DE102004002164A1 - Strahlungsdetektor, Sensormodul mit einem Strahlungsdetektor und Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor, ein Verfahren zu seiner Herstellung und ein Sensormodul mit einem Strahlungsdetektor. DOLLAR A Um einen sicheren, stabilen, einfachen und kostengünstig herstellbaren Aufbau zu ermöglichen, weist der Strahlungsdetektor (26) auf: DOLLAR A einen Thermopile-Chip (2) mit einer Membran (4), einer unter der Membran ausgebildeten ersten Kavität (5), einer auf der Membran ausgebildeten Thermopile-Struktur (6) und einem auf der Thermopile-Struktur aufgetragenen Absorberschicht (9), DOLLAR A einen Kappen-Chip (14), der auf seiner Unterseite (15) eine zweite Kavität (16) aufweist und auf dem Thermopile-Chip befestigt ist, derartig, dass die Membran mit der Thermopile-Struktur und der Absorber-Schicht (9) zwischen der ersten Kavität (5) und der zweiten Kavität (16) angeordnet ist, und ein auf dem Kappen-Chip (14) über eine Klebstoffschicht (20) definierter Schichtdicke (d) befestigtes Filterplättchen (23) zur Transmission von Infrarot-Strahlung (S) eines definierten Wellenlängenbereichs. DOLLAR A Hierbei können in der Klebstoffschicht (20) Abstandsmittel, z. B. Spacer (29) (29) oder Abstandshalter für die definierte Schichtdicke (d) vorgesehen sein.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor zur Messung von Infrarot-Strahlung, ein Sensormodul mit einem derartigen Strahlungsdetektor und ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors.
• Zur Messung einer Gaskonzentrationen eines Einzelgases kann die Absorption von infraroter Strahlung (IR-Strahlung) eines bestimmten Wellenlängenbereichs durch die Gasmoleküle des betreffenden Einzelgases über eine Messstrecke gemessen werden. Hierzu wird eine IR-Strahlungsquelle und ein Strahlungsdetektor verwendet, der der IR-Strahlungsquelle über die Messstrecke gegenüberliegt und in einem Sensormodul aufgenommen sein kann. Der Strahlungsdetektor weist hierbei im Allgemeinen in Plättchenform ausgebildete Filterelemente auf, die über einer Thermopile-Struktur mit einer Absorberschicht angebracht sind. Die Filterelemente legen hierbei den Wellenlängenbereich und somit das zu messende Einzelgas fest. Die durch den Strahlungsfilter des Filterelementes hindurchtretende Infrarot- Strahlung trifft auf die Absorberschicht und wird dort in Wärme umgewandelt, welche von der Thermopile-Struktur als Thermospannung gemessen werden kann. Die Thermopile-Struktur ist hierbei im Allgemeinen auf einer Membran eines Sensor-Chips aufgebracht und kann über eine Kontaktierung mit dem Sensormodul ausgelesen werden. Hierbei sind zum einen Sensormodule bekannt, die ein metallisches Gehäuse aufweisen, auf dessen Gehäuseboden der Thermopile-Chip sitzt, wobei die Filterplättchen in die Innenseite der Metallkappe des Metallgehäuses über Öffnungen geklebt sind.
• Ein derartiger Aufbau ist jedoch sehr aufwendig und kostspielig. Weiterhin ist der Thermopile-Chip nicht gekapselt, was die Vereinzelung des Chips durch einen Sägeprozess aus dem Wafer und auch die Montage und das Handling der Chips sehr kompliziert, aufwendig und kostspielig macht. Weiterhin ist die Klebemontage der Filterplättchen über eingebrachte Öffnungen in die Metallkappe sehr aufwendig. Um eine definierte Klebung zu erreichen, wird ein im Verhältnis zum genutzten optischen Bereich relativ großes Filterplättchen verwendet, was aufgrund seiner Größe wiederum entsprechend kostspielig in der Herstellung ist. Weiterhin ist eine erhebliche Größe der Filterplättchen auch notwendig, um Justagetoleranzen zwischen dem Sockel des metallischen Gehäuses mit den Thermopile-Chips und der Metallkappe mit den Filtern auszugleichen.
• Durch die Klebeverbindung der Filterchips in Metallgehäuse sind diese ansonsten durch die Schweißung hermetisch dichten Gehäuse an der Klebestelle nicht mehr hermetisch dicht, so dass für sicherheitsrelevante Anwendungen im Kfz-Bereich eine Passivierung der Drahtkontakte zwischen Thermopile und Gehäusekontakten notwendig wird. Eine Passivierung der zur Kontaktierung dienenden Drahtverbindungen zwischen dem in dem Gehäuse aufgenommenen Thermopile-Chip und den elektrischen Kontakten im Gehäuse zum Schutz gegen äußere Einflüsse ist hierbei im Allgemeinen nicht möglich, da das Passivierungsmittel – im Allgemeinen ein Gel – in den Strahlengang der Infrarot-Strahlung gelangen würde, der durch die Metallkappe mit dem Strahlungsfilter zu dem Thermopile-Chip führt.
• Der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor, das erfindungsgemäße Sensormodul und das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors weisen demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass ein stabiler und sicherer Aufbau mit relativ geringem Aufwand und geringen Herstellungskosten mit den Anforderungen an den Einsatz im Automobilbereich möglich ist.
• Erfindungsgemäß wird hierbei ein in Oberflächenmikromechanik hergestellter Thermopile-Chip mit einem Kappen-Chip hermetisch bzw. Vakuum dicht verschlossen und ein Filterplättchen direkt auf diese Kappe mit einem im relevanten Infrarot-Wellenlängenbereich hochtransparenten Klebstoff geklebt. Hierbei wird eine Klebstoffschicht definierter Schichtdicke ausgebildet.
• Als Filterplättchen kann insbesondere ein weiterer Chip mit einer auf seiner Ober- und/oder Unterseite ausgebildeten Filterstruktur verwendet werden. Die definierte Schichtdicke wird vorteilhafterweise über Abstandsmittel erreicht, die zum einen in die Klebstoffschicht eingebrachte Spacer – z. B. Glaskügelchen, Glasrollen oder definierte Körner bzw. Kristallite sein können, oder eine auf der Oberseite des Kappen-Chips ausgebildete Struktur von Abstandshaltern, die den Strahlengang durch das Filterplättchen und den Kappen-Chip nicht beeinflussen.
• Die Chips sind vorteilhafterweise aus Silizium, das in dem relevanten Infrarot-Wellenbereich hochtransparent ist; entsprechend ist auch die Verwendung von Silizium-Germanium-Chips usw. möglich.
• Durch die gekapselte Ausbildung des Strahlungsdetektors wird die Ausbeute im Sägeprozess aus dem Wafer bzw. den Wafern und das Handling bzw. die Montage deutlich vereinfacht. Hierbei können die Thermopile-Chips, Kappen-Chips und ggf. auch die Filter-Chips in verschiedenen Wafern gefertigt, ausgesägt und nachfolgend aufeinander gesetzt werden.
• Die Verbindung zwischen dem Thermopile-Chip und dem Kappen-Chip wird vorteilhafterweise durch eine Bond-Verbindung, z. B. eine Sealglas-Verbindung, erreicht, die eine hochfeste und vakuumdichte Verbindung bildet, wobei ggf. hierbei erzeugte mechanische Spannungen zwischen dem Thermopile-Chip und dem Kappen-Chip vernachlässigbar klein sind. Die für die Transmission der Strahlung und damit für die Funktion des Aufbaus empfindliche Verbindung zwischen dem Filterplättchen und dem Kappen-Chip wird durch die definierte Klebstoffschicht ausgebildet.
• Der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor kann in einem Standard-Bestückungsverfahren in ein Gehäuse, vorteilhafterweise ein Premold-Gehäuse eingesetzt werden. Es ist somit eine Herstellung mit einem Standard-Bestückungsverfahen und geringen Kosten möglich. Weiterhin entfällt ein Klebeprozess von Filterplättchen in eine Metallkappe und Justage zu einem Thermopile-Chip. Durch die direkte Chip-zu-Chip-Klebung des Filterplättchens auf den Kappen-Chip ist ein einfacher Klebeprozess und eine einfache Justage des Filterplättchens möglich.
• Erfindungsgemäß kann das Filterplättchen sehr klein gewählt werden, so dass die Herstellungskosten weiterhin gering gehalten werden.
• Durch den erfindungsgemäßen gekapselten Stapelaufbau bzw. Schichtaufbau kann das Filterplättchen direkt mittels einer Klebeschicht auf den Kappen-Chip geklebt werden, wodurch eine vorteilhafte Integration des Strahlungsfilters möglich ist, ohne eine Verbindung eines Filters mit den Sealglas-Verbindungen direkt über der Thermopile-Struktur vornehmen zu müssen, die aufgrund der hohen Temperaturen für den Sealglas-Prozess und der Inkompatibilität der Filter für hohe Temperaturen nicht möglich oder sehr aufwendig ist und zu Spannungsrissen in den Filterschichten führen würde.
• Da der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor in sich gekapselt ist, d.h. der Innenaufbau sich durch die hermetisch dichte Sealglasverbindung in einem Vakuum befindet, kann er in ein Premold-Gehäuse eingesetzt werden, dass mit relativ geringen Herstellungskosten in gewünschter Weise ausgebildet werden kann. Zur Passivierung der den Sensorchip kontaktierenden Drahtbonds kann ein Passivierungsmittel, z. B. ein Gel, eingefüllt werden, dass die Funktionsfähigkeit des gekapselten Strahlungsdetektors nicht beeinflusst.
• Die partielle Passivierung der Drahtbonds kann aufgrund des geschlos senen Chip-Aufbaus und der großen Höhe zwischen Bondbereich und Filteroberfläche ohne Kontamination der Filteroberfläche erreicht werden.
• Weiterhin können erfindungsgemäß der Prüfaufwand und die Prüfkosten gering gehalten werden, da eine Funktionsprüfung des Strahlungsdetektors in einem offenen Gehäuse möglich ist und – z. B. bei defekten Drahtverbindungen – eine Reparatur durchgeführt werden kann.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Schnitt durch einen Strahlungsdetektor gemäß einer Ausführungsform als Stapel von drei Chips mit mittels Klebstoff aufgeklebtem Filterchip;
• 2 einen Schnitt durch einen Strahlungsdetektor einer weiteren Ausführungsform mit in den Klebstoff eingebrachten Spacern;
• 3 einen Schnitt durch einen Strahlungsdetektor gemäß einer weiteren Ausführungsform mit in der Kappe ausgebildeten Abstandshaltern;
• 4 eine Draufsicht auf den Kappen-Chip des Strahlungsdetektors der 3;
• 5 einen Schnitt durch ein Sensormodul mit einem Premold-Gehäuse und einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor.
• Ein Strahlungsdetektor 1 weist einen unteren Silizium-Chip 2 mit einer an seiner Oberseite 3 ausgebildeten Membran 4 und unterhalb der Membran 4 durch Unterätzen ausgebildeten ersten Kavität 5 auf. Auf der Membran 4 ist eine Thermopile-Struktur 6 mit einer Absorberschicht ausgebildet, die an sich bekannt sind und z. B. durch mindestens zwei kontaktierte, leitfähige Bahnen aus unterschiedlichen Materialien, z. B. Metall und Poly-Silizium (polykristallinem Silizium) hergestellt sind. Bei Auftreffen von Infrarot-(IR)-Strahlung auf die Absorberschicht 9 erwärmt sich diese, was nach dem Seebeck-Effekt zu einer Thermospannung in der Thermopile-Struktur 6 führt, die als analoges elektrisches Signal ausgelesen werden kann.
• Auf der Oberseite 3 des unteren Silizium-Chips 2 ist über eine um die Membran 4 herum ausgebildete Sealglas-Verbindung 12 aus einem Bond-Mittel, z. B. einem Bleioxid, ein mittlerer Silizium-Chip als Kappen-Chip 14 mit einer an seiner Unterseite 15 ausgebildeten zweiten Kavität 16 befestigt. Die freitragende Membran 4 mit der Thermopile-Struktur 6 und der Absorberschicht 9 ist somit von den beiden Kavitäten 5 und 16 umgeben. Der Bondprozess wird unter Vakuum durchgeführt, so dass innerhalb der Kavitäten ein Vakuum eingeschlossen wird.
• Auf der Oberseite 19 des Kappen-Chips 14 ist eine IR-transparente Klebstoffschicht 20 aufgebracht, auf der ein als Filterplättchen dienender Filterchip 23 aus Silizium befestigt ist. An der Oberseite und/oder Unterseite des Filterchips 23 ist hierbei eine Filterstruktur 24 und/oder 25, z. B. als dielektrischer Spiegel, ausgebildet, die lediglich IR-Strahlung eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs durchlässt. Von oben auftreffende IR-Strahlung S tritt somit durch den als Filterchip 23, die von der definierten Schichtdicke d abhängige IR-transparente Klebstoffschicht 20, den Kappen-Chip 14 in die obere – zweite – Kavität 16 auf die Absorberschicht 9.
• Bei dem Strahlungsdetektor 26 der 2 sind gegenüber dem Strahlungsdetektor 1 der 1 ergänzend in der Klebstoffschicht 20 Spacer 29 eingebracht. Die Spacer können z. B. Glaskügelchen oder Kristallite, z. B. Alumina-Körner mit definiertem Durchmesser sein. Sie sind in der Klebstoffschicht 20 hinreichend dünn vorhanden, so dass bei Aufdrücken des als Filterplättchen dienenden oberen Silizium-Chips 23 die Spacer 29 sich verteilen und zwischen den Silizium-Chips 14 und 23 lediglich einzelne Spacer 29 ne beneinander, nicht jedoch übereinander liegen. Die Klebstoffdicke d entspricht somit dem Durchmesser der Spacer 29.
• Bei dem Strahlungsdetektor 31 der 3 sind gegenüber dem Strahlungsdetektor 1 der 1 zusätzlich an der Oberseite 19 des mittleren Silizium-Chips 14 durch Strukturierung Abstandshalter 32 ausgebildet, deren Höhe die Dicke d der Klebstoffschicht 20 bestimmen. Die Abstandshalter 32 sind hierbei seitlich neben der Thermopile-Struktur 6 und dem Absorber 9 ausgebildet und beeinflussen somit die einfallende IR-Strahlung S nicht, wie insbesondere aus der Draufsicht der 4 ersichtlich ist, in der die Umrisse der Chips 23, 14 gestrichelt eingezeichnet sind.
• Die in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen stellen hierbei Varianten der Erfindung dar, in denen der Filter-Chip 23 definiert und reproduzierbar angebracht werden kann.
• Die Ausführungsform der 5 zeigt ein Detektormodul 40 mit einem Premold-Gehäuse 41 und einem in das Premold-Gehäuse 41 eingespritzten Leadframe 42. Auf einem Boden 45 des Premold-Gehäuses 41 ist im Innenraum 46 des Premold-Gehäuses 41 über eine Klebstoffschicht 49 ein Sockel 50 aus z. B. Silizium befestigt, auf dem über eine weitere Klebstoffschicht 52 ein Strahlungsdetektor 1 oder 26 oder 31 der Ausführungsformen 1 bis 3 befestigt ist, der die Silizium-Chips 2, 14 und 23 aufweist. Hierbei ist der Thermopile-Chip 2 über Drahtbonds 54 mit dem Leadframe 42 kontaktiert, so dass die bei Absorption der IR-Strahlung S erzeugte Thermospannung an der Thermopile-Struktur 6 elektrisch ausgelesen werden kann. Auf dem Premold-Gehäuse 41 ist eine Kappe 56 mit einer zentralen Öffnung 59 zum Durchlassen der IR-Strahlung S aufgesetzt und befestigt, z. B. geklebt oder gelötet oder mittels Heißverstemmen des Kunststoffrandes, wodurch der Innenraum 46 und der Strahlungsdetektor 1 geschützt werden. In dem Innenraum 46 ist als Passivierung z. B. ein Gel angebracht, durch das alle Drahtbonds 54 vergossen werden, die Chipoberfläche mit der Filterstruktur 24 a ber gelfrei bleibt. Als Stoppkanten für die Passivierung können ein oder mehrere gehäuseseitige Stoppkanten 60 dienen, z. B. eine Stoppkante auf Höhe oder unterhalb des Filter-Chips 23.

Claims (15)

1. Strahlungsdetektor, der aufweist: einen Thermopile-Chip (2) mit einer Membran (4), einer unter der Membran (4) ausgebildeten Kavität (5), einer auf der Membran ausgebildeten Thermopile-Struktur (6) und einem auf der Thermopile-Struktur (6) aufgetragenen Absorberschicht (9), einen Kappen-Chip (14), der auf seiner Unterseite (15) eine zweite Kavität (16) aufweist und auf dem Thermopile-Chip (2) befestigt ist derartig, dass die Membran (4) mit der Thermopile-Struktur (6) und der Absorber-Schicht (9) zwischen der ersten Kavität (5) und der zweiten Kavität (16) angeordnet ist, und ein auf dem Kappen-Chip (14) über eine Klebstoffschicht (20) definierter Schichtdicke (d) befestigtes Filterplättchen (23) zur Transmission von Infrarot-Strahlung (S) eines definierten Wellenlängenbereichs.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterplättchen (23) ein Chip (23) mit einer Filterstruktur (24, 25) ist.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kappen-Chip (14) auf dem Thermopile-Chip (2) über eine Vakuum dichte Bond-Verbindung (12) befestigt ist.
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bond-Verbindung eine Sealglas-Verbindung (12), z. B. aus Bleioxid, ist.
5. Strahlungsdetektor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kappen-Chip (14) und den Fil terplättchen (23) Abstandsmittel (29, 32) zur Ausbildung der definierten Schichtdicke (d) der Klebstoffschicht (20) vorgesehen sind.
6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmittel in der Klebstoffschicht (20) aufgenommene Spacer (29) sind.
7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmittel auf der Oberseite (19) des Kappen-Chips (14) in einem Bereich seitlich um die Thermopile-Struktur (6) herum durch Strukturierung ausgebildete Abstandshalter (32) sind.
8. Sensormodul mit einem Premold-Gehäuse (41), einem in dem Premold-Gehäuse (41) eingespritzten Leadframe (42), einem in einem Innenraum (46) des Premold-Gehäuses (41) angebrachten Sockel (50), einem auf dem Sockel (50) angebrachten Stahlungsdetektor (1, 26, 31) nach einem der vorherigen Ansprüche, dessen Thermopile-Chip (2) über Drahtbonds (54) mit dem Leadframe (42) kontaktiert ist, und einer in oder auf dem Premold-Gehäuse (41) befestigten Kappe (56) mit einer Öffnung (59) zum Durchlassen von Infrarot-Strahlung (S) auf den Strahlungsdetektor (1, 26, 31).
9. Sensormodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (46) bis zu einer Stoppkante (60) mit einem Passivierungsmittel, z. B. einem Gel, gefüllt ist.
10. Sensormodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des mindestens einen Filterplättchens (24) frei von dem Passivierungsmittel ist.
11. Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens folgenden Schritten: Herstellen von Thermopile-Chips (2) mit einer Membran (4), einer unter der Membran (4) geätzten Kaverne (5), einer auf der Membran (4) ausgebildeten Thermopile-Struktur (6) und einer Absorberschicht (9), aus einem ersten Wafer, Herstellen von Kappen-Chips (14) mit einer Kaverne (16) aus einem zweiten Wafer, Herstellen von Filterplättchen (23) mit Filterstrukturen (24, 25) zum Durchlassen von Infrarot-Strahlung (S) eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs, Befestigen jeweils eines Kappen-Chips (14) auf einem Thermopile-Chip (2) mit einem Vakuum dichten Bond-Mittel (12) derartig, dass die Membran (4), die Thermopile-Struktur (6) und die Absorber-Schicht (9) zwischen der ersten Kaverne (5) und der zweiten Kaverne (16) angeordnet ist, und Befestigen des Filterplättchens (23) über eine Klebstoffschicht (20) definierter Schichtdicke (d) auf dem Kappen-Chip (14).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavernen (5, 16) durch Ätzen in den Chips (2, 14) ausgebildet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Filterplättchen (23) ein Filter-Chip (23) mit einer Filter-Struktur (24, 25) auf seiner Oberseite und/oder Unterseite hergestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Klebstoffschicht (20) ein Klebstoff verwendet wird, der Spacer (29) mit einem der Schichtdicke (d) entsprechenden Durchmesser aufweist, die Klebstoffschicht (20) auf den Kappen-Chip (14) aufgebracht wird und das Filterplättchen (24) auf die Klebstoff schicht (20) mit vorgegebener Einpresskraft aufgedrückt wird derartig, dass sich die Spacer (29) in der Klebstoffschicht (20) nebeneinander verteilen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (19) des Kappen-Chips (14) Abstandshalter (32) strukturiert werden.