用于组合式传感器装置的集成机械组件设计.pdf

本发明涉及用于组合式传感器装置的集成机械组件设计。一种用于测量湿度、压力和温度的集成的机械组合式传感器装置和方法。压力传感器和ASIC可以安装在第一隔室中，且温度传感器安装在壳体的第二隔室中。类似地，湿度传感器可以安装在第三隔室中，使得压力传感器、温度传感器和湿度传感器彼此隔离开。与传感器和ASIC相关联的传感器元件可通过用于电连接的引线接合连接至引线框端子。可使用压力盖和湿度盖来覆盖压力传感器和湿度传感器。湿度传感器可包括疏水过滤器，以便防止水汽饱和的空气到达感测元件，以提供其准确的传感器测量。

1.  一种用于构造集成的组合式传感器装置的方法，其包括，
将压力传感器和信号调节器安装在与组合式传感器模块的至少一个引线框相关联的壳体的第一隔室中；
将温度传感器安装在第二隔室中，且将湿度传感器安装在与所述壳体相关联的第三隔室中；以及
将与所述压力传感器、所述温度传感器和所述湿度传感器相关联的至少一个感测元件电联接至所述信号调节器，以便调节输出信号并产生其经调节的输出，以允许所述组合式传感器模块以高精度和更快的响应时间来测量环境参数。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用保形涂层和压力盖来覆盖所述压力传感器。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将湿度盖和疏水盖附连至所述湿度传感器，其中所述疏水过滤器防止水汽饱和的空气到达其感测元件。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述壳体构造为SMT组件。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述壳体构造为DIP组件。

6.  一种集成的组合式传感器装置，其包括：
安装在与组合式传感器模块的至少一个引线框相关联的壳体的第一隔室中的压力传感器和信号调节器；
安装在第二隔室中的温度传感器以及与所述壳体相关联的第三隔室中的湿度传感器；以及
与所述压力传感器、所述温度传感器以及所述湿度传感器相关联的至少一个感测元件，所述至少一个感测元件电联接至所述信号调节器，以便调节输出信号并且产生其经调节的输出，以便允许所述组合式传感器模块以高精度和更快的响应时间来测量环境参数。

7.  一种集成的组合式传感器装置，其包括：
安装在与组合式传感器模块的至少一个引线框相关联的壳体的第一隔室中的压力传感器和信号调节器，其中所述压力传感器由保形涂层和压力盖来保持；
安装在第二隔室中的温度传感器，以及与所述壳体相关联的第三隔室中的湿度传感器；
与所述压力传感器、所述温度传感器和所述湿度传感器相关联的至少一个感测元件，所述至少一个感测元件电联接至所述信号调节器，以便调节输出信号并且产生其经调节的输出，以允许所述组合式传感器模块以高精度和更快的响应时间来测量环境参数；以及
疏水盖，其中所述湿度盖和所述疏水盖附连至所述湿度传感器，其中所述疏水过滤器防止水汽饱和的空气到达其感测元件。

8.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号调节器包括与仪表放大器和/或运算放大器相关联的ASIC。

9.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述至少一个引线框利用多个引线接合电连接至所述至少一个感测元件和所述信号调节器。

10.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述压力传感器自所述温度传感器和所述湿度传感器隔离。

用于组合式传感器装置的集成机械组件设计
技术领域
[0001]实施例大体涉及传感器方法和系统。实施例还涉及组合式传感器。实施例另外涉及用于感测压力、湿度和/或温度的集成的机电组件设计。
背景技术
[0002]各种类型的传感器用于检测诸如湿度、压力、温度等大气参数。感测应用的实例包括气象监测无线电探空仪应用、过程控制装置、医学装备控制等。在这些应用中使用的典型的传感器仪器例如同时使用不只一个被测变量来确定计算，以用于系统中的测量。通常，这种系统中使用的单个传感器覆盖大的区域并且设有经校准的或者未校准的模拟输出，或者为具有小信号输出的传感器的形式。这种输出需要由终端使用者在系统内进行调节和校准。
[0003]信号调节电路通常用作信号调节单元的接口，以便将从数据源接收的差分输入信号转换成更有用的输出信号。信号调节电路可以结合传感器来使用，以接收传感器输入信号并且将输入信号转换成由控制系统使用的输出电压。现有技术感测应用中的大多数具有有限的感测能力。这种感测应用使用单独的信号调节电路来调节来自传感器的原始信号，而不管由传感器测得的量。这种措施产生大量的辅助操作，这种辅助操作会导致更长的处理时间和不准确的结果。因此增加了封装用于这种应用的单个传感器的安装成本，这就进一步增大了组件的大小。
[0004]基于以上内容，认为存在对用于感测压力、湿度、温度等的改进的机电组件设计的需求，如本文中更详细地描述的那样。
发明内容
[0005]提供以下概述以有助于理解所公开的实施例特有的一些新颖特征，并且该概述不意图是完整的说明。可通过将整个说明书、权利要求书、附图以及摘要作为整体考虑而获得对实施例的各方面的完整的理解。
[0006]因此，本发明的一个方面是提供改进的传感器方法和系统。
[0007]本发明的另一方面是提供用于测量湿度、压力和温度的改进的组合式传感器。
[0008]本发明的又一方面是提供用于组合式传感器的改进的机械组件设计。
[0009]现在可以如此处所述来实现前述方面和其它目的及优点。公开了用于可以检测及测量湿度、压力和温度的组合式传感器的集成机电组件。压力传感器和专用集成电路(ASIC)可以安装在第一隔室中，且温度传感器可以安装在壳体的第二隔室中。类似地，湿度传感器可以安装在第三隔室中并且可以与压力传感器和ASIC隔离。与这些传感器和ASIC相关联的感测元件可以使用用于其电连接的引线接合而连接至引线框端子。压力盖和湿度盖以及保形涂层可以遮蔽并保持压力传感器和湿度传感器。这种保形涂层的一个实例是“圆顶封装体(glob-top)”，其是用于板上芯片组件构件的保形涂层的变体。“圆顶封装体”通常作为沉积在半导体芯片及其引线接合上的一滴特别地配方的树脂来提供，例如，以便提供机械支承并且排除诸如可中断电路运行的指纹残留的污染。所公开的湿度传感器大体包括疏水过滤器，以便防止水汽饱和的空气到达感测元件，以提供准确的传感器测量。
[0010]传感器组件可以实施为双排直插式组件(DIP)或表面安装型(SMT)，其具有更低的成本且在尺寸上更小。湿度传感器可以暴露于环境及为了应用要求而与环境隔离。压力传感器大体结合了ASIC，其包括仪表放大器或运算放大器，以用于对单个传感器输出的放大。感测元件和ASIC可以在组件内部或者外部电连接在一起。优选地，承载在壳体上的一个或多个引线框电连接至传感器和ASIC，从而传感器和ASIC经由引线框而电连接至印刷电路板。
[0011]感测元件可以经由印刷电路板电连接到ASIC上。ASIC可以集成在组件中，以便接收输出信号，由此，当ASIC电联接至感测元件时，ASIC可以调节输出信号并且提供经调节的输出。ASIC优选包括传感器信号的温度补偿和放大。因此，本文所公开的组合式传感器可以用来感测温度和/或压力以及湿度，同时提供高精度和更快的响应时间。
附图说明
[0012]附图进一步说明了实施例且与具体实施方式一起用来阐述本文所公开的实施例，在附图中，相似的参考标号在全部单独的图中指代相同的或者功能上类似的元件，且附图结合在本说明中并形成其一部分。
[0013]图1示意了根据一个优选实施例的组合式传感器的透视图；
[0014]图2示意了根据一个优选实施例的压力传感器、湿度传感器、热传感器(例如热敏电阻)以及壳体的透视图；
[0015]图3示意了根据一个优选实施例的与隔室相关联的组合式传感器的平面图；
[0016]图4示意了根据一个优选实施例的带有引线接合的组合式传感器的截面图；
[0017]图5示意了根据一个优选实施例的描绘了设计组合式传感器的工艺的工艺图；
[0018]图6示意了根据一个优选实施例的多桥接口信号调节模块的高层框图；
[0019]图7示意了根据一个优选实施例的压力传感器的详细功能图；
[0020]图8示意了根据一个优选实施例的详细功能框图，该详细功能框图示意了本文所公开的ASIC的电气构件和压力传感器的压阻硅晶片；以及
[0021]图9示意了根据一个优选实施例的操作的流程图，该流程图示意了用于构造组合式传感器的方法的操作步骤。
具体实施方式
[0022]在这些非限制性实例中所讨论的特定值和构造可以改变，并且引用它们仅仅是为了示意至少一个实施例而不意图限制其范围。
[0023]图1示意了可以根据一个优选实施例来实施的组合式传感器装置100的透视图。注意如本文中所使用的用语“组合式传感器”大体指代可以检测不只一个环境参数(诸如，例如温度、压力、湿度等)的组合式传感器。组合式传感器装置100大体结合了压力传感器130、温度传感器160(例如热敏电阻)以及湿度传感器150。装置100还包括与压力传感器130相关联的专用集成电路(ASIC)140。ASIC140可以提供为ASIC晶片。压力传感器130可以安装在第一壳体隔室310内。压力传感器130可以提供为压力感测晶片。还可以关于压力感测晶片130来提供晶片附连环氧树脂131。
[0024]ASIC140可以放置在壳体120内，壳体120可以连接至引线框110。壳体120包括壳体底部121。一个或多个电引线大体形成了自壳体120延伸的引线框110。因此压力传感器130(即压力感测晶片构件)和ASIC140可以安装在第一隔室310内且用涂层167(诸如，例如圆顶封装体)以及保护盖170(即压力盖)覆盖，以防止ASIC140暴露于所检测的介质。因此，可以与涂层167及保护盖170相关联来提供额外的壳体构件169。注意壳体120可以构造成包括用于表压力感测应用的孔135。注意在一些实施例中，保护盖170可以成形为包括突出盖部分171。
[0025]装置100还包括用于测量湿度的湿度传感器150。湿度传感器150可以安装在壳体120的第三隔室330中。湿度传感器150可以由保护盖180(即湿度盖)和疏水过滤器190遮蔽，疏水过滤器190防止水汽饱和的空气到达其它感测元件，以便利用装置100来提供传感器准确测量。还可以关于湿度盖180并且在湿度感测晶片或湿度传感器150上方提供罩附连环氧树脂182。湿度晶片附连构件151位于湿度传感器150下方。
[0026]温度传感器或热敏电阻160可用于检测温度，并且安装在第二隔室320内。还可以关于热敏电阻160提供导电环氧树脂161。取决于设计考虑及应用，用于构造和保持装置100的整个组件可以构造成双排直插式组件(DIP)型或者表面安装型(SMT)。DIP是可以构造有矩形壳体(诸如壳体120)和平行的两排电气连接插针的电子装置组件，这些电气连接插针通常自该组件的较长侧突出并且向下弯曲，其形成引线框110。类似地，在SMT中，表面安装的构件(SMC)可以直接安装到PCB的表面上。
[0027]图2示意了根据一个优选实施例的压力传感器130、湿度传感器150、热敏电阻160以及壳体120的透视图。注意在图1-9中，相同的或类似的图框大体由相同的参考标号来表示。压力传感器130、湿度传感器160和温度传感器160可以结合在壳体120内以形成装置100，装置100又可以用于测量压力和温度以及冷凝潮湿环境。
[0028]图3示意了根据一个优选实施例的装置100的平面图。如图3的示意中所指示，装置100包括第一隔室310、第二隔室320和第三隔室330。第一隔室310包括电联接至ASIC140的压力传感器130。介质压力可施加于压力传感器130。第二隔室320包括用于感测温度的温度传感器160。第三隔室330包括湿度传感器150、顶帽180和疏水过滤器190，它们有助于经由装置100提供准确的感测测量。
[0029]图4示意了根据一个优选实施例的带有引线接合410的装置100的截面图。再一次，作为关于图1-9的提示，相同的或相似的元件和构件大体由相同的参考标号来表示。装置100包括接合线410，411和413，它们可以用于压力传感器130和湿度传感器150与ASIC140之间经由引线框110的电连接。优选地，承载在壳体120上的引线框110可以使用引线接合410而电连接至传感器130和160以及ASIC140，从而在一些实施例中传感器130，150和160以及ASIC140可以经由引线框110而电连接至PCB。
[0030]图5示意了根据一个优选实施例的描绘了设计和构造装置100的通用工艺的工艺图500。如图5中所指示，引线框110可以结合成与壳体120相关联。温度传感器160可以安装在壳体120的第二中间隔室320中。压力传感器130可以安装在第一隔室310中，其大体包括壳体120中的用于表压力感测应用的孔135。孔135闭合以用于绝对压力感测应用。ASIC140也可以附连在压力传感器130安装在其中的第一隔室310中。
[0031]接下来，湿度传感器150可以安装在第三隔室330内。可以利用引线接合410在ASIC140和压力传感器130之间进行电连接。传感器150和160可以在外部于PCB上利用引线框110而电联接至ASIC140。此外，保护性圆顶封装体169和压力盖170可附至第一隔室310，以保护ASIC140不接触介质。第三隔室330可以与用于覆盖湿度传感器150的湿度盖180附连，以及与疏水过滤器190附连。最后，可以利用引线框110来设计装置100，以用于感测温度、压力和湿度。
[0032]图6示意了根据一个优选实施例的包括多桥接口信号调节模块640的系统600的高层框图。多桥接口信号调节模块与无线传输器643电子地连通并且接收来自压力传感器610、湿度传感器620以及温度传感器630的数据。模块640提供模拟/数字输出645。多桥接口信号调节模块640将分别自压力传感器610、湿度传感器620和温度传感器630接收的一个或多个信号转换成经调节的模拟和/或数字输出信号645。信号调节模块640可以是ASIC、仪表放大器或运算放大器，以及可选地为温度补偿电路。输出模块还可以给出数字输出并且由无线传输器643来传输该数字输出。
[0033]图7示意了根据一个优选实施例的压力传感器130的详细功能图。输入压力P可作为对压力组740的输入而给出，压力组740包括与隔膜(未示出)相关联的压力元件，该隔膜可由于所施加的压力而挠曲。第一信号调节器720通过提供供电电压V_s将隔膜的挠曲转变成电阻的变化。电阻的这种变化致使由V₀表示的传感器输出电压760变化。然后，将表示所施加的压力P的传感器输出信号760供给至调节传感器信号的信号调节器770。信号调节器770接收输出信号电压760的变化且相应地调节传感器信号的变化。信号调节器770优选包括传感器信号的温度补偿和放大。
[0034]图8显示了详细的功能框图，其显示了ASIC140的可适于根据一个优选实施例来使用的可能的电气构件。本领域技术人员可以理解的是，ASIC140仅代表可适于根据所公开的实施例使用的一种可行类型的ASIC。可代替ASIC140来使用其它类型的ASIC装置，本文中仅仅为了一般性示意和示例性的目的而描绘和描述了ASIC140。ASIC140可以提供为具有温度补偿能力的Heimdal双桥传感器信号调节器。在Honeywell的2006年11月23日的并且“按照JR-91841发布”(“Released Per JR-91841”)的文件“ZMD Heimdal组合式传感器ASIC”(“ZMD Heimdal Combi-sensor ASIC”)中公开了对这种Heimdal装置的一般性描述，其通过引用而整体地结合在本文中。ASIC140可以构造成包括多种构件，诸如，例如，与存储器804(例如带有芯片内泵)相关联的时钟802、DSP(数字信号处理器)806以及SPI/I²/C接口808。
[0035]因此，可以与前置放大器单元814和模数转换器802相关联来提供多路器(MUX)816。除了电气构件848和850，还可提供输出缓冲810和838。还可以提供包括JFET调整器820、带隙构件824以及电压调整器826的电气单元818。还可以提供与输出缓冲838电连通的双DAC构件821。还提供了诸如JFET842(电压供应处于2.7至5.5v的范围中时其是可选的)的其它构件，且该构件电连接至电容器846，它们两者又连接至电压供应844(V_DDA)。加热元件调整器819也可形成ASIC140的一部分。加热元件调整器819可连接至例如电阻器。
[0036]可以与电阻器868相关联来提供其它构件诸如桥电路866。桥电路866大体连接至结点VBP2和结点VT2，并且还电连接至R_TEMP2电阻器构件868，电阻器构件868又电连接至地。桥电路866还可用作压力传感器并且可以电连接至电容器846，电容器846可具有例如220nF的电容值并且连接至电压V_DDA844，该电压V_DDA844可提供为处于例如2.7V至5.5V的电压范围中。电压结点844可又连接至可选的JFET842。
[0037]此外，还可以关于电阻器858(R_LOTG)和热敏电阻856提供湿度传感器870。湿度传感器870也电连接至结点VIN3和电压结点844。注意结点VTEXT电联接至电阻器858和热敏电阻856两者。热敏电阻856又连接至地。可以了解的是，图8中描绘的构件仅代表用于ASIC140的实施的可能的构件。其它类型的构件和电气元件的布置也是可行的。再一次，作为提示，图8中所描绘的特定布置不意图限制本文所公开的发明的范围，而仅仅提供它们以用于仅一般的启迪和示意性的目的。
[0038]图9示意了根据一个优选实施例的操作的流程图，其示意了用于设计装置100的方法900的操作步骤。如图框910处所描绘，引线框110可以结合到壳体120中。此后，温度传感器160可以在第二隔室320中安装到壳体120上，如图框920处所示。接着，压力传感器130可以在第一隔室310中安装在壳体120上，如图框930处所描绘。ASIC140可以附连在压力传感器130的同一隔室310上，如图框940中所描绘。
[0039]此后，如图框950处所示意，湿度传感器150可以安装在壳体120的第三隔室330中。传感器元件和ASIC140可以利用引线接合410连接至引线框端子110，如图框处960所示意。然后可以如图框965所示来执行某操作，其包括置于传感器元件、ASIC140和引线接合410上的圆顶封装体涂层。压力传感器130可以由压力盖170覆盖，如图框970处所示。接下来，可以利用湿度盖180来覆盖湿度传感器150，如图框980处所示。疏水过滤器190可以附连至湿度盖180，如图框980处所示。认为通过利用本文所述的组合式传感器100，可以利用尺寸非常小且成本有效的单个组件来感测诸如压力、温度和湿度的参数。所产生的组合式传感器装置100因此可以感测低压力和温度，以及湿度，同时提供高精度和更快的响应时间输出。
[0040]基于以上内容，可以了解，装置100可适用于气候监测和其它应用(例如无线电探空仪应用)，包括用于测量大气参数(诸如压力、湿度和温度)的产品。装置100可以实施为用于压力、湿度和温度感测应用的微型的、低成本的集成机械组件设计。因此，装置100构成了具有测量多种参数的能力的单个产品。装置100的设计还有助于降低安装成本并且消除对辅助操作的需求。装置100可以满足大多数需要SMT组件的应用以及利用放大的力读数(amplified force reading)的那些应用的需求。为了结合传感器输出的放大，还可以采用ASIC/仪表放大器/运算放大器。所公开的ASIC140可因此用于产生信号调节以及放大。
[0041]将了解的是，以上所公开的及其它的特征和功能的变型或者其备选方案可以合乎需要地组合到许多其它不同的系统或应用中。另外，各种目前未预见的或未预期的备选方案、修改、变型或者其中的改进可后续由本领域技术人员来实现，它们也意图由所附的权利要求所包含。