系统输出是数字信号,在红外辐射下,最低有效位(lsb)的数字变化代表系统输出变化。在封装几何尺寸确定并确保黑体完全覆盖光窗视野的条件下,被测传感器的总灵敏度约为2000lsb/°C,在150lsb发现噪声。红外长通滤光片可以选择,主要是为了匹配预期的检测选择性和光窗前可探测物体的性质和尺寸。

红外硅基滤光片的封装的3D-X射线断层扫描图像,其中滤光片有M1和M2两层金属反射膜

在MEMS红外传感器上面放置M1和M2两层金属红外滤光膜,用于过滤封装表面上的入射辐射。在3D图像中还能看到传感器和ASIC互连的引线键合结构和封装衬底金属走线。

视野(FOV)角度计算

我们通常给光学系统定义一个视野(FOV)参数,用于评估感测系统能够检测的几何空间大小。任何光学设备都可以定义为FOV = ±θ的半视野(HFOV)或FOV = θ的全视野(FFOV)。本文采用FOV = ±θ的半视野定义。在几何空间评测中,假设硅折射率n = 3.44;空气和真空折射率n = 1。下图所示是所讨论封装的截面结构的FOV计算方法。

在计算视野角度时,需要考虑光线穿过窗口时发生的折射(或弯曲)情况。

运用三角学的基本关系,我们发现:

WO = WA + 2 (Wt1+Wh1) (eq. 1)

其中WO是封装光窗的宽度,WA是传感器感光区的宽度,Wt1+Wh1是空气和硅中的光路宽度,计算方法见下面的等式组:

Wt1 = t1×tgqS; (eq. 2a)

Wh1 = h1×tgqA; (eq. 2b)

其中,t1和h1是封装和器件本身的几何垂直参数,qA 和 qS分别是红外线在空气和硅中的传播角度。 根据斯涅尔定律,下面的等式给出了两个角度的关系:

n1.sin (θ1) = n2.sin (θ2) (eq. 3)

n1和n2表示每种材料的折射率,θ1和θ2是光线在每种材料中传播与表面法线形成的夹角(逆时针方向),并假设硅的折射率n = 3.44,空气/真空的折射率n = 1。基于上述几何假设,预期视野角度FFOV = 80°- 82°。然后开始腔体封装的初步设计,并在封装试生产线实验室中制造了两个批次的原型。为了获得不同的FFOV,我们提出了两种不同的窗口设计。为了在1.0um -13.0um波长范围内,验证封装腔壁材料的“ T%= 0”条件,做了模塑树脂材料的红外透光值测试。封装结构是系统级封装,其中ASIC裸片与MEMS红外传感器并排放置,裸片间通过引线键合(WB)连接,如下图所示。

带红外光窗封装(左图)和一体式红外滤光封装(右图),通过表面贴装技术(SMT)焊接在DIL 24测试板上

使用前述的黑体辐射源,在距封装顶部22cm处,对上述两个系统封装进行表征实验。