專利名稱：公共封裝中測量多個被測量的組合傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明的實施例涉及感測裝置和方法，包括流量傳感器、壓力傳 感器、濕度傳感器和溫度或熱傳感器。本發(fā)明的實施例還涉及用于測 量多個被測量的傳感器。
背景技術(shù)：
在各種流量、濕度、壓力和溫度感測應用中使用傳感器。流量傳 感器例如在各種流體感測應用中^f吏用，用于測量流體的運動，所述流 體為氣態(tài)(例如空氣)或液態(tài)形式。 一種類型的流量測量例如基于熱 傳感器，其也可用于檢測流體的屬性。熱傳感器例如可以以微結(jié)構(gòu)形 式實現(xiàn)在硅上。為了方便而不是限制，術(shù)語"流量傳感器，，也可用于 指這種熱傳感器。讀者能夠理解這種傳感器可用于測量諸如溫度、熱導率、比熱的主要流體屬性以及其它屬性；且流動可通過受迫或自然 對流產(chǎn)生。在Aravind Padmanabhan等的美國專利申請No. 20050022594中 公開了流量傳感器的一個例子，該申請的名稱為"Flow Sensor with Self-Aligned Flow Channel"，于2005年2月3日/>開并轉(zhuǎn)讓給 Honeywell International Inc,在此引用其全文作為參考。美國專 利申請No. 20050022594中公開的裝置一般性地描述了具有襯底的流 量傳感器，該襯底具有感測元件和在感測元件上排列的流道。該感測 元件感測流體的至少一個屬性。通過在對準層中形成的一個或多個引 導元件來對準流道。在2005年3月29日授權(quán)給Richard Gehman等且轉(zhuǎn)讓給 Honeywell International Inc的美國專利No. 6871537 (名稱為 "Liquid Flow Sensor Thermal Interface Methods and Systems") 中公開了流量傳感器的另 一個例子，該專利在此全文引用作為參考。 美國專利No. 6871537中描述的流體流量傳感器測量流體的熱導率。該 傳感器包括與傳感器襯底相關(guān)聯(lián)的一個或多個感測元件。加熱器與該 傳感器相關(guān)聯(lián)并向流體供熱。膜組件將流體與加熱器和傳感器隔離， 并在從加熱器到傳感器的方向上導熱，由此在傳感器、加熱器和流體 之間形成熱耦合，這使得傳感器能夠通過測量流體的熱導率確定流體 的成份，而在其它方向上沒有不希望的熱損失。該膜組件可構(gòu)造成管 或流道。在2004年4月20日授權(quán)給Davis等且轉(zhuǎn)讓給Honeywell International Inc的美國專利No. 6724612 (名稱為"Relative Humidity Sensor with Integrated Signal Conditioning")中公 開了濕度傳感器的一個例子，該專利也在此全文引用作為參考。美國 專利No. 6724612中描述的濕度傳感器涉及包括平面濕度靈敏電容器 結(jié)構(gòu)的集成相對濕度傳感器，所述結(jié)構(gòu)基于薄的多孔鉑頂板、濕度靈 敏聚酰亞胺電介質(zhì)和金屬(例如，鈦-鴒)底板。兩個電容器串聯(lián)連接 使得金屬底板形成獨立的電驅(qū)動連接，且薄鉑頂層用于形成頂板和浮 置串聯(lián)互連。在2005年3月15日授權(quán)給Davis等且轉(zhuǎn)讓給Honeywell International Inc的美國專利No. 6867602 (名稱為"Methods and Systems for Capacitive Balancing of Relative Humidity Sensors having Integrated Signal Conditioning")中公開了濕度傳感器 的另一個例子，該專利也在此全文引用作為參考。在2005年9月20日授權(quán)給Maitland， Jr等且轉(zhuǎn)讓給Honeywel 1 International Inc的美國專利No. 6945118 (名稱為"Ceramic on Metal Pressure Transducer")中公開了壓力傳感器的一個例子， 該專利也在此全文引用作為參考。美國專利No. 6945118的裝置描述了 一種基于金屬隔膜的壓力換能器裝置，所述金屬隔膜分子鍵合到陶瓷 材料以形成陶瓷表面。橋電路連接到金屬隔膜的陶瓷表面。也提供用 于其壓力感測的輸入壓力端口，該端口連接到金屬隔膜，從而形成包 括金屬隔膜、橋電路和輸入壓力端口的換能器裝置。通常期望在感測應用中利用盡可能多的被測量。例如，醫(yī)學應用 中使用的典型傳感器儀器同時使用不止一個被測量來對系統(tǒng)中的測量 進行計算。通常，在這種系統(tǒng)中使用的各個傳感器設有校準的或未校 準的模擬輸出，或者采取具有小信號輸出的傳感器的形式，它們中的 任一種都需要由系統(tǒng)中的最終用戶進行調(diào)節(jié)和校準。在其它情況下，由客戶調(diào)節(jié)的模擬信號必須通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換 器，以便輸出信號可由可基于微控制器的系統(tǒng)處理。最一般的被測量 是壓力、流量、溫度或濕度。來自原始傳感器的輸出信號不是線性的， 其隨溫度改變。這些變化必須考慮并基于系統(tǒng)所需的精確度對其進行 校準。一些傳感器封裝為具有與感測元件的簡單電連接的原始傳感器， 另一些封裝為具有補償和/或放大以簡化與特定應用的電接口。幾乎沒 有傳感器輸出通過數(shù)字接口呈現(xiàn)，所述數(shù)字接口在客戶接口是數(shù)字處 理系統(tǒng)時減少了客戶接口要求的復雜性。為了改進這種感測應用和系統(tǒng)，應當實施如下詳述的模塊4匕感測 方法。發(fā)明內(nèi)容下面的概述有利于理解所公開實施例特有的創(chuàng)新特征中的 一 些， 但并不是全部描述。通過將整個說明書、權(quán)利要求書、附圖和摘要作 為整體，可獲得實施例各方面的透徹理解。因此，本發(fā)明的一方面提供了改進的傳感器。本發(fā)明的另 一 方面提供了感測多個被測量的模塊化傳感器系統(tǒng)。 本發(fā)明的又一個方面提供了在公共封裝體中用于測量多個被測量 的組合傳感器?，F(xiàn)在，前述方面以及其它目的和優(yōu)點可如在此描述的那樣實現(xiàn)。 公開了 一種模塊化傳感器系統(tǒng)，其包括提供多個感測被測量來進行感 測操作的多個不同類型的傳感器。外殼通常與不同類型的傳感器相關(guān) 聯(lián)，使得外殼引入待由傳感器感測的介質(zhì)。電接口也可以連接到傳感 器，其中電接口允許與選定傳感器形成邏輯物理連接，以便使感測靈 敏度最大化并為感測操作提供感測可重復性以及對其的精確傳感器補 償。此外，可提供襯底，其上放置多個不同類型的傳感器。這種襯底 通常附著于所述外殼，并且可由諸如陶瓷的材料制成?；蛘撸商峁?模制引線框，其上放置多個不同類型的傳感器。該模制引線框可附著 于外殼，并可由塑料制成。所述外殼本身也可由塑料制成。所述多個不同類型的傳感器可包括下述類型傳感器中的一種或多種壓力感測 元件、流量感測元件、濕度感測元件和/或溫度感測元件。壓力感測元 件可由壓阻感測元件或硅基電容性感測元件構(gòu)造。流量感測元件可以
以基于微橋的流量感測元件形式提供。濕度感測元件可以提供為基于 電容的感測元件。電接口可以實現(xiàn)為例如下述類型電接口中的一種或多種智能 卡、 一組電子引腳、和/或電子插口。注意，在此使用的術(shù)語"智能卡" 通常指芯片卡或IC (集成電路)卡。智能卡可包含一個或多個用于識 別、數(shù)據(jù)存儲或特殊目的處理的計算機芯片或集成電路。此外，可以提供EEPROM，以及多個連接到所述多個不同類型傳感 器的調(diào)節(jié)電子裝置。ASIC可以連接到所述EEPR0M，以及連接到所述不 同類型傳感器中的至少一個傳感器，其中ASIC利用EEPR0M將校準數(shù) 據(jù)和與相關(guān)傳感器有關(guān)的信息存儲到所述至少一個傳感器。通常，可以基于用戶的要求，以未校準原始傳感器連接陣列或完 全校準的被測量集合的陣列的形式，提供傳感器的多個被測量平臺。 這種系統(tǒng)可以利用原始信號、用任一種機載校準方法放大的和/或數(shù)字 的輸出，所述校準方法呈現(xiàn)線性化且在所需精確度規(guī)格內(nèi)的傳感器信 號。此外，校準系數(shù)可由用戶獲得用于最終用戶應用中，在所述應用 中使用這種系數(shù)在系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)和補償傳感器輸出。最后，其它信息可 存儲于組合傳感器上供用戶最好地使用(例如，傳感器類型/說明、序 列號、修改信息、日期或批號、如上所述的校準系數(shù)等等)。


附圖進一步說明了所述實施例，并且與具體實施方式
一起用于解 釋此處所公開的實施例，在附圖的各個圖中相似的附圖標記指相同或 功能相似的元件，并且結(jié)合到說明書中作為說明書的 一部分。圖1示出了可根據(jù)優(yōu)選實施例實現(xiàn)的模塊化傳感器系統(tǒng)的頂部剖 面圖，且圖2示出了根據(jù)優(yōu)選實施例的圖1所示模塊化傳感器系統(tǒng)的側(cè)面 剖視圖。
具體實施方式
在這些非限制性示例中描述的特定值和配置可以變化，在此描述 僅用于說明至少一個實施例，并不意圖限制其范圍。圖1示出了可根據(jù)優(yōu)選實施例實現(xiàn)的模塊化傳感器系統(tǒng)100的頂
部剖面圖。圖2示出了根據(jù)優(yōu)選實施例的圖1所示模塊化傳感器系統(tǒng) 100的側(cè)面剖視圖。注意在圖1和2中，相同的部分或元件通常用相同 的附圖標記指示?？梢栽?組合傳感器(combi-sensor)"封裝體的 意義上實現(xiàn)模塊化傳感器系統(tǒng)100。系統(tǒng)IOO通常包括多個不同類型傳 感器106、 108、 110和/或112，它們可為測量操作提供多個感測被測 量。系統(tǒng)100也包括外殼102，其與所述傳感器106、 108、 110和/或 112相關(guān)聯(lián)并保持它們。外殼102引入待由傳感器106、 108、 110和/ 或112感測的介質(zhì)。外殼102可經(jīng)由流道105、 107、 109和/或111與流管104相通。 流管104由管壁113限定并且允許介質(zhì)(例如液體或氣體)流過流管 104到達外殼102，從而與由外殼102保持的傳感器106、 108、 110 和/或112接觸。流管104可設有限制器116,其限制流過流管104的 流體流量，以及提供如箭頭118和120所示的流體(例如，空氣)的 雙向流動。限制器116可用作形狀為細長的窄突起的流調(diào)直器，用于 防止產(chǎn)生壓力不穩(wěn)定的渦流。這種配置可用于促進由箭頭118和120 所指示的流體雙向流動。因此，流體一般流過流管104。注意此處使用的術(shù)語"流體" 一般 指液體或氣體(例如空氣)。術(shù)語"介質(zhì)"也可用于指流過流管104 的流體、空氣、氣體、液體等。電接口 114通常連接到傳感器106、 108、 110和/或112。電接口 114允許形成與傳感器106、 108、 110和/或112中選定傳感器的邏輯 物理連接，以便最大化感測靈敏度，并允許為系統(tǒng)100進行的感測操 作提供感測可重復性和精確的傳感器補償。傳感器106、 108、 110和/ 或112可形成于部件101上，部件101是例如附著于外殼102的襯底。 襯底可以由諸如陶瓷的材料形成。部件101或者可以提供為也連接到 外殼102的模制引線框(lead frame )。注意，外殼102可由諸如塑 料的材料形成。類似地，取決于設計考慮，引線框(即，部件101)可 以提供為塑料引線框。傳感器106可以實現(xiàn)為流量感測元件，而傳感器108可以提供為 壓力感測元件。傳感器110可以實現(xiàn)為濕度感測元件，傳感器112可 以提供為溫度感測元件。流量感測元件或流量傳感器106可以實現(xiàn)為 基于微橋的感測元件。壓力感測元件或壓力傳感器108可以提供為壓
阻感測元件或硅基電容性感測元件，這取決于設計考慮。濕度傳感器
110可實現(xiàn)為基于電容的濕度感測元件。傳感器112可根據(jù)設計考慮實 現(xiàn)為流量、壓力、溫度和/或濕度傳感器，并且可根據(jù)設計考慮與ASIC (例如，見ASIC 124)通信或集成。
流量傳感器106可保持在空氣流旁路腔103內(nèi)，該旁路腔103經(jīng) 由流道105和107與流管104相通。此外，流道109允許壓力傳感器 108與流過流管104的流體接觸。此外，電接口 114可配置成與電可 擦除只讀存儲器(EEPROM) 122通信。多個調(diào)節(jié)電子裝置126也可以 與電接口 114通信和/或形成電接口 114的一部分。這種調(diào)節(jié)電子裝置 126也可以經(jīng)由電子接口 114連接到傳感器106、 108、 110和/或112。 專用集成電路(ASIC) 124可以連接到EEPROM 122，并連接到傳感器 106、 108、 110和/或112中的一個或多個。這種ASIC 124可用于利 用EEPROM 122將校準數(shù)據(jù)和與相關(guān)傳感器有關(guān)的信息存儲到傳感器 106、 108、 110和/或112中的一個或多個。通常，ASIC 124可以實 現(xiàn)為基本上從最開始為特定用途設計的微芯片。ASIC芯片是提供獨特 功能的特別設計的芯片。ASIC芯片可代替通用商業(yè)邏輯芯片，并且可 以在單個芯片中集成若干功能或邏輯控制塊，由此降低了制造成本并 筒化了電路板設計。
傳感器106、 108、 110和112可分別基于以下選擇基于微橋的 流量感測元件、壓阻或硅基電容性壓力感測元件、基于電容的濕度感 測元件和/或其組合?？梢葬槍υ谙到y(tǒng)100的平臺內(nèi)使用的封裝技術(shù)來 優(yōu)化這種技術(shù)。封裝體或系統(tǒng)100可基于附著于塑料外殼的由FR-4 或陶瓷制成的襯底或模制引線框(即，見部件101)的組合，所述塑料 外殼將待感測的介質(zhì)引入到感測元件106、 108、 110和/或112。
調(diào)節(jié)電子裝置126可安裝并連接到襯底101上的感測元件106、 108、 110和/或112,并且輸出可以4吏用一個或多個ASIC 124產(chǎn)生， 所述ASIC 124利用EEPROM 122來存儲校準系數(shù)和與相關(guān)傳感器有關(guān) 的信息。EEPROM 122可在制造/校準時被編程，并且可以由用戶和/或 按照組合傳感器或系統(tǒng)100的操作規(guī)定在內(nèi)部讀到(多個)ASIC 123。
系統(tǒng)100可提供模塊化構(gòu)造，該模塊化構(gòu)造將多個被測量傳感器 106、 108、 110和/或112組合到單個封裝體中，該封裝體具有原始傳 感器或校準的放大模擬和/或數(shù)字輸出的組合。系統(tǒng)100的設計提供了
最佳電接口 ，從而其在最終應用中的使用可簡化用戶的設計和使用要
求。系統(tǒng)100可包括與所選被測量形成邏輯物理連接的封裝體，以便
最大化靈敏度和可重復性能力以及對其操作的精確補償。
系統(tǒng)100中傳感器106、 108、 110和/或112的組合將使得任何單 個傳感器的基本規(guī)格(震動、沖擊、封裝應力兼容性、濕度敏感度、 EMI/EMC、電接口規(guī)格、精確度、可重復性、磁滯、線性度)的所有標 準要求都得到滿足。系統(tǒng)100的封裝尺度可滿足尺寸要求，從而其可 以用于現(xiàn)有應用，同時提供有效空間利用或各個傳感器106、 108、 110 和/或112的合理傳感器布置。
可以基于用戶要求，使用任一原始信號、放大的和/或數(shù)字輸出， 使用任一機載校準技術(shù)(其呈現(xiàn)線性化的且在所需精確度規(guī)格內(nèi)的傳 感器信號)，以未校準原始傳感器連接或完全校準的被測量集合的陣 列(例如，可擇一選擇)，將系統(tǒng)100提供為傳感器106、 108、 110 和/或112的模塊化多被測量平臺，或者可能使得客戶可將校準系數(shù)用 在最終用戶應用中，在所述應用中使用所述系數(shù)在他們的系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié) 和補償傳感器輸出。其它信息可存儲在組合傳感器或系統(tǒng)100中，供 用戶最佳地利用(例如，傳感器類型/說明、序列號、修改信息、日期 或批號、上述校準系數(shù))。
可以理解，上述以及其它特征和功能(或其備選)可按需要組合 到多個其它不同的系統(tǒng)或應用中。同樣，以后可能由本領域人員作出 各種現(xiàn)在未預見或未期望的備選、修改、變化或改進，這些也意圖包 含在所附權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1. 一種模塊化傳感器系統(tǒng)，包括多個不同類型的傳感器，為感測操作提供多個感測被測量；與所述多個不同類型的傳感器相關(guān)聯(lián)的外殼，其中所述外殼引入待由所述多個不同類型傳感器感測的介質(zhì)；以及連接到所述多個不同類型傳感器的電接口，其中所述電接口允許與所述多個不同類型傳感器中的選定傳感器形成邏輯物理連接，以最大化感測靈敏度并為所述感測操作提供感測可重復性和其精確的傳感器補償。
2、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括其上放置有所述多個不同類 型傳感器的襯底，其中所述襯底附著于所述外殼。
3、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括其上放置有所述多個不同類 型傳感器的模制引線框，其中所述模制引線框附著于所述外殼。
4、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述多個不同類型的傳感器包 括下述類型傳感器中的至少一種壓力感測元件； 流量感測元件； 濕度感測元件；或者 溫度感測元件。
5、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述電接口包括下述類型電接 口中的至少一種智能卡；多個電子引腳；或者 電子插口。
6、 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括 EEP國；連接到所述多個不同類型傳感器的多個調(diào)節(jié)電子裝置； 連接到所述EEPROM并連接到所述多個不同類型傳感器中至少一個傳感器的ASIC，其中所述ASIC使用所述EEPROM將校準數(shù)據(jù)和與相關(guān)傳感器有關(guān)的信息存儲到所述至少 一個傳感器。
7、 一種模塊化傳感器系統(tǒng)，包括 襯底； 多個不同類型的傳感器，用于為感測操作提供多個感測被測量，其中所述多個不同類型傳感器形成在所述襯底上；與所述多個不同類型傳感器相關(guān)聯(lián)的外殼，其中所述外殼引入待 由所述多個不同類型傳感器感測的介質(zhì)，其中所述外殼連接到所述襯 底；連接到所述多個不同類型傳感器的電接口，其中所述電接口允許 與所述多個不同類型傳感器中的選定傳感器形成邏輯物理連接，以最 大化感測靈敏度并為所述感測操作提供感測可重復性和其精確傳感器 補償；以及由管壁限定的流管，其中所述介質(zhì)流過所述流管到達所述外殼， 從而與由所述外殼保持的所述多個不同類型傳感器接觸。
8、 一種形成模塊化傳感器系統(tǒng)的方法，包括 提供多個不同類型的傳感器，所述傳感器為感測操作提供多個感測凈皮測量；將外殼與所述多個不同類型傳感器相關(guān)聯(lián)，其中所述外殼引入待 由所述多個不同類型傳感器感測的介質(zhì)；將電接口連接到所述多個不同類型傳感器，其中所述電接口允許 與所述多個不同類型傳感器中的選定傳感器形成邏輯物理連接，以便 最大化感測靈敏度并為所述感測操作提供感測可重復性和其精確傳感 器補償。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，還包括提供襯底，所述多個不同類 型傳感器置于其上，其中所述襯底附著于所述外殼。
10、 如權(quán)利要求8的方法，還包括提供其上放置有所述多個不同類型傳感器的模制引線框，其中所 述模制引線框附著于所述外殼，并且配置所述多個不同類型的傳感器 以包括下述類型傳感器中的至少一種壓力感測元件；流量感測元件；濕度感測元件；或者溫度感測元件。
全文摘要
一種模塊化傳感器系統(tǒng)，包括為感測操作提供多個感測被測量的多個不同類型的傳感器。外殼總體上與該多個不同類型的傳感器相關(guān)聯(lián)，使得該外殼引入待由傳感器感測的介質(zhì)。電接口也可連接到傳感器，其中所述電接口允許與選定傳感器形成邏輯物理連接，以最大化感測靈敏度并為所述感測操作提供感測可重復性和其精確的傳感器補償。
文檔編號G01D3/02GK101213420SQ200780000022
公開日2008年7月2日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者A·M·德米特里夫, C·M·布盧姆霍夫, C·S·貝克, J·W·斯佩爾德里奇, P·P·貝, R·W·格曼 申請人:霍尼韋爾國際公司