miniaturisierten Thermopilepixel auf einem monolithisch integrierten Sensorchip, der in einem hermetisch

verschlossenen Gehäuse, bestehend aus zumindest teilweise nichtmetallischen Gehäusesubstrat und einem Gehäusedeckel, untergebracht ist, wobei sich im Gehäuse ein Gas- oder

Gasgemisch befindet.

Insbesondere für mobile Geräte, wie Smartphones, -pads oder andere kleine tragbare Geräte, wird die berührungslose

Temperaturmessung, Gestensteuerung oder die Detektion von heißen und kalten Objekten zunehmend interessant. Dabei kommt es wegen des geringen zur Verfügung stehenden Platzes oder wegen der zunehmend geringer werdenden Gerätedicke auf besonders kleine Abmessungen von zu montierenden SMD- Bauelementen an. Weil auch entferntere oder räumlich

begrenzte Messobjekte erfasst werden sollen, wird ein kleiner Blickwinkel für den oder die Sensoren gefordert.

Ebenso muss der Infrarotsensor bereits vor der Montage in einem der genannten Geräte „kalibriert" sein, d.h. die

Ausgabe einer reproduzierbaren Objekttemperatur ermöglichen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet besteht beispielsweise darin, das Smartphone zur berührungslosen Fiebermessung einzusetzen, was wiederum eine sehr hohe Messgenauigkeit erfordert. Typische Anforderungen an die Abmessungen der Gehäuse für Smartphones sind insbesondere, dass die Z-Achse (also in Messrichtung) höchstens 3 mm und bevorzugt nur 2 mm beträgt, damit der Infrarot Sensor z.B. neben einer CMOS-Kamera auf der Leiterplatte oder auf engstem Raum an der Stirnfläche des Smartphones angeordnet werden kann. Darüber hinaus sollten auch die lateralen Dimensionen in x- und y-Richtung des Infrarotsensors geringer als 5 mm sein, bevorzugt mindestens in einer Achse auch geringer als 3...4 mm. Bekannt sind eine große Zahl von thermischen Infrarot

Sensoren, die in Si-Mikromechanik Technologie hergestellt werden. Beispielsweise pyroelektrische Sensoren, Bolometer und Thermopiles. Zum Erreichen einer hohen

Absolutgenauigkeit bei der Temperaturmessung benötigen pyroelektrische Sensoren einen Modulator (Chopper) . Auch Bolometer erfordern zum Erreichen einer hohen Genauigkeit zumindest zeitweise den Offsetabgleich durch einen

mechanischen Shutter.

Sowohl Chopper als auch Shutter benötigen als mechanisch bewegte Teile des Sensors eine ausreichende Zuverlässigkeit über die Lebensdauer des Gerätes und müssen im optischen Kanal des IR Sensors (also in Blickrichtung vor dem Sensor) eingebaut sein. Also würde sich die Abmessung in „z- Richtung" um ca. 1 mm vergrößern, da der Chopper oder

Shutter ja in den optischen Kanal eingebaut werden muss. Da neben der zusätzlichen Chopper/Shutter-Baugruppe auch eine fokussierende Optik, der Sensorchip und das Gehäuse, Platz benötigen, ist es beim gegenwärtigen Stand der Technik nicht möglich, mit pyroelektrischen Sensoren oder Bolometer- Sensoren einen solch kleinen IR Sensor mit < 3 mm oder gar < 2 mm z-Achse (sogenannter optischer Track) aufzubauen.

Ohne Chopper / Shutter ist die erforderliche Messgenauigkeit insbesondere für Fiebermessungen mit Bolometern oder

pyroelektrischen Sensoren nicht erreichbar. Aber auch ohne eingebauten Shutter hat der kleinste derzeit bekannte

Infrarot Arraysensor auf Bolometer-Basis mit eingebauter Optik und Signalverarbeitung zur Temperaturmessung, der „Lepton" von FLIR Systems, eine Gehäusehöhe von 5, 9 mm.

(siehe Datenblatt „FLIR Lepton", FLIR Systems, Goleta, CA, USA) . Das ist weit von den zulässigen Gehäusegrößen für moderne Smartphones entfernt. Damit sind beim gegenwärtigen Stand der Technik pyroelektrische Sensoren und Bolometer für die Anwendung in modernen, schlanken Smartphones

ausgeschlossen .

Thermopile Infrarot Sensoren werden in großen Stückzahlen auch für Consumer Messgeräte mit hoher Genauigkeit (z.B. Fieberthermometer) eingesetzt. Dabei kommt üblicherweise ein Transistorgehäuse (TO-Gehäuse) zum Einsatz. Die kleinsten TO-Sensoren für solche Messzwecke haben eine Gehäusehöhe von etwa 3 mm, allerdings haben sie keine fokussierende Optik, was zu einem viel zu großen Blickwinkel von über 100 Grad führt und es fehlt auch jegliche Signalverarbeitung (siehe Datenblatt 10TP583T-0154, Datenblatt der Fa. Semitek

Ishizuka Electronics, Japan) .

Von der Fa. Heimann Sensor ist ein Thermopile Sensor mit fokussierender Optik bekannt, der ebenfalls in einem TO- Gehäuse untergebracht ist. Der Typ HMS M21 L3.0 F5.5 (siehe Datenblatt Fa. Heimann Sensor GmbH, Dresden 2012) erlaubt eine Begrenzung des Blickwinkels auf < 30 Grad, aber die Gehäusehöhe von 5,2 mm ist viel zu hoch für den Einsatz in Mobilgeräten, außerdem fehlt eine Signalverarbeitung für Temperaturmessungen .

Allen genannten Thermopile Lösungen im TO-Gehäuse ist auch gemeinsam, dass die Anschlüsse mittels Drahtstiften an der Unterseite der Gehäuse die Montage auf einer Leiterplatte unmöglich machen. Eine Oberflächenmontierbarkeit auf

Leiterplatten (SMD Fähigkeit) ist allerdings erforderlich.

Weitere Lösungen für miniaturisierte Thermopile Sensoren gehen aus folgenden Druckschriften hervor:

Zum Beispiel wird in der EP 1 296 122 Bl ein Thermopile Sensorchip dargestellt, das mit senkrechten Wänden eine möglichst große Membran aufweist, um das Messsignal zu maximieren. Hinweise zur Miniaturisierung der Gehäuseform, der SMD-Fähigkeit und zur Einschränkung des Öffnungswinkels fehlen .

Ein weiterer Sensor zum berührungslosen Messen einer

Temperatur geht aus der US 8 592 765 B2 hervor, indem ein Thermopile Sensorpixel mit einer dünnen Membran beschrieben wird, wobei auch eine nicht näher beschriebene integrierte Signalverarbeitung erwähnt wird. Allerdings gibt es

keinerlei Hinweise auf eine SMD-Fähigkeit oder gar in Bezug auf sehr geringe Abmessungen in Richtung der optischen Achse (z-Achse), denn bei den dargestellten Gehäusetypen handelt es sich durchweg um große bedrahtete TO-Gehäuseformen .

In der DE 103 21 640 B2 wird ein SMD-fähiges Thermopile vorgestellt, das aber keine kleine Bauform zulässt und auch keine monolithische Integration der Signalverarbeitung vorschlägt. Ebenso fehlt eine fokussierende Linsenoptik, die einen kleinen Blickwinkel für Pixel bei kleiner Bauhöhe erlaubt, aber selbst ohne fokussierende Linsenoptik ergibt sich hier eine Bauhöhe von über 3 mm. Weiterhin werden in der EP 2 887 033 AI und der EP 2 916 118 AI Thermopile Pixel in einem Wafer Level Package

vorgeschlagen, die mit einer Apertur vor dem Thermopile Pixel versehen sind. Jedoch fehlt eine fokussierende Linse ebenso wie eine SMD-fähige Lösung, mit der die geforderten geringen Abmessungen in der z-Achse erreicht werden.

Die EP 2 940 442 AI bezieht sich auf ein Wafer Level Package für ein Thermopile Pixel, das im Flip-Chip-Verfahren

aufgebaut ist und wobei sich vor dem Sensorpixel eine Loch ^¬ oder Aperturblende befindet. Hinweise auf eine SMD-Fähigkeit und zu einer fokussierenden Optik fehlen allerdings.

Derartige Lochblenden haben aber im Gegensatz zu

fokussierenden Linsenoptiken den Nachteil, dass das Signal mit dem Quadrat der Blendenzahl D/f abnimmt, wobei D der Durchmesser der Loch- oder Aperturblende und f die

Brennweite bzw. der Abstandzwischen Loch- oder Aperturblende zur sensitiven Absorberfläche ist.

Dieser Effekt lässt sich gut am Beispiel eines Blickwinkels von 15 Grad abschätzen, wobei eine fokussierende Linse sogar Blendenzahlen D/f größer eins erreichen kann und D/F = 1 eine typische Blendenzahl für einlinsige IR Optiken ist (F/l- Optik) . Das zum Sensorpixel gelangende Signal sei identisch zum Quadrat der Blendenzahl. Eine Lochblendenoptik mit einem Blickwinkel von 15 Grad würde im Vergleich zu einer fokussierenden Linsenoptik das Signal um etwa das Vierzehnfache reduzieren, was das Auflösungsvermögen und die Messgenauigkeit eines solchen Sensors mit Lochblendenoptik deutlich verschlechtert.

In der EP 2 975 371 AI wird ein Infrarot Sensor mit

Temperaturkompensation in einer Wafer Level Package Lösung vorgestellt, bei der ein oder zwei Sensor Pixel in einem Wafergehäuse untergebracht sind und bei den Pixeln eine unterschiedliche Zahl von Thermoelementen über Schalter zu- oder abgeschaltet werden können, um das Thermopile zu kalibrieren . Weiterhin wird in der EP 3 026 406 AI ebenfalls ein in ein Wafer Level Package gehäustes Sensor Pixel mit daneben liegenden Kompensationspixel und einer Kavität jeweils ober- und unterhalb der Pixel angegeben. In der Kavität über dem Kompensationspixel ist offenbar ein interner Layer

aufgebracht, der entweder reflektierend oder absorbierend wirkt und Strahlung von außen nicht zulässt, die jedoch zum daneben befindlichen Pixel gelangt.

Auch hier wird keine Möglichkeit zur Oberflächenmontierbar- keit angegeben, ebenso keine fokussierende Linse für einen kleinen Blickwinkel des Pixels, noch eine Signalverarbei ^¬ tungseinheit .

In der EP 3 035 015 AI wird ebenfalls ein Wafer Level

Package Gehäuse mit zwei Pixeln vorgestellt, bei dem ein Pixel durch eine am darüber liegenden Waferrand liegende Infrarot blockierende Schicht von externer Strahlung

abgeschirmt wird, wobei zusätzlich an beiden Pixeln

Heizwicklungen angeschlossen sind, um die Pixel bei Bedarf auf eine andere Temperatur zu bringen. Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, dass ein oder mehrere Messpixel vorgesehen sind, wobei jedoch keine fokussierende Optik vorgesehen ist, um dem Sensor trotz geringer Bauhöhe einen kleinen Blickwinkel zur Temperaturmessung entfernter Objekte zu ermöglichen oder die erzielbaren Signale wären derart abgeschwächt, dass die Messaufgabe nicht erfüllt werden kann.

Bei keiner der beschriebenen Lösungen zum Stand der Technik, außer bei der DE 103 21 640 B2, werden Möglichkeiten zur Oberflächenmontierbarkeit (SMD) angegeben und es fehlen Hinweise auf eine Signalverarbeitungseinheit, die

beispielsweise Temperaturwerte berechnet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen miniaturisierten oberflächenmontierbaren Thermopile Infrarot Sensor zur berührungslosen Temperaturmessung, als Hot-Spot oder zur Gestendetektion, sowie mit einer

integrierten Signalverarbeitung anzugeben, der insbesondere in z-Richtung eine derart geringe Bauhöhe aufweist, um problemlos in mobile Geräte, wie Smartphones eingebaut werden zu können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem SMD-fähigen Thermopile Infrarot Sensor der eingangs

genannten Art dadurch gelöst, dass im Gehäusedeckel

gegenüber dem oder den Thermopilepixeln eine Aperturöffnung eingebracht ist, die mit einer fokussierenden Linse

hermetisch verschlossen ist, welche die Strahlung von

Objekten auf das oder die Thermopilepixel auf dem

Gehäusesubstrat fokussiert, dass auf dem selben Sensorchip neben den Thermopilepixeln eine Signalverarbeitungseinheit integriert ist und wobei die gesamte Gehäusehöhe von Gehäusesubstrat und Gehäusedeckel höchstens 3 mm oder weniger als 2,5 mm beträgt.

Im hermetisch verschlossenen Gehäuse, bestehend aus

Gehäusesubstrat und Gehäusedeckel, ist ein Gas oder

Gasgemisch eingeschlossen, das eine hohe molare Masse aufweist, wie Xenon, Krypton oder Argon und eine

Wärmeleitfähigkeit aufweist, die deutlich geringer als die von Luft oder Stickstoff ist und wobei das Gas oder

Gasgemisch einen gegenüber normalem Luftdruck deutlich reduzierten Innendruck aufweist.

Die fokussierende Linse bildet eine Objektstrahlung auf das oder die Thermopilepixel aus einem Blickwinkel (FOV) von maximal 40 Grad oder maximal 15 Grad ab.

Um eine elektrische und mechanische Kontaktierung zu

ermöglichen, weist das Gehäusesubstrat metallische

Verbindungen von der Vorderseite zur Rückseite (Bodenfläche) auf, die auf der Rückseite mit Kontaktflächen mit einer löt- oder schweißbaren Oberfläche versehen sind.

Weiterhin besteht der Gehäusedeckel aus einem Metall oder Nichtmetall mit hoher Wärmeleitfähigkeit z.B. > 80 V/ (W*K) und ist als Tiefzieh-, Spritzguss- oder Druckgussteil ausgebildet .

Bevorzugt sind der Gehäusedeckel und das Gehäusesubstrat über eine Klebe-, Löt- oder Schweißverbindung miteinander verbunden, wobei sich über den metallischen Verbindungen eine Isolationsschicht und darauf eine Metallschicht

befinden .

In einer besonderen Fortführung der Erfindung ist im Sensorchip neben dem unter der fokussierenden Linse

angeordneten Thermopixel ein Referenz-Pixel angeordnet, welches Infrarotstrahlung vom darüber befindlichen

Gehäusedeckel empfängt und dass der Gehäusedeckel auf der Innenseite im Bereich über dem Referenz-Pixel eine

absorbierende Schicht oder eine anderweitige Abdeckung aufweist .

Um eine besonders niedrige Bauform zu erreichen, weist der Gehäusedeckel im Bereich der fokussierenden Linse auf der Innenseite eine der Außenform der fokussierenden Linse nachgeformte Aufwölbung oder einen an eine Erhöhung des Deckels sich anschließenden Einzug zur Fixierung der fokussierenden Linse in ihrer Position über dem Thermopixel auf . In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der

Abstand des Gehäusedeckels im Bereich der fokussierenden Linse zum Thermopixel deutlich größer als der Abstand im Bereich der absorbierenden Schicht zum Referenz-Pixel.

In Fortführung der Erfindung sind mehrere Sensorpixel in zweidimensionaler Form, z.B. einer Matrixform, unter der fokussierenden Linse angeordnet, deren Ausgangssignale zur Messung von Temperaturverteilungen oder zur Gestenerkennung eingesetzt werden.

Bevorzugt beträgt die Größe der Thermopixel bzw. der

Sensorpixel zwischen kleiner als 300 ym und maximal 500 ym und die Länge oder Breite des Gehäusesubstrates liegt zwischen maximal 3 mm und 5 mm, so dass den beengten

Platzverhältnissen in einem Smartphone Sorge getragen wird. Weiterhin kann die fokussierende Linse diffraktiv oder refraktiv sein und sowohl asphärische oder sphärische

Flächen aufweisen.

Bevorzugt weist die fokussierende Linse eine Brennweite zwischen 0,5 mm und 1,9 mm auf.

Schließlich betragen die Dicke der Bodenfläche des

Gehäusesubstrates und die Dicke des Gehäusedeckels zwischen kleiner als 0,3 mm und maximal 0,5 mm.

In einer weiteren Fortführung der Erfindung umfasst die Signalverarbeitungseinheit die Speicherung der

Kalibrierdaten für die Thermopixel bzw. der Sensorpixel und die Berechnung der Objekttemperatur sowie die Speicherung der Messwerte.

Die Signalverarbeitungseinheit umfasst weiterhin bevorzugt Messeinrichtungen für Temperatur- und Spannungsreferenzen sowie die Betriebsspannung und weiterhin Signalverstärker, Tiefpassfilter, Analog/Digital-Wandler, eine

Mikroprozessoreinheit mit Datenspeicher, wie einem EEPROM sowie eine Schnittstelle zur Kommunikation mit der externen Elektronik eines Mobilgerätes, wie einem Smartphone .

Der erfindungsgemäße Thermopile Infrarotsensor ist durch eine besonders kleine Aufbauform insbesondere in der optischen Achse gekennzeichnet und stellt eine SMD-fähige Konstruktion dar, wobei mindestens ein Sensorpixel eine Absorberfläche von < 0,5 mm, bevorzugt < 0,3 mm aufweist.

Weiterhin ist das Gehäusesubstrat mit einer integrierten fokussierenden Linse versehen, um nur Infrarotstrahlung aus einem kleinen Blickwinkel bzw. auch von entfernten Objekten auf dem Sensorpixel zu fokussieren.

Auf jedem Einzelchip sind eine monolithische

Signalverarbeitung sowie ein monolithisch auf dem Chip untergebrachtes Speichermedium (z.B. EEPROM) vorgesehen, um Korrekturwerte für gemessene Empfindlichkeiten, Offsetwerte o. dgl . zu speichern und um diese für eine spätere genaue Messung der Objekttemperatur und entsprechende Fehler- und Umgebungstemperaturdriftkorrekturen innerhalb oder außerhalb des Chips zur Verfügung zu stellen. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen in einem oberflächenmontierbaren SMD-fähigen Infrarotsensor auf einem monolithisch integrierten Sensorchip, der in einem Gehäuse, bestehend aus zumindest teilweise nichtmetallischen

Gehäuseboden und einem Gehäusedeckel, beispielsweise in Form eines metallischen Tiefziehteils , untergebracht ist und mit einem Gas- oder Gasgemisch versehen, hermetisch verschlossen ist .

Das monolithische Sensorchip befindet sich auf dem

Gehäusesubstrat (Bodenplatte) und wird durch den

Gehäusedeckel hermetisch abgeschlossen, wobei sich im

Gehäusedeckel eine Öffnung befindet, die mit einer

abbildenden Linse verschlossen ist, welche die Strahlung von Objekten auf dem oder den Sensorpixeln abbildet.

Das im hermetisch verschlossenen Gehäuse befindliche Gas- oder Gasgemisch soll eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die deutlich geringer als die von Luft oder Stickstoff bei Normaldruck ist.

Weiterhin ist die Größe der Sensorelemente, die durch die Linse sehen, kleiner als 500 ym, bevorzugt jedoch kleiner als 300 ym.

Die Abmessungen des Gehäuses, bestehend aus Gehäusesubstrat und Gehäusedeckel sollte in der Länge und Breite höchstens 5 mm, bevorzugt jedoch weniger als 3 mm betragen.

Weiterhin sollte die Dicke des Gehäusesubstrates, d.h. der Bodenplatte, weniger als 0,5 mm, bevorzugt weniger als 0,3 mm betragen.

Schließlich wird die miniaturisierte fokussierende Linse in einem Massenverfahren (z.B. auf Si-Wafern) mit einer

Brennweite von höchstens 1,9 mm, bevorzugt jedoch von höchstens 0,5 mm hergestellt.

Eine besondere Version des erfindungsgemäßen Thermopile Infrarot Sensors besteht darin, dass sich am anderen Ende des Sensorchips ein weiteres Sensorpixel für

Kompensationszwecke befindet, das nicht durch die Linse, sondern bevorzugt an den darüber befindlichen metallischen Gehäusedeckel sieht.

Um auch eine Gestenerkennung zu ermöglichen oder eine

Temperaturverteilung erkennen zu können, sind mehrere

Sensorpixel in einer horizontalen Mehrfachanordnung, z.B. matrixartig, auf dem Sensorchip angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:

Fig. 1: den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen

einelementigen Thermopile Infrarot Sensors als Schnittdarstellung in einem SMD-Gehäuse mit

Einzelchip, eingebauter Linsenoptik und

monolithisch integrierter Signalverarbeitung;

Fig. la: einen Ausschnitt A aus Fig. 1 mit Hervorhebung

einiger Details;

Fig. lb: eine Modifikation des miniaturisierten SMD-Sensors mit besonders niedriger Bauhöhe;

Fig. 2: die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen

einelementigen Thermopile Infrarot Sensor in einem SMD-Gehäuse;

Fig. 3: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

SMD-Sensors mit einem zusätzlichen Referenzpixel für Kompensationswecke;

Fig. 3a: eine Ausgestaltung des miniaturisierten SMD-Sensors mit einem Referenzpixel mit unterschiedlicher

Deckelhöhe über dem Signal- und dem Referenzpixel;

Fig. 3b: eine weitere Ausgestaltung des miniaturisierten

SMD-Sensors mit einer von außen auf dem

Gehäusedeckel montierten Linse; Fig. 4: die Draufsicht auf den Thermopile Infrarot Sensor im SMD-Gehäuse mit Referenzpixel; und

Fig. 5: eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des

SMD Thermopile Infrarot Sensors mit mehreren

Sensorpixeln und monolithisch integrierter Signalverarbeitung.

Fig. 1 und la zeigen den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen SMD-fähigen miniaturisierten Thermopile Infrarot Sensors, bei dem ein monolithisches Sensorchip 2 in einem Sensorgehäuse angeordnet ist, das aus einer/einem mit einer Aussparung 30 und Seitenwänden 31 versehenen

Bodenplatte/Gehäusesubstrat 1 und einem Gehäusedeckel 3 besteht. Das Gehäusesubstrat 1 besteht aus einem Isolator, wie Keramik. Das Sensorchip 2 ist mit einer Membran 6

(Sensorpixel) und einer darauf befindlichen Absorberschicht für Infrarotstrahlung versehen, unter der sich eine

Aushöhlung 5 mit senkrechten Wänden befindet, d.h. der

Sensorchip umgibt die Aushöhlung wie einen Rahmen, der zugleich als Wärmesenke für das Thermopile dient, wie noch darzulegen ist. Die Membran 6 ist mit Hilfe von Beams 23 über der Aushöhlung 5 aufgehängt, wobei die Beams 23 die Membran 6 mit dem Sensorchip 2 verbinden. Zur thermischen Isolation befinden sich zwischen den Beams 23 und der

Membran 6 bzw. dem Sensorchip 2 Schlitze. Die Aushöhlung 5 begrenzt zugleich die Fläche des Pixels 29 (Fig. lb) . Neben der Membran 6 befindet sich auf dem Sensorchip 2 eine

Signalverarbeitungseinheit 12.

An den Seiten der Bodenplatte 1 befinden sich seitlich des Sensorchips 2 jeweils metallische Verbindungen 9 von der Vorderseite zur Rückseite der Bodenplatte 1 (Fig. 1) . Auf der Innenseite des Bodensubstrates 1 endet die metallische Verbindung 9 in einer Kontaktfläche 8 auf der Innenseite der Seitenwand 31 in Form einer Metallisierung als

Verbindungsfläche für einen Bonddraht 7 zur elektrischen Verbindung von einem Kontaktpad 25 auf dem Sensorchip 2 und der Kontaktfläche 8 auf dem Bodensubstrat 1 (Fig. la) . Auf der Rückseite des Gehäusesubstrates 1, d.h. zeichnungsgemäß unten, enden die metallischen Verbindungen 9 jeweils in einer Kontaktfläche 10 für die Oberflächenmontage z.B. auf einer Leiterplatte oder einem Substrat. In Fig. 1 sind auf der rechten und der linken Seite jeweils eine metallische Verbindung 9 mit einem Bonddraht 7 stellvertretend für weitere benachbarte metallische Verbindungen 9 dargestellt, die sich in die Tiefe der Abbildung erstrecken.

Abgedeckt wird das Gehäusesubstrat 1 mit einem Gehäusedeckel 3, dessen nach außen abgewinkelter Seitenrand 32 sich auf der Seitenwand 31 des Gehäusesubstrates 1 hermetisch dicht abstützt (Fig. 1) . Im Inneren, also zwischen dem

Gehäusedeckel 3 und dem Gehäusesubstrat 1, befindet sich ein Gas oder Gasmedium 11 mit speziellen, noch zu beschreibenden Eigenschaften .

Im Gehäusedeckel 3 befindet sich weiterhin eine Apertur- Öffnung 26, vor der auf der Innenseite des Gehäusedeckels 3 eine fokussierende Linse 4 angeordnet ist (Fig. la) .

Alternativ kann die Linse 4 auch von außen auf dem

Gehäusedeckel 3 montiert werden, wie das in Fig. 3b

dargestellt ist. Funktionswesentlich ist, dass die

Mittelachse der Aperturöffung 26 bzw. der fokussierenden

Linse 3 mit der Symmetrieachse der Membran 6 übereinstimmt. Die Linse 4 fokussiert die Infrarotstrahlung von einem vor der Aperturöffnung 26 befindlichen Messobjekt aus einem Blickwinkel („Field of View") FOV 24 auf den Sensorpixel mit der Absorberfläche auf der Membran 6 bzw. der dünnen

Trägermembran 22 des Pixels.

Der Gehäusedeckel 3 ist ein metallisches Tiefziehteil , um eine gute thermische Leitfähigkeit zu gewährleisten, der auf eine Kontaktstelle 18 des Gehäusesubstrates 1 geklebt, gelötet oder geschweißt ist. Alternativ kann der Gehäusedeckel 3 auch ein metallisches oder nichtmetallisches Spritzguss- oder Druckgussteil sein, das bevorzugt eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und an den Kontaktstellen zum Gehäusesubstrat 1 vorbereitete Beschichtungen für einen hermetischen Kleb-, Löt- oder Schweißverschluss zum

Seitenrand 31 des Gehäusesubstrates 1 besitzt.

Im Falle einer Lötung oder Schweißung muss die schweiß- oder lötbare metallische Kontaktstelle 18 auf dem Gehäusesubstrat 1 über einer Isolationsschicht 19 auf der metallischen

Verbindung 9 (Fig. la) aufgebracht sein, um einen

Kurzschluss zwischen den Metallleitbahnen 9 auf der

Seitenwand 31 des Gehäusesubstrates 1 zu verhindern. Mit Hilfe einer umlaufenden Lot- oder Klebefuge 20 wird der erforderliche hermetische Gehäuseverschluss gewährleistet. Das Gehäusesubstrat 1, dass eine zentrale ebene Bodenplatte mit diese umgebenden Seitenwänden 31 umfasst, besteht vorwiegend aus einem nicht metallischen Werkstoff (z.B.

Keramik) , auf dem metallische Leitbahnen 9 aufgetragen sind. Diese Leitbahnen 9 enden auf der Oberseite mit inneren

Kontaktpads 8 und auf der Unterseite mit äußeren

Kontaktflächen 10 für eine Oberflächenmontage. Die

Kontaktflächen 10 enthalten eine löt- oder schweißbare

Beschichtung zur mechanischen und elektrischen Montage auf darunter liegenden nicht dargestellten Leiterplatten oder anderen Verdrahtungsträgern.

Das Gehäusesubstrat 1 kann auf der Oberseite unter dem

Sensorpixel, d.h. in der Aussparung 30 mit einer

reflektierenden Metallschicht 21 (z.B. Gold, Silber,

Aluminium) versehen sein (Fig. la) , um die

Signalempfindlichkeit des Sensorpixels durch Reflexion durchgelassener Strahlungsanteile zu erhöhen.

Die Absorberfläche auf der Membran 6 bedeckt die sogenannten „heißen" Kontakte des Thermopilesensors , die auf der dünnen Membran 22, die z.B. aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, oder aus anderen isolierenden Materialien besteht,

angeordnet sind. Die Membran mit der Absorberschicht 6 ist über der Aussparung 5 im monolithischen Sensorchip 2 (Si- Substrat) aufgehängt. Bei der Lösung nach Fig. 1 hat die Aussparung 5 senkrechte oder nahezu senkrechte Wände und wird z.B. durch reaktives Ionenätzen (einem sogenannten RIE- Prozess) von der Waferrückseite her in das Sensorchip 2 eingetrieben. Alternativ kann die Aushöhlung unter dem

Sensorpixel auch (wie in Fig. 3 dargestellt) von der

Vorderseite in den Sensorchip 2 (Si-Wafer) hineingetrieben werden. Hierbei wird statt des reaktiven Ionenätzens ein an sich bekanntes nasschemisches Ätzverfahren eingesetzt, bei dem durch an sich bekannte Schlitze zwischen der Membran 6 und den Beams 23, bzw. den Beams 23 und der Seitenwand der Aussparung 5 eine Opferschicht (z.B. poröses Silizium) oder Teile des Siliziumsubstrates gelöst und geätzt werden. Ein Beispiel dafür sind die schrägen Wände 13, 14 der

Aussparungen 5 in Fig. 3.

Die Thermoelemente der Thermopilestruktur werden aus an sich bekannten thermoelektrischen Materialien unterschiedlicher thermoelektrischer Polarität hergestellt. Dies können sowohl in einem CMOS Prozess aufgebrachte Halbleitermaterialien z.B. n- leitendes und p- leitendes Poly-Silizium,

(dotiertes) , amorphes Silizium, Germanium oder einer

Mischform aus Silizium und Germanium, oder aufgebrachte dünne thermoelektrische Metallschichten (wie z.B. Wismut, Antimon o.a.) sein und die eine Dicke von weniger als 1 ym aufweisen .

Während die „heißen" Kontakte der Thermoelemente auf der dünnen Membran 22 unterhalb der Absorberschicht liegen, sind die „kalten" Kontakte auf dem Rand des Siliziumsubstrates 2 angeordnet, so dass zwischen beiden Kontakten ein möglichst großer Temperaturunterschied erreicht wird. Besonders bevorzugt weisen die kleinen Pixel an sich bekannte, lange Beams 23 auf, die durch von der Vorderseite in die Membran geätzte Schlitze vom Si-Substrat des Sensorchips 2 und vom Absorberbereich isoliert sind. Da solche hochsensitiven Thermopile Pixel aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind, sind weitere Details (wie die Ausführung der Beams und der isolierenden Schlitze) in den

Zeichnungsfiguren nicht dargestellt.

Die im Sensorchip 2 integrierte Signalverarbeitungseinheit 12 enthält z.B. an sich bekannte Temperatur- und

Spannungsreferenzen, Signalverstärker, ggf. Tiefpassfilter, Analog/Digital- Wandler, eine Mikroprozessoreinheit mit Datenspeicher (z.B. EEPROM) sowie eine Schnittstelle zur

Kommunikation mit der externen Elektronik des Mobilgerätes (z.B. Smart Phone) . Die auf dem Sensorchip 2 integrierte Temperaturreferenz (z.B. eine sogenannte PTAT- (Proportional To Ambient Temperature) ) Schaltung misst die Temperatur des Sensorchips und damit der „kalten" Kontakte.

Die in der Signalverarbeitungseinheit 12 enthaltenen

Vorverstärker verstärken die sehr geringen Signalspannungen des oder der Thermopilen Sensorpixel und vergleichen sie mit den Spannungs- und Umgebungstemperaturreferenzen. All diese Analogsignale werden im Analog/Digital-Wandler in Digitalwerte umgewandelt, die wiederum in der

Mikroprozesoreinheit zusammen mit den im Datenspeicher (z.B. EEPROM) abgelegten Korrekturwerten zur Objekttemperaturberechnung genutzt werden. Die im Gehäusedeckel 3 montierte Linsenoptik/fokussierende Linse 4 hat auf der Unterseite, der Oberseite oder auf beiden Seiten fokussierende Linsenflächen. Die Montage erfolgt üblicherweise derart, dass der Abstand zum

Sensorpixel genau der Brennweite (bzw. der sogenannten „back focal length") der Linse 4 entspricht. Die Linse wird in einem an sich bekannten Massenverfahren hergestellt (z.B. Pressen, Moulding) oder besonders bevorzugt, in einem

Waferlevel Verfahren, z.B. auf Silizium Wafern, bei dem viele tausend Linsen gleichzeitig auf einem Wafer

hergestellt und mit Infrarot-Filterschichten versehen werden. Solche Waferlinsen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie sich bei der Montage der Linsen in den

Gehäusedeckel 3 mit den gleichen automatisierten

Handlingsystemen (sogenannte Pick & Place oder Die-Bonder) vom Si-Wafer „abpicken" und montieren lassen, wie normale Halbleiter Chips. Dabei können sowohl refraktive (mit üblicher sphärischer oder asphärischer Krümmung der aktiven Fläche) als auch diffraktive Linsen (z.B. Fresnellinsen) eingesetzt werden. Die Montage der Linse 4 im Gehäusedeckel 3 kann z.B. durch Kleben, Löten oder Schweißen erfolgen, wobei der Rand der Linse für das Löten oder Schweißen eine Metallisierungs ^¬ schicht erhält, die nicht dargestellt ist. Die Montage von Linse 4 und Gehäusesubstrat 1 zum Deckel 3 erfolgt meist durch Kleben, wenn das einzuschließende Gas oder Gasgemisch atmosphärischen Normaldruck aufweisen soll. Wenn der Druck des Gasmediums 11 im Gehäuse deutlich niedriger als

Normaldruck sein soll, wird bevorzugt ein Löt- oder

Schweißverfahren zur Montage eingesetzt. Der Blickwinkel eines Sensorpixels soll für die Anwendung möglichst < 40 Grad, bevorzugt < 15 Grad betragen. Zur

Abschätzung der Blickwinkels FOV 24 lässt sich am

Einfachsten eine Formel verwenden, die die Pixelgröße zur Brennweite ins Verhältnis setzt. So liefert der ARCTAN des Verhältnisses von halber Pixelgröße zu Brennweite als

Ergebnis den halben Blickwinkel (FOV/2) . Daraus ergibt sich z.B., dass sich bei einer Brennweite der Linse von 1 mm und einer Pixelgröße von 0,5 mm ein Blickwinkel von 30 Grad ergibt. Eine Pixelgröße von 0,26 mm liefert einen

Blickwinkel von etwa 12 Grad. Bei größerer Brennweite der

Linse verringert sich zwar der Blickwinkel, aber bereits bei einer Linsenbrennweite von 1,5 mm und den typischen Dicken von Linse (z.B. 0,26 mm), Sensorchip (0,4 mm), Deckel und Bodenplatte (je 0,2 mm) ergeben sich je nach Konstruktion der Linse bereits Gehäusehöhen von 2, 6...3 mm - zu viel für die meisten Smartphones.

Fig. lb zeigt eine Modifikation des miniaturisierten SMD Sensors mit besonders niedriger Bauhöhe. Hierbei erhält der Gehäusedeckel 3 eine Aufwölbung 33 nach oben, die etwa der Linsenkrümmung entspricht. Die gekrümmte (konvexe) Seite der fokussierenden Linse 4 zeigt nach oben, so dass der

Scheitelpunkt der Linse 4 etwa der maximalen Höhe des

Deckels 3 entspricht und somit die gesamte Gehäusehöhe bestimmt. Auf diese Weise kann die Gesamthöhe des Gehäuses im Vergleich zur Anordnung nach Fig. la etwa um die Dicke des Deckels verringert werden.

Alternativ kann der Gehäusedeckel 3 auch eine zusätzliche Erhöhung 28 aufweisen, die in einen Einzug 34 zur Aufnahme der Linse 4 übergeht und deren Außenumfang umschließt. Die Linse 4 ist in diesem Fall mit der gewölbten Seite nach unten in den Einzug 34 eingesetzt (Fig. 3b) . Die

Aperturöffnung 26 bildet hier der innere Rand des Einzuges 34, der zugleich die fokussierende Linse 4 abstützt.

Das in dem Gehäuse eingeschlossene Medium 11 ist ein Gas oder Gasgemisch, dessen Wärmeleitfähigkeit wesentlich geringer ist als Luft oder Stickstoff bei Normaldruck.

Vorzugsweise ist das Gasmedium 11 ein Gas mit hoher molarer Masse (z.B. Xenon, Krypton oder Argon) oder ein Gas mit einem gegenüber normalem Druck deutlich reduziertem

Innendruck. Das Gehäuse muss so verschlossen sein, dass kein Gasaustausch mit der Umgebung erfolgt.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen oberflächenmontierbaren IR-Einelementsensor nach Fig. 1 mit weiteren Details. Die Linse 4 befindet sich hier genau symmetrisch über dem Sensorpixel 6, wobei mehrere Anschlusskontakte 9 eine elektrische Verbindung vom Sensorchip 2 im Inneren des Gehäuses zu den Anschlusskontakten 10 für die SMD Montage auf der Gehäuseunterseite herstellen. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

miniaturisierbaren SMD Thermopile Sensors zeigt Fig. 3, bei der neben dem aktiven Sensorpixel 6 ein weiterer Pixel als Referenzpixel 15 vorgesehen ist, das am entfernten Ende des Sensorchips 2 angeordnet ist. Dieser Referenzpixel 15 empfängt keine Infrarotstrahlung vom Messobjekt selbst, sondern „sieht" auf eine emittierende Oberfläche 16, die an der Innenseite des Deckels aufgetragen oder montiert ist. Damit ist die Kompensation von Messfehlern durch

Temperaturgradienten im Sensorgehäuse, hervorgerufen z.B. durch den sogenannten „Heat Shock" Effekt, möglich. Diese emittierende Schicht 16 wird bevorzugt durch Bedrucken oder Besprühen bzw. Bedampfen über Wechselmasken erzeugt.

Alternativ kann ein zusätzliches Teil mit hoher Emission auf die Deckelinnenfläche geklebt oder anderweitig mit gutem Wärmekontakt zum Gehäusedeckel 3 montiert werden.

Bei der Ausführung in Fig. 3 sind die Thermopile Pixel in Oberflächen-Mikromechanik hergestellt, also durch Freiätzung der Aushöhlungen 5 unter den Membranen 6 und 15 von der

Vorderseite durch Schlitze in den freitragenden Membranen. Beide Pixel 6, 15 können aber auch, wie die Sensorpixel gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 3a eine Aushöhlung mit senkrechten Wänden 5 aufweisen, die von der Rückseite durch DRIE in das Sensorchip 2 getrieben worden sind.

Fig. 3a zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des miniaturisierten SMD Sensors mit einem Referenzpixel 15. Bei dieser Anordnung weist der Gehäusedeckel für die Linse eine zusätzliche Erhöhung 28 auf, um den für eine scharfe Abbildung notwendigen Abstand (sogenannte „back focal length") zwischen der Linse 4 und dem Absorber 6 auf der Membran zu erreichen, während der Deckel 3 mit der

absorbierenden Schicht 16 oberhalb des Referenzpixels besonders flach ausgeführt ist. Damit lässt sich auf

effektive Weise erreichen, dass das Referenzpixel mit dem Absorber 15 näher an das Sensorpixel mit dem Absorber 6 heranrücken kann und trotzdem keine Strahlung vom Objekt über die Linse erhält. Die spezielle Erhöhung 28 kann auch formschlüssig so ausgestaltet sein, dass die Linse 4 bei der Montage genau symmetrisch über dem Absorber 6 des

Sensorpixels montiert wird, um optische Abbildungsfehler, wie ein „Schielen", zu vermeiden, wenn die optische Achse der Linse genau senkrecht über dem Absorbermittelpunkt liegt . Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße

Ausgestaltung des miniaturisierten SMD Sensors nach Fig. 3 und 3a. Daraus ist zu erkennen, dass das aktive Sensorpixel 6 durch die Linsenoptik 4 der Aperturöffnung nach außen sieht, während das Referenzpixel 15 dagegen die hinter dem Deckel liegende absorbierende Schicht 16 sieht und dabei die Gehäusetemperatur misst. Prinzipiell lassen sich je nach Platzanforderung im Endgerät auch quadratische oder

annähernd quadratische Gehäuseformen erreichen. Mit der Ausgestaltung in Fig. 3a gelingt es leichter, das gesamte Gehäuse annähernd quadratisch auszubauen, weil sich der

Abstand zwischen den Absorbern 6 und 16 deutlich verringern kann .

Mit dem zusätzlichen Referenzpixel 15 stehen für

Kompensationszwecke von langsamen und schnellen

Umgebungstemperaturänderungen sowohl die Chiptemperatur und damit die Temperatur der „kalten" Thermopilekontakte mittels integrierter PTAT-Referenz , als auch die Gehäusetemperatur des Deckels 3 mit der Absorberschicht 16 zur Verfügung. Dies erlaubt eine wirksame Kompensation der in mobilen Geräten (z.B. Smartphones) auftretenden kurzzeitigen Temperaturänderungen, z.B. nach dem Einschalten, beim „aus der Hosentasche Herausnehmen", beim ans Gesicht oder Ohr halten oder beim Wechsel aus dem temperierten Innenraum nach außen, wo plötzlich deutlich höhere oder niedrigere

Temperaturänderungen auftreten können.

Eine für Mobilgeräte sehr interessante Erweiterung der Erfindung stellt die Ausgestaltung des aktiven Pixels als Mehrfachpixel dar. Eine entsprechende Lösung ist aus Fig. 5 ersichtlich. Hierbei sind statt eines Einzelpixels mehrere Pixel 17 (z.B. 2x2, 4x4, 8x8, 16x16) unter der Linse

angeordnet, um eine räumliche Verteilung der

Temperaturverteilung des Objektes oder auch die leichte Erkennung von Gesten zu erfassen. Wiederum können die

Aushöhlungen unter den Pixeln mit den geschlitzten Membranen von der Oberseite oder der Unterseite her in den Sensorchip 2 eingetrieben werden.

Der erfindungsgemäße Sensorchip 2 nach Fig. 5 enthält mehrere Einzelzellen 17 mit geschlitzter Membran und an sich bekannter Beamstruktur, auf der die Thermoelemente (nicht im Detail dargestellt) untergebracht sind.

Die Signalverarbeitung der einzelnen Pixel erfolgt in der Signalverarbeitungseinheit 12, an deren Ausgang (Interface) digitale Signalinformationen der einzelnen Pixel zusammen mit den Korrekturwerten zur Messung der Temperaturverteilung oder z.B. einer Gestensteuerung ausgegeben werden. Die

Linsenoptik ist so ausgebildet, dass die entfernten

Messobjekte auf den Sensorpixeln scharf abgebildet werden. Bezugszeichenliste 1 Gehäusesubstrat (Bodenplatte)

2 Monolithisches Sensorchip

3 Gehäusedeckel

4 Fokussierende Linse

5 Aushöhlung unter Pixel

6 Membran mit Absorberschicht

7 Bonddraht

8 Kontaktfläche (Metallisierung) auf Gehäusesubstrat

9 Metallische Verbindung

10 Kontaktfläche auf Gehäuserückseite

11 Gasmedium im hermetisch verschlossenen Gehäuse

12 Signalverarbeitungseinheit

13 Aushöhlung unter aktivem Pixel

14 Aushöhlung unter Referenzpixel

15 Membran mit Absorberschicht des Referenzpixels 16 Absorbierende Schicht

17 Sensorpixel in Matrixform

18 Metallisierte, lötbare Verbindungsfläche auf

GehäuseSubstrat

19 Isolationsschicht

20 Lot- oder Klebefuge

21 Reflektierende Metallschicht

22 dünne Trägermembran des Pixels

23 Beam

24 Äußerer Strahlengang

25 Anschlusskontakt

26 Apertur-Öffnung Blickwinkel des Referenzpixels

Erhöhung des Gehäusedeckels über Sensorpixel Thermopilepixel

Aussparung

Seitenwand

Seitenrand

Aufwölbung

Einzug