红外传感器|技术文章—集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装( 二 )
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600?mX600?m 。 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 。
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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?> 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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
【红外传感器|技术文章—集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装】
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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150lsb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 。
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