CN103972042A - 芯片型红外线发射器封装件 - Google Patents
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Abstract
一种芯片型红外线发射器封装件，包含一发射器芯片及一壳体。该发射器芯片包括：一含有一硅基体的基座，具有一顶面及一延伸穿过该顶面的中央腔；一薄板，具有一周端，该周端与该中央腔的周缘是经由一环形间隙所分隔；一电阻器，形成在该薄板上，用于加热该薄板以产生红外线辐射；至少一细长形梁式支脚，自该薄板的周端并穿过该环形间隙延伸至该基座，以使该薄板悬浮于该中央腔内，借以对于自该薄板至该细长形梁式支脚的热传导形成一热瓶颈；及一第一反射材料，覆盖在该薄板的底面上。该封闭的真空室具有的压力低于0.01torr。
Description
技术领域
本发明涉及一种芯片型红外线发射器封装件，特别是涉及一种包含一通过一细长形梁式支脚(slim supporting beam)悬浮于一基座(substrate)上的薄板(membrane)与一电阻器(electric resistor)的芯片型红外线发射器封装件。
背景技术
以往，炽热的发光源可用来产生红外线辐射，并可用于进行非色散型红外线(non-dispersive infrared,NDIR)的气体侦测。一般的炽热发光源包含灯丝灯泡及芯片型红外线发射源，其中灯丝灯泡具有较慢的热应答速度及较高的功率消耗(0.6W)等缺点，因此不适用于电池供电的(battery-operated)NDIR气体侦测。
美国专利公告第7,989,821号公开一种利用半导体制程技术制得的密封的红外线发射源，该红外线发射源包含一具有一中央腔(centralcavity)的基座，一多晶硅(polysilicon)电导体制得的发射器薄板，及一封闭该基座及该发射器薄板的外罩(housing)。该发射器薄板具有一形成于该基座顶面的周端，借以使该发射器薄板悬浮于该基座上。该外罩定义一可填充惰性气体或真空以避免氧化的封闭空间。
美国专利公开第2012/0267532号公开一种红外线发射源，包含一具有一中央腔的基座，一悬浮于该基座上的薄板，及一电阻加热器(resistive heater)。类似于前述美国公告专利，该薄板具有一形成于该基座顶面的周端。
虽然前述美国公告专利及公开专利的红外线发射源的尺寸可被微型化(miniaturized)，然而所述专利并未教示一环形间隙(loop-shapedgap)形成于该薄板的周端与该硅基材的中央腔的周缘间，用于热隔离该薄板及该硅基材以减少该薄板的热损失。此外，所述专利并未教示该中央腔内的压力对于红外线辐射源的电-光转换效率(electro-opticalefficiency，代表将电力转换为光能的效率)具有关键性的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芯片型红外线发射器封装件，可克服上述先前技术中的缺点。
本发明芯片型红外线发射器封装件，包含一发射器芯片(emitterchip)及一壳体(enclosure)。该发射器芯片包括：一含有一硅基体(siliconbase)的基座，具有一顶面、一底面(top and bottom surfaces)及一延伸穿过该顶面的中央腔(central cavity)，该顶面与该底面是在一垂直方向上相反设置；一薄板，在该垂直方向上对准于该中央腔且具有一顶面、一底面及一周端(peripheral end)，该周端与该中央腔的周缘是经由一环形间隙(loop-shaped gap)所分隔；一电阻器，形成在该薄板的顶面上，用于加热该薄板以产生红外线辐射；至少一细长形梁式支脚，自该薄板的周端并穿过该环形间隙延伸至该基座，以使该薄板悬浮于该中央腔内，借以对于自该薄板至该细长形梁式支脚的热传导形成一热瓶颈(thermal bottleneck)；及一第一反射材料(first reflective material)，覆盖在该薄板的底面上。该壳体包括一外罩(can housing)及一透明窗板(window plate)，该外罩定义一窗口(window opening)，该透明窗板是密封地覆盖于该窗口并与该外罩共同定义一封闭的真空室(enclosed vacuum chamber)，该真空室是与该中央腔流体连通，该发射器芯片是装设在该封闭的真空室中，用于穿过该窗板发射该红外线射线。该封闭的真空室具有的压力低于0.01torr。
本发明的有益效果在于：本发明芯片型红外线发射器封装件可显著地减少该薄板的总热损失，能有效率地提供均匀的红外线辐射。
附图说明
图1是本发明芯片型红外线发射器封装件的第一较佳实施例的剖面示意图；
图2是该第一较佳实施例发射器芯片的俯视图；
图3是一热损失图，说明该第一较佳实施例中，一薄板的各种热损失及总热损失对于一外罩中的真空室中压力的变化；
图4是一电-光转换效率图，说明该第一较佳实施例(曲线a)与两比较例(曲线b及曲线c)的比较；
图5是本发明芯片型红外线发射器封装件的第二较佳实施例发射器芯片的剖面示意图；
图6是该第二较佳实施例发射器芯片的俯视图；
图7是本发明芯片型红外线发射器封装件的第三较佳实施例发射器芯片的剖面示意图；及
图8是本发明芯片型红外线发射器封装件的第四较佳实施例发射器芯片的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
图1与图2说明本发明芯片型红外线发射器封装件100的第一较佳实施例。
该芯片型红外线发射器封装件100包含一发射器芯片1、一对导电引脚(conductive leads)2及一壳体3。该发射器芯片1包括：一基座11，该基座11具有一顶面111、一底面112及一延伸穿过该顶面111的中央腔113，该顶面111与该底面112是在一垂直方向上相反设置，该中央腔113是经由一腔体定义壁116所定义，该腔体定义壁116具有一底部，且设置在该基座11的底面112上方；一对形成在该基座11的顶面111上的导电接垫(conductive pads)12；一薄板13，在该垂直方向上对准于该中央腔113且具有一顶面131、一底面132及一周端133，该周端133与该中央腔113的周缘114是经由一环形间隙115所分隔；一电阻器14，形成在该薄板13的顶面131上，用于加热该薄板13以产生红外线辐射；四细长形梁式支脚15，分别设置在该薄板13的四个角落，并自该薄板13的周端133穿过该环形间隙115延伸至该基座11，以使该薄板13悬浮于该中央腔113内，借以对于自该薄板13至该细长形梁式支脚15的热传导形成一热瓶颈，进而减少该薄板13的热量损失并使该薄板13达到均匀的温度分布；及一第一反射材料16，覆盖在该薄板13的底面132上。该基座11是一由硅晶圆(silicon wafer)制成的硅基体。该壳体3包括一外罩31及一透明窗板32。该外罩31定义一窗口33，该透明窗板32是密封地覆盖于该窗口33并与该外罩31共同定义一封闭的真空室4，该真空室4是与该中央腔113流体连通，该发射器芯片1是装设在该封闭的真空室4中，用于穿过该透明窗板32发射该红外线射线。所述导电引脚2是密封地延伸穿过该外罩31的底壁且穿入该真空室4，以经由一对接合导线(bonding wire)5分别与所述导电接垫12电连接。该电阻器14是形成一曲折的线形线路(meanderingwire-shaped trace)，且具有两相反端部(end sections)141，该线形线路的两端部141是设置并延伸于该细长形梁式支脚15的表面上。在本实施例中,电阻器14的两端部141延伸于两不同的细长形梁式支脚15的表面上。
在本实施例中，该薄板13及该细长形梁式支脚15是由一硅晶圆通过微机电(micro-electro-mechanical,MEMS)技术而制得。
该第一反射材料16是以一具有高反射率及低放射率的金属材料制得，较佳是选自于银、金、铝或铂。在本实施例中，该第一反射材料16是以金制得。
本实施例的芯片型红外线发射器封装件100还包含一装设在该透明窗板32上的红外线滤光器(optical filter)6，可让预定波长的红外线辐射穿透，且不可让大部分该预定波长以外的红外线辐射穿透。
图3显示该第一较佳实施例中，该薄板13的各种热损失及总热损失对于真空室中压力的变化。该薄板13的尺寸为1mm×1mm且是在750℃下进行操作，每一细长形梁式支脚15的长度为0.2mm，其截面积为0.02mm×0.02mm。
该薄板13的总热损失(曲线T)为辐射热损失(曲线A，在该薄板13的底面132上覆盖有第一反射材料16)、传导热损失(曲线B，在该薄板13与所述细长形梁式支脚15间形成有热瓶颈)及对流热损失(曲线C，真空室4内的空气造成的热损失)的总合。此外，图3中的曲线D及曲线E分别代表一薄板13的周端133与一中央腔113的周缘114完整连接(意即无热瓶颈)的传导热损失及一在底面132上缺乏第一反射材料16覆盖的薄板13的辐射热损失。
申请人发现：当真空室4中压力高于0.5torr时，对流热损失(曲线C)是大于曲线A与曲线E的辐射热损失(此时对流热损失为总热损失的主要影响因素)，因此在该薄板13的底面132上覆盖第一反射材料16(意即将缺乏第一反射材料16覆盖的薄板13改变为底面132上覆盖有第一反射材料16的薄板13)对于总热损失的减少是微不足道的。
相类似地，当真空室4中压力高于0.5torr时，对流热损失(曲线C)是大于曲线B与曲线D的传导热损失(此时对流热损失为总热损失的主要影响因素)，因此经由细长形梁式支脚15所带来的热瓶颈(意即将底面132上覆盖有第一反射材料16但不具有热瓶颈的薄板13改变为底面132上覆盖有第一反射材料16且具有热瓶颈的薄板13)对于总热损失的减少仍是微不足道的。
此外，由于曲线E(无第一反射材料覆盖)的辐射热损失远大于曲线B的传导热损失，因此经由细长形梁式支脚15所带来的热瓶颈对于无第一反射材料16覆盖的薄板13的总热损失的减少是微不足道的。
因此，申请人发现需要将真空室4内的压力降低至低于0.03torr，且需在该薄板13的底面132上形成第一反射材料16，使得薄板13的对流热损失(曲线C)与辐射热损失(曲线A)的大小相当，以显著影响经由细长形梁式支脚15所带来的热瓶颈对于薄板13的总热损失的减少(意即从曲线D降至曲线B)。
图4显示该第一较佳实施例(曲线a)与两比较例(曲线b及曲线c)在电-光转换效率上的比较。曲线b所代表的比较例与该第一较佳实施例不同处在于缺乏该第一反射材料16。曲线c所代表的比较例与该第一较佳实施例不同处在于缺乏该第一反射材料16且不具有该热瓶颈(意即该薄板13的周端133与该中央腔113的周缘114完整接触)。
如图4所示，在真空室4的压力为0.1torr时，该第一较佳实施例相较曲线c所代表的比较例，其电-光转换效率可从12%提升至80%；相较曲线b所代表的比较例，其电-光转换效率可从45%提升至80%。在真空室的压力为0.01torr时，该第一较佳实施例相较曲线c所代表的比较例，其电-光转换效率可从15%提升至92%；相较曲线b所代表的比较例，其电-光转换效率可从48%提升至92%。
此外，该第一较佳实施例的功率消耗(power consumption)仅为0.15W。
图5与图6说明本发明芯片型红外线发射器封装件100的第二较佳实施例。
该第二较佳实施例与该第一较佳实施例不同处在于该第二较佳实施例包括一细长形梁式支脚15，相互连接该薄板13的周端133及该中央腔113的周缘114，且该线形线路的两端部141是设置并延伸于该细长形梁式支脚15的表面上。
图7说明本发明芯片型红外线发射器封装件100的第三较佳实施例。
该第三较佳实施例与该第一较佳实施例不同处在于该第三较佳实施例还包括一第二反射材料17，形成并覆盖在该中央腔113的腔体定义壁116上及该基座11的外周缘的表面上。该第二反射材料17是以一具有高反射率及低放射率的金属材料制得，较佳是选自于银、金、铝或铂。在本实施例中，该第二反射材料17是以金制得。
图8说明本发明芯片型红外线发射器封装件100的第四较佳实施例。
该第四较佳实施例与该第一较佳实施例不同处在于该第四较佳实施例包括一基座11，该基座11含有一硅基体18及一形成在该硅基体18顶面上的间隔层19。该薄板13、所述细长形梁式支脚15及该间隔层19是由二氧化硅材料所形成。所述导电接垫12是形成在该间隔层19上。所述细长形梁式支脚15是自该薄板13的周端133并穿过该环形间隙115延伸至该间隔层19。该硅基体18是由硅晶圆所制成。
在本实施例中，该薄板13及该细长形梁式支脚15是由在该硅基体18上形成一二氧化硅层后再通过半导体制程技术而制得。
综上所述，本发明芯片型红外线发射器封装件100包含通过至少一细长形梁式支脚15悬浮于一基座11上的薄板13，能有效地减少该薄板的总热损失，所以确实能达成本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例与具体例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利的范围。
Claims (6)
1.一种芯片型红外线发射器封装件，其特征在于其包含：
一发射器芯片，包括：
一含有一硅基体的基座，该基座具有一顶面、一底面及一延伸穿过该顶面的中央腔，该顶面与该底面是在一垂直方向上相反设置，
一薄板，在该垂直方向上对准于该中央腔且具有一顶面、一底面及一周端，该周端与该中央腔的周缘是经由一环形间隙所分隔，
一电阻器，形成在该薄板的顶面上，用于加热该薄板以产生红外线辐射，
至少一细长形梁式支脚，自该薄板的周端并穿过该环形间隙延伸至该基座，以使该薄板悬浮于该中央腔内，借以对于自该薄板至该细长形梁式支脚的热传导形成一热瓶颈，及
一第一反射材料，覆盖在该薄板的底面上；及
一壳体，包括一外罩及一透明窗板，该外罩定义一窗口，该透明窗板是密封地覆盖于该窗口并与该外罩共同定义一封闭的真空室，该真空室是与该中央腔流体连通，该发射器芯片是装设在该封闭的真空室中，用于穿过该窗板发射该红外线射线；
该封闭的真空室具有的压力低于0.01torr。
2.根据权利要求1所述的芯片型红外线发射器封装件，其特征在于：该中央腔是经由一腔体定义壁所定义，该腔体定义壁具有一底部，且设置在该基座的底面上方。
3.根据权利要求2所述的芯片型红外线发射器封装件，其特征在于：该芯片型红外线发射器封装件还包含一第二反射材料，覆盖在该腔体定义壁上。
4.根据权利要求1所述的芯片型红外线发射器封装件，其特征在于：该电阻器是形成一曲折的线形线路，具有两相反端部，该线形线路的两端部是设置并延伸于该细长形梁式支脚的表面上。
5.根据权利要求1所述的芯片型红外线发射器封装件，其特征在于：该芯片型红外线发射器封装件还包含一装设在该窗板上的红外线滤光器，该红外线滤光器是可让预定波长的红外线辐射穿透，且不可让大部分该预定波长以外的红外线辐射穿透。
6.根据权利要求1所述的芯片型红外线发射器封装件，其特征在于：该第一反射材料是以金属材料制得，该金属材料是选自于银、金、铝或铂。
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