專利名稱：一種溫度濕度復合傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及環(huán)境溫度和濕度集成傳感儀表，特別是涉及一種微功耗的
MEMS溫度濕度復合傳感器。
背景技術：
溫度和濕度傳感器廣泛用于環(huán)境溫度和濕度的測控，例如房間內(nèi)的溫度和 濕度測控，汽車內(nèi)的溫度和濕度測控，工廠工作環(huán)境的溫度和濕度測控等等。 溫度和濕度的測控往往是同時需要，缺一不可的。
在這兩種傳感器中，現(xiàn)有的溫度傳感器有多種技術可以達成，但以熱電偶 和熱敏電阻原理制備的溫度傳感器占據(jù)了絕大多數(shù)的市場。特定材料(如Pt) 隨溫度的變化十分穩(wěn)定，因而可以制作高精度的溫度傳感器。而濕度傳感器雖 然也有200多年的歷史，但高精度濕度傳感器的制作一直是技術上的一個難題。 濕度傳感測量技術主要分為二大類 一類是水分子親和力型，這類傳感器也是 目前市場上的主流產(chǎn)品，其利用水具有較大的偶極矩容易吸附在某些材料的表 面并滲透其內(nèi)部改變其物理特性的現(xiàn)象，經(jīng)過各類工藝，并根據(jù)其相應材料的
器的一個主要問題是由于水分子進入特定的材料后，在外界條件變化時不易及 時脫離該材料從而使得這類傳感器的重復使用性差，響應時間慢，特別是在環(huán)
4境變化大如結露或結霜時容易損壞；另外在惡劣的環(huán)境下(如塵埃較多)或其 它容易產(chǎn)生污染的環(huán)境中，這類傳感器的性能會大大降低乃至造成損壞。另一 類是非水分子親和力型傳感器，其通過測量環(huán)境的物理特性，如通過熱敏電阻、 或環(huán)境的紅外吸收、或微波、或超聲波在環(huán)境中的傳輸特性等來測量環(huán)境的濕 度變化；它們的特點是響應時間快，受環(huán)境影響較小，不易損壞，但微波或超 聲波或紅外的方式制作的濕敏傳感器成本較高、體積較大；對于采用熱敏電阻 的方式，需要將一個熱敏電阻封裝在一個密封的空間內(nèi)，并將另一個相同的與 環(huán)境接觸的熱敏電阻置于同一個電橋上，對傳統(tǒng)技術而言，要使兩個熱敏電阻 性能上高度一致相對困難，成本也較高。
近年來利用微機電系統(tǒng)(MEMS， Micro Electro Mechanical Systems )芯片與 大規(guī)模集成電路技術結合制作的傳感器在制造成本上有了相當?shù)母挠^，使得長 期依賴于傳統(tǒng)技術的傳感器有了全新的發(fā)展契機。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種能同時提供溫度和 濕度的測量，具有快速響應時間、高靈敏度和高度可靠性，封裝靈活，可用于 多種環(huán)境溫度和濕度測量的低成本、微功耗溫度濕度復合傳感器。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案如下
本實用新型提出的溫度濕度復合傳感器，包括用于獲取原始信號的一次儀 表和進行原始信號處理的二次儀表，所述一次儀表是MEMS溫度濕度傳感器檢 測模塊，所述二次儀表包括微控制器模塊、分別與微控制器模塊相連的信號處理模塊和存儲模塊，MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊與所述信號處理模塊相連，
電源模塊向一次儀表和二次儀表供電。所述二次儀表還包括分別與微控制器模 塊相連的時鐘模塊、信號輸出模塊。
所述MEMS溫度濕度傳感器4企測模塊由防腐蝕基板，和兩塊集成MEMS 溫度濕度傳感芯片構成。兩塊集成MEMS溫度濕度傳感芯片均設置在防腐蝕基 板的上端，處于同一電路橋路上；其中一塊集成MEMS溫度濕度傳感芯片置于 導熱性優(yōu)良的密封金屬腔體內(nèi)作為參考芯片，另一塊集成MEMS溫度濕度傳感 芯片置于相同材質的開放金屬腔體內(nèi)，即密封金屬腔和開放金屬腔為相同材質； 相同條件下的兩塊集成MEMS溫度濕度傳感芯片處于同一電路橋路上，將使兩 者的相同性大大增加，從而減少由于其他原因造成的兩者差異帶來的對測量的 影響，因此本實用新型能提供高精度的溫度和濕度測量。本實用新型可以是壁 掛式，用于測控室內(nèi)溫度和濕度，也可以是插入式，用于測控風道等環(huán)境的溫 度和濕度。對于插入式溫度濕度復合傳感器，設有探測罩置于所述MEMS溫度 濕度傳感器檢測模塊的外層。
所述集成MEMS溫度濕度傳感芯片的本體為硅基體，在導熱優(yōu)良的硅基體 上設置有溫度傳感器，在懸空隔熱的硅基體支撐面上設置有微功耗的濕度傳感 器，溫度傳感器的電阻為濕度傳感器電阻的2-5倍；溫度傳感器和濕度傳感器之 間設有保護層，保護層是絕熱的鏤空薄膜，材質為氮化碳或氮化硅；溫度傳感 器和濕度傳感器均有不超過10msec的極快響應時間，濕度傳感器為對環(huán)境敏感 的熱敏電阻，可采用多種幾何形狀達到傳感信號最大化，溫度傳感器的材質為 Pt/Cr，溫度傳感器相對于濕度傳感器的位置為設計參數(shù)。在優(yōu)化的條件下，所述集成MEMS溫度濕度傳感芯片采用MEMS器件制作工藝在以N或P-型〈100 方向上的單晶硅為本體上制成。所述絕熱的鏤空薄膜通?？刹捎肨MAH或KOH 或等離子體刻蝕的方法在硅基體上制成。
本實用新型獨立^f吏用時采用電池供電，所述電源;漠塊是1.2V的充電電池或 1.5V干電池，電池容量大于或等于800mAh;當信號輸出模塊為遠距離傳輸時， 即本實用新型所采集溫度和濕度數(shù)據(jù)需要遠距離傳輸時，所述電源模塊為8-24V 直流電源。由于本實用新型采用集成MEMS溫度濕度傳感芯片，因此具有微功 耗的特性，能在便攜電池供電的情況下滿足使用者正常工作的需要，并提供遠 距離傳輸信號，使得環(huán)境的溫度和濕度信息能及時傳送到控制中心或需要的地 方。
所述信號處理模塊設有A / D轉換器，所述信號輸出模塊設有D / A變換器。 所述存儲模塊釆用EEPROM存儲器。本實用新型所采集的溫度和濕度信息數(shù)據(jù) 通過fC雙向總線串行傳輸，信號輸出模塊主要有液晶顯示驅動模塊和用戶設備 如RS485或4-20mA輸出模塊構成，所述信號輸出模塊還可以包含GPRS無線 模塊或GSM無線模塊，及GPS定位模塊，還可以包含其他通訊模塊，如藍牙、 紅外等。所述微控制器模塊主要由單片機構成。所述時鐘模塊由精準RTC時鐘 構成，如DS3231,它是低成本、高精度fC實時時鐘(RTC)，具有集成的溫補 晶振(TCXO)和晶體，包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確的計時， 集成晶振提高了器件的長期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量，RTC保存秒、 分、時、星期、日期、月和年信息，少于31天的月份，將自動調(diào)整月末的日期， 包括閏年的修正，時鐘的工作格式是以24小時或帶AM/PM指示的12小時格式，提供兩個可設置的日歷鬧鐘和一個可設置的方波輸出。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是能同時對環(huán)境的溫度和濕度 進行測量，具有快速的響應時間(<10msec)、高靈敏度和高度可靠性，封裝靈 活，可用于多種環(huán)境下的溫度和濕度測量，并且功耗低(平均功耗小于5mW), 成本低。
圖l是溫度濕度復合傳感器的邏輯框圖。 圖2是溫度濕度復合傳感器的結構示意圖。 圖3是溫度濕度復合傳感器的剖視圖。 圖4是插入式溫度濕度復合傳感器的探測桿的結構示意圖。 圖5是插入式溫度濕度復合傳感器的探測桿的剖視圖。 圖6是采用TMAH或KOH方法制成鏤空薄膜的集成MEMS溫度濕度傳感 芯片的結構示意圖。
圖7是采用等離子體刻蝕方法制成鏤空薄膜的集成MEMS溫度濕度傳感芯 片的結構示意圖。
圖8是溫度濕度復合傳感器的電原理圖。 圖中標號如下
1集成MEMS溫度濕度傳感芯片 2防腐蝕基板 3密封金屬腔 4開放金屬腔
5探測罩 6硅基體8硅基體支撐面
9濕度傳感器10保護層
11通氣口12顯示屏
13供電/通ifl口14 4果測桿電路連接頭
15控制電路板16電池室
17 4笨測桿18探頭連接桿
19探頭連接線20鏤空腔
21絕熱開口22金屬連線
23 4屯化材料開口
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的優(yōu)選實施例作進一步的描述。 實施例一
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖8所示。制得溫度濕度復合傳感 器，包括用于獲取原始信號的一次儀表和進行原始信號處理的二次儀表，所述 一次儀表是MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊，所述二次儀表包括微控制器模塊， 分別與微控制器模塊相連的信號處理模塊、存儲模塊、時鐘模塊和信號輸出模 塊，MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊與所述信號處理模塊相連，電源模塊向一 次儀表和二次儀表供電。所述溫度濕度復合傳感器的外部結構還包括與外部環(huán) 境相連的2個通氣口 11, 2個供電/通訊口 13,顯示屏12、探測桿電路連接頭 14,以及用于操作所述溫度濕度復合傳感器的確定鍵、選擇鍵、菜單鍵。所述MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊由防腐蝕基板2，和兩塊集成MEMS 溫度濕度傳感芯片l構成；兩塊集成MEMS溫度濕度傳感芯片1均設置在防腐 蝕基板2的上端，處于同一電路橋路上，其中一塊集成MEMS溫度濕度傳感芯 片1置于導熱性優(yōu)良的密封金屬腔3體內(nèi)，另一塊集成MEMS溫度濕度傳感芯 片1置于相同材質的開放金屬腔4體內(nèi)。集成MEMS溫度濕度傳感芯片1的本 體為硅基體6,在硅基體6上設置有材質為Pt/O的溫度傳感器7;在硅基體6 上利用MEMS工藝制作懸空隔熱的硅基體支撐面8，珪基體支撐面8上設置有 微功耗的濕度傳感器9，濕度傳感器9為熱敏電阻；溫度傳感器7的電阻為濕度 傳感器9電阻的2倍，溫度傳感器7和濕度傳感器9之間設有保護層10，保護 層10是絕熱的鏤空薄膜，材質為氮化碳。所述鏤空薄膜采用TMAH或KOH的 方法在硅基體6上制成，形成鏤空腔20,鏤空部分通過硅基體6的<100>晶面； 溫度傳感器7和濕度傳感器9均覆蓋了鈍化材料，其間設有絕熱開口 21;溫度 傳感器7和濕度傳感器9與芯片外部的信號傳遞由金屬連線22實現(xiàn)；鈍化材料 開口 23提供了標準金屬線綁定接點。
所述信號處理模塊設有A / D轉換器，所述信號輸出模塊設有D / A變換器。 所述信號輸出模塊主要有液晶顯示驅動模塊和顯示屏12,還包含GPRS無線模 塊及GPS定位模塊。所述存儲模塊為EEPROM存儲器。所述電源模塊是1.5V 干電池，電池容量為800mAh，置于電池室16中；當信號輸出模塊為遠距離傳 輸時，外接8-24V直流電源。所述時鐘模塊是精準RTC時鐘。所述微控制器模 塊是主要由單片機構成的控制電路板15, MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊、電 池室16和探測桿電路連接頭14分別與控制電路板15相連。
10需要測量室內(nèi)溫度和濕度時，將所述溫度濕度復合傳感器水平或垂直安裝 固定在某個特定的位置；需要測量風道等狹窄環(huán)境的溫度和濕度時，在探測桿
電路連接頭14里插入探測桿17,并把探測桿17伸入風道內(nèi)進行測量。所述探 測桿17的一端通過探頭連接線19與控制電路板15相連，將所探測到的信號通 過控制電路處理后顯示或遠傳到數(shù)據(jù)中心；探頭連接線19的另一端為所述 MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊，且所述MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊的外 層設有探測罩5，探測罩5為所述MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊與環(huán)境接觸 提供了通道，同時也對所述MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊提供保護；探測桿 17還包括探頭連接桿18，用于固定所述MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊。 實施例二
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖7、圖8所示。與實施例一相同的地方 不再重復敘述，不同之處在于溫度傳感器7的電阻為濕度傳感器9電阻的5 倍。保護層IO是絕熱的鏤空薄膜，材質為氮化硅；所述鏤空薄膜采用等離子體 刻蝕的方法在硅基體6上制成。所述電源模塊是1.2V的充電電池，電池容量為 1000mAh。所述信號輸出模塊包含GSM無線模塊及GPS定位模塊。
權利要求1.一種溫度濕度復合傳感器，包括用于獲取原始信號的一次儀表和進行原始信號處理的二次儀表，其特征在于所述一次儀表是MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊，所述二次儀表包括微控制器模塊、分別與微控制器模塊相連的信號處理模塊和存儲模塊，MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊與所述信號處理模塊相連，電源模塊向一次儀表和二次儀表供電。
2. 根據(jù)權利要求1所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于所述二次儀表還 包括分別與微控制器模塊相連的時鐘模塊、信號輸出模塊。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于所述MEMS 溫度濕度傳感器檢測模塊由防腐蝕基板(2),和兩塊集成MEMS溫度濕度 傳感芯片(1)構成；兩塊集成MEMS溫度濕度傳感芯片(1)均設置在防 腐蝕基板(2)的上端，處于同一電路橋路上，其中一塊集成MEMS溫度濕 度傳感芯片(1)置于導熱性優(yōu)良的密封金屬腔(3)體內(nèi)，另一塊集成MEMS 溫度濕度傳感芯片(1)置于相同材質的開放金屬腔(4)體內(nèi)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于所述MEMS溫 度濕度傳感器檢測模塊的外層設有探測罩(5 )。
5. 根據(jù)權利要求3所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于集成MEMS溫 度濕度傳感芯片(1 )的本體為硅基體(6),在硅基體(6)上設置有溫度傳 感器(7)，在硅基體支撐面(8)上設置有微功耗的濕度傳感器(9)，溫度 傳感器(7)的電阻為濕度傳感器(9)電阻的2-5倍，溫度傳感器(7)和 濕度傳感器(9)之間設有保護層(10)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于保護層(10)是絕熱的鏤空薄膜，材質為氮化碳或氮化硅。
7. 根據(jù)權利要求5所迷的溫度濕度復合傳感器，其特征在亍濕度傳感器(9) 為熱敏電阻，溫度傳感器(7)的材質為Pt/Cr。
8. 根據(jù)權利要求2所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于所述電源模塊是 1.2V的充電電池或1.5V干電池，電池容量大于或等于800mAh;當信號輸 出模塊為遠距離傳輸時，電源模塊為8-24V直流電源。
9. 根據(jù)權利要求2所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于所述信號處理模 塊設有A/D轉換器，所述信號輸出模塊設有D/A變換器。
10. 根據(jù)權利要求2所述的溫度濕度復合傳感器，其特征在于所述信號輸 出模塊包含GPRS無線模塊或GSM無線模塊，及GPS定位模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種溫度濕度復合傳感器。該溫度濕度復合傳感器包括用于獲取原始信號的一次儀表和進行原始信號處理的二次儀表，所述一次儀表是MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊，所述二次儀表包括微控制器模塊、分別與微控制器模塊相連的信號處理模塊和存儲模塊，MEMS溫度濕度傳感器檢測模塊與所述信號處理模塊相連，電源模塊向一次儀表和二次儀表供電。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型能同時對環(huán)境的溫度和濕度進行測量，具有快速的響應時間、高靈敏度和高度可靠性，封裝靈活，可用于多種環(huán)境下的溫度和濕度測量，并且功耗低，成本低。
文檔編號G01N25/56GK201322660SQ200820065019
公開日2009年10月7日 申請日期2008年9月4日 優(yōu)先權日2008年9月4日
發(fā)明者江蘇剛, 王高峰, 鄧文紅, 陳志昌, 黃立基 申請人:矽翔微機電系統(tǒng)(上海)有限公司成都分公司