CN106197711A - 具有散热器的热感测器系统及方法 - Google Patents
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Abstract
描述了包括使用散热器(例如热沉)可动热感测器系统、可动设备壳体以及用于制造可动热感测器系统的方法。在一种实施方式中，所述可动热感测器系统包括：被配置为支撑电气部件的基底；联接到该基底的热探测器封装，该热探测器封装包括第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及联接到所述基底的散热器。在另一种实施方式中，可动设备壳体包括被配置为容纳可动设备的壳体，其中所述可动设备包括可动热感测器系统。
Description
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2015年4月14日提交的申请号为No.62/147196的美国临时申请的优先权，其标题为“具有散热器的热感测器系统及方法”。申请号为No.62/147196的美国临时申请将于此通过整体引入而合并。
背景技术
热电堆可包括将热能转化成电能的电子设备。它可由常常串联或并联的数个热电偶组成。热电堆对绝对温度没有反应，但产生与局部温差或温度梯度成比例的输出电压。热电堆的输出电压可在几十或几百微伏范围内。热电堆可用于从例如来自电气部件、太阳风、放射性材料或者燃烧的热量来产生电能。
发明内容
描述了包括使用散热器(例如热沉)的可动热感测器系统、可动设备壳体以及用于制造可动热感测器系统的方法。在一种实施方式中，可动热感测器系统包括：被配置为支撑电气部件的基底；联接到该基底的热探测器封装，该热探测器封装包括第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及联接到所述基底的散热器。在另一种实施方式中，可动设备壳体可包括被配置为容纳可动设备的壳体，其中该可动设备包括可动热感测器系统，该可动热感测器系统包括：被配置为支撑电气部件的基底；联接到该基底的热探测器封装，该热探测器封装包括第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及联接到所述基底的第一散热器；所述壳体中的开口；以及设置在所述壳体上并且邻近所述开口的第二散热器，其中该散热器被配置为与所述可动热感测器系统接触并且散热。
在一种实施方式中，采用根据本公开的示例性技术的用来制造可动热感测器系统的方法包括将热探测器封装回流焊到基底上，其中该热探测器封装包括至少第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及将散热器放在基底上。
提供的本综述以引入具有简化形式的概念的选择，下面在详细说明中进一步描述所述概念。本综述并不旨在确定要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在被用作帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
参照附图描述详细的说明书。说明书和附图中不同实例中使用的相同的附图标记可以表示相似或相同的项。
图1A是说明根据本公开的示例性实施方式的包括散热器的可动热感测器系统和热探测器封装的实施例的横截面侧视图。
图1B是说明根据本公开的示例性实施方式的包括开口和散热器的壳体的实施例的局部平面图。
图1C是说明根据本公开的示例性实施方式的包括散热器的可动热感测器系统和热探测器封装的实施例的等距视图。
图1D是说明根据本公开的示例性实施方式的在没有散热器的情况下计算的热探测器封装温度与时间相对的图形化描述。
图1E是说明根据本公开的示例性实施方式的在具有用于散热的散热器的情况下计算的热探测器封装温度与时间相对的图形化描述。
图2是说明用于制造包括散热器的可动热感测器系统(诸如在图1A至1C中说明的可动热感测器系统)的示例性方法的流程图。
图3A是说明根据图2所示方法制造的可动热感测器系统(诸如在图1A至1C中示出的可动热感测器系统)的图示的局部横截面侧向正视图。
图3B是描述根据图2所示方法制造的具有散热器的可动热感测器系统(诸如在图1A至1C中示出的可动热感测器系统)的图示的局部横截面侧向正视图。
具体实施方式
概述
温度感测装置在便携式电子设备中变得越发普遍。热电堆通常用于半导体和电子设备中的温度感测，例如非接触式温度测量装置。
当封装中不存在热梯度时，大部分温度感测装置和系统工作好。然而，很多设备内部产生热量或者经受外部热量，这可能产生热波动以及热梯度例如横向热梯度，并且在测量温度时可能产生误差。温度测量装置尤其是热电堆系统可能对x-y方向上的横向热梯度敏感。当热电堆系统放在其中有从不同方向穿过其放热的热源的设备中时，这可能变成一个问题。例如，一些热电堆系统可能有两个热电堆，目的是一个热电堆探测外部辐射且第二个热电堆移除并补偿垂直热梯度。然而，仅当两个热电堆探测器温度相同时这才起作用。如果它们温度不同(有时是由横向热梯度所致)，那么可能会放大温度测量误差。
因此，描述了包括使用散热器(例如热沉)的可动热感测器系统、可动设备壳体以及用于制造可动热感测器系统的方法。在一种实施方式中，所述可动热感测器系统包括：被配置为支撑电气部件的基底；联接到该基底的热探测器封装，该热探测器封装包括第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及联接到所述基底的散热器。在另一种实施方式中，可动设备壳体可包括被配置为容纳可动设备的壳体，其中该可动设备包括：可动热感测器系统，该可动热感测器系统包括被配置为支撑电气部件的基底；联接到该基底的热探测器封装，该热探测器封装包括第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及联接到所述基底的第一散热器；在所述壳体中的开口；以及设置在所述壳体上并且邻近于所述开口的第二散热器，其中该散热器被配置以与所述可动热感测器系统接触并散热。
在一种实施方式中，采用根据本公开的示例性技术的用于制造可动热感测器系统的方法包括：将热探测器封装回流焊到基底上，其中该热探测器封装包括至少第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及将散热器放到所述基底上。
于此公开的可动热感测器系统和可动设备壳体的功能是消除或实质上消除可动设备或其他手持设备中的热波动和梯度的干扰，并且允许热探测器/感测器的精确工作，尤其是在非接触式高温计中，例如热电堆系统。所述可动热感测器系统可以用在各种系统中，例如NIR LWIR分光感测器(例如用于气体感测等)中。
示例性实施方式
图1A至1C说明了根据本公开的示例性实施方式的可动热感测器系统100和热探测器封装102。此外，描述了被配置有散热器124的壳体126，其可以与例如可动设备一起使用。在实施方式中，可动设备可以被配置为相对小的且可移动(例如重量小于2磅)。一些可动设备的示例可包括智能手机、移动电话、可穿戴设备(例如手表)和/或平板电脑。预计可以利用其它类型的可动设备。
如图1A至1C所示，热探测器封装102可包括封装104和封装基底106。封装104可包括不同类型的材料和/或结构。例如，封装104可包括陶瓷基材料。在另一示例中，封装104可以包括硅基材料、金属、金属合金(例如镍-钴铁合金(Kovar))和/或聚合物基材料。在具体实施例中，封装104可包括陶瓷封装，其具有被配置有至少一个壁的封装基底106，所述壁限定被配置以容纳第一热电堆108、第二热电堆110和/或参考温度探测器112的腔室。第一热电堆108和第二热电堆110可以制造在同一模具上。在另一具体实施例中，封装104可包括硅基材料，其具有与封装基底106结合的四个壁，所述封装基底同样包括硅基材料。封装基底106可被配置以机械地和/或电气地支撑电子设备，例如第一热电堆108、第二热电堆110、参考温度探测器112和/或其它部件。封装104还可被配置以机械地和/或电气地支撑封装盖114。这些特征(例如封装104、封装基底106等)中的至少一些可被配置以便于电互连(例如穿过基底的孔、再分配层、金属线等等)。
如图1A至1C所示，可动热感测器系统100可进一步包括第一热电堆108、第二热电堆110以及参考温度探测器112。在实施方式中，可动热感测器系统100可包括额外的热电堆装置。热电堆(例如第一热电堆108、第二热电堆110、额外的热电堆设备)可包括至少一个热电偶，其可探测入射到热电偶/热电堆装置上的红外线辐射并且将红外线辐射/热能转化为电能。所述热电偶可包括具有两个不同导体的温度测量装置，所述两个不同导体在由不同导体((或半导体)经历温差的一个点或多个点(例如热接点、冷接点)处相互接触。在这些实施方式中，所述热电堆(例如第一热电堆108、第二热电堆110等等)可以探测红外线辐射并提供成比例的电信号以用于确定目标的温度。在实施例中，第一热电堆108和/或第二热电堆110可设置在封装104和/或封装基底106之上和/或之内并被配置为暴露于光和/或电磁辐射并/或接收光和/或电磁辐射。
此外，第一热电堆108、第二热电堆110以及参考温度探测器112可电联接(例如使用电互连)到可动热感测器系统100和/或热探测器封装102里面的其它部件诸如再分配层、通孔、金属配线、金属迹线等等。在具体实施例中，在可动热感测器系统100和热探测器封装102中使用的第一热电堆108和/或第二热电堆110可以被配置为通过封装盖114中的孔118暴露于光和/或红外线辐射，这在下面将进一步描述。在该实施例中，热探测器封装102可被配置以接收和/或探测热探测器封装102和/或可动热感测器系统100外面的电磁能量(例如来自人体或其它物体的能量)。
如图1A中所示，热探测器封装102可包括设置在封装104上的封装盖122。在一些实施例中，封装盖122可以气密地密封到封装104上。封装盖122和封装104可限定容纳第一热电堆108、第二热电堆110和/或参考温度探测器112的腔室。在一个具体实施例中，封装盖122可以包括硅盖。预期封装盖122可包括其它材料。在一些实施例中，封装盖122可与封装104电互连。在一个具体示例中，封装盖122可通过在金属盖(例如镍-钴铁合金)的孔118中放置硅片或硅的基底来实现。
在一些实施例中，封装盖122可包括设置在封装盖122的至少一侧上的金属层116。金属层116可以被配置以作为用于热探测器封装102的阻光层和/或吸光层并/或确保极少或没有光穿过封装盖122进入腔室。在一个具体实施例中，金属层116可设置在封装盖122的被配置以暴露于腔室的一侧上。预期金属层116可以其他方式设置和配置，例如在封装盖122顶上(例如在远离腔室的一侧上)。在一些实施例中，金属层116和/或封装盖122可以包括孔118，其被配置为允许一些光和/或红外线辐射进入腔室并/或入射到第一热电堆108和/或第二热电堆110上。
热感测器系统100可包括设置在基底122上的热探测器封装102。在实施方式中，基底122可被配置为机械地和/或电气地支撑热探测器封装102。基底122的一些例子可以包括印刷电路板和/或柔性电路。热探测器封装102可联接到基底122，例如使用连接器120(例如焊球、焊盘网格阵列(LGA))。在一个具体示例中，热探测器封装102可以使用焊球阵列联接到柔性电路。
热感测器系统100可包括散热器124。在实施方式中，散热器124可包括被动热交换器，其通过散热冷却。在图1A至1C所示实施例中，散热器124可用来在热感测器系统100和/或热探测器封装102里面的x-y方向(例如平行于基底122和/或封装基底106)上均匀地散热，以使得第一热电堆108、第二热电堆110和/或参考温度探测器112的温度相同或实质上相同。散热器124可以包括具有高导热率的材料。例如，散热器124可包括金属例如铝块。虽然散热器124在图1A至1C中被示为块，但是散热器124可以包括各种尺寸、形状和结构。在一个具体示例中，散热器124可包括设置在基底122上与热探测器封装102相反的一侧上的铝块。在另一个具体示例中，散热器124可设置在基底122和热探测器封装102之间。在该具体实施例中，散热器124可以联接到基底122和热探测器封装102，或者可以仅联接到基底122或仅联接到热探测器封装102。在一些实施例中，散热器124可以包括基底122和/或热探测封装和/或用导热粘合剂联接到基底122和/或热探测器封装102。
在实施方式中，散热器124可包括具有高导热率的材料，尤其是在横向(例如x-y方向)上。例如，散热器124可以包括一片高导热性金属或合金，例如铝、铜或者它们的合金。散热器124材料的一些典型的导热率的范围可在150W/mK到450W/mK之间。在一些具体实例中，散热器124材料可以包括特殊复合合金，其具有在450W/mK到800W/mK范围内的典型的导热率。通常，当材料导热率高时，较薄的材料片可用于散热器124。在一个具体实施例中，散热器124可以包括多层和/或多种材料。例如，散热器124可以包括碳和石墨材料(和/或石墨烯)，例如碳纳米管或碳纳米纤维，其导热率可以高达6000W/mK。在其他示例中，散热器124可以是高导热率层和隔热层交替的多层。在一个具体实施例中，散热器124可以包括具有被隔热层分开的两个高导热率石墨层(片)的三层(或者更多层)。隔热层的一些例子可以包括气态(和/或多孔的)介质，例如空气、氮气、NASBIS等。在另一个具体实施例中，散热器124可包括两层，其中第一高导热率石墨片设置在第二隔热层上。在这些多层的示例中，具有高、低导热率材料的交替的多层可以导致更有效的散热器124。
如图1B所示，可以被配置为与热感测器系统100一起使用的壳体126可包括散热器124和开口128。在实施方式中，壳体126可包括用于设备例如智能手机设备的外壳。壳体126可以是可移除的，或者可以固定在位。在实施例中，如图1B所示，壳体126可以包括被配置为允许辐射、热和/或光穿过壳体126的开口128。散热器124可邻近于开口128设置并被配置为接触相邻设备(例如热感测器系统100、热探测器封装102等等)。在实施方式中，具有散热器124的壳体126可用来从热探测器封装102散热(例如在x-y方向上)并为热探测器封装102提供更恒定的热环境。
图1D说明了在没有散热器124来补偿横向或x-y方向上的热梯度的热感测器系统100中的计算温度的一个示例。在该示例中，热感测器实时测量在37℃的固定目标，同时在可动设备上启动应用程序(例如游戏)。如图1D所示，当执行应用程序(例如游戏)或用于产生热量的其他工具时，热感测器系统100和热探测器封装102内的温度显著增加(在本示例中有大约4℃的误差)。该温度和热量的增加负面地影响热探测器封装102和相关的温度测量，这由多余热量造成的误差导致。
图1E说明了当使用散热器124最小化横向或x-y方向上的热梯度时热感测器系统100中的计算温度的一个示例。在该示例中，当启动应用程序时，产生的计算温度(利用与图1D中的示例相同的测量条件)更加一致，这是因为散热器124更有效地散发过剩热量并提供最小化的横向热梯度。
示例方法
图2说明了利用技术来制造热电堆温度感测装置例如图1A至1C所示可动热感测器系统100的示例方法200。图3A和3B说明了在制造例如图1A至1C所示的那些期间可动热感测器系统100和热探测器封装102的截面300。
如图3A所示，热探测器封装回流焊到基底上(方框202)。在实施方式中，回流焊热探测器封装302可包括使用回流焊方法。回流焊方法包括以受控的方法使用热(例如来自回流焊炉、红外线灯等等)来熔化连接器320(例如至少一个焊接凸点)并将连接器320永久地连接到热探测器封装302。在一个具体实施例中，可在将散热器324联接到基底322之前将热探测器封装302回流焊到基底322上。
然后，将散热器放到基底上(方框204)。如图3B所示，散热器324可以放置或联接到基底322，例如在基底322的与热探测器封装302相反的一侧上。在一些示例中，将散热器324放置或联接到基底322可以包括使用导热粘合剂。预期可以使用其它粘合或联接方法来将散热器324放到基底322上。
结论
尽管已经以针对结构特征和/或方法操作的语言描述主题，但将理解的是所附权利要求中限定的主题不必限于上述特定特征或动作。相反，上述特定特征和动作作为实施权利要求的示例形式公开。
Claims (20)
1.一种可动热感测器系统，其包括：
被配置为支撑电气部件的基底：
联接到所述基底的热探测器封装，该热探测器封装包括：
第一热电堆，
第二热电堆，以及
参考温度探测器；以及
联接到所述基底的散热器。
2.根据权利要求1所述的可动热感测器系统，其中所述基底包括印刷电路板。
3.根据权利要求1所述的可动热感测器系统，其中所述基底包括柔性电路板。
4.根据权利要求1所述的可动热感测器系统，其中所述热探测器封装包括：
第一热电堆；
第二热电堆；以及
参考温度探测器。
5.根据权利要求1所述的可动热感测器系统，其中所述散热器包括铝、硅或者铜中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的可动热感测器系统，其中所述散热器包括碳、石墨、碳纳米管或碳纳米纤维中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的可动热感测器系统，其中所述散热器在与所述热探测器封装相反的一侧上联接到所述基底。
8.根据权利要求1所述的可动热感测器系统，其中所述散热器包括
第一导热层；
第二隔热层；以及
第三导热层。
9.根据权利要求8所述的可动热感测器系统，其中所述第二隔热层包括气态介质或多孔介质中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的可动热感测器系统，其中所述气态介质包括空气。
11.一种可动设备壳体，其包括：
被配置为容纳可动设备的壳体，其中所述可动设备包括可动热感测器系统，所述可动热感测器系统包括：
被配置为支撑电气部件的基底；
联接到所述基底的热探测器封装，该热探测器封装包括
第一热电堆，
第二热电堆，以及
参考温度探测器；以及
联接到所述基底的第一散热器；
所述壳体中的开口；以及
在所述壳体上且邻近于所述开口设置的第二散热器，其中所述第二散热器被配置为与所述可动热感测器系统接触并散热。
12.根据权利要求11所述的可动设备壳体，其中所述基底包括柔性电路板。
13.根据权利要求11所述的可动设备壳体，其中所述热探测器封装包括：
第一热电堆；
第二热电堆；以及
参考温度探测器。
14.根据权利要求11所述的可动设备壳体，其中所述第一散热器或所述第二散热器中的至少一个包括铝、硅或者铜中的至少一种。
15.根据权利要求11所述的可动设备壳体，其中所述第一散热器或所述第二散热器中的至少一个包括碳、石墨、碳纳米管或碳纳米纤维中的至少一种。
16.根据权利要求11所述的可动设备壳体，其中所述第一散热器在与所述热探测器封装相反的一侧上联接到所述基底。
17.根据权利要求16所述的可动设备壳体，其中所述第二隔热层包括至少一种气态介质。
18.根据权利要求17所述的可动设备壳体，其中所述气态介质包括空气。
19.一种用来制造可动热感测器系统的方法，其包括：
将热探测器封装回流焊到基底上，其中所述热探测器封装包括至少第一热电堆、第二热电堆以及参考温度探测器；以及
将散热器放到所述基底上。
20.根据权利要求19所述的用来制造可动热感测器系统的方法，其中将所述散热器放到所述基底上包括将铝散热器或铜散热器中的至少一个放到所述基底上。
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