傳感器半導體技術的開發成果日益成為提高傳感器集成度的一個典型途徑，在很多情況下，為特殊用途的MEMS（微機電係統）類傳感器提高集成度的奠定了堅實的基礎。

 

本文介紹一個MEMS光熱傳感器的封裝結構以及係統級封裝（SIP）的(de)組(zu)裝(zhuang)細(xi)節(jie)，涉(she)及(ji)一(yi)個(ge)基(ji)於(yu)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)的(de)紅(hong)外(wai)傳(chuan)感(gan)器(qi)結(jie)構(gou)。傳(chuan)感(gan)器(qi)封(feng)裝(zhuang)以(yi)及(ji)其(qi)與(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)芯(xin)片(pian)的(de)物(wu)理(li)交(jiao)互(hu)作(zuo)用(yong)，是(shi)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)之(zhi)一(yi)

，本(ben)文(wen)將(jiang)重(zhong)點(dian)介(jie)紹(shao)這(zhe)些(xie)物(wu)理(li)要(yao)素(su)。

 

本文探討的封裝結構是一個腔體柵格陣列（LGA）。所涉及材料的結構特性和物理特性必須與傳感器的光學信號處理和內置專用集成電路（ASIC）控製器的電信號處理性能匹配。

 

從概念和設計角度看，專用有機襯底設計、模mo塑su腔qiang體ti結jie構gou和he矽gui基ji紅hong外wai濾lv光guang窗chuang是shi所suo述shu光guang學xue傳chuan感gan器qi係xi統tong的de主zhu要yao特te性xing。本ben文wen最zui後hou給gei出chu了le傳chuan感gan器qi性xing能neng和he光guang電dian表biao征zheng測ce試shi報bao告gao，包bao括kuo紅hong外wai光guang窗chuang尺chi寸cun不bu同tong的de兩liang種zhong封feng裝zhuang的deFFOV（全視野）測試結果。

 

引言

如今，光熱探測器被廣泛用於體感檢測、溫度測量
、人數統計和煙火探測等各種功能

，覆蓋建築、安全
、家電、工業和消費等多個市場。

 

光熱探測器市場未來有五大增長點：便攜式點測溫、體感檢測、智能建築、暖通空調(HVAC)及其它媒介測溫、人數統計。

 

每個物體都會產生熱輻射，輻射強度與其本身溫度有關。根據斯蒂芬-波爾茲曼定律
，物體的溫度與輻射能量之間的關係是固定的，隨著溫度升高，輻射峰值的波長開始變短：300K（室溫）光線的輻射峰值是10 um波長，而太陽光（6000K）的輻射峰值是500nm波長，屬於可見光頻域。

 

在吸收入射紅外輻射後，光熱探測器利用熱電機製將電磁波能轉換為電信號，例如，熱電電壓、塞貝克熱電效應3、電阻或熱釋電電壓）。

 

現代半導體技術，尤其是MEMS製zhi造zao技ji術shu，可ke以yi生sheng產chan出chu非fei常chang高gao效xiao的de非fei製zhi冷leng紅hong外wai探tan測ce器qi，因yin為wei可ke以yi實shi現xian熱re隔ge離li，所suo以yi傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du非fei常chang高gao
，而er且qie體ti積ji小xiao，響xiang應ying時shi間jian非fei常chang快kuai
，並bing且qie
，半ban導dao體ti的de規gui模mo生sheng產chan方fang式shi5, 6可降低MEMS傳感器的價格。為了提高傳感器係統的效率，必須給MEMS傳感器匹配性能相似的封裝及光學單元。

 

傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)某(mou)些(xie)物(wu)理(li)組(zu)件(jian)
，例(li)如(ru)，封(feng)裝(zhuang)外(wai)殼(ke)和(he)使(shi)紅(hong)外(wai)輻(fu)射(she)到(dao)達(da)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)光(guang)窗(chuang)，還(hai)起(qi)到(dao)保(bao)護(hu)周(zhou)邊(bian)電(dian)路(lu)和(he)互(hu)連(lian)線(xian)的(de)作(zuo)用(yong)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，濾(lv)光(guang)窗(chuang)可(ke)以(yi)改(gai)善(shan)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)響(xiang)應(ying)光(guang)譜(pu)，避(bi)免(mian)可(ke)見(jian)光(guang)輻(fu)射(she)影(ying)響(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)性(xing)能(neng)。濾(lv)光(guang)窗(chuang)材(cai)質(zhi)通(tong)常(chang)是(shi)矽(gui)基(ji)幹(gan)涉(she)濾(lv)光(guang)片(pian)。

 

這種光學接口的物理位置位於封裝上表麵，與連接傳感器與PCB電路板的引線所在表麵相對。

 

本文介紹一個在有濾光功能的封裝中集成紅外傳感器和ASIC芯片的係統級封裝（SIP），重點探討封裝的相關特性，包括材料特性、光學性能和係統整體靈敏度。這是一個集成紅外濾光窗的腔體柵格陣列（LGA）封裝概念，我們已經設計、生產出產品原型，並做了表征測試。傳感器視野範圍從80°到110°，具體範圍取決於光窗的幾何尺寸。最後
，我們還研究了封裝對傳感器靈敏度的影響。

 

紅外傳感器

 

該創新封裝設計用於基於微加工熱電堆的MEMShongwaichuanganqi，nenggoufengzhuangbutongleixingdehongwaichuanganqi。dangchuanganqideganguangmianjibutongshi，zhiyaozhongxinjisuanfengzhuangdejihechicunjike
，wuxuxiugaifengzhuangshejihecailiao。

 

熱電堆是由N個熱電偶串聯組成，傳感器的輸出電壓是單個熱電偶的電壓乘以N。熱電偶是將兩種不同材質導體的兩端互連在一起構成的溫感元件，這兩個連接端被稱為熱端和冷端。根據塞貝克熱電效應3，當冷熱端的溫度不同時
，兩條導體之間將會產生電壓差ΔV。下麵是該電壓差的表達式：

 

V = NT (1)

 

其中∆T是熱端和冷端之間的溫差，塞貝克係數的大小與導體材料有關。

 

在微加工熱電堆中
，熱電偶支腳嵌入電介質膜中：熱(re)端(duan)位(wei)於(yu)懸(xuan)浮(fu)薄(bo)膜(mo)內(nei)，而(er)冷(leng)端(duan)則(ze)在(zai)矽(gui)襯(chen)底(di)懸(xuan)浮(fu)薄(bo)膜(mo)內(nei)，這(zhe)樣(yang)設(she)計(ji)是(shi)為(wei)了(le)優(you)化(hua)冷(leng)熱(re)端(duan)之(zhi)間(jian)的(de)溫(wen)差(cha)，最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)提(ti)高(gao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)通(tong)常(chang)在(zai)幾(ji)百(bai)微(wei)伏(fu)範(fan)圍(wei)內(nei)，最(zui)多(duo)幾(ji)毫(hao)伏(fu)：因此
，需要適當的放大輸出信號
，以便後端電路能夠正確地處理信號。

 

本文提出的微型微機械熱電堆傳感器是由p/n多晶矽熱電偶串聯而成。中央鋁板塗覆介電材料
，用作輻射吸收膜，傳感器感光麵積為600mX600m。圖1shichuanganqibujushiyitu。zaishiwufengzhuangshanghaiyouyigequyuyongyujichengceshiyongchuanganqi
，zaibiaozhengceshiguochengzhongceliangchuanganqicanshu。weilejianxiaoxinpianchicun
，youhuaguangxuechuangkouweizhi
，gaojibanbenjianghuiquchuceshiyongchuanganqi。