CN101478634A

CN101478634A - 一种非制冷阵列式红外图像传感器

Info

Publication number: CN101478634A
Application number: CNA2008102405933A
Authority: CN
Inventors: 张霞; 张大成
Original assignee: Peking University; Communication University of China
Current assignee: Peking University; Communication University of China
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: CN101478634B

Abstract

本发明公开了一种非制冷阵列式红外图像传感器，属于红外图像传感器制备技术领域。该传感器包括一筒状真空封装的红外图像传感器结构，其包括传感器芯片、管帽和管座，传感器芯片粘接在管座上，管帽和管座通过真空封装结合成一体，所述传感器芯片的压焊丝通过管座的引线被引出，所述管座采用金属材料，在管座下方固定连接一半导体制冷片，该半导体制冷片嵌入到电极引出印刷电路板上，所述电极引出印刷电路板与管座固定连接，在连接处设有绝缘膜片，管座上的引线连接在电极引出印刷电路板上。本发明使用半导体制冷片作为冷源，可保证红外图像传感器吸收的红外能量迅速散去；提高了非制冷阵列式红外图像传感器的灵敏度。

Description

一种非制冷阵列式红外图像传感器

技术领域

本发明是关于红外图像传感技术，具体涉及一种非制冷阵列式红外图像传感器。

背景技术

红外图像传感器在军事侦查、安全防卫、火灾报警等方面具有广泛应用。根据红外传感器的工作原理和红外成像系统分为制冷和非制冷两大类。传统的制冷式红外传感器利于敏感材料的光电子特性，系统灵敏度比较高，但存在体积、功耗、成本等一系列问题，严重影响了其应用发展。

随着红外敏感材料、传感器技术、微纳加工技术、信号处理技术和集成电路技术的发展，非制冷红外成像系统技术已经有了很大的发展，出现了热应力变形镜面、红外应变电容取样、PN结电压取样、热电堆取样、热电阻取样、谐振频率取样等多种阵列式红外图像传感器。这些非制冷阵列式红外图像传感器虽然体积小，但由于受到红外辐射时，器件热量不能迅速散掉，因此，非制冷阵列式红外图像传感器存在灵敏度下降、响应速度慢等缺点。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种非制冷阵列式红外图像传感器，该非制冷阵列式红外图像传感器能够获得更高灵敏度。

本发明的技术方案是：

一种非制冷阵列式红外图像传感器，包括一筒状真空封装的红外图像传感器结构，该结构包括传感器芯片、管帽和管座，传感器芯片粘接在管座上，管帽和管座通过真空封装结合成一体，所述传感器芯片的压焊丝通过管座的引线被引出，所述管座采用金属材料，在管座下方固定连接一半导体制冷片，该半导体制冷片嵌入到电极引出印刷电路板上，所述电极引出印刷电路板与管座固定连接，在连接处设有绝缘膜片，管座上的引线连接在电极引出印刷电路板上。

在半导体制冷片上可设有一孔，孔的顶端至图像传感器的管壳底部，孔内安装有热电偶或热电阻。

在半导体制冷片的下方可固定连接一散热片。

还包括一夹板，该夹板通过螺钉与散热片固定构成一夹板付，将所述底座和电极引出印刷电路板固定。

所述夹板还可以设有若干个螺钉孔，用于将非制冷阵列式红外图像传感器固定在红外光学系统上。

在管座和半导体制冷片之间可设有一导热金属片。

在管座上可设置圆心角相互错开的多环引线。

红外图像传感器的管帽采用低红外吸收玻璃材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

使用半导体制冷片作为冷源保证红外图像传感器吸收的红外能量可以迅速散去；提高了非制冷阵列式红外图像传感器的灵敏度。在图像传感器下面设有温度传感器插孔，可以配合温度控制器对管壳温度进行精确控制，提高成像系统的稳定性和重复性；结构紧凑、充分利用现有技术，成本得到有效控制、且组装简单，易于和光学系统配合。

虽然在本项发明中红外成像组件使用了制冷部件，但与制冷式红外传感器需要在足够低的温度〔≤—100℃〕下才会有比较好的光电效应不同，使用控温制冷的目的是使图像传感器能够工作在一个相对恒定的温度下，如20℃。通过合理控制温度，一方面使辐射到传感器上的红外热量可以被冷源吸收，降低温升引起的噪声；另一方面还能通过为传感器提供散热途径，减少热积累，达到提高响应速度，使传感器的动态特性得到更好发挥的作用。一般半导体制冷片的制冷功率在“瓦”量级，而在观察人、车辆和建筑物等物体时红外光学系统聚焦在图像传感器芯片上的能量在“毫瓦”量级。因此，采用半导体制冷片对红外图像传感器进行温度控制完全可行。

附图说明

图1为多线引出筒状真空封装的非制冷阵列式红外图像传感器的结构示意图，其中，(a)为红外图像传感器的纵向剖视图；(b)为红外图像传感器的立体图；(c)为红外图像传感器的横向剖视图；

图2为电极引出印刷电路板结构示意图，其中，(a)为电极引出印刷电路板的纵向剖视图；(b)为电极引出印刷电路板的俯视图；

图3为制冷片具体结构示意图，其中，(a)为制冷片的纵向剖视图；(b)为制冷片的立体图；(c)为制冷片的俯视图；

图4为组装夹板和螺钉的具体结构示意图，其中，(a)为螺钉和组装夹板的剖视图；(b)为组装夹板的俯视图；

图5为本发明红外图像传感器的结构示意图，其中，(a)为组装示意图；(b)为组装后的红外图像传感器的俯视图；

图6为采用多环引线方式的红外图像传感器的结构示意图；

图7为本发明红外图像传感器的应用系统示意图。

其中，1—管帽；2—管帽的红外窗口；3—传感器芯片；4—芯片与管壳间的焊接材料；5—管座；6—芯片压焊丝；7—管座引线；8—管座上引线绝缘封接孔；9—电极引出印刷电路板；10—电极引出印刷电路板的引线孔；11—电极引出印刷电路板中心镂空用于制冷片安装的部分；12—电极引出印刷电路板与管座间的绝缘膜；13—印刷电路板与制冷片间绝缘膜；14—电极引出印刷电路板上的引线；15—制冷片的散热片；16—半导体制冷片；17—导热金属片与红外图像传感器管座间的导热浆；18—制冷片的控温电偶或热敏电阻插入孔；19—导热金属片；20—制冷片与导热金属片间的导热浆；21—制冷片的引线；22—散热片上的组装螺钉孔；23—组装螺钉；24—组装夹板；25—组装夹板上的组装螺钉孔；26—组装夹板上的成像组件安装孔；27—组装夹板上与图像传感器管座的套准孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一、筒状真空封装的红外图像传感器结构：

红外图像传感器通常为多线引出筒状结构，如图1所示。包括传感器芯片3、管帽1和管座5。本发明采用金属材料的底座，易于图像传感器芯片的散热。管帽结构与现有的集成电路管壳有所不同，使用了低红外吸收玻璃与金属烧结的结构，既保证了很低的真空率，也保证最大限度的使红外到达芯片。这种封装形式适用于谐振式、热电式等以机电敏感结构取样的红外图像传感器芯片。其中以准数字化信号输出的谐振式为好，可以避免引线间串扰造成的噪声，降低对引线设计和制备技术的要求。

在本发明红外图像传感器结构中，采用集成电路封装技术中比较成熟的低温共晶焊料进行传感器芯片和管座的粘接，以保证良好的热导和可靠性。管帽与管座采用锡环真空烧结封装，以保证比较可靠的密封性。

二、电极引出印刷电路板：

红外图像传感器通过电极引出印刷电路板9将垂直于管壳底座的引线转变为平行于管壳底座的引线，将密度比较高的管壳电极引出转换为标准化的板卡边缘引出或其他形式的标准接插件引出。通过双面或多层电路板将传感器电极引出的方式腾出了传感器管座下面的区域，为管壳的制冷提供了空间。传感器电极经印刷电路板引出后可以转变为任何一种规格的电路板边缘接插件〔如0.64mm标准的128线双面接插件〕。如果引线数量继续增加，可以使用多层印刷电路板采用左右两边或者四面引出方式。在印刷电路板与传感器连接处设有绝缘膜片，确保管壳和制冷片与印刷电路板间的电气绝缘。引出印刷电路板结构见图2。

三、半导体制冷片：

制冷片的作用是为传感器提供恒温冷源，采用半导体制冷片标准件，在制冷片和传感器之间可设有用于填充印刷电路板造成的间隙的金属导热片。为保证传热的均匀，在导热金属片的上下面上涂有导热浆绝缘，在保证导热的同时不会影响印刷电路板的正常工作。

在制冷片和导热金属片中心开有测温热电偶或热电阻插入孔，为准确测量传感器的管座温度提供空间。

在制冷片的下面设有散热片，可保证制冷片正常工作。上述半导体的制冷片具体结构见图3。

四、组装用夹板和组装螺钉：

组装用夹板和组装螺钉的作用是将上述红外图像传感器结构和制冷片等结构固定。组装夹板的平面尺寸与散热片相同，上面设有与散热片上螺钉孔位置配合的孔用于安装组装螺钉。散热片为一矩形，一边与管壳的直径基本相同或略大，另一边比较长用于在边缘处设置安装螺钉孔。孔中加工有标准公制螺纹。

在组装螺钉孔间另有四个加工有标准螺纹的孔用于红外图像传感器结构与红外光学系统的连接。组件中图像传感器芯片与管壳有很好的定位精度，组件通过组装夹板连接管壳和光学系统，芯片与光学系统的精度容易得到保证。

组装夹板和螺钉的具体结构见图4。

参考图5，将红外图像传感器结构、电极引出印刷电路板和半导体制冷片通过组装夹板和组装螺钉固定，形成本发明非制冷阵列式红外图像传感器。除此之外，本发明还可以采用其他连接方式将各个部件固定，如粘结等。

本发明的红外图像传感器采用像素信号直接引出方式，适合于以矩阵方式取样的阵列式图像传感器，如：热电式、谐振式等。

对于像素较多的阵列式图像传感器芯片可以通过多环引线方式，即增加传感器外壳的直径，在管座上设置如图6所示的引线位置在圆心角相互错开的另外一环或多环管壳引线。这样既保证管壳有更多的引线有避免压焊丝在空间上重叠而造成短路。这种引线方式可以成倍增加引线的数量满足更大像素传感器芯片的引线需求。现在的电子元器件金属管壳制造技术已经能够达到引线间隔小于1mm的水平，直径在40mm和42mm处设计两个引线环就能够实现128×128阵列传感器电信号的引出。

用本发明红外传图像感器组成的红外成像系统见图7。系统包括红外光学系统、图像传感器组件、组件控温系统、图像传感器信号处理电路。其中光学系统和控温系统与目前常用的系统基本相同，信号处理电路的实现是现代集成电路技术的成果。大规模集成电路设计和制造技术的发展已经能够实现阵列式图像传感器信号处理的要求。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的非制冷阵列式红外图像传感器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims

1、一种非制冷阵列式红外图像传感器，包括一筒状真空封装的红外图像传感器结构，该结构包括传感器芯片、管帽和管座，传感器芯片粘接在管座上，管帽和管座通过真空封装结合成一体，所述传感器芯片的压焊丝通过管座的引线被引出，其特征在于，所述管座采用金属材料，在管座下方固定连接一半导体制冷片，该半导体制冷片嵌入到电极引出印刷电路板上，所述电极引出印刷电路板与管座固定连接，在连接处设有绝缘膜片，管座上的引线连接在电极引出印刷电路板上。

2、如权利要求1所述的非制冷阵列式红外图像传感器，其特征在于，在半导体制冷片上设有一孔，孔的顶端至图像传感器的管壳底部，孔内安装有热电偶或热电阻。

3、如权利要求1或2所述的非制冷阵列式红外图像传感器，其特征在于，在半导体制冷片的下方固定连接一散热片。

4、如权利要求3所述的非制冷阵列式红外图像传感器，其特征在于，还包括一夹板，该夹板通过螺钉与散热片固定构成一夹板付，将所述底座和电极引出印刷电路板固定。

5、如权利要求3所述的非制冷阵列式红外图像传感器，其特征在于，所述夹板设有若干个螺钉孔，用于将非制冷阵列式红外图像传感器固定在红外光学系统上。

6、如权利要求1所述的非制冷阵列式红外图像传感器，其特征在于，在管座和半导体制冷片之间设有一导热金属片。

7、如权利要求1所述的非制冷阵列式红外图像传感器，其特征在于，在管座上设置圆心角相互错开的多环引线。

8、如权利要求1所述的非制冷阵列式红外图像传感器，其特征在于，所述管帽采用低红外吸收玻璃材料。