专利名称：在管芯上结合附加电路的mems气流传感器管芯的制作方法
在管芯上结合附加电路的MEMS气流传感器管芯
背景技术
本公开与传感器有关，特别是与流量传感器有关。更特别地，本公开与MEMS管芯 上的流量传感器有关
发明内容
本发明展现了一种MEMS气流管芯，具有在MEMS管芯上与气流传感器相集成的加 热器控制电路、差动仪表放大器、温度补偿、和/或偏移校正电路。附加的电路可放置在气 流管芯上的可用空间上，而不增大该管芯。该管芯可导致具有减少的形状因数、改进的可靠 性和更低的成本的流量传感器封装。


图I为位于电路板上的MEMS管芯上的流体流量传感器的示图2为位于印刷电路板上的MEMS管芯上的具有流体流量传感器的布置的更近景 的示图3为展现了对于附加物品可用的空间的基于电桥的MEMS流量管芯的不图4为与图3中的管芯相似的基于薄膜的MEMS流量管芯的示图，展现了可能对于 附加物品可用的空间；
图5为示例惠斯通电桥电路的示图，其可以是位于MEMS管芯结构上的流量传感器 的电原理图6为差动放大器电路的示例的示图7为加热器控制电路的示例的示图8为示例温度补偿电路的框图；以及
图9为与图1-4的管芯相似但是示出了加热器控制、差动放大器和温度补偿的附 加电路的特定位置的示图。
具体实施方式
微机电系统(MEMS)器件可由在大小上I到100微米之间的部件所制造，并且MEMS 器件在大小上通常从20微米到I毫米的范围变化。然而，MEMS器件可大于I毫米。
人们可在MEMS结构中集成完整的信号处理。一些有竞争力的MEMS结构在换能器 元件中集成了所有的信号处理部件。这些信号处理部件包括温度校正、形状校正、用于示踪 能力(traceability)的存储器、数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)、数字信号处理器 (DSP)、内部时钟、多路复用器，等等。虽然这可以是处理问题的一种方式，但对于仅需要具 有平均精度的基本且便宜的传感器以供在工业、HVAC和其它应用中使用的客户的简单解决 方案来说，这是过度的且低效并非常昂贵的方式。
存在对于基本的微机电系统气流管芯的需要，该微机电系统气流管芯具有集成的 差动仪表放大器和偏移校正电路。基于电桥的基本微气流管芯可能在它只具有换能器兀件 的意义上具有缺点。各种流量传感器可依赖于外部差动仪表放大器和偏移校正电路。差动 仪表放大器电路可由至少一个四元运算放大器和多个外部电阻构成。
有关外部电路的问题可包括以下1)外部部件可能合计起以增加原材料成本、组CN 102976261 A书明说2/5页装成本和增加总体产品成本；2)增加的部件可能数倍地降低最终产品的整体可靠性；3)成 品的最终精度可能是外部部件的精度的因数，以及因此成品的精度和误差带可比换能器自 身更高；4)外部部件可在电路板上占据相当大的空间并导致物理上更大的产品；5)四元运 算放大器可具有其自身的噪声，包括热噪声和散粒噪声，因为这样的噪 声可能对整个系统 的信噪比添加噪声因素，并降低传感器精度；以及6)差动仪表放大器可具有泄露电流，当 如在具有用于检测低幅度的流体(例如，气体或液体)流量的灵敏流量传感器的设备中测 量非常小的电压时，该泄露电流可能是一个问题。
存在对具有位于管芯上的集成的差动仪表放大和偏移校正的气流管芯的需要。利 用在MEMS气流微结构内的集成差动放大电路，以上提到的问题可能会得到解决和/或缓 解。该方法可产生小的、简单的且廉价的解决方案，以提供基本气流传感器。
具有集成仪表放大器和偏移电路的气流管芯可具有以下优点1)通过去除电路 上的外部四元运算放大器，和其它组件以及激光修整操作来降低产品的成本；2)减小最终 组装的传感器的尺寸；3)降低由外部放大器和无源部件所引起的噪声；以及4)减少泄露电 流；以及5)增加传感器的可靠性。
集成的MEMS气流结构可由至少两个核心组成。首先，可存在本身被用作为流量感 测元件的核心换能元件。其次，可存在仪表放大和偏移校正电路以将换能的信号运送至输 出。
核心换能器流量感测元件可以是1)具有全惠斯通电桥的微桥结构(如目前的结 构)；或2)具有全惠斯通电桥的薄膜/隔膜结构。该电桥替代地可以是部分的。
在微结构制造期间，可使用诸如深反应离子蚀刻(DRIE)的体微加工技术，和/或 表面微加工技术来制造仪表放大和偏移校正电路。
可注意到以下考虑I)MEMS结构可仅包含换能器元件(未放大的)，该换能器元件 可以提供非常低的信号输出，并因此在测量流量时不是非常灵敏；2)专用集成电路(ASIC) 可被用于流量传感器中以执行放大和偏移校正，这可增加产品的成本，降低产品的可靠性， 降低信噪比，以及由于一个或多个部件的尺寸而导致具有增加的尺寸的最终产品；以及3) 完整的信号处理可被集成在MEMS结构中，诸如被集成在换能器元件中。
信号处理部件可包括温度校正、形状校正、用于示踪能力的存储器、数模转换器 (DAC)和模数转换器(ADC)、数字信号处理器(DSP)、内部时钟、多路复用器，等等。虽然这可 以是通往解决方案的一种方法，但对于仅需要具有平均精度的基本和廉价的传感器以供在 工业、HVAC和其它应用中使用的客户的简单解决方案来说，这是过度的、低效并更加昂贵的 方式。
当前的传感器可包含以下项目。例如，它可以是用集成差动仪表放大器和偏移校 正电路所制成的MEMS流量管芯。偏移校正电路可与放大器互连。MEMS管芯可接着被封装 在流管中，并且将来自该MEMS管芯的放大的差动输出直接带到弓I脚而没有任何附加的放 大或偏移校正。通过消除前端电路，成品的尺寸可显著减小。出于可比较的目的，基本传感 器的成本可比相关领域的产品便宜许多倍(例如，至少两倍)。当前传感器的精度可匹配 在有竞争力的相关领域市场中的那些传感器的精度，并且在工业和HVAC应用中也还有更 大的需求。MEMS管芯的尺寸实际上与没有附加电路的单个气流MEMS管芯的尺寸相同。附 加电路可被结合到看起来具有约50%的未使用的娃空间的坚固(robust)流量管芯中。那5可意味着具有附加电路以及流量传感器的流量传感器封装的形状因数被改善了至少两倍， 例如，减小到二分之一。可通过在基本流体流量管芯的未使用的MEMS空间或结构内，利用 MEMS制造技术，集成例如放大的差动仪表，和例如偏移补偿的电压校正，来对未使用的硅空 间或结构进行杠杆作用。也可利用MEMS制造来将温度补偿和控制电路以及部件集成到流 量传感器管芯中。
图I为位于印刷电路板(PCB) 13上的MEMS管芯12中的流体流量传感器11的示 图。为了支撑流量传感器11，以及放大和补偿来自流量传感器11的信号，可存在位于电路 板13上的差动仪表放大器电路14和加热器控制电路15。尽管没有明确示出，但在板13上 也可以存在温度补偿电路。用于流量传感器11的图I中的布置17看起来具有大的形状因 数、许多部件、相当大的成本和低可靠性。
图2为位于印刷电路板19上的MEMS管芯12上的具有流体流量传感器11的布置 18的示图。为了支撑流量传感器11，以及放大和补偿来自流量传感器11的信号，可存在位 于电路板19上的仪表放大器电路14和加热器控制电路15。并且，在板19上可以存在温度 补偿电路。差动仪表放大器电路14和加热器控制电路15可改为位于MEMS管芯12上。类 似地，温度补偿电路可位于MEMS管芯12中。项目14和15可利用MEMS制造技术被添加到 管芯12。管芯12的尺寸无需被扩大。在管芯12上可存在对于项目14和15充分足够的 额外空间。并且，可存在用于温度补偿电路的附加的足够空间。不一定要增加附加的电路 和项目，因为那将会需要更大的管芯，其对于基本气流传感器是过于昂贵的和过度的，并且 对于在工业、HVAC和其它应用中使用的具有平均精度的基本和廉价的传感器是低效率的方 式。得到的传感器管芯12可以是具有小形状因数、低成本和高可靠性的基于电桥的和/或 基于薄膜的防潮流体流量传感器MEMS结构12。
图3为展现了可用于附加项目的空间的基于电桥的MEMS流量管芯12的示图。本 公开中的管芯12可以是硅的但也可以是另一种合适材料的。并且，本公开中的传感器11 可以是气流传感器但也可以是另一种类的流体传感器，诸如液体的流体传感器。
空间21指示了在芯片12上的可用于流量传感器11的惠斯通电桥的区域。空间 22指示了在芯片12上的可用于诸如图I中的板13的差动仪表放大器电路14和加热器控 制电路15的其它项目的区域。在空间22中存在可用于温度补偿电路的区域。管芯12不 一定需要在尺寸上被增加。
图4为与图3中的管芯12相似的基于薄膜的MEMS流量管芯12的示图，展现了可 对于附加项目14和15可用的空间22。在附图4中，空间21指示了用于惠斯通电桥的区 域。在图3和4中，剩余空间22可总计为管芯12上的总空间的大约50%。
图5为示例惠斯通电桥电路25的示图，其可以是位于MEMS管芯12上的流量传感 器11的电原理图。电阻26-29可根据热传递原理进行操作。来自上游和下游电阻的电压上 的差可指示通过传感器的流体流量。质量气流可改变差动输出电压。上游和下游电阻相互 并联。这些电阻可以以蜿蜒的方式被形成。电阻26和27可具有连接到电压(Vcc)31的第 一端。电阻28和29可具有通过电阻30连接到接地或参考电压32的第一端。电阻26的 第二端可被连接到电阻28的第二端。电阻27的第二端可被连接到电阻29的第二端。电 阻26和28的第二端的连接部可被连接到电线33。电阻27和29的第二端的连接部可被 连接到电线34。电线33和34表示与电路25的感测电桥的连接。电阻26、27、28、29和306可分别具有25K，25K，1. 5Κ，1. 5Κ和3. 3Κ欧姆的值。
图6为差动放大器电路14的示例的示图。电桥电路25的电线33和34可分别被 连接到电路14的电线33和34。电线34可被连接到运算放大器(op-amp) 36的非反相输 入。电线33可被连接到运算放大器37的非反相输入。运算放大器36的输出可被连接到 100K欧姆的电阻38的第一端和3K欧姆的电阻39的第一端。电阻39的第二端可被连接 到运算放大器36的反相输入和可变的20K欧姆的电阻41的第一端。运算放大器37的输 出可被连接到100K欧姆的电阻42的第一端和84K欧姆的电阻43的第一端。电阻43的第 二端可被连接到运算放大器37的反相输入和可变电阻41的第二端。电阻38的第二端可 被连接到运算放大器44的反相输入和300K欧姆的电阻45的第一端。电阻45的第二端可 被连接到运算放大器44的输出和电路14的输出端子46。电阻42的第二端可被连接到运 算放大器44的非反相输入和280K欧姆的电阻47的第一端。电阻47的第二端可被连接到 IOK欧姆的电阻48的第一端和100K欧姆的电阻49的第一端。电阻48的第二端可被连接 到接地或参考电压32。电阻49的第二端可被连接到电压(Vcc)31。
图7为加热器控制电路15的示例的示图。加热器控制电路将确保加热器电阻被 保持在周围环境温度以上的恒定温度。例如，加热器电阻可以是用于流量传感器管芯的加 热元件。该加热元件可以被认为是加热器控制电路的一部分或与其分离。
对于加热器控制电路应用的示例，如果在器件的操作期间，周围坏境温度为25°C， 则加热器温度可以在100°c。存在多种方式来设计加热器控制电路。其中一种方式在以下 描述。运算放大器51(LM2902)的反相输入可被连接到I. 82K欧姆的电阻52的第一端。运 算放大器51的非反相输入可被连接到3. 5K欧姆的电阻53的第一端和1500欧姆的电阻 54的第一端。电阻53的第二端被连接到运算放大器51的输出、500欧姆的电阻55的第一 端和5K欧姆的电阻56的第一端。电阻56的第二端可被连接到电压(Vcc) 31。电阻52的 第二端可被连接到电阻55的第二端和1050欧姆的电阻57的第一端。电阻57的第二端可 被连接到接地或参考电压32。电阻54的第二端可被连接到6K欧姆的电阻58的第一端。 电阻58的第二端可被连接到接地或参考电压32。
图8为示例温度补偿电路16的框图。补偿电子设备61可包括适合于图1_4中与 管芯12相关联的电路的补偿电路。温度传感器62可被连接到补偿电子设备61。输入端 子63可以是要被温度补偿的信号，以及输出端子64可提供温度补偿的信号。温度传感器 可被认为是温度补偿电路的一部分或与其分离。
流体流量传感器的输出可指示经过流量传感器的流体流量的大小。由管芯的温度 引起的在流量传感器的输出处所指示的流体流量大小的改变，可利用温度补偿电路进行补 偿。该电路可被连接到管芯上或管芯中的温度传感器。
图9为可按照图1-4中的管芯被结合的管芯12的示图。图9中的管芯12的示图 可具有项目14、15和/或16，以及流量传感器11。即使项目14、15和16出现在管芯12上， 可存在被确定为对于手边的流量传感器设计是可接受的相组合的一个，两个或三个项目。 流量传感器11可具有一个或多个温度传感器和一个加热器。并且，温度参考传感器可连同 管芯12上的流量传感器11被使用。来自各种部件的导线可被互连或引出到用于内部或外 部连接的连接垫。
在本说明书中，尽管以另一种方式或时态进行陈述，但一些情况可以是假设的或预言性质的。尽管已经参考至少一个说明性实例描述了本系统和/或方法，但在阅读说明书时，许多变化和修改将对于本领域技术人员来说是明白的。因此，意在的是，考虑现有技术而将所附的权利要求尽可能广泛地解释，以包括所有这样的变化和修改。
权利要求
1.ー种流体流量传感器布置，包括 微机电系统制造的流体流量传感器管芯，具有流体流量传感器； 温度传感器，形成在该管芯上的可用空间中；以及 温度补偿电路，形成在该管芯上的可用空间中，并且被连接到温度传感器以及连接到流体流量传感器的输出；以及， 其中 流体流量传感器的输出指示了经过流量传感器的流体流量的大小；以及利用温度补偿电路来补偿由该管芯的温度引起的在流量传感器的输出处所指示的流体流量的大小的改变。
2.权利要求I的布置，进ー步包括 放大器，形成在该管芯上的可用空间中以放大流量传感器的输出；以及 其中该放大器包括差动电路以降低输出处的偏移量。
3.权利要求I的布置，进ー步包括 该管芯上的加热元件；以及 加热器控制电路，形成在该管芯上，并且被连接到该温度传感器和该加热元件，来为该流体流量传感器維持预选择的操作温度；以及其中 该流体流量传感器为气流传感器；以及 利用微机电系统制造技术来在该管芯上形成该温度传感器、该温度补偿电路、该放大器、该加热元件和该加热器控制电路。
4.权利要求3的布置，其中 该流量传感器包括基于电桥的防潮微机电系统结构或基于薄膜的防潮微机电系统结构；以及 该结构包括至少部分惠斯通配置。
5.ー种流体流量传感器管芯，包括 微机电系统制造的流体流量传感器管芯，具有流量传感器；以及 放大器，被添加到该流量传感器管芯；以及 其中 利用微机电系统制造技术来在该流量传感器管芯上形成该放大器；以及 该放大器被连接到流量传感器的输出。
6.权利要求5的管芯,进一步包括 流量传感器输出偏移校正电路，利用微机电系统制造技术被添加到流量传感器管芯并形成在流量传感器管芯上； 加热器控制电路，利用微机电系统制造技术被添加到流量传感器管芯；以及 温度补偿电路，利用微机电系统制造技术添加到流量传感器管芯；以及 其中 该流量传感器输出偏移校正电路与该放大器互连； 该流量传感器包括惠斯通电桥；以及 该放大器包括差动电路。
7.权利要求5的管芯，其中 该管芯包括娃；以及 该流量传感器从以下组成的组中选择基于电桥的防潮气流传感器和基于膜片的防潮气流传感器。
8.ー种流体流量传感器系统,包括 微机电系统制造的流量传感器管芯，具有流体流量传感器；以及 加热器控制电路，利用微机电系统制造技术被形成在流量传感器管芯上。
9.权利要求8的系统，进ー步包括 差动放大器，被形成在微机电系统制造的流量传感器管芯中；以及 温度补偿电路，被形成在微机电系统制造的流量传感器管芯中；以及 其中 该差动放大器被连接到流量传感器的输出；以及 该温度补偿电路对由于流量传感器管芯中的温度变化引起的来自流量传感器的输出的流量的大小指示的变化进行补偿。
10.权利要求8的系统，进一歩包括 放大器，被连接到流体流量传感器的输出； 管芯温度传感器； 温度补偿电路，被连接到管芯温度传感器以及连接到放大器的输出；以及 管芯加热元件；以及 其中 该加热器控制电路被连接到该管芯温度传感器和管芯加热元件； 利用微机电系统制造技术来在该流量传感器管芯上的可用空间中形成该放大器、该管芯温度传感器、该温度补偿电路、该管芯加热元件、和该加热器控制电路；以及该流体流量传感器为气流传感器。
全文摘要
一种MEMS气流传感器管芯，具有在MEMS管芯上与气流传感器相集成的加热器控制电路、差动仪表放大器、温度补偿、和/或偏移校正电路。可利用MEMS制造技术来在基本气流管芯上的可用空间上放置附加的电路，而不用增大该传感器管芯。具有附加的电路的管芯可导致具有减小的形状因数、改进的可靠性和更低的成本的器件。
文档编号G01F15/04GK102976261SQ20121038442
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月5日 优先权日2011年9月6日
发明者M·A·J·卡西米, L·F·里克斯 申请人:霍尼韦尔国际公司