CN1325879C - 温度、风速、风向和气压集成传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量风、温度和压力的相关参数的温度、风速、风向和气压集成传感器，由硅片、至少四条作为加热元件的多晶硅条、中心温度传感器、至少四个用于风向测定的温度传感器和压阻组成，多晶硅条按正多边形排列，中心温度传感器位于多晶硅条构成的正多边形内，用于风向测定的温度传感器位于多晶硅条之外且根据多晶硅条构成正多边形的相似形排列，上述多晶硅条、中心温度传感器、用于风向测定的温度传感器和压阻设在硅片上，所述的中心温度传感器为pn二极管，用于风向测定的温度传感器为热电堆，本发明具有总面积大大减少，降低成本，保证了传感器的一致性，保护了片上处理电路，避免对正面风流体的影响，有利于提高成品率等优点。
Description
技术领域
本发明是一种微电子机械系统使用的风速、风向、温度和气压传感器，尤其涉及一种温度、风速、风向和气压集成传感器。
背景技术
风速计、温度计、气压计在气象、交通和户外工作领域有着广泛的运用。较为常见的是这些传感器的各自独立的封装，并且分别采用各自的电路进行信号的处理。由于风速风向传感器、温度传感器、气压传感器都可以采用CMOS兼容的工艺进行制造，并辅以后处理工序来实现最后的传感器结构，因此这些传感器和CMOS电路的单片集成成为可能。
发明内容
本发明提供一种可以实现风速、风向、温度及气压检测并有利于降低成本的小型化温度、风速、风向和气压集成传感器，具有一致性好的优点。
本发明采用如下技术方案：
一种用于测量风、温度和压力的相关参数的温度、风速、风向和气压集成传感器，由硅片、至少四条作为加热元件的多晶硅条、中心温度传感器、至少四个用于风向测定的温度传感器和压阻组成，多晶硅条按正多边形排列，中心温度传感器位于多晶硅条构成的正多边形内，用于风向测定的温度传感器位于多晶硅条之外且根据多晶硅条构成的正多边形的相似形排列，上述多晶硅条、中心温度传感器、用于风向测定的温度传感器和压阻设在硅片上，所述的中心温度传感器为pn二极管，用于风向测定的温度传感器为热电堆。
与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明能将风速、风向、温度和气压的测量集成在一起。本发明通过加热器在芯片表面建立一个温度场，中心温度传感器可以测出该温度场的平均温度。风从表面吹过时，将从芯片表面带走部分的热量，造成中心温度传感器测出的平均温度下降，该温度下降即可反映风速的大小。用于风向测定的温度传感器差分输出即为温度梯度的变化，反映了风向的变化。当加热器不工作时，中心温度传感器反映的就是环境温度。在芯片的另一端，设计了一压阻式的气压传感器，采用压阻式的结构保证了传感器与集成电路的接口，并且可以采用CMOS标准工艺进行制造。封装结构由薄层陶瓷和管座共同构成。陶瓷与芯片之间的倒装焊(flip-chip)结构，实现芯片与外界的电气互连；管座上开两个孔，以保证压力能引导入传感器的表面，其中一个孔与外界的环境接触，另一个孔被抽成真空，气压通过真空空腔内的薄膜进行感应。压阻的变化则可以通过惠斯通电桥电路来进行测量。最后可以根据压阻的变化推测知气压的变化。
2、风速、风向、温度和气压传感器集成在同一个芯片上，和各自的独立封装相比，总的面积大大减少，有利于降低成本。
3、可以采用标准的CMOS工艺和片上处理电路一同制造，保证了传感器的一致性。
4、传感器的正面采用陶瓷材料进行封装，可以避免传感器与测量环境的直接接触，保护了片上处理电路；
5、压力传感器的气压传送口从封装的背面引出，可以避免对正面风流体的影响；
6、传感器的后处理工艺从硅片的背面开始，减少了后处理加工对检测电路的影响，有利于提高成品率。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的截面图。
具体实施方式
一种用于测量风、温度和压力的相关参数的温度、风速、风向和气压集成传感器，由硅片105，至少四条作为加热元件的多晶硅条1011、1012、1013、1014，中心温度传感器102，至少四个用于风向测定的温度传感器1031、1032、1033、1034和压阻组成，多晶硅条按正多边形排列，中心温度传感器102位于多晶硅条构成的正多边形内，用于风向测定的温度传感器位于多晶硅条之外且根据多晶硅条构成的正多边形的相似形排列，上述多晶硅条、中心温度传感器102、用于风向测定的温度传感器和压阻设在硅片105上，所述的中心温度传感器102为pn二极管，用于风向测定的温度传感器为热电堆，上述多晶硅条可按正五边形排列、正六边形排列或正八边形排列，在本实施例中，由硅片105，四条作为加热元件的多晶硅条1011、1012、1013、1014，中心温度传感器102，四个用于风向测定的温度传感器1031、1032、1033、1034和压阻104组成，四条多晶硅条1011、1012、1013、1014呈正方形排列；采用四个压阻1041、1042、1043、1044且该四个压阻1041、1042、1043、1044按电桥连接，硅片105上并位于多晶硅条和温度传感器的下方设有热阻孔1052，在硅片105、多晶硅条、温度传感器和压阻之外设有管座108，在压阻的下方设有压力引导孔1051，在管座108上且位于压力引导孔1051的下方区域设有通孔1081，在多晶硅条、温度传感器和压阻104的上方设有陶瓷密封片107，在压阻、陶瓷密封片107及管座108之间设有空腔1083且该空腔1083为真空空腔，压力引导孔1051为真空孔。
本发明是一种能够将温度、风速、风向、气压传感器进行单片集成的方案。风速风向和温度传感器由加热元件多晶硅条、中心温度传感器和用于风向测定的温度传感器构成，中心温度传感器和用于风向测定的温度传感器可以由pn二极管或热电堆来实现。三种传感器分时段工作。当加热元件多晶硅条和用于风向测定的温度传感器B103不工作时，中心温度传感器即可以测量环境温度。当多晶硅条加热时，中心温度传感器测量的是加热后的芯片的平均温度。在风的环境之下，通过片上电路的控制实现该温度恒定，此时可以通过测量加热条的两端的电压变化来反推风速的大小。互相垂直的四个温度传感器可以通过测量在互相垂直的两个方向上的温度差来求得风向。气压传感器则可以通过惠斯通电桥的方式来测量压阻的变化，从而求得气压的大小。以上的敏感元件和加热元件的实现均可以采用标准的CMOS工艺来实现。硅片105背面可以采用KOH或TMAH或EDP腐蚀液来实现各项异性腐蚀从而形成薄膜106。对于风速、风向和温度传感器而言，该薄膜是传感器的支撑结构，薄膜的下方是空腔。由于硅是热的良导体，而空气不是，因此这种结构可以提高热的效率，降低传感器的功耗，提高测量的精度，对于压力传感器而言该薄膜是一层敏感膜，该敏感膜上的压阻阻值的变化可以反应气压的变化。该芯片的正面采用陶瓷107倒封装方式(flip-chip)，使得芯片上的传感器和电路可以与外部电路互连。同时，陶瓷片还实现风速、风向和温度传感器与外界的隔离。由于陶瓷是热的良导体，因此只会降低输出的幅度，而不会对传感器的测量范围、精度等造成影响。管座108部分开有压力引导孔1081，以保证压力能导入到压力传感器的表面。管座的另一侧开有抽气孔，实现芯片表面的敏感元件处于真空1083的状态下。压力引导孔内的压力变化即可以被测量出来。最后的信号输出可以通过向管座引脚109焊接的方式引出。
Claims (7)
1、一种用于测量风、温度和压力的相关参数的温度、风速、风向和气压集成传感器，其特征在于由硅片(105)、至少四条作为加热元件的多晶硅条(1011、1012、1013、1014)、中心温度传感器(102)、至少四个用于风向测定的温度传感器(1031、1032、1033、1034)和压阻组成，多晶硅条按正多边形排列，中心温度传感器(102)位于多晶硅条构成的正多边形内，用于风向测定的温度传感器位于多晶硅条之外且根据多晶硅条构成的正多边形的相似形排列，上述多晶硅条、中心温度传感器(102)、用于风向测定的温度传感器和压阻设在硅片(105)上，所述的中心温度传感器(102)为pn二极管，用于风向测定的温度传感器为热电堆。
2、根据权利要求1所述温度、风速、风向和气压集成传感器，其特征在于由硅片(105)、四条作为加热元件的多晶硅条(1011、1012、1013、1014)、中心温度传感器(102)、四个用于风向测定的温度传感器(1031、1032、1033、1034)和压阻(104)组成，四条多晶硅条(1011、1012、1013、1014)呈正方形排列。
3、根据权利要求1或2所述温度、风速、风向和气压集成传感器，其特征在于采用四个压阻(1041、1042、1043、1044)且该四个压阻(1041、1042、1043、1044)按电桥连接。
4、根据权利要求3所述温度、风速、风向和气压集成传感器，其特征在于在硅片(105)上并位于多晶硅条和温度传感器的下方设有热阻孔(1052)。
5、根据权利要求4所述温度、风速、风向和气压集成传感器，其特征在于在硅片(105)、多晶硅条、温度传感器和压阻之外设有管座(108)。
6、根据权利要求5所述温度、风速、风向和气压集成传感器，其特征在于在压阻的下方设有压力引导孔(1051)，在管座(108)上且位于压力引导孔(1051)的下方区域设有通孔(1081)。
7、根据权利要求6所述温度、风速、风向和气压集成传感器，其特征在于在多晶硅条、温度传感器和压阻(104)的上方设有陶瓷密封片(107)，在压阻、陶瓷密封片(107)及管座(108)之间设有空腔(1083)且该空腔(1083)为真空空腔，压力引导孔(1051)为真空孔。
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