CN101329187B - 用于测量多个被测对象的组合传感器系统 - Google Patents

Abstract

用于测量多个被测对象的组合传感器系统，其包括流量换能器、压力换能器和湿度换能器。压力换能器和湿度换能器提供有独立的到被感测的介质的通路且对供给电压比率测量，而流量传感器对通向流动路径的开口敏感。组合传感器系统利用弹性体密封件，弹性体密封件包括构成图案的电传导密封件和非传导密封件。ASIC一般地与组合传感器关联且位于构成图案的电传导基片或用于信号调节的引线框上，以检测被感测的被测对象中的任何一个。换能器可以以分配换能器以优化组合传感器系统的精确性和响应时间的方式布置。

Description

用于测量多个被测对象的组合传感器系统

技术领域

实施例一般地涉及传感器方法和系统。实施例另外涉及用于将多个传感器制造和封装在单一的封装内的方法和系统。实施例也涉及组合传感器。

背景技术

已实施和使用了许多过程和设备来同时测量多于一个被测对象。基于流量或压力换能器的微型MEMS（微机电系统）可以用于测量流量或压力且具有可靠的精确性。这样的基于MEMS的传感器已例如实施在多种独立的感测设备内，例如实施在医疗应用中，它们中的一些使用基于硅的热质量流量或压阻感测技术来测量大范围内的流量和压力。其他多种感测实施例如包括仪器和环境应用。

　MEMS涉及在通用的硅基片上通过使用微制造技术来整合微机械元件、传感器促动器和电子部件。虽然电子器件可以使用集成电路（IC）过程次序（例如，CMOS、Bipolar或BICMOS过程）制造，但微机械部件可以利用兼容的“微加工”过程制造，该微加工过程选择性地蚀刻去硅晶片的部分或添加新的结构层以形成机械和机电设备。

现有技术的换能器的大多数带有已标定或未标定的模拟输出或作为带有小信号输出的换能器而销售，前述的任一情况可能要求由最终使用者在其系统内进行调节和标定。进一步地，由使用者调节的模拟信号必须通过模数转换器，以使输出信号可以被系统处理，该系统可能是基于微控制器的系统。最通常的被测对象是流量、压力、温度和湿度，且来自原始换能器的输出信号典型地是非线性的且作为温度的函数变化。

在一些发送应用中，优选的是将信号调节/信号放大能力整合到传感器内。被认为的是目前没有传感器可有效地且精确地测量多个被测对象。因此，为克服前述缺点，希望的是提供合适的封装方法和/或系统以测量多个被测对象。进一步被认为的是，如果实施这样的传感器，则作为结果的传感器设计可以有助于降低安装和开发成本，同时消除次级操作和缩短设计周期时间。

发明内容

提供了如下总结以便于理解所披露的实施例的独特的新颖的特征的一些，且如下总结不意图于是完全描述。可以通过把完整的说明书、权利要求书、附图和摘要作为整体来获得对实施例的多种方面的完全理解。

因此，本发明的一个方面是提供改进的传感器方法和系统。

本发明的另一个方面是提供用于用来测量多个被测对象的组合传感器的封装。

本发明的另一个方面是提供设计用于测量多个被测对象的组合压力传感器系统的方法。

现在可以如在此所描述而实现前述方面和其他目的和优点。用于测量多个被测对象的组合传感器系统包括流量传感器、压力传感器和湿度传感器。压力传感器和湿度传感器可以具有独立的到介质的通路且对供给电压比率测量，而流量传感器对通向流动路径的开口敏感。组合传感器利用弹性体密封件，其中至少一个密封件是电传导密封件。特定用途集成电路（ASIC）一般地与组合传感器关联，其中ASIC可以放置在构成图案的电传导基片上，例如放置在印刷电路板或基于厚膜的陶瓷上，或引线框上，用于信号调节，以检测流量、压力、湿度或温度。可以布置换能器以优化组合传感器系统的精确性和/或响应时间或对介质的最优通路。

用于测量多个被测对象的组合传感器系统的几何形状包括了包括压阻材料的压力换能硅芯片。MEMS（微机电系统）感测膜一般地与压阻材料关联，其中当压力施加到感测膜上时，感测膜偏转。阻抗电路一般地在感测膜上嵌有一个或多个压阻元件，待检测的压力施加到压阻元件上。到压阻元件的电连接制成为放置在硅芯片的前侧或背侧上的电触点。硅芯片位于传导弹性体密封件和非传导弹性体压力密封件的构成图案的夹层组合之间，从而电连接到硅芯片的表面上的各电触点。非传导弹性体压力密封件在硅芯片的相对面上实现了机械密封。

组合传感器系统也可以包括其他基于硅的换能器，基于硅的换能器可以包括湿度传感器。换能器的此实施例可以以类似以上所述的压力换能硅芯片的方式安装。

传导弹性体密封件和非传导弹性体压力密封件的构成图案的夹层组合可以用于提供从与硅压阻材料关联的阻抗电路到连接到ASIC的构成图案的电传导基片或引线框的电接触。这一般地包括压力换能器的非放大惠斯通电桥输出或放大的电桥输出响应。非传导弹性体压力密封件可以放置在硅芯片的非传导区域上。在每个弹性体密封件上的非传导压力密封件也将提供液体密封，从而允许非常高湿度的介质或液体介质。

附图说明

附图进一步图示了实施例且与详细描述一起用于解释在此披露的实施例，图中相同的参考数字在合并在说明书中且形成了说明书的部分的分开的视图中指示了相同的或功能类似的元件。

图1图示了可以根据优选实施例实施的组合传感器系统的透视图；

图2图示了可以根据替代实施例实施的组合传感器系统的截面A-A；

图3图示了图1至图2中示出的根据优选实施例的压力传感器的细节视图；和

图4图示了操作的高级别流程图，该流程图描绘了根据优选实施例的用于设计组合传感器系统的方法的逻辑操作步骤。

具体实施方式

在这些非限制性例子中论述的特定的值和构造可以变化且仅被引用以例示至少一个实施例且不意图于限制实施例的范围。

图1图示了组合传感器系统100的透视图，该传感器系统100可以根据优选实施例实施。组合传感器100可以测量多个被测对象且包括与质量流芯片130关联的流管180、压力传感器150和湿度传感器160。可以提供一对采样口120和125。压力传感器150和湿度传感器160可以每个具有独立的到介质的通路且对供给电压（未示出）比率测量（ratiometric），而空气流芯片130对于通向流管180的流动路径的开口敏感。

　ASIC 170一般地与组合传感器系统100关联。ASIC 170可以放置在构成图案的电传导基片或引线框190上，用于信号调节，以检测流量、压力、湿度和/或温度。电互连件110可以用于将组合传感器系统100电连接到支持应用。压力传感器150、湿度传感器160和空气流芯片130可以以分配换能器130、150或160以优化组合传感器系统100的精确性和/或响应时间的方式布置。

图2图示了可以根据替代实施例实施的带有流量限制器或皮托管流量采样元件210的组合传感器系统200的截面视图A-A。注意到，在图1至图3中，相同或类似的零件或元件一般地标以相同的参考数字。例如，在图1中描绘的流管180、空气流量换能器130、压力换能器150和湿度换能器160也出现在图2中描述的传感器200的构造中。箭头280指示了空气通过流管180的双向流动，其通过流量限制器或越过例如皮托管210的流量采样元件。在流量限制器210布置在流管180的情况中，在空气流量旁通室140内造成了压力下降。一对采样口120和125一般地在流管180的邻近位置布置。对于皮托管，口120和125将居于210的相对侧上。另一对采样口290和295可以布置在流管180的任何位置处。介质流入到布置在流管180内的采样口290和295内且暴露于压力传感器150和湿度传感器160以用于测量。

用于测量多个被测对象的换能器150和160的几何形状包括压阻材料或对湿度敏感的介电材料（未示出）位于传导弹性体压力密封件230和非传导弹性体压力密封件250以及非传导弹性体压力密封件220和260的构成图案的夹层组合之间。传导弹性体压力密封件230和非传导弹性体压力密封件250的构成图案的夹层组合可以用于将传感器160和150电连接到基片190，该基片190连接到ASIC 170，且用于绕传导连接机械地“密封”以防止短路和泄漏。非传导弹性体密封件220和260可以用于机械地“密封”组合传感器100内的传感器160和150。压力传感器150包括一般地与压阻材料关联的感测膜270，其中当压力施加到感测膜270上时，感测膜270偏转。ASIC 170一般地放置在构成图案的电传导基片或引线框190上，使得ASIC 170内的温度传感器或邻近其他被测对象的其他温度感测机构可以用于温度补偿。压力传感器150和湿度传感器160对供给电压（未示出）比率测量。

图3图示了图1中描绘的可根据优选实施例实施的压力传感器150的细节视图。压力传感器150包括膜270，膜270包括两组埋在薄的化学蚀刻的硅膜270的面内的压敏电阻器310和320。压力导致膜270弯曲，从而引起了膜270和埋藏的电阻器310和320内的应力或应变。电阻器310和320的值与所施加的应力成比例改变且因此产生了电信号。传导弹性体密封件和非传导弹性体压力密封件230的构成图案的夹层组合可以用于提供从与硅压敏电阻器310和320关联的阻抗电路到连接到ASIC 170的构成图案的电传导基片或引线框190的电接触。

这样的构造一般地包括使用压力传感器150的非放大的惠斯通电桥输出或放大的电桥输出响应。硅压敏电阻器310和320可以构造为使用微加工技术制造在单一的单片芯片上的四电阻器惠斯通电桥。非传导弹性体压力密封件260可以放置在背侧上。传导弹性体密封件和非传导弹性体压力密封件230和非传导弹性体压力密封件260的构成图案的夹层组合也提供了液体密封，从而允许了非常高的湿度的介质或液体介质。

图4图示了操作的高级别流程图，该流程图描绘了根据优选实施例的用于设计组合传感器系统的方法400。压力传感器150、流量换能器130、湿度换能器160和ASIC 170可以在基片190上相互分开布置，如在方框410中描绘。然后，如在方框420中指示，例如皮托管210的流量限制器或流量采样元件可以布置在流管180内。流量传感器芯片130可以布置在流管140的感测通道内，如在方框430中示出。然后，如在方框440中描述，压力换能器150和湿度换能器160的感测元件可以夹入基片190上的两个弹性体密封件230、260和220、250之间。

传导弹性体密封件230和250可以构成图案以提供到连接到ASIC 170的构成图案的电传导基片或引线框190的电接触，如在方框450中所描绘。非传导弹性体密封件220和260可以构成图案以提供对换能器160和150的机械密封，如在方框460中图示。非传导弹性体密封件也可以构成图案以提供对传感器壳体的机械密封，如在方框470中图示。

在此描述的组合传感器系统可以在制造和行销上是不昂贵的，且可以包括温度补偿和标定能力，连同介质流过口和真实的“湿”差动感测。当选择了用于表式传感器的端子时，这样的传感器系统在暴露于冻结条件下也可运行。所披露的组合传感器系统也可以提供可交换性、可靠的弹性体构造、基于ASIC的信号调节和数字输出，且可以用于测量真空或正压。

将认识到的是，以上所披露的变化与其其他的特征和功能或替代可以按希望地组合到许多其他的不同的系统或应用。同样，本领域一般技术人员可以随后进行多种目前未预见的或未预料到的替代、修改、变化或改进，它们也意图于由如下的权利要求书所包括。

Claims (12)

1.一种用于测量流动流的多个被测对象的组合传感器系统，其包括：

基片；

构造成使流动流通过其中的邻近所述基片定位的流管；

相互分开布置且相对于所述基片固定的多个换能器元件；以及

所述流管包括多个采样口，其中每个采样口构造成将不同的换能器元件暴露于流动流，以使多个换能器元件能测量流动流的多个被测对象。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统能够提供基于ASIC的信号调节和数字输出。

3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括：

用于将所述换能器元件电连接到所述基片的传导弹性体压力密封件和非传导弹性体压力密封件的构成图案的夹层组合。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述非传导弹性体密封件适合用于机械地密封传感器系统内的所述多个换能器元件。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述的多个换能器包括压力换能器、流量换能器和湿度换能器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个换能器元件包括压力换能器。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个换能器包括温度换能器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个换能器包括流量换能器。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个换能器包括湿度换能器。

10.根据权利要求1的系统，进一步包括：

用于将所述换能器元件电连接到所述基片的传导弹性体压力密封件和非传导弹性体压力密封件的构成图案的夹层组合。

11.根据权利要求1的系统，其中基片是印刷电路板（PCB）。

12.根据权利要求1的系统，其中基片是基于厚膜的陶瓷基片。