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Dokumentenidentifikation DE602004003745T2 11.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001491868
Titel Gekühlter opto-elektrischer Detektor
Anmelder Samsung Electronics Co., Ltd., Suwon, Kyonggi, KR
Erfinder Hwang, In-duk, Suwon-si, Gyeonggi-do, KR;
Yoon, Gil-won, Seongdong-gu, Seoul, KR;
Jeon, Kye-jin, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, KR
Vertreter Patentanwälte Ruff, Wilhelm, Beier, Dauster & Partner, 70174 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 602004003745
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.04.2004
EP-Aktenzeichen 042520791
EP-Offenlegungsdatum 29.12.2004
EP date of grant 20.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse G01J 5/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 23/38(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F25B 21/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen opto-elektrischen Signaldetektor mit einer Kühlvorrichtung, die die Temperatur des opto-elektrischen Signaldetektors präzise regeln kann.

Sensoren für Infrarotstrahlung (IR) sind sehr empfindlich auf Temperaturen. Die Ansprechempfindlichkeit und Wellenlänge von IR-Sensoren kann selbst bei einer geringen Veränderung in der Temperatur schwanken. Daher kann akkurate Signalerfassung durch hochpräzise Regelung der Temperatur von IR-Sensoren erreicht werden. Ungekühlte Sensorbaugruppen vom TO-Typ, bei denen keine elektronischen Kühlmodule zur Temperaturregelung eingebaut sind, setzen ein indirektes Kühlsystem ein, indem eine separate Kühleinheit außerhalb der Sensoreinheiten installiert ist. Dementsprechend stehen Sensorbaugruppen vom TO-Typ mit der Oberfläche der Abkühleinheit unvollkommen in Kontakt und können daher Wärme nicht richtig zur Abkühleinheit übertragen. Ebenso ist in Sensorbaugruppen vom TO-Typ eine Temperaturmesssonde indirekt an einem Wärmeübertragungsblock befestigt und kann daher die Temperatur der Sensorbaugruppen vom TO-Typ nicht akkurat messen.

Zum Beispiel sind zum Messen der Konzentration von Glucose im Blut eines Menschen die Lichtquellen eines speziellen Bandes mit einem Wellenlängenband, das Glucose stark absorbiert, und einem Wellenlängenband, das Glucose schwach absorbiert, notwendig. Eine Sensorbaugruppe vom TO-Typ misst die Menge an vom menschlichen Körper reflektierten oder durchgelassenen Licht. Bei der statistischen Analyse einer Differenz zwischen den Lichtmengen in beiden Wellenlängenbändern, die von Glucose absorbiert werden, wird die Glucosekonzentration im menschlichen Körper berechnet.

Das Absorptionsspektrum schwankt jedoch sehr leicht mit einer Veränderung in der Glucosekonzentration. Dementsprechend muss eine Veränderung im Absorptionsspektrum aufgrund einer Veränderung in der Temperatur des Sensors geringer sein als eine aufgrund einer Veränderung in der Glucosekonzentration. Als Folge davon muss die Temperatur des Sensors präzise auf eine Solltemperatur eingestellt werden.

US-Patent Nr. 5,041,727 offenbart ein Spektrophotometer, bei dem eine Temperaturregeleinrichtung einen PbS-Nahinfrarotsensor vom TO-Typ bei einer Temperatur unter der Raumtemperatur hält. Das Spektrophotometer weist ein geschlossenes Gehäuse auf, in dem ein Temperaturmesselement im Bereich des PbS-Nahinfrarotsensors vom TO-Typ angeordnet ist. Dementsprechend muss das Spektrophotometer ferner ein unnötiges geschlossenes Gehäuse aufweisen. Beim Spektrophotometer ist ein elektronischer Kühlmodul unter dem Sensor angeordnet und folglich wird der Zustand der thermischen Kopplung des elektronischen Kühlmoduls an den Sensor vom TO-Typ verbessert. Weil jedoch eine Sensorsonde zum Überwachen der Temperatur des Sensors vom TO-Typ direkt auf einem Substrat des elektronischen Kühlmoduls angeordnet ist, kann die Temperatur des Sensors vom TO-Typ nicht akkurat erfasst werden.

US-Patent Nr. 6,509,520 offenbart einen thermoelektrischen Kühler für einen Infrarotdetektor. Der thermoelektrische Kühler und der Infrarotdetektor sind zwischen eine Keramikbaugruppe und ein Germaniumfenster eingeschlossen.

US-Patent Nr. 6,230,497 offenbart eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung und -regelung für eine Halbleiterschaltung. Die Vorrichtung umfasst eine mit einer Steuerung verbundene Kühleinrichtung. Die Kühleinrichtung umfasst eine Mehrzahl von thermoelektrischen Kühlerzellen.

Gemäß der Erfindung umfasst ein opto-elektrischer Signaldetektor eine Elektronikkühlvorrichtung mit einer ersten Platte auf einer Wärmeabsorptionsseite der Vorrichtung, eine zweite Platte auf der Wärmeemissionsseite der Vorrichtung in einem bestimmten Abstand unter der ersten Platte gelegen und eine Mehrzahl von thermo-elektrischen Kühlelementen, die zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet sind; einen Photosensor auf einer Oberseite der ersten Platte der Elektronikkühlvorrichtung installiert, wobei der Photosensor ein photoelektrisches Transformationselement so angeordnet aufweist, dass ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird; und einen Temperatursensor auf einer Unterseite der ersten Platte der Elektronikkühlvorrichtung installiert, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungsschichten zum elektrischen Verbinden von thermo-elektrischen Kühlelementen miteinander auf der Unterseite der ersten Platte ausgebildet sind und der Temperatursensor direkt mit den Leitungsschichten verbunden ist; der Photosensor ein Photosensor vom TO-Typ ist; und die erste und zweite Platte der Elektronikkühlvorrichtung eine Mehrzahl von Durchtritten aufweisen, durch die Leitungen des Photosensors hindurchtreten.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Photosensor einen Kopf, in den das photoelektrische Transformationselement eingebaut ist, eine Basis, die den Kopf trägt und eine Mehrzahl von Leitungen, die mit dem photoelektrischen Transformationselement elektrisch gekoppelt sind und sich von der Basis erstrecken.

Die vorliegende Erfindung stellt auf diese Weise einen opto-elektrischen Signaldetektor zur Verfügung, der die Temperatur eines Sensors vom TO-Typ effektiv regeln kann.

Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich aus einer ausführlichen Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:

1 eine schematische Perspektivansicht eines opto-elektrischen Signaldetektors gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

2 eine schematische Querschnittsansicht des opto-elektrischen Signaldetektors von 1 ist;

3 eine vergrößerte Ansicht von Teil A von 2 ist;

4 eine schematische Perspektivansicht einer Elektronikkühlvorrichtung ist, die im opto-elektrischen Signaldetektor von 1 verwendet ist;

5 eine vergrößerte Ansicht von Teil B von 4 ist; und

6A und 6B Draufsichten sind, die eine Unterseite einer ersten Platte bzw. eine Oberseite einer zweiten Platte der Elektronikkühlvorrichtung von 4 zeigen.

Die 1 und 2 sind eine schematische Perspektivansicht und eine schematische Querschnittsansicht eines opto-elektrischen Signaldetektors gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Mit Bezug zu den 1 bis 3 ist ein optischer Sensor vom TO-Typ 10 auf einer Elektronikkühlvorrichtung 20 befestigt und der optische Sensor vom TO-Typ 10 und die Elektronikkühlvorrichtung 20 sind durch einen Halter 30 geschützt, der aus einem adiabatischen Material gebildet ist.

Der optische Sensor 10 umfasst einen Kopf 11, eine Basis 12 und eine Mehrzahl von Leitungen 13. Der Kopf 11 weist ein eingebautes photoelektrisches Transformationselement auf, die Basis 12 trägt den Kopf 11 und die Leitungen 13 sind mit dem photoelektrischen Transformationselement oder dergleichen, das im Kopf 11 enthalten ist, elektrisch verbunden und erstrecken sich von der Basis 12 nach unten.

Die Elektronikkühlvorrichtung 20 weist eine erste Platte 21 auf einer Wärmeabsorptionsseite auf, an der die Basis 12 unter dem Kopf 11 befestigt ist, eine zweite Platte 22 auf einer Wärmeemissionsseite und eine Mehrzahl von thermo-elektrischen Kühlelementen 23, die zwischen der ersten und zweiten Platte 21 und 22 angeordnet sind.

Der Halter 30 schützt den Kopf 11 und die Elektronikkühlvorrichtung 20, die unter dem Kopf 11 installiert ist. Der Halter 30 weist einen Körper 33 auf, der die obere Seite des Kopfes 11 freilegt und einen Flansch 31, der beidseitig des Körpers 33 ausgebildet ist und einen Durchtritt 32 aufweist, in den eine Befestigungseinrichtung passt.

Der Halter 30 ist aus einem adiabatischen Material gebildet, das einen hohen thermischen Widerstand aufweist. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Halter 30 auf einem Kühlkörper 40 so installiert, dass Wärme von der zweiten Platte 22 an der Wärmeemissionsseite der Elektronikkühlvorrichtung 20 zum Kühlkörper 40 übertragen werden kann.

Mit Bezug zu 3 ist ein Temperatursensor 50, der einem Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht, an einer Unterseite der ersten Platte 21 installiert. Mit anderen Worten, der Temperatursensor 50 ist auf einer Oberfläche der ersten Platte 21 installiert, die nicht der Oberfläche der ersten Platte 21 entspricht, auf der der Photosensor 10 installiert ist. Daher kann der Temperatursensor 50 Wärme von der Basis 12 des Photosensors 10, die von der ersten Platte 21 absorbiert wird, präzise messen. Weil außerdem der Temperatursensor 50 in der Elektronikkühlvorrichtung 20 platziert ist, spricht er auf die Wärme an, die zur ersten Platte 21 geführt wird, und ist vor externen thermischen Störungen geschützt.

Wie oben beschrieben benötigt der Temperatursensor 50 keine zusätzlichen elektrischen Verdrahtungen, weil der Temperatursensor 50 in der Elektronikkühlvorrichtung 20 platziert ist, insbesondere unter der ersten Platte 21, die leicht elektrisch verdrahtet wird. Mit anderen Worten, Leitungsschichten (in den 1 bis 3 nicht gezeigt) zum elektrischen Verbinden der thermoelektrischen Kühlelemente miteinander sind auf der Unterseite der ersten Platte 21 und der Oberseite der zweiten Platte 22 ausgebildet. Während diese Leitungsschichten ausgebildet werden, können auch die Leitungsschichten des Temperatursensors 50 ausgebildet werden. Auf diese Weise ist keine zusätzliche Ausbildung von Leitungsschichten oder Verdrahtung zum Verbinden dieser Leitungsschichten erforderlich.

4 ist eine schematische Perspektivansicht der Elektronikkühlvorrichtung 20, die im opto-elektrischen Signaldetektor von 1 verwendet wird. 5 ist eine vergrößerte Ansicht von Teil B von 4. 6A ist eine durchschauende Draufsicht, die die Unterseite der ersten Platte 21 darstellt, und 6B ist eine Draufsicht, die die Oberseite der zweiten Platte 22 darstellt.

Mit Bezug zu 4 weist die Elektronikkühlvorrichtung 20 ein Paar erster Leitungen 23a auf, die mit den thermoelektrischen Kühlelementen 23 elektrisch verbunden sind, und ein Paar zweiter Leitungen 50a, die mit dem thermischen Sensor 50 elektrisch verbunden sind. Die erste Platte 21 weist eine Mehrzahl von Durchtritten 21a auf, durch die Leitungen 13 des Photosensors 10 hindurchtreten. Wie in 6B gezeigt ist, sind Durchtritte 22a in der zweiten Platte 22 so ausgebildet, dass sie den Durchtritten 21a der ersten Platte 21 zugewandt sind. Die thermoelektrischen Kühlelemente 23 sind zwischen der ersten und zweiten Platte 21 und 22 angeordnet.

Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, sind Leitungsschichten 21b und 22b zum elektrischen Verbinden der thermoelektrischen Kühlelemente 23 miteinander auf der Unterseite der ersten Platte 21 bzw. der Oberseite der zweiten Platte 22 ausgebildet. Ebenso sind, wie in 6A gezeigt, Leitungsschichten 21c, mit denen der Temperatursensor 50 gekoppelt ist, auf der Unterseite der ersten Platte 21 ausgebildet.

Die erste und zweite Platte 21 und 22 sind auf einem elektrischen Isoliermaterial ausgebildet, z. B. Aluminiumoxid Al2O3.

Bei einem opto-elektrischen Signaldetektor gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, steht eine Seite einer Elektronikkühlvorrichtung mit einer Basis eines Photosensors vom TO-Typ direkt in Kontakt, so dass der Kontaktzustand zwischen ihnen verbessert ist. Ebenso kann, da ein Temperatursensor zum Überwachen der Temperatur des Photosensors direkt an einem Substrat der Elektronikkühlvorrichtung angebracht ist, insbesondere an einer Innenseite einer ersten Platte, die Temperatur des Photosensors akkurat gemessen und auf eine präzise Solltemperatur eingestellt werden.

Der opto-elektrische Signaldetektor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in verschiedenen Bereichen einsetzbar und für ungekühlte IR-Sensorbaugruppen geeignet, darunter nicht eingebaute Temperatursensoren. Zum Beispiel ist der opto-elektrische Signaldetektor für ein System sehr geeignet, das Licht auf einen Teil eines menschlichen Körpers einstrahlt und vom menschlichen Körper reflektiertes oder durchgelassenes Licht misst, so dass die Konzentration an Körperfluiden invasiv oder nicht invasiv gemessen werden kann. Der opto-elektrische Signaldetektor kann auch bei einem ähnlichen Anwendungssystem wie dem oben beschriebenen System angewendet werden.

Die elektrische Spezifikation der Elektronikkühlvorrichtung und ihrer zugehörigen Elemente, zum Beispiel die Form oder Materialien der ersten und zweiten Platte, die Form der Leitungsschichten, die auf den Innenseiten der ersten und zweiten Platte ausgebildet sind, und dergleichen werden gemäß der Wärmekapazität des Photosensors und Wärmebelastung unter Arbeitsbedingungen bestimmt. Die Elektronikkühlvorrichtung mit einer solchen Struktur weist eine Hybridtemperaturregelschaltung auf einem Chip nur für Temperaturregelung auf, folglich werden Präzision und Zuverlässigkeit der Temperaturregelung stark verbessert.

Während die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug zu beispielhaften Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.


Anspruch[de]
Opto-elektrischer Signaldetektor umfassend:

eine Elektronikkühlvorrichtung (20) mit einer ersten Platte (21) auf einer Wärmeabsorptionsseite der Vorrichtung, einer zweiten Platte (22) auf der Wärmeemissionsseite der Vorrichtung in einem bestimmten Abstand unter der ersten Platte gelegen und einer Mehrzahl von thermo-elektrischen Kühlelementen (23), die zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet sind;

einen Photosensor (10) auf einer Oberseite der ersten Platte der Elektronikkühlvorrichtung (20) installiert, wobei der Photosensor (10) ein photoelektrisches Transformationselement so angeordnet aufweist, dass ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird; und

einen Temperatursensor (50) auf einer Unterseite der ersten Platte (21) der Elektronikkühlvorrichtung (20) installiert,

dadurch gekennzeichnet, dass:

Leitungsschichten (21b) zum elektrischen Verbinden von thermo-elektrischen Kühlelementen (23) mit einander auf der Unterseite der ersten Platte (21) ausgebildet sind, und der Temperatursensor (50) direkt mit den Leitungsschichten (21b) verbunden ist;

der Photosensor (10) ein Photosensor vom TO-Typ ist; und

die erste und zweite Platte (21, 22) der Elektronikkühlvorrichtung (20) eine Mehrzahl von Durchtritten (21a, 22a) aufweisen, durch die Leitungen (13) des Photosensors (10) hindurchtreten.
Opto-elektrischer Signaldetektor nach Anspruch 1, worin der Photosensor (10) umfasst:

einen Kopf (11), in den das photoelektrische Transformationselement eingebaut ist;

eine Basis (12), die den Kopf trägt; und

eine Mehrzahl von Leitungen (13), die mit dem photoelektrischen Transformationselement elektrisch gekoppelt sind und sich von der Basis (12) erstrecken.






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