專利名稱：壓電型紅外線感熱元件的平面化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種改良的具有較大的感測視角的壓電型紅外線感熱元件的平面化裝置。
近年來，感熱式的安全監(jiān)視系統(tǒng)十分普及，此種系統(tǒng)的精粹乃在于一種壓電型紅外線感熱元件得以制成的結(jié)果。此壓電型紅外線感熱元件的動作原理，主要是對一逼近的人或其他熱源所輻射的紅外線熱波予以反應，而產(chǎn)生一相對應的電信號，再經(jīng)一般的放大電路予以放大，因而得以作預警或觸發(fā)的功能并達到保安的目的。此種壓電型紅外線感熱元件具有下列各項優(yōu)點1.壓電效應本身具有對時間微分的功能，故可將靜止的背景熱源自動消除(BACKGROUND SUPRESSION)，產(chǎn)生僅具動態(tài)感測的效應，并同時簡化了信號處理程序；2.壓電為自發(fā)性，故不需附加偏壓，可免除偏壓噪聲；3.元件制作技術(shù)簡易，如同一般陶瓷電容的制成技術(shù)，僅在其上布施電極與黑體膜蒸鍍即可，因而成本低。
上述的優(yōu)點使得廉宜且可常溫運作的非接觸型輻射感溫元件變?yōu)榭尚?，近年來并普及使用于一般家庭的防盜、防火的保安系統(tǒng)，以及省能源的燈控感測裝置。因此，壓電型遠紅外線(PIR)感熱元件的制作深受先進工業(yè)國家的重視。
一般在感熱元件制作時，必須使該元件盡量薄，以減少其熱容值(HEAT CAPACITY)；同時更須要達成懸浮的結(jié)構(gòu)，降低其熱損耗(HEAT LOSS)，亦即增加熱阻抗(THERMAL IMPEDANCE)。因此，元件在吸收定量的熱能時可產(chǎn)生較高的溫升，亦即較熱反應率(THERMAL RESPONSIVITY)，進而有較大的壓電反應性。這種薄而懸浮的必要條件使得裝配任何感熱元件時，所須的粘著技術(shù)變得相當復雜，在制作壓電感熱元件時亦不例外?？傊?，目前在制作輻射感熱元件時，其復雜的結(jié)構(gòu)與裝置尚有許多待改進之處。
如美國專利第4,984,046號案之內(nèi)容，其感測元件系如一形結(jié)構(gòu)，設置于一基板上，然而這種結(jié)構(gòu)而端仍固定于基座上，使其熱容量及熱損耗仍不能有效降低，故其感測范圍有一定的限制。
本實用新型的目的是提供一種改良的具有較大視角的壓電型紅外線感熱元件的平面化裝置。
本實用新型的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其中包括一供感熱元件及其相關(guān)電子元件粘著的平面化電路基板以及一封蓋，其特征在于，該電路基板于粘著壓電薄片元件處，預先沖壓形成有一特殊幾何形狀的凹部區(qū)域，此凹部區(qū)域下陷于該電路基板的平面之下，使該壓電薄片元件即傾斜跨設于該凹部區(qū)域之間，該傾斜角由該凹部區(qū)域的幾何形狀決定且為懸浮架構(gòu)。
本實用新型的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，由于兩個熱感元件相互傾斜面對而懸浮固定，因而具有使元件的感測視角增大的功能。
現(xiàn)參照附圖，將壓電感測元件的原理，現(xiàn)有壓電感測元件的結(jié)構(gòu)，本公司前曾獲得的專利(臺灣實用新型第67174號)的特殊結(jié)構(gòu)，以及本實用新型的結(jié)構(gòu)作一詳細說明，其中

圖1顯示雙片式的壓電感測元件的并聯(lián)式等值電路圖；圖2顯示一現(xiàn)有的壓電感測元件的結(jié)構(gòu)；圖3和3A顯示另一現(xiàn)有的壓電感測元件的結(jié)構(gòu)；圖4A顯示本公司前創(chuàng)作的以電路板為基座的懸浮架構(gòu)；
圖4B為圖4A中懸浮架構(gòu)的側(cè)視斷面圖；圖4C顯示圖4A的立體結(jié)構(gòu)分解圖；圖5所示為紅外線透鏡陣列將視場分割圖；圖6顯示各種現(xiàn)有包裝結(jié)構(gòu)的一般示意幾何，A為側(cè)剖面圖，B為俯視圖；圖7所示為本實用新型的壓電熱感元件的結(jié)構(gòu)分解圖；圖8A顯示為如圖7所示的壓電感測元件的包裝結(jié)構(gòu)示意側(cè)剖視圖；圖8B為一俯視圖，其顯示壓電感測元件與圖8A結(jié)構(gòu)的基座的連接方式；圖8C顯示由圖8A的C-C＇線觀看的側(cè)剖面圖，其中可看出感測元件的A1和A2是傾斜地懸設于PCB上；圖9顯示感測薄片在不同傾斜角下，理論計算的信號強度的遠場分布；圖10顯示實測時信號強度的遠場分析(壓電薄片傾斜25°)；和圖11所示為本實用新型的壓電熱感元件的結(jié)構(gòu)俯視圖。
圖1顯示了雙片式壓電感測元件的等值電路(虛線框內(nèi))，其中壓電元件A1和A2可為鉭酸鋰(LiTaO)或鋯鈦酸鉛(PZT)、二氟聚乙烯(PVF2)或硫酸三甘氨酸(TGS)等具有壓電性的材料薄片，其兩面鍍有電極，其中接受熱輻射的上表面并敷以黑體膜以增加元件的吸熱效果。兩感測元件薄片的極化方向互為相反如箭頭所示，一向上另一則向下。熱感應的靜電荷或電壓輸至一具有高輸入阻抗的場效應晶體管(JFET)，以作電荷電壓與外電路的阻抗緩沖，并由該場效應晶體管的引腳L2輸出信號。在兩壓電薄片元件A1與A2的輸出端有一并聯(lián)的高阻值負載電阻RL，以利壓電感應電荷的平衡漏電功能、l/f低頻噪聲的輸導，及電路頻寬選擇。置有兩片的原因乃是為了消除因震動引致的微音效應噪聲(MICROPHONIC NOISE)及因背景熱輻射變化時產(chǎn)生的共模信號(COMMON MODE)。上述元件的組裝須置于一密封的金屬容器內(nèi)，以防止電磁噪聲的干擾所導致的信號噪聲比的降低。如圖5所示，元件＇S＇使用于熱感應系統(tǒng)時，其前方有一復式紅外線透鏡陣列L，將系統(tǒng)視場分割成許多小視場(斜線)，因此，任何移動的發(fā)熱體，例如人的熱波即可交替的成像于兩壓電薄片上而被吸收。造成兩元件交替的升溫與降溫，因而產(chǎn)生差分信號(DIFFERENTIALMODE)輸出，其頻率約在1至10赫間。
圖2及圖3分別顯示目前市面兩種不同的壓電感測元件的結(jié)構(gòu)。其中圖2的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，在一金屬基座101的上先粘置有二條細板狀的絕緣熱片102、103，然后再于其上跨兩片壓電薄片元件A1與A2(如圖1所示)于光學系統(tǒng)聚焦的位置。另外，如圖1所示的其它附加元件，如場效應晶體管JFET與負載電阻RL等，皆必須設定在基座上所附加裝置的一絕緣墊片104上，以防止與金屬基座101的電氣短路。在這些復雜的結(jié)構(gòu)完成之后，接著再實施超聲波焊線步驟，如傳統(tǒng)半導體元件封裝技術(shù)，作必要的電路連接。之后，再以一封蓋106加以焊合密封。封蓋上貼封一鍍多層膜的硅質(zhì)紅光濾光片105，以為6-14微米波長的熱波穿透及其它波段背景光抑制的功能。
圖3所顯示的另一現(xiàn)有壓電感測元件的結(jié)構(gòu)中，更在一陶瓷絕緣熱片107上，設有數(shù)個拱形的焊線環(huán)108，再將壓電薄片元件粘置于各焊線環(huán)108的上端，來獲得懸浮的隔熱結(jié)構(gòu)。
上述兩種現(xiàn)有壓電元件的結(jié)構(gòu)中，皆利用疊置方法以達到懸浮及熱絕緣的目的，此法使得元件的包裝與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變得相當復雜，不利于實施自動化的裝配工作，因而使人工成本居高不下。又因金屬基座的價格較昂貴，占原件材料成本比例相當高(約25％)，且因基座的金屬導電性，使得各元件尚須配置絕緣墊片，這些皆大大地增加了材料制造與加工的成本。
為克服這些不利因素，本申請人前曾創(chuàng)作(臺灣實用新型專利第67174號)如圖4A所示的特殊平面化結(jié)構(gòu)，亦即在一雙面的電路基板201上，形成有特定的電路布局及連接的導電銅箔204，而得以表面粘著技術(shù)配置如圖1的各電路元件。在電路基板201中開設有數(shù)個貫穿孔202，以供電路引腳203貫穿，并事先予以自動化鉚壓固定，使得在裝配工作進行時具有定位的功能，令壓電元件能準確地放置在需要的位置。此創(chuàng)作的結(jié)構(gòu)特點是在位于壓電薄片A1與A2設置的電路基板區(qū)域，預先在電路基板沖斷成形的同時，加以沖壓而形成下陷的凹部205，亦即此凹部205乃陷于電路基板201的平面之下。其側(cè)視的斷面如圖4B所示。當壓電薄片元件A跨于該凹部205區(qū)域的銅箔上時，可形成懸浮式的架構(gòu)，因而具有十分良好的隔熱效果。另一方面，此懸浮式的架構(gòu)使得壓電薄片元件A1與A2，與其它附設的元件皆可布設于同一電路基板平面上，故可利用表面粘著的技術(shù)與設備，一氣呵成地實施自動化的裝配組裝工作。又因電路基板本身的電氣絕緣性，故無需敷以絕緣墊片。另外，因電路基板具有布局連線的功能，故所需的超聲波焊線的數(shù)目可以降低。此外，雙面電路板的另一銅箔面則具有明顯的防止電磁噪聲干擾的優(yōu)點。
如圖4A、4B所示的結(jié)構(gòu)在裝配完成并予測試完成之后，即可藉由夾具將該結(jié)構(gòu)由上而下嵌入一倒置的封蓋外殼內(nèi)。其分解結(jié)構(gòu)如圖4C所示，封蓋206具有一凸緣結(jié)構(gòu)的設計，故封蓋內(nèi)面亦有凸緣形成，當電路基板置入于封蓋內(nèi)時，恰能頂于該凸緣，使壓電元件與蓋于其上的紅外光窗208有固定的相對距離，可達到精確光學聚焦的功用。最后在植入封蓋的電路基板另一面注上環(huán)氧樹脂，加熱固化而達成氣密式封合。上述的封蓋外殼可利用沖壓成型的金屬外殼，亦可利用射出成型的塑膠加以金屬電鍍，而達到電氣及噪聲隔離及防止水分的優(yōu)點。
又電路板201的貫穿孔202亦可不必具有引腳，在如圖4A、B所示的結(jié)構(gòu)裝配完成測試后，將其焊接固定于傳統(tǒng)TO金屬基座的引腳端上而浮于座的基面上。然后再用標準TO金屬封裝設備將具有濾光窗的金屬蓋焊合為完成品，如圖11所示。
綜上所述，此前創(chuàng)作(臺灣專利67174號)具有下列的優(yōu)點1.各元件的粘置皆在于同一電路基板上的平面上，因而加工層次簡易，可利用目前普及的表面粘著設備，施以自動化的裝配工作，達到成本低廉的生產(chǎn)效益；2.預先沖壓的凹部結(jié)構(gòu)，使置于其上的壓電元件無需墊片即可完成懸浮結(jié)構(gòu)，加工層次及材料減少，節(jié)省裝置的成本；3.利用電路基板作為基座，可免除價格昂貴的金屬型基座；4.各元件皆不需絕緣墊片，減少使用的材料及加工；5.電路基板的布局連線功能使加工焊接的連線數(shù)減少。
然后，包括此創(chuàng)作在內(nèi)的各種封裝結(jié)構(gòu)中目前皆有一缺點，即這些熱感測元件的視角不大(通常約110°上下)，否則即有增加濾光材料的成本以及增大體積的不良效果，現(xiàn)詳述其原因如下如圖6所示的，為各種包裝結(jié)構(gòu)的示意幾何圖。由圖6的光線rm1及rm2可看出，在此種幾何下感測裝置的最大視角為圖中的θm，目前的產(chǎn)品通常皆設計約為110°。此種視角在應用上難能涵蓋以墻為界(如圖5所示)的半圓角度，即180°。若要增加視角則有如下兩法第一法是增大濾光片視窗208的尺寸，亦即圖中的W。但此法會使材料成本及封裝體積皆提高，因能透過8至14微米波長熱紅外線的濾光片是利用昂貴的硅晶片，并在其上鍍以數(shù)十層的鍺及硫化鋅多層膜而成，其制作時間相當長，成本十分昂貴。此外，尺寸增大后，使用的金屬基座必須隨著加大，亦增加體積及材料成本。
第二法是減小感測薄片與濾光片間的距離，如圖6標示的H長度。此方法無第一法的缺點。但由于元件的上表面必須施以焊線209，使其與外電路連結(jié)，故至少必須具有某程度的空隙，否則與金屬外殼會有短路的危險。目前現(xiàn)用的110°視角設計幾已將此容許因素用盡，若不使用上述第一法，則增大視角即有困難?？傊?，增加感測視角有不利用元件成本及其體積的缺點。
以上原因說明了為何目前尚無廣角感測元件的產(chǎn)品上市。但在我們已獲準如上曾說明的實用新型專利67174號的特殊結(jié)構(gòu)中，卻允許我們有增大視角的改良機會，而且不增加成本及體積的可行性存在?，F(xiàn)說明如下參看圖4A與B，在我們先前所述的特殊創(chuàng)作構(gòu)造中，基板在兩感測薄片元件下方具有局部凹陷的長方形幾何(圖4A與B的205)。此種凹部原為使元件懸浮而增進隔熱效應的。本發(fā)明的目的即為進一步增加感測元件的視角。
請參考圖7和8A-8C所示，本實用新型的壓電型紅外線熱感測裝置的平坦化包封結(jié)構(gòu)包括一基板301、一具有紅外線窗307的外蓋306和紅外線濾光板308。該基板301上設有一特定形狀的凹陷，此凹陷305是沖壓方式形成于基板301上，熱感測元件A1和A2則設置于該凹陷305上，形成懸浮結(jié)構(gòu)。
該凹陷305的形狀約呈長形，但在其與感測元件A1和A2接觸的側(cè)面上，分別向外形成兩對相對的凹陷延伸305＇，使得凹陷305在凹陷延伸305＇部分上的長度較感測元件A1和A2的長度稍大，而凹陷延伸305＇部分的寬度又較感測元件A1和A2的寬度為小，因此，當感測元件A1和A2架設在凹陷延伸305＇上時，可形成面對面傾斜的狀態(tài)。但感測元件A1和A2仍懸浮于凹陷305上。
如圖8A所示，本實用新型的傾斜但懸浮結(jié)構(gòu)具有下列優(yōu)點一.傾斜放置使兩元件相離的兩外緣(即接近金屬外殼的)往上浮起，因而與濾光片的距離(圖6的H)減小。故如上曾解釋的，此點可增大視角。
二.如圖6示出的傳統(tǒng)水平放置結(jié)構(gòu)，入射光線在感測薄片上的“投影受光量”必須乘以入射角的投影(projection)，即余弦因子(cosα)，因而降低有效的接收光量。在入射角α接近90°時，cosα近于零，故即使傳統(tǒng)方法能增大視角，其大角度的靈敏度也必然降低，有效視角因而不易增大。在本建議的如圖8的結(jié)構(gòu)中，因為薄片傾斜的緣故，使光線對感測元件的入射角即圖8的α＇減小，并小于圖6中的α，因此有效接收光量得以較傳統(tǒng)的大許多。圖9中顯示，我們理論計算在不同傾斜角度所產(chǎn)生的信號的遠場分布強度，可看出傾斜可令大視角信號加強。其中雖然亦必須犧牲少許的小視角信號，但由于移動感測的功能一般皆由大視角的側(cè)面切入(如圖5所示)，故此傾斜結(jié)構(gòu)對檢測效果具有重大的意義。
圖10顯示我們研究的樣品經(jīng)實際測量的結(jié)果白圈為目前市面上某傳統(tǒng)(日本)產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)；黑點數(shù)據(jù)則為發(fā)明人依原創(chuàng)作的結(jié)構(gòu)改良后，令元件傾斜25°時的測量。可以十分明顯地看出，在最高信號的二分之一時，某傳統(tǒng)產(chǎn)品僅具約125°的視角，而本實用新型的結(jié)構(gòu)則具有接近150°的視角；而在最高信號的1/10時，傳統(tǒng)產(chǎn)品僅140°，而本實用新型則高達170°，已接近半圓的角度了。根據(jù)本實用新型的實驗結(jié)果，感熱元件的傾斜角介于5°至45°之間，而以10°至30°的范圍為最佳。
根據(jù)本實用新型，上述電路基板亦可以利用燒結(jié)(sintering)形式具有特殊形狀的凹部區(qū)域，即以具有同樣幾何結(jié)構(gòu)的陶瓷基板在板上網(wǎng)印相同的電氣導線代替之。
以下敘述此傾斜元件結(jié)構(gòu)制作程序的一例1.電路布局及沖槽完成如圖11所示基座板(具引腳203)，其中a、b、c、d四點均含斷層及上下二層銅箔。
2.在放置壓電晶片A1及A2的b、c二點及JFET及負載電阻的e、f、g三點點置銀膠，其中b、c二點銀膠點于基座電路板的PCB斷層處。
3.粘置壓電晶片A1與A2，以及FET晶體管及電阻HR在圖示位置，并烘烤固化。
4.然后在a、d二點上銀膠并烘烤固化，使其斷層上銅箔P1與P2與壓電晶片A1、A2的上面電極導通，此步驟并可避免在斜面焊線的困難。
5.焊線完成必需的連結(jié)電路。
6.將其套入附有經(jīng)外線濾鏡的金屬外殼中，并在背面灌膠并烘烤固化，即完成檢測器的制作，此步驟與我們先前的創(chuàng)作相同。
以下敘述元件結(jié)構(gòu)的另一制例1.電路布局及沖槽完成如圖11所示的基板(不具引腳203)，其中a、b、c、d四點均含斷層及上下二層銅箔。
2.在放置壓電晶片A1及A2的b、c二點及JFET及負載電阻的e、f、g三點點置銀膠，其中b、c二點銀膠點于基座電路板的PCB斷層處。
3.粘置壓電晶片A1及A2，以及FET晶體管及電阻HR在圖示位置，并烘烤固化。
4燃后在a、d二點上銀膠并烘烤固化，使其斷層上銅箔P1與P2與壓電晶片A1、A2的上面電極導通，此步驟并可避免在斜面焊線的困難。
5.焊線完成必需的連結(jié)電路。
6.將基座板201高架于TO金屬座211的引腳，并與貫穿孔202對準，焊接。
7.將金屬蓋206與金屬座封焊為完成品。
由以上的說明可知，本實用新型利用傾斜某種角度的安置方式，來固定感熱薄片元件于基板凹陷的部分，因而得以將我們原先創(chuàng)作的優(yōu)良的平面化封裝結(jié)構(gòu)更加改良延伸，使具有更大的感測視角，但卻不必增加任何的材料成本及體積，此優(yōu)點實具發(fā)明之實。
本實用新型的結(jié)構(gòu)說明是以壓電感測材料制成的壓電紅外線元件為例。事實上，若以任何相似尺寸的熱敏電阻材料薄片元件或其他相似的熱感應功能元件取代，應亦不脫離本實用新型結(jié)構(gòu)的適用性范圍。
權(quán)利要求1.一種壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其中包括一供感熱元件及其相關(guān)電子元件粘著的平面化電路基板以及一封蓋，其特征在于，該電路基板于粘著壓電薄片元件處，預先沖壓形成有一凹部區(qū)域，此凹部區(qū)域下陷于該電路基板的平面之下，使該壓電薄片元件即傾斜跨設于該凹部區(qū)域之間，該傾斜角由該凹部區(qū)域的幾何形狀決定且為懸浮架構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其特征在于，該凹部區(qū)域一端的寬度稍大于壓電感熱薄片元件的寬度，另一端則較壓電感熱薄片元件為小，壓電薄片元件傾斜放置于該凹部區(qū)域上并成懸浮結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其特征在于，感熱元件的傾斜角度介于5°至45°之間，而以10°至30°范圍為最佳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其特征在于，該電路基板設置有數(shù)個供外接的引腳穿置，并予以鉚壓固定的貫穿孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其特征在于，該電路基板為陶瓷板，該陶瓷板具有預先燒結(jié)成形的凹部區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其特征在于，由金屬殼沖模成型，或以塑膠射出成型的封蓋的表面具有金屬電鍍層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其特征在于，該基板懸架于傳統(tǒng)TO金屬座上，基板的外引線的貫孔與金屬座上突出引腳相互對準并焊著，金屬座封焊著具有紅外線窗的金屬蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其特征在于，此壓電型感熱元件亦可以是熱敏電阻材料所制的紅外線感測薄片元件。
專利摘要一種壓電紅外線感熱元件的平面化裝置，其中包括一供感熱元件及其相關(guān)電子元件粘著的平面化電路基板以及一封蓋，其特征在于，該電路基板于粘著壓電薄片元件處，預先沖壓形成有一特殊幾何形狀的凹部區(qū)域，此凹部區(qū)域下陷于該電路基板的平面之下，使該壓電薄片元件即傾斜跨設于該凹部區(qū)域之間，該傾斜角由該凹部區(qū)域的幾何形狀決定且為懸浮架構(gòu)，因而具有使元件的感測視角增大的功能。
文檔編號H01L41/00GK2251172SQ94248690
公開日1997年4月2日 申請日期1994年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月30日
發(fā)明者林三寶, 章國棟, 謝正雄, 王建勛, 翁炳國, 林明德 申請人:光磊科技股份有限公司