JP3798816B2 - マイクロボロメータ焦点面アレイの熱勾配安定化の方法および装置 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は一般に、熱的に敏感な素子の熱勾配安定化に関し、より詳細には、マイクロボロメータ焦点面アレイの熱勾配安定化の方法および装置に関する。
２．関連技術の説明
マイクロボロメータ焦点面アレイ（ＦＰＡ）は、種々の用途で画像を作り出すことができる。マイクロボロメータＦＰＡの性能は、マイクロボロメータのきわめて高い感度のため、小さなノイズソースによってさえ影響されるおそれがある。たとえば、ＦＰＡ上で生じる微妙な温度変化、たとえば熱勾配が、作り出される画像に有害な影響を及ぼすことがある。ＦＰＡ中のボロメータ間の感度の不一致が、固定パターンノイズおよびシーンの見かけ明るさにおける勾配を生じさせる。さらには、ＦＰＡにおける温度変動および温度勾配は、固定パターンノイズによって生じる画像の問題を悪化させかねない。
ＦＰＡにおける周囲温度変化の影響を相殺するため、マイクロボロメータＦＰＡは、熱的に安定化させることが有利である。追跡システムにおけるＦＰＡの温度補正には熱電（ＴＥ）冷却装置が用いられてきた。この方法は、外部の周囲温度に偏倚があるとき、ＦＰＡを非常に正確に制御された温度に維持するのに非常に効果的であった。
そのようなＴＥ冷却装置の使用にもかかわらず、安定性の問題は残る。マイクロボロメータＦＰＡは、素子パッケージに張り巡らされた導線を介してオフチップの制御および電源電子系に電気的に接続している。導線によって伝導される熱がマイクロボロメータＦＰＡの温度安定性に有害な影響を及ぼす。外部の周囲温度に偏倚があるとき、この熱流束は、素子パッケージでの、外部の周囲温度と制御されたＦＰＡ温度との温度差の関数として変化する。変化する熱流束は、ＦＰＡの表面上で変化する温度勾配を付与する。ＦＰＡの温度は正確に制御することができるが、公知の装置は、ＦＰＡの表面の温度勾配の制御までは考慮していない。
英国特許第１４０１４３４号明細書は、内側管状部材が外側管状部材の中に配設されて、二つの部材の間に真空排気空間を形成する、光電素子のアセンブリに関する。光電素子が内側管状部材の表面に配設され、その光電素子との間のワイヤが内側管状部材の壁の中を延びている。内側管状部材の内側の空間は、冷却手段の挿入に使用することができる。
国際公開特許８８／０４８３３号公報は、その作動に必要である比較的低い温度まで冷却されるセンサチップアセンブリを有する赤外線検出器を開示している。センサチップアセンブリの近くに配置しなければならず、センサチップアセンブリが発するよりもかなり多くの熱を発生させる前置増幅器が、センサチップアセンブリおよびその支持体から熱的に隔離され、より高い温度まで冷却される。
国際公開特許９２／０６５６１号公報は、ＣＣＤアレイの中に均一な温度分布を提供して暗電流を安定化するために、熱電冷却装置とＣＣＤアレイとの間に挿入される熱緩衝材を開示している。
国際公開特許９４／００９５０号公報は、廉価な熱電温度安定化を備えた、マイクロボロメータ素子の焦点面アレイを真空パッケージ中に有する主に赤外線用のカメラシステムを開示している。安定化温度は、設計者または使用者が選択することができる。
発明の概要
本発明は、信号リード線から伝導される熱流束を、焦点面アレイから熱電（ＴＥ）冷却装置の比較的等温の上面に向ける熱分路を提供する。ＦＰＡは、第一の熱伝導性付着手段により、熱伝導性の散熱板に載っている。散熱板は、散熱板よりも熱伝導性が低いことが好都合である第二の熱伝導性付着手段により、ＴＥ冷却装置の上面に載っている。熱伝導性がより低い界面によって隔てられた二つの比較的等温の面、すなわちＦＰＡ散熱体とＴＥ冷却装置の上面との組み合わせが、熱分路とＦＰＡエッジとの間に接続されたリード線にかけて比較的一定の温度差を維持する。実質的に比較的一定の温度差が、これらの地点の間での一定の熱流束およびＦＰＡの表面上での一定の温度勾配を提供する。
本発明の一つの態様では、真空ハウジングがシステムを外部の環境条件から保護するのに役立つ。真空ハウジングは、放射線がＦＰＡに当たることができるよう、ＦＰＡの上方に設けられた窓を含む。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来技術のＦＰＡ取り付け部の部分断面図である。
図２は、本発明にしたがって真空ハウジングに取り付けられたマイクロボロメータＦＰＡの断面図である。
図３は、本発明にしたがって温度安定化装置に取り付けられたマイクロボロメータＦＰＡの詳細断面図である。
図４は、本発明にしたがって真空ハウジング中の温度安定化装置に取り付けられたマイクロボロメータＦＰＡの一つの実施態様の切欠き図である。
詳細な説明
図１は、典型的な従来技術のＦＰＡシステム１０および接続リード線２０の部分断面を示す。ＦＰＡ３０が、熱電冷却装置４０の上面４２に直接載っている。ワイヤボンディングされたリード線２０が真空ハウジング５０の中の気密封止された電気貫通接続孔２２からＦＰＡ３０上のボンディングパッド２４まで直接延びている。外部の環境温度に依存して熱が真空ハウジング５０に流れ込む、または真空ハウジング５０から流れ出るとき、ＦＰＡエッジ３２の温度が平均ＦＰＡ表面温度に対して変化する。ＴＥ冷却装置４０および温度制御装置（図示せず）が熱勾配におけるこの変化を補正することはなく、その結果、システム性能が落ちる。
次に、本発明のマイクロボロメータＦＰＡアセンブリ１００の熱勾配安定化装置の一つの実施態様の断面を示す図２および本発明の一つの実施態様の部分断面をさらに詳細に示す図３を参照する。ＦＰＡ１１０が、第一の熱伝導性付着手段１１２を使用して、散熱体１２０に載っている。一つの実施態様では、散熱体１２０は、銅または同様な熱伝導性材料から形成することができる。一例では、第一の熱伝導性付着手段は、接着剤、たとえばＡ．Ｉ．テクノロジー（A．I．Technology）社の部品番号ＥＧ８０５０接着剤または同様な公知の接着剤の厚さ１ミルの層を含むことができる。散熱体１２０は、第二の熱伝導性付着手段１２２を使用して、熱電冷却装置１３０の第一の面に載っている。この場合、第二の熱伝導性付着手段は、第一の熱伝導性付着手段よりも熱伝導性が低い材料を含むことが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。一例では、熱伝導性が低い方の材料は、フラン（Furane）のウラレイン（uralane）５７５３接着剤または同様な公知の接着剤を含むことができる。一つの実施態様では、第一の熱伝導性材料は、約０．０８ワット／ｃｍ°Ｋの電導度を有する材料を含むことができる。第二の熱伝導性材料は、たとえば、約０．００２ワット／ｃｍ°Ｋの電導度を有する材料を含むことができる。一つの実施態様では、第二の熱伝導性材料は、０．１ワット／ｃｍ°Ｋ未満の電導度を有することができる。
熱電冷却装置１３０の第一の面は、上板１３２を含むことができる。熱分路１４０が、第一の熱伝導性付着手段に類似した熱伝導性付着手段を使用して、ＴＥ冷却装置の上板１３２に載っている。一つの実施態様では、ＴＥ冷却装置の上板１３２は、酸化ベリリウムまたは同様な熱伝導性材料を含むことができる。同様に、熱分路は、ケイ素または同様な熱伝導性材料を含むことができる。
リード線１８０がマイクロボロメータＦＰＡアセンブリ１００からの信号を運ぶ。リード線１８０は、一端がＦＰＡ１１０に付き、第二端が熱分路１４０に付くことができる。第二のリード線１８０は、一端が熱分路１４０に付き、第二端が電気貫通接続孔１５２に付くことができる。本開示の特典を利する当業者ならば、第一のリード線と第二のリード線とが１本のステッチ接合リード線を含むものでもよいことを理解するであろう。
マイクロボロメータＦＰＡアセンブリ１００は、気密封止された真空ハウジング１５０の中に格納することができる。真空ハウジング１５０は、放射エネルギーがシステムに入り、ＦＰＡ１１０を照射すことができるように設けられた窓１５４を含む。ＴＥ冷却装置１３０は、熱伝導性付着手段法を使用して、その第二の面を真空ハウジング１５０に取り付けてもよい。マイクロボロメータＦＰＡアセンブリ１００は、電気貫通接続孔１５２を介して外部電子系とインタフェースすることができる。本発明の一つの実施態様では、外部電子系は、検出器電子系１６０および温度制御装置１７０を含むことができる。
温度制御装置１７０は、ＦＰＡ１１０から、ＦＰＡ１１０の温度の関数としてのフィードバック入力信号を受ける。温度制御装置１７０は、この入力フィードバック信号を処理し、ＴＥ冷却装置１３０を制御するための出力信号を生成する。ＴＥ冷却装置はＦＰＡ１１０の温度を制御する。この方法が、過渡的な外部の環境周囲温度の偏倚があるときＦＰＡ１１０を実質的に一定で安定な温度に制御する。単なる例示として、これらの環境周囲温度偏倚は、−５５℃〜＋８０℃またはそれ以上の範囲であることができる。
ＦＰＡ１１０と検出器電子系１６０、１７０との間で信号を運ぶリード線１８０は、従来のマイクロエレクトロニクスワイヤボンディング技術を使用して取り付けることができる。従来技術とは対照的に、リード線１８０はまず、中間のワイヤボンディングによって熱分路１４０に接続する。次に、熱分路１４０がワイヤボンディングによってＦＰＡ１１０に接続する。本発明の一つの実施態様では、これらのリード線１８０は、真空ハウジング１５０中の気密封止された電気貫通接続孔１５２から熱分路１４０上のボンディングパッド１８２まで延び、その熱分路１４０からＦＰＡ１１０上のボンディングパッド１８２まで延びる。本発明の代替態様では、中間のリード線１８０は、熱分路１４０を使用せずに直接、ＴＥ冷却装置１３０または散熱体１２０の上面のボンディングパッドに付くこともできる。
リード線１８０を介して伝達された熱流束は、熱分路１４０および第三の熱伝導性付着手段１４２を通過してＴＥ冷却装置の上板１３２に達する。上述したように、一つの実施態様では、ＦＰＡ１１０は、第一の熱伝導性付着手段１１２を使用して、散熱体１２０に載っている。散熱体１２０は、第二の熱伝導性付着手段１２２を使用して、ＴＥ冷却装置の上板１３２に載っている。散熱体１２０は、熱伝導性が高く、ＴＥ冷却装置１３０からいくらか熱的に隔離されているため、リード線１８０を介して伝達され、ＴＥ冷却装置１３０に分路される熱流束変化によってＦＰＡ１１０が強い影響を受けることを防ぐ。
マイクロボロメータＦＰＡアセンブリ１００が過渡的な外部環境の周囲温度偏倚を受けると、外部の周囲温度にある真空ハウジング１５０と、一定に制御された温度にあるＦＰＡ１１０およびＴＥ冷却装置の上板１３２との温度差が、熱流束をリード線１８０に伝達させる。熱流束は、外部の周囲温度の変化に比例して変化する。
熱伝導率がより低い熱界面１２２によって隔てられた一つ以上の熱伝導性板、すなわちＦＰＡ１１０の散熱体１２０とＴＥ冷却装置１３０の上板１３２との組み合わせが、リード線のうち、熱分路１４０およびＦＰＡ１１０に近い接続部分１８２をほぼ一定の温度差に維持する。したがって、本発明の装置は、ほぼ一定の熱流束がＦＰＡ１１０上に伝達され、ほぼ一定の熱勾配がＦＰＡ１１０上で生じることを可能にする。
本発明の装置によって用いられるこれらの熱勾配温度安定化の方法は、マイクロボロメータＦＰＡアセンブリ１００を、その性能を落とすことなく、他の方法で可能であるよりもはるかに広い範囲の周囲温度変化にわたって作動させることができる。
次に、真空ハウジング１５０中の温度安定化装置１３０に取り付けられたマイクロボロメータＦＰＡ１１０の一つの実施態様の切欠き図を示す図４を参照する。第一の熱伝導性付着手段１１２がＦＰＡ１１０を散熱体１２０に取り付けている。第二の熱伝導性付着手段１２２が散熱体１２０をＴＥ冷却装置１３０の上板１３２に取り付けている。第三の熱伝導性付着手段１４２が、この実施態様では、ＦＰＡ１１０の二つの側に平行に取り付けられた二つの分路１４０を含む熱分路１４０をＴＥ冷却装置１３０の上板１３２に取り付けている。
ＦＰＡ１１０は、電気貫通接続孔１５２に接続された複数のリード線１８０を含む。熱分路１４０は、複数のリード線１８０が電気貫通接続孔１５２に接続する前に放熱子を提供して、リード線１８０によって伝達される熱流束の影響を減らす。ボンディングパッド１８２がリード線１８０から熱分路１４０への接続を提供する。
気密封止された真空ハウジング１５０が、ＦＰＡ１１０およびＴＥ冷却装置１３０を囲い込んでいる。電気貫通接続孔１５２は、真空ハウジング１５０に載置され、オフチップ電子系への接続を提供する。
特許法に準拠し、当業者に対し、本新規な原理を適用し、必要とされるような特殊な部品を構成し、使用するのに必要な情報を提供するため、本明細書に本発明を相当に詳細に記載した。しかし、本発明は、詳細には異なる機器およびデバイスによって実施することもでき、機器の詳細および作動手順のいずれに関しても、本発明そのものの範囲を逸することなく、種々の変形を達成できるということが理解されよう。

Claims (11)

1. ａ）焦点面アレイ（１１０）と、
   ｂ）第一の熱伝導性付着手段（１１２）によって焦点面アレイ（１１０）に取り付けられた散熱体（１２０）と、
   ｃ）第二の熱伝導性付着手段（１２２）によって散熱体（１２０）に取り付けられた、上板（１３２）を有する熱電冷却装置（１３０）と、
   ｄ）熱電冷却装置（１３０）に熱的に接地された、焦点面アレイ（１１０）に取り付けられた少なくとも一つのリード線（１８０）と、
   を含み、
   第一の熱伝導性付着手段（１１２）の熱伝導率が第二の熱伝導性付着手段（１２２）の熱伝導率よりも高いことを特徴とする、温度安定化装置を有する焦点面アレイ（１１０）。
2. 少なくとも一つのリード線（１８０）がケイ素棒（１４０）によって熱電冷却装置（１３０）に熱的に接地されている請求項１記載の焦点面アレイ（１１０）。
3. ａ）窓（１５４）および少なくとも一つの気密封止された電気貫通接続孔（１５２）をさらに含む真空ハウジング（１５０）と、
   ｂ）真空ハウジング（１５０）の中に囲い込まれたチップ上に集積されたマイクロボロメータ焦点面アレイ（１１０）であって、放射線がマイクロボロメータ焦点面アレイ（１１０）に当たるように窓（１５４）の下方に設けられたマイクロボロメータ焦点面アレイ（１１０）と、
   ｃ）第一の熱伝導性付着手段（１１２）によってマイクロボロメータ焦点面アレイ（１１０）に取り付けられた散熱体（１２０）と、
   ｄ）散熱体（１２０）および第一の熱伝導性付着手段（１１２）よりも熱伝導性が低い第二の熱伝導性付着手段（１２２）によって散熱体（１２０）に取り付けられた上板（１３２）を有する熱電冷却装置（１３０）と、
   ｅ）第三の熱伝導性付着手段（１４２）によって上板に取り付けられた少なくとも一つの熱分路（１４０）と、
   ｆ）少なくとも一つの熱分路（１４０）それぞれに熱的に接地された少なくとも一つのリード線（１８０）であって、第一端がマイクロボロメータ焦点面アレイ（１１０）に付き、第二端が少なくとも一つの気密封止された電気貫通接続孔（１５２）のそれぞれに付く少なくとも一つのリード線（１８０）と、
   を含むことを特徴とする、マイクロボロメータ焦点面アレイ（１１０）の温度安定化装置。
4. 少なくとも一つの熱分路（１４０）がケイ素棒を含む請求項３記載の温度安定化装置。
5. 焦点面アレイ（１１０）を含む少なくとも一つの熱的に敏感な検出器（１１０）と、
   少なくとも一つの熱的に敏感な検出器（１１０）に熱的に結合された、温度を安定化させるための手段（１３０）と、
   温度安定化手段（１３０）に熱的に結合された少なくとも一つの熱分路（１４０）であって、少なくとも一つの熱的に敏感な素子（１１０）および電気端子（１８２）に電気的に接続された、熱的に安定化された電気信号を運ぶための手段を含む少なくとも一つの熱分路（１４０）と、
   第一の熱伝導性付着手段（１１２）によって少なくとも一つの熱的に敏感な素子（１１０）に取り付けられた散熱体（１２０）とを含み、
   散熱体（１２０）が、第二の熱伝導性付着手段（１２２）によって温度安定化手段（１３０）に結合され、第二の熱伝導性付着手段（１２２）が、散熱体（１２０）の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有し、
   第一の熱伝導性付着手段（１１２）の熱伝導率が第二の熱伝導性付着手段（１２２）の熱伝導率よりも高いことを特徴とする温度安定化装置。
6. 焦点面アレイ（１１０）がマイクロボロメータ焦点面アレイ（１１０）を含む請求項５記載の装置。
7. 真空ハウジング（１５０）をさらに含み、温度安定化装置が真空ハウジング（１５０）の中に取り付けられ、真空ハウジング（１５０）がさらに、放射線が焦点面アレイ（１１０）に当たるようにするために設けられた窓（１５４）を含む請求項６記載の装置。
8. 真空ハウジング（１５０）がさらに、それぞれの中間リード線（１８０）によって少なくとも一つの熱分路（１４０）に接続された少なくとも一つの気密封止された電気貫通接続孔（１５２）を含む請求項７記載の装置。
9. 少なくとも一つのリード線（１８０）およびそれぞれの中間リード線（１８０）が少なくとも一つの熱分路（１４０）にワイヤボンディングされている請求項８記載の装置。
10. 温度安定化手段（１３０）が、第一の熱伝導性付着手段（１１２）の熱伝導率と同じ熱伝導率を有する第三の熱伝導性付着手段（１４２）によって少なくとも一つの熱分路（１４０）に取り付けられている請求項７記載の装置。
11. 少なくとも一つの熱分路（１４０）がケイ素棒（１４０）を含む請求項５記載の装置。

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