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TWI697129B - 單一封裝內包含多個感測元件陣列的遠紅外線感測裝置 - Google Patents

單一封裝內包含多個感測元件陣列的遠紅外線感測裝置 Download PDF

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TWI697129B
TWI697129B TW105127775A TW105127775A TWI697129B TW I697129 B TWI697129 B TW I697129B TW 105127775 A TW105127775 A TW 105127775A TW 105127775 A TW105127775 A TW 105127775A TW I697129 B TWI697129 B TW I697129B
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far
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infrared
array integrated
control circuit
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孫志銘
黃森煌
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原相科技股份有限公司
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Abstract

本發明揭露一種遠紅外線感測器封裝，該遠紅外線感測器封裝包含：一封裝殼體以及複數個遠紅外線感測陣列積體電路。其中，該複數個遠紅外線感測陣列積體電路係設置於同一平面上，並且設置於該封裝殼體的內部；該些遠紅外線感測陣列積體電路中之每一者包含有大小相同的遠紅外線感測單元陣列。

Description

單一封裝內包含多個感測元件陣列的遠紅外線感測裝置
本發明係關於紅外線感測，尤指一種在單一封裝內排列並組合多個感測元件陣列的遠紅外線感測裝置。
一般來說，若要偵測空間中熱輻射的分佈現象，需要透過具有陣列結構的紅外線感測器來對空間中的紅外線進行偵測。第1圖繪示了一個內部具有尺寸為8x8的感測單元陣列的遠紅外線感測器封裝100。其中，遠紅外線感測器封裝100具有封裝殼體110、濾鏡120、遠紅外線感測陣列積體電路130以及電路板140。遠紅外線感測陣列積體電路130包含有感測單元陣列135以及用以控制感測單元陣列135的控制電路(未示出)。
熱輻射在空氣中以電磁波的形式傳導。透過濾鏡120，只有對應於特定溫度區間(特定波長)的光線得以穿透，這些紅外線施加在感測單元陣列135上，會讓感測單元陣列135中的每一個感測單元產生程度不等的物理變化，而這些物理變化會進一步轉換成電能訊號。以熱電堆(thermopile)形式的感測單元為例，紅外線會被感測單元吸收而轉換成熱能，這些熱能又會讓感測單元的兩端形成電壓差。之後，控制電路可將感測單元上的電壓差讀出，得到感測訊號。
感測陣列製造商在生產感測單元陣列135的時候，必須考慮到客戶的 不同需求，生產不同規格大小的感測單元陣列135。然而，這意味著感測陣列製造商並須針對這些規格逐一開設生產線，這樣一來無形降低了整體生產效率並提高了成本。
因此，為了增加生產流程的彈性與效率，並且降低生產成本，本發明提一種紅外線感測陣列的設計概念，其有助於實現紅外線感測器的模組化生產。
根據上述的設計概念，本發明之一實施例實現一種遠紅外線感測器封裝。其中，該遠紅外線感測器封裝包含：一封裝殼體以及複數個遠紅外線感測陣列積體電路。該些遠紅外線感測陣列積體電路係設置於同一平面上，並且設置於該封裝殼體的內部，該些遠紅外線感測陣列積體電路中之每一者包含有大小相同的遠紅外線感測單元陣列。
本發明之另一實施例實現一種遠紅外線感測陣列積體電路組合。其中，該遠紅外線感測陣列積體電路組合包含：一第一遠紅外線感測陣列積體電路以及複數個第二遠紅外線感測陣列積體電路。該第一遠紅外線感測陣列積體電路包含一第一遠紅外線感測單元陣列以及一第一感測控制電路；以及該複數個第二遠紅外線感測陣列積體電路中之至少一者包含一第二遠紅外線感測單元陣列以及一第二感測控制電路。其中，該第一感測控制電路所能提供之功能不同於該第二感測控制電路所能提供之功能，且第一遠紅外線感測單元陣列與該第二遠紅外線感測單元陣列的大小相同。
100、200:遠紅外線感測器封裝
110、210:封裝殼體
120、220:光學元件
130、231_1~231_N:遠紅外線感測陣列積體電路
135、310_1~310_N:遠紅外線感測單元陣列
140、240:電路板
230:遠紅外線感測陣列積體電路組合
320_1~320_N:感測控制電路
322_4、322_N:運算電路
第1圖為習知的遠紅外線感測器封裝的結構示意圖。
第2圖為本發明遠紅外線感測器封裝之一實施例的結構示意圖。
第3圖為本發明遠紅外線感測陣列積體電路之一實施例的示意圖。
第4圖為本發明遠紅外線感測陣列積體電路組合之一實施例的結構示意圖。
第5A~5D圖為本發明遠紅外線感測陣列積體電路組合之其他實施例的結構示意圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
第2圖為本發明之遠紅外線感測器封裝之一實施例的側視結構圖。如圖所示，遠紅外線感測器封裝200包含一封裝殼體210、一光學元件220、一遠紅外線感測陣列積體電路組合230、一電路板240。遠紅外線感測陣列積體電路組合230由大致上位在於同一平面的複數個遠紅外線感測陣列積體電路 231_1~231_N所組成。遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N中的至少一者，大致上如第3圖所示，包含有一遠紅外線感測單元陣列310_N以及感測控制電路320_N。遠紅外線感測單元陣列310_N由以陣列狀排列的紅外線感測單元所組成，請注意，在後續的示意圖中，遠紅外線感測單元陣列310_N為8x8個紅外線感測單元組成的陣列，但此僅作為說明之用，並非本發明對於紅外線感測單元在數量上的限制。光學元件220為具有特殊鍍膜的透鏡，當熱輻射照射在光學元件220上後，會讓對應特定溫度/波長範圍內的紅外線通過。遠紅外線感測單元陣列310_N上的每一個紅外線感測單元，基於所接收到的紅外線的強度，將產生相對應的變化，從而形成感測訊號。感測控制電路320_N主要用以控制遠紅外線感測單元陣列310_N，包含(但不限定於)進行每一個紅外線感測單元的驅動操作，以及每一個紅外線感測單元上的感測訊號的讀取操作。並且，感測控制電路320_N中可能包含有(但不限定於)用以進行前述操作的驅動器、多工器、類比至數位轉換器、暫存器、以及進行補償運算的運算電路。在一實施例中，本發明的紅外線感測單元可採用熱電堆(thermopile)結構來實現，但此非唯一實施方式，亦非本發明之限制。另外，遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N上的遠紅外線感測單元陣列310_1~310_N的陣列大小基本上相同。較佳地，遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N可適於感測波長大於3μm的光線。
第4圖繪示了遠紅外線感測陣列積體電路組合230的一實施例的俯視結構圖。如圖所示，遠紅外線感測陣列積體電路組合230由遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_4所組成。遠紅外線感測陣列積體電路231_1包含有遠紅外線感測單元陣列310_1以及感測控制電路320_1；遠紅外線感測陣列積體電路231_2包含有遠紅外線感測單元陣列310_2以及感測控制電路320_2；遠紅外線感測陣 列積體電路231_3包含有遠紅外線感測單元陣列310_3以及感測控制電路320_3；遠紅外線感測陣列積體電路231_4包含有遠紅外線感測單元陣列310_4以及感測控制電路320_4。遠紅外線感測陣列積體電路組合230的有效感測範圍大致為區域280所涵蓋的區域，穿過光學元件220的紅外線光大致上會被聚集到區域280上，使遠紅外線感測單元陣列310_1~310_4產生相應的感測訊號。在區域280中，有一區域282上並沒有被紅外線感測單元覆蓋。因此，感測控制電路320_1~320_4中的至少一者，會利用鄰近於此區域的紅外線感測單元產生的感測訊號，進行補償運算，模擬出區域282上應有的感測訊號。在一實施例中，補償運算為內插運算，其係計算相鄰於區域282的紅外線感測單元上得到的感測訊號的平均值，以作為區域282對應的感測訊號。
遠紅外線感測陣列積體電路組合230中的遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N之間透過導線相連接。在一實施例，遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N上具有合接墊(bonding pad)，並以打線接合(wire bonding)的方式，與其他的遠紅外線感測陣列積體電路相連接。遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N中之一者，負責整合其他遠紅外線感測陣列積體電路偵測到的感測訊號，並根據這些感測訊號進行補償運算，得到區域282所對應的感測訊號。具體來說，以第4圖的實施例為例，負責整合其他三者產生的感測訊號的遠紅外線感測陣列積體電路231_4的感測控制電路320_4中，具有一運算電路322_4。並且，感測控制電路320_4透過一輸入介面，以及與遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_3相連的合接墊與導線，取得其他的感測控制電路320_1~320_3各自從對應的遠紅外線感測單元陣列310_1~310_3上讀取到的感測訊號。之後，運算電路322_4根據遠紅外線感測單元陣列310_1~310_4上產生的感測訊號進行補償運算，並將運算結果與遠紅外線感測單元陣列310_1~310_4的感測訊號整合成一 整體大小為16x16的感測結果，最後透過從一輸出界面，以及與電路板240相連的合接墊與導線，將這個感測結果輸出至外部。
在一實施例中，感測控制電路320_1~320_4可能具有完全相同的電路結構，並由相同的製程所生產。在將遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_4組成遠紅外線感測陣列積體電路組合230的過程中，感測控制電路320_1~320_3中的部份功能被關閉，並且，感測控制電路320_1~320_3的介面上的部分訊號接點並未連接至遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_3的合接墊上。進一步來說，感測控制電路320_1~320_3中可能都包含有運算電路，但在組成遠紅外線感測陣列積體電路組合230的過程中，這些運算電路會被關閉。另外，感測控制電路320_1~320_3可能都具有與感測控制電路320_4之輸入/輸出界面相同寬度的介面，但在組成遠紅外線感測陣列積體電路組合230的過程中，感測控制電路320_1~320_3僅僅保留足夠輸出感測訊號給感測訊號控制電路320_4的部分介面。這種設計思維是為了單一化遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_4的設計過程與製造流程。不過，在某些應用中，為了滿足其他設計上的需求，感測控制電路可能具有不同的電路架構，並由不同的生產線所製造，此部份的原因將於後敘。
第5A~5D圖繪示了本發明不同實施例中，遠紅外線感測陣列積體電路組合230中之遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N的排列方式。其中，遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N可以第5A圖部分或第5B圖部分的平行或垂直型式排列，也可以第5C圖部分的垂直與水平混合形式排列。在第5B圖所示的垂直排列範例中，相鄰的遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N之間，會有較大的區域(如虛線所示處)未被遠紅外線感測單元陣列覆蓋，因此會造成補償運 算的難度。為了降低補償運算的難度，遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_N中部分者，例如遠紅外線感測陣列積體電路231_2~231_3包含有功能簡化的感測控制電路320_2~320_3，其電路面積較小。相較於感測控制電路320_1，感測控制電路320_2~320_3可能不包含有進行補償運算的運算電路，僅僅包含用以驅動與讀取感測單元陣列310_2~310_3的電路區塊。如此一來，透過縮小感測控制電路的大小，可以有效地縮小在這種特殊排列方式下，未被遠紅外線感測單元陣列所覆蓋例的區域。而在第5C圖的範例中，遠紅外線感測陣列積體電路231_2上更進一步取消了感測控制電路的配置，遠紅外線感測單元陣列310_2的驅動與感測訊號的讀取可能由遠紅外線感測陣列積體電路231_1與231_3上的感測控制電路320_1與320_3來進行。而在第5D圖的範例中，遠紅外線感測陣列積體電路組合230包含遠紅外線感測陣列積體電路231_1~231_9，但其中的遠紅外線感測陣列積體電路231_5只包含有遠紅外線感測單元陣列310_5，而不具備感測控制電路，遠紅外線感測單元陣列310_5上的感測訊號可由其他遠紅外線感測陣列積體電路上的感測控制電路負責讀取。另外，遠紅外線感測陣列積體電路231_1與231_9上的感測控制電路320_1與320_9可能都具備有開啟的運算電路，用以進行補償運算，遠紅外線感測陣列積體電路231_2~231_4與231_6~231_8的感測控制電路，可能不包含運算電路，或者是其中的運算電路未被開啟，甚至是其中的驅動與讀取相關電路被關閉，而由感測控制電路320_1與320_9負責進行。
以上文中所提及之「實施例」或者「一實施例」係代表針對該實施例所描述之特定特徵、結構或者是特性係包含於本發明之至少一實施方式中。文中不同段落中所出現之「一實施例」並非代表相同的實施例。因此，儘管說明書中對於不同實施例在進行描述時，分別提及了不同的結構特徵或是方法性的動作，但應當注意的是，這些不同特徵可透過適當的修改而同時實現於同一 特定實施方式中，而不對發明的範疇造成限制。
透過以上說明可知，透過將遠紅外線感測陣列積體電路的設計與生產單一化，積體電路製造商可更輕易地因應不同客戶在陣列大小上的不同需求。另外，本發明的遠紅外線感測陣列積體電路，在感測控制電路的設計上有相當大的彈性。不同的遠紅外線感測陣列積體電路上的感測控制電路在設計與生產時，可能具有相同電路架構，但在後續應用的過程中，部分電路區塊在沒有使用需求時可被關閉。另外，為了實現特殊排列的遠紅外線感測陣列積體電路組合，部分遠紅外線感測陣列積體電路上可能沒有設置感測控制電路，或者具有電路結構不同、面積較小的感測控制電路。如此一來，可提升生產遠紅外線感測器封裝時的效率與彈性。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
200:遠紅外線感測器封裝
210:封裝殼體
220:光學元件
230:遠紅外線感測陣列積體電路組合
231_1、231_4:遠紅外線感測陣列積體電路
240:電路板

Claims (16)

  1. 一種遠紅外線感測器封裝，包含：一封裝殼體；以及複數個遠紅外線感測陣列積體電路，該些遠紅外線感測陣列積體電路係設置於同一平面上，並且設置於該封裝殼體的內部，其中該些遠紅外線感測陣列積體電路之每一者包含有大小相同的遠紅外線感測單元陣列；其中該些遠紅外線感測陣列積體電路之一第一遠紅外線感測陣列積體電路包含有一第一感測控制電路，該第一感測控制電路用以根據分別從複數個遠紅外線感測單元陣列上得到的複數個感測訊號進行一補償運算；並且，該些遠紅外線感測陣列積體電路中之至少一第二遠紅外線感測陣列積體電路中的遠紅外線感測單元陣列耦接於該第一感測控制電路，該第一感測控制電路用以自該第二遠紅外線感測陣列積體電路中的遠紅外線感測單元陣列上讀取複數個感測訊號，並根據該些感測訊號進行該補償運算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的遠紅外線感測器封裝，另包含一光學元件，設置於該些遠紅外線感測陣列積體電路以及該封裝殼體之一槽孔的上方，用以引導外在的熱輻射至該些遠紅外線感測陣列積體電路對應之一有效感測區域上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的遠紅外線感測器封裝，其中該第二遠紅外線感測陣列積體電路不包含感測控制電路。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的遠紅外線感測器封裝，其中該些遠紅外線感測陣列積體電路為熱電堆式(thermopile)感測陣列積體電路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的遠紅外線感測器封裝，其中該些遠紅外線感測陣列積體電路適用於感測波長大於3μm的光線。
  6. 一種遠紅外線感測陣列積體電路組合，包含：一第一遠紅外線感測陣列積體電路，包含一第一遠紅外線感測單元陣列以及一第一感測控制電路；以及複數個第二遠紅外線感測陣列積體電路，其中至少一者包含一第二遠紅外線感測單元陣列以及一第二感測控制電路；其中，該第一遠紅外線感測單元陣列的大小相同於該第二遠紅外線感測單元陣列的大小，並且該第一感測控制電路所能提供之功能不同於該第二感測控制電路所能提供之功能。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的遠紅外線感測陣列積體電路組合，其中該第一感測控制電路用以根據分別於該第一遠紅外線感測單元陣列與該第二遠紅外線感測單元陣列上得到的複數個感測訊號進行一補償運算。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的遠紅外線感測陣列積體電路組合，其中該第二遠紅外線感測單元陣列耦接於該第一感測控制電路，該第一感測控制電路用以自該第二遠紅外線感測單元陣列上讀取複數個感測訊號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的遠紅外線感測陣列積體電路組合，其中該第二感測控制電路自該第二遠紅外線感測陣列積體電路之遠紅外線感測單元陣列上讀取複數個感測訊號；該第一感測控制電路用以自該第二感測控制電路接收讀取出的該複數個感測訊號，並且根據該些感測訊號進行該補償運算。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的遠紅外線感測陣列積體電路組合，其中該第一感測控制電路的電路大小不同於該第二感測控制電路的電路大小。
  11. 如申請專利範圍第6項所述的遠紅外線感測陣列積體電路組合，其中該複數個第二遠紅外線感測陣列積體電路中之另一者不包含感測控制電路。
  12. 如申請專利範圍第6項所述的遠紅外線感測陣列積體電路組合，其中該些遠紅外線感測陣列積體電路為熱電堆式(thermopile)感測積體電路。
  13. 如申請專利範圍第6項所述的遠紅外線感測陣列積體電路組合，其中該第一與該第二遠紅外線感測陣列積體電路適用於感測波長大於3μm的光線。
  14. 一種遠紅外線感測器封裝，包含：一封裝殼體；以及複數個遠紅外線感測陣列積體電路，該些遠紅外線感測陣列積體電路係設置於同一平面上，並且設置於該封裝殼體的內部，其中該些遠紅外線 感測陣列積體電路之每一者包含有大小相同的遠紅外線感測單元陣列；其中，該些遠紅外線感測陣列積體電路之一第一遠紅外線感測陣列積體電路包含有一第一感測控制電路，該第一感測控制電路用以根據分別從複數個遠紅外線感測單元陣列上得到的複數個感測訊號進行一補償運算；並且該些遠紅外線感測陣列積體電路中之至少一第二遠紅外線感測陣列積體電路包含有一第二感測控制電路；該第二感測控制電路用以自該第二遠紅外線感測陣列積體電路中的遠紅外線感測單元陣列上讀取出複數個感測訊號；該第一感測控制電路用以自該第二感測控制電路接收讀取出的該複數個感測訊號，並且根據該些感測訊號進行該補償運算。
  15. 一種遠紅外線感測器封裝，包含：一封裝殼體；以及複數個遠紅外線感測陣列積體電路，該些遠紅外線感測陣列積體電路係設置於同一平面上，並且設置於該封裝殼體的內部，其中該些遠紅外線感測陣列積體電路之每一者包含有大小相同的遠紅外線感測單元陣列；其中該些遠紅外線感測陣列積體電路之一第一遠紅外線感測陣列積體電路包含有一第一感測控制電路，該第一感測控制電路用以根據分別從複數個遠紅外線感測單元陣列上得到的複數個感測訊號進行一補償運算；並且，該些遠紅外線感測陣列積體電路中之至少一第二遠紅外線感測陣列積體電路包含有一第二感測控制電路，並且該第一感測控制電路所能提供的功能不同於該第二感測控制電路所能提供的功能。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的遠紅外線感測器封裝，其中該第一感測控制電路的電路大小不同於該第二感測控制電路的電路大小。
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