CN105842476B - 用于风速计的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于风速计的系统和方法。根据实施例，一种用于测量风速的方法包括在被布置在壳体内并被遮挡以避风的第一压力传感器处测量大气压力，在被布置在壳体中的开口处的第二压力传感器处测量空气压力，并且基于测量大气压力和空气压力确定壳体中的开口处的风速。

Description

用于风速计的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及电子器件，而且在特定实施例中涉及一种用于风速计的系统和方法。
背景技术
将信号从一个域转换到另一个域的换能器经常用于传感器中。包括换能器的普通传感器是压力传感器，其将压力差和/或压力变化转化成电信号。压力传感器具有许多应用，包括例如大气压力传感、高度传感和气象监控。
基于微机电系统(MEMS)的传感器包括使用微机械技术制造的一系列换能器。MEMS，例如MEMS压力传感器，通过测量换能器中的物理状态的变化并传递该信号以由连接至MEMS传感器的电子器件处理，从而从环境收集信息。MEMS器件可以使用类似于那些用于集成电路的微机械技术制造。
例如，MEMS器件可以被设计为用作振荡器、谐振器、加速计、陀螺仪、压力传感器、麦克风和/或微镜。许多MEMS器件使用电容传感技术，用于将物理现象转化为电信号。在这样的应用中，使用接口电路将传感器中的电容变化转变为电压信号。
压力传感器还可以实施为电容性MEMS器件，其包括密闭容积和可偏转隔膜。密闭容积和外部容积之间的压力差，在例如周边环境的某些情况下，引起隔膜偏转。通常，隔膜的偏转引起隔膜和感测电极之间的距离变化，从而改变电容。
发明内容
根据一实施例，测量风速的方法包括在被布置在壳体内并被遮挡以避风的第一压力传感器处测量大气压力，在被布置在壳体中的开口处的第二压力传感器处测量空气压力，并且基于测量大气压力和空气压力确定壳体中的开口处的风速。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下的描述，其中：
图1示出了实施例的感测器件的系统方框图；
图2a和图2b示出了实施例的感测器件的示意图；
图3示出了实施例的感测器件在操作中的风速测量图；
图4示出了另一实施例的感测器件的系统方框图；
图5a和图5b示出了实施例的传感器封装体的截面图和顶视图；
图6示出了另一实施例的传感器封装体的顶视图；
图7示出了实施例的感测器件的操作方法的方框图；
图8示出了实施例的处理系统的系统方框图；
图9示出了MEMS压力换能器的截面；
图10示出了另外的MEMS压力换能器的截面；
图11示出了另外的MEMS压力换能器的截面；
图12示出了另外的MEMS压力换能器的截面；
图13a至图13r示出了另外的MEMS压力换能器的制造工艺流程的截面；以及
图14示出了压力传感器的接口电路的详细方框图。
在不同图中的对应数字和符号通常表示对应的部件，除非另有说明。图中很清楚地示出了实施例的有关方面，并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细讨论各个实施例的制造和使用。然而，应当理解，此处所述的各个实施例适用于各种特定上下文。讨论的详细实施例仅示例性说明具体办法来制造并使用各个实施例，并且不应该理解为限定范围。
在特定上下文中描述了各个实施例，即压力换能器，而且更具体地是MEMS压力换能器。此处所述的各个实施例中的一些包括MEMS换能器系统、MEMS压力换能器、包括MEMS压力换能器的传感器封装体、包括传感器封装体的电子器件、以及用于测量风速的传感器封装体配置。在其他实施例中，这些方面还可以应用到其他应用中，包括本领域已知的任何样式的任何类型的换能器或电子器件。
根据此处所述的各个实施例，风速计是通过使用MEMS压力传感器实施的。通常，风速计是使用毕托管或风力涡轮机实施的。此器件在特定环境下可能是昂贵的或庞大的。因此，各个实施例包括使用小MEMS压力传感器实施的风速计。在这样的实施例中，第一MEMS压力传感器布置在电子器件内，第二MEMS压力传感器布置在电子器件中的空气或压力端口处。第一MEMS压力传感器被遮挡以避风并被用于测量大气压力，而第二MEMS压力传感器暴露于穿过电子器件中的端口的风中，并被用于测量来自风的空气压力。在各个实施例中，使用这两种压力测量，可以确定由风引起的压力，而且可以计算引起压力的风速。在这些实施例中，第一MEMS压力传感器可以被称为与电子器件中的端口的间接流体连通，而第二MEMS压力传感器可以被称为与电子器件中的端口直接流体连通。在各个实施例中，可以包括另外的MEMS压力传感器，以确定除风速之外的风向。下文中描述了各个详细实施例。
图1示出了实施例的感测器件100的系统方框图，包括压力传感器102、压力传感器104、集成电路(IC)106以及在壳体110内的应用处理器108，壳体110包括端口112。根据各个实施例，感测器件100可以是任意类型的电子器件，其包括通过压力传感器102和压力传感器104实施的风速计。压力传感器102可以暴露在风中，其穿过端口112在壳体110的外部。在这样的实施例中，压力传感器102与端口112直接流体连通，如由直接耦合103的实线所示。压力传感器104通过被布置在壳体110内而可以被遮挡以避风。在这样的实施例中，压力传感器104与端口112间接流体连通，如由间接耦合105的虚线所示。在各个实施例中，压力传感器104在被遮挡以避风的同时测量大气压力，压力传感器102在不被遮挡以避风的同时测量在端口112处由风所引起的空气压力。壳体110可以是器件封装体或结构。例如，在一个实施例中，壳体110是用于移动电话的外壳。
在各个实施例中，IC 106从压力传感器102接收风压信号Pwind并从压力传感器104接收大气压力信号Patm。风压信号Pwind和大气压力信号Patm可以分别是由压力传感器102和104中的MEMS压力换能器产生的经换能的电信号。IC 106接收风压信号Pwind和大气压力信号Patm，放大这些信号，并通过I/O总线114将经放大的信号提供至应用处理器108。基于通过I/O总线114从IC 106接收的经放大的信号，应用处理器108确定端口112处的风速。在其他实施例中，压力传感器102和压力传感器104可以耦合到分离的IC，分离的IC耦合到应用处理器108。在这样的实施例中，IC 106被分成两个IC(未示出)。
在各个实施例中，IC 106可包括用于各个实施例的各个电路。下面参照图14描述一个示例性实施例。此外，应用处理器108可以实施为感测器件100中的通用处理器或专用处理器。例如，在各个实施例中应用处理器108可以实施为传感器专用处理单元、通用中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)。在各个实施例中，感测器件100可以是任意类型的电子器件，例如户外电子器件、速度计(例如用于自行车)、移动电话、平板电脑或智能手表。
在一些实施例中，感测器件100可包括附加的压力传感器116和附加的端口118。在这样的实施例中，压力传感器116与端口118直接流体连通，如由直接耦合115的实线所示。压力传感器116提供附加的风压信号Pwind2至IC 106，其还通过I/O总线114提供相应的经放大的信号至应用处理器108。基于附加的风压信号Pwind2，应用处理器108还可以确定风向。在另外的实施例中，任意数量的附加的压力传感器和端口可以被包括在感测器件100中，以便提高风速与风向(即速度)的测量的准确度。在一些实施例中，压力传感器116被耦合到分离的IC，分离的IC被耦合到应用处理器108。在这样的实施例中，IC 106被分成两个或更多个分离的IC(未示出)。
在各个实施例中，端口112以及附加的端口(例如端口118)具有小于或等于0.5mm跨度的开口。在具体实施例中，端口112和任何的附加端口具有小于或等于0.3mm跨度的开口。特别地，端口112和任何附加的端口可具有矩形的开口、圆形的开口或具有小于或等于0.3mm长度尺寸的非规则形状开口。在其他实施例中，可以包括更大的开口或任何形状的开口。
图2a和图2b示出了实施例的感测器件120a和120b的示意图，其可以是感测器件100的实施。根据各个实施例，感测器件120a包括壳体110内的压力传感器102和压力传感器104。如上所述，压力传感器104是实施为MEMS压力换能器的大气压力传感器，并被遮挡以避开壳体110外部的风。此外，压力传感器102是被实施为MEMS压力换能器的空气压力传感器，并且不被遮挡以避开(即暴露于)壳体110外部的风，而且特别是位于壳体110的端口处的风。为了实施风的遮挡，压力传感器104可以被放置为进一步远离壳体110的端口，并且在端口和压力传感器104之间可包括障碍物122，从而压力传感器104与壳体110的一个端口或多个端口间接流体连通。在各个实施例中，例如，障碍物122可包括其它器件组件，例如电池、处理器、显示器或封装体材料。在另外的实施例中，障碍物122可包括特定的风挡，例如泡沫屏障、布障碍、多孔结构或结构封装体壁。为了简便说明，没有示出壳体110内的其他元件。例如下文中参照图4所述的附加元件可以被包括在壳体110内。
根据各个实施例，感测器件120b包括壳体110内的压力传感器102和压力传感器104以及压力传感器116和压力传感器124。如上参照图1所述，可以包括附加的压力传感器，以便也确定风向，从而使得风速测量成为可能。因而，在这样的实施例中，压力传感器116可以在壳体110的附加端口处暴露于壳体110外部的风，并且压力传感器124可以在壳体110的另一个端口处暴露于壳体110外部的风。
根据一个实施例，压力传感器104被省去，并且压力传感器102和压力传感器116被用于确定风速。在这样的实施例中，压力传感器102可以顶着风，压力传感器116可以背着风。类似地如上参照图1所述，应用处理器108使用压力传感器102和压力传感器116的压力信号差来确定风速。风速在壳体110的端口处被确定，例如在图1的端口112，在顶着风的压力传感器102附近。
压力传感器102、116、124可以布置在壳体110的任何一侧。在一些实施例中，压力传感器102、116、124彼此布置为90度垂直。在各个实施例中，可以包括任意数量的压力传感器。例如，压力传感器可以被包括在壳体110的六个面或六个侧的每一个上。在替换实施例中，壳体110可具有不同数量的面或侧，并且可包括对应数量的压力传感器。在特定实施例中，包括压力传感器102、104、116、124。在另一个实施例中，仅包括压力传感器102、104以及116或124之一，总共三个压力传感器。在各个实施例中，壳体110可具有适于具体应用的形状。壳体110中的端口可以根据壳体110的形状而布置。在各个实施例中，设想端口和压力传感器的不同的定位和定向。
在各个实施例中，感测器件120b还包括用于压力传感器104的一个风挡或多个风挡。在这样的实施例中，风挡可以包围压力传感器104，如障碍物126所示。障碍物126可包括如参考障碍物122所述的任何元件，并可以布置在压力传感器104周围或上方，使得压力传感器104与壳体110中的端口间接流体连通。
在各个实施例中，此处所述的任何压力传感器，例如压力传感器102、104、116或124，可具有小于或等于约50mm3的立方容积。在一些实施例中，每个压力传感器具有小于或等于5mm乘以5mm的表面尺寸，并具有小于或等于2mm的厚度。在其他实施例中，每个压力传感器可具有更大的面积和厚度。例如，每个压力传感器可包括下面参照图4、图5a、图5b和图6描述的经封装的传感器器件。
图3示出了用于实施例的感测器件在操作中的风速测量图，其示出了施加的风速Sapp和测量的风速Smeas。如图所示，测量的风速Smeas在一些实施例中包括快速响应时间和高精度。当施加到实施例的感测器件的风改变时，相应的测量跟踪施加的改变。
图4示出了另一实施例的感测器件130的系统方框图，其可以是感测器件100的实施方案。根据不同的实施例，感测器件130包括传感器封装体132、传感器封装体134、处理器136、电池138、通信电路140以及附接到壳体110内的印刷电路板(PCB)144的显示器146，壳体110包括端口112。在各个实施例中，感测器件130可以是移动电子器件，例如平板电脑、智能手表、速度计、智能天气器件或移动电话。传感器封装体132和134的作用类似于参考图1的压力传感器102和104描述的作用，但是每个都实施为包括接口IC的经封装的器件。例如，传感器封装体132和134的每个都包括MEMS压力换能器和接口IC，接口IC连接到电路板并包含在传感器封装体中。传感器封装体132通过端口112与周边环境直接耦合，包括周边环境中的风，而传感器封装体132间接耦合至周边环境，并可以由障碍物122或感测器件130中的其它组件遮挡。
在各个实施例中，传感器封装体132和134耦合到PCB 144，并包含在壳体110内。例如，壳体110可以是平板电脑或移动电话的本体。显示器146还可以耦合到PCB 144。在一些实施例中，处理器136和通信电路140耦合到PCB 144。通信电路140通过通信路径142通信，通信路径142可以是无线通信路径。例如，通信电路140可包括蓝牙收发器、WiFi收发器或蜂窝网络收发器。在替换的实施例中，通信路径142是有线连接。
在各个实施例中，传感器封装体132产生表示来自端口112处的风的空气压力的电信号，并且通过PCB 144将产生的电信号提供至处理器136。传感器封装体134产生表示壳体110内的大气压力的电信号，并且通过PCB 144将产生的电信号提供至处理器136。处理器136可以如上文参照图1中的应用处理器108描述的那样操作，以便确定端口112处的风速。在替换实施例中，感测器件130是有线器件，例如用于具体应用的工作站、个人计算机或计算系统，具体应用例如天气分析、工业应用、娱乐应用或航天应用，并且通信路径142可以是有线的或无线的通信路径。
在各个实施例中，传感器封装体132和134可具有小于或等于约50mm3的立方容积。例如，在一些实施例中，传感器封装体132和134具有小于或等于5mm乘以5mm的表面尺寸，并具有小于或等于2mm的厚度。在其他实施例中，每个传感器封装体132和134可具有更大的面积或厚度。
图5a和图5b示出了实施例的传感器封装体150的截面图和顶视图，其可以是上文中参照图4描述的传感器封装体132或传感器封装体134的实施方案。特别地，图5a示出了如图5b中的顶视图所示的截面A。根据不同的实施例，传感器封装体150包括MEMS压力换能器152和专用集成电路(ASIC)154，它们在封装体盖160内附接到电路板158，封装体盖160包括任何端口156a-156f。在这样的实施例中，MEMS压力换能器152测量围绕传感器封装体150的周边环境的空气压力，并基于测量的空气压力将经换能的电信号通过电路板158中的连接提供至ASIC 154。
在各个实施例中，MEMS压力传感器通过端口156a，156b，156c，156d，156e和156f中的一个或多个流体地耦合至传感器封装体150的周边环境。端口156a和156b可以分别是封装体盖160中的通风口(即，顶部开口)或电路板158中的通风口(即，底部开口)。此外，封装体盖160的侧面可包括任何端口156c，156d，156e和156f。端口156c，156d，156e和156f可以形成为封装体盖160中的通风结构的开口，或者可以形成在封装体盖160和电路板158之间的分离结构中，例如在将封装体盖160附接至电路板158的键合材料中。
在各个实施例中，端口156a，156b，156c，156d，156e和156f可以被称为环境的或流体的端口，其允许流体信号的转移。流体信号包括液体和气体的传输以及通过这种流体媒介传播的信号，例如特别是空气压力信号。还可以转移声音信号。图5b示出了封装体盖160与电路板158接触的边缘，除此之外被示为透明的结构，以便展示传感器封装体150的元件，其将另外通过封装体盖160被遮挡。
在各个实施例中，设置端口156a，156b，156c，156d，156e和156f的尺寸和数量可以调整封装体盖160内的腔体的频率响应。例如，更大的开口和更多数量的开口增加了可以被感测的信号的高频限值。相反地，更小的开口或更少数量的开口减少了可以被感测的信号的高频限值。因而，端口156a，156b，156c，156d，156e和156f的配置可以用作用于流体信号的低通滤波器(LPF)，例如压力变化或声音信号。
在各个实施例中，除了MEMS压力换能器152和ASIC 154之外，传感器封装体150可选地包括附接至电路板158的MEMS麦克风162。MEMS压力换能器152通过耦合170被电耦合到ASIC 154，并且可选的MEMS麦克风162通过耦合168被电耦合到ASIC 154。耦合168和170可以设置为电路板158之上或之内的导电线路。在其他实施例中，MEMS压力换能器152可以在附接至电路板158的单个微制造的裸片上与ASIC 154集成。在又一实施例中，MEMS压力换能器152可以堆叠在ASIC 154上并且被电耦合到ASIC 154。例如，MEMS压力换能器152可以通过倒装芯片键合或导线键合耦合到ASIC 154。
在各个实施例中，MEMS压力换能器152或可选的MEMS麦克风162进一步分别包括集成的温度传感器164和166。在这样的实施例中，MEMS压力换能器152包括集成的温度传感器164，其在单个微制造的裸片上一起形成。集成的温度传感器164可以单独形成在与MEMS压力换能器152相同的衬底上，或者可以形成在MEMS压力换能器的感测结构中。
在特定实施例中，电路板158可以由各种电路板材料形成，其包括但不限于层压件、镀铜层压件、浸树脂布以及铜箔。封装体盖160可以是金属盖。在一些具体实施例中，封装体盖160是铜、钢或铝。在替换实施例中，封装体盖160由聚合物或玻璃形成。
图6示出了另一实施例的传感器封装体151的顶视图，其包括大气MEMS压力换能器172、动态MEMS压力换能器174以及附接到封装体盖160内的电路板158的ASIC 154。根据各个实施例，传感器封装体151以与传感器封装体150类似的方式操作，但是包括两个压力换能器：大气MEMS压力换能器172和动态MEMS压力换能器174。大气MEMS压力换能器172测量大气压力并过滤局部压力变化，而动态MEMS压力换能器174测量局部压力变化。在各个实施例中，用于大气MEMS压力换能器172的过滤可以被实施为LPF电路，例如在ASIC 154中，或可以被实施为风挡173，其包围大气MEMS压力换能器172。在具体实施例中，大气MEMS压力换能器172由作为风挡173的泡沫、布、网格或多孔结构所环绕。在这样的实施例中，可以包括风挡173作为大气MEMS压力换能器172的微制造裸片的一部分，或者可以在大气MEMS压力换能器172周围附接在电路板158上。
在各个实施例中，动态MEMS压力换能器174测量空气压力的局部变化，例如由风所引起的，而不过滤这样的信号。在一些实施例中，动态MEMS压力换能器174可以实施为具有与大气MEMS压力换能器172相同的感测结构，但是不具有风挡。在另外的实施例中，ASIC154可包括用于大气MEMS压力换能器172和动态MEMS压力换能器174的具有不同截止频率的不同LPF电路。例如，动态MEMS压力换能器174可以耦合至如下滤波器，该滤波器传递高达10赫兹或100赫兹的频率，而大气MEMS压力换能器172可以耦合至如下滤波器，该滤波器传递只有0.5赫兹或1赫兹的频率。在具体实施例中，动态MEMS压力换能器可以如在2014年3月31日提交的申请号为14/231068的题为“Dynamic Pressure Sensor”的共同未决的专利申请中描述的那样被实施，该专利申请作为一个整体通过引用并入本文。
在各个实施例中，ASIC 154通过耦合176被电耦合到大气MEMS压力换能器172，并通过耦合178被电耦合到动态MEMS压力换能器174。耦合176和178可以设置为电路板158之上或之内的导电线路。在一些实施例中，大气MEMS压力换能器172和动态MEMS压力换能器174分别可包括集成温度传感器180或182，如上参照图5b中的集成温度传感器164所述。
在各个实施例中，传感器封装体151可以是如上参照图4所述的传感器封装体132的实施方案。在特定实施例中，传感器封装体134可以被省去，因为传感器封装体151包括大气MEMS压力换能器172和动态MEMS压力换能器174二者。
图7示出了实施例的用于感测器件的操作方法200的方框图。根据各个实施例，操作方法200包括步骤202，204和206，并且实施测量风速的方法。在这样的实施例中，步骤202包括在被布置于壳体内并被遮挡以避风的第一压力传感器处测量大气压力。步骤204包括在被布置于壳体的开口处的第二压力传感器处测量空气压力。在步骤202和204之后，步骤206包括基于在步骤202测量大气压力和在步骤204测量壳体的开口处的空气压力，确定壳体的开口处的风速。如本文所述的，在各个实施例中可以使用MEMS压力换能器执行压力的测量。根据操作方法190操作的感测器件可以是任意类型的电子器件，例如户外器件，例如包括压力换能器的户外器件。步骤202和204的压力测量可以是经换能的电信号，其产生于MEMS压力换能器处并被提供至处理电路，例如微处理器或DSP，该处理电路实施步骤206。
图8示出了实施例的处理系统220的系统方框图，其包括压力传感器222、滤波器224以及信号处理器226。根据各个实施例，压力传感器222包括如参照本文的其它图所述的两个或更多个MEMS压力换能器。压力传感器222测量特定点处的大气压力和空气压力，特定点例如为器件壳体中的端口。在另一个实施例中，压力传感器222可以测量在器件壳体中的两个端口处的空气压力，例如其中两个端口朝向相反方向。压力测量信号设置成穿过滤波器224，其可以去除更高频的信号，例如声音信号或其他信号噪声。信号处理器226接收经过滤的压力测量信号并基于压力测量确定风速。
根据实施例，信号处理器226可以基于两次空气压力测量之差的平方根计算风速。 在特定示例中，压力传感器222提供来自器件壳体内的大气压力信号Patm和在器件壳体中 的端口处测得的空气压力信号Pwind。信号处理器226接收这些信号并使用等式计算风速S，
Figure BDA0000917915270000121
其中ρ是空气密度。
图9示出了MEMS压力换能器300的截面，其包括衬底302、侧壁304、可偏转隔膜306、刚性背板308以及腔体310。背板308通过间隔物312与隔膜306分开，背板308包括穿孔314。根据各个实施例，MEMS压力换能器300以类似于MEMS麦克风的方式制造，如下面参照图13a-13r描述的。
在一些实施例中，周边环境中的压力变化在腔体310和周边环境之间产生了压力差，其引起隔膜306偏转。隔膜306的偏转改变了隔膜306和背板308之间的距离。距离的变化改变了两个板之间的有效电容，并在读出电极(未示出)上产生经换能的电信号。经换能的电信号对应于发生的压力变化。根据一些实施例，MEMS压力换能器300可以实施为MEMS麦克风，并且低通频率(LPF)响应可以通过数字的或模拟的滤波器实施。在一个特定实施例中，MEMS压力换能器300可以由消声材料覆盖或隔离，例如泡沫，以便减少噪声并改进压力感测。
在各个实施例中，穿孔314的尺寸(平面区域)和数目影响了MEMS压力换能器300的频率响应的高频截止频率fH。在另外的实施例中，隔膜306的质量也影响高频截止频率fH。在另外的实施例中，其它因素可以调节高频截止频率fH和低频截止频率fL。例如，腔体的体积、隔膜的尺寸(由腔体的半径设置)、隔膜的厚度以及其它特征可能影响高频截止频率fH和低频截止频率fL。
根据各个实施例，背板308具有0.5μm和5μm之间的厚度，穿孔314具有0.5μm和10μm之间的直径，隔膜306具有0.1μm和1μm之间的厚度，腔体310具有0.2mm和2mm之间的直径和0.1mm和1mm之间的厚度，由间隔物312设置的背板308和隔膜306之间的间隔距离为0.5μm和5μm之间。
图10示出了另外的MEMS压力换能器320的截面，其包括衬底322、电极326、隔膜324以及腔体328。隔膜324通过绝缘体330与电极326隔离。如上文中参照MEMS压力换能器300类似地描述的，周边环境中的压力变化引起MEMS压力换能器320的隔膜324偏转，并在耦合到电极326和隔膜324的触头处产生经换能的信号。如上文中参照其他附图描述的，通过调节高频截止频率fH和低频截止频率fL，隔膜324的机械性能影响MEMS压力换能器320的频率响应。
图11示出了另一个MEMS压力换能器340的截面。根据各个实施例，MEMS压力换能器340是压阻的或压电的压力传感器，其包括衬底342、侧壁344、隔膜346以及腔体348。压电型传感器350设置在隔膜346上或包括在隔膜346中。压电型传感器350可以被实施为压电材料或压阻材料。
在各个实施例中，周边环境中的压力变化引起隔膜346的偏转。对于压阻材料，偏转改变压电型传感器350的电阻，而且该电阻由读出电极(未示出)来测量。对于压电材料，偏转引起压电型传感器350产生提供至读出电子设备(未示出)的电压。如在上文参照其它图所讨论的，通过调节高频截止频率fH和低频截止频率fL，隔膜346的机械性能影响MEMS压力换能器340的频率响应。
图12示出了另一个MEMS压力换能器360的截面，其包括衬底362、侧壁364、腔体370、可偏转隔膜366以及具有上电极368a和下电极368b的刚性背板。结构层369、372和373将上电极368a和下电极368b彼此分开并与隔膜366分开。在一些实施例中，例如，结构层369、372和373由氧化物形成。在2013年6月28日提交的申请号为13/931584的题为“MEMSMicrophone with Low Pressure Region between Diaphragm and Counter Electrode”的共同未决申请以及在2014年3月6日提交的申请号为14/198634的题为“MEMS SensorStructure for Sensing Pressure Waves and a Change in Ambient Pressure”的共同未决申请中描述了类似于MEMS压力换能器360的结构及其制造，这些申请均通过引用整体并入本文。这些共同未决申请描述了MEMS麦克风结构和静态MEMS压力传感器。如在上文参照其它图所讨论的，通过调节高频截止频率fH和低频截止频率fL，隔膜366的机械性能影响了MEMS压力换能器360的频率响应。
根据各个实施例，读出电路(未示出)测量电极368a和368b上的背板电压。当隔膜366移动时，读出电路产生两个信号，一个信号与隔膜的移动成正比，一个信号与隔膜的移动成反比。在这样的实施例中，在读出电路中产生的两个信号的差值与隔膜的移动成正比，因此与施加的空气压力成正比，该施加的空气压力可以是由于空气中的声音信号或压力变化所引起。
在进一步的实施例中，压力测量信号可以根据第二机构由同一结构产生。根据各个实施例，腔体374是密闭容积，其由隔膜366形成。绝对压力变化可以影响隔膜366的上下部分之间的距离。在一些实施例中，这样的影响可以改变麦克风系统的灵敏度；然而，它在一些实施例中可能是有利的。隔膜366的上下部分之间的距离的改变可以通过评估电极368a和368b上的背板电压总和来测量，其可以在读出电路(未示出)中产生。在这样的实施例中，生成的总和信号与大气压力成正比。
图13a-13r示出了用于另外的MEMS压力换能器的制造工艺流程的截面。根据各个实施例，相似的工艺流程可以实施用于本文所述的各种其他MEMS压力换能器。根据各个实施例，图13a始于硅衬底402。在替换实施例中，衬底402可以是除硅之外的材料。图13b示出了氧化物凸起404，其已经沉积或生长在衬底402上并且已经被构图。参照图13a-13r讨论的氧化物可包括半导体氧化物，例如硅氧化物。
如图13c所示，另一氧化物层被沉积或生长形成隔膜支撑406。如图所示，氧化物凸起在隔膜支撑406中引起凸起或波纹。在图13d中，一层多晶硅被沉积形成隔膜408。隔膜408包括由于氧化物凸起404形成的波纹。隔膜408可包括掺杂的或无掺杂的多晶硅。例如，隔膜408可以是掺有磷的。在下一步骤中，隔膜408被如图13e中所示那样构图。如前面描述的，隔膜408的厚度影响质量和刚性，同样影响频率响应，包括MEMS压力换能器的高频截止频率fH和低频截止频率fL以及灵敏度。
在对隔膜408进行构图之后，如图13f所示，厚氧化物被沉积以形成背板支撑件412。图13g描述了下一步骤，在这期间，背板支撑412被构图以形成孔414。然后，如图13h所示，背板416被沉积。背板416可以由掺杂的或无掺杂的多晶硅、金属或各种其他导电材料形成。如图13h所示，孔414使得凹部形成在背板416中。
在图13i中，背板416被构图有穿孔418。穿孔418遍及背板416的结构而放置以便允许气流通过背板416，其可以在完成的器件的工作期间使隔膜408移位。背板支撑件412被如图13j中所示那样构图。背板416中的穿孔418的尺寸(直径)和数量影响特征频率响应中的高频截止频率fH。在对背板支撑件412进行构图之后，钝化层420如图13k中所示那样沉积。钝化层420覆盖形成的结构而且在背板416中的穿孔418之间。如图13I所示，金属化接触件422被沉积和构图，用于与衬底402、背板416以及隔膜408电接触。
另一钝化层424如图13m中所示那样沉积，并且被构图以便如图13n所示暴露接触件422。在衬底402中执行背面蚀刻，以便如图13o所示地形成腔体426。根据各个实施例，执行BOSCH蚀刻工艺以实施背面蚀刻并形成腔体426。在钝化层420和424的上面，临时保护层428如图13p中所示那样沉积，以便在释放步骤期间保护背板416和隔膜408。如图13q所示，执行释放步骤，释放背板416和隔膜408。最后，如图13r所示，去除临时保护层428，暴露接触件422。
设想对在图13a-13r中描述的实施例的制造序列的不同修改。此外，在多种实施例中可以修改该结构，并且将预期对制造序列的修改。本文所述的各个步骤和附图是说明性的。根据各个实施例，结构可包括倾斜的侧壁、粗糙表面以及多个维度。
图14示出了用于压力传感器的接口电路500的详细方框图，接口电路500包括压力传感器504和IC 506。根据各个实施例，接口电路500可以是参照图1描述的IC 106的实施方案或参照图5a、图5b和图6描述的ASIC 154的实施方案。此外，压力传感器504可以根据参照其他附图在本文描述的任何MEMS压力换能器实施。
根据各个实施例，压力传感器504用偏压模块512和来自参考模块514的参考电压VREF偏置，该参考模块514可以是低压差调节器(LDO)，称为LDO 514。压力传感器504提供经感测和经换能的压力变化至放大器516，并且多路复用器518选择经放大的压力信号、(IC或传感器的)温度比例电压Vt或来自节点520的参考电压，节点520耦合到参考端子522和LDO514。多路复用器518的输出通过模数转换器(ADC)524转换为数字信号、通过滤波器526过滤并且通过数字总线接口528与数字总线530对接。IC 506还可包括由LDO 532提供的数字电压参考、用于数字逻辑操作的状态机534、用于数字运算或过滤的存储器536以及对任何数字模块进行钟控的振荡器538。IC 506被提供有参考端子VDD和GND以及输入/输出(I/O)电压电源VDD_IO，用于耦合至数字总线530。
在一些实施例中，滤波器526可以实施如参照图8中的滤波器224和信号处理器226描述的处理或过滤。例如，滤波器526可包括反向高通滤波器或者低通或高通数字滤波器。在其他实施例中，滤波器526是模拟滤波器并重新配置成耦合在多路复用器518和ADC 524之间。
其他实施例可包括不同功能的部件和/或另外的功能组件，以便实施传感器和/或接口IC的特定特征。例如，在一些实施例中，IC 506可包括用于线性化感测压力信号的数字校正算法。在一些实施例中，温度校正可以使用温度比例电压Vt来实施。在各个实施例中，IC 506还提供作为读数的温度信息和/或工厂校正数据至数字总线530。
根据实施例，一种用于测量风速的方法包括：在布置在壳体内并被遮挡以避风的第一压力传感器处测量大气压力，在布置在壳体的开口处的第二压力传感器处测量空气压力，并且基于测量大气压力和空气压力确定壳体的开口中的风速。
在各个实施例中，确定风速包括：基于测量大气压力产生第一信号，基于测量空气压力产生第二信号，通过从第二信号减去第一信号产生差值信号，并使用该差值信号计算风速。在一些实施例中，计算风速包括使用等式
Figure BDA0000917915270000171
计算风速S，其中第一信号是P1，第二信号是P2，空气密度是ρ。
在各个实施例中，在第二压力传感器处测量空气压力包括在布置在壳体内的多个开口处的多个压力传感器处测量多个空气压力。在这样的实施例中，方法进一步包括基于测量多个空气压力确定风向。多个开口中的每个开口可以被设置为朝向一方向，该方向与多个开口中的另一开口的开向分开约90°。
在各个实施例中，第一压力传感器和第二压力传感器每个都包括少于约50mm3的立方容积。在一些实施例中，在第二压力传感器处测量空气压力包括在布置在壳体内的开口处的第二压力传感器处测量空气压力，其中开口具有小于0.3毫米的直径。描述的技术的实施可包括电子系统或硬件、对应的方法或在计算机可访问介质上的计算机软件。
根据实施例，一种电子器件包括含端口的壳体、临近端口布置在壳体内的第一MEMS压力传感器、布置在壳体内并被遮挡以避风的第二MEMS压力传感器以及布置在壳体内并且电耦合到第一MEMS压力传感器和第二MEMS压力传感器的应用处理电路。应用处理电路被配置为基于从第一MEMS压力传感器和第二MEMS压力传感器接收的信号确定端口处的风速。
在各个实施例中，第一MEMS压力传感器和第二MEMS压力传感器的每个都包括小于约50mm3的立方容积。电子器件还可包括第三MEMS压力传感器，其临近附加端口布置在壳体内。在一些实施例中，电子器件进一步包括多个另外的MEMS压力传感器，其临近多个附加端口布置在壳体内。在这样的实施例中，应用处理电路进一步被配置为基于从第一MEMS压力传感器、第二MEMS压力传感器和多个另外的MEMS压力传感器接收的信号来确定风向。多个附加端口中的每个附加端口可以布置为朝向一方向，该方向与多个附加端口中的另一个端口的方向分开约90°。
在各个实施例中，端口具有小于0.3毫米的直径。在一些实施例中，电子器件进一步包括风挡，其布置在端口和第二MEMS压力传感器之间的壳体内。第一MEMS压力传感器和第二MEMS压力传感器的每个都可以包括电容式压力传感器。在实施例中，第一MEMS压力传感器和第二MEMS压力传感器的每个都包括双背板MEMS麦克风。在另一个实施例中，第一MEMS压力传感器和第二MEMS压力传感器的每个都包括压阻或压电式压力传感器。所描述技术的实施方案可包括电子系统或硬件、对应的方法、或计算机可访问介质上的计算机软件。
根据实施例，一种电子器件包括含端口的壳体、布置在壳体内的电路板、布置在壳体内并附接至电路板的显示器、附接至电路板并与端口直接流体连通的第一传感器封装件、附接至电路板并与端口间接流体连通的第二传感器封装件以及附接至电路板并电耦合到第一传感器封装件和第二传感器封装件的应用处理器。第一传感器封装件包括第一压力传感器，并且第二传感器封装件包括第二压力传感器。
在各个实施例中，电子器件还包括在端口和第二传感器封装件之间的风挡。在一些实施例中，电子器件进一步包括无线通信电路。第一传感器封装件还可包括声音换能器。所描述技术的实施方案可包括电子系统或硬件、对应的方法或计算机可访问介质上的计算机软件。
根据实施例，一种测量风的风速的方法包括：在布置在壳体中的第一开口处的第一压力传感器处测量第一空气压力，在布置在第二开口处的第二压力传感器处测量第二空气压力，以及基于测量第一空气压力和第二空气压力来确定第一开口处的风速。
在各个实施例中，确定风速包括：基于测量第一空气压力来产生第一信号，基于测量第二空气压力来产生第二信号，通过从第二信号减去第一信号来产生差值信号，以及使用差值信号来计算风速。在一些实施例中，测量第二压力传感器处的第二空气压力包括在布置在壳体中的多个开口处的多个压力传感器处测量多个空气压力。在这样的实施例中，方法进一步包括基于测量多个空气压力来确定风向。多个开口中的每个开口可以布置为朝向一方向，该方向与多个开口的另一个开口的方向分开约90°。在实施例中，第一开口朝向风，第二开口远离风。所描述技术的实施方案可包括电子系统或硬件、对应的方法或计算机可访问介质上的计算机软件。
根据本文所述的各个实施例，优点可包括紧凑或集成的风速计。一些优点可包括比较低成本的风速测量或更高准确度的风速测量。一些优点可包括风速计，其可以容易地被包含在各种电子器件中，例如紧凑或移动式电子器件。
尽管已经参照示意性实施例描述了本发明，但是本描述不旨在解释为限制的含义。通过参考该描述，本领域技术人员将明白示意性实施例的不同的修改和组合以及本发明的其它实施例。所以随附权利要求旨在包括任何这样的修改或实施例。

Claims (28)

1.一种测量风速的方法，包括：
在被布置在壳体内并被遮挡以避风的第一压力传感器处测量大气压力；
在被布置在所述壳体中的开口处的第二压力传感器处测量空气压力；以及
基于测量所述大气压力和所述空气压力，确定所述壳体中的所述开口处的风速，
其中所述第一压力传感器和所述第二压力传感器在所述壳体内彼此流体连通。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述风速包括：
基于测量所述大气压力，产生第一信号；
基于测量所述空气压力，产生第二信号；
通过从所述第二信号减去所述第一信号，产生差值信号；以及
使用所述差值信号，计算所述风速。
3.根据权利要求2所述的方法，其中计算所述风速包括使用等式
Figure FDA0002978086530000011
计算风速S，其中所述第一信号是P1，所述第二信号是P2，空气密度是ρ。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在第二压力传感器处测量空气压力包括在被布置在所述壳体中的多个开口处的多个压力传感器处测量多个空气压力。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括基于测量所述多个空气压力确定风向。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个开口中的每个开口布置为朝向一方向，所述方向与所述多个开口中的另一开口分开约90°。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一压力传感器和所述第二压力传感器中的每个都包括小于50mm3的立方容积。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在第二压力传感器处测量空气压力包括在被布置在所述壳体中的所述开口处的第二压力传感器处测量空气压力，其中所述开口具有小于0.3mm的直径。
9.一种电子器件，包括：
壳体，包括端口；
第一MEMS压力传感器，临近所述端口被布置在所述壳体内；
第二MEMS压力传感器，被布置在所述壳体内并被遮挡以避开所述端口；以及
应用处理电路，被布置在所述壳体内并且被电耦合到所述第一MEMS压力传感器和所述第二MEMS压力传感器，其中所述应用处理电路被配置为基于从所述第一MEMS压力传感器和所述第二MEMS压力传感器接收到的信号来确定所述端口处的风速，
其中所述第一MEMS压力传感器和所述第二MEMS压力传感器在所述壳体内彼此流体连通。
10.根据权利要求9所述的电子器件，其中所述第一MEMS压力传感器和所述第二MEMS压力传感器中的每个都包括小于50mm3的立方容积。
11.根据权利要求9所述的电子器件，进一步包括第三MEMS压力传感器，所述第三MEMS压力传感器临近附加端口被布置在所述壳体内。
12.根据权利要求9所述的电子器件，进一步包括多个附加MEMS压力传感器，所述多个附加MEMS压力传感器临近多个附加端口被布置在所述壳体内，其中所述应用处理电路进一步被配置为基于从所述第一MEMS压力传感器、所述第二MEMS压力传感器以及所述多个附加MEMS压力传感器接收到的信号来确定风向。
13.根据权利要求12所述的电子器件，其中所述多个附加端口中的每个附加端口被布置为朝向一方向，所述方向与所述多个附加端口中的另一附加端口的方向分开约90°。
14.根据权利要求9所述的电子器件，其中所述端口具有小于0.3mm的直径。
15.根据权利要求9所述的电子器件，进一步包括风挡，所述风挡在所述壳体内被布置在所述端口和所述第二MEMS压力传感器之间。
16.根据权利要求9所述的电子器件，其中所述第一MEMS压力传感器和所述第二MEMS压力传感器中的每个都包括电容式压力传感器。
17.根据权利要求16所述的电子器件，其中所述第一MEMS压力传感器和所述第二MEMS压力传感器中的每个都包括双背板MEMS麦克风。
18.根据权利要求9所述的电子器件，其中所述第一MEMS压力传感器和所述第二MEMS压力传感器中的每个都包括压阻或压电式压力传感器。
19.一种电子器件，包括：
壳体，所述壳体包括端口；
电路板，被布置在所述壳体内；
显示器，被布置在所述壳体内并被附接到所述电路板；
第一传感器封装件，被附接到所述电路板并与所述端口直接流体连通，其中所述第一传感器封装件包括第一压力传感器；
第二传感器封装件，被附接到所述电路板并与所述端口间接流体连通，其中所述第二传感器封装件包括第二压力传感器；以及
应用处理器，被附接到所述电路板并被电耦合到所述第一传感器封装件和所述第二传感器封装件，
其中所述第一传感器封装件和所述第二传感器封装件在所述壳体内彼此流体连通。
20.根据权利要求19所述的电子器件，进一步包括风挡，所述风挡在所述端口和所述第二传感器封装件之间。
21.根据权利要求19所述的电子器件，进一步包括无线通信电路。
22.根据权利要求19所述的电子器件，其中所述第一传感器封装件进一步包括声音换能器。
23.一种测量风的风速的方法，包括：
在被布置在壳体中的第一开口处的第一压力传感器处测量第一空气压力；
在被布置在第二开口处的第二压力传感器处测量第二空气压力；以及
基于测量所述第一空气压力和所述第二空气压力，确定所述第一开口处的风速，
其中所述第一压力传感器和所述第二压力传感器在所述壳体内彼此流体连通。
24.根据权利要求23所述的方法，其中确定所述风速包括：
基于测量所述第一空气压力，产生第一信号；
基于测量所述第二空气压力，产生第二信号；
通过从所述第二信号减去所述第一信号，产生差值信号；以及
使用所述差值信号，计算风速。
25.根据权利要求23所述的方法，其中在第二压力传感器处测量第二空气压力包括在被布置在所述壳体中的多个开口处的多个压力传感器处测量多个空气压力。
26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括基于测量所述多个空气压力来确定风向。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述多个开口中的每个开口布置为朝向一方向，所述方向与所述多个开口中的另一开口的方向分开约90°。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一开口朝向所述风，所述第二开口背离所述风。
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