JP2005203796A - 放射線検出器および放射線検出器を備えたセンサモジュール並びに放射線検出器を製作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安全に、安定的に、簡単にかつ安価に製作可能な構造を備えた放射線検出器およびその製作方法並びに放射線検出器を備えたセンサモジュールを提供する。
【解決手段】当該放射線検出器に、ダイアフラム４と、該ダイアフラムの下側に形成されたキャビティ５と、ダイアフラム上に形成されたサーモパイル構造体６と、該サーモパイル構造体に被着された吸収体層９とを備えたサーモパイルチップ２が設けられており、下面１５に第２のキャビティ１６を有していてサーモパイルチップ上に固定されているキャップチップ１４が設けられており、この結果、サーモパイル構造体と吸収体層とを備えたダイアフラムが、第１のキャビティと第２のキャビティとの間に配置されており、規定された層厚さｄの接着材料層２０を介してキャップチップ上に固定された、規定された波長領域の赤外放射線Ｓを透過するためのフィルタ小プレート２３が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外放射線を測定するための放射線検出器およびこのような放射線検出器を備えたセンサモジュール並びに放射線検出器を製作する方法に関する。

個別ガスのガス濃度を測定するために、該当する個別ガスのガス分子による、所定の波長領域の赤外の放射線（ＩＲ放射線）の吸収量が、測定区間を介して測定されることができる。このために、ＩＲ放射線源および放射線検出器が使用される。この放射線検出器は測定区間を介してＩＲ放射線源に向かい合って位置し、センサモジュール内に収容されていてよい。この場合、放射線検出器は、一般的に、小プレート形状に形成されたフィルタエレメントを有している。このフィルタエレメントは、吸収体層を備えたサーモパイル（熱電対列）構造体の上方に被着されている。この場合、フィルタエレメントは波長領域を確定し、ひいては測定したい個別ガスを確定する。フィルタエレメントの放射フィルタを透過した赤外放射線は、吸収体層に入射し、この場所で熱に変換される。この熱は、サーモパイル構造体によって熱電圧として測定されることができる。この場合、サーモパイル構造体は、一般的に、センサチップのダイアフラムに被着されていて、センサモジュールとの接触接続を介して読み取られることができる。この場合、一方では、金属のケーシングを有していて、このケーシングのケーシング底部にサーモパイルチップが座着していて、しかもフィルタ小プレートが金属ケーシングの金属キャップの内面内に開口を介して接着されているセンサモジュールが、公知である。

しかしながら、このような構造は極めて手間および費用がかかる。さらに、サーモパイルチップはカプセル化されていない。これにより、ウェーハからの鋸挽きプロセスによるチップの個別化とさらにチップの組付けおよび取扱いとが極めて複雑化し、かつ手間および費用がかかってしまう。さらに、加工成形された開口を介してフィルタ小プレートを金属キャップ内に接着組付けすることは、極めて手間がかかる。規定された接着を達成するためには、利用される光学的な領域に比べて比較的に大きいフィルタ小プレートが使用される。このことは、このフィルタ小プレートの大きさに基づき、またもや製作に関して相応に費用がかかってしまう。さらに、サーモパイルチップを備えた金属のケーシングの基座とフィルタを備えた金属キャップとの間の調整公差を補償するには、フィルタ小プレートの相当な大きさも必要となる。

金属ケーシング内へのフィルタチップの接着結合によって、通常は溶接によってハーメチックに接着箇所に密接した前記ケーシングは、もはやハーメチックに密ではなくなる。これにより、自動車分野における安全に関連した使用のためには、サーモパイルとケーシングコンタクトとの間のワイヤコンタクトのパシベーションが必要となる。この場合、ケーシング内に収容されたサーモパイルチップとケーシング内の電気的なコンタクトとの間を接触接続するために働くワイヤ接続部の、外部からの影響に対して保護するためのパシベーションは、一般的に可能ではない。なぜならば、パシベーション手段−一般的にはゲル−が、放射フィルタを備えた金属キャップを通ってサーモパイルチップに通じている赤外放射線の放射路内に到達する恐れがあるからである。

本発明の課題は、従来のものに比べて安定的でかつ安全な構造が、自動車分野における使用に対する要求と共に、比較的に僅かな手間および僅かな製作費用で可能になる、赤外放射線を測定するための放射線検出器およびこのような放射線検出器を備えたセンサモジュール並びに放射線検出器を製作する方法を提供することである。

この課題を解決するための本発明の放射線検出器によれば、
サーモパイルチップが設けられており、該サーモパイルチップが、ダイアフラムと、該ダイアフラムの下側に形成されたキャビティと、ダイアフラム上に形成されたサーモパイル構造体と、該サーモパイル構造体に被着された吸収体層とを備えており、
キャップチップが設けられており、該キャップチップがその下面に、第２のキャビティを有していて、サーモパイルチップ上に固定されており、この結果、サーモパイル構造体と吸収体層とを備えたダイアフラムが、第１のキャビティと第２のキャビティとの間に配置されており、
規定された層厚さの接着材料層を介してキャップチップ上に固定されたフィルタ小プレートが設けられており、該フィルタ小プレートが、規定された波長領域の赤外放射線を透過するためのものである。

前記課題を解決するための本発明のセンサモジュールによれば、
プレモールドケーシングが設けられており、
該プレモールドケーシング内に射出成形によって埋設されたリードフレームが設けられており、
プレモールドケーシングの内室内に被着された基座が設けられており、
該基座に被着された前記放射線検出器が設けられており、該放射線検出器のサーモパイルチップが、ワイヤボンドを介してリードフレームに接触接続されており、プレモールドケーシング内にかまたはプレモールドケーシング上に固定されたキャップが設けられており、該キャップが、放射線検出器への赤外放射線を通すための開口を備えている。

前記課題を解決するための本発明の前記放射線検出器を製作する方法によれば、少なくとも以下のステップ、すなわち、
（イ） ダイアフラムと、該ダイアフラムの下側にエッチング加工されたキャビティと、ダイアフラム上に形成されたサーモパイル構造体と、吸収体層とを備えたサーモパイルチップを、第１のウェーハから製作する；
（ロ） キャビティを備えたキャップチップを、第２のウェーハから製作する；
（ハ） 予め設定された波長領域の赤外放射線を透過させるためのフィルタ構造体を備えたフィルタ小プレートを製作する；
（ニ） それぞれ１つのキャップチップをサーモパイルチップ上に、真空密なボンディング手段で固定し、この結果、ダイアフラムとサーモパイル構造体と吸収体層とが、第１のキャビティと第２のキャビティとの間に配置されているようにする；
（ホ） フィルタ小プレートを、規定された層厚さの接着材料層を介して、キャップチップ（１４）上に固定する、
以上（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）のステップが実施される。

本発明による放射線検出器とおよび本発明によるセンサモジュール並びに本発明による放射線検出器を製作する方法は、従来のものに比べて特に、安定的でかつ安全な構造が、自動車分野における使用に対する要求と共に、比較的に僅かな手間および僅かな製作費用で可能になるという利点を有している。

この場合、本発明によれば、表面マイクロメカニクスで製作されたサーモパイルチップは、キャップチップでハーメチックにもしくは真空密に閉鎖され、フィルタ小プレートは直接に前記キャップへ、関連した赤外線・波長領域において高透過性の接着材料で接着される。この場合、規定された層厚さの接着材料層が形成される。

フィルタ小プレートとしては、特に、上面および／または下面にフィルタ構造体が形成された別のチップが使用されることができる。規定された層厚さは、有利にはスペーサ手段を介して達成される。このスペーサ手段は、一方では、接着材料層内に埋設されたスペーサ−例えばガラス小球、ガラスローラまたは規定された粒子もしくは結晶子であってよいか、またはフィルタ小プレートとキャップチップとを透過する放射路に影響を与えない、キャップチップの上面に形成されている間隔保持部の構造体であってよい。

チップは、有利には、関連した赤外線・波長領域において高透過性であるシリコンから成っている。したがって、シリコン・ゲルマニウムチップ等の使用も可能である。

当該放射線検出器のカプセル化された構成によって、単数もしくは複数のウェーハからの鋸挽きプロセスでの製作と、取扱いもしくは組付けとが著しく簡単になる。この場合、サーモパイルチップ、キャップチップおよび場合によってはフィルタチップも、種々異なるウェーハにおいて製作され、鋸挽きされ、次いで互いに積み重ねられることができる。

サーモパイルチップとキャップチップとの間の結合は、有利には、ボンディング結合部、例えばシールガラス結合部によって達成される。この結合部は、高強度でかつ真空密な結合部を成している。しかも、場合によっては前記結合に際してサーモパイルチップとキャップチップとの間に生じた機械的な応力は、無視できるほどに小さい。フィルタ小プレートとキャップチップとの間の、放射線の透過とひいては構造の機能とに対して敏感な結合部は、規定された接着材料層によって形成される。

本発明による放射線検出器は、標準・装着方法でケーシング内、有利にはプレモールドケーシング内に取り付けられることができる。したがって、標準・装着方法でかつ僅かな費用で製作することが可能である。さらに、フィルタ小プレートの、金属キャップ内への接着プロセスと、サーモパイルチップに対する調整とが省かれる。フィルタ小プレートをキャップチップへ直接にチップ−チップ接着すること（Chip-zu-Chip-Klebung）によって、フィルタ小プレートの簡単な接着プロセスおよび簡単な調整が可能になる。

本発明によれば、フィルタ小プレートが極めて小さく選択されることができるので、製作費用はさらに僅かに維持される。

本発明による、カプセル化されたスタック構造もしくは層構造によって、フィルタ小プレートは接着層によって直接にキャップチップに接着されることができる。これにより、放射フィルタの有利な組込みが可能となり、この場合、フィルタとシールガラス結合材との結合が直接にサーモパイル構造体の上で行われる必要はない。フィルタとシールガラス結合材との前記結合は、シールガラスプロセスのための高い温度と高い温度に対するフィルタの不適合性とに基づいて可能ではないかまたは極めて手間および費用がかかり、かつフィルタ層内に応力亀裂を生ぜしめる恐れがある。

本発明による放射線検出器がそれ自体カプセル化されているので、すなわち、内側構造体がハーメチックに密なシールガラス結合部によって真空内に存在するので、当該検出器は、比較的に僅かな製作費用で所望の方式で形成されることができるプレモールドケーシング内に取り付けられることができる。センサチップを接触接続するワイヤボンドのパシベーションのためには、カプセル化された放射線検出器の機能能力に影響を与えないパシベーション手段、例えばゲルが充填されることができる。

ワイヤボンドの部分的なパシベーションは、閉じたチップ構造とボンディング領域とフィルタ表面との間の大きい高さとに基づき、フィルタ表面の汚染なしに達成されることができる。

さらに本発明によれば、検査の手間および費用が僅かに維持されることができる。なぜならば、開放しているケーシング内で当該放射線検出器の機能検査が可能であるからであり、−例えばワイヤ接続に欠陥がある場合には−修理が実施されることができる。

以下に、本発明の幾つかの実施形態を、添付の図面につき詳しく説明する。

放射線検出器１は下側のシリコンチップ２を有している。このシリコンチップ２は、その上面３に形成されたダイアフラム４と、このダイアフラム４の下方に下方エッチングによって形成された第１のキャビティ５とを有している。ダイアフラム４上には、吸収体層を備えたサーモパイル構造体６が形成されている。このサーモパイル構造体６は自体公知であって、例えば、種々異なる材料例えば金属およびポリシリコン（多結晶シリコン）から成る、接触接続された導電性の少なくとも２つのウェブによって製作されている。吸収体層９への赤外（ＩＲ）放射線の入射に際して、吸収体層９は加熱される。これにより、ゼーベック効果に応じて、サーモパイル構造体６内に熱電圧が発生する。この熱電圧はアナログの電気的な信号として読み取られることができる。

下側のシリコンチップ２の上面３には、ダイアフラム４の周囲に形成された、ボンディング手段、例えば酸化鉛から成るシールガラス結合部１２を介して、真ん中のシリコンチップがキャップチップ１４として固定されている。このキャップチップ１４は、その下面１５に形成された第２のキャビティ１６を備えている。したがって、サーモパイル構造体６と吸収体層９とを備えた、支えられていない（空中保持された；freitragend）なダイアフラム４は、両キャビティ５，１６によって取り囲まれている。ボンディングプロセスは真空下で実施されるので、両キャビティ内には真空が閉じ込められる。

キャップチップ１４の上面１９には、ＩＲ・透過性の接着材料層２０が被着されている。この接着材料層２０には、フィルタ小プレートとして働く、シリコンから成るフィルタチップ２３が固定されている。この場合、フィルタチップ２３の上面および／または下面には、フィルタ構造体２４および／または２５が、例えば誘電性の鏡として形成されている。このフィルタ構造体は、予め設定された波長領域のＩＲ放射線しか透過させない。したがって、上方から入射したＩＲ放射線Ｓは、フィルタチップ２３と、規定された層厚さｄに依存したＩＲ透過性の接着材料層２０と、キャップチップ１４とを透過して、上側の−第２の−キャビティ１６内へ吸収体層９に入射する。

図２の放射線検出器２６では、図１の放射線検出器１に対して補足的に、接着材料層２０内にスペーサ２９が埋設されている。このスペーサは、例えばガラス小球または結晶子、例えば規定された直径を備えたアルミナ粒子であってよい。前記スペーサは接着材料層２０内に十分に疎らに存在する。これにより、フィルタ小プレートとして働く上側のシリコンチップ２３の押付けに際して、スペーサ２９は分散させられ、シリコンチップ１４，２３間には個別のスペーサ２９だけが互いに並んで位置するが、重なり合っては位置しない。したがって、接着材料厚さｄはスペーサ２９の直径に相当する。

図３の放射線検出器３１では、図１の放射線検出器１に対して付加的に、真ん中のシリコンチップ１４の上面１９に、構造化によって間隔保持部３２が形成されている。この間隔保持部３２の高さが、接着材料層２０の厚さｄを決定する。この場合、間隔保持部３２は、特に図４の平面図（この平面図には、チップ２３，１４の輪郭が破線で記載してある）からわかるように、側方でサーモパイル構造体６および吸収体９に並んで形成されていて、ひいては入射するＩＲ放射線Ｓに影響を与えない。

この場合、図１〜図４に示した実施形態は、フィルタチップ２３が規定されたようにかつ再生産可能に被着されることができる、本発明のバリエーションである。

図５の実施形態には、検出器モジュール４０が示してある。この検出器モジュール４０は、プレモールドケーシング４１と、このプレモールドケーシング４１内に射出成形によって埋設されたリードフレーム４２とを備えている。プレモールドケーシング４１の内室４６内では、プレモールドケーシング４１の底部４５上に、接着材料層４９を介して、例えばシリコンから成る基座５０が固定されている。この基座５０上には、別の接着材料層５２を介して、図１〜図３の実施形態の、シリコンチップ２，１４，２３を有している放射線検出器１または放射線検出器２６または放射線検出器３１が固定されている。この場合、サーモパイルチップ２はワイヤボンド５４を介してリードフレーム４２に接触接続されている。これにより、ＩＲ放射線Ｓの吸収に際してサーモパイル構造体６に生ぜしめられた熱電圧が、電気的に読み取られることができる。プレモールドケーシング４１には、ＩＲ放射線Ｓを通すための中央の開口５９を備えたキャップ５６が、例えば接着またはろう接またはプラスチック縁部の熱間かしめによって、載着されかつ固定されている。このことによって、内室４６および放射線検出器１が保護される。内室４６内には、パシベーション材として例えばゲルが被着されている。このゲルにより、全てのワイヤボンド５４が注型によって埋設されるが、フィルタ構造体２４を備えたチップ表面はゲルなしの状態に保たれる。パシベーション材のための停止縁部としては、ケーシング側の１つまたは複数の停止縁部６０、例えばフィルタチップ２３の高さの停止縁部またはフィルタチップ２３の下方の停止縁部が働くことができる。

接着材料によって接着されたフィルタチップを備えた、３つのチップのスタックとしての１実施形態による放射線検出器の断面図である。

接着材料内に埋設されたスペーサを備えた別の実施形態による放射線検出器の断面図である。

キャップに形成された間隔保持部を備えたさらに別の実施形態による放射線検出器の断面図である。

図３の放射線検出器のキャップチップの平面図である。

プレモールドケーシングと本発明による放射線検出器とを備えたセンサモジュールの断面図である。

符号の説明

１ 放射線検出器、 ２ シリコンチップ（サーモパイルチップ）、 ３ 上面、 ４ ダイアフラム、 ５ キャビティ、 ６ サーモパイル構造体、 ９ 吸収体層、 １２ シールガラス結合部、 １４ キャップチップ（シリコンチップ）、 １５ 下面、 １６ キャビティ、 １９ 上面、 ２０ 接着材料層、 ２３ フィルタチップ（シリコンチップ）、 ２４ フィルタ構造体、 ２５ フィルタ構造体、 ２６ 放射線検出器、 ２９ スペーサ、 ３１ 放射線検出器、 ３２ 間隔保持部、 ４０ 検出器モジュール、 ４１ プレモールドケーシング、 ４２ リードフレーム、 ４５ 底部、 ４６ 内室、 ４９ 接着材料層、 ５０ 基座、 ５４ ワイヤボンド、 ５６ キャップ、 ５９ 開口、 ６０ 停止縁部、Ｓ ＩＲ放射線、 ｄ 層厚さ

Claims (15)

1. 放射線検出器において、
   サーモパイルチップ（２）が設けられており、該サーモパイルチップ（２）が、ダイアフラム（４）と、該ダイアフラム（４）の下側に形成されたキャビティ（５）と、ダイアフラム（４）上に形成されたサーモパイル構造体（６）と、該サーモパイル構造体（６）に被着された吸収体層（９）とを備えており、
   キャップチップ（１４）が設けられており、該キャップチップ（１４）がその下面（１５）に、第２のキャビティ（１６）を有していて、サーモパイルチップ（２）上に固定されており、この結果、サーモパイル構造体（６）と吸収体層（９）とを備えたダイアフラム（４）が、第１のキャビティ（５）と第２のキャビティ（１６）との間に配置されており、
   規定された層厚さ（ｄ）の接着材料層（２０）を介してキャップチップ（１４）上に固定されたフィルタ小プレート（２３）が設けられており、該フィルタ小プレート（２３）が、規定された波長領域の赤外放射線（Ｓ）を透過するためのものであることを特徴とする放射線検出器。
2. フィルタ小プレート（２３）が、フィルタ構造体（２４，２５）を備えたチップ（２３）である、請求項１記載の放射線検出器。
3. キャップチップ（１４）がサーモパイルチップ（２）上に、真空密なボンディング結合部（１２）を介して固定されている、請求項１または２記載の放射線検出器。
4. ボンディング結合部が、シールガラス結合部（１２）、例えば酸化鉛から成るシールガラス結合部である、請求項３記載の放射線検出器。
5. キャップチップ（１４）とフィルタ小プレート（２３）との間に、接着材料層（２０）の規定された層厚さ（ｄ）を形成するためのスペーサ手段（２９，３２）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の放射線検出器。
6. スペーサ手段が、接着材料層（２０）内に収容されたスペーサ（２９）である、請求項５記載の放射線検出器。
7. スペーサ手段が、キャップチップ（１４）の上面（１９）において、側方でサーモパイル構造体（６）をめぐる領域に構造化によって形成された間隔保持部（３２）である、請求項５記載の放射線検出器。
8. センサモジュールにおいて、
   プレモールドケーシング（４１）が設けられており、
   該プレモールドケーシング（４１）内に射出成形によって埋設されたリードフレーム（４２）が設けられており、
   プレモールドケーシング（４１）の内室（４６）内に被着された基座（５０）が設けられており、
   該基座（５０）に被着された、請求項１から７までのいずれか１項記載の放射線検出器（１，２６，３１）が設けられており、該放射線検出器（１，２６，３１）のサーモパイルチップ（２）が、ワイヤボンド（５４）を介してリードフレームに接触接続されており、プレモールドケーシング（４１）内にかまたはプレモールドケーシング（４１）上に固定されたキャップ（５６）が設けられており、該キャップ（５６）が、放射線検出器（１，２６，３１）への赤外放射線（Ｓ）を通すための開口（５９）を備えていることを特徴とするセンサモジュール。
9. 内室（４６）が停止縁部（６０）まで、パシベーション手段、例えばゲルで充填されている、請求項８記載のセンサモジュール。
10. 前記少なくとも１つのフィルタ小プレートの表面（２４）が、パシベーション手段を備えていない、請求項９記載のセンサモジュール。
11. 請求項１から７までのいずれか１項記載の放射線検出器を製作する方法において、少なくとも以下のステップ、すなわち、
    （イ） ダイアフラム（４）と、該ダイアフラム（４）の下側にエッチング加工されたキャビティ（５）と、ダイアフラム（４）上に形成されたサーモパイル構造体（６）と、吸収体層（９）とを備えたサーモパイルチップ（２）を、第１のウェーハから製作する；
    （ロ） キャビティ（１６）を備えたキャップチップ（１４）を、第２のウェーハから製作する；
    （ハ） 予め設定された波長領域の赤外放射線（Ｓ）を透過させるためのフィルタ構造体（２４，２５）を備えたフィルタ小プレート（２３）を製作する；
    （ニ） それぞれ１つのキャップチップ（１４）をサーモパイルチップ（２）上に、真空密なボンディング手段（１２）で固定し、この結果、ダイアフラム（４）とサーモパイル構造体（６）と吸収体層（９）とが、第１のキャビティ（５）と第２のキャビティ（１６）との間に配置されているようにする；
    （ホ） フィルタ小プレート（２３）を、規定された層厚さ（ｄ）の接着材料層（２０）を介して、キャップチップ（１４）上に固定する、
    以上（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）のステップを特徴とする、放射線検出器を製作する方法。
12. キャビティ（５，１６）を、チップ（２，１４）のエッチングによって形成する、請求項１１記載の方法。
13. フィルタ小プレート（２３）としてフィルタチップ（２３）を、その上面および／または下面にフィルタ構造体（２４，２５）を備えて製作する、請求項１２記載の方法。
14. 接着材料層（２０）のために、層厚さ（ｄ）に相当する直径を備えたスペーサ（２９）を有している接着材料を使用し、接着材料層（２０）をキャップチップ（１４）に被着し、フィルタ小プレート（２３）を、予め設定された圧入力で接着材料に押し付け、この結果、スペーサ（２９）が接着材料層（２０）内で互いに並んで分配されるようにする、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. キャップチップ（１４）の上面（１９）に間隔保持部（３２）を構造化する、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。

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