CN111637978A - 一种dfn封装的数字式红外温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种DFN封装的数字式红外温度传感器，包括顶部带有开窗的DFN封装外壳，DFN封装外壳内设有热电堆、TC模板和ASIC模块，DFN封装外壳开窗处设有红外滤光片，所述红外滤光片与DFN封装外壳围成密闭空间；DFN封装外壳上设有引气孔和排气孔，DFN封装外壳底部设有引脚，DFN封装外壳内壁上设有金属屏蔽层和SiO2薄膜。具有微型化，低成本，电磁屏蔽效能好，测量精度高，易读性好，成型工艺简单，适合大规模的生产，应用广泛的优点。
Description
技术领域
本发明属于红外温度传感器技术领域，具体涉及一种DFN封装的数字式红外温度传感器。
背景技术
红外温度传感器的敏感单元吸收待测目标的红外辐射后，其红外光吸收区会产生温升，从而引起温度传感器某些物理量的变化，例如热电压或者热电阻等的变化。红外温度传感器的一个优势是可实现非接触测量，在不宜与待测目标接触的场合下，可以规避接触测温，例如在传染病的防疫工作中，非接触测温具有重要作用。此外，红外温度传感器还具有响应速度快、使用安全、寿命长等优点。
目前红外温度传感器的温度敏感元件较多选用热电堆，一般由若干个热电偶串联而成，待测目标的红外辐射使得热电堆热端温度升高，由于赛贝克效应，会在热电堆的热、冷端产生温差电动势。对温差电动势的冷端温度进行补偿，即可得出待测目标的实时温度。
目前市面上常见的红外温度传感器的封装方式是TO罐封装，将高精度红外热电堆封装于金属TO罐中，但是TO封装体积较大，不易于集成化。
DFN塑料封装方法目前较多用于传统IC集成电路的封装工艺中，具有体积小、可批量化生产等优点；然而，目前却较少将DFN塑料封装方法应用于热电堆红外温度传感器中。主要存在如下技术难点：（1）热电堆接收的红外辐射能量较少，对于热量的隔热要求高；（2）DFN塑料封装，电磁屏蔽效能较弱。此外，虽然有国内公司已经成功研发出微型封装的红外热电堆传感器，但是其输出信号依然是模拟电压信号，不利于该产品的推广应用。
发明内容
鉴于以上述现有技术的存在的问题，本发明提供一种用DFN封装的数字式红外温度传感器。
为实现上述发明的目的，本发明的具体技术方案如下：
一种DFN封装的数字式红外温度传感器，包括顶部带有开窗的DFN封装外壳，DFN封装外壳内设有热电堆、TC模板和ASIC模块，DFN封装外壳开窗处设有红外滤光片，所述红外滤光片与DFN封装外壳围成密闭空间；DFN封装外壳上设有引气孔和排气孔，DFN封装外壳底部设有引脚，DFN封装外壳内壁上设有金属屏蔽层和SiO2薄膜隔热层。
进一步地，所述金属屏蔽层采用在DFN封装的壳体内壁蒸镀有铜镀层和铜镀层，其中铜镀层的厚度为0.5~3.8 μm，镍镀层的厚度为0.2~0.5 μm。
进一步地，所述SiO2薄膜厚度为500 nm或1 μm。
进一步地，所述热电堆为微型热电堆，可实现红外光辐射能量到电压信号的转化。
进一步地，所述红外滤光片的波长通带为2~14 μm，其对应的测温范围约为-65~200ºC。
进一步地，所述TC模块采用金属热电阻或PTC热敏电阻或NTC热敏电阻。
进一步地，TC模块采用微型金属热电阻，其尺寸为0.2 mm~0.3 mm，其金属材料选用铂金。
进一步地，所述Pt热敏电阻丝的宽为2 μm，间距为8 μm，检测精度为±0.05℃。
进一步地，红外滤光片与DFN封装外壳围成密闭空间中充有惰性气体，惰性气体选用氩气。
进一步地，所述封装壳外部的底端安装有五个引脚，分别是SDA，VDD，GND，SCL，ADDR。
本发明的DFN封装的数字式红外温度传感器，具有以下有益效果：
（1）本发明的DFN封装的数字式红外温度传感器基于MEMS工艺，内置微型热电堆，并采用塑料DFN封装方式，实现红外温度传感器的微型化，在可靠性与金属或陶瓷材料相当的前提下，还具有微型化，低成本，成型工艺简单，适合大规模的生产，应用广泛的优点。
（2）本发明通过两个气孔在DFN壳体内部填入惰性气体，增加了壳体内的热阻，降低了热电堆热端的热量流失速率，提高检测精度。
（3）本发明在DFN内壁蒸镀了金属屏蔽层，提高了红外温度传感器的电磁屏蔽效能；本发明采用的Cu/Ni双镀层具有良好的电磁屏蔽功能，镍镀层具有较好的耐磨耐蚀性，可以保护内部的铜层不被氧化，长久耐用。
（4）本发明在DFN金属屏蔽层之外继续蒸镀一层SiO2薄膜，起到防止连接线短路的作用，同时由于SiO2具有较大的热阻，进一步减少热量流失速率，提高检测精度；
（5）本发明采用的镀膜工艺，可批量生产。相比于普通贴膜工艺，可实现生产自动化，且不会产生贴膜误差，比如贴膜过程中造成的贴膜不完整而导致电磁泄漏等问题；
（6）本发明将ASIC模块同时封装于壳体内，实现对热电堆及TC模块的信号处理与温度补偿，并提供电压输入端口与数字输出端口，提高该温度传感器的可读性与易集成性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图（也作摘要附图）；
图2是本发明的顶视图；
图3是本发明的壳体图；
图4是本发明的Pt热电阻；
图中：1、DFN封装外壳；2、红外滤光片；3、引气孔；4、排气孔；5、TC模块；6、装配焊点；7、热电堆；8、ASIC模块；201、窗口；202、SDA；203、VDD；204、GND；205、SCL；206、ADDR；301、DFN封装外壳；302、SiO2薄膜；303、Cu/Ni镀层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方法与系统，以下结合具体附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
本发明的DFN封装的数字式红外温度传感器包括：DFN封装外壳1；红外滤光片2；引气孔3；排气孔4；TC模块5；装配焊点6；热电堆7；和ASIC模块8。
请参阅图1及图2，为最大可能减小所述DFN封装的数字式红外温度传感器的体积，选用微型热电堆作为温度敏感器件，将其封装于传感器内部，其功能是将红外辐射能量转换成电信号；红外滤光片2的波长通带为2~14 μm，实现了干扰光的滤除；所述TC模块5采用可采用金属热电阻或PTC热敏电阻或NTC热敏电阻，对热电堆的冷端温度进行补偿，得出待测目标的实时温度；ASIC模块可对NTC热敏电阻供电，且可对热电堆与TC模块的模拟信号进行处理并作温度补偿运算；热电堆7，TC模块5，ASIC模块8相隔一定间距排列，并通过装配焊点6安装在DFN封装外壳的底部；红外滤光片固定在箱体上部打开的窗口处并密封良好，红外滤光片与DFN封装外壳一起构成密闭空间。
如图1所示，封装壳两侧分别开有引气口3与排气口4，通过这两个气孔注入惰性气体，优选气体是氩气。
实施例二：
请参阅图2，本实例进一步设计在于，封装方式为塑料DFN封装，封装外部的底端安装有五个引脚，分别是SDA，VDD，GND，SCL，ADDR。所述SDA的功能是I2C数据线；VDD是电源端；GND是接地端；SCL是I2C时钟线；ADDR是I2C的LSB端口。
实施例三：
请参阅图3，本实例进一步设计在于，通过在封装壳内壁镀有屏蔽层和隔热层，提高了红外温度传感器的电磁屏蔽效能，防止连接线短路，减少热量流失速率，提高检测精度。DFN封装外壳301内壁上依次为屏蔽层为Cu/Ni镀层303和Cu/Ni镀层303 和SiO2薄膜302，其中铜镀层的厚度为0.5~3.8 μm，镍镀层的厚度为0.2~0.5 μm。隔热层采用SiO2薄膜302，SiO2薄膜厚度为500 nm或1 μm。
实施例四：
本实例进一步设计在于，屏蔽层与隔热层的加工顺序与方法，蒸镀步骤为：DFN封装壳内部先蒸镀一层Cu，然后再蒸镀Ni，最后蒸镀SiO2层。
请参阅图4，TC模块为微型TC模块，用于补偿热电堆的冷端温度。TC模块采用金属热电阻或PTC热敏电阻或NTC热敏电阻。TC模块的尺寸为0.2 mm~0.3 mm。TC模块Pt热电阻的加工工艺包括如下步骤：
a.在硅基表面生SiO2薄膜；
b.在SiO2薄膜上生长Pt层；
c.光刻工艺刻蚀中Pt丝图案；
d.制备SiO2保护层；
e.光刻工艺制备Pt热电阻电连接点。
所属Pt热敏电阻丝的宽为2 μm，间距为8 μm，包含15个线路循环。所述热电堆与TC模块的输出信号接入ASIC模块，对热电堆的冷端温度进行补偿，进而测出待测目标的实时温度。该传感器的原始信息经过处理后存储在RAM中，所述功能由状态机控制，每个测量转换的结果都可以通过I2C访问。
综上所述，本发明的DFN封装的数字式红外温度传感器，TC模块为微型温度补偿模块，DFN封装外壳采用塑料DFN封装，DFN封装壳体的内部蒸镀一层Cu/Ni金属薄膜与SiO2薄膜，分别作为屏蔽层与隔热层。本发明可实现红外温度传感器的微型化，可实现红外温度传感器的微型化；具有不逊于金属或陶瓷封装结构的可靠性，还具有微型化，低成本，成型工艺简单，适合大规模生产，应用广泛等优点。
本申请通过在壳体内部镀有屏蔽层使其具有良好的电磁屏蔽效能；通过在壳体内注入惰性气体及在壳体内壁镀有SiO2薄膜防止连接线短路，减少热量流失速率，提高传感器的检测精度；本发明采用的镀膜工艺可实现批量生产，相对于贴膜工艺，提高了生产效率与产品一致性；通过集成ASIC模块提高了该数字式红外温度传感器的可读性与易集成性。
Claims (10)
1.一种DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：包括顶部带有开窗的DFN封装外壳(1)，DFN封装外壳(1)内设有热电堆(7)、TC模板(5)和ASIC模块(8)，DFN封装外壳开窗处设有红外滤光片(2)，所述红外滤光片(2)与DFN封装外壳(1)围成密闭空间；DFN封装外壳上设有引气孔(3)和排气孔(4)，DFN封装外壳底部设有引脚，DFN封装外壳内壁上设有金属屏蔽层和SiO2薄膜隔热层。
2.根据权利要求1所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：所述金属屏蔽层采用在DFN封装的壳体内壁依次蒸镀有Cu金属层和Ni金属层，其中铜镀层的厚度为0.5~3.8 μm，镍镀层的厚度为0.2~0.5 μm。
3.根据权利要求1或2所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：SiO2薄膜厚度为500 nm或1 μm。
4.根据权利要求3所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：所述热电堆(7)为微型热电堆，可实现红外光辐射能量到电压信号的转化。
5.根据权利要求4所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：所述红外滤光片(2)的波长通带为2~14 μm，其对应的测温范围约为-65~200ºC。
6.根据权利要求5所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：所述TC模块(5)采用金属热电阻或PTC热敏电阻或NTC热敏电阻。
7.根据权利要求6所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：TC模块(5)采用微型金属热电阻，其尺寸为0.2 mm~0.3 mm，其金属材料选用铂金。
8.根据权利要求6所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：所述Pt热敏电阻丝的宽为2 μm，间距为8 μm，检测精度为±0.05℃。
9.根据权利要求8所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：红外滤光片(2)与DFN封装外壳(1)围成密闭空间中充有惰性气体，惰性气体选用氩气。
10.根据权利要求9所述DFN封装的数字式红外温度传感器，其特征在于：所述封装壳外部的底端安装有五个引脚，分别是SDA，VDD，GND，SCL，ADDR。
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