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( 三 )
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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 。
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图8：FOV计算原理截面图
在计算视野角度时 ， 需要考虑光线穿过窗口时发生的折射（或弯曲）情况 。
运用三角学的基本关系 ， 我们发现：
WO = WA + 2 (Wt1+Wh1)(eq. 1)
其中WO是封装光窗的宽度 ， WA是传感器感光区的宽度 ， Wt1+Wh1是空气和硅中的光路宽度 ， 计算方法见下面的等式组：
Wt1 = t1?tg?S; (eq. 2a)
Wh1 = h1?tg?A;(eq. 2b)
其中 ， t1和h1是封装和器件本身的几何垂直参数 ， ?A 和 ?S分别是红外线在空气和硅中的传播角度 。根据斯涅尔定律 ， 下面的等式给出了两个角度的关系：
n1.sin (θ1) = n2.sin (θ2)(eq. 3)
n1和n2表示每种材料的折射率 ， θ1和θ2是光线在每种材料中传播与表面法线形成的夹角（逆时针方向） ， 并假设硅的折射率n = 3.44 ， 空气/真空的折射率n = 1 。 基于上述几何假设 ， 预期视野角度FFOV = 80°- 82° 。 然后开始腔体封装的初步设计 ， 并在封装试生产线实验室中制造了两个批次的原型 。 为了获得不同的FFOV ， 我们提出了两种不同的窗口设计 。 为了在1.0um -13.0um波长范围内 ， 验证封装腔壁材料的“ T％= 0”条件 ， 做了模塑树脂材料的红外透光值测试 。 封装结构是系统级封装 ， 其中ASIC裸片与MEMS红外传感器并排放置 ， 裸片间通过引线键合（WB）连接 ， 如下图所示 。
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图9：带红外光窗封装（左图）和一体式红外滤光封装（右图） ， 通过表面贴装技术（SMT）焊接在DIL 24测试板上
使用前述的黑体辐射源 ， 在距封装顶部22cm处 ， 对上述两个系统封装进行表征实验 。
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图10：封帽上有小光窗的封装与封帽整体是红外滤光片的封装的MEMS红外传感器灵敏度对比
实验后 ， 在22cm处 ， 没有观察到小光窗和一体式红外滤光封帽之间存在灵敏度测量值差异 ， 响应时间相同 。 选择该距离是为了使光束方向接近传感器上表面红外的平面入射波 。 为了进行FOV表征实验 ， 鉴于传感器感光区置于黑体前面的正常条件 ， 将传感器安装在从-90°到+ 90°的旋转台上 。
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图11：红外传感器的红外小光窗封装、一体式红外滤光封装和大陶瓷封装的FOV表征实验结果
在大陶瓷封装中 ， 红外传感器的FFOV角度为109°±2° ， 小于朗伯分布的理论值（理论上为120°） ， 这可能是MEMS 的硅嵌入结构所致 。小光窗封装的FFOV角度为88° 。 采用相同的封装旋转方法 ， 一体式红外滤光模塑封装的FFOV为100° 。 在最后一种情况中 ， 由于模塑封装腔壁靠近传感器感光区 ， 观察到了不对称效应 。
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