DE102017110216A1

DE102017110216A1 - Optoelektronisches Sensormodul und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Sensormoduls

Info

Publication number: DE102017110216A1
Application number: DE102017110216.7A
Authority: DE
Inventors: Luca Haiberger
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: US11596333B2; WO2018206391A1; DE102017110216B4; US20200129104A1; CN110622308A; CN110622308B

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Sensormodul (1) einen ersten Halbleitersenderchip (21) zur Emission von Strahlung einer ersten Wellenlänge und einen zweiten Halbleitersenderchip (22) zur Emission von Strahlung einer zweiten Wellenlänge. Ein Halbleiterdetektorchip (3) ist zur Detektion der Strahlungen vorgesehen. Die Chips (21, 22, 3) befinden sich in einer gemeinsamen Ebene und sind durch einen für die Strahlungen undurchlässigen Vergusskörper (4) mechanisch miteinander verbunden, wobei sich der Vergusskörper (4) unmittelbar auf Seitenflächen der Chips (21, 22, 3) erstreckt. Ein Abstand zwischen den Chips (21, 22, 3) ist kleiner oder gleich dem doppelten einer mittleren Diagonalenlänge der Chips (21, 22, 3). Das Sensormodul (1) ist dazu eingerichtet, an einem zu untersuchenden Körperteil (7) anzuliegen.

Description

Es wird ein optoelektronisches Sensormodul angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensormoduls angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Sensormodul anzugeben, das wenig Platz benötigt.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Sensormodul und durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Sensormodul einen oder mehrere erste Halbleitersenderchips. Der mindestens eine erste Halbleitersenderchip ist zur Emission von Strahlung einer ersten Wellenlänge eingerichtet. Beispielsweise liegt die erste Wellenlänge im nahinfraroten Spektralbereich, etwa um 940 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Sensormodul einen oder mehrere zweite Halbleitersenderchips. Der mindestens eine zweite Halbleitersenderchip ist zur Emission von Strahlung einer zweiten Wellenlänge eingerichtet. Die zweite Wellenlänge ist von der ersten Wellenlänge verschieden. Insbesondere liegt die zweite Wellenlänge im roten Spektralbereich, beispielsweise um 660 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das Sensormodul einen oder mehrere dritte Halbleitersenderchips zur Emission von Strahlung einer dritten Wellenlänge, welche von der ersten und der zweiten Wellenlänge verschieden ist. Insbesondere ist der mindestens eine dritte Halbleitersenderchip zur Emission von grünem Licht gestaltet, etwa mit einer Wellenlänge maximaler Intensität um 535 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Sensormodul einen oder mehrere Halbleiterdetektorchips, insbesondere genau einen Halbleiterdetektorchip. Der zumindest eine Halbleiterdetektorchip ist zur Detektion der Strahlung der ersten, der zweiten und optional der dritten Wellenlänge eingerichtet. Der Halbleiterdetektorchip kann mehrere Bildpunkte oder Pixel aufweisen oder einkanalig sein. Es ist möglich, dass die Halbleitersenderchips und/oder der Halbleiterdetektorchip gepulst betrieben und/oder ausgelesen werden. Das heißt, die Strahlung der verschiedenen Wellenlängen kann mit einem Zeitmultiplexverfahren emittiert und detektiert werden, um die Verwendung eines einkanaligen Halbleiterdetektorchips zu ermöglichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Sensormodul einen Vergusskörper auf. Der Vergusskörper ist bevorzugt undurchlässig für die von den Halbleitersenderchips emittierte Strahlung. Der Vergusskörper kann reflektierend, insbesondere diffus reflektierend, oder absorbierend gestaltet sein. Der Vergusskörper ist insbesondere aus einem Kunststoff wie einem Epoxid oder einem Epoxidhybridmaterial, dem ein Färbemittel wie Ruß beigegeben sein kann. Somit kann der Vergusskörper schwarz oder auch weiß oder farbig erscheinen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt der Vergusskörper Seitenflächen der Halbleitersenderchips und des mindestens einen Halbleiterdetektorchips unmittelbar. Die Seitenflächen können vollständig oder überwiegend, also etwa zu mindestens 50 % oder 70 % oder 85 %, von dem Vergusskörper direkt bedeckt sein. Die Seitenflächen erstrecken sich quer, insbesondere senkrecht zu strahlungsemittierenden und strahlungsdetektierenden Hauptseiten der Halbleitersenderchips und des mindestens einen Halbleiterdetektorchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Halbleitersenderchips sowie der mindestens eine Halbleiterdetektorchip in einer gemeinsamen Ebene. Das heißt, die Halbleitersenderchips und der mindestens eine Halbleiterdetektorchip befinden sich in Draufsicht gesehen nebeneinander, bevorzugt überlappungsfrei.
Nachfolgend wird von den Halbleitersenderchips zusammen mit dem mindestens einen Halbleiterdetektorchip vereinfachend auch lediglich von Chips gesprochen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Chips durch den Vergusskörper mechanisch miteinander verbunden. Es ist möglich, dass der Verbund aus dem Vergusskörper und den Chips mechanisch selbsttragend ist und/oder die mechanisch stabilisierende Komponente des Sensormoduls darstellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Chips in dem Vergusskörper dicht nebeneinander angeordnet und weisen nur einen geringen Abstand zueinander auf. Dies wird durch die Integration der Chips in dem strahlungsundurchlässigen Vergusskörper ermöglicht. Insbesondere liegt ein Abstand zwischen den Chips bei höchstens dem doppelten einer mittleren Diagonalenlänge der Chips. Bevorzugt liegt der Abstand zwischen den Chips bei höchstens der mittleren Diagonalenlänge oder bei höchstens 75 % oder 50 % oder 25 % der mittleren Diagonalenlänge. Die mittlere Diagonalelänge wird über alle Chips hinweg bestimmt, insbesondere in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Sensormodul dazu eingerichtet, an einem zu untersuchenden Körperteil anzulegen. Dies bedeutet insbesondere, dass ein Abstand zwischen den Chips und dem zu untersuchenden Körperteil nur gering ist. Es ist möglich, dass ein Signalübertrag von den Halbleitersenderchips zu dem mindestens einen Halbleiterdetektorchip lediglich über das zu untersuchende Körperteil erfolgt. Auf einem optischen Pfad, der bestimmungsgemäß vorgesehen ist und von den Halbleitersenderchips zu dem zumindest einen Halbleiterdetektorchip reicht, liegt beispielsweise keine Freistrahlstrecke für die Strahlung der verschiedenen Wellenlängen. Die Strahlung verläuft dann vollständig oder weit überwiegend, beispielsweise zu einem Weganteil von mindestens 90 % oder 95 %, in kondensierter Materie und nicht in Gasen oder in einem evakuierten Bereich. Bei dem Körperteil handelt es sich beispielsweise um ein Handgelenk oder einen Finger. Insbesondere umfasst das Körperteil menschliche Haut, auf der das Sensormodul bevorzugt direkt aufliegt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Sensormodul einen ersten Halbleitersenderchip zur Emission von Strahlung einer ersten Wellenlänge und einen zweiten Halbleitersenderchip zur Emission von Strahlung einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist. Ein Halbleiterdetektorchip ist zur Detektion der Strahlung der ersten und der zweiten Wellenlänge vorgesehen. Die Chips, also die Halbleitersenderchips und der mindestens eine Halbleiterdetektorchip zusammen, befinden sich in einer gemeinsamen Ebene und sind durch einen für die Strahlung der ersten und zweiten Wellenlänge undurchlässigen Vergusskörper mechanisch miteinander verbunden, wobei sich der Vergusskörper unmittelbar auf Seitenflächen der Chips erstreckt. Ein Abstand zwischen den Chips ist kleiner oder gleich dem doppelten einer mittleren Diagonalenlänge der Chips. Das Sensormodul ist dazu eingerichtet, an einem zu untersuchenden Körperteil anzuliegen, insbesondere direkt anzuliegen.
Durch ein solches optoelektronisches Sensormodul ist ein miniaturisiertes Modul für die Bestimmung von Pulsfrequenz und Sauerstoffsättigung im Blut realisierbar. Ein solches Sensormodul wird auch als Monitor für biologische Funktionen oder kurz BioMon bezeichnet. Insbesondere durch die Verwendung des strahlungsundurchlässigen Vergusskörpers ist einerseits eine platzsparende Anordnung der Chips realisierbar, bei gleichzeitig keinem oder nur geringfügigem optischen Übersprechen zwischen den Chips.
Bei den Halbleitersenderchips handelt es sich bevorzugt um LEDs, die als Flip-Chips gestaltet sein können. Die Halbeitersenderchips werden mit dem als eigentlichen Sensor fungierenden Halbleiterdetektorchip, etwa eine Fotodiode, in einem bevorzugt lichtabsorbierenden Material eingegossen, auch als Molden bezeichnet.
Beim Molden werden Emissionsflächen, Detektionsflächen und Kontaktierungsflächen der Chips bevorzugt geschützt, etwa durch Folien in einem folienunterstütztem Spritzgießen oder Spritzpressen, auch als Foil assisted Molding bezeichnet.
Mit dem hier beschriebenen Sensormodul ist eine kompakte Anordnung erreichbar, auch ermöglicht durch die Integration von Optiken. Durch den strahlungsundurchlässigen Vergusskörper können die Chips eng nebeneinander platziert werden. Optisches Übersprechen durch lichtdurchlässige Kanäle, etwa durch Klebefugen, ist reduzierbar oder vermeidbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Sensormodul eine oder mehrere Optiken. Bevorzug sind mehrere Optiken vorhanden, die eindeutig jedem der Chips zugeordnet sind. Das heißt, es kann eine 1:1-Zuordnung zwischen den Optiken und den Chips bestehen. Bevorzugt berühren sich benachbarte Optiken nicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei mindestens einer der Optiken oder bei manchen der Optiken oder bei allen Optiken um ein Mehrfachlinsenfeld, auch als Multi Lens Array oder kurz MLA bezeichnet. Derartige Optiken sind platzsparender als etwa Fresnel-Linsen. Somit kann durch die Verwendung derartiger Optiken ein Platzbedarf des Sensormoduls weiter reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Seitenflächen der Optiken unmittelbar von einem für die jeweilige Strahlung undurchlässigen weiteren Vergusskörper bedeckt. Diese Seitenflächen sind vollständig oder überwiegend, insbesondere zu mindestens 60 % oder 75 % oder 90 %, von dem weiteren Vergusskörper direkt oder indirekt bedeckt. Die Seitenflächen sind insbesondere quer, speziell senkrecht, zu Strahlungseintrittsflächen und Strahlungsaustrittsflächen der Optiken ausgerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Optiken in den weiteren Vergusskörper mechanisch integriert. Die Optiken können in einer gemeinsamen Ebene liegen, die bevorzugt parallel zur Ebene der Chips ausgerichtet ist. Der weitere Vergusskörper kann auf dem gleichen Material basieren wie der Vergusskörper, in dem die Chips eingebracht sind, etwa aus einem Epoxid mit einem Farbstoff. Alternativ sind der Vergusskörper und der weitere Vergusskörper aus unterschiedlichen Materialien.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist mindestens eine der Optiken oder weisen alle Optiken eine optische Achse auf, die schräg zu dem zugehörigen Chip orientiert ist. In diesem Fall ist es möglich, dass eine Hauptstrahlachse oder optische Achse des zugehörigen Chips durch die zugeordnete Optik verändert wird. Insbesondere sind die optischen Achsen der Halbleitersenderchips der optischen Achse des Halbleiterdetektorchips zugeneigt, sodass sich die optischen Achsen der Chips schneiden oder zumindest annähern können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand zwischen den Chips und einer Lichtaustrittsfläche der jeweils zugeordneten Optik bei höchstens 150 % oder 100 % oder 50 % oder 25 % der mittleren Diagonalenlänge der Chips. Mit anderen Worten liegt die Lichtaustrittsfläche der Optiken und/oder des Sensormoduls nahe bei den Chips. Mit anderen Worten ist das Sensormodul dann flach gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die erste Wellenlänge bei 940 nm, die zweite Wellenlänge bei 660 nm und die dritte Wellenlänge bei 535 nm. Die genannten Wellenlängen beziehen sich auf eine Wellenlänge maximaler Intensität. Die angegebenen Werte gelten bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 15 nm oder 10 nm oder 5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Sensormodul zur Pulsoximetrie eingerichtet. Das heißt, mit dem Sensormodul kann sowohl eine Pulsmessung als auch eine Sauerstoffsättigung im Blut gemessen werden.
Es ist möglich, dass das Sensormodul neben den Chips eine Kontrolleinheit, eine Auswerteinheit und/oder eine Ansteuereinheit umfasst. Eine solche zusätzliche elektronische Einheit ist beispielsweise durch einen integrierten Schaltkreis wie einen anwenderspezifisch integrierten Schaltkreis, kurz ASIC, gebildet. Alternativ ist es möglich, dass eine solche Einheit zum Auslesen und/oder Ansteuern der Chips außerhalb des Sensormoduls liegt und dass das Sensormodul beispielsweise elektrisch an eine solche Einheit angebunden ist oder auf eine solche Einheit aufgebracht ist, etwa aufgelötet.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Sensormoduls angegeben. Mit dem Verfahren wird bevorzugt ein Sensormodul hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Sensormodul offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

- Bereitstellen der Chips,
- Umgießen der Chips, sodass der Vergusskörper gebildet wird, und
- Aufbringen der Optiken auf den Vergusskörper mit den Chips.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Optiken auf den Vergusskörper aufgeklebt. Dieses Aufkleben erfolgt bevorzugt, bevor der weitere Vergusskörper erzeugt wird. Dabei werden beim Erzeugen des weiteren Vergusskörpers die Seitenflächen der Optiken je bevorzugt unmittelbar und/oder vollständig von einem Material des weiteren Vergusskörpers bedeckt. Es ist möglich, dass der Kleber für die Optiken auf einen Bereich beschränkt ist, in dem die Optiken aufgebracht werden. Alternativ ist es möglich, dass der Kleber hierfür ganzflächig aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der weitere Vergusskörper bei dessen Erzeugung unmittelbar an eine Hauptseite des Vergusskörpers angeformt. Das heißt, zwischen dem Vergusskörper und dem weiteren Vergusskörper befindet sich bevorzugt kein zusätzliches Verbindungsmittel oder befindet sich ein zusätzliches Verbindungsmittel nur in kleinen Bereichen, sodass ein zusätzliches Verbindungsmittel nicht oder nicht wesentlich zur Haftung zwischen dem weiteren Vergusskörper und dem Vergusskörper beiträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der weitere Vergusskörper erzeugt, bevor die Optiken auf den Vergusskörper aufgebracht werden. Das heißt, die Optiken werden in den weiteren Vergusskörper in einem vorherigen Verfahrensschritt integriert und von dem weiteren Vergusskörper umgossen. Auch der weitere Vergusskörper kann mit einem folienunterstützten Spritzgießen oder Spritzpressen erstellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der fertige weitere Vergusskörper mit den darin fest integrierten Optiken auf dem Vergusskörper mit den Chips befestigt, etwa aufgeklebt, insbesondere ganzflächig aufgeklebt. In diesem Fall kann sich zwischen dem weiteren Vergusskörper und dem Vergusskörper ein Verbindungsmittel etwa in Form des Klebers befinden.
Der Kleber zum Anbringen der Optiken oder des weiteren Vergusskörpers auf den Vergusskörper ist bevorzugt strahlungsdurchlässig. Insbesondere kann die in den Halbleitersenderchips erzeugte Strahlung ungehindert oder nahezu ungehindert durch die Kleberschicht hindurch verlaufen. Dabei weist die Kleberschicht bevorzugt eine nur geringe Dicke auf, beispielsweise höchstens 5 µm oder 2 µm. Eine Dicke der Kleberschicht liegt alternativ oder zusätzlich bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % oder 2 % des Abstands oder mittleren Abstands zwischen den Chips.
Um eine optische Kopplung zwischen den Chips über die Kleberschicht zu vermeiden, kann die Kleberschicht eine vergleichsweise geringe Absorption für die von den Halbleitersenderchips erzeugte Strahlung aufweisen. Da die Dicke der Kleberschicht erheblich geringer ist als eine Längsausdehnung der Kleberschicht zwischen den Chips ist die Kleberschicht dann in Richtung senkrecht zur Lichtaustrittsseite durchlässig für die Strahlung und in Richtung quer zur Lichtaustrittsseite im Wesentlichen undurchlässig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Detektionsseite des Vergusskörpers einer Montageseite des Sensormoduls gegenüber. An der Detektionsseite können vor dem Anbringen oder auch nach dem Anbringen der Optiken elektrische Leiterbahnen erzeugt werden. Über die elektrischen Leiterbahnen sind die Chips elektrisch miteinander verbindbar, zumindest an der Detektionsseite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem Erzeugen der Leiterbahnen die Detektionsseite, insbesondere die gesamte Detektionsseite inklusive der Leiterbahnen, mit einer Zwischenschicht bedeckt. Die Zwischenschicht ist bevorzugt durchgehend und ununterbrochen gestaltet. Ferner ist die Zwischenschicht bevorzugt transparent und/oder strahlungsdurchlässig ausgeführt, sodass die Zwischenschicht durchlässig für die von den Halbleitersenderchips emittierten Strahlungen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die zuvor ganzflächig aufgebrachte Zwischenschicht strukturiert. Durch dieses Strukturieren werden die Leiterbahnen teilweise oder vollständig freigelegt. Die Zwischenschicht verbleibt nur in Teilgebieten auf der Detektionsseite des Vergusskörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Optiken auf die nach dem Strukturieren verbliebenen Bereiche der Zwischenschicht aufgebracht. Dieses Aufbringen kann mittels Kleben erfolgen. Alternativ dient die Zwischenschicht selbst als Klebeschicht.
Außerdem ist es möglich, dass die Zwischenschicht nicht ganzflächig aufgebracht und anschließend strukturiert wird, sondern bereits nur lokal gezielt aufgebracht wird, beispielsweise über einen Druckprozess.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem Anbringen der Optiken auf der Zwischenschicht der weitere Vergusskörper erzeugt. Der weitere Vergusskörper kann damit in direktem unmittelbarem Kontakt zu den Seitenflächen der Optiken, zu Seitenflächen der Zwischenschicht und/oder zu dem Vergusskörper, in dem die Chips integriert sind, stehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Vergusskörper mit den fest integrierten Chips auf einem Träger aufgebracht oder es wird der Vergusskörper an einem Träger erzeugt, an dem die Chips zuvor aufgebracht wurden. Bei dem Träger kann es sich um einen permanenten Träger des Sensormoduls handeln. Der Träger kann aus einem elektrisch isolierendem Basismaterial wie einem Glas oder einer Keramik oder einem Kunststoff sein. Ebenso ist es möglich, dass der Träger auf einem Halbleitermaterial basiert und beispielsweise eine Einheit zur Ansteuerung und/oder zum Auslesen der Chips bildet. Der Träger umfasst bevorzugt mehrere elektrische Durchkontaktierungen, die in oder an dem Basismaterial oder Halbleitermaterial erzeugt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich alle elektrischen Kontaktflächen des Sensormoduls an einer den Chips abgewandten Seite des Trägers. Das heißt, das Sensormodul ist ausschließlich über den Träger elektrisch und bevorzugt auch mechanisch anschließbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Sensormodul oberflächenmontierbar. Das heißt, das Sensormodul ist über Oberflächenmontagetechnologie, kurz Surface Mount Technology oder kurz SMT, montierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Leiterbahnen an der Detektionsseite elektrisch mit den Durchkontaktierungen und/oder mit elektrischen Kontaktflächen elektrisch verbunden. Die Durchkontaktierungen verlaufen bevorzugt vollständig durch den Träger und/oder den Vergusskörper und/oder den weiteren Vergusskörper hindurch, in Richtung quer oder senkrecht zur Detektionsseite. Das elektrische Verbinden der Leiterbahnen mit den Durchkontaktierungen erfolgt bevorzugt, bevor die Optiken aufgebracht werden.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Sensormodul und ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1, 2, 3, 12 und 13 je eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittdarstellung von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Sensormodulen,
4 bis 8 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von Optiken für hier beschriebene optoelektronische Sensormodule,
9 schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von Optiken für hier beschriebene optoelektronische Sensormodule,
10, 11 und 14 schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten für Herstellungsverfahren von hier beschriebenen optoelektronischen Sensormodulen, und
15 schematische Darstellungen zum Funktionsprinzip von hier beschriebenen optoelektronischen Sensormodulen.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Sensormoduls 1 gezeigt, siehe die Draufsicht in 1A sowie die Schnittdarstellung in 1B.
Das Sensormodul 1 umfasst einen ersten Halbleitersenderchip 21 sowie einen zweiten Halbleitersenderchip 22. Die beiden Halbleitersenderchips 21, 22 sind zur Erzeugung von Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen eingerichtet. Ferner ist ein Halbleiterdetektorchip 3 zur Detektion der von den Halbleitersenderchips 21, 22 ausgesandten, an oder in einem in 1 nicht gezeichneten Objekt reflektierten Strahlung vorhanden.
Die Chips 21, 22, 3 sind mechanisch fest in einem für die jeweilige Strahlung undurchlässigen Vergusskörper 4 in einer gemeinsamen Ebene eingebracht. Der Vergusskörper 4 ist beispielsweise aus einem schwarzen Epoxid. Hauptflächen der Chips 21, 22, 3 zur Emission und zur Detektion der Strahlungen liegen an einer gemeinsamen Detektionsseite 40. Damit ist die Detektionsseite 40 durch den Vergusskörper 4 gemeinsam mit den Chips 21, 22, 3 gebildet.
Bei den Chips, 21, 22, 3 handelt es sich je um Flip-Chips, sodass elektrische Kontaktflächen 13 zur elektrischen Kontaktierung des Sensormoduls 1 an einer Montageseite 14, die der Detektionsseite 40 gegenüberliegt, lokalisiert sind. Bei dem Halbleiterdetektorchip 3 handelt es sich zum Beispiel um eine einkanalige Fotodiode, die Halbleitersenderchips 21, 22 sind durch LED-Chips gebildet.
Das Sensormodul 1, wie in Verbindung mit 2 illustriert, weist zusätzlich mehrere Optiken 5 auf. Die Optiken 5 sind bevorzugt je als Mehrfachlinsenfeld gestaltet. Jedem der Chips 21, 22, 3 ist genau eine der Optiken 5 zugeordnet. Die Optiken 5 sind in einem weiteren, für die Strahlungen sundurchlässigen Vergusskörper 6 fest integriert.
Der weitere Vergusskörper 6 weist eine dem Vergusskörper 4 abgewandte Lichtaustrittsfläche 60 auf, in der auch die den Chips 21, 22, 3 abgewandten Flächen der Optiken 5 liegen oder näherungsweise liegen. Seitenflächen der Optiken 5 sind, ebenso wie Seitenflächen der Chips 21, 22, 3 vollständig von dem weiteren Vergusskörper 6 und dem Vergusskörper 4 bedeckt.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Optiken 5 an ihren Seitenflächen ringsum von einem Reflektorkörper 15 an allen Seitenflächen umgeben sind. Bei dem Reflektorkörper 15 handelt es sich beispielsweise um einen reflektierenden Verguss, etwa um ein Epoxid, dem reflektierende Partikel etwa aus Titandioxid beigegeben sind. Abweichend von der Darstellung in 2 kann ein solcher Reflektorkörper 15 auch an der Optik 5 des Halbleiterdetektorchips 3 vorhanden sein. Weiterhin ist es möglich, dass solche Reflektorkörper 15 an den Seitenflächen der Halbleitersenderchips 21, 22 angebracht sind. Entsprechendes kann für alle anderen Ausführungsbeispiele gelten.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der 2 dem der 1.
In 3 ist gezeigt, dass drei Halbleitersenderchips 21, 22, 23 zur Emission von Strahlungen unterschiedlicher Wellenlängen vorhanden sind. Die Halbleitersenderchips 21, 22, 23 sind in einem Dreieck angeordnet. Abweichend hiervon ist auch eine lineare Anordnung der Halbleitersenderchips 21, 22, 23 möglich.
Die Optiken 5 können ausmittig auf den Chips 21, 22, 23, 3 angebracht sein. Damit können durch die Optiken 5 die Hauptemissionsrichtungen und Hauptempfangsrichtungen der Chips 21, 22, 23, 3 eingestellt werden. Abweichend von 3 können solche Änderungen der Hauptemissionsrichtungen und Hauptempfangsrichtungen auch durch Optiken 5 erfolgen, die wie in Verbindung mit 2 illustriert deckungsgleich oder näherungsweise deckungsgleich auf den Chips 21, 22, 23, 3 angeordnet sind.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Kontaktflächen 13 nicht über den Vergusskörper 4 überstehen, sondern bündig mit der Montageseite 14 abschließen.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Optik 5 dargestellt, wie in allen Ausführungsbeispielen des Sensormoduls 1 verwendbar. Die Optik 5 weist ein Eintrittsfenster 52 auf, das mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein kann oder eine solche ist. Dem Eintrittsfenster 52 folgt eine optionale Basisschicht 53 nach, auf der sich ein Linsenfeld 54 befindet. Die Basisschicht 53 und das Linsenfeld 54 können voneinander verschiedene Brechungsindizes aufweisen.
Optional ist zur mechanischen Stabilisierung und zur Vermeidung von Streustrahlung oder optischen Übersprechen ein Rahmen 51 vorhanden, der bevorzugt undurchlässig für die beteiligten Strahlungen ist. Ferner ist bevorzugt eine Schutzschicht 55 vorhanden, die sich insbesondere über die Lichtaustrittsfläche 60 erstreckt. Um ein Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen Verschmutzungen zu unterbinden, kann sich die Schutzschicht 55 auf Seitenflächen der Basisschicht 53 sowie des Linsenfeldes 54 erstrecken und/oder bis zum Eintrittsfenster 52 reichen. Auch die Schutzschicht 55 kann als Antireflexschicht gestaltet sein.
In 5 ist das Linsenfeld 54 einer beispielhaften Optik 5 näher illustriert. Das Linsenfeld 54 kann etwa in der Optik 5 der 4 verwendet werden.
Das Linsenfeld 54 ist aus einer Vielzahl von Linsenelementen 56 zusammengesetzt. Anders als gemäß 4 sind die Linsenelemente 56 der 5 asymmetrisch geformt, sodass eine optische Achse schräg orientiert ist. Ein Bereich maximaler Dicke der Linsenelemente 56 ist somit ausmittig angeordnet, bezogen auf das jeweilige Linsenelement 56.
Demgegenüber sind gemäß 6 die Linsenelemente 56 durch symmetrische Prismen gebildet. In 7 ist illustriert, dass die Linsenelemente 56 im Querschnitt gesehen auch durch asymmetrische Prismen gebildet sein können.
Gemäß 8A sind die Linsenelemente 56 durch Pyramidenstümpfe oder durch Kegelstümpfe realisiert. In 8B ist illustriert, dass als Linsenelemente 56 auch die Ringe oder Streifen etwa einer Fresnel-Linse verwendet werden können.
In 9 sind schematische Draufsichten gezeigt. Jede der Draufsichten kann auf Linsenfelder 54 sowie Linsenelemente 56 zurückgreifen, wie in Verbindung mit den 4 bis 8 dargestellt.
Gemäß 9A sind die runden Linsenelemente 56 regelmäßig in einem rechteckigen Muster angeordnet. Anstelle eines rechteckigen kann auch ein hexagonales Anordnungsmuster verwendet werden. Die Linsenelemente 56 füllen das Linsenfeld 54 im Wesentlichen vollständig aus. Das Linsenfeld 54 weist in Draufsicht gesehen einen quadratischen oder rechteckigen Grundriss auf.
Gemäß 9B sind die Linsenelemente 56 in Draufsicht gesehen quadratisch oder rechteckig gestaltet. Das Linsenfeld 54 insgesamt ist kreisförmig gestaltet, in Draufsicht gesehen. Die Optik 5 an sich kann einen quadratischen oder rechteckigen Grundriss aufweisen oder auch abweichend von der Zeichnung deckungsgleich mit dem Linsenfeld 54 gestaltet sein.
Gemäß 9C sind die Linsenelemente 56 kreisringförmig gestaltet, beispielsweise für eine Fresnel-Linse.
In 10 ist ein Herstellungsverfahren für das Sensormodul 1 illustriert. Gemäß 10A werden die Chips 21, 22, 23, 3 bereitgestellt. Dabei können alle elektrischen Kontaktflächen 13 in dieselbe Richtung weisen.
In 10B ist illustriert, dass der Vergusskörper 4 erzeugt wird. Die elektrischen Kontaktflächen 13 werden beim Erzeugen des Vergusskörpers 4 bevorzugt durch eine nicht gezeichnete Folie geschützt und können den Vergusskörper 4 überragen.
Im Verfahrensschritt gemäß 10C werden über lokal aufgebrachte Klebeschichten 8 die Optiken 5 auf den Chips 21, 22, 23, 3 befestigt.
Anschließend wird, siehe 10D, der weiterer Vergusskörper 6 direkt an den Optiken 5 sowie direkt an dem Vergusskörper 4 erzeugt.
In den 11A und 11B sind zu den 10C und 10D alternative Verfahrensschritte veranschaulicht. Gemäß 11A wird der weitere Vergusskörper 6 um die Optiken 5 herum geformt, bevor die Optiken 5 an den Chips 21, 22, 23, 3 angebracht werden. Der fertige weitere Vergusskörper 6 mit den Optiken 5 wird dann beispielsweise über eine Kleberschicht 8 auf den Vergusskörper 4 mit den Chips 21, 22, 23, 3 angebracht.
Beim Ausführungsbeispiel der 12 sind an der Detektionsseite 40 des Vergusskörpers 4 mehrere Leiterbahnen 11 zur elektrischen Kontaktierung der Chips 21, 22, 3 vorhanden. Die Leiterbahnen 11 sind an Durchkontaktierungen 12 angebracht. Die Durchkontaktierungen 12 befinden sich seitlich neben den Chips 21, 22, 3, bevorzugt an einem Randbereich des Vergusskörpers 4, so dass ein Bereich zwischen den Chips 21, 22, 3 frei von den Durchkontaktierungen 12 ist.
Optional sind an der Detektionsseite 40 elektrische Isolierungen 16 vorhanden, die sich über eine Grenze zwischen den Seitenflächen der Chips 21, 22, 3 und dem Vergusskörper 4 hinweg erstrecken. Durch solche Isolierungen 16 ist verhinderbar, dass ein Material der Leiterbahnen 11 an die Seitenflächen der Chips 21, 22, 3 gelangt. Die Chips 21, 22, 3 sind dabei nicht als Flip-Chips gestaltet, sodass eine elektrische Kontaktierung an einander gegenüberliegenden Hauptseiten der Chips 21, 22, 3 erfolgt.
Der Vergusskörper 4 ist an einem optionalen Träger 10 angebracht. Die Durchkontaktierungen 12 durchdringen sowohl den Vergusskörper 4 als auch den Träger 10. Ist der Träger 10 vorhanden, so wird die Montageseite 14 durch den Träger gebildet und die Kontaktflächen 13 befinden sich an dem Träger 10. Wird der Träger 10 weggelassen, so sind die Kontaktflächen 13 an den Chips 21, 22, 3 sowie an dem Vergusskörper 4 im Bereich der Durchkontaktierungen 12 gebildet.
Beim Ausführungsbeispiel der 13 sind zusätzlich die Optiken 5 vorhanden. Dabei befindet sich zwischen den Optiken 5 und den Chips 21, 22, 3 jeweils eine transparente Zwischenschicht 9, die in Richtung weg von dem Träger 10 die Leiterbahnen 11 überragen kann.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zur 12 auch zur 13. Weiterhin können mehr Halbleitersenderchips 21, 22, 23 vorhanden sein als gezeichnet und die Optiken 5 können ausmittig aufgebracht sein, vergleiche 3.
In 14 ist ein Herstellungsverfahren insbesondere für das Sensormodul 1 der 13 illustriert. Gemäß 14A werden die Chips 21, 22, 3 auf den Träger 10 aufgebracht. Anschließend wird der Vergusskörper 4 erzeugt. Daraufhin werden die optionalen Isolierungen 16 angebracht und die Leiterbahnen 11 erzeugt. Schließlich wird durchgehend die transparente Zwischenschicht 9 gebildet.
Daraufhin wird, siehe 14B, die Zwischenschicht 9 zum Teil entfernt und damit strukturiert, sodass die Zwischenschicht 9 im Wesentlichen lediglich noch über den Chips 21, 22, 3 verbleibt.
Nachfolgend, siehe 14C, werden die Optiken 5 aufgebracht. Dabei kann eine Kleberschicht 8 zum Einsatz kommen oder die Optiken 5 haften direkt auf der Zwischenschicht 9.
Schließlich wird, siehe 14D, der weitere Vergusskörper 6 erzeugt.
Optional kann der Träger 10 in einem nicht gezeichneten, weiteren Verfahrensschritt entfernt werden, oder der Träger 10 verbleibt in den fertigen Sensormodulen 1.
In 15 ist das Funktionsprinzip des Sensormoduls 1 in der Anwendung als Pulsoximeter erläutert. Das Sensormodul 1 befindet sich direkt an einem Körperteil 7, beispielsweise einem Handgelenk oder einem Finger. Aus den Halbleitersenderchips 21, 22, 23 werden Strahlungen unterschiedlicher Wellenlängen in das Körperteil 7 eingestrahlt, dort reflektiert und über den Halbleiterdetektorchip 3 detektiert. Die Lenkung der verschiedenen Strahlungen in die je gewünschte Richtung erfolgt über die Optiken 5. Dabei emittiert der erste Halbleitersenderchip 21 bevorzugt bei 940 nm, der zweite Halbleitersenderchip 22 bei 660 nm und der dritte Halbleitersenderchip 23 bei 535 nm.
Wie in 15B veranschaulicht, wird der Verlauf eines Fotostroms I gegenüber der Zeit t der drei verschiedenen Strahlungen gemessen. Aus dem Signal, stammend vom dritten Halbleitersenderchip 23, wird insbesondere die Pulsfrequenz ermittelt. Aus den Signalen der Strahlungen der ersten und zweiten Wellenlänge der ersten und zweiten Halbleitersenderchips 21, 22 wird die Sauerstoffsättigung ermittelt.
Das Messprinzip des Sensormoduls 1 anhand der drei verschiedenen Wellenlängen ist beispielsweise auch in der Druckschrift Health Monitoring and Fitness Tracking von OSRAM Opto Semiconductors aus dem Jahr 2016 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug aufgenommen.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Sensormodul
21: erster Halbleitersenderchip
22: zweiter Halbleitersenderchip
23: dritter Halbleitersenderchip
3: Halbleiterdetektorchip
4: Vergusskörper
40: Detektionsseite
5: Optik
6: weiterer Vergusskörper
60: Lichtaustrittsfläche
7: Körperteil
8: Kleberschicht
9: transparente Zwischenschicht
10: Träger
11: Leiterbahn
12: Durchkontaktierung
13: elektrische Kontaktfläche
14: Montageseite
15: Reflektorkörper
16: elektrische Isolierung
51: Rahmen
52: Eintrittsfenster
53: Basisschicht
54: Linsenfeld
55: Schutzschicht
56: Linsenelement
I: Fotostrom in willkürlichen Einheiten (a.u.)
t: Zeit in s

Claims

Optoelektronisches Sensormodul (1) mit - einem ersten Halbleitersenderchip (21) zur Emission von Strahlung einer ersten Wellenlänge, - einem zweiten Halbleitersenderchip (22) zur Emission von Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist, - einem Halbleiterdetektorchip (3) zur Detektion der Strahlung der ersten und der zweiten Wellenlänge, und - einem für die Strahlung der ersten und der zweiten Wellenlänge undurchlässigen Vergusskörper (4), der Seitenflächen der Chips (21, 22, 23, 3) unmittelbar bedeckt und der die sich in einer gemeinsamen Ebene befindlichen Chips (21, 22, 23, 3) mechanisch miteinander verbindet, wobei - ein Abstand zwischen den Chips (21, 22, 23, 3) kleiner oder gleich dem Doppelten einer mittleren Diagonalenlänge der Chips (21, 22, 23, 3) ist, und - das Sensormodul (1) dazu eingerichtet ist, an einem zu untersuchenden Körperteil (7) anzuliegen.
Optoelektronisches Sensormodul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend mehrere Optiken (5), wobei jede der Optiken (5) eineindeutig einem der Chips (21, 22, 23, 3) zugeordnet ist, und wobei mindestens eine der Optiken (5) durch ein Mehrfachlinsenfeld gebildet ist.
Optoelektronisches Sensormodul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem Seitenflächen der Optiken (5) je unmittelbar von einem für die Strahlungen undurchlässigen weiteren Vergusskörper (6) bedeckt sind, wobei mindestens eine der Optiken (5) eine optische Achse aufweist, die schräg zu dem zugehörigen Chip (21, 22, 23, 3) orientiert ist, und wobei ein Abstand zwischen den Chips (21, 22, 23, 3) und einer Lichtaustrittsfläche (60) der je zugeordneten Optik (5) höchstens 50 % der mittleren Diagonalenlänge der Chips (21, 22, 23, 3) ist.
Optoelektronisches Sensormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen dritten Halbleitersenderchip (23) zur Emission von Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die von der ersten und der zweiten Wellenlänge verschieden ist, wobei der Halbleiterdetektorchip (3) auch zur Detektion der Strahlung der dritten Wellenlänge eingerichtet ist und der Vergusskörper (4) für die Strahlung der dritten Wellenlänge undurchlässig ist, und wobei der Abstand zwischen den Chips (21, 22, 23, 3) kleiner oder gleich der Hälfte der mittleren Diagonalenlänge der Chips (21, 22, 23, 3) ist.
Optoelektronisches Sensormodul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die erste Wellenlänge bei 940 nm liegt und die zweite Wellenlänge bei 660 nm und die dritte Wellenlänge bei 535 nm, je mit einer Toleranz von höchstens 10 nm, wobei das Sensormodul (1) zur Pulsoximetrie eingerichtet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Sensormoduls (1) nach zumindest Anspruch 2 mit den Schritten: - Bereitstellen der Chips (21, 22, 23, 3), - Umgießen der Chips (21, 22, 23, 3), sodass der Vergusskörper (4) gebildet wird, und - Aufbringen der Optiken (5) auf den Vergusskörper (4) mit den Chips (21, 22, 23, 3).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Optiken (5) auf den Vergusskörper (4) aufgeklebt werden, bevor der weitere Vergusskörper (6) erzeugt wird, wobei beim Erzeugen des weiteren Vergusskörpers (6) die Seitenflächen der Optiken (5) je unmittelbar und vollständig von einem Material des weiteren Vergusskörpers (6) bedeckt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der weitere Vergusskörper (6) bei dessen Erzeugung unmittelbar an eine Hauptseite des Vergusskörpers (4) angeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der weitere Vergusskörper (6) erzeugt wird, bevor die Optiken (5) auf den Vergusskörper (4) aufgebracht werden, sodass die Seitenflächen der Optiken (5) je unmittelbar und vollständig von einem Material des weiteren Vergusskörpers (6) bedeckt werden, wobei der fertige weitere Vergusskörper (6) mit den fest integrierten Optiken (5) auf den Vergusskörper (4) mit den Chips (21, 22, 23, 3) ganzflächig aufgeklebt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem an einer Detektionsseite (40) des Vergusskörpers (4), die einer Montageseite (14) des Sensormoduls (1) gegenüberliegt, vor dem Aufbringen der Optiken (5) elektrische Leiterbahnen (11) erzeugt werden, wobei nach dem Erzeugen der Leiterbahnen (11) die gesamte Detektionsseite (40) inklusive der Leiterbahnen (11) mit einer durchgehenden transparenten Zwischenschicht (9) bedeckt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die zuvor ganzflächig aufgebrachte Zwischenschicht (9) strukturiert wird, sodass die Leiterbahnen (11) wieder teilweise oder vollständig freigelegt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Optiken (5) auf die nach dem Strukturieren verbliebenen Bereiche der Zwischenschicht (9) aufgebracht werden und nachfolgend der weitere Vergusskörper (6) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem der Vergusskörper (4) mit den fest integrierten Chips (21, 22, 23, 3) einen Träger (10) aufgebracht wird, wobei sich an einer den Chips (21, 22, 23, 3) abgewandten Seite des Trägers (10) alle elektrischen Kontaktflächen (13) des Sensormoduls (1) befinden, und wobei das Sensormodul (1) oberflächenmontierbar ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch und nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Leiterbahnen (11) elektrisch mit Durchkontaktierungen (12), die den Vergusskörper (4) und den Träger (10) in Richtung senkrecht zur Detektionsseite (40) vollständig durchlaufen, elektrisch verbunden werden, bevor die Optiken (5) aufgebracht werden.