsweise außerhalb des zweiten Leiterträgers angeordnet. Weiterhin wird bevorzugt, dass die Kontaktelemente mit ihrem der Detektionsfläche zugewandten Ende mit dem Vorsprung abschließen oder in Aufsicht auf die Detektionsfläche unterhalb des Vorsprungs angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der zweite Leiterträger Löcher auf. Vorzugsweise ragen die Kontaktelemente zumindest teilweise in die Löcher hinein. Beispielsweise ist der zweite Leiterträger so ausgestaltet, dass die Kontaktelemente, insbesondere die Kontaktstifte, auf der von der Stirnfläche abgewandten Seite des ersten Leiterträgers unterhalb des ersten Leiterträgers und zumindest teilweise unterhalb des zweiten Leiterträgers angeordnet sind und in die in dem zweiten Leiterträger eingebrachten Löcher, welche vorzugsweise konzentrisch mit den Kontaktstiften angeordnet und von oben zugänglich sind, hineinragen. Insbesondere können die in den zweiten Leiterträger eingebrachten Löcher auch zum seitlichen Rand des zweiten Leiterträgers hin offen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf einer von der Stirnfläche des zweiten Leiterträgers abgewandten Seite am zweiten Leiterträger ein Kühlelement angeordnet, das vorzugsweise als thermoelektrischer Kühler ausgeführt ist. Der thermoelektrische Kühler kann zum Beispiel eine Mehrzahl an Peltier-Elementen aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Leiterträger Teil des Kühlelementes beziehungsweise des thermoelektrischen Kühlers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Leiterträger mit dem ersten Leiterträger über eine Mehrzahl von Verbindungskontakten elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise können der erste und der zweite Leiterträger auf den sich jeweils zugewandten Seiten eine Mehrzahl von Kontaktierstellen aufweisen, die sich vorzugsweise beim Übereinanderlegen der Leiterträger gegenüber sind und die zum Beispiel als Bondinseln ausgebildet sind. Die Kontaktierstellen des ersten Leiterträgers können vorzugsweise mittels der Verbindungskontakte mit den Kontaktierstellen des zweiten Leiterträgers verbunden werden. Die Anzahl der Kontaktierstellen für Verbindungskontakte ergibt sich aus der Anzahl der benötigten Signal- und Steueranschlüsse. Beispielsweise sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mindestens sechs der Kontaktierstellen für Verbindungskontakte des ersten Leiterträgers mit Kontaktierstellen für Verbindungskontakte des zweiten Leiterträgers verbunden.
Die Verbindungskontakte können beispielsweise mittels Bonden, etwa mittels Thermokompressionsbonden (Thermal Compression Bonding) oder Ultraschalltemperaturbonden (Thermosonic Bonding) hergestellt sein. Die Verbindungskontakte können auch mittels Verkleben, etwa mit Lot versetztem Epoxidharz (Epoxy Encapsulated Solder Connection) oder Kleben mit leitfähigen oder nichtleitfähigen Klebern und Metallkontakten (Anisotropic-Conductive-Film/Anisotropic-Conductive-Paste oder Non-Conductive-Film/Non-Conductive-Paste), hergestellt sein. Des Weiteren können Verfahren wie C4(solder-to-solder), GGI(gold-to-gold), ESC(gold-to-solder/tin) und Copper-Pillar-Bonding zur Anwendung kommen.
Durch die hier beschriebene Anordnung der Kontaktierstellen, d.h. insbesondere der Kontaktierstellen für Verbindungskontakte des ersten und des zweiten Leiterträgers zur elektrisch leitenden Verbindung des ersten und des zweiten Leiterträgers, sowie der Anordnung der Kontaktierstellen des zweiten Leiterträgers, die mittels der Bonddrähte mit den Kontaktelementen verbunden sind, können vorteilhafte Effekte erzielt werden. Beispielsweise gelingt es, durch die gegenüber dem Stand der Technik zusätzliche Verwendung von Verbindungskontakten das Sensorelement, insbesondere die Detektionsfläche des Sensorelements, unter Beibehaltung der Gesamtgröße des Sensorkopfes stark zu vergrößern.
Weiterhin ermöglicht die hier beschriebene Anordnung des ersten Leiterträgers, der über Verbindungskontakte mit dem zweiten Leiterträger elektrisch leitend verbunden ist, das Sensorelement so zu dimensionieren, dass alle Steuer- und Signalleitungen und deren Anschlüsse in Aufsicht auf die Detektionsfläche unter dem Sensorchip platziert sind, was vorteilhafterweise wiederum eine Maximierung der Detektionsfläche unter Beibehaltung der Gesamtgröße des Röntgendetektors ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stirnfläche des ersten Leiterträgers einen Flächeninhalt auf, der dem Flächeninhalt der Detektionsfläche entspricht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stirnfläche des ersten Leiterträgers eine Form auf, die der Form der Detektionsfläche entspricht. Mit Form kann dabei insbesondere der Umriss des ersten Leiterträgers beziehungsweise der Detektionsfläche in Aufsicht auf die Detektionsfläche gemeint sein. Durch die Anpassung der Detektionsfläche hinsichtlich ihrer Form und/oder ihres Flächeninhalts an den ersten Leiterträger kann mit Vorteil erreicht werden, dass das Sensorelement über den ersten Leiterträger gut kontaktiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf eine laterale Ausdehnung auf, die kleiner als 22 mm ist, und die Detektionsfläche weist einen Flächeninhalt zwischen 190 mm² und 295 mm² auf. Mit lateraler Ausdehnung des Sensorkopfes kann dabei die maximale laterale Abmessung des Sensorkopfs, beispielsweise in einer Richtung, die parallel zur Detektionsfläche des Sensorelements ist, bezeichnet sein. Insbesondere kann bei einem zylinderförmigen Sensorkopf der Durchmesser des Sensorkopfes gemeint sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf eine laterale Ausdehnung aufweist, die kleiner als 18 mm ist, und die Detektionsfläche weist einen Flächeninhalt zwischen 140 mm² und 210 mm² auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf eine laterale Ausdehnung auf, die kleiner als 16 mm ist, und die Detektionsfläche weist einen Flächeninhalt zwischen 40 mm² und 95 mm² auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Detektionsfläche kreisförmig ausgebildet. Ein kreisförmigen Umriss der Detektionsfläche, insbesondere auch ein kreisförmiger Umriss des Sensorelements und des ersten Leiterträgers ermöglicht eine maximale Sensorchipfläche bei Röntgendetektoren, die ein kreisrundes Gehäuse, beispielsweise ein Gehäuse der Bauform TO-8, aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Detektionsfläche sechseckig ausgebildet. Vorzugsweise weist die Detektionsfläche dabei sechs Seiten gleicher Länge auf. Dadurch wird ermöglicht, Sensorköpfe in einer Sensoranordnung flächig in Form eines Wabenmusters anzuordnen. Bei einer derartigen Sensoranordnung kann die von den Sensorköpfen detektierte Strahlung signifikant erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Detektionsfläche durch Geraden und Kreislinienstücke begrenzt. Insbesondere kann auch der erste Leiterträger und das darauf angeordnete Sensorelement einen Umriss mit gebogenen Bereichen, beispielsweise kreis- oder teilkreisförmigen Bereichen, und mit Abflachungen auf mindestens einer Seite aufweisen. Dadurch wird ermöglicht, dass das Sensorelement, beispielsweise in der EDX-Anwendung, näher, und damit optimaler, positioniert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Sensorelement in Flip-Chip-Technik mit dem ersten Leiterträger elektrisch leitend verbunden. Dadurch kann beispielsweise die gesamte Fläche des Sensorelements zur Kontaktierung genutzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste Leiterträger und der zweite Leiterträger in Flip-Chip-Technik elektrisch leitend miteinander verbunden. Dies führt im Vergleich zu anderen Techniken vorteilhafterweise zu kürzeren Leiterlängen und gleichzeitig wird beim Verbinden der Leiterträger Zeit gespart, da die Verbindung aller Kontaktierstellen gleichzeitig erfolgen kann.
Weiterhin wird ein Sensorkopf für einen Röntgendetektor angegeben, der einen ersten Leiterträger mit einer Stirnfläche sowie ein für Röntgenstrahlung empfindliches Sensorelement mit einer Detektionsfläche, das auf der Stirnfläche des ersten Leiterträgers angeordnet und elektrisch leitend mit Leitern des ersten Leiterträgers verbunden ist, aufweist. Des Weiteren weist der Sensorkopf einen Grundkörper auf, der auf der von der Stirnfläche des ersten Leiterträgers abgewandten Seite angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf eine Mehrzahl von Kontaktstiften auf, die über den ersten Leitertäger elektrisch leitend mit dem Sensorelement verbunden sind. Vorzugsweise ragen die Kontaktstifte vom Grundkörper ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform spannen die Kontaktstifte eine Fläche auf, deren Inhalt kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche des Sensorelements ist. Der Sensorkopf weist vorteilhafterweise eine im Verhältnis zu seiner lateralen Ausdehnung, beispielsweise des Durchmessers des Grundkörpers, maximierte Detektionsfläche auf. Dadurch kann der Sensorkopf sehr nahe an einer eine Strahlung emittierende Probe positioniert und die von die vom Sensorelement erfasste Strahlungsmenge signifikant erhöht werden.
Vorzugsweise sind die Kontaktstifte unterhalb, d.h. auf der von der Stirnfläche des ersten Leiterträgers abgewandten Seite des ersten Leiterträgers angeordnet. Dies erlaubt es, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Kontaktstifte üblicherweise seitlich neben dem Leiterträger angeordnet sind, die Detektionsfläche bis an oder über die räumlichen Grenzen einer Bodenplatte beziehungsweise Lochscheibe zu vergrößern.
Weiterhin wird ein Röntgendetektor angegeben, insbesondere ein EDX-Röntgendetektor, der einen hier beschriebenen Sensorkopf enthält. Der Röntgendetektor kann insbesondere für die Elektronenstrahlmikroanalyse oder für die Röntgenfluoreszenzanalyse verwendet werden.
Des Weiteren wird eine Sensoranordnung angegeben. Die Sensoranordnung umfasst eine Mehrzahl von hier beschriebenen Sensorköpfen. Dabei sind die Sensorelemente der einzelnen Sensorköpfe vorzugsweise flächig nebeneinander angeordnet. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Sensorköpfe, bei denen vorzugsweise alle in Aufsicht auf die Detektionsfläche unterhalb der Detektionsfläche angeordneten Bauteile des Sensorkopfes von der Detektionsfläche verdeckt werden, wird ermöglicht, dass die einzelnen Sensorköpfe innerhalb der Sensoranordnung flächig dicht aneinander platziert werden können, um großflächige Arrays mit maximaler Ausnutzung der Gesamtfläche in Form von Detektionsfläche und minimaler, nicht durch die Detektionsflächen abgedeckter Fläche zu bilden.
Es ist vorteilhalft, wenn die einzelnen Sensorköpfe zueinander jeweils einen Abstand aufweisen, der kleiner oder gleich 2 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 1 mm, beträgt. Vorzugsweise ist dabei der Abstand der einzelnen Sensorelemente gleich dem Abstand der einzelnen Sensorköpfe.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des hier beschriebenen Sensorkopfes, Röntgendetektors und Sensoranordnung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1a bis 6b beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen

1a einen grundsätzlichen Aufbau zur Elektronenstrahlmikroanalyse mit einem Rasterelektronenmikroskop und einem Röntgendetektor;
1b einen grundsätzlichen Aufbau zur Röntgenfluoreszenzanalyse mit einer Röntgenröhre und einem Röntgendetektor;
2a und 3a einen Sensorkopf gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht und in Aufsicht;
2b und 3b einen hier beschriebenen Sensorkopf in einer Seitenansicht und in Aufsicht;
4a und 4b sowie 5a und 5b weitere alternative Ausgestaltungen des hier beschriebenen Sensorkopfes jeweils in einer Seitenansicht und in einer Aufsicht; und
6a und 6b Anwendungsmöglichkeiten von hier beschriebenen Sensorköpfen.

In 1 ist eine Apparatur zur Elektronenstrahlmikroanalyse mit einem Elektronenmikroskop 28 und einem Röntgendetektor 26 dargestellt. Das Elektronenmikroskop weist einen Polschuh 46 und einen Probentisch 33 mit einem Probenhalter 32 auf. Aus dem Polschuh 46 tritt ein Elektronenstrahl 30 aus, der eine von dem Probenhalter 32 gehaltene Probe 31 anregt. Die von der Probe 31 emittierte Röntgenstrahlung 17 kann von dem Röntgendetektor 26 detektiert werden. Der Röntgendetektor 26 weist ein Sensorelement 10, eine Magnetfalle 47 zur Ablenkung von Streuelektronen sowie eine Kühleinheit 48 auf.
1b zeigt eine Apparatur zur Röntgenfluoreszenzanalyse 49, die eine Röntgenröhre 50 aufweist, aus der Röntgenstrahlung 17 austritt. Die Röntgenstrahlung 17 ist auf eine Probe 31 gerichtet, die von einem Probenhalter 32 gehalten wird, der auf einem Probentisch 33 angeordnet ist. Die Probe 31 wird von der Röntgenstrahlung 17 angeregt und emittiert eine Röntgenstrahlung die von einem Röntgendetektor 26 detektiert werden kann.
In 2a ist ein Sensorkopf 27 für einen Röntgendetektor 26 gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht gezeigt. Der Sensorkopf 27 weist einen Sensorchip 10 mit einer Sensorfläche 37 auf, die kleiner als eine Stirnfläche 23 einer Leiterplatte 11 ist. Auf der Stirnfläche 23 sind in Bereichen, die nicht vom Sensorchip 10 bedeckt sind, sogenannte Bondinseln 24 vorhanden. Des Weiteren weist der Sensorkopf 27 einen thermoelektrischen Kühler 13, einen Sockel 38, eine Bodenplatte 39 und mit der Bodenplatte 39 befestigte Kontaktstifte 34 auf, die über Bonddrähte 19 mit den Bondinseln 24 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kontaktstifte 34 dienen als Signal- und Steueranschlüsse 22.
2b zeigt den hier beschriebenen Sensorkopf 27 für einen Röntgendetektor 26 in einer Seitenansicht. Der Sensorkopf 27 weist einen ersten Leiterträger 11 mit einer Stirnfläche 23, sowie ein für Röntgenstrahlung empfindliches Sensorelement 10 mit einer Detektionsfläche 37 auf. Das Sensorelement 10 ist als Sensorchip ausgeführt. Es ist auf der Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 montiert und elektrisch leitend mit Leitern des ersten Leiterträgers 11 verbunden. Die Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 weist einen Flächeninhalt auf, der dem Flächeninhalt der Detektionsfläche 37 entspricht.
Weiterhin weist der Sensorkopf 27 Kontaktelemente 15 auf, die als Kontaktstifte 34 ausgeführt sind und die über den ersten Leitertäger 11 elektrisch leitend mit dem Sensorelement 10 verbunden sind. Bonddrähte 19 verbinden den ersten Leiterträger 11 elektrisch leitend mit den Kontaktelementen 15, so dass das Sensorelement 10 elektrisch leitend mit den Kontaktelementen 15 verbunden ist.
Die Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 verdeckt in Aufsicht auf die Detektionsfläche 37 die unterhalb des ersten Leiterträgers 11 angeordneten Kontaktstifte 34 und Bonddrähte 19.
Im Gegensatz zum Stand der Technik haben der erste Leitertäger 11 und das Sensorelement 10 einen ringförmigen Umriss. Das Sensorelement 10 und der erste Leiterträger 11 weisen einen gleichen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser D einer Bodenplatte 39 des Sensorkopfes 27.
Weiterhin weist der Sensorkopf 27 einen zweiten Leiterträger 12 auf. Im Unterschied zum Stand der Technik ist der erste Leiterträger 11 nicht wie üblich auf dem thermoelektrischen Kühler 13, sondern auf dem zweiten Leiterträger 12 angeordnet, der mit der von der Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 abgewandten Seite auf dem thermoelektrischen Kühler 13 montiert ist. Der thermoelektrische Kühler 13 ist dabei vorzugsweise thermisch leitend mit dem zweiten Leiterträger 12 verbunden. Der zweite Leitertäger 12 weist auf der dem ersten Leiterträger 11 zugewandten Seite eine Stirnfläche 53 auf, die einen Flächeninhalt aufweist, der kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 ist. Der zweite Leiterträger 12 ist derart ausgestaltet, dass die Kontaktstifte 34 außerhalb des zweiten Leiterträgers 12 neben diesem angeordnet sind und somit in Aufsicht auf die Detektionsfläche 37 nicht vom zweiten Leiterträger verdeckt sind.
Weiterhin sind der erste Leiterträger 11 und der zweite Leiterträger 12 über Verbindungskontakte 20, die beispielsweise metallische Verbindungskontakte sein können, elektrisch leitend miteinander verbunden. Zur besseren Darstellung ist die Verbindung des ersten und des zweiten Leiterträgers 11, 12 in einem Ausbruch X im Detail A gezeigt.
Das Sensorelement 10, der erste Leiterträger 11, der zweite Leiterträger 12 und der thermoelektrische Kühler 13 sind zur mechanischen Befestigung auf einem Sockel 38 montiert, der das Zentrum der ringförmigen Bodenplatte 39 bildet. Der Sockel 38 und die Bodenplatte 39 sind Teil eines Grundkörpers 52 des Sensorkopfes 27.
In Ausbruch Y ist die Bodenplatte 39 gezeigt, welche Bohrungen 40 aufweist, die röhrenförmige Glaskörper 14 aufnehmen, in denen die Kontaktstiften 34 angeordnet sind. Die Kontaktstifte 34 stellen die zum Betrieb des Sensorelements 10 benötigten Signal- und Steueranschlüsse 22 dar. Von den Enden der Kontaktstifte 34 führen Bonddrähte 19 in Form einer Schlaufe zu Kontaktierstellen 24, die sich in Aussparungen 42 des zweiten Leiterträgers 12 befinden, deren Grund auf der der Stirnfläche 23 zugewandten Seite liegt. Die Bonddrähte 19 sind einerseits mit den Kontaktstiften 34 und andererseits mit Kontaktierstellen 24, die auf dem zweiten Leiterträger 12 angeordnet sind und beispielsweise als sogenannte Bondinseln ausgeführt sein können, elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise sind zumindest sechs der Kontaktstifte 34 als Signal- und Steueranschlüsse 22 mittels der Bonddrähte 19 mit den Kontaktierstellen 24 des zweiten Leiterträgers 12 verbunden. Die Anzahl der mittels der Bonddrähte 19 mit den Kontaktierstellen 24 des zweiten Leiterträgers 12 verbundenen Kontaktstifte 34 ergibt sich aus der Anzahl der benötigten Signal- und Steueranschlüsse. Zumindest zwei Kontaktstifte werden vorzugsweise mit dem thermoelektrischen Kühler verlötet.
Die Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 65 mm² und ist im Vergleich zum Stand der Technik um ein Vielfaches größer. Der Durchmesser D der Bodenplatte 39, der im gezeigten Ausführungsbeispiel dem Durchmesser des Sensorkopfes 27 entspricht, beträgt 15,3 mm.
Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn der Flächeninhalt der Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 größer als der von den Kontaktstiften aufgespannten Fläche ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Sensorelement umlaufend einen lateralen Abstand von mindestens 0,3 mm zu einer Gehäusewand des Sensorkopfes hat.
In 3a ist ein Sensorkopf 27 gemäß dem Stand der Technik in Aufsicht dargestellt. Der Sensorkopf 27 weist einen Sensorchip 10 und eine darunter liegende Leiterplatte 11 auf, wobei sowohl der Sensorchip 10 als auch die Leiterplatte 11 eine quadratische Grundfläche aufweisen. Die Stirnfläche 23 der Leiterplatte 11 ist dabei größer als die Sensorfläche 37 des Sensorchips. Auf der Stirnfläche 23 der Leiterplatte 11 sind Bondinseln 24 vorhanden, wobei üblicherweise jeweils mindestens eine Bondinsel 24 einem Kontaktstift 34 gegenüber angeordnet ist. Die Bondinseln 24 sind in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Die Kontaktstifte 34 sind mit Glaskörpern 14 in Bohrungen 40 einer Bodenplatte 39 angeordnet, wobei der Durchmesser der Bodenplatte 39 größer als die Diagonale der Stirnfläche 23 der Leiterplatte 11 ist, so dass die Kontaktstifte 34 außerhalb der Stirnfläche 23 der Leiterplatte 11 angeordnet sind. Ein Durchmesser D des Sensorkopfes 27 gemäß des Stands der Technik beträgt typischerweise 15,3 mm bei Sensorfläche 10 von 10 mm².
3b zeigt den Sensorkopf 27 aus 2b in der Aufsicht. Die Beschreibung der Bauteile des Sensorkopfes 27 erfolgt von oben nach unten. Im Gegensatz zum Stand der Technik haben das Sensorelement 10 und der erste Leiterträger 11 einen ringförmigen Umriss, wobei das Sensorelement 10 und der erste Leitertäger 11 einen gleichen Durchmesser aufweisen, welcher kleiner ist als der Durchmesser D der Bodenplatte 39 des Sensorkopfes 27. Die Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 beträgt 65 mm² und ist im Vergleich zum Stand der Technik um ein Vielfaches größer. Der erste Leiterträger 11 und das auf der Stirnfläche 23 montierte Sensorelement 10 verdecken in der Aufsicht auf die Detektionsfläche 37 die unterhalb angeordneten Kontaktstifte 34.
Die Bereiche der Kontaktstifte 34 und der Glaskörper 14, die sich unterhalb des ersten Leiterträgers 11 befinden und dem Betrachter in der Aufsicht daher nicht zugänglich sind, sind zum besseren Verständnis in einem Teilbereich als Ausbruch X gezeigt. Der Ausbruch X zeigt die der Stirnfläche 23 zugewandten Enden der Kontaktstifte 34, von denen Bonddrähte 19 in Form einer Schlaufe zu Kontaktierstellen, die als Bondinseln ausgeführt sind, führen. Die Bondinseln befinden sich in Aussparungen 42 des zweiten Leiterträgers 12, deren Grund auf der der Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 zugewandten Seite liegt. Die Bonddrähte 19 sind mit den Kontaktstiften 34 und Kontaktierstellen 24 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktstifte 34 stellen die zum Betrieb des Sensorelements 10 benötigten Signal- und Steueranschlüsse 22 dar.
Die Kontaktierstellen für Verbindungskontakte 20, die insbesondere metallische Verbindungskontakte sein können, sind auf der der Stirnfläche 23 zugewandten Seite des zweiten Leiterträgers 12 angeordnet und über Verbindungskontakte 20 mit Kontaktierstellen für Verbindungskontakte 25 des ersten Leiterträgers 11, die auf der der Stirnfläche 23 abgewandten Seite angeordnet sind, elektrisch leitend verbunden.
Die Bodenplatte 39 weist die Bohrungen 40 auf, die die röhrenförmigen Glaskörper 14 mit den sich darin befindenden Kontaktstiften 34 aufnehmen. Der Durchmesser D des Sensorkopfes 27 beträgt 15,3 mm.
4a zeigt einen Sensorkopf 27 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei eine Seitenansicht 54 eines Sensorkopfes 27 sowie eine Schnittansicht 55 eines Schnittes R-R durch den Sensorkopf 27 gezeigt ist.
Der Aufbau des Sensorkopfes 27 entspricht prinzipiell dem in Zusammenhang mit 2b erläuterten Aufbau. Im Gegensatz zu dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 sowie die Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 keine ringförmige Flächen auf, sondern die Detektionsfläche 37 und die Strinfläche 23 sind durch Geraden und Kreislinienstücke begrenzt. Dadurch kann es insbesondere ermöglicht werden, dass mehrere Sensorköpfe in geringem Abstand flächig nebeneinander angeordnet werden können.
Der zweite Leiterträger 12, der über Verbindungskontakte 20, gezeigt in Detail A, mit dem ersten Leiterträger 11 elektrisch leitend verbunden ist, weist im Gegensatz zu dem in 2b gezeigten Ausführungbeispiel einen hervorstehenden seitlichen Vorsprung 44, der als umlaufender Steg ausgeführt sein kann und auf dessen der Stirnfläche 23 zugewandten Seite sich Kontaktierstellen 24 befinden.
Das Sensoelement 10, der erste Leiterträger 11, der zweite Leiterträger 12 und der thermoelektrischer Kühler 13 sind zur mechanischen Befestigung auf dem Sockel 38 montiert, der das Zentrum einer ringförmigen Lochscheibe 16 bildet. Der Sockel 38 weist zu Montagezwecken eine Gewindebohrung 21 und mindestens eine Entlüftungsbohrung 18 auf. Der Durchmesser D der Lochscheibe 16 ist gleich dem Durchmesser des ersten Leiterträgers 11 und des auf der Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 angeordneten Sensorelements 10.
Weiterhin sind analog zu dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel die Kontaktstifte 34 unterhalb des ersten Leiterträgers 11 angeordnet und werden von diesem vollständig verdeckt. Die Kontaktstifte 34 sind in zwei sich gegenüberliegenden Halbkreisen angeordnet, mit der Ausnahme von 2 Kontaktstiften 34, die der elektrischen Kontaktierung des thermoelektrischen Kühlers 13 dienen und die 90° versetzt zu den sich gegenüber liegenden Halbkreisen angeordnet sind, so dass sie einem Betrachter in der Aufsicht sichtbar sind.
Von den in der Aufsicht sichtbaren Enden der Kontaktstifte 34 führen Bonddrähte 19 in Form einer langen Schlaufe zu Kontaktierstellen 24, welche auf der der Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 zugewandten Seite des Vorsprungs 44 des zweiten Leiterträgers 12 angeordnet sind. Die Dicke des ersten Leiterträgers 11 ist in Bereichen oberhalb der Bonddrähte 19 um das Maß B reduziert.
Vorzugsweise weist das Sensorelements 10 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4a Abmessungen in lateraler Richtung auf, die kleiner oder gleich den lateralen Abmessungen des Grundkörpers 52 des Sensorkopfes 27 ist.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass es insbesondere von Vorteil ist, wenn das Sensorelements 10 Abmessungen in lateraler Richtung aufweist, die größer oder gleich der von den Kontaktstiften 34 aufgespannten Fläche sind.
In 4b ist das in 4a beschriebene Ausführungsbeispiel des Sensorkopfes 27 in einer Seitenansicht 54 und in einer Aufsicht 56 auf einen Schnitt AB-AB dargestellt, wobei für die bessere Veranschaulichung ein Schnitt durch die Mitte des Sensorkopfes 27 gelegt ist, in einer Weise, dass in der Aufsicht auf der linken Seite von der Mittelachse das Sensorelement 10 und der darunter liegende erste Leiterträger 11 nicht zu sehen sind, sondern der darunter liegende zweite Leiterträger 12. Die Beschreibung der Bauteile des Sensorkopfes 27 erfolgt von oben nach unten.
Das Sensorelement 10, der erste Leiterträger 11, der zweite Leiterträger 12 und der thermoelektrische Kühler 13 sind zur mechanischen Befestigung auf dem Sockel 38 montiert, der das Zentrum der ringförmigen Lochscheibe 16 bildet. Auf der von der Mittelachse des Sensorkopfes 27 aus gesehenen linken Seite der Darstellung sind der zweite Leitertäger 12, der thermoelektrische Kühler 13, die Bonddrähte 19, der Sockel 38 sowie die Lochscheibe 16, welche Bohrungen 40 aufweist, die die röhrenförmigen Glaskörper 14 mit den sich darin befindenden Kontaktstiften 34 aufnehmen, zu erkennen. In der von der Mittelachse des Sensorkopfes 27 aus gesehenen rechten Seite der Darstellung ist das Sensorelement 10 und der darunterliegende thermoelektrische Kühler 13 mit dem Anschluss 41, der mit einem Kontaktstift 34 elektrisch leitend verbunden ist, sichtbar.
Die auf der, von der Mittelachse des Sensorkopfes 27 aus gesehenen, linken Seite von der Mittelachse gezeigten Kontaktierstellen für Verbindungskontakte 25, welche sich auf der der Stirnfläche 23 zugewandten Seite auf dem zweiten Leiterträger 12 befinden, sind über mindestens je einen Verbindungskontakt 20 mit den Kontaktierstellen für Verbindungskontakte 25 auf der der Stirnfläche 23 abgewandten Seite auf dem ersten Leiterträger 11 elektrisch leitend verbunden.
Das auf der, von der Mittelachse des Sensorkopfes 27 aus gesehenen, rechten Seite von der Mittelachse gezeigte Sensorelement 10 und der, in dieser Ansicht verdeckte, erste Leiterträger 11 weisen gegenüber dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel zwei abgeflachte Seiten 43 auf, welche parallel zueinander verlaufen. Der Durchmesser D der Lochscheibe 16 ist gleich dem Durchmesser des, in dieser Ansicht verdeckten, ersten Leiterträgers 11 und des auf der Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 angeordneten Sensorelements 10.
Die Kontaktstifte 34 sind wiederum unterhalb des ersten Leiterträgers 11 angeordnet. Sie sind in 4b auf der, von der Mittelachse des Schnittes aus gesehenen, linken Seite zu erkennen. Die Kontaktstifte 34 sind in zwei sich gegenüberliegenden Halbkreisen angeordnet und werden vom ersten Leiterträger 11 vollständig verdeckt, mit Ausnahme von zwei Kontaktstiften 34, welche der elektrischen Kontaktierung des thermoelektrischen Kühlers 13 dienen. Diese sind nämlich 90° versetzt zu den sich gegenüber liegenden Halbkreisen angeordnet und daher dem Betrachter in der Aufsicht auf die Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 sichtbar. Von den in der Aufsicht sichtbaren Enden der Kontaktstifte 34 führen Bonddrähte 19 in Form einer langen Schlaufe zu Kontaktierstellen 24, welche auf der der Stirnfläche 23 zugewandten Seite des randseitigen Vorsprungs 44 des zweiten Leiterträgers 12 angeordnet sind.
5a zeigt den Sensorkopf 27 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei eine isometrische Ansicht C des Sensorkopfes 27, eine Seitenansicht 54 des Sensorkopfes 27 sowie eine Schnittansicht 55 eines Schnittes R-R durch den Sensorkopf 27 gezeigt ist.
Der Aufbau des Sensorkopfes 27 entspricht wiederum prinzipiell dem in Zusammenhang mit der 2b erläuterten Aufbau. Der erste Leiterträger 11 und das auf dessen Stirnfläche 23 montierte Sensorelement 10, sowie der zweite Leiterträger 12 weisen im Gegensatz zu dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel einen sechseckigen Umriss auf. Vorzugsweise weisen dabei alle sechs Seiten eine gleiche Länge auf. Der Leiterträger 11 und das auf der Stirnfläche 23 montierte Sensorelement 10 verdecken die darunter angeordneten Kontaktstifte 34. Die Kontaktstifte ragen in Löcher 45 des zweiten Leiterträgers 12 hinein, wobei die Löcher 45 in dem zweiten Leiterträger 12 konzentrisch zu den Kontaktstiften 34 angeordnet sind. Der erste Leiterträger 11 und der zweite Leiterträger 12 sind, wie in Detail A zu erkennen ist, über einen Verbindungskontakt 20, der vorzugsweise ein metallischer Verbindungskontakt ist, elektrisch leitend verbunden.
Das Sensorelement 10, der erste Leiterträger 11, der zweite Leiterträger 12 und der thermoelektrische Kühler 13 sind zur mechanischen Befestigung auf dem Sockel 38 montiert, der das Zentrum einer ringförmigen Lochscheibe 16 bildet. Die Bodenplatte 39 weist Bohrungen 40 auf, welche die röhrenförmigen Glaskörper 14 mit den sich darin befindenden Kontaktstiften 34 aufnehmen. Die Kontaktstifte 34 dienen der externen Kontaktierung des Sensorkopfes 27 und stellen die zum Betrieb des Sensorelements 10 benötigten Signal- und Steueranschlüsse 22 dar. Von den Enden der Kontaktstifte 34 führen Bonddrähte 19 in Form einer Schlaufe zu Kontaktierstellen 24, die sich in Aussparungen 42 des zweiten Leiterträgers 12 befinden, deren Grund auf der der Stirnfläche 23 zugewandten Seite liegt. Des Weiteren sind die Bonddrähte 19 mit den Kontaktstiften 34 und Kontaktierstellen 24 elektrisch leitend verbunden.
Das sechseckige Sensorelement 10 und der sechseckige erste Leiterträger 11 weisen eine Schlüsselweite SW auf, die den Abstand zweier gegenüberliegender paralleler Seiten des Sensorelements 10 beziehungsweise des ersten Leiterträgers 11 definieren. Die Schlüsselweite SW des sechseckigen Sensorelements 10 und des sechseckigen ersten Leiterträgers 11 vorteilhafterweise größer ist als der Durchmesser D der Lochscheibe 16 des Sensorkopfes 27. Die Detektionsfläche 37 des Sensorelements 10 weist einen Flächeninhalt von 115 mm² auf und ist damit im Vergleich zum Stand der Technik um ein Vielfaches größer. Die Schlüsselweite des Sensorelements 10 und des ersten Leiterträgers 11 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 13 mm. Alternativ sind auch kleinere oder größere Schlüsselweiten denkbar.
Vorteilhafterweise weist das Sensorelement 10 eine Schlüsselweite SW auf, die größer oder gleich dem Durchmessers des Grundkörpers 52 des Sensorkopfs 27 ist.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn das Sensorelement 10 einen Durchmesser aufweist, der kleiner oder gleich dem zweifachen Durchmessers des Grundkörpers 52 des Sensorkopfs 27 ist.
5b zeigt den Sensorkopfes 27 aus 5a in einer Seitenansicht 54 und in einer Aufsicht 56 auf einen Schnitt A-A, wobei für die bessere Veranschaulichung ein Schnitt durch die Mitte des Sensorkopfes 27 gelegt ist, in einer Weise, dass in der Aufsicht auf der linken Seite von der Mittelachse das Sensorelement 10 und der darunter liegende erste Leiterträger 11 nicht zu sehen sind, sondern der darunter liegende zweite Leiterträger 12.
Das Sensorelement 10, der erste Leiterträger 11, der zweite Leiterträger 12 und der thermoelektrischer Kühler 13 sind zur mechanischen Befestigung auf dem in der Aufsicht verdeckten Sockel 38 montiert, der das Zentrum der ringförmigen Lochscheibe 16 bildet. Auf der von der Mittelachse des Sensorkopfes 27 aus gesehenen linken Seite der Darstellung ist der zweite Leiterträger 12 mit den sich am Rand befindlichen Aussparungen 42, die Löcher 45 aufweisen, zu erkennen. Die Löcher 45 sind konzentrisch zu den Kontaktstiften 34 angeordnet. Des Weiteren sind der thermoelektrische Kühler 13, die Bonddrähte 19 sowie die Lochscheibe 16 zu erkennen. Die Lochscheibe 16 weist Bohrungen auf, die die röhrenförmigen Glaskörper 14 mit den sich darin befindenden Kontaktstiften 34 aufnehmen. Von den Enden der Kontaktstifte 34 führen Bonddrähte 19 in Form einer Schlaufe zu Kontaktierstellen 24, die sich in Aussparungen 42 des zweiten Leiterträgers 12 befinden, deren Grund auf der der Stirnfläche 23 zugewandten Seite liegt. Die Bonddrähte 19 sind mit den Kontaktstiften 34 und Kontaktierstellen 24 elektrisch leitend verbunden.
Auf dem zweiten Leiterträger 12 sind Kontaktierstellen für Verbindungskontakte 25 angeordnet, welche über mindestens je einen vorzugsweise metallischen Verbindungskontakt 20 mit den Kontaktierstellen für Verbindungskontakte 25 auf der der Stirnfläche 23 abgewandten Seite auf dem ersten Leiterträger 11 elektrisch leitend verbunden sind.
Die Schlüsselweite SW des sechseckigen Sensorelements 10 und des sechseckigen Leiterträgers 11 ist größer als der Durchmesser D der Lochscheibe 16 des Sensorkopfes 27.
6a zeigt eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit eines im Zusammenhang mit den 4a und 4b beschriebenen Sensorkopfes 27 für einen Röntgendetektor 26.
Es ist eine Apparatur zur Elektronenstrahlmikroanalyse gezeigt, die ein Transmissionselektronenmikroskops 51 mit Polschuhen 46 aufweist, wobei aus dem oberen Polschuh 46 ein Elektronenstrahl 30 austritt. Der Elektronenstrahl 30 regt eine in einem Probenhalter 32 gehaltene Probe 31 an. Die von der Probe 31 emittierte Röntgenstrahlung 17 wird von einem Röntgendetektor 26 detektiert. Im Vergleich zu Stand der Technik ist es durch die hier beschriebene Ausgestaltung des Röntgendetektors 26, insbesondere durch die oben beschriebenen Ausgestaltungen eines Sensorkopfes 27 möglich, den Röntgendetektor 26 näher zur Probe 31 hin zu positionieren.
6b zeigt in einer Seitenansicht 54 und in einer Aufsicht 56 eine Sensoranordnung mit einer Vielzahl von Sensorköpfen 27, wie sie im Zusammenhang mit den 5a und 5b beschrieben sind. Die Sensorköpfe 27 weisen jeweils ein Sensorelement 10 mit einem sechseckigen Umriss auf, wobei alle sechs Seiten gleich lang sind. Die Sensorköpfe 27 weisen jeweils einen ersten Leiterträger 11 und ein auf der Stirnfläche 23 des ersten Leiterträgers 11 montiertes Sensorelement 10 auf, wobei die Schlüsselweite SW des ersten Leiterträgers 11 und des Sensorelements 10 größer ist als der Durchmesser D der Lochscheibe 16. Diese geometrische Ausgestaltung eignet sich daher besonders gut zum Erstellen von Sensoranordnungen, sogenannter Arrays, wobei die einzelnen Sensorköpfe 27 flächig in einem Wabenmuster angeordnet werden. Die Sensorköpfe 27 weisen dabei zueinander vorzugsweise einen Abstand A auf, der bevorzugt weniger als 2 mm, in einer noch bevorzugten Variante weniger als 1 mm beträgt. Beispielsweise weisen die einzelnen Sensorelemente 10 jeweils zueinander einen Abstand von weniger als 2 mm beziehungsweise weniger als 1 mm auf. Weiterhin sind bevorzugt 7 Detektoren zu einem Array zusammengeschlossen.

Claims

Sensorkopf (27) für einen Röntgendetektor (26), aufweisend einen ersten Leiterträger (11) mit einer Stirnfläche (23), ein für Röntgenstrahlung (17) empfindliches Sensorelement (10), das auf der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) angeordnet ist, das elektrisch leitend mit Leitern des ersten Leiterträgers (11) verbunden ist und das eine Detektionsfläche (37) aufweist, Kontaktelemente (15), die über die Leiter des ersten Leiterträgers (11) elektrisch leitend mit dem Sensorelement (10) verbunden sind, Bonddrähte (19), wobei die Bonddrähte (19) den ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbinden, so dass das Sensorelement (10) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbunden ist, wobei die Bonddrähte (19) auf einer der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) abgewandten Seite zumindest teilweise unterhalb des ersten Leiterträgers (11) verlaufen, wobei in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) die Detektionsfläche (37) die Bonddrähte (19) zumindest teilweise überdeckt, wobei die Kontaktelemente (15) als Kontaktstifte (34) ausgebildet sind, und wobei die Kontaktstifte (34) in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) eine Fläche aufspannen, deren Inhalt kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche (37) ist.
Sensorkopf (27) nach Anspruch 1, wobei die Bonddrähte (19) direkt mit den Kontaktstiften (34) verbunden sind.
Sensorkopf (27) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche (37) zum Flächeninhalt der von den Kontaktstiften (34) aufgespannten Fläche in einem Bereich zwischen 1,2 und 1,35 liegt.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend einen Grundkörper (52), wobei die Kontaktstifte (34) mit dem Grundkörper (52) verbunden sind und vom Grundkörper (52) abragen, so dass zwischen den Kontaktstiften (34) und dem Grundkörper (52) ein Freiraum gebildet ist, wobei die Detektionsfläche (37) den Freiraum abdeckt.
Sensorkopf (27) nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis von Flächeninhalt der Detektionsfläche (37) zu der vom Grundkörper (52) definierten Fläche in einem Bereich zwischen 0,6 und 1,2 liegt.
Sensorkopf (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen zweiten Leiterträger (12), der auf der von der Stirnfläche (23) abgewandten Seite des ersten Leiterträgers (11) angeordnet ist und mit dem ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Leiterträger (12) eine Fläche definiert, deren Flächeninhalt kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche (37) ist.
Sensorkopf (27) nach Anspruch 6, wobei der zweite Leiterträger (12) in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) innerhalb einer von den Kontaktelementen (15) definierten Fläche, zum Beispiel innerhalb der von den Kontaktstiften (34) aufgespannten Fläche, angeordnet ist.
Sensorkopf (27) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zweite Leiterträger (12) eine Stirnfläche (53) aufweist, die kleiner als die von den Kontaktelementen (15) aufgespannte Fläche ist.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Bonddrähte (19) direkt mit dem zweiten Leiterträger (12) verbunden sind.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem der zweite Leiterträger (12) einen Vorsprung (44) aufweist, wobei der Vorsprung (44) auf einer dem ersten Leiterträger (11) zugewandten Seite Kontaktierstellen (24) aufweist, über die der zweite Leiterträger (12) mittels der Bonddrähte (19) mit den Kontaktelementen (15) elektrisch leitend verbunden ist.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem der zweite Leiterträger (12) Löcher (45) aufweist, wobei die Kontaktelemente (15) zumindest teilweise in die Löcher (45) hineinragen.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei der zweite Leiterträger (12) Teil eines thermoelektrischen Kühlers (13) ist.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei der zweite Leiterträger (12) mit dem ersten Leiterträger (11) über eine Mehrzahl von Verbindungskontakten (20), die zum Beispiel mittels Bonden, etwa mittels Thermokompressionsbonden oder Ultraschalltemperaturbonden, oder Verkleben, etwa mit Lot versetztem Epoxidharz oder Kleben mit nichtleitfähigen Klebern und Metallkontakten, hergestellt sein können, elektrisch leitend verbunden ist.
Sensorkopf (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) im Flächeninhalt und/oder in der Form der Detektionsfläche (37) entspricht.
Sensorkopf (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkopf (27) eine laterale Ausdehnung aufweist, die kleiner als 22 mm ist, und die Detektionsfläche (37) einen Flächeninhalt zwischen 190 mm² und 295 mm² aufweist.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Sensorkopf (27) eine laterale Ausdehnung aufweist, die kleiner als 18 mm ist, und die Detektionsfläche (37) einen Flächeninhalt zwischen 140 mm² und 210 mm² aufweist.
Sensorkopf (27) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Sensorkopf (27) eine laterale Ausdehnung aufweist, die kleiner als 16 mm ist, und die Detektionsfläche (37) einen Flächeninhalt zwischen 40 mm² und 95 mm² aufweist.
Sensorkopf (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektionsfläche (37) kreisförmig oder sechseckig ausgebildet ist oder die Detektionsfläche (37) durch Geraden und Kreislinienstücke begrenzt ist.
Sensorkopf (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) in Flip-Chip-Technik mit dem ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend verbunden ist.
Sensorkopf (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Leiterträger (11) und der zweite Leiterträger (12) in Flip-Chip-Technik elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Sensorkopf (27) für einen Röntgendetektor (26), aufweisend einen ersten Leiterträger (11) mit einer Stirnfläche (23), ein für Röntgenstrahlung (17) empfindliches Sensorelement (10), das auf der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) angeordnet ist, das elektrisch leitend mit Leitern des ersten Leiterträgers (11) verbunden ist und das eine Detektionsfläche (37) aufweist, Kontaktelemente (15), die über die Leiter des ersten Leiterträgers (11) elektrisch leitend mit dem Sensorelement (10) verbunden sind, Bonddrähte (19), wobei die Bonddrähte (19) den ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbinden, so dass das Sensorelement (10) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbunden ist, wobei die Bonddrähte (19) auf einer der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) abgewandten Seite zumindest teilweise unterhalb des ersten Leiterträgers (11) verlaufen, wobei in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) die Detektionsfläche (37) die Bonddrähte (19) zumindest teilweise überdeckt, wobei der Sensorkopf einen zweiten Leiterträger (12) aufweist, der auf der von der Stirnfläche (23) abgewandten Seite des ersten Leiterträgers (11) angeordnet ist und mit dem ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Leiterträger (12) eine Fläche definiert, deren Flächeninhalt kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche (37) ist, und wobei der zweite Leiterträger (12) in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) innerhalb einer von den Kontaktelementen (15) definierten Fläche angeordnet ist.
Sensorkopf (27) für einen Röntgendetektor (26), aufweisend einen ersten Leiterträger (11) mit einer Stirnfläche (23), ein für Röntgenstrahlung (17) empfindliches Sensorelement (10), das auf der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) angeordnet ist, das elektrisch leitend mit Leitern des ersten Leiterträgers (11) verbunden ist und das eine Detektionsfläche (37) aufweist, Kontaktelemente (15), die über die Leiter des ersten Leiterträgers (11) elektrisch leitend mit dem Sensorelement (10) verbunden sind, Bonddrähte (19), wobei die Bonddrähte (19) den ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbinden, so dass das Sensorelement (10) elektrisch leitend mit den Kontaktelementen (15) verbunden ist, wobei die Bonddrähte (19) auf einer der Stirnfläche (23) des ersten Leiterträgers (11) abgewandten Seite zumindest teilweise unterhalb des ersten Leiterträgers (11) verlaufen, wobei in Aufsicht auf die Detektionsfläche (37) die Detektionsfläche (37) die Bonddrähte (19) zumindest teilweise überdeckt, wobei der Sensorkopf einen zweiten Leiterträger (12) aufweist, der auf der von der Stirnfläche (23) abgewandten Seite des ersten Leiterträgers (11) angeordnet ist und mit dem ersten Leiterträger (11) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Leiterträger (12) eine Fläche definiert, deren Flächeninhalt kleiner als der Flächeninhalt der Detektionsfläche (37) ist, und wobei der zweite Leiterträger (12) eine Stirnfläche (53) aufweist, die kleiner als eine von den Kontaktelementen (15) aufgespannte Fläche ist.