集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装

引言

如今，光热探测器被广泛用于体感检测、温度测量、人数统计和烟火探测等各种功能，覆盖建筑、安全、家电、工业和消费等多个市场。

光热探测器市场未来有五大增长点：便携式点测温、体感检测、智能建筑、暖通空调(HVAC)及其它媒介测温、人数统计。

每个物体都会产生热辐射，辐射强度与其本身温度有关。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，物体的温度与辐射能量之间的关系是固定的，随着温度升高，辐射峰值的波长开始变短：300K(室温)光线的辐射峰值是10 um波长，而太阳光(6000K)的辐射峰值是500nm波长，属于可见光频域。

在吸收入射红外辐射后，光热探测器利用热电机制将电磁波能转换为电信号，例如，热电电压、塞贝克热电效应3、电阻或热释电电压)。

现代半导体技术，尤其是MEMS制造技术，可以生产出非常高效的非制冷红外探测器，因为可以实现热隔离，所以传感器的灵敏度非常高，而且体积小，响应时间非常快，并且，半导体的规模生产方式5, 6可降低MEMS传感器的价格。为了提高传感器系统的效率，必须给MEMS传感器匹配性能相似的封装及光学单元。

传感器的某些物理组件，例如，封装外壳和使红外辐射到达传感器的光窗，还起到保护周边电路和互连线的作用。在某些情况下，滤光窗可以改善传感器的响应光谱，避免可见光辐射影响传感器性能。滤光窗材质通常是硅基干涉滤光片。

这种光学接口的物理位置位于封装上表面，与连接传感器与PCB电路板的引线所在表面相对。

本文介绍一个在有滤光功能的封装中集成红外传感器和ASIC芯片的系统级封装(SIP)，重点探讨封装的相关特性，包括材料特性、光学性能和系统整体灵敏度。这是一个集成红外滤光窗的腔体栅格阵列(LGA)封装概念，我们已经设计、生产出产品原型，并做了表征测试。传感器视野范围从80°到110°，具体范围取决于光窗的几何尺寸。最后，我们还研究了封装对传感器灵敏度的影响。

红外传感器

该创新封装设计用于基于微加工热电堆的MEMS红外传感器，能够封装不同类型的红外传感器。当传感器的感光面积不同时，只要重新计算封装的几何尺寸即可，无需修改封装设计和材料。

热电堆是由N个热电偶串联组成，传感器的输出电压是单个热电偶的电压乘以N。热电偶是将两种不同材质导体的两端互连在一起构成的温感元件，这两个连接端被称为热端和冷端。根据塞贝克热电效应3，当冷热端的温度不同时，两条导体之间将会产生电压差ΔV。下面是该电压差的表达式：

ΔV=N ΔV(1)

其中∆T是热端和冷端之间的温差，塞贝克系数a的大小与导体材料有关。

在微加工热电堆中，热电偶支脚嵌入电介质膜中：热端位于悬浮薄膜内，而冷端则在硅衬底悬浮薄膜内，这样设计是为了优化冷热端之间的温差，最大限度地提高输出电压。输出电压通常在几百微伏范围内，最多几毫伏：因此，需要适当的放大输出信号，以便后端电路能够正确地处理信号。

本文提出的微型微机械热电堆传感器是由p/n多晶硅热电偶串联而成。中央铝板涂覆介电材料，用作辐射吸收膜，传感器感光面积为600mmX600mm。图1是传感器布局示意图。在实物封装上还有一个区域用于集成测试用传感器，在表征测试过程中测量传感器参数。为了减小芯片尺寸，优化光学窗口位置，高级版本将会去除测试用传感器。

图1：红外传感器主体及热电堆红外传感器感光面积和测试用传感器集成区

MEMS红外传感器通常与一个专用集成电路(ASIC)电连接，用于控制传感器并放大输出信号，因此，我们评测了一个系统级封装的红外传感器。为了确保入射红外辐射到达传感器感光面积，避免可见光闪光灯引起的辐射噪声，针对选定的应用，我们在系统级封装上集成一个l> 5.5µm的红外波长可选长通滤光片。

在存在检测传感器系统要求的波长范围内，红外长通滤光片引起的总损耗被控制在大约20%以内，对于一些主要用途，例如，在一个设备PCB板上安装存在检测传感器或红外测温传感器，这个量级的能量损耗被认为是很有限的。对于未来的其它潜在应用，所讨论的干涉滤光片将换成透射光谱不同的滤光片。

图2：封装上表面集成的长通红外滤光片的透射光谱

本文所讨论的封装采用一个通常两面集成干扰层的硅基滤光片，也可以选择安装不同类型的滤光片，以适应不同的应用需求，例如，NDIR光谱仪。

图3：MEMS红外传感器和ASIC的封装布局

该红外传感器封装的设计和开发采用常见的并列布局，传感器和ASIC在封装内是并排放置(图3)。

在封装上表面集成一个光学窗口，用于选择红外辐射的波长成分，这种光窗解决方案可以防止环境光辐射到达探测器感光区，从而降低总系统噪声。构成封装上表面和腔壁的聚合物可以视为对可见光-红外辐射完全不透明，可归类为LCP材料(液晶高分子聚合物)。不同的应用可以安装不同的滤光片，例如，NDIR光谱仪。如图3所示，结构元件包括两个裸片和键合引线，传感器和信号处理电路互连，然后在连接到封装衬底上。

图4：“小红外光窗”封装和“一体式红外滤光封帽”封装的渲染图

实验装置和测量

对MEMS红外传感器光电特性进行表征实验，被测目标物体是一个-20°C至160°C的校准黑体辐射源。所用的黑体辐射源是CI Systems公司的SR-800R 4D/A，其面积是4 x 4平方英寸，辐射率为0.99。在表征实验过程中，传感器放置在距黑体表面5.0 cm处，以便完全覆盖传感器视野范围。

图5：实验装置

使用和不用滤光片各采集数据一次，观测到信噪比分别为1.6和2.36。在使用滤光片时，采样信噪比降低，这是滤光片的光衰减所致，并且完全符合图2的频谱。

图6：带和不带红外滤光片的陶瓷封装传感器灵敏度表征。

系统输出是数字信号，在红外辐射下，最低有效位(lsb)的数字变化代表系统输出变化。在封装几何尺寸确定并确保黑体完全覆盖光窗视野的条件下，被测传感器的总灵敏度约为2000lsb/°C，在50lsb发现噪声。红外长通滤光片可以选择，主要是为了匹配预期的检测选择性和光窗前可探测物体的性质和尺寸。

图7：有红外硅基滤光片的封装的3D-X射线断层扫描图像，其中滤光片有M1和M2两层金属反射膜

如图7所示，在MEMS红外传感器上面放置M1和M2两层金属红外滤光膜，用于过滤封装表面上的入射辐射。在3D图像中还能看到传感器和ASIC互连的引线键合结构和封装衬底金属走线。

视野(FOV)角度计算

我们通常给光学系统定义一个视野(FOV)参数，用于评估感测系统能够检测的几何空间大小。任何光学设备都可以定义为FOV = ±θ的半视野(HFOV)或FOV = θ的全视野(FFOV)。本文采用FOV = ±θ的半视野定义。在几何空间评测中，假设硅折射率n = 3.44;空气和真空折射率n = 1。下图所示是所讨论封装的截面结构的FOV计算方法。