RU2201640C2

RU2201640C2 - Light-emitting device

Info

Publication number: RU2201640C2
Application number: RU2001115904A
Authority: RU
Inventors: М.И. Свердлов; А.В. Степухович; Илья Вольфович ФАЙН
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Кантегир"
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2003-03-27

Abstract

FIELD: optoelectronics; infrared radiation sources for spectral optical analysis systems. SUBSTANCE: light-emitting device built around semiconductor light-emitting chips and designed for radiating in both visible and infrared ranges of spectrum has holder with external leads that mounts chips emitting light in visible range of spectrum; newly introduced in device are at least chips emitting light in infrared range of spectrum, insulating plate, and frigistor; chips emitting light in infrared range of spectrum, chips emitting light in visible range of spectrum, and thermistor are mounted on insulating plate which is disposed on frigistor coupled with holder. In addition light-emitting device has cover with outlet window connected to holder through sealed joint. External leads are made in the form of printed- circuit board. EFFECT: enhanced stability of radiation wavelengths with device operating in comprehensive temperature range. 3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а более конкретно к источникам инфракрасного излучения на основе полупроводниковых светодиодных кристаллов, предназначенным для использования в системах спектрального оптического анализа. The invention relates to the field of optoelectronics, and more particularly to sources of infrared radiation based on semiconductor LED crystals, intended for use in spectral optical analysis systems.

Уже многие годы для исследования состава различных биологических объектов используется метод спектрального инфракрасного анализа. При этом, особенно в последнее время, все чаще вместо классической схемы разложения белого света на узкие спектральные полосы делаются попытки в аппаратуре для такого анализа использовать полупроводниковые источники излучения с заданной узкой спектральной полосой, такие как светодиоды и лазерные диоды, что позволяет существенно уменьшить габариты такой аппаратуры и ее стоимость. С одной стороны, в зависимости от объекта исследования (особенностей спектров пропускания и отражения) требуется набор определенных дискретных длин волн излучения, с другой стороны, необходимо, чтобы соответствующие источники излучения были запакованы в герметичный миниатюрный корпус. Создание таких миниатюрных источников излучения с заданным распределением (набором) длин волн излучения является в настоящее время весьма актуальной задачей, в частности, например, для таких применений, как внеинвазивные методы анализа химического состава различных биологических объектов. For many years, the method of spectral infrared analysis has been used to study the composition of various biological objects. Moreover, especially recently, more and more often instead of the classical scheme of decomposition of white light into narrow spectral bands, attempts are being made in the apparatus for such analysis to use semiconductor radiation sources with a given narrow spectral band, such as LEDs and laser diodes, which can significantly reduce the dimensions of such equipment and its cost. On the one hand, depending on the object of study (the characteristics of the transmission and reflection spectra), a set of certain discrete radiation wavelengths is required; on the other hand, it is necessary that the corresponding radiation sources are packed in a sealed miniature case. The creation of such miniature radiation sources with a given distribution (set) of radiation wavelengths is currently a very urgent task, in particular, for example, for applications such as non-invasive methods for analyzing the chemical composition of various biological objects.

Известна, например, конструкция светодиодных источников излучения (см. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В.И. Иванов. А.И. Аксенов. А.М. Юшин - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448 с. : ил.), в которой полупроводниковый светоизлучающий кристалл размещен в герметичном пластмассовом или металлостеклянном корпусе с проволочными выводами. При этом светодиоды АЛС331А и 3ЛС331А, изготовленные с использованием двухпереходной эпитаксиальной структуры, могут излучать свет на двух длинах волн - 0,56 мкм (зеленый цвет) и 0,7 мкм (красный цвет), в зависимости от подключения к питанию тех или иных выводов светодиода. К достоинствам этих светодиодных излучателей можно отнести возможность излучения света на двух длинах волн и миниатюрный герметичный корпус. Недостатками же являются невозможность излучения света в других диапазонах длин волн, в том числе в инфракрасной области спектра, отсутствие системы стабилизации температуры и небольшая мощность излучения (несколько десятых мкд). Причем последнее обстоятельство, связанное вероятнее всего с тем, что оба источника света (0,56 мкм и 0,7 мкм) физически находятся в одном кристалле, делает такую конструкцию бесперспективной для создания источников излучения с достаточно широким набором длин волн излучения. Known, for example, the design of LED radiation sources (see Semiconductor optoelectronic devices: Reference / V.I. Ivanov. A.I. Aksenov. A.M. Yushin - 2nd ed., Revised and additional - M .: Energoatomizdat, 1988. - 448 p.: Ill.), In which a semiconductor light-emitting crystal is placed in a sealed plastic or metal-glass case with wire leads. In this case, the ALS331A and 3LS331A LEDs manufactured using a two-junction epitaxial structure can emit light at two wavelengths - 0.56 μm (green color) and 0.7 μm (red color), depending on the connection of power to one or another of the conclusions LED. The advantages of these LED emitters include the ability to emit light at two wavelengths and a miniature sealed enclosure. The disadvantages are the inability to emit light in other wavelength ranges, including in the infrared region of the spectrum, the absence of a temperature stabilization system and a small radiation power (several tenths of a microde). Moreover, the latter circumstance, most likely due to the fact that both light sources (0.56 μm and 0.7 μm) are physically in the same crystal, makes this design unpromising for creating radiation sources with a sufficiently wide range of radiation wavelengths.

Наиболее перспективной конструкцией с этой точки зрения является конструкция с матричным расположением отдельных светоизлучающих кристаллов. Например, известна конструкция матрицы светоизлучающих диодов (см. заявку Японии 7001804, опубл. 15.02.89 г., МКИ 6 H 01 L 33/00), которая содержит ряд отдельных светоизлучающих элементов, выстроенных с зазором в виде прямой линии на пластине. Однако именно однорядное расположение светоизлучающих кристаллов в этом приборе является одним из существенных недостатков этой конструкции, так как ограничивает использование такого светоизлучающего прибора, например в случае, когда необходимо использование квазиточечного источника излучения. Кроме того, в этой конструкции также отсутствуют элементы стабилизации температуры. The most promising design from this point of view is a design with a matrix arrangement of individual light-emitting crystals. For example, a known design of a matrix of light emitting diodes (see Japanese application 7001804, publ. 15.02.89, MKI 6 H 01 L 33/00), which contains a number of individual light emitting elements arranged with a gap in the form of a straight line on the plate. However, it is precisely the single-row arrangement of light-emitting crystals in this device that is one of the significant drawbacks of this design, since it limits the use of such a light-emitting device, for example, in the case when it is necessary to use a quasi-point radiation source. In addition, this design also lacks elements of temperature stabilization.

Известна конструкция светоизлучающего прибора (см. заявку Японии 6091285, опубл. 10.03.89 г., MКИ 6 H 01 L 33/00 - прототип), который содержит светоизлучающий кристалл красного цвета свечения, светоизлучающий кристалл зеленого цвета свечения и светоизлучающий кристалл синего цвета свечения. Светоизлучающие кристаллы прикреплены к держателю, имеющему внешние проволочные выводы, одной стороной, а электрическое соединение второй стороны каждого светоизлучающего кристалла с соответствующим внешним выводом обеспечивается тонкой соединительной проволочкой. Светоизлучающие кристаллы и держатель объединены в единое целое формованием оптически прозрачной смолой. A known design of a light-emitting device (see Japan application 6091285, publ. 10.03.89, MKI 6 H 01 L 33/00 - prototype), which contains a red light emitting crystal, a green light emitting crystal and a blue light emitting crystal . Light-emitting crystals are attached to the holder having external wire leads on one side, and the electrical connection of the second side of each light-emitting crystal with a corresponding external terminal is provided by a thin connecting wire. The light emitting crystals and the holder are combined into a single unit by molding an optically transparent resin.

Этот светоизлучающий прибор также имеет ряд недостатков. Во-первых, значения длин волн излучения содержащихся в нем светоизлучающих кристаллов ограничены видимым диапазоном спектра (красный, зеленый и синий свет), и отсутствует излучение в инфракрасной области спектра. Конструкция прибора не обеспечивает стабильности значений длин волн излучения при работе прибора в широком диапазоне температур, так как в приборе отсутствуют элементы температурной стабилизации, необходимые для стабилизации длины волны излучения в силу действия известной зависимости длины волны излучения светоизлучающих кристаллов от температуры. Герметизация прибора методом формования оптически прозрачной смолой также имеет свои недостатки. Например, при неидеальном совпадении коэффициентов термического расширения элементов конструкции прибора и формующей смолы, при изменении температуры окружающей среды могут происходить обрывы проволочек, которыми обеспечивается электрическое соединение светоизлучающих кристаллов с внешними выводами, и, как следствие, потеря электрического контакта или отрывы светоизлучающих кристаллов от держателя. This light emitting device also has several disadvantages. First, the wavelengths of the radiation of the light emitting crystals contained in it are limited by the visible range of the spectrum (red, green and blue light), and there is no radiation in the infrared region of the spectrum. The design of the device does not ensure the stability of the values of the radiation wavelengths when the device is operated in a wide temperature range, since the device does not have the elements of temperature stabilization necessary to stabilize the radiation wavelength due to the known temperature dependence of the radiation wavelength of light-emitting crystals. Sealing the device by forming with an optically transparent resin also has its drawbacks. For example, if the thermal expansion coefficients of the structural elements of the device and the forming resin do not coincide ideally, when the ambient temperature changes, wire breaks can occur, which ensure the electrical connection of the light-emitting crystals with external terminals, and, as a result, loss of electrical contact or detachment of the light-emitting crystals from the holder.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание светоизлучающего прибора с набором длин волн излучения как в видимой, так и в инфракрасной областях спектра, конструкция которого обеспечивает стабильность длин волн излучения при работе светоизлучающего прибора в широком диапазоне температур. The invention consists in the following. The problem to which the claimed invention is directed, is to create a light emitting device with a set of radiation wavelengths in both the visible and infrared spectral regions, the design of which ensures the stability of radiation wavelengths when the light emitting device operates in a wide temperature range.

Данный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный светоизлучающий прибор, включающий держатель с внешними выводами и закрепленные на нем светоизлучающие кристаллы, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, содержит дополнительные светоизлучающие кристаллы, по крайней мере один, излучающие свет в инфракрасном диапазоне спектра, терморезистор, изолирующую плату и термохолодильник, причем светоизлучающие кристаллы, излучающие свет в инфракрасном диапазоне спектра, светоизлучающие кристаллы, излучающие свет в видимом диапазоне спектра, и терморезистор закреплены на изолирующей плате, которая расположена на термохолодильнике, соединенном с держателем. This technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that the known light-emitting device, including a holder with external terminals and mounted on it light-emitting crystals that emit light in the visible range of the spectrum, contains additional light-emitting crystals, at least one that emits light in the infrared range of the spectrum, a thermistor, an insulating board and a thermo-refrigerator, wherein light-emitting crystals, emitting light in the infrared range of the spectrum, light-emitting crystals, emitting light in the visible range of the spectrum, and the thermistor is mounted on an insulating board, which is located on the thermo-refrigerator connected to the holder.

Кроме того, светоизлучающий прибор содержит крышку с выходным окном, герметично соединенную с держателем; внешние выводы изготовлены в виде печатной платы. In addition, the light-emitting device includes a cover with an exit window, hermetically connected to the holder; external conclusions are made in the form of a printed circuit board.

На чертеже представлен разрез изображения заявляемого светоизлучающего прибора в соответствии с предлагаемым техническим решением. The drawing shows a sectional image of the inventive light-emitting device in accordance with the proposed technical solution.

Приняты следующие обозначения:
1 - держатель,
2 - термохолодильник,
3 - изолирующая плата,
4 - светоизлучающие кристаллы,
5 - терморезистор,
6 - соединительная проволочка,
7 - контактные площадки,
8 - крышка,
9 - выходное окно,
10 - металлизированные отверстия для присоединения внешних выводов,
11 - печатная плата.The following notation is accepted:
1 - holder
2 - thermo-refrigerator,
3 - insulating board,
4 - light emitting crystals,
5 - thermistor,
6 - connecting wire,
7 - contact pads,
8 - cover
9 - output window
10 - metallized holes for attaching external terminals,
11 - printed circuit board.

Несущей основой всей конструкции является печатная плата 11, к которой с тыльной стороны, коаксиально с отверстием в плате, припаян держатель 1. К держателю 1 изнутри припаян термохолодильник 2, предназначенный для поддержания необходимой заданной температуры внутри корпуса прибора. На термохолодильник 2 крепится изолирующая плата 3, на которой размещены светоизлучающие кристаллы 4 и терморезистор 5. На изолирующей плате 3 металлизированными шинами специальным образом сформированы токоведущие дорожки между контактными площадками, на которые крепятся светоизлучающие кристаллы 4 или разваривается соединительная проволочка 6, что позволяет использовать кристаллы с разным типом проводимости подложки. Последнее обстоятельство дает возможность существенно расширить номенклатуру используемых кристаллов по их параметрам - длине волны излучения, мощности излучения, току потребления, размерам кристаллов и др. На изолирующей плате 3 также предусмотрена разводка и место крепления для терморезистора 5, сигнал от которого используется для управления током термохолодильника 2 и установления, тем самым, необходимой температуры светоизлучающих кристаллов 4. Светоизлучающие кристаллы 4 и контактные площадки 7 на изолирующей плате 3 с помощью тонкой соединительной проволочки 6 электрически соединяются с контактными площадками 7 на печатной плате 11. Более толстые проволочные выводы от термохолодильника 2 также распаиваются на соответствующие контактные площадки 7. Контактные площадки 7 с помощью металлизированных дорожек соединены на печатной плате 11 с металлизированными отверстиями 10, предназначенными для подсоединения внешних выводов. Та часть прибора, внутри которой размещены светоизлучающие кристаллы 4, накрывается крышкой 8, изготовленной во избежание закороток металлизированных дорожек из изолирующего материала или имеющей изолирующее покрытие. В верхней части крышки 8 крепится прозрачное выходное окно 9 для вывода излучения. The supporting base of the whole structure is a printed circuit board 11, to which the holder 1 is soldered coaxially with the hole in the board 1. The thermo-cooler 2 is soldered to the holder 1 from the inside, designed to maintain the required temperature inside the device. An insulating board 3 is mounted on the thermo-refrigerator 2, on which light-emitting crystals 4 and a thermistor 5 are placed. On the insulating board 3, conductive tracks are formed in a special way between the contact pads on which the light-emitting crystals 4 are mounted or the connecting wire 6 is welded, which allows the use of crystals with different types of substrate conductivity. The latter circumstance makes it possible to significantly expand the range of crystals used in terms of their parameters - radiation wavelength, radiation power, current consumption, crystal sizes, etc. The insulating board 3 also provides wiring and a mounting location for a thermistor 5, the signal from which is used to control the current of the thermo refrigerator 2 and thereby establishing the required temperature of the light emitting crystals 4. The light emitting crystals 4 and the contact pads 7 on the insulating board 3 using thinly of the connecting wire 6 are electrically connected to the contact pads 7 on the printed circuit board 11. The thicker wire leads from the thermo-refrigerator 2 are also soldered to the corresponding contact pads 7. The contact pads 7 are connected on the printed circuit board 11 with metallized holes 10 for connecting external findings. The part of the device inside which the light-emitting crystals 4 are placed is covered with a lid 8, made to avoid short-circuits of metallized tracks of insulating material or having an insulating coating. In the upper part of the lid 8, a transparent exit window 9 is mounted for outputting radiation.

Число светоизлучающих кристаллов в приборе может быть любым и определяется техническими задачами и технологическими возможностями. The number of light-emitting crystals in the device can be any and is determined by technical tasks and technological capabilities.

Работа прибора осуществляется следующим образом. По токоведущим дорожкам на печатной плате к каждому светоизлучающему кристаллу 4 подается напряжение питания от специальных драйверов. Другой специальный драйвер подсоединяется к термохолодильнику 2 и терморезистору 5. В результате этого каждый светоизлучающий кристалл 4 начинает излучать свет. В силу заданных свойств светоизлучающих кристаллов 4 каждый из них излучает свет с характерной только для данного светоизлучающего кристалла длиной волны. Излучение от каждого светоизлучающего кристалла 4 выходит через выходное, прозрачное для всех излучаемых длин волн окно 9 в крышке 8 светоизлучающего прибора. Повышение температуры светоизлучающих кристаллов 4 в результате прохождения через них тока приводит к увеличению длины волны излучения каждого светоизлучающего кристалла 4 и одновременно к изменению тока через терморезистор 5. Изменение тока через терморезистор 5 является управляющим сигналом для драйвера, регулирующего работу термохолодильника 2, который как правило устроен так, что увеличение температуры внутри корпуса светоизлучающего прибора приводит к началу работы термохолодильника 2, в результате чего температура восстанавливается и принимает заранее заданное значение. The operation of the device is as follows. The current paths on the printed circuit board to each light-emitting crystal 4 is supplied with voltage from special drivers. Another special driver is connected to thermo-refrigerator 2 and thermistor 5. As a result, each light-emitting crystal 4 begins to emit light. Due to the specified properties of the light-emitting crystals 4, each of them emits light with a wavelength that is characteristic only for a given light-emitting crystal. The radiation from each light-emitting crystal 4 exits through the output window 9 transparent to all the emitted wavelengths in the cover 8 of the light-emitting device. An increase in the temperature of the light-emitting crystals 4 as a result of the passage of current through them leads to an increase in the radiation wavelength of each light-emitting crystal 4 and, simultaneously, to a change in the current through the thermistor 5. A change in the current through the thermistor 5 is a control signal for the driver that regulates the operation of the thermo-refrigerator 2, which is usually arranged so that an increase in temperature inside the body of the light-emitting device leads to the start of operation of the thermo-refrigerator 2, resulting in It is received and takes a predetermined value.

Было изготовлено несколько штук светоизлучающих приборов согласно заявляемому техническому решению. Светоизлучающий прибор содержал восемь кристаллов, излучающих свет на следующих длинах волн: 630 нм, 675 нм, 710 нм, 740 нм, 815 нм, 860 нм, 950 нм, 1310 нм. Мощность излучения каждого светоизлучающего кристалла составляла 1 мВт. Соответствующий рабочий ток для каждого светоизлучающего кристалла имел значения, приведенные в таблице. It was made several pieces of light-emitting devices according to the claimed technical solution. The light emitting device contained eight crystals emitting light at the following wavelengths: 630 nm, 675 nm, 710 nm, 740 nm, 815 nm, 860 nm, 950 nm, 1310 nm. The radiation power of each light emitting crystal was 1 mW. The corresponding operating current for each light-emitting crystal had the values given in the table.

Напряжение питания термохолодильника составляло 0,5 В. Максимальный рабочий ток термохолодильника составлял 1,5 А. Сопротивление терморезистора составляло 3 кОм. Точность поддержания температуры была равна 0,2^oС.The supply voltage of the thermo-refrigerator was 0.5 V. The maximum operating current of the thermo-refrigerator was 1.5 A. The resistance of the thermistor was 3 kΩ. The accuracy of maintaining the temperature was equal to 0.2 ^o C.

Claims

1. A light-emitting device, including a holder with external terminals and mounted on it light-emitting crystals that emit light in the visible range of the spectrum, characterized in that it contains additional light-emitting crystals, at least one that emits light in the infrared range of the spectrum, a thermistor, insulating a circuit board and a thermo-refrigerator, moreover, light-emitting crystals emitting light in the infrared range of the spectrum, light-emitting crystals emitting light in the visible range of the spectrum, and a thermistor are replicated on an insulating board, which is located on a thermo-refrigerator connected to the holder.

2. The light emitting device according to claim 1, characterized in that it further comprises a cover with an exit window, hermetically connected to the holder.

3. The light emitting device according to claim 1, characterized in that the external terminals are made in the form of a printed circuit board.