CN116940203A - 一种热释电红外传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热释电红外传感器，涉及半导体技术领域。所述的热释电红外传感器包括感应芯片、补偿芯片及芯片载体框架，所述芯片载体框架设有容纳腔，所述感应芯片和/或补偿芯片设于所述容纳腔内；所述芯片载体框架的数量为两个，容纳腔内设置感应芯片的芯片载体框架称为感应芯片载体框架；容纳腔内设置补偿芯片的芯片载体框架称为补偿芯片载体框架；所述感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架由上至下顺次层叠设置；所述感应芯片与所述补偿芯片电连接。本发明通过将感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架层叠设置实现两种芯片堆叠封装，大大提高了探测器的集成度，有助于实现探测器的小型化和多通道。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种热释电红外传感器。
背景技术
某些材料为了保持其表面电中性状态，会在材料表面吸附一定量电荷，当受到热辐射而导致其温度变化时，这些材料的电偶极矩也会随之发生相应的变化，为了保持其电中性状态，材料的表面会释放出电荷，这种现象被称为热释电效应。利用热释电效应制备的红外热释电探测器，广泛地用于火灾预警及报警、气体检测及分析、光谱分析等。探测器作为核心感应器件，其尺寸决定了应用范围和应用场景，探测器的小型化要求在不影响其性能的情况下实现高度集成，便于扩展其应用。
现有技术中，热释电红外传感器封装类型主要为TO封装，主要元件包括管帽、底座、管帽窗口中的红外光学滤光片、热释电红外感应芯片和补偿芯片、固定红外芯片的支撑部件以及信号处理的结型场效应晶体管或运算放大器等。在现有TO封装中，敏感元件和补偿元件通常被固定在基板或者一个匹配的芯片支撑结构上，且位于同一平面内，由于探测器内部空间有限，导致探测器内部其他元件布局设计受限，这种设计无法满足多通道和小尺寸的发展趋势；此外，这种设计对于双通道或者多通道探测器来说，相邻通道之间存在光学串扰的问题，影响探测器精度。因此，TO39封装一般只能设计成单通道或者双通道探测器。如专利CN206312940U采用独特的芯片支撑结构，包括圆柱形导电柱，所述导电柱上端支撑有芯片，所述导电柱与所述芯片的几何中心相对应；所述芯片与所述导电柱之间设置有导电银胶层，所述导电柱下端与底座相连接，所述底座上还设置有若干个稳定柱，所述稳定柱上端通过绝缘层与所述芯片相连接。其中芯片支撑结构的大小和芯片尺寸相匹配，且感应芯片和补偿芯片位于同一平面，这种设计导致探测器内部空间不足，无法容纳更多通道，也难以缩小封装尺寸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的芯片支撑结构不能容纳更多通道，无法满足小尺寸封装。
为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：
一种热释电红外传感器，包括：
感应芯片；
补偿芯片；
芯片载体框架，所述芯片载体框架设有容纳腔，在所述容纳腔底部提供一个芯片支撑面，所述感应芯片和/或补偿芯片固定于所述芯片支撑面；
所述芯片载体框架的数量为两个，感应芯片和补偿芯片分别设在不同的芯片载体框架的容纳腔，称为感应芯片载体框架及补偿芯片载体框架；
所述感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架由上至下顺次层叠设置；
所述感应芯片与所述补偿芯片电连接。
本发明利用两个芯片载体框架的层叠设置，将补偿芯片置于感应芯片下方，实现两种芯片堆叠的效果，既节省了封装面积，又保证了补偿芯片不会被红外辐射影响，同时也避免了相邻通道之间的串扰，堆叠封装可实现在相同封装尺寸下拥有更多测试通道。
进一步地，所述芯片载体框架的尺寸可根据需求设计为双通道、四通道或者八通道等，只需要对应地将容纳腔的数量设置为2个、4个、8个等。采用堆叠的设计将感应芯片和补偿芯片分别用芯片载体框架进行搭载，相比同平面的封装方式，本发明占用的封装面积更小。同时，芯片载体框架能够实现芯片之间物理隔离，降低了通道之间的互相串扰，有助于提高探测精度。
其进一步地技术方案为，所述芯片载体框架设有凹槽，引线穿过所述凹槽与芯片连接。
具体实施中，凹槽的底部与所述芯片支撑面齐平。
其进一步地技术方案为，所述感应芯片载体框架的容纳腔的侧壁的宽度由上到下逐渐增大，使得该容纳腔的内侧面与底面之间形成倾斜角。
具体地，倾斜角在90°～135°之间合适。
本发明对感应芯片载体框架的容纳腔的侧壁采用倾斜角设计，可以使更多辐射能够进入感应芯片区域，有助于提高探测器响应率。
具体地，在常规设计中，感应芯片所能感应到红外辐射面积就是其芯片本身的面积。此时，若芯片载体框架侧壁采用倾斜角设计，倾斜侧壁的辐射也将被反射到感应芯片上，感应红外辐射的面积包括芯片本身及四面斜边在水平面上的投影。例如，对于一个芯片面积1.0mm*1.0mm的感应芯片，若载体框架侧壁加入倾斜角设计，且单边在水平面上的投影为0.1mm，那么有效红外辐射将增加至原来的1.4倍（1.2*1.2/（1.0*1.0）），相应的，探测器响应率也将提高到原来的1.4倍。
其进一步地技术方案为，所述芯片支撑面内设有芯片支撑件。
具体实施中，芯片支撑件与芯片载体框架一体形成。
其进一步地技术方案为，所述容纳腔的数量为多个，单个所述芯片载体框架内的容纳腔数量与感应芯片的数量以及补偿芯片的数量相同。
其进一步地技术方案为，还包括红外滤光片，所述红外滤光片盖合设于所述感应芯片载体框架的上方。
本发明将红外滤光片盖合设于所述感应芯片载体框架的上方，将其直接放置在感应芯片载体框架的顶部，相比将红外滤光片设置在管帽的结构，本发明的设计能够有效减少滤光片的尺寸，降低材料成本；而且将红外滤光片集成在探测器内部，避免暴露在环境中，大大提高了红外滤光片的稳定性，延长使用寿命。
其进一步地技术方案为，还包括管帽，所述感应芯片、补偿芯片、感应芯片载体框架、补偿芯片载体框架以及所述红外滤光片均设于所述管帽内。
其进一步地技术方案为，还包括底座以及电路基板；所述电路基板设于所述底座上，所述补偿芯片载体框架设置在所述电路基板上；所述管帽盖合设于所述底座上，所述电路基板设于所述管帽内。
其进一步地技术方案为，还包括电路元器件，所述电路元器件电连接设于所述电路基板上，所述电路元器件包括电阻、电容以及运算放大器。
其进一步地技术方案为，所述感应芯片载体框架以及所述补偿芯片载体框架通过半导体工艺，或者CNC工艺，或者3D打印工艺，或者注塑工艺加工得到。
与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：
本发明提出的热释电红外传感器包括感应芯片、补偿芯片及芯片载体框架，所述芯片载体框架设有容纳腔，所述感应芯片和/或补偿芯片设于所述容纳腔内；所述芯片载体框架的数量为两个，容纳腔内设置感应芯片的芯片载体框架称为感应芯片载体框架；容纳腔内设置补偿芯片的芯片载体框架称为补偿芯片载体框架；所述感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架由上至下顺次层叠设置；所述感应芯片与所述补偿芯片电连接。本发明通过将感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架层叠设置，将补偿芯片置于感应芯片下方，既节省了空间，又保证了补偿芯片不会被红外辐射影响，同时也避免了相邻通道之间的串扰，两个芯片载体框架堆叠的结构，可实现在相同封装尺寸下拥有更多测试通道。相比于现有技术中将感应芯片和补偿芯片布置到同一平面的方式，本发明大大提高了探测器的集成度，有助于实现探测器的小型化和多通道。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1为本发明实施例提供的芯片载体框架结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的芯片载体框架结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的芯片载体框架的倾斜角反射示意图；
图4为本发明实施例提供的两个芯片载体框架层叠的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的热释电红外传感器及其剖面结构示意图。
附图标记
芯片载体框架10，容纳腔11，芯片支撑面12，芯片支撑件13，凹槽14，侧壁15，感应芯片20，感应芯片载体框架21，补偿芯片30，补偿芯片载体框架31，红外滤光片40，管帽50，底座51，电路基板52，电路元器件53。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
实施例
参见图1-图5，本发明实施例提供一种热释电红外传感器，本实施例以四通道的探测器为例进行说明，由图可知，其包括：
感应芯片20；
补偿芯片30；
芯片载体框架10，所述芯片载体框架10设有容纳腔11，在所述容纳腔11底部提供一个芯片支撑面12，所述感应芯片20和/或补偿芯片30固定于所述芯片支撑面12；
所述芯片载体框架10的数量为两个，感应芯片20和补偿芯片30分别设在不同的芯片载体框架10的容纳腔11，称为感应芯片载体框架21及补偿芯片载体框架31；
所述感应芯片载体框架21以及补偿芯片载体框架31由上至下顺次层叠设置；
所述感应芯片20与所述补偿芯片30电连接。
本实施例利用两个芯片载体框架的层叠设置，将补偿芯片置于感应芯片下方，实现两种芯片堆叠的效果，既节省了封装面积，又保证了补偿芯片不会被红外辐射影响，同时也避免了相邻通道之间的串扰，堆叠封装可实现在相同封装尺寸下拥有更多测试通道。
需要说明的是，芯片支撑面12便于放置和固定待封装的芯片。芯片的固定方式为本领域常规技术手段，本发明对此不做限定。
可以理解的是，芯片支撑面12的尺寸应与待封装的芯片尺寸适配，容纳腔的高度以0.1=0.5mm为宜。芯片载体框架的总高度在0.5-1.0mm，容纳腔底部的空间可以用于芯片散热。
进一步地，所述芯片载体框架的尺寸可根据需求设计为双通道、四通道或者八通道等，只需要对应地将容纳腔的数量设置为2个、4个、8个等。同时，对于多通道的探测器，可将多个容纳腔进行阵列排布。采用堆叠的设计将感应芯片和补偿芯片分别用芯片载体框架进行搭载，相比同平面的封装方式，本发明占用的封装面积更小。同时，芯片载体框架能够实现感应芯片和补偿芯片之间的物理隔离，降低了通道之间间的互相串扰，有助于提高探测精度。
在其他实施例中，所述容纳腔11的数量为多个，单个所述芯片载体框架10内的容纳腔11数量与感应芯片20的数量以及补偿芯片30的数量相同。
本实施例可根据需求将探测器设计为多通道，这只需增加容纳腔的数量，不用额外增加封装面积。
进一步地，所述芯片载体框架10设有凹槽14，引线穿过所述凹槽14与芯片连接。
具体实施中，凹槽14的底部与所述芯片支撑面12齐平。
本实施例中，所述感应芯片载体框架10的容纳腔11的侧壁15的宽度由上到下逐渐增大，使得该容纳腔11的内侧面与底面之间形成倾斜角。倾斜角的范围在90-135°之间合适。
可以理解的，由于要形成倾斜角，容纳腔的侧壁厚度以0.3-1.0mm为合适，过薄的侧壁不适合做倾斜角的设计。
本领域技术人员熟知，感应芯片接受到的辐射越多，其响应效率越高，参见图3，本实施例对感应芯片载体框架的容纳腔的侧壁采用倾斜角设计，利用光的反射可以叠加辐射进入感应芯片区域，有助于提高探测器响应率。
参见图2，在另一实施例中，所述芯片支撑面12内设有芯片支撑件13。
具体实施中，芯片支撑件13与芯片载体框架10一体形成。
对于较大的芯片尺寸，芯片支撑件的设计有助于提高芯片的稳固性。
本实施例中，热释电红外传感器还包括红外滤光片40，所述红外滤光片40盖合设于所述感应芯片载体框架21的上方。
参见图5，本实施例将红外滤光片盖合设于所述感应芯片载体框架的上方，将其直接放置在感应芯片载体框架的顶部，相比将红外滤光片设置在管帽的结构，本发明的设计能够有效减少滤光片的尺寸，降低材料成本；而且将红外滤光片集成在探测器内部，避免暴露在环境中，大大提高了红外滤光片的稳定性，延长使用寿命。
请继续参见图5，在其他实施例中，热释电红外传感器还包括管帽50、底座51、电路元器件53以及电路基板52，所述电路基板52设于所述底座51上，所述补偿芯片载体框架30设置在所述电路基板52上；所述管帽50盖合设于所述底座51上，实现管帽50与底座51密封；所述电路基板52、所述感应芯片20、补偿芯片30、感应芯片载体框架21、补偿芯片载体框架31以及所述红外滤光片40均集成设于所述管帽50内，所述电路元器件53电连接设于所述电路基板52上，所述电路元器件53包括电阻、电容以及运算放大器。管帽50上的视窗位置可采用透光率大于90%的材料而不必使用红外滤光片。
需要说明的是，本发明实施例提供的所述感应芯片载体框架以及所述补偿芯片载体框架均可通过半导体工艺加工得到：采用硅衬底，按照设计的结构将硅衬底经过数次光刻、蚀刻和清洗等步骤实现芯片载体框架的结构化，再通过金属化工艺使芯片载体框架具有良好的导电性。最后，将芯片载体框架的晶圆切割成一个个独立的芯片载体框架用于探测器的堆叠封装。
在其他实施例中，本发明的芯片载体框架也可以采用CNC工艺，3D打印工艺，或者注塑工艺加工得到，以实现批量化生产。
综上，本发明提出的热释电红外传感器包括感应芯片、补偿芯片及芯片载体框架，所述芯片载体框架设有容纳腔，所述感应芯片和/或补偿芯片设于所述容纳腔内；所述芯片载体框架的数量为两个，容纳腔内设置感应芯片的芯片载体框架称为感应芯片载体框架；容纳腔内设置补偿芯片的芯片载体框架称为补偿芯片载体框架；所述感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架由上至下顺次层叠设置；所述感应芯片与所述补偿芯片电连接。本发明通过将感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架层叠设置，将补偿芯片置于感应芯片下方，既节省了空间，又保证了补偿芯片不会被红外辐射影响，同时也避免了相邻通道之间的串扰，两个芯片载体框架堆叠的结构，可实现在相同封装尺寸下拥有更多测试通道。相比于现有技术中将感应芯片和补偿芯片布置到同一平面的方式，本发明大大提高了探测器的集成度，有助于实现探测器的小型化和多通道。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种热释电红外传感器，其特征在于，包括：
感应芯片；
补偿芯片；
芯片载体框架，所述芯片载体框架设有容纳腔，在所述容纳腔底部提供一个芯片支撑面，所述感应芯片和/或补偿芯片固定于所述芯片支撑面；
所述芯片载体框架的数量为两个，感应芯片和补偿芯片分别设在不同的芯片载体框架的容纳腔，称为感应芯片载体框架及补偿芯片载体框架；
所述感应芯片载体框架以及补偿芯片载体框架由上至下顺次层叠设置；
所述感应芯片与所述补偿芯片电连接。
2.如权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述芯片载体框架设有凹槽，引线穿过所述凹槽与芯片连接。
3.如权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述感应芯片载体框架的容纳腔的侧壁的宽度由上到下逐渐增大，使得该容纳腔的内侧面与底面之间形成倾斜角。
4.如权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述芯片支撑面内设有芯片支撑件。
5.如权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述容纳腔的数量为多个，所述芯片载体框架内的容纳腔数量与感应芯片的数量以及补偿芯片的数量相同。
6.如权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，还包括红外滤光片，所述红外滤光片盖合设于所述感应芯片载体框架的上方。
7.如权利要求6所述的热释电红外传感器，其特征在于，还包括管帽，所述感应芯片、补偿芯片、感应芯片载体框架、补偿芯片载体框架以及所述红外滤光片均设于所述管帽内。
8.如权利要求7所述的热释电红外传感器，其特征在于，还包括底座以及电路基板；所述电路基板设于所述底座上，所述补偿芯片载体框架设置在所述电路基板上；所述管帽盖合设于所述底座上，所述基板设于所述管帽内。
9.如权利要求8所述的热释电红外传感器，其特征在于，还包括电路元器件，所述电路元器件设于所述电路基板上，所述电路元器件包括电阻、电容以及运算放大器。
10.如权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于，所述感应芯片载体框架以及所述补偿芯片载体框架通过半导体工艺，或者CNC工艺，或者3D打印工艺，或者注塑工艺加工得到。
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