专利名称：压电型红外线感热元件的平面化装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种改良的具有较大的感测视角的压电型红外线感热元件的平面化装置。
近年来，感热式的安全监视系统十分普及，此种系统的精粹乃在于一种压电型红外线感热元件得以制成的结果。此压电型红外线感热元件的动作原理，主要是对一逼近的人或其他热源所辐射的红外线热波予以反应，而产生一相对应的电信号，再经一般的放大电路予以放大，因而得以作预警或触发的功能并达到保安的目的。此种压电型红外线感热元件具有下列各项优点1.压电效应本身具有对时间微分的功能，故可将静止的背景热源自动消除(BACKGROUND SUPRESSION)，产生仅具动态感测的效应，并同时简化了信号处理程序；2.压电为自发性，故不需附加偏压，可免除偏压噪声；3.元件制作技术简易，如同一般陶瓷电容的制成技术，仅在其上布施电极与黑体膜蒸镀即可，因而成本低。
上述的优点使得廉宜且可常温运作的非接触型辐射感温元件变为可行，近年来并普及使用于一般家庭的防盗、防火的保安系统，以及省能源的灯控感测装置。因此，压电型远红外线(PIR)感热元件的制作深受先进工业国家的重视。
一般在感热元件制作时，必须使该元件尽量薄，以减少其热容值(HEAT CAPACITY)；同时更须要达成悬浮的结构，降低其热损耗(HEAT LOSS)，亦即增加热阻抗(THERMAL IMPEDANCE)。因此，元件在吸收定量的热能时可产生较高的温升，亦即较热反应率(THERMAL RESPONSIVITY)，进而有较大的压电反应性。这种薄而悬浮的必要条件使得装配任何感热元件时，所须的粘着技术变得相当复杂，在制作压电感热元件时亦不例外。总之，目前在制作辐射感热元件时，其复杂的结构与装置尚有许多待改进之处。
如美国专利第4,984,046号案之内容，其感测元件系如一形结构，设置于一基板上，然而这种结构而端仍固定于基座上，使其热容量及热损耗仍不能有效降低，故其感测范围有一定的限制。
本实用新型的目的是提供一种改良的具有较大视角的压电型红外线感热元件的平面化装置。
本实用新型的压电红外线感热元件的平面化装置，其中包括一供感热元件及其相关电子元件粘着的平面化电路基板以及一封盖，其特征在于，该电路基板于粘着压电薄片元件处，预先冲压形成有一特殊几何形状的凹部区域，此凹部区域下陷于该电路基板的平面之下，使该压电薄片元件即倾斜跨设于该凹部区域之间，该倾斜角由该凹部区域的几何形状决定且为悬浮架构。
本实用新型的压电红外线感热元件的平面化装置，由于两个热感元件相互倾斜面对而悬浮固定，因而具有使元件的感测视角增大的功能。
现参照附图，将压电感测元件的原理，现有压电感测元件的结构，本公司前曾获得的专利(台湾实用新型第67174号)的特殊结构，以及本实用新型的结构作一详细说明，其中
图1显示双片式的压电感测元件的并联式等值电路图；图2显示一现有的压电感测元件的结构；图3和3A显示另一现有的压电感测元件的结构；图4A显示本公司前创作的以电路板为基座的悬浮架构；
图4B为图4A中悬浮架构的侧视断面图；图4C显示图4A的立体结构分解图；图5所示为红外线透镜阵列将视场分割图；图6显示各种现有包装结构的一般示意几何，A为侧剖面图，B为俯视图；图7所示为本实用新型的压电热感元件的结构分解图；图8A显示为如图7所示的压电感测元件的包装结构示意侧剖视图；图8B为一俯视图，其显示压电感测元件与图8A结构的基座的连接方式；图8C显示由图8A的C-C＇线观看的侧剖面图，其中可看出感测元件的A1和A2是倾斜地悬设于PCB上；图9显示感测薄片在不同倾斜角下，理论计算的信号强度的远场分布；图10显示实测时信号强度的远场分析(压电薄片倾斜25°)；和图11所示为本实用新型的压电热感元件的结构俯视图。
图1显示了双片式压电感测元件的等值电路(虚线框内)，其中压电元件A1和A2可为钽酸锂(LiTaO)或锆钛酸铅(PZT)、二氟聚乙烯(PVF2)或硫酸三甘氨酸(TGS)等具有压电性的材料薄片，其两面镀有电极，其中接受热辐射的上表面并敷以黑体膜以增加元件的吸热效果。两感测元件薄片的极化方向互为相反如箭头所示，一向上另一则向下。热感应的静电荷或电压输至一具有高输入阻抗的场效应晶体管(JFET)，以作电荷电压与外电路的阻抗缓冲，并由该场效应晶体管的引脚L2输出信号。在两压电薄片元件A1与A2的输出端有一并联的高阻值负载电阻RL，以利压电感应电荷的平衡漏电功能、l/f低频噪声的输导，及电路频宽选择。置有两片的原因乃是为了消除因震动引致的微音效应噪声(MICROPHONIC NOISE)及因背景热辐射变化时产生的共模信号(COMMON MODE)。上述元件的组装须置于一密封的金属容器内，以防止电磁噪声的干扰所导致的信号噪声比的降低。如图5所示，元件＇S＇使用于热感应系统时，其前方有一复式红外线透镜阵列L，将系统视场分割成许多小视场(斜线)，因此，任何移动的发热体，例如人的热波即可交替的成像于两压电薄片上而被吸收。造成两元件交替的升温与降温，因而产生差分信号(DIFFERENTIALMODE)输出，其频率约在1至10赫间。
图2及图3分别显示目前市面两种不同的压电感测元件的结构。其中图2的现有结构中，在一金属基座101的上先粘置有二条细板状的绝缘热片102、103，然后再于其上跨两片压电薄片元件A1与A2(如图1所示)于光学系统聚焦的位置。另外，如图1所示的其它附加元件，如场效应晶体管JFET与负载电阻RL等，皆必须设定在基座上所附加装置的一绝缘垫片104上，以防止与金属基座101的电气短路。在这些复杂的结构完成之后，接着再实施超声波焊线步骤，如传统半导体元件封装技术，作必要的电路连接。之后，再以一封盖106加以焊合密封。封盖上贴封一镀多层膜的硅质红光滤光片105，以为6-14微米波长的热波穿透及其它波段背景光抑制的功能。
图3所显示的另一现有压电感测元件的结构中，更在一陶瓷绝缘热片107上，设有数个拱形的焊线环108，再将压电薄片元件粘置于各焊线环108的上端，来获得悬浮的隔热结构。
上述两种现有压电元件的结构中，皆利用叠置方法以达到悬浮及热绝缘的目的，此法使得元件的包装与产品结构变得相当复杂，不利于实施自动化的装配工作，因而使人工成本居高不下。又因金属基座的价格较昂贵，占原件材料成本比例相当高(约25％)，且因基座的金属导电性，使得各元件尚须配置绝缘垫片，这些皆大大地增加了材料制造与加工的成本。
为克服这些不利因素，本申请人前曾创作(台湾实用新型专利第67174号)如图4A所示的特殊平面化结构，亦即在一双面的电路基板201上，形成有特定的电路布局及连接的导电铜箔204，而得以表面粘着技术配置如图1的各电路元件。在电路基板201中开设有数个贯穿孔202，以供电路引脚203贯穿，并事先予以自动化铆压固定，使得在装配工作进行时具有定位的功能，令压电元件能准确地放置在需要的位置。此创作的结构特点是在位于压电薄片A1与A2设置的电路基板区域，预先在电路基板冲断成形的同时，加以冲压而形成下陷的凹部205，亦即此凹部205乃陷于电路基板201的平面之下。其侧视的断面如图4B所示。当压电薄片元件A跨于该凹部205区域的铜箔上时，可形成悬浮式的架构，因而具有十分良好的隔热效果。另一方面，此悬浮式的架构使得压电薄片元件A1与A2，与其它附设的元件皆可布设于同一电路基板平面上，故可利用表面粘着的技术与设备，一气呵成地实施自动化的装配组装工作。又因电路基板本身的电气绝缘性，故无需敷以绝缘垫片。另外，因电路基板具有布局连线的功能，故所需的超声波焊线的数目可以降低。此外，双面电路板的另一铜箔面则具有明显的防止电磁噪声干扰的优点。
如图4A、4B所示的结构在装配完成并予测试完成之后，即可藉由夹具将该结构由上而下嵌入一倒置的封盖外壳内。其分解结构如图4C所示，封盖206具有一凸缘结构的设计，故封盖内面亦有凸缘形成，当电路基板置入于封盖内时，恰能顶于该凸缘，使压电元件与盖于其上的红外光窗208有固定的相对距离，可达到精确光学聚焦的功用。最后在植入封盖的电路基板另一面注上环氧树脂，加热固化而达成气密式封合。上述的封盖外壳可利用冲压成型的金属外壳，亦可利用射出成型的塑胶加以金属电镀，而达到电气及噪声隔离及防止水分的优点。
又电路板201的贯穿孔202亦可不必具有引脚，在如图4A、B所示的结构装配完成测试后，将其焊接固定于传统TO金属基座的引脚端上而浮于座的基面上。然后再用标准TO金属封装设备将具有滤光窗的金属盖焊合为完成品，如图11所示。
综上所述，此前创作(台湾专利67174号)具有下列的优点1.各元件的粘置皆在于同一电路基板上的平面上，因而加工层次简易，可利用目前普及的表面粘着设备，施以自动化的装配工作，达到成本低廉的生产效益；2.预先冲压的凹部结构，使置于其上的压电元件无需垫片即可完成悬浮结构，加工层次及材料减少，节省装置的成本；3.利用电路基板作为基座，可免除价格昂贵的金属型基座；4.各元件皆不需绝缘垫片，减少使用的材料及加工；5.电路基板的布局连线功能使加工焊接的连线数减少。
然后，包括此创作在内的各种封装结构中目前皆有一缺点，即这些热感测元件的视角不大(通常约110°上下)，否则即有增加滤光材料的成本以及增大体积的不良效果，现详述其原因如下如图6所示的，为各种包装结构的示意几何图。由图6的光线rm1及rm2可看出，在此种几何下感测装置的最大视角为图中的θm，目前的产品通常皆设计约为110°。此种视角在应用上难能涵盖以墙为界(如图5所示)的半圆角度，即180°。若要增加视角则有如下两法第一法是增大滤光片视窗208的尺寸，亦即图中的W。但此法会使材料成本及封装体积皆提高，因能透过8至14微米波长热红外线的滤光片是利用昂贵的硅晶片，并在其上镀以数十层的锗及硫化锌多层膜而成，其制作时间相当长，成本十分昂贵。此外，尺寸增大后，使用的金属基座必须随着加大，亦增加体积及材料成本。
第二法是减小感测薄片与滤光片间的距离，如图6标示的H长度。此方法无第一法的缺点。但由于元件的上表面必须施以焊线209，使其与外电路连结，故至少必须具有某程度的空隙，否则与金属外壳会有短路的危险。目前现用的110°视角设计几已将此容许因素用尽，若不使用上述第一法，则增大视角即有困难。总之，增加感测视角有不利用元件成本及其体积的缺点。
以上原因说明了为何目前尚无广角感测元件的产品上市。但在我们已获准如上曾说明的实用新型专利67174号的特殊结构中，却允许我们有增大视角的改良机会，而且不增加成本及体积的可行性存在。现说明如下参看图4A与B，在我们先前所述的特殊创作构造中，基板在两感测薄片元件下方具有局部凹陷的长方形几何(图4A与B的205)。此种凹部原为使元件悬浮而增进隔热效应的。本发明的目的即为进一步增加感测元件的视角。
请参考图7和8A-8C所示，本实用新型的压电型红外线热感测装置的平坦化包封结构包括一基板301、一具有红外线窗307的外盖306和红外线滤光板308。该基板301上设有一特定形状的凹陷，此凹陷305是冲压方式形成于基板301上，热感测元件A1和A2则设置于该凹陷305上，形成悬浮结构。
该凹陷305的形状约呈长形，但在其与感测元件A1和A2接触的侧面上，分别向外形成两对相对的凹陷延伸305＇，使得凹陷305在凹陷延伸305＇部分上的长度较感测元件A1和A2的长度稍大，而凹陷延伸305＇部分的宽度又较感测元件A1和A2的宽度为小，因此，当感测元件A1和A2架设在凹陷延伸305＇上时，可形成面对面倾斜的状态。但感测元件A1和A2仍悬浮于凹陷305上。
如图8A所示，本实用新型的倾斜但悬浮结构具有下列优点一.倾斜放置使两元件相离的两外缘(即接近金属外壳的)往上浮起，因而与滤光片的距离(图6的H)减小。故如上曾解释的，此点可增大视角。
二.如图6示出的传统水平放置结构，入射光线在感测薄片上的“投影受光量”必须乘以入射角的投影(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°时，cosα近于零，故即使传统方法能增大视角，其大角度的灵敏度也必然降低，有效视角因而不易增大。在本建议的如图8的结构中，因为薄片倾斜的缘故，使光线对感测元件的入射角即图8的α＇减小，并小于图6中的α，因此有效接收光量得以较传统的大许多。图9中显示，我们理论计算在不同倾斜角度所产生的信号的远场分布强度，可看出倾斜可令大视角信号加强。其中虽然亦必须牺牲少许的小视角信号，但由于移动感测的功能一般皆由大视角的侧面切入(如图5所示)，故此倾斜结构对检测效果具有重大的意义。
图10显示我们研究的样品经实际测量的结果白圈为目前市面上某传统(日本)产品的测量数据；黑点数据则为发明人依原创作的结构改良后，令元件倾斜25°时的测量。可以十分明显地看出，在最高信号的二分之一时，某传统产品仅具约125°的视角，而本实用新型的结构则具有接近150°的视角；而在最高信号的1/10时，传统产品仅140°，而本实用新型则高达170°，已接近半圆的角度了。根据本实用新型的实验结果，感热元件的倾斜角介于5°至45°之间，而以10°至30°的范围为最佳。
根据本实用新型，上述电路基板亦可以利用烧结(sintering)形式具有特殊形状的凹部区域，即以具有同样几何结构的陶瓷基板在板上网印相同的电气导线代替之。
以下叙述此倾斜元件结构制作程序的一例1.电路布局及冲槽完成如图11所示基座板(具引脚203)，其中a、b、c、d四点均含断层及上下二层铜箔。
2.在放置压电晶片A1及A2的b、c二点及JFET及负载电阻的e、f、g三点点置银胶，其中b、c二点银胶点于基座电路板的PCB断层处。
3.粘置压电晶片A1与A2，以及FET晶体管及电阻HR在图示位置，并烘烤固化。
4.然后在a、d二点上银胶并烘烤固化，使其断层上铜箔P1与P2与压电晶片A1、A2的上面电极导通，此步骤并可避免在斜面焊线的困难。
5.焊线完成必需的连结电路。
6.将其套入附有经外线滤镜的金属外壳中，并在背面灌胶并烘烤固化，即完成检测器的制作，此步骤与我们先前的创作相同。
以下叙述元件结构的另一制例1.电路布局及冲槽完成如图11所示的基板(不具引脚203)，其中a、b、c、d四点均含断层及上下二层铜箔。
2.在放置压电晶片A1及A2的b、c二点及JFET及负载电阻的e、f、g三点点置银胶，其中b、c二点银胶点于基座电路板的PCB断层处。
3.粘置压电晶片A1及A2，以及FET晶体管及电阻HR在图示位置，并烘烤固化。
4燃后在a、d二点上银胶并烘烤固化，使其断层上铜箔P1与P2与压电晶片A1、A2的上面电极导通，此步骤并可避免在斜面焊线的困难。
5.焊线完成必需的连结电路。
6.将基座板201高架于TO金属座211的引脚，并与贯穿孔202对准，焊接。
7.将金属盖206与金属座封焊为完成品。
由以上的说明可知，本实用新型利用倾斜某种角度的安置方式，来固定感热薄片元件于基板凹陷的部分，因而得以将我们原先创作的优良的平面化封装结构更加改良延伸，使具有更大的感测视角，但却不必增加任何的材料成本及体积，此优点实具发明之实。
本实用新型的结构说明是以压电感测材料制成的压电红外线元件为例。事实上，若以任何相似尺寸的热敏电阻材料薄片元件或其他相似的热感应功能元件取代，应亦不脱离本实用新型结构的适用性范围。
权利要求1.一种压电红外线感热元件的平面化装置，其中包括一供感热元件及其相关电子元件粘着的平面化电路基板以及一封盖，其特征在于，该电路基板于粘着压电薄片元件处，预先冲压形成有一凹部区域，此凹部区域下陷于该电路基板的平面之下，使该压电薄片元件即倾斜跨设于该凹部区域之间，该倾斜角由该凹部区域的几何形状决定且为悬浮架构。
2.根据权利要求1所述的压电红外线感热元件的平面化装置，其特征在于，该凹部区域一端的宽度稍大于压电感热薄片元件的宽度，另一端则较压电感热薄片元件为小，压电薄片元件倾斜放置于该凹部区域上并成悬浮结构。
3.根据权利要求2所述的压电红外线感热元件的平面化装置，其特征在于，感热元件的倾斜角度介于5°至45°之间，而以10°至30°范围为最佳。
4.根据权利要求1所述的压电红外线感热元件的平面化装置，其特征在于，该电路基板设置有数个供外接的引脚穿置，并予以铆压固定的贯穿孔。
5.根据权利要求1所述的压电红外线感热元件的平面化装置，其特征在于，该电路基板为陶瓷板，该陶瓷板具有预先烧结成形的凹部区域。
6.根据权利要求1所述的压电红外线感热元件的平面化装置，其特征在于，由金属壳冲模成型，或以塑胶射出成型的封盖的表面具有金属电镀层。
7.根据权利要求1所述的压电红外线感热元件的平面化装置，其特征在于，该基板悬架于传统TO金属座上，基板的外引线的贯孔与金属座上突出引脚相互对准并焊着，金属座封焊着具有红外线窗的金属盖。
8.根据权利要求1所述的压电红外线感热元件的平面化装置，其特征在于，此压电型感热元件亦可以是热敏电阻材料所制的红外线感测薄片元件。
专利摘要一种压电红外线感热元件的平面化装置，其中包括一供感热元件及其相关电子元件粘着的平面化电路基板以及一封盖，其特征在于，该电路基板于粘着压电薄片元件处，预先冲压形成有一特殊几何形状的凹部区域，此凹部区域下陷于该电路基板的平面之下，使该压电薄片元件即倾斜跨设于该凹部区域之间，该倾斜角由该凹部区域的几何形状决定且为悬浮架构，因而具有使元件的感测视角增大的功能。
文档编号H01L41/00GK2251172SQ94248690
公开日1997年4月2日 申请日期1994年12月30日 优先权日1994年12月30日
发明者林三宝, 章国栋, 谢正雄, 王建勋, 翁炳国, 林明德 申请人:光磊科技股份有限公司