Устройство датчика формирования изображения

Полезная модель относится к устройствам датчиков формирования изображения, а именно к конструкциям датчиков формирования изображения, содержащим термоэлемент для охлаждения фоточувствительного элемента.
Из уровня техники известно устройство герметичного корпуса (пат. JP 2003258221 от 2003-09-12 (заявка JP 20020059144 20020305, патентообл. Hamamatsu Photonics KK, МПК H01L 23/36, H01L 23/38, H01L 27/14, H01L 27/148, H01L 31/02). Изобретение направлено на предотвращение повышения температуры полупроводникового оптического элемента даже при резком увеличении количества тепла, отводимого от охлаждающего элемента полупроводникового оптического элемента. По данному патенту герметичный корпус содержит твердотельный датчик изображения и элемент Пельтье для охлаждения твердотельного датчика изображения, причем основание, на котором располагают элемент Пельтье и твердотельный датчик, снабжено выступом, термически связанным с элементом Пельтье. Теплоемкость основания увеличивается на величину, соответствующую выступу, и таким образом тепло более эффективно отводится от элемента Пельтье к основанию. Недостаток данного изобретения заключается в том, что такая конфигурация основания с дополнительными выступами усложняет процесс изготовления прибора.
Известно устройство охлаждающего элемента (пат. JPH 0621519 (А) от 1994-01-28 (заявка JP 19920173130 от 1992-06-30, патентообл. Hamamatsu Photonics KK, МПК G01J 1/02, H01L 21/52, H01L 21/54, H01L 23/20, H01L 23/38, H01L 31/02, H01L 35/30). Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. В конструкции охлаждающего элемента используют четырехступенчатые элементы Пельтье для поглощения тепла, которые расположены внутри корпуса-контейнера, фотодетектор расположен на самом верхнем элементе Пельтье. Корпус-контейнер заполнен газом аргоном или ксеноном с малой теплопроводностью от 10 до 100 мм рт.ст., за счет этого фотодетектор эффективно охлаждается. Недостаток данного решения заключается в том, что такой элемент Пельте достаточно объемный и не подходит для датчиков формирования изображения, в которых важны габариты, то есть решение не универсально.
Из уровня техники известно "Сенсорное устройство" (WO 2021131833 (А1), от 2021-07-01, патентообл. Sony Semiconductor Solutions Corp, автор Wakabayashi Takahiro Taguchi Kenichi [Jp], МПК H01L 23/38, H01L 27/144, H01L 27/146, H01L 31/02, H01L 35/28, H04N 5/369) согласно настоящему изобретению, фоточувствительный элемент, термически соединенный с охлаждающей поверхностью элемента Пельтье, и подложкой, на которой размещены элемент Пельтье и чувствительный элемент. Подложка термически соединена с поверхностью элемента Пельтье для рассеивания тепла. Кроме того, по меньшей мере часть поверхности подложки, обращенная к поверхности элемента Пельтье для рассеивания тепла, включает в себя элемент для рассеивания тепла, выполненный из материала, имеющего более высокую теплопроводность, чем материал подложки. Данное техническое решение направлено на то, чтобы более интенсивно отводить тепло от элемента Пельтье (термоэлемента). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Как правило, термоэлемент крепят к фоточувствительному элементу вдоль всей поверхности, чтобы охлаждение осуществлялось эффективно. Однако, бывают ситуации, при которых размеры термоэлемента, доступного на рынке, отличаются от размера фоточувствительного элемента датчика формирования изображения, а изготавливать специально термоэлемент под размер фоточувствительного кристалла экономически нецелесообразно. Если использовать термоэлемент, меньший по размеру, то охлаждение фоточувствительного элемента будет неэффективным. Настоящая полезная модель направлена на решение этой проблемы.
Задача настоящей полезной модели заключается в создании устройства датчика формирования изображения с охлаждающим элементом (термоэлементом) для эффективного охлаждения фоточувствительного элемента. Технический результат заключается в возможности использовать в конструкции датчика формирования изображения охлаждающий элемент (или термоэлемент) для охлаждения и фоточувствительный элемент, отличающиеся друг от друга по размеру без потери эффективности охлаждения.
Технический результат достигается согласно настоящей полезной модели тем, что устройство датчика формирования изображения, содержащее герметичный корпус с фоточувствительным элементом и охлаждающим элементом, расположенным на основании, отличающееся тем, что охлаждающий элемент меньше фоточувствительного элемента по размеру, фоточувствительный элемент соединен с охлаждающим элементом через пластину нитрида алюминия, так что пластина нитрида алюминия по размеру совпадает со всей поверхностью фоточувствительного элемента и одной плоскостью примыкает к ней, а другой примыкает к меньшему по размеру охлаждающему элементу, при этом площадь охлаждающего элемента составляет не менее 70% от площади фоточувствительного элемента.
Сущность технического решения заключается в следующем.
Фоточувствительный элемент и охлаждающий элемент, отличающиеся по размеру, соединены через пластину нитрида алюминия. Пластина нитрида алюминия совпадает площадью со всей поверхностью фоточувствительного элемента, то есть, перекрывает и фоточувствительную область и контактные площадки. Пластина нитрида алюминия служит для отвода тепла от фоточувствительного элемента и передачи тепла охлаждающему элементу и в окружающий объем герметичного корпуса датчика формирования изображения.
Нитрид алюминия используют, так как этот материал обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью (170-230 Вт/мК) и изоляционными свойствами. Благодаря этому достигается равномерность и эффективность отвода тепла от поверхности фоточувствительного элемента. Также нитрид алюминия обладает высокой чистотой и не выделяет посторонних веществ при нагревании прибора в процессе вакуумирования. Охлаждающий элемент по размеру может быть в различных пропорциях с фоточувствительным элементом, но для эффективного охлаждения составляет не менее 70% площади фоточувствительного элемента.
Полезная модель выполнена следующим образом (фиг 1).
В герметичном корпусе 1 расположен фоточувствительный элемент 2 и охлаждающий элемент 3, закрепленные на основании 4. Фоточувствительный элемент термически соединен с пластиной нитрида алюминия 5, а с другой стороны пластина нитрида алюминия термически соединена с поверхностью охлаждающего элемента 3, размещенного на подложке 4. Подложка 4 термически соединена с поверхностью охлаждающего элемента 3 для рассеивания тепла.
В качестве фоточувствительного элемента в нашем случае используют высокочувствительную CMOS-матрицу, но могут быть и другие технологии. В качестве охлаждающего элемента используют, как правило, в том числе в нашем случае, элемент Пельтье, но могут использовать и другие термоэлементы.
Прибор вакуумируют, нагревая его до 98-102°С, и заполняют ксеноном. Ксенон вытесняет из объема прибора остатки воздуха, содержащего водяные пары.
В нашем случае для соединения поверхностей фоточувствительного элемента, пластины нитрида алюминия, элемента Пельтье и основания друг с другом используют клей ВТ-10 (Криосил). Данный клей обеспечивает высокую термопроводность и радиационную стойкость. В качестве пластификатора используют наполнитель - нитрид бора. Все три слоя сендвич-структуры используют этот клей, причем два верхних слоя между фоточувствительным элементом, слоем нитрида алюминия и термоэлементом - тонкие и составляют 50 мкм. В нижем слое (между термоэлементом и основанием), в слое клея больше нитрида бора для увеличения термопроводящих свойств между элементом Пельтье и основанием.
Благодаря данной полезной модели достигается технический результат, заключающийся в возможности использовать в конструкции датчика формирования изображения охлаждающий элемент для охлаждения и фоточувствительный элемент, отличающиеся друг от друга по размеру без потери эффективности охлаждения.