用於測量多個被測對象的組合傳感器系統的製作方法

2023-10-05 16:55:19 1

專利名稱：用於測量多個被測對象的組合傳感器系統的製作方法
用於測量多個被測對象的組合傳感器系統技術領域實施例 一般地涉及傳感器方法和系統。實施例另外涉及用於將多 個傳感器製造和封裝在單一的封裝內的方法和系統。實施例也涉及組 合傳感器。
背景技術：
已實施和使用了許多過程和設備來同時測量多於一個被測對象。基於流量或壓力換能器的微型MEMS (微機電系統)可以用於測量流量 或壓力且具有可靠的精確性。這樣的基於MEMS的傳感器已例如實施在 多種獨立的感測設備內，例如實施在醫療應用中，它們中的一些使用 基於矽的熱質量流量或壓阻感測技術來測量大範圍內的流量和壓力。 其他多種感測實施例如包括儀器和環境應用。MEMS涉及在通用的矽基片上通過使用微製造技術來整合微機械元 件、傳感器促動器和電子部件。雖然電子器件可以使用集成電路(IC) 過程次序(例如，CM0S、 Bipolar或BICMOS過程)製造，但微機械部 件可以利用兼容的"微加工"過程製造，該微加工過程選擇性地蝕刻 去矽晶片的部分或添加新的結構層以形成機械和機電i殳備。現有技術的換能器的大多數帶有已標定或未標定的模擬輸出或作 為帶有小信號輸出的換能器而銷售，前述的任一情況可能要求由最終 使用者在其系統內進行調節和標定。進一步地，由使用者調節的模擬 信號必須通過模數轉換器，以使輸出信號可以被系統處理，該系統可 能是基於微控制器的系統。最通常的被測對象是流量、壓力、溫度和 溼度，且來自原始換能器的輸出信號典型地是非線性的且作為溫度的 函數變化。在一些發送應用中，優選的是將信號調節/信號放大能力整合到 傳感器內。被認為的是目前沒有傳感器可有效地且精確地測量多個被 測對象。因此，為克服前述缺點，希望的是提供合適的封裝方法和/ 或系統以測量多個被測對象。進一步被認為的是，如果實施這樣的傳感器，則作為結果的傳感器設計可以有助於降低安裝和開發成本，同 時消除次級操作和縮短設計周期時間。發明內容提供了如下總結以便於理解所披露的實施例的獨特的新穎的特徵 的一些，且如下總結不意圖於是完全描述。可以通過把完整的說明書、 權利要求書、附圖和摘要作為整體來獲得對實施例的多種方面的完全 理解。因此，本發明的一個方面是提供改進的傳感器方法和系統。 本發明的另一個方面是提供用於用來測量多個被測對象的組合傳 感器的封裝。本發明的另 一個方面是提供設計用於測量多個被測對象的組合壓 力傳感器系統的方法。現在可以如在此所描述而實現前述方面和其他目的和優點。用於測量多個被測對象的組合傳感器系統包括流量傳感器、壓力傳感器和 溼度傳感器。壓力傳感器和溼度傳感器可以具有獨立的到介質的通路 且對供給電壓比率測量，而流量傳感器對通向流動路徑的開口敏感， 組合傳感器利用彈性體密封件，其中至少一個密封件是電傳導密封件。特定用途集成電路(ASIC) —般地與組合傳感器關聯，其中ASIC 可以放置在構成圖案的電傳導基片上，例如放置在印刷電路板或基於 厚膜的陶瓷上，或用於信號調節的引線框上，以檢測流量、壓力、溼 度或溫度。可以布置換能器以優化組合傳感器系統的精確性和/或響 應時間或對介質的最優通路。用於測量多個被測對象的組合傳感器系統的幾何形狀包括了包括 壓阻材料的壓力換能矽晶片，MEMS (微機電系統)感測膜一般地與壓 阻材料關聯，其中當壓力施加到感測膜上時，感測膜偏轉。阻抗電路 一般地在感測膜上嵌有一個或多個壓阻元件，待檢測的壓力施加到壓 阻元件上。到壓阻元件的電連接製成為放置在矽晶片的前側或背側上 的電觸點。矽晶片位於傳飛彈性體密封件和非傳飛彈性體壓力密封件的構成圖案的夾層組合之間，從而電連接到矽晶片的表面上的各電觸 點。非傳飛彈性體壓力密封件在矽晶片的相對面上實現了機械密封。組合傳感器系統也可以包括其他基於矽的換能器，基於矽的換能器可以包括溼度傳感器。換能器的此實施例可以以類似以上所述的壓 力換能矽晶片的方式安裝。傳飛彈性體密封件和非傳飛彈性體壓力密封件的構成圖案的夾層組合可以用於提供從與矽壓阻材料關聯的阻抗電路到連接到ASIC的 構成圖案的電傳導基片或引線框的電接觸。這一般地包括壓力換能器 的非放大惠斯通電橋輸出或放大的電橋輸出響應.非傳飛彈性體壓力 密封件可以放置在矽晶片的非傳導區域上。在每個彈性體密封件上的 非傳導壓力密封件也將提供液體密封，從而允許非常高溼度的介質或 液體介質。


附圖進一步圖示了實施例且與詳細描述一起用於解釋在此披露的 實施例，圖中相同的參考數字在合併在說明書中且形成了說明書的部 分的分開的視圖中指示了相同的或功能類似的元件，圖1圖示了可以根據優選實施例實施的組合傳感器系統的透視圖；圖2圖示了可以根據替代實施例實施的組合傳感器系統的截面A-A;圖3圖示了圖1至圖2中示出的根據優選實施例的壓力傳感器的細節視圖；和圖4圖示了操作的高級別流程圖，該流程圖描繪了根據優選實施例的用於設計組合傳感器系統的方法的邏輯操作步驟。
具體實施方式
在這些非限制性例子中論述的特定的值和構造可以變化且僅被引 用以例示至少 一 個實施例且不意圖於限制實施例的範圍，圖1圖示了組合傳感器系統100的透視圖，該傳感器系統100可 以根據優選實施例實施。組合傳感器100可以測量多個被測對象且包 括與質量流晶片130關聯的流管180、壓力傳感器150和溼度傳感器 160。可以提供一對採樣口 120和125。壓力傳感器150和溼度傳感器 160可以每個具有獨立的到介質的通路且對供給電壓(未示出)比率 測量(ratiometric)，而空氣流晶片130對於通向流管180的流動路徑的開口敏感。ASIC 170 —般地與組合傳感器系統100關聯。ASIC 170可以放 置在構成圖案的電傳導基片或用於信號調節的引線框190上，以檢測 流量、壓力、溼度和/或溫度。電互連件110可以用於將組合傳感器 系統100電連接到支持應用。壓力傳感器150、溼度傳感器160和空 氣流晶片130可以以分配換能器130、 150或160以優化組合傳感器 系統100的精確性和/或響應時間的方式布置.圖2圖示了可以根據替代實施例實施的帶有流量限制器或皮托管 流量採樣元件210的組合傳感器系統200的截面視圖A-A。注意到， 在圖1至圖3中，相同或類似的零件或元件一般地標以相同的參考數 字。例如，在圖1中描繪的流管180、空氣流量換能器130、壓力換 能器150和溼度換能器160也出現在圖2中描述的傳感器200的構造 中。箭頭280指示了空氣通過流管180的雙向流動，其通過流量限制 器或越過例如皮托管210的流量採樣元件。在流量限制器210布置在 流管180的情況中，在空氣流量旁通室140內造成了壓力下降。 一對 採樣口 120和125 —般地在流管180的鄰近位置布置。對於皮托管， 口 120和125將居於210的相對側上。另一對採樣口 290和295可以 布置在流管180的任何位置處。介質流入到布置在流管180內的採樣 口 120和125內且暴露於壓力傳感器150和溼度傳感器160以用於測 量。用於測量多個被測對象的換能器150和160的幾何形狀包括壓阻 材料或對溼度敏感的介電材料(未示出)位於傳飛彈性體壓力密封件 230和非傳飛彈性體壓力密封件250以及非傳飛彈性體壓力密封件220 和260的構成圖案的夾層組合之間。傳飛彈性體壓力密封件230和非 傳飛彈性體壓力密封件250的構成圖案的夾層組合可以用於將傳感器 160和150電連接到基片190，該基片190連接到ASIC 170，且用於 繞傳導連接機械地"密封"以防止短路和洩漏，非傳飛彈性體密封件 220和260可以用於機械地"密封"組合傳感器100內的傳感器160 和150。壓力傳感器150包括一般地與壓阻材料關聯的感測膜270, 其中當壓力施加到感測膜270上時，感測膜270偏轉。ASIC 170—般 地放置在構成圖案的電傳導基片或引線框190上，使得ASIC 170內 的溫度傳感器或鄰近其他被測對象的其他溫度感測機構可以用於溫度補償。壓力傳感器150和溼度傳感器160對供給電壓(未示出)比率 測量。圖3圖示了圖1中描繪的可根據優選實施例實施的壓力傳感器150 的細節視圖，壓力傳感器150包括膜270，膜270包括兩組埋在薄的 化學獨刻的矽膜270的面內的壓敏電阻器310和320。壓力導致膜270 彎曲，從而引起了膜270和埋藏的電阻器310和320內的應力或應變。 電阻器310和320的值與所施加的應力成比例改變且因此產生了電信 號。傳飛彈性體密封件和非傳飛彈性體壓力密封件230的構成圖案的 夾層組合可以用於提供從與矽壓敏電阻器310和320關聯的阻抗電路 到連接到ASIC 170的構成圖案的電傳導基片或引線框190的電接觸。這樣的構造一般地包括使用壓力傳感器150的非放大的惠斯通電 橋輸出或放大的電橋輸出響應。矽壓敏電阻器310和320可以構造為 使用微加工技術製造在單一的單片晶片上的四電阻器惠斯通電橋。非 傳飛彈性體壓力密封件260可以放置在背側上。傳飛彈性體密封件和 非傳飛彈性體壓力密封件230和非傳飛彈性體壓力密封件260的構成 圖案的夾層組合也提供了液體密封，從而允許了非常高的溼度的介質 或液體介質。圖4圖示了操作的高級別流程圖，該流程圖描繪了根據優選實施 例的用於設計組合傳感器系統的方法400。壓力傳感器150、流量換 能器130、溼度換能器160和ASIC 170可以在基片190上相互分開布 置，如在方框410中描繪。然後，如在方框420中指示，例如皮托管 210的流量限制器或流量採樣元件可以布置在流管180內.流量傳感 器晶片130可以布置在流管140的感測通道內，如在方框430中示出。 然後，如在方框440中描述，壓力換能器150和溼度換能器160的感 測元件可以夾入基片190上的兩個彈性體密封件230、 260和220、 250 之間。傳飛彈性體密封件230和250可以構成圖案以提供到連接到ASIC 170的構成圖案的電傳導基片或引線框190的電接觸，如在方框450 中所描繪。非傳飛彈性體密封件220和260可以構成圖案以提供對換 能器160和150的機械密封，如在方框460中圖示。非傳飛彈性體密 封件也可以構成圖案以提供對傳感器殼體的機械密封，如在方框470 中圖示。在此描述的組合傳感器系統可以在製造和行銷上是不昂貴的，且 可以包括溫度補償和標定能力，連同介質流過口和真實的"溼"差動 感測。當選擇了用於表式傳感器的端子時，這樣的傳感器系統在暴露 於凍結條件下也可運行。所披露的組合傳感器系統也可以提供可交換性、可靠的彈性體構造、基於ASIC的信號調節和數字輸出，且可以 用於測量真空或正壓。將認識到的是，以上所披露的變化與其其他的特徵和功能或替代 可以按希望地組合到許多其他的不同的系統或應用.同樣，本領域一 般技術人員可以隨後進行多種目前未預見的或未預料到的替代、修 改、變化或改進，它們也意圖於由如下的權利要求書所包括.
權利要求
1.一種用於測量多個被測對象的組合傳感器系統，其包括多個相互分開布置在具有流管的傳感器的基片上的換能器元件；和多個沿流管鄰近所述的基片定位的採樣口，以向所述的傳感器提供測量多個被測對象的能力。
2. 根據權利要求1所述的系統，進一步包括與所述的傳感器關 聯的ASIC，其中所述的ASIC放置在構成圖案的電傳導基片或用於信號調節的引線框上，以檢測多個被測對象。
3. 根據權利要求2所述的系統，進一步包括 定位在所述的多個換能器上的傳飛彈性體密封件和非傳飛彈性體密封件；和多個與所述的構成圖案的電傳導基片或引線框關聯的電連接器， 其中所述的基片或引線框形成了與所述的傳感器的所述的ASIC的電 連接。
4. 根據權利要求3所述的系統，其中所述的傳飛彈性體密封件 適合於用於將所述的多個換能器電連接到所述的基片，所述基片連接 到所述的ASIC。
5. 根據權利要求3所述的系統，其中所述的非傳飛彈性體密封 件適合於用於機械地密封所述的傳感器內的所迷的多個傳感器。
6. 根據權利要求1所述的系統，其中所述的多個換能器包括壓 阻壓力換能器。
7. —種用於測量多個被測對象的組合傳感器系統，其包括 多個相互分開布置在具有流管的傳感器的基片上的換能器元件； 多個沿流管鄰近所迷的基片定位的採樣口，以向所述的傳感器提供測量多個被測對象的能力；和與所述的傳感器關聯的ASIC，其中所述的ASIC放置在構成圖案 的電傳導基片或用於信號調節的引線框上，以檢測多個被測對象。
8. 根據權利要求7所述的系統，進一步包括 定位在所述的多個換能器上的傳飛彈性體密封件和非傳飛彈性體密封件；和多個與所述的構成圖案的電傳導基片或引線框關聯的電連接器，其中所迷的基片或引線框形成了與所述的傳感器的所述的ASIC的電 連接.
9. 一種用於測量多個被測對象的組合傳感器系統，其包括 多個相互分開布置在具有流管的傳感器的基片上的換能器元件； 多個沿流管鄰近所述的基片定位的採樣口，以向所述的傳感器提供測量多個被測對象的能力；與所述的傳感器關聯的ASIC，其中所述的ASIC放置在構成圖案 的電傳導基片或用於信號調節的引線框上，以檢測多個被測對象；定 位在所述的多個換能器上的傳飛彈性體密封件和非傳飛彈性體密封 件；和多個與所述的構成圖案的電傳導基片或引線框關聯的電連接器， 其中所述的基片或引線框形成了與所述的傳感器的所述的ASIC的電 連接。
10. 根據權利要求9所述的系統，其中所述的多個換能器包括溫 度傳感器，所述的阻抗電路包括使用微加工技術製造在單一的單片芯 片上的四電阻器惠斯通電橋，且所述的多個換能器對供給電壓比率測 量。
全文摘要
用於測量多個被測對象的組合傳感器系統，其包括流量換能器、壓力換能器和溼度換能器。壓力換能器和溼度換能器提供有獨立的到被感測的介質的通路且對供給電壓比率測量，而流量傳感器對通向流動路徑的開口敏感。組合傳感器系統利用彈性體密封件，彈性體密封件包括構成圖案的電傳導密封件和非傳導密封件。ASIC一般地與組合傳感器關聯且位於構成圖案的電傳導基片或用於信號調節的引線框上，以檢測被感測的被測對象中的任何一個。換能器可以以分配換能器以優化組合傳感器系統的精確性和響應時間的方式布置。
文檔編號G01D11/24GK101329187SQ20071013992
公開日2008年12月24日 申請日期2007年8月3日 優先權日2007年6月22日
發明者C·M·布倫霍夫, C·S·貝克, J·W·斯佩爾德裡奇, P·P·小貝 申請人:霍尼韋爾國際公司