专利名称：放大流量通过压力传感器的制作方法
放大流量通过压力传感器
技术领域：
0001概括地说，本发明的实施方案涉及传感器方法和系统。 本发明的实施方案还涉及基于MEMS (微型电子机械系统)的压力传 感器。另外，本发明的实施方案还涉及合并了用于信号调节和/或放大
的ASIC (专用集成电路)部件的压力传感器。背景技术：
0002在不同的应用中为测量流量速率采用了许多方法和装置。 基于微型MEMS的压力传感器能够被用以测量非常低的流量速率，并 且具有可靠的准确度。这种基于MEMS的压力传感器已被应用于例如 多种流量传感装置中，例如医疗应用场合，其中的一些采用了用于测 量非常低的压力的硅压阻传感技术。其它流量传感仪器例如包括环境 应用。
0003MEMS包括通过使用微型品制造技术将纟效型机械元件、 传感器致动器及电子部件集成在共同的硅基板上。电子元件能够通过 集成电路(IC)工艺程序(例如CMOS工艺、双极工艺或BICMOS 工艺)等制造，而微型机械部件能够通过可兼容的"微加工"工艺制造， 这种微加工工艺选择性地蚀刻掉硅晶片的部分或增加新的结构层以形 成机械及电子机械装置。通过使用微加工技术将硅基微电子元件集成 在一起，使得能够实现完全的"芯片系统"，MEMS有望彻底变革几乎 每种产品分类。MEMS是一种使"智能"产品发展、给微型电子元件的 计算能力增加微传感器和微致动器的感知和控制能力、同时扩展可能 的设计和应用空间的使能技术
0004例如，生产用于汽车市场的大部分现有技术MEMS压力 变换器通常包括使用体蚀刻(bulk-etch)微加工技术制造在单个单片 集成芯片(die)上的四电阻惠斯通电桥。集成到传感器芯片内的压阻 元件能够沿着压力传感隔膜上适用于应变测量的点片的外周定位。这 种传感器生产起来比较经济并且能够与晶片上的可能包含几百至几千0005在电桥配置中，对角地相对的支脚的阻抗沿相同的方向 等量变化。 一组对角地相对的支脚的阻抗在受压时增加，另一组的阻 抗减小，反之亦然。呈电压或电流形式的电桥激励^皮应用经过电桥的 两个相对的角。电压的任何改变(例如压力)都能被检测为电桥另两 个角上的电压差，通常被称为信号输出。对于硅压阻传感器来说，不 利的是，此电压差非常小。因而，在传感器能够被使用之前，必需对 其进行补偿。
0006体蚀刻微加工(bulk-micromachined )硅压力传感器通常 合并了隔膜的使用并且还包括压阻变换器，所述隔膜在受到压力载荷 时变位，所述压阻变换器将应变转化为差分电压。金属垫能够被用于 与其它系统部件的接口 。用于校准或放大的信号调节电路是可选的， 但经常也是被包括在内的。压阻变换器有意地放置在隔膜的边缘附近， 因为其为高应变位置，并且每个传感器被设计成使得其输出电压线性 地正比于在工作范围内所施加的压力。
0007在一些应用中，优选地信号调节/信号放大能力被合并到 传感器内。可以相信，当前在集成封装内还没有基于压阻传感技术的 放大流量通过传感器。还可以相信，如果这种传感器能够被实施，则 这将有助于降低安装和开发成本，同时消除了二次操作并且缩短了设 计周期时间。
发明内容
0008下面的发明内容被提供用以便于所披露的本发明实施方 案所独特的一些创新特征的理解，而并非意在将其作为完整的说明。 通过将整个说明书、权利要求、附图及摘要作为一个整体，能够充分 理解本发明实施方案的各个方面。
0009因此，本发明的一个方面提供一种改进的压力传感器， 用于以可靠的准确度测量非常低的流量速率。
0010本发明的另一方面提供一种压力传感器，其合并有用于 信号调节的ASIC并且将ASIC从压力传感芯片腔隔离开。
0011本发明的再一方面以单个封装的形式提供一种微型放大 及温度补偿流量通过传感器。0012现在能够如在此所述实现前述的方面及其它目的和益处。
压力传感器是系统和/或所披露的压力传感器装置。这种装置包括分隔 成两个半部的壳体。在一个半部内，能够封装有具有传导性密封件及
介质密封件的压力传感器芯片，在另 一个半部内能够设置有ASIC。 ASIC优选为放置在引线框上，从而ASIC内的温度传感器被用于温度 补偿。然后，整个壳体能够被顶壳体所封装，该顶壳体能够通过热封、 超声波焊或任何其它塑性接合工艺接合。
0013在用于流量速率测量的、基于MEMS的压力传感器系统 的上下文中，能够实现所述压力传感器。这种系统包括位于介质密封 件和传导性密封件之间的压力传感器芯片。传感隔膜通常与压力传感 芯片关联，其中，当有压力被施加于其上时，传感隔膜移位(deflect )。 阻抗电路在施有将被检测的压力的传感隔膜上通常嵌入有一个或更多 电阻。ASIC通常与阻抗电路和传感芯片(sense die )相关联，其中， ASIC放置在引线框上，用于信号调节从而检测压力的变化。
0014下面这些附图进一步示出了本发明的实施方案，并且结 合详细的描述用以解释在此所披露的本发明的实施方案；在这些附图 中，相同的附图标记表示贯穿每个分开示出的视图的相同或功能类似 的元件，并且这些附图^皮并入本说明书中，成为说明书的一部分。
0015图1示出了合并了 ASIC的放大流量通过压力传感器的 分解立体图，该流量通过压力传感器能够根据优选实施方案来实现；
0016图2示出了流量通过压力传感器组的平面图，其能够根 据优选实施方案来实现；
0017图3-5分别示出了根据优选实施方案的、关于图2中所 示的沿线A-A、 B-B以及C-C截取的截面图，
0018图6示出了根据优选实施方案、如图1中所示合并了 ASIC 的压力传感器的详细功能方框图，其中压力^皮施加到底侧；以及
0019困7示出了根据替换实施方案、如图1中所示合并了 ASIC 的压力传感器的详细功能方框图，其中压力一皮施加到顶侧。
具体实施方式0020在这些非限定性的示例中所讨论的具体数值及配置是能 够改变的，并且，对它们的引述仅仅是为了说明至少一个实施方案， 而并非意在限制其范围。
0021图1示出了放大流量通过压力传感器100的分解立体图， 该流量通过压力传感器100能够根据优选实施方案来实现。放大流量 通过传感器100能够被分成两个半部，即第一半部101和第二半部 102。管部103通常位于第一半部101和第二半部102之间，并且靠近 第一半部101和第二半部102。在第一半部101内，压力传感芯片105 能够被介质密封件106及传导性密封件107所封装。压力感应物质能 够流过管部103。在第二半部102内能够设置且封装ASIC 108。在连 接件104的辅助作用下，传感器100能够被设置在所需的基部内。
0022图1进一步示出了压力传感器100的第二半部102，ASIC 108设置在该第二半部102内。ASIC 108通常浮皮设置于引线框109上， 使得ASIC 108内的温度传感器被用于温度补偿。设置在引线框109 上的ASIC 108能够位于传感器100的第二半部102上的塑料壳体110 上。整个传感器100能够通过热封、超声波焊接或通过任何其它塑性 接合工艺接合。合并在传感器的第二半部102内的ASIC 108提供信号 放大。
0023图2示出了根据优选实施方案的、流量通过压力传感器 100的俯视图200。应当注意，在图1-2中，相同或类似的零件或元件 通常^1标示以相同的附图标记。例如在图2中也出现了图1中所示的 传感器的第一半部101和第二半部102以及流通管部103。平面A-A 示出了流量通过压力传感器的水平截面，线B-B以及C-C示出了流量 通过压力传感器100的竖向截面。放大流量通过传感器100的第一半 部用IOI来标示，第二半部用102来标示。根据设计情况，在连接件 104的辅助下，传感器100能够被放置在所需的基部内。
0024图3示出了沿平面A-A的截面图300，其中包括》丈大流 量通过传感器100的第一半部101和第二半部102。应当注意，在图 1-3内，相同或类似的零件或元件通常标示以相同的附图标记。因而， 图1中所示的附图标记101、 102、 103、 104、 105、 106、 107、 110 在图3中指代相同的部件。压力传感芯片105能够被介质密封件106 及传导性密封件107所封装。压力感应物质能够流过管部103。笫二半部102具有塑料壳体110， ASIC 108被放置在所述塑料壳体110处。 在连接件104的辅助下，传感器100能够被放置在所需的基部内。
0025图4示出了放大流量通过传感器沿平面B-B的截面图 400。应当注意，在图1-3内，相同或类似的零件或元件通常标示以相 同的附图标记。因而，图1中所示的附图标记101、 104、 105、 106 及107在图4中指代相同的部件。该图示出了压力传感器的第一半部 101。如图中所示，压力传感芯片105能够被介质密封件106及传导性 密封件107所封装。在连接件104的辅助下，传感器100能够被放置 在所需的基部内。
0026图5示出了流量通过传感器沿截面C-C的截面图500， 其中包括;故大流量通过传感器100的第一半部101和第二半部102。 应当注意，在图l-5内，相同或类似的零件或元件通常标示以相同的 附图标记。因而，图1中所示的附图标记101及102在图5中指代相 同的部件。
0027图6示出了根据优选实施方案的、如图1中所示具有ASIC 108的压力传感器100的功能方框图600，所述ASIC 108被合并用于 在压力被施加于压力芯片105上时进行信号调节及放大。应当注意， 在图1和图6内，相同或类似的零件和/或元件通常以相同的附图标记 表示。因而，图1中所示的附图标记IOO及108在图6中指代相同的 部件。压力传感器100通常包括与第一信号调节单元206相关联的压 力模块202，所述第 一信号调节单元206连接到第二信号调节单元208。 第一信号调节单元206产生一个或更多能够被传送到第二信号调节单 元208的信号。外部供应电压装置205向所述第一信号调节单元206 及第二信号调节单元208提供电压。压力传感器IOO还包括位于信号 调节单元208内的ASIC 108。
0028如图6中的箭头201所示，输入压力(P)能够被施加到 压力模块202。如由箭头203所示，此压力改变引起隔膜的变位，因 而在信号调节单元206内发生阻抗网络204的阻力变化的变位。此过 程能够被称为"信号调节"。外部供应电压(Vs) 205能够被设置用于 信号调节单元206和208,其进而又产生通过第一信号调节单元206 发生的输出信号(Vo) 207。然后，输出信号207被传送到第二信号 调节单元208。 ASIC 108通常在第二信号调节单元208处进行信号调节/放大并且产生放大输出信号209 (即放大的Vo)。传感器信号调节 单元206和208 —起执行用于校准、温度补偿及线性化放大输出信号 209的所有所需功能，因而，通过集成用于信号调节的ASIC 108并且 使其与压力模块202隔离实现了改进。
0029图7示出了根据优选实施方案的、如图1中所示具有ASIC 108的压力传感器100的高位方框图700。应当注意，在图1-7内，相 同或类似的零件和/或元件通常标示以相同的附图标记。因而，图l中 所示的附图标记105及108以及图6中所示的附图标记202、203、204、 205、 206、 207、 208及209在图7中指代相同的部件。如图7中箭头 401所示，输入压力能够被施加到压力模块202。压力传感芯片105 传感(sense)压力改变，并且如箭头203所示引起隔膜的变位，因而 在第一信号调节单元206内发生阻抗网络204的阻力变化。信号调节 单元206产生输出信号(Vo) 207。 ASIC 108在第二信号调节单元208 处执行信号调节及放大，并且产生放大输出信号(放大的Vo) 209， 并且以数字的方式校正输出。在一些实施中，ASIC 108能够由5伏直 流源(Vs) 205供电。
0030信号放大器108位于笫二腔内，该信号放大器108与压 力传感器电接触并且放大来自压力传感器的、代表第一腔内例如空气 或空气及水蒸汽等流体压力的信号。信号放大器优选为本领域内公知 的专用集成电路(ASIC) 。 ASIC还能够用于对MEMS硅压阻传感器 进行信号调节。可以采用ASIC,用于在其工作压力范围上以小于全规 模输出(FSO) ±1%的总误差校准及补偿压力传感器。总误差包括像 偏移及敏感性温度系数一样由于偏移及敏感性所引起的效应。
0031ASIC是有用的，因为用于压阻压力传感器的通常输出信 号与温度有关。例如，有用的ASIC包括例如来自日本Tohoku的藤仓 公司(Fujikura Ltd )的基于DSP的电路等ASIC装置，其能够校正传 感器的偏移及灵敏度。这种示例藤仓公司的电路能够在-30。C至80。C的 温度范围内工作。该示例藤仓公司的ASIC能够被配置于0.7 pm双层 多晶硅(double-polysilicon)、双金属n阱CMOS工艺上。其具有E -A(sigma-delta)16位模数转换器、具有内置温度传感器的参考电压、 16位DSP芯核、IOI多晶硅熔丝、步进电压调节器、IO位数模转换器 (DAC)以及4MHz振荡器。使用多晶硅熔丝存储校正的系数。应用串行接口或通过10位DAC所提供的模拟信号能够获取输出代码。此 电3各还可以4卜^f尝二;!欠;^显度iHM正(secondary temperature characteristic ), 并且能够利用例如120串行接口 。内置充量泵(built-in charge pump ) 使得该装置允许该装置在额定为3 V以下的电路内发挥作用。"休眠" 模式降低了功率消耗。
0032ASIC的另一种示例是由新加坡《效电子研究院(The Institute of Microelectronics in Singapore,新力"皮微电子研究院)生产 的，其为具有熔丝连接环阵列的、完全用户化的模拟ASIC，从-40。C 至125°C实现了前述性能。这种ASIC能够通过0.8 pm双层多晶硅、 双金属CMOS工艺配置。这种ASIC包括芯核模拟信号处理器、64位 熔丝连接环阵列以及串行熔丝连接环接口 。 ASIC的数字部分提供了才莫 拟信号处理器和控制器之间的接口 。此控制器通过串行输入-串行输出 通信协议将数据写到接口并从该接口读取数据。串行接口内的数据能 够被加载到熔丝连接环阵列内以控制模拟信号处理器内的各种阻抗网 络。这些阻抗网络被用于各种可编程功能。
0033所有这些可编程功能使得能够将校准、敏感度及温度效 应补偿到一阶。该ASIC的特征为使用5 V电源的0.5至4.5V的输出。 其它适当的信号放大器——根据替代实施方案可以进行改装——包括 例如ZMD31050 RBIC系列先进的差分传感器信号调节器，从纽约 Melville的ZMD美国<^司(ZMD America Inc., of Melville, New York, 纽约Melville的ZMD美国公司)能够买到传感器信号调节器。
0034ASIC 108的信号通道一部分是才莫拟式的， 一部分是数字 式的。模拟部分是以差分的方式实现的。因此能够放大信号输入的共 模范围内的正负输入信号。来自信号调节单元206的电输出信号(Vo) 207能够被可编程的增益放大器(PGA )402预放大。多路复用器(MUX ) 403能够用于以特定的顺序将由信号调节单元206或分开的温度传感 器(TS) 404产生的信号传送到模数转换器(ADC) 405。然后，ADC 405将这些信号转换成数字值。数字信号校正发生在校准微控制器 (CMC ) 406内，并且基于位于ROM 407内的专用冲交正/>式以及在校 准过程中存储到EEPROM408内的传感器专用系数进行。
0035输出信号(放大的Vo) 209能够在串行接口 (SIF)409 处被提供。最终值能够通过11位数模转换器(DAC ) 410转换成模拟电压。模拟输出411具有寄存器，所述寄存器能够存储实际压力及温 度测量的结果。根据该编程的输出配置，校正的传感器放大信号输出
(放大的Vo) 209被产生为模拟值。配置数据和校正参数能够通过串 行数字接口 409 一皮编程到EEPROM 408内。从压力传感芯片105到放 大输出信号209 (放大的Vo)的信号通道通常是用于隔离和补偿灵活 性的模数模信号通道。
0036能够使用计算机来记录在每个校准温度处的校正值。然 后，能够通过计算来构造多阶方程，所述方程用于校正超过某温度的 传感器的输出。在获取了最终校准温度数据后能够将用于该方程的系 数能够被加载到该单元的EEPROM 408内。在校正方程系数加载到该 单元的EEPROM 408内之后，则认为该装置得到了充分的校准。校准 程序应当优选地包括校准计算的系数的设定、根据配置的扩展偏移补 偿的调整、温度测量的零补偿以及电桥电流的调整。
0037在此所述的压力传感器能够被经济地生产和出售，其能 够包括温度补偿和校准能力以及介质流量通过端口及真正的"湿"差分 传感，并且在暴露到冰冻情况下时通过选择计量传感器的终端还能够 工作。这种传感器还能够提供能够互换的、证实弹性构造、基于ASIC 的信号调节及数字输出，并且能够被用以测量真空或正压力。
0038所披露的压力传感器装置和系统在广泛的应用范围内能 够得到应用，例如包括但不限于牙科治疗椅、喷雾器、肾脏透析机、 血细胞分离机等医疗应用。这些产品不仅简化了测试、监测及治疗过 程，而且还有助于通过缩短在医院内的时间以及对慢性病提供自动持 续的治疗来改善患者的生活质量。在流量监测和控制很重要的任何情 况下，这种装置和/或系统还能够采用于环境应用中，例如水控制阀、 仪器仪表、灌溉设备等。
0039可以意识到，根据需要，上述披露的变型及其其它特征 和功能或替代方案均可以结合到许多其它不同的系统或应用中。以后， 本领域的普通技术人员能够作出各种当前未预见的或者未预想到的替 代方案、改型、变型或对其进行的改进，这些替代方案、改型、变型 或改进也将包含在下面的权利要求内。
权利要求
1.一种用于流率测量的基于MEMS的压力传感系统，其包括被分隔成第一半部和第二半部的传感器，所述传感器带有壁构件，所述壁构件将所述第一半部和所述第二半部分开；压力模块，所述压力模块包括与压阻材料相关联的传感隔膜，其中，当压力被施加到所述压阻材料时，所述传感隔膜变位；设置在所述传感器的所述第一半部内的第一信号调节单元，其中所述第一信号调节电路包括嵌入有至少一个与所述压阻材料相关联的压阻元件的阻抗电路；以及设置在所述传感器的所述第二半部内的第二信号调节单元，其中所述第二信号调节单元合并有信号放大器，使得所述第一和第二信号调节单元、所述压力模块、所述传感隔膜和所述传感器提供用于流率测量的基于MEMS的压力传感系统。
2. 如权利要求l所述的系统，其中，所述信号放大器包括ASIC。
3. 如权利要求l所述的系统，还包括 位于所述第一半部内的传导弹性垫； 位于所述传导弹性垫上的压力传感器； 位于所述传感器上的弹性介质密封件；位于所述弹性介质密封件上的流量通过管部，其中所述流量通过管 部附接到壳体，使得通过搭扣配合流过所述流量管部的流量和所述壳 体一起形成气密密封，其防止了流体通过所述气密密封漏出或进入， 其中流过所述流量管部的所述流量依循允许受压流体进入所述第一半 部的通道。
4. 如权利要求3所述的系统，还包括电连接件，所述电连接件穿过所述壁构件因而形成所述传感器和所 述信号放大器之间的电连接。
5. 如权利要求2所述的系统，其中所述ASIC包括用于预放大由电桥传感器所产生的电桥传感器信号的可编程增益 放大器(PGA);连接到所述PGA的多路复用器(MUX)，其中所述MUX传送来 自所述电桥传感器的所述电桥传感器信号；连接到所述MUX的模数转换器(ADC),其中所述ADC将来自所述MUX的所述电桥传感器信号转换成至少一个数字值；连接到所述ADC的校准微控制器(CMC),其中所述CMC将数字信号校正提供给由所述ADC产生的所述至少一个数字值；连接到所述CMC的ROM,其中所述ROM存储专用校正乂A式； 连接到所述CMC的EEPROM,其中所述EEPROM校准校正方程系数；数模转换器(DAC )，用于将最终输出值从所述CMC转换成模拟 电压；以及连接到所述EEPROM的串行接口 (SIF)，其中所述SIF提供输出信号。
6. 如权利要求5所述的系统，其中所述SIF将配置数据和校正参 数编程到所述EEPROM内。
7. —种用于流率测量的基于MEMS的压力传感系统，其包括 被分隔成第一半部和第二半部的传感器，所述传感器带有壁构件，所述壁构件将所述第 一半部和所述第二半部分开，其中所述传感器包 括压阻压力传感器；压力模块，所述压力模块包括与压阻材料相关联的传感隔膜，其中 当有压力被施加到所述压阻材料时，所迷传感隔膜变位；设置在所述传感器的所述笫一半部内的第一信号调节单元，其中所 述第一信号调节电路包括嵌入有至少一个与所述压阻材料相关联的压 阻元件的阻抗电^各；以及设置在所述传感器的所述第二半部内的笫二信号调节单元，其中所 述第二信号调节单元合并有信号放大器，其中所述信号放大器包括ASIC，使得所述第一和第二信号调节单元、所述压力才莫块、所述传感 隔膜和所述传感器提供了用于流率测量的基于MEMS的压力传感系 统。
8. 如权利要求7所述的系统，还包括 位于所述第一半部内的传导弹性垫； 位于所述传导弹性垫上的压力传感器； 位于所述传感器上的弹性介质密封件；位于所述弹性介质密封件上的流量通过管部，其中所述流量通过管 部附接到壳体，使得通过搭扣配合流过所述流量管部的流量和所述壳体一起形成气密密封，其防止了流体通过所述气密密封漏出或进入，其中流过所述流量管部的所述流量依循允许受压流体进入所述第一半部的通道。
9. 一种用于流率测量的基于MEMS的压力传感系统，其包括 被分隔成第一半部和第二半部的传感器，所述传感器带有壁构件，所述壁构件将所述第一半部和所述第二半部分开；压力模块，所述压力模块包括与压阻材料相关联的传感隔膜，其中 当有压力被施加到所述压阻材料时，所述传感隔膜变位；设置在所述传感器的所述第 一半部内的第 一信号调节单元，其中所 述第一信号调节电路包括嵌入有至少一个与所述压阻材料相关联的压 阻元件的阻抗电路，其中所述阻抗电路包括使用微加工技术制造在单个单片集成芯片上的四电阻惠斯通电桥，使得受激励的所述第 一信号 调节单元产生信号输出；以及设置在所述传感器的所述第二半部内的第二信号调节单元，其中所 述第二信号调节单元合并有信号放大器，使得所述第一和第二信号调节单元、所述压力模块、所述传感隔膜和所述传感器提供了用于流率 测量的基于MEMS的压力传感系统。
10. 如权利要求9所述的系统，还包括 位于所述第一半部内的传导弹性垫； 位于所述传导弹性垫上的压力传感器； 位于所述传感器上的弹性介质密封件；位于所述弹性介质密封件上的流量通过管部，其中所述流量通过管 部附接到壳体，使得通过搭扣配合流过所述流量管部的流量和所述壳 体一起形成气密密封，其防止了流体通过所述气密密封漏出或进入， 流过所述流量管部的所述流量依循允许受压流体进入所述第一半部的 通道；电连接件，所述电连接件穿过所述壁构件因而在所述传感器和所述 信号放大器之间形成电连接；以及引线框，所述引线框包括多个延伸穿过所述壳体的电连接件，其中 所述引线框形成与所述传感器和所述信号放大器的电连接。
全文摘要
一种用于流率测量的基于MEMS的压力传感器，其包括位于介质密封件和传导性密封件之间的压力传感芯片。这种系统包括位于介质密封件和传导性密封件之间的压力传感芯片。传感隔膜通常与压力传感芯片相关联，其中当有压力被施加于其上时传感隔膜会变位。阻抗电路在施有将被检测的压力的传感隔膜上通常被嵌入有一个或更多电阻。ASIC通常与阻抗电路及传感芯片相关联，其中ASIC被放置在引线框上，用于信号调节从而检测压力的变化。
文档编号G01F1/38GK101595371SQ200780050751
公开日2009年12月2日 申请日期2007年12月30日 优先权日2006年12月4日
发明者S·萨达西万, T·A·塞尔万 申请人:霍尼韦尔国际公司