專利名稱：微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其信號(hào)處理電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微機(jī)械(MEMS)剝離工藝的二維熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器， 恒溫差控制和測(cè)量電路。
背景技術(shù)：
風(fēng)速、風(fēng)向是氣象測(cè)量中非常重要的組成部分。眾所周知，利用機(jī)械加工的 風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)雖然也能測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，但這些機(jī)械裝置因具有移動(dòng)部件而易磨
損，同時(shí)具有體積較大，價(jià)格昂貴，需要經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn)?；贛EMS加工技術(shù) 的微型流速傳感器具有體積小，價(jià)格低，產(chǎn)品一致性好的特點(diǎn)，是近幾年來流體 傳感器研究的熱點(diǎn)。Van Putten (人名)在1974年提出了第一個(gè)基于硅微加工 技術(shù)的熱線式流量傳感器。為了同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向信息，Honeywell (公司名) 等提出了基于熱溫差原理的熱流量傳感器。Huijsing (人名)等人提出了正方形 加熱條結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感器，其采用熱電堆測(cè)量溫差，可以測(cè)量二維的風(fēng)速和風(fēng)向。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其信號(hào)處 理電路，本發(fā)明利釆用低熱導(dǎo)率，低熱容的玻璃襯底，用兩次金屬剝離工藝就可 以完成傳感器的加工，工藝歩驟簡單可靠，而大大提高了靈敏度，減小了功耗和 響應(yīng)時(shí)間。
技術(shù)方案本發(fā)明的微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器包括襯底、加熱電阻、芯 片溫度測(cè)量電阻、8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻、壓焊塊；位于傳感器芯片中央的芯片溫 度測(cè)量電阻和加熱電阻完全對(duì)稱且緊密纏繞，用于芯片溫度表征；位于傳感器芯 片四周的8個(gè)對(duì)稱分布的熱溫差測(cè)量電阻的電阻值完全一致，壓焊塊分別與加熱 電阻、芯片溫度測(cè)量電阻、8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻相連接。
所述8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻分為兩組其中第一熱溫差測(cè)量電阻、第二熱溫差 測(cè)量電阻、第三熱溫差測(cè)量電阻、第四熱溫差測(cè)量電阻組成一組全橋電路，測(cè)量
X方向的風(fēng)速；第五熱溫差測(cè)量電阻、第六熱溫差測(cè)量電阻、第七熱溫差測(cè)量電 阻、第八熱溫差測(cè)量電阻組成一組全橋電路，測(cè)量Y方向的風(fēng)速。所述壓焊塊在
傳感器芯片周圍對(duì)稱分布，對(duì)加熱電阻、芯片溫度測(cè)量電阻和8個(gè)熱溫差測(cè)量電
阻分別引出。
所述8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻通過版圖設(shè)計(jì)使得其電阻值完全一致。 所述襯底采用玻璃、陶瓷或其它低熱導(dǎo)率的材料。
所述加熱電阻，芯片溫度測(cè)量電阻，和8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻采用剝離工藝制 作的鉑、鎳或其它高溫度系數(shù)的金屬電阻制成。
微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的信號(hào)處理電路包括恒溫差控制電路、信號(hào)檢
測(cè)電路，
恒溫差控制電路包括位于傳感器芯片中央的加熱電阻與芯片溫度測(cè)量電阻 和位于傳感器芯片外的參考電阻連接成的惠斯通電橋，用于產(chǎn)生差分信號(hào)，并將 其傳輸給差分放大器，差分放大器用于差分放大，并將放大后的信號(hào)傳輸給電壓 /電流轉(zhuǎn)換元件，電壓/電流轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)加熱電阻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用電
學(xué)和熱學(xué)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的恒溫差控制；
信號(hào)檢測(cè)電路包括位于傳感器芯片四周的8個(gè)對(duì)稱分布的熱溫差測(cè)量電阻阻 值完全一致，并分為兩組組成惠斯通全橋電路并進(jìn)行差分放大，然后通過多路選 擇器AMux和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量進(jìn)入MCU，并通過計(jì)算得到風(fēng)速和風(fēng)向值， 實(shí)現(xiàn)LCD顯示和數(shù)字輸出。
有益效果為了提高熱式風(fēng)速傳感器的靈敏度，需要利用標(biāo)準(zhǔn)IC工藝和MEMS 后處理的方法形成隔熱薄膜。本發(fā)明利采用了低熱導(dǎo)率，低熱容的玻璃襯底，用 兩次金屬剝離工藝就可以完成傳感器的加工，工藝步驟簡單可靠，而大大提高了 靈敏度，減小了功耗和響應(yīng)時(shí)間。此外，本專利提出的風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱， 避免了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不對(duì)稱引起的誤差。
與傳統(tǒng)的熱絲風(fēng)速計(jì)恒溫差控制電路相比，本發(fā)明通過測(cè)溫模塊和加熱模塊 分開設(shè)計(jì)，提出在芯片中央設(shè)計(jì)一個(gè)與加熱電阻Rh相互纏繞并完全對(duì)稱的芯片 測(cè)溫電阻Rs，從而可以降低驅(qū)動(dòng)電壓和整體功耗。
在本發(fā)明中提出的風(fēng)速傳感器中設(shè)計(jì)了離加熱條距離不同的兩組熱溫差測(cè) 量電阻并組成全橋電路，這不但可以使得電阻匹配性更佳，而且使得傳感器整體 的靈敏度和量程得到最大優(yōu)化。


圖1是本發(fā)明提出的風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中有加熱電阻Rh，芯片
溫度測(cè)量電阻Rs，第一熱溫差測(cè)量電阻Rll、第二熱溫差測(cè)量電阻R12、第三熱 溫差測(cè)量電阻R31、第四熱溫差測(cè)量電阻R32、第五熱溫差測(cè)量電阻R21、第六 熱溫差測(cè)量電阻R22、第七熱溫差測(cè)量電阻R41、第八熱溫差測(cè)量電阻R42。
各引腳與熱溫差測(cè)量電阻對(duì)應(yīng)關(guān)系為
引腳1和16之間的電阻為Rs;
引腳6和11之間的電阻為Rh;
引腳18和19之間的電阻為R11;
引腳17和20之間的電阻為R12;
引腳3和4之間的電阻為R21;
引腳2和5之間的電阻為R22;
引腳8和9之間的電阻為R31;
引腳7和10之間的電阻為R32;
引腳13和14之間的電阻為R41;
引腳12和15之間的電阻為R42;
圖2是本發(fā)明提出的恒溫差控制電路示意圖，圖中有加熱電阻Rh,芯片溫 度測(cè)量電阻Rs，參考電阻Rr，惠斯通電橋電阻Rl和R2,運(yùn)算放大器Al，電壓/ 電流轉(zhuǎn)換器G。
圖3是測(cè)溫電阻與加熱電阻距離變化時(shí)，芯片內(nèi)部的熱溫差與風(fēng)速之間的關(guān) 系。橫坐標(biāo)為風(fēng)速，縱坐標(biāo)為芯片內(nèi)部的熱溫差。
圖4是芯片熱溫差測(cè)量電阻組成的全橋電路，放大及MCU處理電路。圖中有 運(yùn)算放大器A2和A3，多路選擇器AMUX，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，單片機(jī)MCU以及LCD 顯示和數(shù)字輸出模塊。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用恒溫差工作方式，利用熱溫差原理測(cè) 量風(fēng)速和風(fēng)向。為了減小熱膜風(fēng)速傳感器的襯底熱傳導(dǎo)，提高傳感器的靈敏度， 芯片采用低熱導(dǎo)率的玻璃襯底。同時(shí)，采用物理特性穩(wěn)定的鉑作為加熱和測(cè)溫元 件，其可以通過剝離工藝進(jìn)行加工。為了便于壓焊和引線，在焊盤處淀積一層金。 本發(fā)明的微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器包括加熱電阻，芯片溫度測(cè)量電阻，8 個(gè)熱溫差測(cè)量電阻和壓焊塊;芯片中央的芯片溫度測(cè)量電阻和加熱電阻完全對(duì)稱 且緊密纏繞，用于芯片溫度表征；加熱電阻四周為8個(gè)對(duì)稱分布的熱溫差測(cè)量電 阻，通過版圖設(shè)計(jì)可以使得其電阻完全一致；這8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻分為兩組: 其中第一熱溫差測(cè)量電阻、第二熱溫差測(cè)量電阻、第三熱溫差測(cè)量電阻、第四熱 溫差測(cè)量電阻為一組組成全橋電路，測(cè)量X方向的風(fēng)速；第五熱溫差測(cè)量電阻、 第六熱溫差測(cè)量電阻、第七熱溫差測(cè)量電阻、第八熱溫差測(cè)量電阻為一組組成全 橋電路，測(cè)量Y方向的風(fēng)速；在傳感器芯片周圍對(duì)稱分布的20個(gè)壓焊塊，對(duì)加 熱電阻、芯片溫度測(cè)量電阻和8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻分別引出。
在芯片中央設(shè)計(jì)的加熱電阻與芯片溫度測(cè)量電阻和參考電阻連接成惠斯通 電橋形式，然后進(jìn)行差分放大，最后利用電壓/電流轉(zhuǎn)換元件對(duì)加熱電阻進(jìn) 亍驅(qū) 動(dòng)，利用電學(xué)和熱學(xué)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)傳感器的恒溫差控制；8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻對(duì)稱 分布，阻值完全一致，并分為兩組組成惠斯通全橋電路分別測(cè)量X和Y方向的風(fēng) 速，然后通過多路選擇器AMux和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量進(jìn)入MCU，并通過計(jì)算 得到風(fēng)速和風(fēng)向值，實(shí)現(xiàn)LCD顯示和數(shù)字輸出。
本發(fā)明提出的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器包括加熱電阻，芯片溫度測(cè)量電阻，熱溫 差測(cè)量電阻和壓焊塊(圖l)。芯片中央的加熱電阻Rh和芯片溫度測(cè)量電阻Rs 完全對(duì)稱并緊密纏繞，兩者的溫度可以視為一致的。本發(fā)明提出的恒溫差控制電 路(圖2)利用Rs測(cè)量芯片溫度，然后連接成惠斯通電橋形式有運(yùn)算放大器A1 進(jìn)行差分放大，最后利用電壓/電流轉(zhuǎn)換元件G對(duì)加熱電阻Rh進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速 增大時(shí)，芯片溫度下降，考慮到Pt電阻為正溫度系數(shù)，Rs上的電壓會(huì)減小，從 而使得放大器輸出電壓增大，通過電壓/電流轉(zhuǎn)換，Rh上的電流和加熱功率增大， 從而保持芯片溫度高于環(huán)境溫度一個(gè)設(shè)定值，形成整個(gè)的電學(xué)與熱學(xué)反饋，即實(shí) 現(xiàn)傳感器的恒溫差控制。
芯片四周為8個(gè)對(duì)稱分布的測(cè)溫電阻，通過版圖設(shè)計(jì)可以使得其電阻完全一 致。這8個(gè)測(cè)溫電阻分為兩組第一熱溫差測(cè)量電阻Rll、第二熱溫差測(cè)量電阻 R12、第三熱溫差測(cè)量電阻R31、第四熱溫差測(cè)量電阻R32為一組，測(cè)量X方向 的風(fēng)速；第五熱溫差測(cè)量電阻R21、第六熱溫差測(cè)量電阻R22、第七熱溫差測(cè)量 電阻R41、第八熱溫差測(cè)量電阻R42為一組測(cè)量Y方向的風(fēng)速。同時(shí)，由于溫差 測(cè)量電阻距離中央加熱條的距離不一樣，熱溫差原理測(cè)量風(fēng)速具有不同的靈敏度
和量程(圖3)。離加熱條距離較近時(shí)，可以在小風(fēng)速下獲得較高的靈敏度；而 離加熱條距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以獲得較大的量程。對(duì)于半橋電路形式的熱溫差原理測(cè) 量風(fēng)速，量程與靈敏度在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)是一組不可調(diào)和的矛盾。在本發(fā)明提出的熱 溫差測(cè)量電路(圖4)中，將熱溫差測(cè)量電阻組成全橋電路，可以將兩者的輸出 進(jìn)行疊加，靈敏度可以變?yōu)樵瓉淼膬杀?。此外，由于敏感電阻采用全芯片集成?可以避免外接電阻，從而使得橋路電阻的匹配性和溫度特性更佳。
在傳感器芯片周圍對(duì)稱分布的20個(gè)壓焊塊，對(duì)加熱電阻，芯片測(cè)溫電阻和 8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻進(jìn)行分別引出。
本發(fā)明提出的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器襯底采用玻璃、陶瓷或其它低熱導(dǎo)率的材 料，所有加熱電阻和測(cè)溫電阻均為利用剝離工藝制作的鉑、鎳或其它高溫度系數(shù) 的金屬電阻。 一個(gè)具體的加工過程實(shí)例為準(zhǔn)備Pyrex7740玻璃襯底；在 Pyrex7740玻璃襯底上淀積50nm的鈦和200nrn的鉑，利用金屬剝離工藝形成加 熱電阻，芯片溫度測(cè)量電阻和熱溫差測(cè)量電阻圖形；利用剝離工藝形成300nm 的金壓焊塊。
本發(fā)明提出的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器釆用恒溫差工作方式，利用熱溫差原理測(cè) 量風(fēng)速和風(fēng)向。為了實(shí)現(xiàn)低工作電壓和低功耗情況下的恒溫差控制，本發(fā)明在芯 片中央設(shè)計(jì)了一個(gè)與加熱電阻Rh完全對(duì)稱并緊密纏繞的芯片溫度測(cè)量電阻Rs， 兩者的溫度可以視為一致的。對(duì)應(yīng)于該傳感器結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了一種新型的恒 溫差電路。如圖2所示，將芯片溫度測(cè)量電阻Rs和參考電阻Rr連接成惠斯通電 橋形式，然后進(jìn)行差分放大，最后利用電壓/電流轉(zhuǎn)換元件對(duì)加熱電阻Rh進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，芯片溫度下降時(shí)，考慮到Pt電阻為正溫度系數(shù)，Rs上的電 壓會(huì)減小，使得放大器輸出電壓增大，通過電壓/電流轉(zhuǎn)換，Rh上的電流和加熱 功率增大，從而保持芯片溫度高于環(huán)境溫度一個(gè)設(shè)定值，形成整個(gè)的電學(xué)與熱學(xué) 反饋，即實(shí)現(xiàn)傳感器的恒溫差控制。
為了避免外接電阻導(dǎo)致的匹配性問題，本發(fā)明提出的風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)了 8個(gè) 對(duì)稱分布的測(cè)溫電阻，并通過版圖設(shè)計(jì)可以使得其電阻完全一致。由于熱溫差測(cè) 量電阻距離中央加熱條的距離不一樣，熱溫差原理測(cè)量風(fēng)速具有不同的靈敏度和 量程(圖3)。離加熱條距離較近時(shí)，可以在小風(fēng)速下獲得較高的靈敏度；而離 加熱條距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以獲得較大的量程。對(duì)于半橋電路形式的熱溫差原理測(cè)量 風(fēng)速，量程與靈敏度在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)是一組不可調(diào)和的矛盾。在本專利提出的測(cè)量
電路中，由于熱溫差測(cè)量電阻成全橋電路(圖4)，可以將兩者的輸出進(jìn)行疊加， 靈敏度可以變?yōu)樵瓉淼膬杀叮砍桃部梢缘玫絻?yōu)化。通過放大以后的電橋輸出可 以通過多路選擇器AMux和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量進(jìn)入MCU，并通過計(jì)算可以得 到風(fēng)速和風(fēng)向值，最后實(shí)現(xiàn)LCD顯示和數(shù)字輸出。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于該傳感器包括襯底、加熱電阻(Rh)、芯片溫度測(cè)量電阻(Rs)、8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻、壓焊塊(1-20)；位于傳感器芯片中央的芯片溫度測(cè)量電阻(Rs)和加熱電阻(Rh)完全對(duì)稱且緊密纏繞，用于芯片溫度表征；位于傳感器芯片四周的8個(gè)對(duì)稱分布的熱溫差測(cè)量電阻的電阻值完全一致，壓焊塊(1-20)分別與加熱電阻(Rh)、芯片溫度測(cè)量電阻(Rs)、8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻相連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于所述8 個(gè)熱溫差測(cè)量電阻分為兩組其中第一熱溫差測(cè)量電阻(Rll)、第二熱溫差測(cè)量 電阻(R12)、第三熱溫差測(cè)量電阻(R31)、第四熱溫差測(cè)量電阻(R32)組成一 組全橋電路，測(cè)量X方向的風(fēng)速；第五熱溫差測(cè)量電阻(R21)、第六熱溫差測(cè)量 電阻(R22)、第七熱溫差測(cè)量電阻(R41)、第八熱溫差測(cè)量電阻(R42)組成一 組全橋電路，測(cè)量Y方向的風(fēng)速。所述壓焊塊在傳感器芯片周圍對(duì)稱分布，對(duì)加 熱電阻(Rh)、芯片溫度測(cè)量電阻(Rs)和8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻分別引出。
3. 如權(quán)利要求2所述的微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于所述8 個(gè)熱溫差測(cè)量電阻通過版圖設(shè)計(jì)使得其電阻值完全一致。
4. 如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于所述襯底 采用玻璃、陶瓷或其它低熱導(dǎo)率的材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于所述加熱 電阻(Rh),芯片溫度測(cè)量電阻(Rs)，和8個(gè)熱溫差測(cè)量電阻采用剝離工藝制作 的鉑、鎳或其它高溫度系數(shù)的金屬電阻制成。
6. —種如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的信號(hào)處理電路，其特征在于該電路包括恒溫差控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路，恒溫差控制電路包括位于傳感器芯片中央的加熱電阻(Rh)與芯片溫度測(cè)量 電阻(Rs)和位于傳感器芯片外的參考電阻(Rr)連接成的惠斯通電橋，用于產(chǎn) 生差分信號(hào)，并將其傳輸給差分放大器(Al)，差分放大器用于差分放大，并將 放大后的信號(hào)傳輸給電壓/電流轉(zhuǎn)換元件(G),電壓/電流轉(zhuǎn)換元件(G)產(chǎn)生驅(qū) 動(dòng)信號(hào)對(duì)加熱電阻(Rh)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用電學(xué)和熱學(xué)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的恒溫 差控制； 信號(hào)檢測(cè)電路包括位于傳感器芯片四周的8個(gè)對(duì)稱分布的熱溫差測(cè)量電阻阻 值完全一致，并分為兩組組成惠斯通全橋電路并進(jìn)行差分放大，然后通過多路選 擇器AMux和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量進(jìn)入MCU,并通過計(jì)算得到風(fēng)速和風(fēng)向值， 實(shí)現(xiàn)LCD顯示和數(shù)字輸出。
全文摘要
二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其信號(hào)處理電路涉及一種基于微機(jī)械(MEMS)剝離工藝的二維熱膜風(fēng)速風(fēng)向傳感器，以及恒溫差控制和熱溫差測(cè)量電路。該傳感器中央的芯片溫度測(cè)量電阻Rs，和參考電阻Rr連接成惠斯通電橋形式，然后進(jìn)行差分放大，最后利用電壓/電流轉(zhuǎn)換元件對(duì)加熱電阻Rh進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用電學(xué)和熱學(xué)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)傳感器的恒溫差控制。8個(gè)對(duì)稱分布且阻值一致的測(cè)溫電阻分為兩組組成惠斯通全橋電路測(cè)量X和Y方向風(fēng)速。電橋輸出通過放大后，經(jīng)多路選擇器Mux和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量進(jìn)入MCU，并通過計(jì)算可以得到風(fēng)速和風(fēng)向值，最后實(shí)現(xiàn)LCD顯示和數(shù)字輸出。該傳感器具有工藝簡單可靠，靈敏度高，低功耗，響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P13/00GK101349708SQ200810124428
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者沈廣平, 明 秦, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)