CN104991087A - 一种具有片上自标定功能的mems热式风速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有片上自标定功能的MEMS热式风速传感器，通过传感器封装表面的加热元件提供热温差信号代替风洞产生的温差信号，从而避免了传感器测量和标定必须在风洞环境下的问题。该传感器结构封装简单，测试成本极低，且可以在现场进行标定检测，维护方便。

Description

一种具有片上自标定功能的MEMS热式风速传感器

技术领域

本发明涉及一种具有片上自标定功能的MEMS热式风速传感器。

背景技术

风速的准确测量在社会生产生活的多个方面，例如农业生产、交通运输、装备制造、风力发电和天气预测等都有非常重要的作用。例如，在农业生产上，风速大小对植物的播种、花蕊的授粉以及农药的喷洒都有较大的影响；在交通运输中，风速的监测对飞机、高铁等运输工具的安全运行具有重要的意义。但是由于风速的不均匀性十分常见，同一地区两地相隔数百米就可能出现较大风速差异。为了更准确地检测风速，大规模传感网节点的建设以及便携式、低成本的自动气象检测微系统的开发已经势在必行。相比于传统的价格昂贵、体积较大的风杯式、超声式等风速计，基于MEMS工艺的热风速传感器因具有体积小、灵敏度高、价格低等一系列优点，而在环境监测领域得到了更广泛的应用。但是目前的情况下，MEMS热风速传感器的标定需要在环境可控风洞中进行，整个过程持续时间长，能耗高，而且需要设定传感器所处的环境温度，并且每隔一段时间需要人工记录传感器的信号输出值，效率比较低。这些传感器标定过程中的缺点增加了MEMS热风速传感器的测试成本，严重限制了MEMS热风速传感器的应用范围。片上系统是一个微小型系统,其一般包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等硬件完整系统并有嵌入软件的全部内容。片上系统的特征决定了其具有高集成度、高效率、广泛应用场合以及智能化的优点，通过将片上系统技术引入传感器设计和测试领域，可以实现MEMS热风速传感器的片上自标定功能，大大降低MEMS热风速传感器的测试和校准成本。

发明内容

发明目的：针对热风速传感器传统标定过程中的高成本、低效率的特点，本发明提出了一种具有片上自标定功能的微机械热式风速传感器结构。该结构感风表面集成有控温元件，标定时，这些控温元件在传感器表面产生精确的热温差信号，以模拟实际风速导致的传感器表面的热温差，达到代替测量风洞的目的。在此温差激励下，传感器的输出通过和设置的风速进行对比，从而达到标定和检测的功能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有片上自标定功能的MEMS热风速传感器，包括传感器芯片衬底和封装材料，传感器芯片衬底通过导热胶层贴合在封装材料的下表面中心位置，在传感器芯片衬底的下表面中心位置设置有温度发生元件，在传感器芯片衬底的下表面还设置有第一测温传感器和第二测温传感器，第一测温传感器和第二测温传感器相对于温度发生元件左右对称分布；在封装材料的上表面设置有第一加热元件和第二加热元件，第一加热元件和第二加热元件相对于封装材料中心左右对称分布，第一加热元件通过第一导线和第一通孔与封装材料下表面的第一引线焊盘连接，第二加热元件通过第二导线和第二通孔与封装材料下表面的第二引线焊盘连接，第一导线、第一通孔和第一引线焊盘分别与第二导线、第二通孔和第二引线焊盘对称。

优选的，所述导热胶层的厚度小于0.1mm。

优选的，所述温度发生元件、第一测温传感器和第二测温传感器均与传感器芯片衬底接触，且传感器芯片衬底的厚度小于300微米。

优选的，所述封装材料为陶瓷材料。

上述传感器在标定的时候，通过预先对真实环境测量得到的风速和传感器表面温差之间的关系，由精密控制电路控制第一加热元件和第二加热元件，使其产生一个和待标定风速对应的温差，从而在传感器表面建立一个和实际风速导致的一样的温度分布。系统根据第一测温传感器和第二测温传感器的实际输出，就可实现传感器的无测试环境标定和测量。正常测试时，第一加热元件和第二加热元件不工作，不影响传感器的工作性能。

有益效果：本发明提供的具有片上自标定功能的微机械热式风速传感器结构，相对于现有技术，具有如下优势：1、本发明实现了一种具有自标定功能的微机械热式风速传感器，使得该类风速传感器的标定不再需要在传统风洞中进行，整个校准过程持续时间短，效率高，大大降低了热式风速传感器的批量测试成本；2、由于标定系统和传感器集成在一起，不需将传感器从现场环境拆下校准，维护成本极低；3、陶瓷基板的加热元件通过通孔从基板背面引出，封装简单，不影响测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种具有片上自标定功能的MEMS热风速传感器，包括传感器芯片衬底1和封装材料2，传感器芯片衬底1通过导热胶层9贴合在封装材料2的下表面中心位置，在传感器芯片衬底1的下表面中心位置设置有温度发生元件3，在传感器芯片衬底1的下表面还设置有第一测温传感器41和第二测温传感器42，第一测温传感器41和第二测温传感器42相对于温度发生元件3左右对称分布；在封装材料2的上表面设置有第一加热元件51和第二加热元件52，第一加热元件51和第二加热元件52相对于封装材料2中心左右对称分布，第一加热元件51通过第一导线61和第一通孔71与封装材料2下表面的第一引线焊盘81连接，第二加热元件52通过第二导线62和第二通孔72与封装材料2下表面的第二引线焊盘82连接，第一导线61、第一通孔71和第一引线焊盘81分别与第二导线62、第二通孔72和第二引线焊盘82对称。所述导热胶层9的厚度小于0.1mm；所述温度发生元件3、第一测温传感器41和第二测温传感器42均与传感器芯片衬底1接触，且传感器芯片衬底1的厚度小于300微米；所述封装材料2为陶瓷材料。

封装材料2上表面为测量面，正常测量时封装材料2上表面的风造成封装材料2上表面产生温度分布，该温度分布通过封装材料2和传感器芯片衬底1传递到第一测温传感器41和第二测温传感器42，通过计算第一测温传感器41和第二测温传感器42的测量温差可以得到风速的信息。标定时控制电路使第一加热元件51和第二加热元件52产生一个和待标定风速对应的温差，从而在传感器表面建立一个和实际风速导致的一样的温度分布。计算第一测温传感器41和第二测温传感器42的实际温差输出，就可实现传感器的无测试环境标定和测量。

上述传感器的制作过程为：

(1)在封装材料2的下表面采用磁控溅射技术淀积金属钛和金薄膜，然后光刻形成第一引线焊盘81和第二引线焊盘82；

(2)在封装材料2上开孔并采用焊球填充技术制作第一通孔71和第二通孔72；

(3)在封装材料2的上表面采用剥离工艺制作金属铂电阻条作为第一加热元件51和第二加热元件52；

(4)在封装材料2的下表面中心处点导热胶，将预先做好的传感器芯片的上表面和封装材料2通过导热胶紧密粘结，后续做完引线绑定和传感器芯片封胶密封就可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有片上自标定功能的MEMS热式风速传感器，其特征在于：包括传感器芯片衬底(1)和封装材料(2)，传感器芯片衬底(1)通过导热胶层(9)贴合在封装材料(2)的下表面中心位置，在传感器芯片衬底(1)的下表面中心位置设置有温度发生元件(3)，在传感器芯片衬底(1)的下表面还设置有第一测温传感器(41)和第二测温传感器(42)，第一测温传感器(41)和第二测温传感器(42)相对于温度发生元件(3)左右对称分布；在封装材料(2)的上表面设置有第一加热元件(51)和第二加热元件(52)，第一加热元件(51)和第二加热元件(52)相对于封装材料(2)中心左右对称分布，第一加热元件(51)通过第一导线(61)和第一通孔(71)与封装材料(2)下表面的第一引线焊盘(81)连接，第二加热元件(52)通过第二导线(62)和第二通孔(72)与封装材料(2)下表面的第二引线焊盘(82)连接，第一导线(61)、第一通孔(71)和第一引线焊盘(81)分别与第二导线(62)、第二通孔(72)和第二引线焊盘(82)对称。

2.根据权利要求1所述的具有片上自标定功能的MEMS热式风速传感器，其特征在于：所述导热胶层(9)的厚度小于0.1mm。

3.根据权利要求1所述的具有片上自标定功能的MEMS热式风速传感器，其特征在于：所述温度发生元件(3)、第一测温传感器(41)和第二测温传感器(42)均与传感器芯片衬底(1)接触，且传感器芯片衬底(1)的厚度小于300微米。

4.根据权利要求1所述的具有片上自标定功能的MEMS热风速传感器，其特征在于：所述封装材料(2)为陶瓷材料。