專利名稱：溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種微電子機械系統(tǒng)使用的風速、風向、溫度和氣壓傳感器，尤其涉及一種溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器。
背景技術：
風速計、溫度計、氣壓計在氣象、交通和戶外工作領域有著廣泛的運用。較為常見的是這些傳感器的各自獨立的封裝，并且分別采用各自的電路進行信號的處理。由于風速風向傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器都可以采用CMOS兼容的工藝進行制造，并輔以后處理工序來實現(xiàn)最后的傳感器結(jié)構(gòu)，因此這些傳感器和CMOS電路的單片集成成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可以實現(xiàn)風速、風向、溫度及氣壓檢測并有利于降低成本的小型化溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，具有一致性好的優(yōu)點。
本發(fā)明采用如下技術方案一種用于測量風、溫度和壓力的相關參數(shù)的溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，由硅片、至少四條作為加熱元件的多晶硅條、中心溫度傳感器、至少四個用于風向測定的溫度傳感器和壓阻組成，多晶硅條按正多邊形排列，中心溫度傳感器位于多晶硅條構(gòu)成的正多邊形內(nèi)，用于風向測定的溫度傳感器位于多晶硅條之外且根據(jù)多晶硅條構(gòu)成正多邊形的相似形排列，上述多晶硅條、中心溫度傳感器、用于風向測定的溫度傳感器和壓阻設在硅片上，所述的中心溫度傳感器為pn二極管，用于風向測定的溫度傳感器為熱電堆。
與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明能將風速、風向、溫度和氣壓的測量集成在一起。本發(fā)明通過加熱器在芯片表面建立一個溫度場，中心溫度傳感器可以測出該溫度場的平均溫度。風從表面吹過時，將從芯片表面帶走部分的熱量，造成中心溫度傳感器測出的平均溫度下降，該溫度下降即可反映風速的大小。用于風向測定的溫度傳感器差分輸出即為溫度梯度的變化，反映了風向的變化。當加熱器不工作時，中心溫度傳感器反映的就是環(huán)境溫度。在芯片的另一端，設計了一壓阻式的氣壓傳感器，采用壓阻式的結(jié)構(gòu)保證了傳感器與集成電路的接口，并且可以采用CMOS標準工藝進行制造。封裝結(jié)構(gòu)由薄層陶瓷和管座共同構(gòu)成。陶瓷與芯片之間的倒裝焊(flip-chip)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)芯片與外界的電氣互連；管座上開兩個孔，以保證壓力能引導入傳感器的表面，其中一個孔與外界的環(huán)境接觸，另一個孔被抽成真空，氣壓通過真空空腔內(nèi)的薄膜進行感應。壓阻的變化則可以通過惠斯通電橋電路來進行測量。最后可以根據(jù)壓阻的變化推測知氣壓的變化。
2、風速、風向、溫度和氣壓傳感器集成在同一個芯片上，和各自的獨立封裝相比，總的面積大大減少，有利于降低成本。
3、可以采用標準的CMOS工藝和片上處理電路一同制造，保證了傳感器的一致性。
4、傳感器的正面采用陶瓷材料進行封裝，可以避免傳感器與測量環(huán)境的直接接觸，保護了片上處理電路；5、壓力傳感器的氣壓傳送口從封裝的背面引出，可以避免對正面風流體的影響；6、傳感器的后處理工藝從硅片的背面開始，減少了后處理加工對檢測電路的影響，有利于提高成品率。


圖1為本發(fā)明的主視圖。
圖2為本發(fā)明的截面圖。
具體實施例方式
一種用于測量風、溫度和壓力的相關參數(shù)的溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，由硅片105，至少四條作為加熱元件的多晶硅條1011、1012、1013、1014，中心溫度傳感器102，至少四個用于風向測定的溫度傳感器1031、1032、1033、1034和壓阻組成，多晶硅條按正多邊形排列，中心溫度傳感器102位于多晶硅條構(gòu)成的正多邊形內(nèi)，用于風向測定的溫度傳感器位于多晶硅條之外且根據(jù)多晶硅條構(gòu)成正多邊形的相似形排列，上述多晶硅條、中心溫度傳感器102、用于風向測定的溫度傳感器和壓阻設在硅片105上，所述的中心溫度傳感器102為pn二極管，用于風向測定的溫度傳感器為熱電堆，上述多晶硅條可按正五邊形排列、正六邊形排列或正八邊形排列，在本實施例中，由硅片105，四條作為加熱元件的多晶硅條1011、1012、1013、1014，中心溫度傳感器102，四個用于風向測定的溫度傳感器1031、1032、1033、1034和壓阻104組成，四條多晶硅條1011、1012、1013、1014呈正方形排列；采用四個壓阻1041、1042、1043、1044且該四個壓阻1041、1042、1043、1044按電橋連接，硅片105上并位于多晶硅條和溫度傳感器的下方設有熱阻孔1052，在硅片105、多晶硅條、溫度傳感器和壓阻之外設有管座108，在壓阻的下方設有壓力引導孔1051，在管座108上且位于壓力引導孔1051的下方區(qū)域設有通孔1081，在多晶硅條、溫度傳感器和壓阻104的上方設有陶瓷密封片107，在壓阻、陶瓷密封片107及管座108之間設有空腔1083且該空腔1083為真空空腔，壓力引導孔1051為真空孔。
本發(fā)明是一種能夠?qū)囟?、風速、風向、氣壓傳感器進行單片集成的方案。風速風向和溫度傳感器由加熱元件多晶硅條、中心溫度傳感器和用于風向測定的溫度傳感器構(gòu)成，中心溫度傳感器和用于風向測定的溫度傳感器可以由pn二極管或熱電堆來實現(xiàn)。三種傳感器分時段工作。當加熱元件多晶硅條和用于風向測定的溫度傳感器B103不工作時，中心溫度傳感器即可以測量環(huán)境溫度。當多晶硅條加熱時，中心溫度傳感器測量的是加熱后的芯片的平均溫度。在風的環(huán)境之下，通過片上電路的控制實現(xiàn)該溫度恒定，此時可以通過測量加熱條的兩端的電壓變化來反推風速的大小?；ハ啻怪钡乃膫€溫度傳感器可以通過測量在互相垂直的兩個方向上的溫度差來求得風向。氣壓傳感器則可以通過惠斯通電橋的方式來測量壓阻的變化，從而求得氣壓的大小。以上的敏感元件和加熱元件的實現(xiàn)均可以采用標準的CMOS工藝來實現(xiàn)。硅片105背面可以采用KOH或TMAH或EDP腐蝕液來實現(xiàn)各項異性腐蝕從而形成薄膜106。對于風速、風向和溫度傳感器而言，該薄膜是傳感器的支撐結(jié)構(gòu)，薄膜的下方是空腔。由于硅是熱的良導體，而空氣不是，因此這種結(jié)構(gòu)可以提高熱的效率，降低傳感器的功耗，提高測量的精度，對于壓力傳感器而言該薄膜是一層敏感膜，該敏感膜上的壓阻阻值的變化可以反應氣壓的變化。該芯片的正面采用陶瓷107倒封裝方式(flip-chip)，使得芯片上的傳感器和電路可以與外部電路互連。同時，陶瓷片還實現(xiàn)風速、風向和溫度傳感器與外界的隔離。由于陶瓷是熱的良導體，因此只會降低輸出的幅度，而不會對傳感器的測量范圍、精度等造成影響。管座108部分開有壓力引導孔1081，以保證壓力能導入到壓力傳感器的表面。管座的另一側(cè)開有抽氣孔，實現(xiàn)芯片表面的敏感元件處于真空1083的狀態(tài)下。壓力引導孔內(nèi)的壓力變化即可以被測量出來。最后的信號輸出可以通過向管座引腳109焊接的方式引出。
權利要求
1.一種用于測量風、溫度和壓力的相關參數(shù)的溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，其特征在于由硅片(105)、至少四條作為加熱元件的多晶硅條(1011、1012、1013、1014)、中心溫度傳感器(102)、至少四個用于風向測定的溫度傳感器(1031、1032、1033、1034)和壓阻組成，多晶硅條按正多邊形排列，中心溫度傳感器(102)位于多晶硅條構(gòu)成的正多邊形內(nèi)，用于風向測定的溫度傳感器位于多晶硅條之外且根據(jù)多晶硅條構(gòu)成正多邊形的相似形排列，上述多晶硅條、中心溫度傳感器(102)、用于風向測定的溫度傳感器和壓阻設在硅片(105)上，所述的中心溫度傳感器(102)為pn二極管，用于風向測定的溫度傳感器為熱電堆。
2.根據(jù)權利要求1所述溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，其特征在于由硅片(105)、四條作為加熱元件的多晶硅條(1011、1012、1013、1014)、中心溫度傳感器(102)、四個用于風向測定的溫度傳感器(1031、1032、1033、1034)和壓阻(104)組成，四條多晶硅條(1011、1012、1013、1014)呈正方形排列。
3.根據(jù)權利要求1或2所述溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，其特征在于采用四個壓阻(1041、1042、1043、1044)且該四個壓阻(1041、1042、1043、1044)按電橋連接。
4.根據(jù)權利要求3所述溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，其特征在于在硅片(105)上并位于多晶硅條和溫度傳感器的下方設有熱阻孔(1052)。
5.根據(jù)權利要求4所述溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，其特征在于在硅片(105)、多晶硅條、溫度傳感器和壓阻之外設有管座(108)。
6.根據(jù)權利要求5所述溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，其特征在于在壓阻的下方設有壓力引導孔(1051)，在管座(108)上且位于壓力引導孔(1051)的下方區(qū)域設有通孔(1081)。
7.根據(jù)權利要求6所述溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，其特征在于在多晶硅條、溫度傳感器和壓阻(104)的上方設有陶瓷密封片(107)，在壓阻、陶瓷密封片(107)及管座(108)之間設有空腔(1083)且該空腔(1083)為真空空腔，壓力引導孔(1051)為真空孔。
全文摘要
一種用于測量風、溫度和壓力的相關參數(shù)的溫度、風速、風向和氣壓集成傳感器，由硅片、至少四條作為加熱元件的多晶硅條、中心溫度傳感器、至少四個用于風向測定的溫度傳感器和壓阻組成，多晶硅條按正多邊形排列，中心溫度傳感器位于多晶硅條構(gòu)成的正多邊形內(nèi)，用于風向測定的溫度傳感器位于多晶硅條之外且根據(jù)多晶硅條構(gòu)成正多邊形的相似形排列，上述多晶硅條、中心溫度傳感器、用于風向測定的溫度傳感器和壓阻設在硅片上，所述的中心溫度傳感器為pn二極管，用于風向測定的溫度傳感器為熱電堆，本發(fā)明具有總面積大大減少，降低成本，保證了傳感器的一致性，保護了片上處理電路，避免對正面風流體的影響，有利于提高成品率等優(yōu)點。
文檔編號G01K7/01GK1670488SQ200510038840
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月13日 優(yōu)先權日2005年4月13日
發(fā)明者孫建波, 秦明, 黃慶安 申請人:東南大學