CN104089719A - 一种带i2c通信接口的铂电阻温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带I²C通信接口的铂电阻温度传感器及其制备方法，传感器包括半导体衬底和电路层，电路层包括稳压芯片、铂电阻感温电桥、放大器及A/D转换及I²C通信接口；其制备方法的步骤是：首先完成传感器核心部分的制作，即在半导体衬底上完成传感器核心部分电路层的制作，然后对其进行封装检测；本发明铂电阻感温电桥的由三条以铬和硅为主成分的高阻材料制成的定值电阻丝和一条铂电阻丝构成，所有电阻丝都为折线结构；本发明传感器采用芯片级封装，封装形式采用无引脚贴片式；采用MEMS工艺制备，具备集成化、微型化的特点。

Description

一种带I2C通信接口的铂电阻温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于温度检测领域，涉及冷藏运输载具所用的铂电阻温度传感器，尤其是一种采用MEMS工艺制备并带I²C接口的冷藏运输载具用铂电阻温度传感器及其制备方法。

背景技术

农业属于第一产业，农产品的保鲜和加工是农业生产的继续，发达国家均把产后贮藏加工放在农业的首要位置。随着经济全球化水平的提高，冷藏运输业迅猛发展，在农产品冷藏运输过程中，保障鲜活货物的运输安全尤为重要，解决这一问题将带来巨大的经济效益。因此，对冷藏运输载具内环境的高精度监控即保持温度处于适宜货物存储的范围内是保障货物运输安全的关键。

目前，市面上的温度传感器由于在工艺或敏感材料的选用上有一定程度的欠缺，导致温度传感器普遍存在测量精度比较低、加工难度比较大、体积大、灵敏度比较低等问题。现有的大部分铂电阻传感器均采用分立元件搭建的测温电路，这种方式受外界干扰的影响比较大，并且随着集成化电力电子技术的不断发展，采用分立元件搭建测量电路必将被淘汰；同时，随着传感器智能化的不断发展，传统的输出模拟信号的传感器已经越来越不能满足当前电子领域的发展趋势。

金属铂的阻值会随温度变化而变化，而且具有良好的重现性和稳定性。因此，利用金属铂制成铂电阻温度传感器，可以在精度、稳定性方面有很大的提高。目前，铂电阻不仅在工业领域得到广泛应用，而且被制成各种供计量和校准使用的标准温度计。

发明内容

本发明为解决上述现有技术所存在的问题，提供了一种带I²C通信接口的铂电阻温度传感器及其制备方法。

本发明实现目的的技术方案是：

一种带I²C通信接口的铂电阻温度传感器，包括半导体衬底和电路层，所述电路层固装在半导体衬底上，电路层包括稳压芯片、铂电阻感温电桥、放大器及A/D转换及I²C通信接口，所述感温电桥由一条铂电阻丝与三条定值电阻丝构成，放大器与感温电桥之前分别设置有正反馈电阻、负反馈电阻，感温电桥引出电源及接地引脚，感温电桥还引出传感器引脚，传感器I²C接口引出数据线引脚，传感器I²C接口引出时钟线引脚，各个引脚及各部分电路的连接采用导电金属引线。

而且，所述铂电阻温度传感器的封装结构是：传感器封装在壳体的封闭腔体内，导电金属引线将电路层需引出作为传感器引脚的焊点引出，连接到传感器封装内部的引脚焊盘，引脚焊盘从传感器内部延伸到封装外，用于外部电路的焊接；在壳体上均布间隔设置有引脚焊盘，采用无引脚贴片封装形式，包括两个空引脚及电源端VCC引脚、I²C接口的时钟线SCL引脚、I²C接口的数据线SDA引脚及接地端GND引脚。

而且，所述导电金属引线采用金线，半导体衬底采用硅晶片；铂电阻感温电桥由三条以铬和硅为主成分的高阻材料制成的定值电阻丝、一条铂电阻丝构成，所有电阻丝都为折线结构。

一种带I²C通信接口的铂电阻温度传感器的制备方法，首先完成传感器核心部分的制作，即在半导体衬底上完成传感器核心部分电路层的制作，然后对其进行封装检测。

而且，所述传感器核心部分的制作过程是：

⑴在半导体衬底上依次安装稳压芯片裸片、放大器芯片裸片和A/D转换及I²C通信接口芯片裸片，在裸片与裸片之间保留一定的间距，以便在裸片与裸片之间进行布线；

⑵在稳压芯片裸片的一侧溅射铂并光刻腐蚀成一条折线结构的铂电阻丝，在稳压芯片裸片的另一侧并且与该铂电阻丝平行处，以及与该铂电阻丝两端为垂足的垂直处，溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成三条折线结构的定值电阻丝，使铂电阻丝与三条定值电阻丝形成一个以稳压芯片裸片为中心的封闭的正方形电阻丝电桥环路；

⑶用导电金属引线连接铂电阻丝的一端点与稳压芯片裸片的正电压输出脚，同时，用导电金属引线连接该端点的对角点与稳压芯片裸片的接地脚，将感温电桥的剩余两个顶点用导电金属引线向右侧平行引出一段距离，然后在该处溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成两条平行的折线结构的定值电阻丝；

⑷在放大器芯片裸片两侧平行定值电阻丝的方向上分别溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成两条平行的折线结构的定值电阻丝，作为放大器的反馈电阻，再用导电金属引线将前面的平行定值电阻丝分别与这两条反馈电阻丝连接，同时，用导电金属引线将两条反馈电阻丝的另一端与放大器芯片裸片的输出脚相连；

⑸用导电金属引线连接放大器芯片裸片的输出脚与A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的正输入脚，再用导电金属引线将A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的电源输入引脚VDD与稳压芯片的正电压输出脚连接，将A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的接地引脚GND和负输入脚均与稳压芯片的接地脚连接，完成传感器核心部分的制备。

而且，所述传感器的封装过程是：

⑴用导电金属引线引出传感器核心部分电路层稳压芯片裸片的电压输入脚与接地脚以及A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的SDA脚与SCL脚；

⑵将引出脚连接到传感器封装的内侧焊盘上；

⑶用绝缘材料完成对整个带I²C通信接口的铂电阻温度传感器的封装并进行检测。

本发明的优点和积极效果是：

1、本传感器将铂电阻测温电桥采用MEMS工艺集成在一起，可以有效减小传感器体积，同时相对于由分立元件搭建的电桥，该电桥能够有效减少外界干扰对温度测量的影响，从而提高测量的准确度。

2、本传感器将放大器集成在传感器内部，能够有效减少由分立元件搭建电路带来的外界干扰，提高温度传感器的准确度。

3、本传感器采用A/D转换及I²C通信接口，能满足当前电子领域的智能化发展趋势。同时将A/D转换及I²C通信接口集成在传感器内部，有效减少由分立元件搭建电路带来的外界干扰，从而提高温度传感器的准确度。

4、本发明采用MEMS工艺制备，具备集成化、微型化的特点。

附图说明

图1为本发明传感器内部的整体结构图；

图2为本发明传感器的电路层布局图；

图3为本发明传感器的封装结构图；

图4为图3的A-A向截面剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详述，需要说明的是，本实施例是描述性的，而不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种带I²C通信接口的铂电阻温度传感器，参见图1，包括半导体衬底1和电路层6，电路层固装在半导体衬底上，电路层由稳压芯片2、铂电阻感温电桥3、放大器4及A/D转换及I²C通信接口5构成，铂电阻感温电桥与半导体衬底及其他电气元件采用MEMS工艺集成在一起，可以有效减小传感器体积；相对于由分立元件搭建的电桥，该电桥能够有效减少外界干扰对温度测量的影响，保证对温度测量的精度。

所述铂电阻温度传感器电路层的电路结构参见图2，包括稳压芯片、铂电阻感温电桥、放大器及A/D转换及I²C通信接口，其连接时常规连接。所述感温电桥由一条铂电阻丝8与三条定值电阻丝10构成，放大器与感温电桥之前分别设置有正反馈电阻11、负反馈电阻15，传感器接地引脚7和供电电源VCC引脚9，传感器I²C接口引出数据线引脚14，传感器I²C接口引出时钟线引脚13，各个引脚及各部分电路的连接采用导电金属引线12。

所述铂电阻温度传感器的封装结构参见图3、4，传感器封装在壳体17封闭腔体内，导电金属引线将电路层需引出作为传感器引脚的焊点18引出，连接到传感器封装内部的引脚焊盘，引脚焊盘从传感器内部延伸到封装外，用于外部电路的焊接。在壳体上均布间隔设置有引脚焊盘16，本实施例附图中所示为六个引脚焊盘，采用无引脚贴片封装形式，包括两个空引脚(使用时将其悬空即可)及电源端VCC引脚、I²C接口的时钟线SCL引脚、I²C接口的数据线SDA引脚及接地端GND引脚。

导电金属引线可以采用金线，半导体衬底采用硅晶片；铂电阻感温电桥由三条以铬和硅为主成分的高阻材料制成的定值电阻丝、一条铂电阻丝构成，所有电阻丝都为折线结构，可以减小其占用的面积，从而减小传感器的体积。

本发明的制作过程为：

首先完成传感器核心部分的制作，即在半导体衬底上完成传感器核心部分电路层的制作，然后对其进行封装检测。

1、传感器核心部分的制作过程：

⑴在半导体衬底上依次安装稳压芯片裸片、放大器芯片裸片和A/D转换及I²C通信接口芯片裸片，注意在裸片与裸片之间需保留一定的间距，以便在裸片与裸片之间进行布线；

⑵在稳压芯片裸片的一侧溅射铂并光刻腐蚀成一条折线结构的铂电阻丝，在稳压芯片裸片的另一侧并且与该铂电阻丝平行处，以及与该铂电阻丝两端为垂足的垂直处，溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成三条折线结构的定值电阻丝，使铂电阻丝与三条定值电阻丝形成一个以稳压芯片裸片为中心的封闭的正方形电阻丝电桥环路；

⑶用导电金属引线连接铂电阻丝的一端点与稳压芯片裸片的正电压输出脚，同时，用导电金属引线连接该端点的对角点与稳压芯片裸片的接地脚，将电桥的剩余两个顶点用导电金属引线向右侧平行引出一段距离，然后在该处溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成两条平行的折线结构的定值电阻丝；

⑷在放大器芯片裸片两侧平行定值电阻丝的方向上分别溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成两条平行的折线结构的定值电阻丝，作为放大器的反馈电阻，再用导电金属引线将前面的平行定值电阻丝分别与这两条反馈电阻丝连接，同时，用导电金属引线将两条反馈电阻丝的另一端与放大器芯片裸片的输出脚相连；

⑸用导电金属引线连接放大器芯片裸片的输出脚与A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的正输入脚，再用导电金属引线将A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的电源输入引脚VDD与稳压芯片的正电压输出脚连接，将A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的接地引脚GND和负输入脚均与稳压芯片的接地脚连接，完成传感器核心部分的制备。

2、传感器的封装过程：

⑴用导电金属引线引出传感器核心部分电路层稳压芯片裸片的电压输入脚与接地脚以及A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的SDA脚与SCL脚；

⑵将引出脚连接到传感器封装的内侧焊盘上；

⑶用绝缘材料完成对整个带I²C通信接口的铂电阻温度传感器的封装并进行检测。

传感器工作时，由于环境温度的变化，铂电阻丝的阻值发生变化，导致铂电阻感温电桥输出的电压发生变化，该电桥输出电压经过放大及调理，由A/D转换器转换为数字信号，并且经过I²C接口后以I²C方式进行通信。使用时将该传感器与微处理器直接相连即可，相对于分立元件搭建测温电路，该集成传感器在抗干扰能力和保证检测精度上有明显改善。

Claims (6)

1.一种带I²C通信接口的铂电阻温度传感器，包括半导体衬底和电路层，其特征在于：所述电路层固装在半导体衬底上，电路层包括稳压芯片、铂电阻感温电桥、放大器及A/D转换及I²C通信接口，所述感温电桥由一条铂电阻丝与三条定值电阻丝构成，放大器与感温电桥之前分别设置有正反馈电阻、负反馈电阻，感温电桥引出电源及接地引脚，感温电桥还引出传感器引脚，传感器I²C接口引出数据线引脚，传感器I²C接口引出时钟线引脚，各个引脚及各部分电路的连接采用导电金属引线。

2.根据权利要求1所述的带I²C通信接口的铂电阻温度传感器，其特征在于：所述铂电阻温度传感器的封装结构是：传感器封装在壳体的封闭腔体内，导电金属引线将电路层需引出作为传感器引脚的焊点引出，连接到传感器封装内部的引脚焊盘，引脚焊盘从传感器内部延伸到封装外，用于外部电路的焊接；在壳体上均布间隔设置有引脚焊盘，采用无引脚贴片封装形式，包括两个空引脚及电源端VCC引脚、I²C接口的时钟线SCL引脚、I²C接口的数据线SDA引脚及接地端GND引脚。

3.根据权利要求1所述的带I²C通信接口的铂电阻温度传感器，其特征在于：所述导电金属引线采用金线，半导体衬底采用硅晶片；铂电阻感温电桥由三条以铬和硅为主成分的高阻材料制成的定值电阻丝、一条铂电阻丝构成，所有电阻丝都为折线结构。

4.一种如权利要求1所述的带I²C通信接口的铂电阻温度传感器的制备方法，其特征在于：首先完成传感器核心部分的制作，即在半导体衬底上完成传感器核心部分电路层的制作，然后对其进行封装检测。

5.根据权利要求4所述的所述带I²C通信接口的铂电阻温度传感器的制备方法，其特征在于：所述传感器核心部分的制作过程是：

⑴在半导体衬底上依次安装稳压芯片裸片、放大器芯片裸片和A/D转换及I²C通信接口芯片裸片，在裸片与裸片之间保留一定的间距，以便在裸片与裸片之间进行布线；

⑵在稳压芯片裸片的一侧溅射铂并光刻腐蚀成一条折线结构的铂电阻丝，在稳压芯片裸片的另一侧并且与该铂电阻丝平行处，以及与该铂电阻丝两端为垂足的垂直处，溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成三条折线结构的定值电阻丝，使铂电阻丝与三条定值电阻丝形成一个以稳压芯片裸片为中心的封闭的正方形电阻丝电桥环路；

⑶用导电金属引线连接铂电阻丝的一端点与稳压芯片裸片的正电压输出脚，同时，用导电金属引线连接该端点的对角点与稳压芯片裸片的接地脚，将感温电桥的剩余两个顶点用导电金属引线向右侧平行引出一段距离，然后在该处溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成两条平行的折线结构的定值电阻丝；

⑷在放大器芯片裸片两侧平行定值电阻丝的方向上分别溅射以铬和硅为主成分的高阻材料，并分别光刻腐蚀成两条平行的折线结构的定值电阻丝，作为放大器的反馈电阻，再用导电金属引线将前面的平行定值电阻丝分别与这两条反馈电阻丝连接，同时，用导电金属引线将两条反馈电阻丝的另一端与放大器芯片裸片的输出脚相连；

⑸用导电金属引线连接放大器芯片裸片的输出脚与A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的正输入脚，再用导电金属引线将A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的电源输入引脚VDD与稳压芯片的正电压输出脚连接，将A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的接地引脚GND和负输入脚均与稳压芯片的接地脚连接，完成传感器核心部分的制备。

6.根据权利要求4所述的所述带I²C通信接口的铂电阻温度传感器的制备方法，其特征在于：所述传感器的封装过程是：

⑴用导电金属引线引出传感器核心部分电路层稳压芯片裸片的电压输入脚与接地脚以及A/D转换及I²C通信接口芯片裸片的SDA脚与SCL脚；

⑵将引出脚连接到传感器封装的内侧焊盘上；

⑶用绝缘材料完成对整个带I²C通信接口的铂电阻温度传感器的封装并进行检测。