热电堆红外探测器及采用该探测器的360°环视阵列探测装置

摘要

本发明涉及一种热电堆红外传感器阵列设计技术，具体为一种热电堆红外探测器及采用该探测器的360º环视阵列探测装置。本发明将8个基于CMOS工艺的MEMS热电堆红外传感器粘贴于封装底座上，通过键合工艺将各个热电堆引线焊盘和封装底座管脚键合引线，键合完好的结构置于光电探台中心，8个热电堆分别对应光电探台8个锥孔的中心，热电堆感光面沿光学通路向外。光电探台上的锥孔分别装有镀有增透膜的红外光学透镜，该结构能够远距离感知周围运动目标，待目标进入感知视场，目标辐射出的红外信号透过红外光学透镜进入光电探台，通过锥形光学通路，聚焦于热电堆红外传感器感光面，最终实现360º全视角目标的感知。

权利要求

1.一种360º环视阵列探测装置，其特征在于，包括封装底座，封装底座包括用于粘附热电堆红外探测器（7）的中间立柱（8）、固定在中间立柱（8）下端的封装底盘（9）以及位于封装底盘（9）上的n根管脚（10），n≥9且n为奇数；中间立柱（8）位于封装底盘（9）的中心位置，封装底盘（9）的中心以及中间立柱（8）中心开有竖直通孔；中间立柱（8）周圈等间距均匀粘附n-1个热电堆红外探测器（7）；热电堆红外探测器（7）的结构可分为六层，由下至上依次是PI柔性衬底（1），电路层（2），第一绝缘层PI（3），作为感光区的敏感单元（4），第二绝缘层PI（5）以及作为感光面的红外透镜阵列层（6）；该结构的侧面为引线键合焊盘；热电堆红外探测器（7）通过PI柔性衬底（1）粘附于中间立柱（8）上，红外透镜阵列层（6）朝外；其中一根管脚（10）穿过封装底盘（9）和中间立柱（8）的中心通孔，该管脚（10）上端和中间立柱（8）顶端平齐，其余n-1根管脚（10）自下而上贯穿封装底盘（9）的边缘且均匀分布；穿过中间立柱（8）的一个管脚（10）分别和n-1个热电堆红外探测器（7）的地通过键合工艺连接，其余n-1根管脚（10）分别通过键合线和n-1个热电堆红外探测器（7）一端连接在一起。

2.如权利要求1所述的360º环视阵列探测装置，其特征在于，还包括光电探台；所述光电探台包括下端起支撑作用的小圆柱（12）和上端大圆柱；所述小圆柱（12）内部为空心结构且由下方伸入大圆柱中心，小圆柱（12）位于大圆柱内部的侧壁周圈等间距开有n-1个顶部小孔（13），大圆柱周圈由外向内开有n-1个轴线呈水平的锥形孔（11），所述锥形孔（11）的底端大孔朝外，n-1个顶部小孔（13）与锥形孔（11）的顶端小孔相连通；所述封装底座套装在小圆柱（12）内部且每个锥形孔（11）的顶部小孔（13）分别对准一个热电堆红外探测器（7），每个锥形孔（11）的底端大孔处均安装有红外光学透镜；每个光学透镜的焦点位于与其对应的热电堆红外探测器（7）的感光面上。

3.如权利要求1或2所述的360º环视阵列探测装置，其特征在于，所述n=9。

4.如权利要求2所述的360º环视阵列探测装置，其特征在于，所述锥形孔（11）的底部呈阶梯状，作为透镜安装位置（14）。

5.如权利要求2所述的360º环视阵列探测装置，其特征在于，红外光学透镜表面镀有增透膜。

说明书

热电堆红外探测器及采用该探测器的360°环视阵列探测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热电堆红外传感器阵列设计技术，具体为一种热电堆红外探测器及采用该探测器的360º环视阵列探测装置。

背景技术

[0002] 红外传感器是红外探测的关键部分，在军用和民用领域都发挥着重要作用。红外测温，红外检测，红外成像等均是红外传感器重要的运用。热电堆红外探测器是应用较为广泛的一种红外传感器，其利用赛贝壳效应，由两种不同材料分别构成冷端和热端，形成闭合回路，在温度差异下会产生电压差。现有的热电堆红外传感器主要采用mems工艺制作，封装类型主要为To封装，包括单窗口，双窗口等，由于体积小，成本低，安装灵活等优势，发展较快，应用较广。

[0003] 目前热电堆传感器主要采用的To封装，将切割好的芯片采用胶粘方式粘于底座上，双窗口封装即是将两个传感器芯片封装在同一底座上。但是受尺寸限制，无法实现较多窗口封装，同一封装传感器只能单方向测试，探测的视场角度有限，因此热电堆传感器阵列的设计也受影响。现在热电堆红外传感器阵列设计主要采用多个单独封装的红外传感器组成传感器阵列，尺寸较大，如果加装光学透镜，尺寸还会增大多倍，这给传感器阵列的应用范围也带来了较大限制。同时在利用多传感器协同进行大范围探测目标，区域态势感知方面研究较少；因此本发明的提出在红外感知领域是很好的补充。

发明内容

[0004] 本发明的第一目的在于克服现有热电堆红外传感器阵列主要是To封装，只能单向感知的不足，提出一种360º环视阵列探测装置设计，实现360º全视角的红外感知。

[0005] 本发明的第二目的在于提供一种基于IC集成工艺和MEMS技术柔性带的红外光学探测单元，该探测单元类似“三明治”结构，可分为六层，由下至上依次是PI柔性衬底，电路层，第一绝缘层PI，作为感光区的敏感单元，第二绝缘层PI以及作为感光面的红外透镜阵列层；该结构的侧面为引线键合焊盘。

[0006] 本发明的第三目的在于提供一种360º环视热电堆阵列封装底座结构，封装底座包括用于粘附热电堆红外探测器的中间立柱、固定在中间立柱下端的封装底盘以及位于封装底盘上的n根管脚，n≥9且n为奇数；中间立柱位于封装底盘的中心位置，封装底盘的中心以及中间立柱中心开有竖直通孔；中间立柱周圈等间距均匀粘附n-1个热电堆红外探测器；热电堆红外探测器通过PI柔性衬底粘附于中间立柱上，红外透镜阵列层朝外；其中一根管脚穿过封装底盘和中间立柱的中心通孔，该管脚上端和中间立柱顶端平齐，其余n-1根管脚自下而上贯穿封装底盘的边缘且均匀分布；穿过中间立柱的一个管脚分别和n-1个热电堆红外探测器的地通过键合工艺连接，其余n-1根管脚分别通过键合线和n-1个热电堆红外探测器一端连接在一起。

[0007] 本发明的第四目的在于提供一种包含光学通路的特殊封装结构，作为热电堆红外传感器阵列的外部封装，即光电探台。所述光电探台包括下端起支撑作用的小圆柱和上端大圆柱；所述小圆柱内部为空心结构且由下方伸入大圆柱中心，小圆柱位于大圆柱内部的侧壁周圈等间距开有n-1个顶部小孔，大圆周圈由外向内开有n-1个轴线呈水平的锥形孔，所述锥形孔的底端大孔朝外，n-1个顶部小孔与锥形孔的顶端小孔相连通；所述封装底座套装在小圆柱内部且每个锥形孔的顶部小孔分别对准一个热电堆红外探测器，每个锥形孔的底端大孔处均安装有红外光学透镜；每个光学透镜的焦点位于与其对应的热电堆红外探测器的感光面上。

[0008] 优选的，n=9，即管脚为九个，热电堆红外探测器为八个，锥形孔也为八个；9根管脚中，除了位于中心的管脚，其余8根管脚在封装底盘的边缘均匀分布，相邻2根之间夹角均为45度。所述锥形孔的底部呈阶梯状，作为透镜安装位置；红外光学透镜表面镀有增透膜。

[0009] 所述光电探台是一种包含光学通路的特殊封装结构，即作为热电堆红外传感器阵列的外部封装，同时也作为光学透镜的封装结构和光学通路。所述光学通路是位于光电探台周围的8个锥形孔，锥形孔顶端开小孔分别对准位于中心的热电堆传感器，底端分别安装8个光学透镜。

[0010] 所述红外光学透镜是根据光学原理设计镀有增透膜的具有聚焦和滤波作用的凸透镜。光学焦点位于热电堆传感器感光面上，表面镀有增透膜，允许特定波段的红外波长通过。对于目标人员的探测距离可达70米，对目标车辆的探测距离可达百米。

[0011] 综合分析上述技术设计方案，本发明的工作原理为：将8个基于CMOS工艺的MEMS热电堆红外传感器粘贴于封装底座上，通过键合工艺将各个热电堆引线焊盘和封装底座管脚键合引线，键合完好的结构置于光电探台中心，8个热电堆分别对应光电探台8个锥孔的中心，热电堆感光面沿光学通路向外。光电探台上的锥孔分别装有镀有增透膜的红外光学透镜，该结构能够远距离感知周围运动目标，待目标进入感知视场，目标辐射出的红外信号透过红外光学透镜进入光电探台，通过锥形光学通路，聚焦于热电堆红外传感器感光面。热电堆红外传感器将感知到的光学信号转化为电信号，经封装底座上的管脚传输至相应的信号处理电路，最终实现360º全视角目标的感知。

[0012] 本发明的有益效果：本发明利用热电堆红外传感器对红外目标的高性能感知，采用特殊结构的设计，实现了360º环视热电堆阵列装置设计。克服了红外传感器只能单向探测的缺点，能够对360º全视角范围内目标进行探测。并且利用光学原理，增加红外光学透镜实现远距离红外目标的感知。该装置具有探测范围广，感知效率高及实用性强的优点，可对运动目标实现360º精准环视探测。

附图说明

[0013] 图1 MEMS热电堆红外探测单元的结构图。

[0014] 图2 封装底座设计图。

[0015] 图3 粘附有热电堆的封装底座三维图。

[0016] 图4 光电探台设计图（该图为倒置）。

[0017] 图5 光电探台剖面图。

[0018] 图6 结构装配图。

[0019] 1-PI柔性衬底，2-电路层，3-第一绝缘层PI，4-敏感单元，5-第二绝缘层PI，6-红外透镜阵列层，7-热电堆红外探测器，8-中间立柱，9-封装底盘，10-管脚，11-锥形孔，12-小圆柱，13-顶部小孔，14-透镜安装位置，15-压电陶瓷，16-硅片。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0021] 如图1即为本发明所采用的热电堆红外传感器探测单元。基于CMOS工艺的MEMS热电堆红外探测器主要由红外透镜部分、探测敏感元部分、电路部分三大部分构成。敏感单元层包含有压电陶瓷部分；电路层包含有硅片。采用MEMS技术的红外传感器制作在柔性硅基薄膜（PI柔性衬底）上，起到保护传感器同时易与其他结构结合在一起。

[0022] 热电堆红外传感器芯片，采用胶粘方式粘附于封装底座（图2）上，粘附结构如图3，封装底座（如图2）由底座中间立柱8（作为粘附热电堆载体），封装底盘9，和引线管脚10组成。尺寸参数相同的八个热电堆红外探测器7粘附于中间立柱8上，分别面向周围八个方向。封装底座上的9根管脚，其中一根穿过底盘中心和中间立柱的中心，在立柱上端露出，分别和八个热电堆的地通过键合工艺连接，其余8根管脚均匀分布在封装底盘边缘，分别通过键合线和八个热电堆红外探测器一端连接在一起。封装底座、热电堆传感器、以及封装底座上的管脚，通过键合工艺连接，即构成了基本的热电堆传感器感知结构。

[0023] 作为更为完整的封装结构和系统更好的工作，在基本感知结构加装光电探台（如图4，图5）。利用光电探台实现热电堆传感器的外壳封装，并通过设计光学通路和透镜安装，实现传感器远距离感知。光电探台、封装底座和热电堆装配结构如图6。光电探台（如图4，图5）由下端起支撑作用的小圆柱12和上端大圆柱状结构组成，光电探台锥形孔11为光学通路，锥形孔11底部设计为阶梯状，作为透镜安装位置14，经透镜透过的红外光经过锥形孔到达顶部小孔13，进而到达内部热电堆感光面。热电堆传感器将光学信号转换为电信号传给后续电路。透镜安装于锥形孔底部位置（透镜安装位置14），透镜中心至锥形孔顶部小孔中心13（内部热电堆感光面中心），即为锥形孔高度，其值等于透镜焦距，保证经过透镜的红外波准确聚焦于热电堆红外探测器7感光面。图4为了更好的表现出内部结构将小圆柱画在了上方。

[0024] 小圆柱伸入大圆柱内部的部分呈台阶状结构，其中开有顶部小孔的部分外径小于下方小圆柱的外径，以便小圆柱的结构能够和封装底座相配，热电堆红外探测器位于小圆柱外径缩小的部分内部，封装底盘位于小圆柱外径较大的部分内部。由图6可已看出，大圆柱周圈开有多个锥形孔，小圆柱由下方中心伸入大圆柱内部，部分仍留在外部，起到支撑作用。整个光电探台构成一个整体结构，便于集成安装，生产，运输。