CN105806492A - 其中带有参考传感器的热电堆温度传感器 - Google Patents
其中带有参考传感器的热电堆温度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种传感器封装件，其具有设置在其中的热电堆传感器以及参考热电堆传感器。在一个或多个实施方式中，所述传感器封装件包括基板、设置在基板之上的热电堆传感器、设置在基板之上的参考热电堆传感器、以及设置在热电堆传感器和参考热电堆传感器之上的盖体组件。所述盖体组件包括传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射的透明结构、以及设置在所述盖体组件之上的电磁阻挡件。电磁阻挡件在热电堆传感器之上限定孔缝，使得电磁阻挡件的至少一部分被放置在参考热电堆传感器之上。所述电磁阻挡件被配置为至少大体上阻挡发生在有限的波长光谱内的电磁辐射以使其不能到达参考热电堆传感器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C§119(e)而要求于2014年11月4日提交的标题为“THERMOPILETEMPERATURESENSORWITHAREFERENCESENSORTHEREIN”的美国临时申请序列No.62/074851的权益，通过引用的方式将该美国临时申请的全部内容并入本文。
背景技术
热电堆传感器将热能转换为电能。这些传感器可以使用几个热电偶来生成与当地温差(例如，温度梯度)成比例的输出电压。这些热电堆传感器可以用于医学行业中来测量人体的温度、可以用于热流传感器和/或用于气体燃烧器安全控制中。
发明内容
一种传感器封装件，其具有设置在其中的热电堆传感器以及参考热电堆传感器。在一个或多个实施方式中，该传感器封装件包括基板、设置在基板之上的热电堆传感器、设置在基板之上的参考热电堆传感器、以及设置在热电堆传感器和参考热电堆传感器之上的盖体组件。盖体组件包括传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射(例如，红外辐射[IR])的透明结构、以及设置在盖体组件之上的红外辐射阻挡件。电磁阻挡件在热电堆传感器之上限定孔缝，使得电磁阻挡件的至少一部分被放置在参考热电堆传感器之上。电磁阻挡件被配置为至少大体上阻挡发生在有限的波长光谱内的电磁辐射以使其不能到达参考热电堆传感器。
提供此发明内容以用于以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。此发明内容并不旨在识别所要求的主题的关键特征或本质特征，也不旨在作为确定所要求的主题的范围的辅助。
附图说明
参考附图来描述具体实施方式。在描述和附图中的不同实例中的相同附图标记的使用可以表示相似或相同的项目。
图1-1是图示根据本公开内容的示例性实施方式的传感器封装件的部分横截面侧视图，该传感器封装件包括设置在其中的热电堆传感器、参考热电堆传感器、以及参考温度传感器。
图1-2是图示根据本公开内容的示例性实施方式的具有第一封装件和第二封装件的传感器封装件的部分横截面侧视图，其中第一封装件包括热电堆传感器和第一参考热电堆传感器，第二封装件包括参考温度传感器和第二参考热电堆传感器。
图2是图示根据本公开内容的示例性实施方式的图1-1所示的传感器封装件的部分横截面侧视图，其中，热电堆传感器、参考热电堆传感器、以及参考温度传感器通信地连接到专用集成电路。
图3是图示图1-1所示的传感器封装件的部分横截面侧视图，其中，专用集成电路操作地连接到设置在传感器封装件的盖体组件之上的加热元件。
图4是图示根据本公开内容的示例性实施方式的用于制造传感器封装件的工艺的流程图。
图5是图示根据本公开内容的示例性实施方式的基板的部分横截面侧视图，该基板具有设置在其中的热电堆传感器、参考热电堆传感器、以及参考温度传感器。
图6图示根据本公开内容的示例性实施方式的具有设置在其上的盖体组件的基板的部分横截面侧视图。
图7图示根据本公开内容的示例性实施方式的具有设置在其上的管芯的传感器的部分横截面侧视图，其中，管芯包括集成在其中的热电堆传感器和参考热电堆传感器。
图8是图示根据本公开内容的示例性实施方式的具有设置在其中的管芯的传感器的部分横截面侧视图，其中，管芯包括集成在其中的热电堆传感器、参考热电堆传感器、以及参考温度传感器。
具体实施方式
综述
热电堆传感器用于多种应用中。例如，热电堆是可以用于进行非接触式温度测量的红外辐射(IR)检测器(例如，电磁辐射)。热电堆可以包括几个耦合在一起的热电偶。热电堆用于作为用于测量体温的温度测量装置(例如，红外温度计)的一部分来响应于温度而提供输出。当热电堆检测来自感兴趣的对象的电磁辐射时，热电堆还可以检测来自其它非感兴趣的对象的电磁辐射。同样，热电堆输出电压，该电压取决于对象与其本身温度的温差。因此，参考温度传感器可以用于确定对象温度。
因此，传感器封装件具有设置在其中的感测热电堆传感器以及参考热电堆传感器。在一个或多个实施方式中，传感器封装件包括基板、设置在基板之上的热电堆传感器、设置在基板之上的参考热电堆传感器、以及设置在热电堆传感器和参考热电堆传感器之上的盖体组件。盖体组件包括传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射的透明结构、以及设置在盖体组件之上的电磁阻挡件。电磁阻挡件在热电堆传感器之上限定孔缝，使得电磁阻挡件的至少一部分被放置在参考热电堆传感器之上。电磁阻挡件被配置为至少大体上阻挡发生在有限的波长光谱内的电磁辐射以使其不能到达参考热电堆传感器。例如，电磁阻挡件至少大体上阻止从感兴趣的对象所发射的电磁辐射，以使其不能到达参考热电堆传感器。
示例性实施方式
图1-1图示了根据本公开内容的示例性实施方式的示例性传感器封装件100。如图所示，传感器封装件100包括热电堆传感器102，热电堆传感器102感测在热电堆传感器102与对象104之间的电磁辐射转移。例如，对象104发射具有根据其温度的波长特性的电磁辐射。更具体地，该辐射具有取决于对象104的温度的波长范围。热电堆传感器102感测电磁辐射转移中的变化，并且将电磁辐射变化转化成对应的电信号(例如，将热能转换成对应的电能)。例如，热电堆传感器102将电磁辐射变化转化成对应的电压信号。在实施方式中，热电堆传感器102检测具有第一有限的波长光谱(例如，第一波长与第二波长之间的波长)的电磁辐射。例如，热电堆传感器102被配置为检测发生在红外光谱内的电磁辐射。在一些实施方式中，热电堆传感器102包括吸收器以提高电磁辐射吸收的效率。
如图所示，热电堆传感器102被放置在基板106之上。传感器封装件100包括支撑结构。例如，如图1所示，在邻近基板106处采用第一壁结构108和第二壁结构110，以至少部分地包围热电堆传感器102。基板106以及壁结构108、110包括至少大体上阻止辐射的传播的材料。例如，基板106以及壁结构108、110可以包括金属材料、金属合金以及陶瓷材料，例如玻璃、SiO2、AlN、和/或Al2O3。在一些实施方式中，基板106包括印刷电路板(PCB)。仅出于示例性目的而图示出第一壁结构108和第二壁结构110。然而，应当理解，支撑结构可以采用可以连接起来以包围传感器封装件的部件的多个壁结构。支撑结构可以用于选择性地阻挡电磁辐射以使其不能进入传感器封装件100。支撑结构还可以用作气密密封以至少大体上阻止空气进入传感器封装件100。
如图1-1所示，传感器封装件100包括参考温度传感器112以及参考热电堆传感器113。参考温度传感器112可以被放置在基板106之上，并且邻近热电堆传感器102和参考热电堆传感器113。如图所示，示例性传感器封装件100还包括参考热电堆传感器113。如本文所讨论，热电堆传感器102检测与传感器封装件100内的部件以及对象104相关联的电磁(例如，红外)辐射交换。参考热电堆传感器113被配置为检测与传感器封装件100内的部件相关联的电磁(例如，红外)辐射。在实施方式中，如本文所讨论，信号代表从来自参考热电堆传感器113的信号中减去来自热电堆传感器102的信号。该减法可以发生在数字域或模拟域内。
在实施方式中，参考温度传感器112检测与热电堆传感器102和参考热电堆传感器113的温度参考有关的信号。例如，如图1-1所示，传感器封装件100包括被放置在热电堆传感器102之上的透明结构114和对象104。在一些实例中，热电堆传感器102和参考热电堆传感器113可以一起集成在同一集成电路管芯上。在另一实例中，热电堆传感器102和参考热电堆传感器113可以是分离的传感器(例如，作为独立式管芯来制作)。另外，在一些实施方式中，参考温度传感器112还可以结合到具有热电堆传感器102和参考热电堆传感器113的独立式管芯上或与其集成。参考温度传感器112可以包括电阻式温度检测器(RTD)、基于互补金属-氧化物半导体的温度传感器、热敏电阻器、集成的带隙电压参考、薄膜电阻器、或将绝对温度转换成电测量信号的任何传感器。
基板106、支撑结构(例如，图示为壁结构108、110)以及透明结构114一起至少部分地包括包围热电堆传感器102和参考温度传感器112的封装件。在实施方式中，透明结构114被配置为传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射(例如，红外辐射)，并且对发生的具有不在有限的波长光谱内的波长的光进行滤波。在一些实施例中，透明结构114包括硅。如图所示，传感器封装件100包括至少部分地被放置在透明结构114之上的电磁阻挡件116。电磁阻挡件116被配置为至少大体上阻止发生在有限的波长光谱内的电磁辐射(以及其它杂散的电磁辐射)的传播。电磁阻挡件116可以包括合适的电磁阻挡材料，例如，金属材料等。透明结构114与电磁阻挡件116一起形成盖体组件117。
如图所示，电磁阻挡件116在热电堆传感器102之上限定孔缝118，使得电磁辐射可以从对象104传输到热电堆传感器102，并且阻止从对象104到参考热电堆传感器113的电磁辐射的传播。如图所示，孔缝118可以被限定在封装件腔体的内表面上。然而，孔缝118可以被限定在封装件透明结构114的外表面(例如，与内表面相对的面)上。因此，热电堆传感器102以及参考热电堆传感器113被配置为检测传感器封装件100内的温度变化/梯度(例如，检测利用从基板106、壁结构108、110以及透明结构114发射的有限的波长光谱而发生的电磁辐射)。热电堆传感器102还检测利用从对象104发射的有限的波长光谱而发生的电磁辐射。换句话说，热电堆传感器102生成对应于从对象104(以及封装件内部)发射的电磁辐射的电信号，并且参考热电堆传感器113生成对应于传感器封装件100内发射的电磁辐射的电信号。在一些实施方式中，传感器封装件100可以包括透镜119以聚焦入射在透镜119上的电磁辐射。例如，透镜119可以使入射在透镜119上的电磁辐射成形(例如，准直)，并且将电磁辐射传输到热电堆传感器102(例如，到热电堆传感器102的膜)。透镜119可以由硅或其它合适的材料组成。
在一些实施方式中，传感器封装件100包括平台(berm)(例如，屏障)结构120，其会被配置为减轻通过孔缝118进入以到达参考热电堆传感器113的电磁辐射。平台结构120可以包括阻止有限的波长光谱内的电磁辐射的传播的任何合适的材料。平台120可以是安装到或通过合适的环氧工艺安装到盖体组件117的结构。在一些实施方式中，平台120用作将腔体121分隔成多个部分(例如，包括热电堆传感器102的第一部分和包括参考热电堆传感器的第二部分)的结构。在一些实施方式中，平台120可以安装到基板106，或可以是参考温度传感器112的一部分。
图1-2图示了根据本公开内容的另一实施方式的传感器封装件100。如图所示，传感器封装件100可以采用第一封装件120(例如，第一分立区域)以及第二封装件122(例如，第二分立区域)。如图所示，第一封装件120和第二封装件122被设置于基板106之上。例如，第一封装件120和第二封装件122可以安装到基板(例如，通过合适的环氧工艺等)。如图所示，第一封装件120包括热电堆传感器102以及第一参考温度传感器112(1)。第二封装件122包括参考热电堆传感器113以及第二参考温度传感器112(2)。如图所示，每个封装件120、122包括相应的盖体组件117(1)、117(2)。在实施方式中，盖体组件117(1)、117(2)与彼此分立。如图1-2所示，电磁阻挡件116被设置在盖体组件117(2)的表面之上。盖体组件117(1)被配置为传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射。
参考图2，集成电路200(专用集成电路)可以用于生成代表从对象104发射的电磁辐射的数字信号(例如，确定与对象104相关联的温度)。例如，专用集成电路200可以包括电连接到传感器封装件100的模块，以响应于发生在有限的波长光谱内的电磁辐射来接收由热电堆传感器102与参考温度传感器112所生成的电信号。在实施方式中，该电路可以包括模数转换器电路、可编程增益放大器(PGA)电路、固定增益放大器电路、及其组合等等。专用集成电路200被配置为接收来自热电堆传感器102的电信号、来自参考温度传感器112以及参考热电堆传感器113的电信号，以生成代表与对象104相关联的温度的信号。例如，专用集成电路200被配置为去除(例如，减去)两个电信号共同的电信号(例如，代表与封装件相关联的电磁辐射的电信号)，并且生成代表与对象104相关联的温度的信号。在实施方式中，专用集成电路200被配置为生成代表与对象104相关联的温度的数字信号。在实施方式中，专用集成电路200可以存储校正参数来生成对应的数字计算。
专用集成电路200被配置为利用与传感器封装件100相关联的校正协议。例如，如图3所示，传感器封装件100可以采用生成已知量的电磁辐射(例如，生成已知量的热量)的加热元件300。加热元件300可以被放置在盖体组件117之上以改变盖体组件117相对于包括传感器封装件100的其它部件的温度。因此，热电堆传感器102与参考温度传感器112生成对应于传感器封装件100(包括盖体组件，其基于加热元件300的电磁辐射而生成电磁辐射)的电磁辐射的电信号。专用集成电路200可以去除两个电信号共同的电信号以生成代表与热电堆传感器102和/或参考温度传感器112相关联的误差信号的电信号。然后，可以基于利用误差信号来校正专用集成电路200。可以在现场或在初始出厂校正期间执行此校正协议。在一些实例中，加热元件300电路可以与专用集成电路200构成整体。在其它实例中，加热元件300电路可以是独立式电路(例如，出厂测试设备等)。
示例性方法
图4图示了采用工艺技术来制造温度感测装置(例如，图1至图3所示的传感器封装件100)的示例性工艺400。在所图示的工艺400中，容纳包括热电堆传感器、参考温度传感器以及参考热电堆传感器的基板(方框402)。图5图示了示例性传感器500。在一些实施方式中，容纳基板502可以包括容纳印刷电路板，例如，印刷电路板包括热电堆传感器504、参考温度传感器506以及参考热电堆传感器508，例如，使用管芯附接粘合剂510来将热电堆传感器504、参考温度传感器506以及参考热电堆传感器508电连接到印刷电路板。在另一实施方式中，容纳基板502可以包括容纳印刷电路板，例如，印刷电路板包括热电堆传感器504以及参考温度传感器506，例如，使用管芯附接粘合剂510来将热电堆传感器504以及参考温度传感器506电连接到印刷电路板。如图5所示，基板502可以包括第一壁结构512和第二壁结构514。如图5所示，传感器500包括加热元件515。可以以多种方式来配置加热元件515。例如，加热元件515可以包括分离的部件。在另一示例中，加热元件515可以与基板502集成。在实施方式中，加热元件515可以被设置在陶瓷和/或印刷电路板金属层内。在又一示例中，加热元件515可以被放置在热电堆传感器504和/或参考热电堆传感器508之上。
如图4所示，形成盖体组件(方框404)。例如，将电磁阻挡件沉积(例如，形成)在透明结构之上(方框406)。在实施方式中，如图6所示，容纳透明结构516，并且将电磁阻挡件518沉积(例如，经由合适的沉积技术)在透明结构516(例如，对感兴趣的电磁辐射透明的结构)的表面519之上，来形成盖体组件520。可以采用电磁阻挡件518限定孔缝522的方式沉积电磁阻挡件518。在一些实施方式中，平台524形成在电磁阻挡件518之上。例如，可以通过合适的模塑、回流和/或蚀刻工艺来构造平台524。例如，可以通过模塑适合的塑料材料或使热塑材料(例如，光致抗蚀剂)回流来构造平台524。另外，在一些实施方式中，透镜526设置在盖体组件520之上。可以通过合适的沉积、模塑和/或蚀刻(例如，干法蚀刻)工艺来在盖体组件520之上形成透镜526。在一些实施方式中，传感器500包括光学滤波器527。光学滤波器527被配置为传递有限的波长光谱内的电磁辐射(例如，具有在第一波长和第二波长之间的波长的电磁辐射[例如，发生在期望的波长内的电磁辐射])。
在一些实施方式中，加热元件被放置在盖体组件之上(方框408)。例如，如本文所讨论，加热元件519可以被放置在盖体组件520上(见图6)。加热元件515、519被配置为生成已知量的电磁辐射。例如，加热元件519被配置为生成已知量的电磁辐射(例如，热量)以将盖体组件520的温度改变已知量。加热元件515、519可以包括独立的部件，例如电阻式电阻器。在其它实施方式中，加热元件515、519可以包括由金属和/或硅基材料组成的电阻式元件。如图4所示，盖体组件被放置在基板之上(方框410)。在实施方式中，盖体组件520被放置在基板502之上。例如，盖体组件520可以被放置在壁结构512、514之上以包围热电堆传感器504和参考温度传感器506。
图7和图8图示了传感器500的附加的实施方式。图7图示了包括管芯528(例如，集成电路管芯)的传感器500，管芯528具有集成于其中的热电堆传感器504和参考热电堆传感器508。如图所示，参考温度传感器506可以设置在管芯528之上。图8图示了包括管芯528(例如，集成电路管芯)的传感器500，管芯528具有集成于其中的热电堆传感器504、参考温度传感器506和参考热电堆传感器508。如图7所示，管芯528可以通过合适的管芯附接粘合剂530附接到基板502的表面。在实施方式中，管芯附接粘合剂510包括热传导管芯附接粘合剂，并且管芯附接粘合剂530包括非热传导管芯附接粘合剂。图8图示了上文所描述的传感器500的另一实施方式。在此实施方式中，管芯528可以通过合适的管芯附接粘合剂510、530附接到基板502的表面。如图所示，可以使用非热传导管芯附接粘合剂530来附接管芯528的外部，并且可以使用热传导管芯附接粘合剂510来附接管芯528的内部。因此，在一些实施方式中，可以利用非热传导管芯附接粘合剂材料将管芯528附接到基板502的表面。在其它实施方式中，利用非热传导管芯附接粘合剂材料以及热传导管芯附接粘合剂材料将管芯528附接到基板502的表面。
结论
尽管已经以具体到结构特征和/或工艺操作的语言描述了主题，但是应当理解，不必将所附权利要求中所限定的主题限于上文所描述的特定特征或行为。相反，上文所描述的特定特征或行为作为实施权利要求的示例性形式而被公开。
Claims (20)
1.一种传感器封装件，包括：
基板；
设置在所述基板之上的热电堆传感器；
设置在所述基板之上的参考热电堆传感器；
设置在所述基板之上的参考温度传感器；
设置在所述热电堆传感器、所述参考热电堆传感器以及所述参考温度传感器之上的盖体组件，所述盖体组件包括传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射的透明结构、以及设置在所述盖体组件之上的电磁阻挡件，所述电磁阻挡件在所述热电堆传感器之上限定孔缝，
其中，所述电磁阻挡件的至少一部分被放置在所述参考热电堆传感器之上，所述电磁阻挡件被配置为至少大体上阻挡发生在有限的波长光谱内的所述电磁辐射。
2.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述电磁阻挡件包括硅材料、锗材料或金属材料的至少其中之一。
3.根据权利要求1所述的传感器封装件，还包括围绕所述基板设置的用于支撑所述盖体组件的支撑结构。
4.根据权利要求1所述的传感器封装件，还包括平台结构，所述平台结构设置在所述孔缝与所述参考热电堆传感器之间，以至少大体上阻止穿过所述孔缝到达所述参考热电堆传感器的发生在有限的波长光谱内的所述电磁辐射的传播。
5.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述热电堆传感器与所述参考热电堆传感器集成在相同的集成电路管芯中。
6.根据权利要求5所述的传感器封装件，其中，所述参考温度传感器集成在所述集成电路管芯中。
7.根据权利要求1所述的传感器封装件，还包括设置在所述孔缝之上的透镜，所述透镜被配置为：对入射在所述透镜上的发生在所述有限的波长光谱内的电磁辐射进行准直，并且将所准直的电磁辐射传输到所述热电堆传感器。
8.一种系统，包括：
传感器封装件，所述传感器封装件包括：
基板；
设置在所述基板之上的热电堆传感器，所述热电堆传感器被配置为基于所检测的电磁辐射而生成第一电信号；
设置在所述基板之上的参考热电堆传感器，所述参考热电堆传感器被配置为基于所检测的电磁辐射而生成第二电信号；
设置在所述基板之上的参考温度传感器，所述参考温度传感器被配置为生成代表与所述热电堆传感器和所述参考热电堆传感器相关联的温度的信号；
设置在所述热电堆传感器和所述参考热电堆传感器之上的盖体组件，所述盖体组件包括传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射的透明结构、以及设置在所述盖体组件之上的电磁阻挡件，所述电磁阻挡件在所述热电堆传感器之上限定孔缝，
其中，所述电磁阻挡件的至少一部分被放置在所述参考热电堆传感器之上，所述电磁阻挡件被配置为至少大体上阻挡发生在有限的波长光谱内的所述电磁辐射；以及
与所述传感器封装件电通信的集成电路，专用集成电路被配置为生成对应于所检测的电磁辐射的电信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电磁阻挡件包括金属材料。
10.根据权利要求8所述的系统，还包括围绕所述基板设置的用于支撑所述盖体组件的支撑结构。
11.根据权利要求8所述的系统，还包括设置在所述盖体组件上的加热元件，所述加热元件被配置为生成已知量的电磁辐射。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电信号对应于与对象相关联的温度。
13.根据权利要求8所述的系统，还包括设置在所述孔缝之上的透镜，所述透镜被配置为：对入射在所述透镜上的发生在所述有限的波长光谱内的电磁辐射进行准直，并且将所准直的电磁辐射传输到所述热电堆传感器。
14.一种方法，包括：
容纳基板，所述基板具有设置在其上的热电堆传感器、参考热电堆传感器以及参考温度传感器；并且
将盖体组件放置于所述基板上，所述盖体组件包括传递发生在有限的波长光谱内的电磁辐射的透明结构、以及设置在所述盖体组件之上的电磁阻挡件，所述电磁阻挡件在所述热电堆传感器之上限定孔缝，
其中，所述电磁阻挡件的至少一部分被放置在所述参考热电堆传感器之上，所述电磁阻挡件被配置为至少大体上阻挡发生在有限的波长光谱内的所述电磁辐射。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括将透镜附接到所述盖体组件，所述透镜被配置为：对入射在所述透镜上的发生在所述有限的波长光谱内的电磁辐射进行准直，并且将所准直的电磁辐射传输到所述热电堆传感器。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电磁阻挡件包括硅材料、锗材料或金属材料的至少其中之一。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述基板包括用于支撑所述盖体组件的支撑结构。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括将加热元件附接到所述盖体组件之上，所述加热元件被配置为生成已知量的电磁辐射。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述盖体组件之上形成平台。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述参考温度传感器包括电阻式温度检测器、基于互补金属-氧化物半导体的温度传感器、热敏电阻器、集成的带隙电压参考或薄膜电阻器的至少其中之一。
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