CN110121634B - 支持smd的红外热电堆传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于非接触式温度测量的支持SMD的红外热电堆传感器，作为热点或用于手势检测，在单片集成传感器芯片上具有至少一个微型化热电堆像素，所述传感器芯片容纳在气密密封的壳体中，该壳体由至少部分地非金属的壳体基板和壳体盖组成，气体或气体混合物容纳在壳体中。本发明的目的是设计一种微型化的可表面安装的红外热电堆传感器，其具有特别低的总高度，特别是在z方向上。这是借助于在与热电堆像素(29)相对的壳体盖(3)中引入孔径开口(26)来实现的，该孔径开口由聚焦透镜(4)闭合，该聚焦透镜将来自物体的辐射聚焦在壳体基板(1)上的热电堆像素(29)上，并且借助于在热电堆像素(29)旁集成在同一传感器芯片(2)上的信号处理单元(12)，其中总壳体高度(1)和壳体盖(3)至多为3mm或小于2.5mm。

Description

支持SMD的红外热电堆传感器

技术领域

本发明涉及一种用于非接触式温度测量的支持SMD的热电堆红外传感器，作为热点或用于手势检测，在单片集成传感器芯片上具有至少一个微型化热电堆像素，该传感器芯片容纳在气密密封的壳体中，该壳体由至少部分地非金属的壳体基板和壳体盖组成，其中气体或气体混合物位于壳体中。

背景技术

非接触式温度测量、手势控制或热和冷物体的检测正日益成为诸如智能电话、智能平板或其他小型便携式设备的移动设备的兴趣。在这种情况下，由于可用空间小或者由于越来越小的设备厚度，所以要安装的SMD部件的特别小的尺寸是重要的。因为还要捕获更加远程或空间定界的测量对象，所以传感器需要小的视角。

红外传感器也必须在安装到一个所述设备之前进行“校准”，即能够输出可再现的物体温度。一个优选的应用领域是，例如，使用智能电话进行非接触式发热测量，这又需要非常高的测量精度。

智能电话的壳体的尺寸的典型要求尤其在于，z轴(即，在测量方向上)为至多3mm并且优选地仅2mm，使得红外传感器可以布置成例如邻近电路板上的CMOS摄像头，或布置在智能电话端面上的极其狭窄的空间中。另外，红外传感器的x和y方向的横向尺寸也小于5mm，优选至少在一个轴上小于3-4mm。

已知以硅微机械技术生产的大量热红外传感器，例如热电传感器、辐射热计和热电堆。为了在温度测量中实现高水平的绝对精度，热电传感器需要调制器(斩波器)。辐射热计还需要通过机械快门至少暂时地进行偏移补偿以实现高精度。

作为传感器的机械运动部件，斩波器和快门都需要在设备的使用寿命期间具有足够的可靠性，并且必须安装在IR传感器的光学通道中(即，在观察方向上位于传感器的前方)。因此，“z方向”的尺寸将增加大约1mm，因为必须将斩波器或快门安装到光学通道中。由于聚焦光学单元，传感器芯片和壳体除了附加的斩波器/快门组件之外还需要空间，因此在目前现有技术中不可能使用热电传感器或辐射热计传感器来构造具有<3mm或甚至<2mm z轴(所谓的光学轨道)的小型IR传感器。

在没有斩波器/快门的情况下，使用辐射热计或热电传感器无法实现所需的测量精度，特别是对于发热测量。然而，即使没有安装的快门，目前已知的基于辐射热计的最小红外阵列传感器具有用于温度测量的安装的光学单元和信号处理，FLIR Systems的“Lepton”，其壳体高度为5.9mm(参见数据表“FLIR Lepton”，FLIR Systems，Goleta，CA，USA)。这与现代智能电话的可允许壳体尺寸相差甚远。因此，在现有技术中，热电传感器和辐射热计不能用于现代细长的智能电话中。

热电堆红外传感器也用于对具有高精度的消费者测量设备(例如，发热温度计)重要的大件。在这种情况下，通常使用晶体管壳体(TO壳体)。用于此类测量目的的最小TO传感器具有大约3mm的壳体高度，但是，它们没有聚焦光学单元，这导致视角大于100°，这太大了，并且也不存在任何类型的信号处理(参见数据表10TP583T-0154,Semitek IshizukaElectronics,Japan的数据表)。

从Heimann Sensor已知具有聚焦光学单元的热电堆传感器，其也容纳在TO壳体中。HMS M21 L3.0 F5.5型(见数据表Heimann Sensor GmbH，Dresden 2012)可将视角限制在<30°，但5.2mm的壳体高度太高，无法用于移动设备，而且不存在用于温度测量的信号处理。

所有提到的TO壳体中的热电堆解决方案也具有这样的特征，即通过壳体下侧的线销的端子使得安装在电路板上是不可能的。但是，需要电路板上表面安装能力(SMD能力)。

微型化热电堆传感器的进一步解决方案在以下文件中公开：

例如，在EP 1 296 122B1中描述了一种热电堆传感器芯片，其具有垂直壁，具有最大可能的膜以使测量信号最大化。没有关于壳体形状微型化、SMD能力和限制孔径角的建议。

在US 8 592 765B2中公开了另一种用于通过所描述的具有薄膜的热电堆传感器像素，非接触地测量温度的传感器，其中还提到了没有更详细描述的集成信号处理。然而，没有迹象表明SMD能力或甚至在光轴(z轴)方向上的非常小的尺寸，因为所示的壳体类型是完全大型有线TO壳体形式。

在DE 103 21 640B2中提出了一种支持SMD的热电堆，其不允许小的结构形式，并且也没有提出信号处理的单片集成。也不存在聚焦透镜光学单元，其允许具有小结构高度的像素的小视角，但是即使没有聚焦透镜光学单元，这里也产生大于3mm的结构高度。

此外，在EP 2 887 033A1和EP 2 916 118A1中提出了晶片级封装中的热电堆像素，其在热电堆像素的前面设置有孔径。然而，不存在聚焦透镜和支持SMD的解决方案，使用该解决方案在z轴上实现所需的小尺寸。

EP 2 940 442A1涉及一种用于热电堆像素的晶片级封装，其以倒装焊方法构造，并且其中穿孔的屏幕或孔径屏幕位于传感器像素前方。但是，没有SMD能力和聚焦光学单元的迹象。然而，与聚焦透镜光学单元相比，这种穿孔屏幕具有缺点，即信号随着f数D/f的平方而减小，其中D是穿孔屏幕或孔径屏幕的直径，f是焦距或穿孔屏幕或孔径屏幕与敏感吸收表面之间的距离。

可以基于15°视角的示例很好地估计该效果，其中聚焦透镜甚至可以达到大于1的f数D/f，并且D/f＝1是单透镜IR光学单元(F/1光学单元)的典型f数。到达传感器像素的信号与f数的平方相同。与聚焦透镜光学单元相比，具有15°视角的穿孔屏幕光学单元将信号减小大约14倍，这显著地恶化了具有穿孔屏幕光学单元的这种传感器的分辨率和测量精度。

在EP 2 975 371A1中提出了一种在晶片级封装解决方案中具有温度补偿的红外传感器，其中一个或两个传感器像素容纳在晶片壳体中，并且其中像素可以使不同数量的热电偶通过开关来接通或断开，以校准热电堆。

此外，在EP 3 026 406A1中还说明了容纳在晶片级封装中的传感器像素，具有相邻地定位的补偿像素，以及每个像素上方和下方的空腔。显然，在补偿像素上方的空腔中施加内部层，其具有反射或吸收效果，并且不允许来自外部的辐射进入，其确实到达相邻地定位的像素。

这里既没有给出表面安装能力的选项，也没有用于像素的小视角的聚焦透镜，也没有给出信号处理单元。

具有两个像素的晶片级封装壳体也在EP 3 035 015A1中提出，其中像素通过位于其上方的晶片边缘上的红外阻挡层屏蔽外部辐射，其中另外将加热线圈连接到两个像素，以如果需要将两个像素带到另一个温度。

所有这些解决方案共享提供一个或多个测量像素的特征，其中没有提供聚焦光学单元，然而，尽管结构高度低，但是为了传感器的更加远程的物体的温度测量能够实现小的视角，或者可实现的信号将以不能满足测量任务的方式衰减。

除了DE 103 21 640B2之外，在现有技术的任何所述的解决方案中没有说明表面安装能力(SMD)的可能性，并且没有例如计算温度值的信号处理单元的迹象。

发明内容

本发明所基于的问题是说明用于非接触式温度测量的一种微型化的支持表面安装的热电堆红外传感器，作为热点或用于手势检测，并具有集成信号处理，其在z方向上具有足够低的结构高度，特别是能够在移动设备(例如智能电话)中毫无问题地安装。

本发明所基于的问题在开头所提到的类型的支持SMD的热电堆红外传感器中得到解决，其中孔径开口被引入到与热电堆像素相对的壳体盖中，其使用聚焦透镜气密地密封，聚焦透镜将物体的辐射聚焦到壳体基板上的热电堆像素上，信号处理单元集成在与热电堆像素相邻的同一传感器芯片上，并且其中壳体基板和壳体盖的总壳体高度为至多3毫米，优选小于2.5毫米。

气体或气体混合物封闭在气密密封的壳体中，壳体由壳体基板和壳体盖组成，该气体或气体混合物具有高摩尔质量，例如氙、氪或氩，并且具有显著小于空气或氮气的导热率，并且其中气体或气体混合物具有相对于正常空气压力显著降低的内部压力。

聚焦透镜从至多40°(优选至多15°)的视角(视场＝FOV)成像热电堆像素上的物体辐射。

为了实现电气和机械接触，壳体基板具有从前侧到后侧(底面)的金属连接件，其在后侧设置有接触表面，该接触表面具有可钎焊或熔焊的表面。

此外，壳体盖由具有高导热率的金属或非金属组成，例如>80V/W*K)，并且设计为深拉、注塑或压铸部件。

壳体盖和壳体基板优选地经由粘合剂、钎焊或熔焊结合彼此结合，其中绝缘层位于金属连接件上方并且金属化结合表面位于其上。

在本发明的一个特定改进中，从位于其上方的壳体盖接收红外辐射的具有参考像素的吸收层的膜布置在单片传感器芯片中，与布置在聚焦透镜下方的热电堆像素相邻，并且壳体盖在具有参考像素的吸收层的膜上方的区域中的内侧上具有吸收层或另一种类型的覆盖物。

为了实现特别低的结构形式，壳体盖在内侧的聚焦透镜的区域中具有根据聚焦透镜的外形形状化的凸起或者与盖的升高部相邻的凹部，用于将聚焦透镜固定在热电堆像素上方的其位置中。

在本发明的另一设计中，壳体盖在聚焦透镜的区域中与热电堆像素的距离显著大于在吸收层的区域中与具有参考像素的吸收层的膜的距离。

在本发明的一个改进中，多个传感器像素以二维形式(例如，矩阵形式)布置在聚焦透镜下方，其输出信号可用于测量温度分布或用于手势识别。

热电堆像素和/或矩阵形式的传感器像素的尺寸优选地在小于300μm和至多500μm之间，并且壳体基板的长度或宽度在至多3mm和5mm之间，因此考虑到了智能电话中的受限空间情况。

此外，聚焦透镜可以是衍射或折射的，并且可以具有非球面或球面。

聚焦透镜的焦距优选为0.5mm至1.9mm。

最后，壳体基板的底表面的厚度和壳体盖的厚度在小于0.3mm和至多0.5mm之间。

在本发明的进一步改进中，信号处理单元包括用于热电堆像素和/或传感器像素的校准数据的存储，以及物体温度的计算和测量值的存储。

信号处理单元优选地还包括用于温度和电压参考以及工作电压的测量单元，以及信号放大器、低通滤波器、模数转换器、具有数据存储器(例如EEPROM)的微处理器单元、以及用于与移动设备(例如智能电话)的外部电子器件通信的接口。

根据本发明的热电堆红外传感器的特征在于特别小的结构形式，特别是在光轴上，并且表示支持SMD的结构，其中至少一个传感器像素具有<0.5mm，优选地<0.3mm的表面积。

此外，壳体基板设置有集成的聚焦透镜，以仅将来自小视角的红外辐射和/或来自远物体的红外辐射聚焦到传感器像素上。

在每个单独的芯片上提供单片信号处理和单片地容纳在芯片上的存储介质(例如，EEPROM)，以存储用于测量的灵敏度的校正值、偏移值等，并提供它们以用于稍后的物体温度的精确测量，和芯片内部或外部的相应误差以及环境温度漂移校正。

本发明的基本特征包括在单片集成传感器芯片上的可表面安装的支持SMD的红外传感器，其容纳在壳体中，该壳体由至少部分地非金属壳体基座和壳体盖构成，例如，形式为金属深拉部件，并且设置有气体或气体混合物，并且是气密密封的。

单片传感器芯片位于壳体基板(底板)上并由壳体盖密封，其中开口位于壳体盖中，其使用成像透镜闭合，该成像透镜对传感器像素上的物体的辐射成像。

位于气密密封的壳体中的气体或气体混合物的导热率显著小于常压下的空气或氮气的导热率。

此外，透视聚焦透镜的传感器元件的尺寸小于500μm，但优选小于300μm。

由壳体基板和壳体盖组成的壳体的尺寸在长度和宽度上至多为5mm，但优选地小于3mm。

此外，壳体基板即底板的厚度应小于0.5mm，优选小于0.3mm。

最后，微型化聚焦透镜以批量生产方法(例如，在硅晶片上)生产，其焦距为至多1.9mm，但优选为至多0.5mm。

根据本发明的热电堆红外传感器的一个特定版本是另一个传感器像素位于传感器芯片的另一端以用于补偿目的，其不透视透镜，而是优选地位于其上方的金属壳体盖上。

为了还能够进行手势识别或能够识别温度分布，多个传感器像素以水平多重布置(例如，类似矩阵)布置在传感器芯片上。

附图说明

以下基于示例性实施例更详细地解释本发明。在附图的相关视图中：

图1：示出了根据本发明的单元件热电堆红外传感器的基本结构，作为具有单芯片，安装的透镜光学单元和单片集成信号处理的SMD壳体的剖视图；

图1a：示出了图1中的细节A，突出显示了几个细节；

图1b：示出了具有特别低的结构高度的微型化SMD传感器的修改；

图2：示出了根据本发明的SMD壳体中的单元件热电堆红外传感器的俯视图；

图3：示出了根据本发明的SMD传感器的设计，其具有用于补偿目的的附加参考像素；

图3a：示出了具有参考像素的微型化SMD传感器的设计，其具有在信号像素和参考像素上的不同覆盖高度；

图3b：示出了微型化SMD传感器的另一种设计，其具有从外侧安装在壳体盖上的聚焦透镜；

图4：示出了具有参考像素的SMD壳体中的热电堆红外传感器的俯视图；以及

图5：示出了根据本发明的SMD热电堆红外传感器的另一实施例，其具有多个传感器像素和单片集成信号处理。

具体实施方式

图1和1a示出了根据本发明的支持SMD的微型热电堆红外传感器的示意性结构，其中单片传感器芯片2布置在传感器壳体中，该传感器壳体由设有凹槽30和侧壁31的壳体基板1以及壳体盖3组成。壳体基板1由绝缘体(例如陶瓷)组成。单片传感器芯片2设置有具有吸收层的膜6(传感器像素)和位于其上的用于红外辐射的吸收层，在该吸收层下方设置有具有垂直壁的像素下空腔5，即，传感器芯片像框架一样密封空腔，其也用作热电堆的热阱，如将描述的。具有吸收层的膜6借助于梁23悬挂在像素下空腔5上方，其中梁23将具有吸收层的膜6连接到单片传感器芯片2。狭槽位于梁23和具有吸收层的膜6和/或单片传感器芯片2之间用于热绝缘。像素下空腔5同时限定电热堆像素29的区域(图2)。除了具有吸收层的膜6之外，信号处理单元12位于单片传感器芯片2上。

在壳体基板1的每一侧上，从壳体基板1的前侧到后侧的金属连接件9侧向于单片传感器芯片2定位(图1)。金属连接件9终止于壳体基板1的内侧上，在侧壁31的内侧上的壳体基本上的接触表面8中以金属化的形式作为用于结合线7的连接表面，用于电连接单片传感器芯片2上的端子触点25和壳体基板1上的壳体基板上的接触表面8(图1)。金属连接件9各自终止于壳体后侧上的接触表面10中，例如在电路板或基板上，在壳体基板1的后侧，即在视图中的底部上用于表面安装。在图1中，在右侧和左侧的每一侧上示出了具有结合线7的金属连接件9，作为另外的相邻金属连接件9的代表，其延伸到图像的深度。

壳体基板1由壳体盖3覆盖，壳体盖3的侧边缘32(其向外成角度)被气密密封地支撑在壳体基板1的侧壁31上(图1)。待描述的具有特殊性质的气体或气体介质11位于内部，即位于壳体盖3和壳体基板1之间。

此外，孔径开口26位于壳体盖3中，在该孔径开口26的前方，聚焦透镜4布置在壳体盖3的内侧上(图1a)。可替代地，聚焦透镜4也可以从外侧安装在壳体盖3上，如图3b所示。孔径开口26和/或聚焦透镜4的中心轴对应于具有吸收层的膜6的对称轴的功能是必要的。聚焦透镜4将位于孔径开口26前方的被测物体的红外辐射从视角(“视场”)FOV 24聚焦在传感器像素上，该传感器像素具有在具有吸收层的膜6和/或像素的薄载体膜22上的吸收表面。

壳体盖3是金属深拉部件，以确保良好的导热性，其粘接、钎焊或熔焊到壳体基板1的金属化结合表面18上。可替代地，壳体盖3也可以是金属的或非金属的，注塑或压铸部件，其优选地具有良好的导热性并且在与壳体基板1的接触点处相对于壳体基板1的侧边缘32具有用于气密粘合剂、钎焊或熔焊封闭的预制涂层。

在钎焊或熔焊的情况下，可熔焊或钎焊的金属化结合表面18必须在金属连接件9上的绝缘层19上方施加到壳体基板1上(图1a)，以防止在壳体基板1的侧壁31上的金属连接件9之间的短路。借助于周边钎焊或粘接接头20确保所需的密封壳体封闭。

壳体基板1包括中央平面底板(中央平面底板具有包封它的侧壁31)，主要由非金属材料(例如，陶瓷)组成，金属连接件9施加在该非金属材料上。这些金属连接件9与壳体基板上的接触表面8终止于上侧，与壳体后侧上的接触表面10终止于下侧，以用于表面安装。壳体后侧上的接触表面10包含可以钎焊或熔焊的涂层，用于在位于下方的电路板或其他电路载体(未示出)上的机械和电气安装。

可以在传感器像素下方的上侧(即，在凹槽30中)提供壳体基板1(图1b)，其具有反射金属层21(例如，金、银、铝)，以通过透射的辐射成分的反射来增强传感器像素的信号灵敏度。

具有吸收层的膜6上的吸收表面覆盖热电堆传感器的所谓的“热”触点，其布置在像素的薄载体膜22上，像素的薄载体膜22例如由氧化硅或氮化硅或其他绝缘材料组成。具有吸收层的膜6悬挂在单片传感器芯片2(硅基板)中的像素下空腔5上方。在根据图1的解决方案中，像素下空腔5具有垂直或接近垂直的壁，并且例如通过反应离子蚀刻(所谓的RIE工艺)从晶片后侧驱动到单片传感器芯片2中。或者，传感器像素下方的空腔也可以(如图3所示)从前侧驱动到单片传感器芯片2(硅晶片)中。在这种情况下，代替反应离子蚀刻，使用本身已知的湿式化学蚀刻方法，其中牺牲层(例如，多孔硅)或硅基板的一部分通过本身已知的狭槽在具有吸收层的膜6和梁23之间，和/或梁23和像素下空腔5的侧壁之间溶解和蚀刻。图3中的有源像素下的空腔13和参考像素下的空腔14的倾斜壁就是一个例子。

热电堆结构的热电偶由本身已知的具有不同热电极性的热电材料制成。这些可以是在CMOS工艺中应用的半导体材料，例如，n-导电和p-导电多晶硅、(掺杂)非晶硅、锗、或硅和锗的混合形式，或者也可以应用的薄热电金属层(例如，铋、锑等)并且具有小于1μm的厚度。

虽然热电偶的“热”触点位于吸收层下方的像素的薄载体膜22上，但“冷”触点布置在单片传感器芯片2的边缘上，从而在两个触点之间实现最大可能的温差。小像素特别优选地具有本身已知的梁23，其与单片传感器芯片2的硅基板绝缘并且通过从前侧蚀刻到膜中的狭槽与吸收区域绝缘。由于这种高灵敏度热电堆像素在现有技术中是充分已知的，因此在附图中未示出进一步的细节(例如梁和绝缘狭槽的实施例)。

集成在单片传感器芯片2中的信号处理单元12包含例如温度和电压参考、信号放大器、可能的低通滤波器、模数转换器、具有数据存储器(例如，EEPROM)的微处理器单元，这本身是已知的，以及是用于与移动设备的外部电子器件(例如，智能电话)通信的接口。集成在传感器芯片2上的温度参考电路(例如，所谓的PTAT-(与环境温度成比例))测量传感器芯片的温度并因此测量“冷”触点的温度。

包含在信号处理单元12中的前置放大器放大热电堆传感器像素的非常低的信号电压，并将它们与电压和环境温度参考进行比较。所有这些模拟信号在模数转换器中转换成数字值，然后在微处理器单元中将其与存储在数据存储器(例如，EEPROM)中的校正值一起用于物体温度计算。

安装在壳体盖3中的聚焦透镜4在下侧、上侧或两侧具有聚焦透镜表面。安装通常以这样的方式进行，使得距传感器像素的距离精确地对应于聚焦透镜4的焦距(和/或所谓的“后焦距”)。聚焦透镜以本身已知的批量生产方法生产(例如，压制、模制)，或特别优选地以晶片级方法生产，例如在硅晶片上，其中在晶片上同时生产数千个透镜并且设置有红外滤光器层。这种晶片透镜具有额外的优点，即在将聚焦透镜安装在壳体盖3中期间，它们可以使用与正常半导体芯片相同的自动处理系统(所谓的拾取和放置固晶机)从硅晶片“拾取”和安装。在这种情况下，可以使用折射透镜(具有典型的有效表面的球面或非球面曲率)以及衍射透镜(例如，菲涅耳透镜)。

聚焦透镜4在壳体盖3中的安装可以例如通过粘接、钎焊或熔焊来执行，其中透镜的边缘接收用于钎焊或熔焊的金属化层(未示出)。如果待封闭的气体或气体混合物具有大气常压，则通常通过胶接将聚焦透镜4和壳体基板1安装到壳体盖3上。如果壳体中的气体介质11的压力显著低于常压，则优选使用钎焊或熔焊方法进行安装。

对于应用，传感器像素的视角理想地<40°，优选地<15°。可以最简单地使用按与焦距的比率设置像素尺寸的公式来估计视角FOV 24。因此，像素尺寸的一半与焦距的比率的反正切提供视角的一半(FOV/2)。其结果是，例如，在1mm的透镜焦距和0.5mm的像素尺寸下，产生30°的视角。0.26mm的像素尺寸提供大约12°的视角。在透镜焦距更大的情况下，视角减小，但1.5mm的透镜焦距，透镜(例如，0.26mm)、传感器芯片(0.4mm)、盖和底板(各自0.2毫米)的典型厚度，2.6-3mm的壳体高度已经对于大多数智能电话来说太大了(取决于透镜的结构)。

图1b示出了具有特别低的结构高度的微型化SMD传感器的修改。在这种情况下，壳体盖3向上接收凸起33，凸起33大致对应于透镜曲率。聚焦透镜4的弯曲(凸出)侧面向上，使得聚焦透镜4的顶点大致对应于壳体盖3的最大高度，因此限定了总壳体高度。以这种方式，与根据图1a的布置相比，壳体的总高度可以减小大约盖的厚度。

可替代地，壳体盖3还可以具有另外的升高部28，该升高部28合并到凹部34中以容纳聚焦透镜4并封闭其外圆周。在这种情况下，聚焦透镜4以弯曲侧向下插入凹部34中(图3b)。孔径开口26在此形成凹部34的内边缘，其也支撑聚焦透镜4。

封闭在壳体中的气体介质11是气体或气体混合物，其导热率显著低于常压下的空气或氮气。气体介质11优选为具有高摩尔质量的气体(例如，氙、氪或氩)或具有相对于常压显著降低的内压的气体。壳体必须以这样的方式密封，即不与周围环境进行气体交换。

图2以进一步细节示出了如图1所示的根据本发明的可表面安装的IR单元件传感器的俯视图。

聚焦透镜4在此精确对称地定位于具有吸收层的膜6上方，其中多个金属连接件9建立从壳体内部的单片传感器芯片2到壳体后侧上的接触表面10的电连接，用于在壳体下侧上的SMD安装。

图3示出了根据本发明的SMD热电堆传感器的另一种设计，其可以微型化，并且其中，与具有吸收层的膜6相邻，提供另一像素作为具有参考像素的吸收层的膜15，其布置在单片传感器芯片2的远端处。该具有参考像素的吸收层的膜15不接收来自被测物体本身的红外辐射，而是“看”向吸收层16，吸收层16被施加或安装在盖的内侧。因此可以补偿由于传感器壳体中的温度梯度引起的测量误差，例如由所谓的“热冲击”效应引起的。该吸收层16优选通过改变掩模来印刷或喷涂和/或气相沉积来制造。或者，具有高发射的附加部件可以胶结在盖内表面上或者以相对于壳体盖3具有良好热接触的另一种方式安装。

在图3的实施例中，热电堆像素是以表面微机械产生的，即，通过在独立膜中的狭槽中从前侧蚀刻具有吸收层的膜6和具有参考像素的吸收层的膜15下方的像素下空腔5。然而，具有吸收层的膜6和具有参考像素的吸收层的膜15也可以类似根据图1或图3a的传感器像素一样具有拥有垂直壁的像素下空腔5，垂直壁已经通过DRIE(深反应离子刻蚀)从后侧驱动到单片传感器芯片2中。

图3a示出了根据本发明的具有参考像素的吸收层的膜15的微型化SMD传感器的另一种设计。在这种布置中，用于聚焦透镜的壳体盖具有额外的升高部28，以实现在聚焦透镜4和膜上的具有吸收层的膜6之间进行清晰成像所必需的距离(所谓的“后焦距”)，而在参考像素上方具有吸收层16的壳体盖3实现为特别平坦。因此，具有参考像素的吸收层的膜15的参考像素可以以有效的方式更靠近具有吸收层的膜6的传感器像素移动，并且参考像素不会经由透镜接收物体的辐射。特殊升高部28也可以以形状配合的方式设计，使得聚焦透镜4在安装期间精确对称地安装在传感器像素的具有吸收层的膜6上方，以避免光学成像误差，例如“斜视(squinting)”，如果透镜的光轴位于吸收体中心点的正上方。

图4示出了根据图3和3a的微型化SMD传感器的根据本发明的设计的俯视图。由此可以看出，具有吸收层的膜6通过孔径开口的聚焦透镜4向外看，而具有参考像素的吸收层的膜15相反则看着位于盖后面的吸收层16并同时测量壳体温度。原则上，取决于终端中的空间要求，也可以实现正方形或近似正方形的壳体形状。使用图3a中的设计可以更容易地将整个壳体构造成近似正方形，因为具有吸收层的膜6和吸收层16之间的距离可以显著减小。

使用附加具有参考像素的吸收层的膜15，为了补偿慢速和快速环境温度变化的目的，芯片温度和因此“冷”热电堆触点的温度都可以通过集成的PTAT参考来获得，以及具有吸收层16的壳体盖3的壳体温度。这使得能够有效地补偿移动设备(例如，智能电话)中发生的短期温度变化，例如，在接通之后，当“取出裤袋”时，保持到脸部或耳朵，或从温度控制的内部变为外部时，在外部可能突然发生明显更高或更低的温度变化。

将有源像素设计为多个像素代表了本发明的扩展，这对移动设备非常重要。从图5中可以看出相应的解决方案。在这种情况下，代替单个像素，在透镜下方布置多个矩阵形式的传感器像素17(例如，2×2、4×4、8×8、16×16)，以捕获物体的温度分布的空间分布或手势的容易识别。使用开槽膜，像素下方的空腔可以再次从上侧或下侧被驱动到单片传感器芯片2中。

如图5所示的根据本发明的单片传感器芯片2包含多个单独的矩阵形式的传感器像素17，其具有本身已知的开槽膜和梁结构，热电偶(未详细示出)容纳在其上。

各个像素的信号处理在信号处理单元12中进行，在其输出(接口)处，各个像素的数字信号信息项与用于测量温度分布或例如手势控制器的校正值一起输出。透镜光学单元设计成使得远程被测量物体在传感器像素上清晰地成像。

附图标记列表

1 壳体基板

2 单片传感器芯片

3 壳体盖

4 聚焦透镜

5 像素下空腔

6 具有吸收层的膜

7 结合线

8 壳体基板上的接触表面

9 金属连接件

10 壳体后侧上的接触表面

11 气体介质

12 信号处理单元

13 有源像素下的空腔

14 参考像素下的空腔

15 具有参考像素的吸收层的膜

16 吸收层

17 矩阵形式的传感器像素

18 金属化结合表面

19 绝缘层

20 钎焊或粘接接头

21 反射金属层

22 像素的薄载体膜

23 梁

24 外光束路径

25 端子触点

26 孔径开口

27 参考像素的视角

28 升高部

29 热电堆像素

30 凹槽

31 侧壁

32 侧边缘

33 凸起

34 凹部

Claims (15)

1.一种支持SMD的热电堆红外传感器，其用于非接触式温度测量、热点或手势检测，在单片传感器芯片（2）上具有至少一个微型化热电堆像素（29），所述单片传感器芯片布置在气密密封的壳体中，所述壳体由至少部分地非金属的壳体基板（1）和壳体盖（3）组成，其中气体或气体混合物位于所述壳体中，其中，孔径开口（26）被引入到与至少一个热电堆像素（29）相对的所述壳体盖（3）中，使用聚焦透镜（4）闭合所述孔径开口，所述聚焦透镜将物体的辐射聚焦到所述壳体基板（1）上的至少一个所述热电堆像素（29）上，其特征在于，

所述壳体基板（1）由壳体盖（3）覆盖，并由陶瓷材料组成，其设有具有中央平面底板的凹槽（30），所述中央平面底板具有在小于0.3mm和至多0.5mm之间的厚度并且具有包封它的侧壁（31），用于容纳单片传感器芯片（2），

所述壳体盖（3）由具有高导热率的金属或非金属组成，并设计为深拉、注塑或压铸部件，

所述壳体盖（3）具有成角度的侧边缘（32），所述侧边缘被气密密封地支撑在所述壳体基板（1）的所述侧壁（31）的金属化结合表面（18）上，

聚焦透镜（4）固定在其位于壳体盖（3）内部的至少一个热电堆像素（29）上方的位置，或者固定在壳体盖（3）内部的凸起（33）或壳体盖（3）外部的凹部（34），以闭合壳体盖（3）中的孔径开口（26），

所述壳体基板（1）具有多个相邻的金属连接件（9），每个金属连接件位于从位于前侧的壳体基板上的接触表面（8）到壳体基板（1）的后侧的位置，壳体基板上的接触表面（8）用于接收用于与单片传感器芯片（2）电连接的结合线（7），壳体基板（1）的后侧的位置终止于壳体后侧上的接触表面（10），以用于表面安装，

信号处理单元（12）连同用于温度参考的测量单元和用于与移动设备的外部电子器件通信的接口集成在同一单片传感器芯片（2）上，邻近至少一个所述热电堆像素（29），

并且其中壳体基板（1）和所述壳体盖（3）的总壳体高度至多为3mm。

2.根据权利要求1所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，壳体基板（1）和所述壳体盖（3）的总壳体高度小于2.5mm。

3.根据权利要求1所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述聚焦透镜（4）从至多40°的视角将物体辐射成像在所述热电堆像素（29）上。

4.根据权利要求1所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述聚焦透镜（4）从至多15°的视角将物体辐射成像在所述热电堆像素（29）上。

5.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述壳体基板（1）具有从前侧到后侧的金属连接件（9），所述金属连接件（9）在所述后侧上设置有壳体后侧上的接触表面（10），所述壳体后侧上的接触表面具有可钎焊或熔焊的表面。

6.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述壳体盖（3）和所述壳体基板（1）经由粘合剂、钎焊或熔焊结合彼此结合，绝缘层（19）位于所述金属连接件（9）上方并且金属化结合表面（18）位于其上。

7.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，从位于其上方的所述壳体盖（3）接收红外辐射的具有参考像素的吸收层的膜（15）布置在所述单片传感器芯片（2）中，邻近布置在所述聚焦透镜（4）下方的热电堆像素（29），并且所述壳体盖（3）在所述具有参考像素的吸收层的膜（15）上方的区域中的内侧上具有吸收层（16）或另一种类型的覆盖物。

8.根据权利要求7所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述壳体盖（3）在所述聚焦透镜（4）的区域中与所述热电堆像素（29）的距离显著大于在所述吸收层（16）的区域中与所述具有参考像素的吸收层的膜（15）的距离。

9.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，多个矩阵形式的传感器像素（17）布置在所述聚焦透镜（4）下方。

10.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述热电堆像素（29）和/或矩阵形式的传感器像素（17）的尺寸在小于300μm和至多500μm之间。

11.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述壳体基板（1）的长度或宽度在至多3mm和5mm之间。

12.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述聚焦透镜（4）是衍射或折射的，并且具有非球面或球面。

13.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述聚焦透镜的焦距在0.5mm和1.9mm之间。

14.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述信号处理单元（12）包括用于所述热电堆像素（29）和/或矩阵形式的传感器像素（17）的校准数据的存储，以及物体温度的计算和测量值的存储。

15.根据权利要求1或3所述的支持SMD的热电堆红外传感器，其特征在于，所述信号处理单元（12）包括用于温度和电压参考以及工作电压的测量单元，此外包含信号放大器、低通滤波器、模数转换器、具有数据存储器的微处理器单元、以及用于与移动设备的外部电子器件通信的接口。

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