DE69212397T2

DE69212397T2 - Infrarotdetektor mit einer Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE69212397T2
Application number: DE69212397T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Ohno; Yousuke Sugiura; Akifumi Wada; Masatoshi Yasunaga
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1992-04-10
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-04-11
Also published as: EP0518026B1; US5296710A; JPH04364778A; EP0518026A1; JP3075777B2; DE69212397D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Infrarot-Strahlungsbilddetektor zur Erfassung von Infrarot-Strahlung, die als Bilddaten ausgestrahlt werden und im speziellen auf Verbesserungen des Aufbaus eines kryogenen Behälters mit einem darin angeordneten Sensorelement.
Ein Sensorelement zur Erfassung von Infrarot-Strahlung, das auf der Schottky-Diodenwirkung eines Siliciumhalbleiters beruht, ist schwierig bei Raumtemperatur einzusetzen und sollte daher bei kryogenen Temperaturen betrieben werden, d.h. bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff von ungefähr 80 K, um äußere Temperaturschwankungen zu unterbinden. Daher wird das Sensorelement in einem Behälter angeordnet, der die Kühlung des Sensorelements bei kryogenen Temperaturen gestattet und ein eingebautes Fenster zum Durch gang der Infrarot-Strahlung besitzt.
Fig. 3 zeigt einen Aufbau eines Infrarot-Strahlungsdetektors, wie er beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift (kokai) No. 2-214,158 offenbart wurde. Der Infrarot-Strahlungsdetektor beinhaltet einen kryogenen Behälter, der aus einem äußeren Zylinder 3 und einen luftdicht eingefügten Fensterteil 2 besteht, durch das die Infrarot-Strahlung 1 hindurchtritt und einen inneren Zylinder 4, der umschließend mit dem äußeren Zylinder 3 unter Vakuum verbunden ist, und in dem abgedichteten Inneren einen Raum 13 bildet. An dem oberen Ende 4a des inneren Zylinders 4 des kryogenen Behälters ist das Sensorelement 10 angebracht zur Erfassung der Infrarot- Strahlung ausgehend von einem Halbleiter, mittels eines Unterkonstruktionsteils 11 bestehend aus einem rahmenförmigen Aufnahmeteil und einer Unterplatte. Am Oberteil des Konstruktionsteils 11 ist eine umgebende Wand 12 angebracht, um Streulicht der eintretenden Infrarot-Strahlung 1 als sogenannter Kälte-Schild abzuhalten. Ein elektrisches Signal des Sensorelements 10 wird gewöhnlich durch den kryogenen Behälter mit Hilfe eines Anschlusses einer hermetischen Glasdichtung 6 in dem äußeren zylindrischen Teil nach außen geführt, mit Hilfe eines inneren Drahtes 8 entlang der Seitenwand des inneren Zylinders 4 über einen Anschluß des Unterkonstruktionsteils 11.
Die Wirkungsweise des Infrarot-Strahlungsdetektors wird nun mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, tritt die Infrarot-Strahlung 1 durch das Infrarot-Strahlungsdurchführungsfenster 2 in den kryogenen Behälter ein und läßt ein Bild auf der rückwärtigen Oberfläche des Sensorelementes 10 entstehen, wobei elektrische Ladungsträger entsprechend der Stärke der Infrarot-Strahlen erzeugt werden. Die elektrische Ladung wird durch einen (nicht gezeigten) in dem gleichen Element integrierten elektrischen Ladungs-Übermittlungs-Abschnitt ausgelesen und als Bilddaten durch nicht dargestellte Leitungsverbindungen im Konstruktionsteil und Leitungen im Inneren des kryogenen Behälters und einem äußeren Anschluß 5 einem entsprechenden Signalverarbeitungsschaltkreis (nicht gezeigt) zugeführt. Während des Betriebs des Detektors wird dieser in eine Kühlvorrichtung, vom Joule-Thompson-Typ oder beispielsweise vom Typ eines geschlossenen Kreislaufs in den Raum 14 des kryogenen Behälters eingebracht und das Sensorelement 10 auf das Niveau von 80 K durch den oberen Endteil 4a des inneren Zylinders 4 des kryogenen Behälters herabgekühlt.
Nach Aufbau und Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Infrarot-Strahlungsdetektors wird das Bildsignal des Sensorelements zur Erfassung infraroter Strahlen als Bilddaten verarbeitet durch einen Signalverarbeitungs- schaltkreis, der außerhalb des kryogenen Behälters angeordnet ist. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die Länge der Leitungen innerhalb des kryogenen Behälters möglichst kurz ausgeführt werden, um eine Verzerrung der Wellenfronten der erfaßten Signale zu vermeiden. Um die Zahl der Matrix-Pixel des Sensorelements zur Verbesserung der Auflösung der Bilddaten zu erhöhen, ist es notwendig, die Anzahl der Leitungen zur Erfassung der Signale zu erhöhen, und die Leitungsdichte an der Wandoberfläche des inneren Zylinders sowie die Zahl der äußeren Anschlußstellen mit hermetischer Abdichtung am äußeren Zylinder des kryogenen Behälters wird ebenfalls erhöht.
Im Aufbau eines konventionellen kryogenen Behälters der Fig. 3 ist die Leitungslänge notwendigerweise zu vergrößern, da die innere Leitung 8 entlang der Wandoberfläche des inneren Zylinders 4 zum Anschluß 5 unterhalb des äußeren Zylinders verbunden ist. Die inneren Durchmesser des Innenzylinders 4 und des Außenzylinders 3 des kryogenen Behälters sind durch ein Interface mit anderen Teilen für den Infrarot-Strahlungs-detektor vorbestimmt, und so die innere Leitungsdichte und die Zahl der äußeren Anschlüsse nur begrenzt erhöht werden können.
Zusammengefaßt weist der konventionelle Infrarot- Strahlungs-detektor Nachteile auf in der begrenzten Verlängerung der inneren Leitungen des kryogenen Behälters, in der Erhöhung der inneren Leitungsdichte und in der Erhöhung der Zahl äußerer Anschlüsse.
EP-A-0 364 347 offenbart eine kryostatische Vorrichtung für einen Strahlungsdetektor mit einer elektrisch isolierten Scheibe, die am Ende eines Kühlfingers über eine adhäsive Schicht befestigt ist. Die Scheibe erstreckt sich gleichförmig radial nach außen gerichtet vom Ende des Kühlfingers aus, so daß der Umfangsteil der Scheibe über das Gehäuse übersteht. Im Zentrum der Scheibe ist ein Array von Infrarot- Detektoren angebracht. Die elektrisch isolierende Scheibe trägt eine Mehrzahl von elektrischen Leitern und elektronischer Komponenten, die durch Drahtverbindungen miteinander verbunden sind.
Ein Problem dieser kryostatischen Vorrichtung ist, daß eine Zone sehr niedriger Temperatur am Ende des Kühlfingers thermisch mit einer Zone der normalen Außentemperatur des Behälters durch die Scheibe thermisch verbunden ist. Um den Wärmetransport zwischen diesen beiden Zonen gering zu halten, wird die Scheibe aus einem Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt und eine Mehrzahl von Schlitzen in der Scheibe angebracht, um den Wärmewiderstand für den Wärmetransport zu erhöhen.
Dieses Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist jedoch nicht geeignet, für die Scheibe die am Ende des Kühlfingers angebracht ist, da dieses Material den Wärmeübergang nicht nur vom Umfangsteil der Scheibe verhindert, sondern auch von einer in den Kühlfinger eingebrachten Kühlvorrichtung.
Weiterhin muß die Vielzahl der elektrischen Leiter gewunden angeordnet werden, um sie nicht über die Schlitze führen zu müssen. Die notwendige Konsequenz dieser Leiteranordnung ist, daß die Leiter lang ausgeführt sind und der erhöhte elek- trische Leitungswiderstand die Signalübermittlung verzögert.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel und die Aufgabe, die den konventionellen Infrarot-Strahlungsdetektoren innewohnenden Probleme zu lösen und die Verzerrung der Bildsignale, resultierend aus der Länge der Leitungen, der Begrenzungen in der notwendigen Dichte der Sensorelemente und der Erhöhung der Zahl der Anschlüsse zu verbessern. Die vorliegende Erfindung gestattet die einfache Herstellung eines kryogenen Behälters und erlaubt die leichte Montage eines Infrarot-Strahlungssensorelements am kryogenen Behälter, wobei Kosten für den Infrarot-Strahlungsdetektor gesenkt werden. Um das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, umfaßt der Infrarot-Strahlungsdetektor einen kryogenen Behälter mit einer Infrarot- Strahlungsdetektor-einheit, die auf kryogene Temperatur abgekühlt werden mit Hilfe einer Kühlvorrichtung. Der kryogene Behälter, bestehend aus einem inneren Zylinder und einem äußeren Zylinder wird im Inneren auf Vakuumdruck gehalten; eine innerhalb des kryogenen Behälters untergebrachte Infrarotstrahlungserfassungseinheit ist am oberen Ende des inneren Zylinders angeordnet; ein Signalausgangsabschnitt für den Ausgang der Infrarot-Strahlungsdetektoreinheit außerhalb des kryogenen Behälters ist mit einer Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen, am äußeren Zylinder des kryogenen Behälters in der Nähe der Infrarot-Strahlungserfassungseinheit angebracht. Die Signale werden über einen Signalausgangsabschnitt außerhalb des kryogenen Behälters über einen Signalausgangsabschnitt gebracht, der ein individueller Teil getrennt von der Infrarot-Erfassungseinheit ist und eine Vielzahl von Verbindungsstellen für die Drahtverbindung einschließt und eingebettete innere Leiterschichten und Steckverbindungen aufweist, so daß die Länge der Leitungen innerhalb des kryogenen Behälters abgekürzt werden können, die Infrarot-Strahlungserfassungseinheit und der Ausgabeabschnitt können aus unterschiedlichen Materialien mit entsprechend unterschiedlichem Temperaturverhalten hergestellt werden, so daß die Verzerrung der Signale des Sensorelements auf einen minimalen Pegel gedrückt werden.
Andere Ziele, Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden offenkundig im Verlauf der Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen, die nunmehr in Bezugnahme auf sie begleitende Zeichnungen folgen.
Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die die Anordnung eines Infrarot-Strahlungsdetektors zur Erfassung von Infrarot-Strahlung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Fig. 2(a), 2(b), 2(c) und 2(d) sind schematische Querschnittsdarstellungen, von denen jede einen Teil des Infrarot-Detektors gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die einen konventionellen Infrarot-Detektor zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr nachstehend anhand von Beispielen und Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Infrarot-Strahlungsdetektor gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 sind dieselben Elemente vorgesehen, wie sie die Referenzsymbole in Fig. 4 darstellen, die eine Übersichts-Anordnung eines konventionellen Infrarot- Strahlungsdetektors zeigt. Sie werden in der weiteren Beschreibung nicht mehr weiter erklärt.
Fig. 1 umfaßt einen kryogenen Behälter für einen Infrarot-Strahlungsdetektor mit einem äußeren Zylinder 3 und einem inneren Zylinder 4, die aus Metall mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie Titan gefertigt sind. Im oberen Endteil 4a des inneren Zylinders 4 ist ein Infrarot-Strahlungssensorelement 10 angeordnet und in einem Unterkonstruktionsteil 11 untergebracht. Der obere Endteil 4a ist vorzugsweise aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Der äußere Zylinder 3 ist in der Umgebung des Unterkonstruktionsteils 11 in einen oberen Abschnitt 3a und in einen unteren Abschnitt 3b unterteilt. Zwischen den oberen und unteren Abschnitten 3a und 3b ist eine scheibenförmige, mehrschichtige keramische Leiterplatte 15 dazwischen gesetzt, welche ihrerseits in der selben Ebene wie das Unterkonstruktionsteil 11 angeordnet ist. Die mehrschichtige keramische Leiterplatte 15 besteht aus einer Mehrzahl von intern eingebetteten Leiterschichten. Die Infrarot-Strahlungsbildsignale werden von dem Infrarot-Strahlungselement 10 außerhalb des kryogenen Behälters in der kürzest möglichen Distanz durch den Unterkonstruktionsteil 11 gebracht, der durch eine Drahtverbindung 19 zu einer Verbindungsstelle 15c der mehrschichtigen keramischen Leiterplatte 15, einem internen Leiter 15a und einer angelöteten Steckverbindung 15b zur Signalübergabe verbunden ist.
Es folgt in bezug auf die Fig. 2(a) bis 2(d) eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus des kryogenen Behälters und des darin montierten Infrarot-Strahlungssensorelements, welche die Teilstrukturen des kryogenen Behälters für den Infrarot-Strahlungsdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Wie in Fig. 2(a) gezeigt ist, ist der Unterkonstrktionsteil 11 mit dem Infrarot-Strahlungssensorelement 10 und dem Kälteschild 12 zur Unterdrückung von Streulicht der Infrarot-Strahlung durch eine Klebeverbindung an dem oberen Teilabschnitt 4a des inneren Zylinders 4 des kryogenen Behälters befestigt und bildet so die Innenzylinderanordnung. Im Unterkonstruktionsteil 11 ist das Infrarot-Strahlungssensorelement 10 und ein Kälteschild 12 zur Abschirmung von Streulicht angeordnet und der innere Zylinder 4 enthält den Raum 14, in den eine äußere Kühlvorrichtung eingebracht ist. Wie in Fig. 2(b) gezeigt, ist die mehrschichtige keramische Leiterplatte 15, bestehend aus einer Mehrzahl von Drahtanschlußstellen 15c mit innen eingebetteten Leiterschichten 15a und Steckverbindungen 15b zwischen der oberen und unteren Sektion 3a und 3b angeordnet, wodurch der äußere Zylinder 3 unterteilt wird. Die mehrschichtige keramische Leiterplatte 15 ist mit Hilfe eines Lötanschlusses 17 an den oberen und unteren Abschnitten 3a und 3b des Außenzylinders 3 befestigt über (nicht gezeigte) metallisierte Teile, die auf beiden Seiten der keramischen Leiterplatte 15 vorgesehen sind Sie stellen die Außenzylinderanordnung dar.
Im Aufbau der Außenzylinderanordnung sind die oberen und unteren Abschnitte 3a und 3b aus Co-Fe-Ni-Verbindung, wie z.B. Kovar, gefertigt, wobei die Kompatibilität mit der Wärmeausdehnung der mehrschichtigen keramischen Leiterplatte 15 berücksichtigt ist. Andererseits ist die keramische Leiterplatte 15 aus Aluminium-Porzellan zusammengesetzt, das mit einem wärmebeständigen Metall metallisierbar ist, wie beispielsweise Tungsten, für die interne Leitung 15a und für die Lötverbindungen 15c. Für die Einsteckverbindung 15b wird Co-Fe-Ni-Legierung verwendet wie für die oberen und unteren Abschnitte 3a und 3b des äußeren Zylinders 3. Für das Lötglied 17 zur Verbindung des oberen Abschnitts 3a des äußeren Zylinders 3 und dessen unteren Abschnitts 3b, ist eutektisches Ag-Cu- Löt wegen seiner zuverlässigen Vakuum-Dichtheit geeignet.
Wie in Fig. 2(c) gezeigt, wird die Innenzylinderanordnung in Fig. 2(a) mit der Außenzylinderanordnung in Fig. 2(b) mit Hilfe eines Verbindungsabschnitts verbunden, angezeigt durch die Ziffer 18 in Fig. 2(c). Ferner ist die Lötverbindungsstelle 11a des Unterkonstruktionsteils 11 mit der Lötverbindungsstelle 15c der keramischen Leiterplatte 15 mittels einer Drahtverbindung 19 verbunden.
In bezug auf Fig. 2(d) ist der aus Metall gefertigte obere Teil 3c des Außenzylinders 3 luftdicht mit dem Strahlungsdurchgangsfenster 2 verbunden. Die resultierende Anordnung der Fig. 2(d) ist dann an die Anordnung der Fig. 2(c) über einen Schweißabschnitt 20 angeschweißt, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Der Druck des kryogenen Behälters wird auf Vakuum im Vakuumraum 13 abgesenkt.
Im Infrarot-Strahlungsdetektor gemäß der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die mehrschichtige keramische Leiterplatte 15, bestehend aus einer Mehrzahl von Lötverbindungsstellen 15c für die Drahtverbindungen, den intern eingebetteten Leitungsschichten 15a und den Steckverbindungen 15b für die Ausleitung der Signale an dem Außenzylinder 3 der kryogenen Behälters so angeordnet, daß es in der selben Ebene wie das Unterkonstruktionsteil 11, auf dem das Infrarot-Strahlungssensorelement montiert ist, zu liegen kommt. Weiter ist die Lötverbindungsstelle 11a des Unterkonstruktionsteils 11 mit der Lötverbindungsstelle 15c der keramischen Leiterplatte 15 mit Hilfe der Drahtverbindung 19 verbunden, so daß die Leitungslange innerhalb des kryogenen Behälters auf das kürzest mögliche Maß reduziert werden kann und dadurch die Verzerrung der Signale des Sensorelementes 10 minimiert wird.
Die mehrschichtige keramische Leiterplatte 15 wird mit einer Mehrzahl von Steckverbindungen 15b zur Signalübergabe versehen, so daß mit einer größeren Zahl von Matrix-Pixel des Sensorelements 10 disponiert werden kann und daß Sensorelemente mit einer hohen Auflösung montiert werden können, wie sie in Kürze entwickelt zur Verfügung stehen.
Der Verbindungsteil zwischen der Verbindungsstelle 11a des Unterkonstruktionsteils 11 und der Lötverbindungsstelle 15a der keramischen Leiterplatte 15 ist auf einer flachen Ebene angeordnet und sehr kurz, in der Weise, daß die Lötverbindungsstelle 11a des Unterkonstruktionsteils 11 mit der Lötverbindungsstelle 15a der keramischen Leiterplatte 15 mit Hilfe einer Drahtverbindungstechnik verbunden wird, wie sie als herkömmlicher Schritt bei der Herstellung von Halbleitern angewendet wird; dabei können die Lötverbindungskosten durch diese automatisierten Herstellungsschritte reduziert werden.
Der Infrarot-Strahlungsdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung ist so angeordnet, daß er Signale nach außen außerhalb des kryogenen Behälters mittels eines Signalausgangsabschnitts mit einer Mehrzahl von Ausgangs- Anschlüssen übertragen kann, die in der Nähe der Infrarot-Strahlungserfassungseinheit angeordnet sind. Hierbei wird die Leitungslänge innerhalb des kryogenen Behälters abgekürzt und so die Verzerrung der Signale des Sensorelements auf das kleinstmögliche Maß herabgedrückt. Die vorliegende Erfindung hat auch den Vorteil, daß die Verdrahtung in hoher Dichte erfolgen kann und so dem Zuwachs von Signalleitungen von der Infrarot-Strahlungserfassungseinheit entspricht, wobei eine Drahtverbindungstechnik wie sie konventionell für Herstellungsschritte von Halbleitern angewendet wird, für die Verbindung der Leitungen im kryogenen Behälter verwendet werden kann und das damit eine Kostenreduzierung der Drahtverbindung wie auch die Möglichkeit der Automatisierung der Herstellungsschritte erreicht wird.

Claims

1. Infrarotstrahlungs-Detektor, der einen kryogenen Behälter besitzt mit einer Infrarotstrahlungs- Erfassungseinheit (10,11), die durch eine Kühlvorrichtung auf eine Tiefsttemperatur gekühlt ist, welcher aufweist:

einen kryogenen Behälter, der aus einem inneren Zylinder (4) und einem äußeren Zylinder (3a,3b) zusammengesetzt ist und dessen Innenseite (13) auf Vakuumdruck gehalten ist;

eine Infrarotstrahlungs-Erfassungseinheit (10,11), die innerhalb des kryogenen Behälters aufgenommen und oben auf dem inneren Zylinder (4) angeordnet ist; und

einen Signalausgangsabschnitt (15) mit mehreren Ausgangsanschlüssen, um das Ausgangssignal der Infrarotstrahlungs-Erfassungseinheit außerhalb des kryogenen Behälters zu bringen, der so angeordnet ist, daß er in der Ebene nahezu identisch zu der in dem kryogenen Behälter aufgenommenen Infrarotstrahlungs-Erfassungseinheit in der Nähe der Infrarotstrahlungs-Erfassungseinheit liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Signalausgangsabschnitt (15) ein individuelles Teil ist, das durch den äußeren Zylinder (3a,3b) hindurchgeht und eine mehrschichtige keramische Leitungsplatte aufweist,

wobei die mehrschichtige keramische Leitungsplatte (15) mehrere Anschlußflecken (15c) für einen Verdrahtungsanschluß, im Innern eignebettete innere Leiterschichten (15a) und Steckanschlüsse (15b) enthält.

2. Infrarotstrahlungs-Detektor nach Anspruch 1, worin die Infrarotstrahlungs-Erfassungseinheit (11) mit den Ausgangsanschlüssen (15c) des Signalausgangsabschnitts durch eine Verdrahtungsverbindung elektrisch verbunden ist.

3. Infrarotstrahlungs-Detektor nach Anspruch 1 oder 2, worin der äußere Zylinder des kryogenen Behälters mit der mehrschichtigen keramischen Leitungsplatte durch eine metallisierte Schicht verbunden ist, die peripher um die mehrschichtige keramische Leitungsplatte (15) gebildet ist mit der Hilfe eines Lötteils (17), um eine vakuumdichte Struktur zu bilden.

4. Infrarotstrahlungs-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der äußere Zylinder in zwei Abschnitte (3a,3b) geteilt ist.