ES2295779T3 - Aparato de deteccion de radiacion infrarroja. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de detección térmica encapsulado que tiene una región (240, 250) caliente y una fría, comprendiendo el dispositivo: un elemento sensor (200) de IR, que comprende: a) un primer termopar (220) dispuesto a través de las regiones (240, 250) caliente y fría, teniendo el primer termopar (220) un primer terminal (226) en la región fría (250) y una polaridad definida; y b) un segundo termopar (230) dispuesto a través de las regiones (240, 250) caliente y fría, teniendo el segundo termopar (230) un segundo terminal (236) en la región fría (250) y una polaridad opuesta a la polaridad del primer termopar (220), conectado en serie con el citado primer termopar (220); un absorbedor térmico (280) dispuesto en la región caliente (240) y en comunicación térmica con los termopares primero y segundo (220, 230); un colector (300) de base que tiene una superficie (320) de soporte para soportar el citado elemento sensor (200) de IR y una superficie (312) de no soporte desplazada de la superficie(320) de soporte y formada en una cavidad (310), que está dispuesta en el colector (300) de base y en posición opuesta al elemento sensor (200) de IR; en el que una porción de la superficie (320) de soporte está opuesta a una porción de la región fría (250) y una porción de la superficie (312) de no soporte está opuesta a una porción de la región caliente (240); y una tapa (400) unida al colector (300) de base para proporcionar una unidad sellada que encapsula al elemento sensor (200) de IR; que se caracteriza porque: la cavidad (310) comprende canales laterales (490) que permiten que un gas de llenado debajo del elemento sensor (200) de IR se mezcle con el gas de llenado entre la tapa (400) y el colector (300) de base.
Description
Aparato de detección de radiación
infrarroja.
La presente exposición se refiere en general a
la detección de radiación infrarroja, y en particular, a la
detección de radiación infrarroja utilizando termopilas.
Una termopila es una agrupación interconectada
en serie de termopares, estando formado cada termopar por la unión
de dos materiales distintos. La agrupación de termopares se dispone
a través de regiones caliente y fría de una estructura y las
uniones calientes están aisladas térmicamente de las uniones frías.
Las uniones frías se disponen típicamente sobre un substrato de
silicio para proporcionar un sumidero de calor efectivo, mientras
que las uniones calientes se forman sobre una membrana delgada que
aísla térmicamente de manera efectiva las uniones calientes de las
uniones frías. En la región caliente, hay un cuerpo negro para
absorber la energía infrarroja, que eleva su temperatura de acuerdo
con la intensidad de la energía infrarroja incidente. Las
termopilas presentan una respuesta estable a la radiación de CC, no
son sensibles a las variaciones de la temperatura ambiente y
responden a un amplio espectro infrarrojo. Las termopilas tampoco
requieren una fuente de voltaje o corriente de polarización.
Adelantándose a la utilidad de la detección de la radiación
infrarroja por termopilas, sería beneficioso proporcionar un
detector de este tipo con características de eficiencia
mejoradas.
El documento US 2002/0139410 describe un sensor
de radiación térmica que incluye una termopila.
El documento US 6 294 787 describe un sistema
sensor para la detección de radiación térmica.
Realizaciones de invención proporcionan un
dispositivo de detección térmica como se muestra en la
reivindicación 1.
Realizaciones adicionales de la invención
proporcionan un aparato para la detección de la radiación infrarroja
(IR). El aparato incluye un sensor de radiación IR y un colector de
base. El elemento sensor de radiación IR incluye un receptor de
radiación infrarroja y unos terminales primero y segundo, en el que
el receptor está dispuesto en una región caliente, cada terminal
está dispuesto en una región fría y cada terminal tiene
comunicación de señales con el receptor. El colector de base incluye
una superficie de soporte para soportar el elemento sensor de
radiación IR y una superficie de no soporte separada de la
superficie de soporte, en el que una transferencia térmica entre la
región fría y la superficie de soporte implica conducción térmica,
y una transferencia térmica entre la región caliente y la superficie
de no soporte incluye convección térmica.
Otras realizaciones más de la invención
proporcionan un aparato para la detección de radiación IR que tiene
un elemento sensor de radiación IR que tiene una región caliente y
una región fría, y un colector de base. El colector de base tiene
una superficie de soporte para soportar el elemento sensor de
radiación IR y una superficie de no soporte separada de la
superficie de soporte. Una porción del elemento sensor de radiación
IR en la región fría se encuentra en oposición a una porción de la
superficie de soporte, y una porción del elemento sensor de
radiación IR en la región caliente se encuentra en oposición a una
porción de la superficie de no soporte.
Haciendo referencia a los dibujos ejemplares, en
los que los mismos elementos están numerados de la misma manera en
las figuras que se acompañan:
la figura 1 muestra una vista isométrica en
despiece ordenado del conjunto de un detector de radiación
infrarroja ejemplar de acuerdo con una realización de la
invención;
la figura 2 muestra una vista seccionada lateral
del detector de radiación infrarroja ejemplar de la figura 1;
las figuras 3 - 4 muestran vistas isométricas de
porciones del detector de radiación infrarroja ejemplar de la
figura 1;
las figuras 5 - 6 muestran una realización
alternativa del detector de radiación infrarroja ejemplar de la
figura 1; y
la figura 7 muestra una representación gráfica
de señales de salida normalizadas de realizaciones ejemplares de la
invención.
Realizaciones de la invención proporcionan un
detector de radiación infrarroja IR (también denominado como un
detector de IR o como un sensor de IR o, más en general, como un
dispositivo de de detección térmica) que tiene un aislamiento
térmico incrementado entre los componentes de sensor para una señal
de salida incrementada.
La invención proporciona un detector de IR que
tiene regiones de temperatura caliente y fría. El detector de IR
incluye una termopila que tiene termopares interconectados en serie,
estando colocado cada termopar a través de las regiones de
temperatura caliente y fría, de manera que proporcione polaridades
aditivas de los termopares. Un absorbedor térmico, o más
específicamente, un absorbedor infrarrojo, tal como un cuerpo
negro, se encuentra dispuesto en la región caliente y está acoplado
térmicamente a, y en comunicación térmica con, la termopila. Un
colector de base que tiene una superficie de soporte para soportar
la termopila incluye una cavidad en la superficie de soporte que
proporciona una superficie de no soporte. Una membrana dispuesta
entre la superficie de soporte y la termopila se dispone con una
porción de la cavidad opuesta a una porción de la termopila.
Proporcionando una cavidad en un lado de la membrana y en oposición
a la termopila en el otro lado de la membrana, se consigue un
incremento en el aislamiento térmico entre la termopila y el
colector de base, lo cual produce un incremento en la salida de la
señal de voltaje del detector de radiación infrarroja.
La figura 1 es una realización ejemplar de un
sensor 100 de IR que tiene un elemento sensor 200 de IR soportado
por un colector 300 de base y dispuesto entre una tapa metálica 400
y un colector 300 de base. El elemento sensor 200 de IR y el
colector 300 de base forman el conjunto 415 de colector de base
(véase la figura 2). El elemento sensor 200 de IR, aunque se
muestra de forma rectangular, puede ser de cualquier forma adecuada
para el propósito que se muestra en la presente memoria descriptiva.
El colector 300 de base puede estar compuesto de metal o de
cualquier otro material adecuado para el propósito que se muestra en
la presente memoria descriptiva, tal como, por ejemplo, un
substrato de silicio. Dispuesto en la tapa metálica 400 hay un
filtro 420 de ventana para trasmitir la radiación IR de una
longitud de onda predefinida. El filtro 420 de ventana incluye
filtros de banda de paso ancho (BBP) así como filtros de banda de
paso estrecho (NBP) En una realización, el elemento sensor 200 de
IR incluye un MEMS (sistema microelectromecánico), una termopila 210
de silicio soportada por películas 270 de membrana y un reborde
215de soporte, como mejor se puede apreciar haciendo referencia a la
figura 2.
La termopila 210 incluye una agrupación
interconectada en serie de termopares, mostrados en la figura 2 como
termopares primero y segundo 220, 230, que se colocan a través de
las regiones caliente 240 y fría 250 del sensor 100 de IR. Cada
termopar 220, 230 está formado por la unión de dos materiales
distintos, tales como, por ejemplo, polisilicio y aluminio, que se
muestran como porciones 222, 232 y 224, 234, de termopares,
respectivamente, y están dispuestos teniendo polaridades opuestas
unos con respecto a los otros, de manera que la señal de voltaje de
los terminales 226 y 236 sea la suma de las señales de voltaje de
los termopares 220, 230. Los terminales 226, 236 están conectados a
los pin 436, 426 por cables 286, 296, respectivamente. Las regiones
caliente y fría 240, 250 de los termopares 220, 230 (también
denominadas uniones caliente y fría) están aisladas térmicamente
una de la otra por un aislante térmico 260 y por películas 270 de
membrana. Las películas 270 de membrana tienen unas bajas
conductancia y capacitancia térmicas y se muestran teniendo tres
películas 272, 274, 276 en capas, pero pueden ser de cualquier
número y grosor de películas adecuadas con el propósito de
aislamiento térmico como se muestra en la presente memoria
descriptiva. Un cuerpo negro 280 está acoplado térmicamente a los
termopares 220, 230 en la región caliente 240, con lo cual sirve
para absorber la radiación infrarroja y para elevar la temperatura
en la región caliente 240. El incremento de temperatura en la región
caliente 240 es de acuerdo con la intensidad de la energía
infrarroja incidente. Cuando la temperatura en la región 240 se
incrementa, también se incrementa la señal de voltaje entre los
terminales 226, 236. Cuanto mejor sea el aislamiento térmico entre
las uniones caliente y fría 240, 250 de los termopares 220, 230,
mejor será la señal de voltaje entre los terminales 226, 236.
De acuerdo con realizaciones de la invención,
los solicitantes han demostrado que un incremento en la distancia
entre el material de las películas 270 de membrana y el material del
colector 300 de base produce un incremento en la señal de salida
del elemento sensor 200 de IR, que se tratará más adelante con
referencia a la figura 7. Como se muestra en las figuras 2 y 3,
este incremento en la distancia se puede conseguir sin cambiar las
dimensiones totales de sensor 100 de IR, eliminando material, tal
como, por ejemplo, por micromecanización o por ataque químico, del
colector 300 de base, con lo cual se crea una cavidad 310 que tiene
una superficie de no soporte 312. El material del colector 300 de
base no eliminado por la micromecanización proporciona una
superficie 320 de soporte para soportar el elemento sensor 200 de
IR. Una cavidad ejemplar 310 se muestra en la figura 3, sin
embargo, la cavidad 310 puede estar creada con cualquier
configuración adecuada con el propósito de mejorar la salida de
señal del elemento sensor 200 de IR, tal como una forma circular o
una forma en estrella, por ejemplo.
Como se muestra en la figura 3, una realización
de la invención puede estar provista de una cavidad 310 que está
formada de tres trayectos micromecanizados, siendo el primer
trayecto 330 de aproximadamente 10 milímetros (mm) de longitud y
cruzando el segundo trayecto 340 y el tercero 350 el primer trayecto
330 y siendo de aproximadamente 6 mm de longitud. Cada trayecto
ejemplar 330, 340, 350 puede estar micromecanizado hasta
aproximadamente 1,1 mm de profundidad (mostrado por la dimensión
"d") y tiene un radio de herramienta de aproximadamente 1 mm
(mostrado por el radio "r"). En una realización, la dimensión
"d" es igual o mayor de aproximadamente 0,1 mm e igual o menor
de aproximadamente 10 mm, y en otra realización, es igual a
aproximadamente 1 mm. La dimensión "d" denota un incremento
incremental de la distancia del espacio de aire entre las películas
270 de membrana y un colector 300 de base creado mecanizando la
cavidad 310.
La figura 4 muestra el elemento sensor 200 de IR
soportado por la superficie 320 de soporte con una porción que se
extiende sobre, u opuesta, a la superficie 312 de no soporte. En una
realización, el grosor del elemento sensor 200 de IR es de
aproximadamente 500 micrómetros y el grosor de las películas 270 de
membrana es de aproximadamente 1 micrómetro.
Las figuras 5 y 6 muestran una realización
alternativa de la invención que utiliza distanciadores 430
dispuestos sobre el colector 300 de base para crear la dimensión
adicional "d" entre las películas 270 de membrana y el
colector 300 de base. Alternativamente, las películas 270 de
membrana pueden ser conformadas adecuadamente para proporcionar una
distancia incremental "d". Una realización alternativa
adicional puede incluir un colector 300 de base micromecanizado con
columnas de soporte que se extienden desde la superficie de fondo de
la cavidad 310 para proporcionar la superficie 320 de soporte.
La figura 7 muestra un gráfico de la señal 450
de salida del elemento sensor 100 de IR como función de la
separación incremental "d" 460 de la primera realización
ejemplar mostrada en las figuras 1 - 4 y de la segunda realización
ejemplar mostrada en las figuras 5 - 6. Como se muestra, la salida
de señal 450 está normalizada, con lo cual produce una salida de
señal de 1,0 para un sensor 100 de IR que no tiene distancia
"d" de espacio de aire incremental entre las películas 270 de
membrana y el colector 300 de base (esto es, "d" = 0). Las
realizaciones ejemplares de la invención primera y segunda, que
tienen una distancia "d" de espacio de aire incremental, se
muestran con señales de salida 470 y 480, respectivamente. Como se
muestra, las realizaciones ejemplares primera y segunda tienen
señales de salida normalizadas de aproximadamente 1,65 y
aproximadamente 1,75, respectivamente, con una dimensión "d"
de aproximadamente d = 0,8 mm. Como consecuencia, un sensor que
tenga aproximadamente d = 0,8 mm produce una fuerza de señal de
salida de aproximadamente 65% a aproximadamente 75% mayor que un
sensor con d = 0 mm.
En un sensor 100 de IR completamente montado, la
tapa metálica 400 está unida al colector 300 de base metálico para
proporcionar una unidad sellada que encapsula al elemento sensor 200
de IR. El elemento sensor 200 de IR puede estar unido al colector
300 de base utilizando cualquier tecnología de unión adecuada, tal
como, por ejemplo, por adhesión. La cavidad interior, o volumen
interno, definida entre la tapa 400 metálica y el colector 300 de
base metálico puede estar llena con un gas de llenado de propiedades
térmicas adecuadas, con lo cual proporciona una transferencia
térmica previsible entre las distintas superficies en el interior de
la cavidad interna, incluyendo la superficie 312 de no soporte. En
ausencia de la cavidad 310 definida por una dimensión de espacio de
aire incremental "d", la transferencia térmica entre las
películas 270 de membrana y el colector 300 de base, que tiene un
espacio de aire "D" como se muestra en la figuras 2 y 6,
primariamente es por conducción, y el gas de llenado confinado por
el espacio "D" no puede mezclarse fácilmente con el gas de
llenado restante entre la tapa metálica 400 y el colector 300 de
base metálico. Como se utiliza en la presente memoria descriptiva,
el término espacio de aire indica un espacio entre los componentes,
con independencia de que el espacio esté lleno con aire o con un
gas de llenado. Con la introducción del espacio de aire incremental
"d", la transferencia térmica entre las películas 270 de
membrana y el colector 300 de base incluye un componente de
convención, que proporciona menos transferencia térmica que lo que
lo hace el componente de conducción, con lo cual proporciona mayor
aislamiento térmico entre las películas 270 de membrana y el
colector 300 de base. Además, con la introducción de canales
laterales 490, mostrados en las figuras 3 - 4, el gas de llenado
por debajo del elemento sensor 200 de IR puede mezclarse mejor con
el gas de llenado entre la tapa metálica 400 y el colector 300de
base metálico, con lo cual se produce una acumulación de calor menor
debajo del elemento sensor 200 de IR con una mejora adicional de
aislamiento térmico.
Algunas realizaciones de la invención pueden
estar provistas de las siguientes ventajas: salida de señal
incrementada; una reducción en la amplificación de señal requerida;
y una inmunidad al ruido de la señal incrementada.
Claims (6)
1. Un dispositivo de detección térmica
encapsulado que tiene una región (240, 250) caliente y una fría,
comprendiendo el dispositivo:
- un elemento sensor (200) de IR, que comprende:
- a)
- un primer termopar (220) dispuesto a través de las regiones (240, 250) caliente y fría, teniendo el primer termopar (220) un primer terminal (226) en la región fría (250) y una polaridad definida; y
- b)
- un segundo termopar (230) dispuesto a través de las regiones (240, 250) caliente y fría, teniendo el segundo termopar (230) un segundo terminal (236) en la región fría (250) y una polaridad opuesta a la polaridad del primer termopar (220), conectado en serie con el citado primer termopar (220);
- un absorbedor térmico (280) dispuesto en la región caliente (240) y en comunicación térmica con los termopares primero y segundo (220, 230);
- un colector (300) de base que tiene una superficie (320) de soporte para soportar el citado elemento sensor (200) de IR y una superficie (312) de no soporte desplazada de la superficie (320) de soporte y formada en una cavidad (310), que está dispuesta en el colector (300) de base y en posición opuesta al elemento sensor (200) de IR;
- en el que una porción de la superficie (320) de soporte está opuesta a una porción de la región fría (250) y una porción de la superficie (312) de no soporte está opuesta a una porción de la región caliente (240); y una tapa (400) unida al colector (300) de base para proporcionar una unidad sellada que encapsula al elemento sensor (200) de IR; que se caracteriza porque:
- la cavidad (310) comprende canales laterales (490) que permiten que un gas de llenado debajo del elemento sensor (200) de IR se mezcle con el gas de llenado entre la tapa (400) y el colector (300) de base.
2. El dispositivo de la reivindicación 1, que
comprende, además:
- una membrana (270) dispuesta entre la superficie (320) de soporte y los termopares primero y segundo (220, 230), de manera que una porción de la membrana (270) se oponga a la superficie (312) de no soporte.
3. El dispositivo de la reivindicación 1, en el
que:
- los termopares primero y segundo (220, 230) responden a la radiación térmica absorbida en el absorbedor térmico (280) para generar una señal eléctrica combinada en los terminales primero y segundo (226, 236); y
- la señal eléctrica combinada del dispositivo que tiene una distancia entre la superficie (320) de soporte y la superficie (312) de no soporte igual a aproximadamente 0,8 mm, es igual o mayor de aproximadamente 1,65 veces la señal eléctrica combinada de un dispositivo alternativo que tiene una distancia entre la superficie (320) de soporte y la superficie (312) de no soporte igual a aproximadamente cero milímetros.
4. El dispositivo de la reivindicación 1, en el
que la profundidad de la cavidad (310) es igual o mayor de
aproximadamente 0,1 milímetros e igual o menor de aproximadamente
10 milímetros.
5. El dispositivo de la reivindicación 1, en el
que la tapa (400) tiene una ventana (420) próxima a la región
caliente (240) para trasmitir la radiación térmica a través
suyo.
6. Un aparato para la detección de la radiación
infrarroja, comprendiendo el aparato el dispositivo de una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
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