集成滤光窗的 MEMS 红外传感器电子封装（二）
该红外传感器封装的设计和开发采用常见的并列布局，传感器和ASIC在封装内是并排放置（图3）。
在封装上表面集成一个光学窗口，用于选择红外辐射的波长成分，这种光窗解决方案可以防止环境光辐射到达探测器感光区，从而降低总系统噪声。构成封装上表面和腔壁的聚合物可以视为对可见光－红外辐射完全不透明，可归类为LCP材料（液晶高分子聚合物）。不同的应用可以安装不同的滤光片，例如，NDIR光谱仪。如图3所示，结构元件包括两个裸片和键合引线，传感器和信号处理电路互连，然后在连接到封装衬底上。
图4：“小红外光窗”封装和“一体式红外滤光封帽”封装的渲染图
实验装置和测量
对MEMS红外传感器光电特性进行表征实验，被测目标物体是一个－20°C至160°C的校准黑体辐射源。所用的黑体辐射源是CI Systems公司的SR－800R 4D／A，其面积是4 x 4平方英寸，辐射率为0．99。
在表征实验过程中，传感器放置在距黑体表面5．0 cm处，以便完全覆盖传感器视野范围。
图5：实验装置
使用和不用滤光片各采集数据一次，观测到信噪比分别为1．6和2．36。在使用滤光片时，采样信噪比降低，这是滤光片的光衰减所致，并且完全符合图2的频谱。
图6：带和不带红外滤光片的陶瓷封装传感器灵敏度表征。
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。
图7：有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
如图7所示，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。
图8：FOV计算原理截面图
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）
