CN109164271B - 一种集成型风速传感器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成型风速传感器，包括风速传感器芯片、传感器信号处理电路和信号连接器，传感器信号处理电路由传感器信号桥接电路单元、模拟‑数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字‑模拟信号转换芯片依次电连接而成，风速传感器芯片与传感器信号桥接电路单元电连接，传感器信号处理电路中的各芯片均以裸芯片形式集成在基板上，传感器信号处理中各芯片的信号焊盘与基板上的信号焊盘通过引线键合方式电连接，风速传感器芯片与基板信号焊盘通过电装方式电连接，风速传感器芯片以胶粘接的方式与基板固定相接，信号连接器与基板通过电装方式电连接，传感器信号处理电路上覆盖有封装层，信号连接器与微控制器芯片、数字‑模拟信号转换芯片电连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种风速传感器，尤其涉及一种集成式风速传感器，集成了风速传感器芯片和传感器信号处理电路模块，属于传感器技术领域。
技术背景
风速传感器广泛应用于暖通空调、智能建筑、通风设备、洁净厂房、制药厂房等领域，对提高环境的舒适度、保障工作环境的安全水平和降低能源消耗起到了很大的作用。
风速传感器可分为机械式、动压式、超声式和热式等类型。机械式以风杯式和风轮式为主，由于转轮是可动元件，机械摩擦、泥沙、灰尘堆积等因素使仪器的可靠性不高，误差较大；动压式以皮托管为主，在测量微小流量时，误差较大；超声波式传感器体积大，价格昂贵，性价比低。热式风速传感器以其灵敏度高、压损低、量程大、小流量灵敏以及响应速度快等特点在风速检测领域得到广泛应用。
但是目前的风速变送器中风速传感器芯片与传感器信号处理电路是分立放置的，如图1所示为传统的热膜式风速传感器（变送器）示意图，主要由风速传感器芯片A1，外壳A2-1、A2-2，传感器信号处理电路A3，信号连接器A4组成。风速传感器芯片A1封装在外壳A2-1中，传感器信号处理电路A3装配在外壳A2-2中，信号连接器A4为热膜式风速传感器（变送器）提供电源和信号输出接口。传感器信号处理电路由印刷电路板（即基板）及电路板上塑料封装的分立元器件组成，风速传感器芯片与传感器信号处理电路通过多芯屏蔽线进行信号连接，存在体积大、集成度不高的缺点；尽管印刷电路板上的元器件已经进行了高密度排布，但是由于受元器件管壳封装体积限制，信号处理电路板体积仍然较大，造成风速变送器整体体积较大，不适用对安装空间苛刻的小型化应用设备领域，如通风柜、空气净化器等。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出了一种集成型风速传感器。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案是：一种集成型风速传感器，包括外壳、风速传感器芯片、传感器信号处理电路和信号连接器， 所述传感器信号处理电路由传感器信号桥接电路单元、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片依次电连接而成，所述风速传感器芯片与传感器信号桥接电路单元电连接，所述传感器信号桥接电路单元、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片分布集成在一个基板上，所述传感器信号处理中的模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片均以裸芯片形式集成在基板上，所述传感器信号处理中的模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片的信号焊盘与基板上的信号焊盘通过引线键合方式电连接，所述风速传感器芯片的信号引线与基板的前端的信号焊盘通过电装方式电连接，所述风速传感器芯片以胶粘接的方式与基板的前端固定相接，所述信号连接器与基板的后端的信号焊盘通过电装方式电连接，所述传感器信号处理电路上覆盖有封装层，所述信号连接器与微控制器芯片、数字-模拟信号转换芯片电连接，所述风速传感器芯片、传感器信号处理电路和信号连接器均安装在外壳中；风速传感器芯片与传感器信号桥接电路单元共同组成恒温差电路，将风速变化的物理量转换为电压信号，模拟-数字信号转换芯片将传感器信号桥接电路单元输出的模拟电压信号转换为数字信号，并输出至微控制器芯片，微控制器芯片将采集到的电压信号进行分段线性化的算法处理得到归一化的风速数据，通过串行信号输出数字式的风速信号，数字式的风速信号由信号连接器输出，该传感器具备寻址功能，可以方便地实现风速传感器有线组网；同时微控制器芯片将归一化的风速数据输出至数字-模拟信号转换芯片，数字-模拟信号转换芯片将数字信号转换成线性输出的模拟电压信号，模拟电压信号由信号连接器输出，信号连接器具有多个针脚，即可以连接微控制器芯片，进行数字信号输出，又可以连接数字-模拟信号转换芯片，进行模拟信号输出，信号连接器的针脚通过连接外界电源给风速传感器供电。
进一步地，所述封装层采用环氧树脂材质制成。
进一步地，所述外壳呈圆柱形。
进一步地，所述风速传感器芯片为 FS5型热膜式风速传感器，所述模拟-数字信号转换芯片的型号为AD7892，所述微控制器芯片的型号为PIC12F675，所述数字-模拟信号转换芯片的型号为DAC7611，所述信号连接器的型号为GX12-8。
本发明的集成型风速传感器中，风速传感器芯片FS5与传感器信号桥接电路单元共同组成恒温差电路，将风速变化的物理量转换为电压信号，模拟-数字信号转换芯片AD7892将传感器信号桥接电路单元输出的模拟电压信号转换为数字信号，并输出至微控制器芯片PIC12F675，微控制器芯片将采集到的电压信号进行分段线性化的算法处理得到归一化的风速数据，通过I2C或者RS232串行信号输出数字式的风速信号，数字式的风速信号由信号连接器输出；同时微控制器芯片将归一化的风速数据输出至数字-模拟信号转换芯片DAC7611，数字-模拟信号转换芯片DAC7611将数字信号转换成线性输出的模拟电压信号，模拟电压信号由信号连接器输出。
本发明的风速传感器实现了风速传感器芯片与传感器信号处理电路电连接且同时与基板固定相接，传感器信号处理电路采用裸芯片，此结构极大程度提高了硬件电路的集成度，缩小了电路的体积，能够实现大批量、自动化生产，能够极大程度减小风速变送器的体积，降低成本。
附图说明
图1是传统热膜式风速变送器；
图2是实施例的集成型风速传感器结构示意图；
图3是实施例的集成型风速传感器结构正视示意图；
图4是实施例的集成型风速传感器结构侧视示意图。
实施方式
为使本发明创造的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明创造的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明创造无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。
实施例1、参考图2，一种集成型风速传感器，包括外壳1、风速传感器芯片2、传感器信号处理电路3和信号连接器4， 所述传感器信号处理电路3由传感器信号桥接电路单元301、模拟-数字信号转换芯片302、微控制器芯片303和数字-模拟信号转换芯片304依次电连接而成，所述风速传感器芯片2与传感器信号桥接电路单元301电连接，风速传感器芯片2、传感器信号处理电路3和信号连接器4均可采用现有的模块进行连接，本发明的创造点在于，所述传感器信号桥接电路单元301、模拟-数字信号转换芯片302、微控制器芯片303和数字-模拟信号转换芯片304分布集成在一个基板上，所述传感器信号处理3中的模拟-数字信号转换芯片302、微控制器芯片303和数字-模拟信号转换芯片304均以裸芯片形式集成在基板上，所谓裸芯片是指没有封装的芯片，所述传感器信号处理中的模拟-数字信号转换芯片302、微控制器芯片303和数字-模拟信号转换芯片304的信号焊盘与基板上的信号焊盘通过引线键合方式电连接，基板上印有线路层，实现各个电路以及芯片电气连接，由于各芯片采用了裸芯片，没有封装外壳以及封装引脚，因此，减小各芯片由于冗余引脚、外壳封装造成的体积浪费，提高了单位面积的芯片集成度，减小电路的体积；所述风速传感器芯片2的信号引线与基板的前端的信号焊盘通过电装方式电连接，所述风速传感器芯片2以胶粘接的方式与基板的前端固定相接，防止风速传感器芯片松动，优选的，采用环氧树脂胶粘接的方式；所述信号连接器4与基板的后端的信号焊盘通过电装方式电连接；
所述传感器信号处理电路3上覆盖有封装层305，所述封装层305采用环氧树脂材质制成。即所述基板上各芯片及其信号引线采用环氧树脂进行包封，用来增加各芯片、信号引线的机械保护强度和耐环境能力。
所述信号连接器4与微控制器芯片303、数字-模拟信号转换芯片304电连接，所述风速传感器芯片2、传感器信号处理电路3和信号连接器4均安装在外壳1中，所述外壳1呈圆柱形，外壳内部是中空。
在本实施例中，所述风速传感器芯片2为 FS5型热膜式风速传感器，该传感器衬底为陶瓷衬底，衬底上的金属膜采用厚膜工艺制备而成。信号连接器4、基板和风速传感器芯片2呈线性排布，便于安装在圆柱形的外壳1中，通过环氧树脂将信号连接器4、基板和风速传感器芯片2固定在圆柱形的外壳1中。
所述模拟-数字信号转换芯片302的型号为AD7892，所述微控制器芯片303的型号为PIC12F675，所述数字-模拟信号转换芯片304的型号为DAC7611，所述信号连接器4的型号为GX12-8。所述基板采用多层金属布线构成（布线层≥2），基板材料为陶瓷、环氧树脂基板中的其中一种，基板上的金属布线用于连接基板上各功能芯片的信号接口，形成信号传输。
本发明的集成型风速传感器中，风速传感器芯片FS5与传感器信号桥接电路单元共同组成恒温差电路，将风速变化的物理量转换为电压信号，模拟-数字信号转换芯片AD7892将传感器信号桥接电路单元输出的模拟电压信号转换为数字信号，并输出至微控制器芯片PIC12F675，微控制器芯片将采集到的电压信号进行分段线性化的算法处理得到归一化的风速数据，通过I2C或者RS232串行信号输出数字式的风速信号，数字式的风速信号由信号连接器输出，该传感器具备寻址功能，可以方便地实现风速传感器有线组网；同时微控制器芯片将归一化的风速数据输出至数字-模拟信号转换芯片DAC7611，数字-模拟信号转换芯片DAC7611将数字信号转换成线性输出的模拟电压信号，模拟电压信号由信号连接器输出，GX12-8型信号连接器具有多个针脚，即可以连接微控制器芯片，进行数字信号输出，又可以连接数字-模拟信号转换芯片DAC7611，进行模拟信号输出，GX12-8型信号连接器的针脚通过连接外界电源给风速传感器供电。
本实施例的集成式风速传感器通过以下步骤制备得到：
步骤1、采用环氧树脂胶将风速传感器芯片2和基板前端的背面进行粘接，并进行固化，在步骤1之前，基板已经印刷线路层，以便各芯片及器件安装；
步骤2、将传感器信号桥接电路单元301、模拟-数字信号转换芯片302、微控制器芯片303、数字-模拟信号转换芯片304通过焊接工艺装配在基板上；步骤3、采用电装工艺将风速传感器芯片2的信号引线与基板的前端的信号焊盘通过电装方式电连接，且通过基板的线路层实现风速传感器芯片2与传感器信号处理电路3电气连接，采用电装工艺将信号连接器4焊接在基板的后端的信号焊盘且通过基板的线路层实现信号连接器4与传感器信号处理电路3电气连接；
步骤4、传感器信号处理中的传感器信号桥接电路单元301、模拟-数字信号转换芯片302、微控制器芯片303和数字-模拟信号转换芯片304的信号焊盘与基板上的信号焊盘通过引线键合方式电连接；
步骤5、采用环氧树脂胶将传感器信号处理电路3进行包封，并进行固化；包封方式有两种，一种是将传感器信号处理电路中的传感器信号桥接电路单元、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片、数字-模拟信号转换芯片单独包封；第二种是将传感器信号桥接电路单元、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片、数字-模拟信号转换芯片进行整体包封；
步骤6、将当前半成品装入外壳1中，并采用环氧树脂进行固定。
上仅表达了本发明创造的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明创造专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明创造的保护范围。因此，本发明创造专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1. 一种集成型风速传感器，包括外壳、风速传感器芯片、传感器信号处理电路和信号连接器， 所述传感器信号处理电路由传感器信号桥接电路单元、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片依次电连接而成，所述风速传感器芯片与传感器信号桥接电路单元电连接， 其特征在于，所述传感器信号桥接电路单元、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片分布集成在一个基板上，所述传感器信号处理中的模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片均以裸芯片形式集成在基板上，所述传感器信号处理中的模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片的信号焊盘与基板上的信号焊盘通过引线键合方式电连接，所述风速传感器芯片的信号引线与基板的前端的信号焊盘通过电装方式电连接，所述风速传感器芯片以胶粘接的方式与基板的前端固定相接，所述信号连接器与基板的后端的信号焊盘通过电装方式电连接，所述传感器信号处理电路上覆盖有封装层，所述信号连接器与微控制器芯片、数字-模拟信号转换芯片电连接，所述风速传感器芯片、传感器信号处理电路和信号连接器均安装在外壳中；风速传感器芯片与传感器信号桥接电路单元共同组成恒温差电路，将风速变化的物理量转换为电压信号，模拟-数字信号转换芯片将传感器信号桥接电路单元输出的模拟电压信号转换为数字信号，并输出至微控制器芯片，微控制器芯片将采集到的电压信号进行分段线性化的算法处理得到归一化的风速数据，通过串行信号输出数字式的风速信号，数字式的风速信号由信号连接器输出，该传感器具备寻址功能，可以方便地实现风速传感器有线组网；同时微控制器芯片将归一化的风速数据输出至数字-模拟信号转换芯片，数字-模拟信号转换芯片将数字信号转换成线性输出的模拟电压信号，模拟电压信号由信号连接器输出，信号连接器具有多个针脚，即可以连接微控制器芯片，进行数字信号输出，又可以连接数字-模拟信号转换芯片，进行模拟信号输出，信号连接器的针脚通过连接外界电源给风速传感器供电。
2.如权利要求1所述的一种集成型风速传感器，其特征在于，所述封装层采用环氧树脂材质制成。
3.如权利要求1所述的一种集成型风速传感器，其特征在于，所述外壳呈圆柱形。
4. 如权利要求1所述的一种集成型风速传感器，其特征在于，所述风速传感器芯片为FS5型热膜式风速传感器，所述模拟-数字信号转换芯片的型号为AD7892，所述微控制器芯片的型号为PIC12F675，所述数字-模拟信号转换芯片的型号为DAC7611，所述信号连接器的型号为GX12-8。
5.如权利要求1所述的集成型风速传感器的制造方法，其特征在于，
步骤1、采用环氧树脂胶将风速传感器芯片和基板前端的背面进行粘接，并进行固化；
步骤2、将传感器信号桥接电路、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片、数字-模拟信号转换芯片通过焊接工艺装配在基板上；
步骤3、采用电装工艺将风速传感器芯片的信号引线与基板的前端的信号焊盘通过电装方式电连接，且通过基板实现风速传感器芯片与传感器信号处理电路电气连接，采用电装工艺将信号连接器焊接基板的后端的信号焊盘且通过基板实现信号连接器与传感器信号处理电路电气连接；
步骤4、将传感器信号处理中的传感器信号桥接电路单元、模拟-数字信号转换芯片、微控制器芯片和数字-模拟信号转换芯片的信号焊盘与基板上的信号焊盘通过引线键合方式电连接；
步骤5、采用环氧树脂胶将传感器信号处理电路进行包封，并进行固化；
步骤6、将当前半成品装入外壳中，并采用环氧树脂进行固定。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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