CN101213425B - 叉指型、全惠斯通电桥流量传感器变换器 - Google Patents

Abstract

一种传感器设备包括含有上游侧和下游侧的加热元件。第一热传感组通常被配置成邻近加热元件的上游侧并包括第一传感元件和第二传感元件，该第一传感元件和第二传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案。第二热传感组可被配置成邻近加热元件的下游侧并包括第三传感元件和第四传感元件，该第三传感元件和第四传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案。

Description

叉指型、全惠斯通电桥流量传感器变换器

技术领域

实施例通常涉及传感装置及其部件。实施例也涉及流量传感器。实施例另外涉及叉指型、全惠斯通电桥流量传感器变换器。

背景技术

传感器被用于各种传感应用中，诸如用于检测和/或量化材料的成分、检测和/或量化多种物质中特定物质的存在、以及检测和/或量化物质的质量流率。工业、商业、医药和汽车工业特别是需要多种方式来量化气态和液态的质量流率的量。例如，在医药业，通常采用气流传感器来监控和/或控制患者的呼吸。这样的两个例子包括睡眠呼吸暂停装置和氧气维持装置。类似地，在微型计算机冷却装置中通常采用气流传感器来检测局部气流的存在以及局部气流进入冷却装置、通过冷却装置和环绕着冷却装置的数量。

在过去，质量流传感器已利用一个“上游”热敏电阻器和一个“下游”热敏电阻器构成，其中“上游”和“下游”一般表示质量流的方向。微芯片环境中的质量流传感器的一个进步(即“惠斯通电桥”电路)通常配置有外部(即位于芯片之外)的电阻器。通过实现全惠斯通电桥可以改善这种旧有的结构，该全惠斯通电桥在传感芯片上总共有四个均为热敏电阻器的电阻器，以考虑到更大的信噪比和对环境温度噪声的更好的抗干扰性。

惠斯通电桥能被用于检测质量流。例如，在“全”惠斯通电桥结构中，全部四条支路均包括可变电阻器。在一种结构中，在每条支路中都使用电阻温度检测器，即使用电阻随着温度变化的电阻器。位于两侧之间的加热元件在该加热元件周围产生大致均匀的热分布。例如，当空气从电桥的一侧传递到电桥的另一侧时，热从“上游”侧被导向“下游”侧，从而冷却了上游侧并加热了下游侧。

由于两侧的电阻随着温度变化，所以两侧之间的最终温度差在两侧之间引起可测量的电压差。这一电压差与该温度差相关联。由于温度变化是空气质量流率的函数，所以该电压差也与质量流率相关联。

然而，特别是对于非常高或非常低的流率，以前的全惠斯通电桥结构经常也会引起低的信噪比。低信噪比降低了电桥测量结果的精度和分辨率并会造成难以量化研究中的质量流率。

因此，需要一种对高和/或低流率提供提高的灵敏度的***、设备和/或方法，这些***、设备和/或方法至少克服以前的***和/或方法中的某些局限。

发明内容

下述概要被提供来促进理解只有所公开的实施例才有的一些创新性特征，并且该概要并不是全面的描述。对实施例各个方面的全面理解可以通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为整体来获得。

因此，本发明的一个方面是提供一种改进的传感装置。

本发明的另一方面是提供一种具有提高的信噪比的传感器。

本发明的又一方面是提供一种具有提高的量化质量流率的精度和分辨率的传感器。

上述各方面以及其它目标和优点现在可以如这里所描述的那样来实现。公开了一种传感器设备，该传感器设备包括含有上游侧和下游侧的加热元件。第一热传感组(heating set)可被配置成邻近该加热元件的上游侧，并且第一热传感组包括第一传感元件和第二传感元件，第一和第二传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案。第二热传感组通常被配置成邻近该加热元件的下游侧，并且第二热传感组包括第三传感元件和第四传感元件，第三和第四传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案。

附图说明

附图进一步图解说明了实施例，并且附图与具体实施方式一起用来解释这里所公开的实施例，在这些附图中，贯穿独立的视图，相同的参考编号表示相同或功能相似的元件，并且这些附图被并入以及形成说明书的部分。

图1以框图示出了根据优选实施例的叉指型、全惠斯通电桥流量传感器设备；

图2以简化电路图示出了根据优选实施例的全惠斯通电桥；以及

图3示出了描绘根据优选实施例的用于感测质量流的方法的逻辑运算步骤的流程图。

具体实施方式

在这些非限制性实例中所讨论的特定值和结构可以改变并且仅被引用来图解说明至少一个实施例，而不是意图限制其范围。

图1示出了根据本发明的一个实施例的改进的传感设备。特别地，图1是示出传感***的框图，该传感***通常由参考编号100来表示。另外如下详细描述的那样，本发明考虑了以比市场上的现行装置的信噪比更大的信噪比来量化质量流率的方式，并且考虑了量化质量流率的精度和分辨率方面的改进。

特别地，在所示实施例中，传感***100包括衬底102，传感***的其它部件被形成在该衬底102上。本领域技术人员可以理解，部分基于传感***100的其余部件的成分和其中应用传感***100的环境，衬底102可以是任何适当的衬底。例如，在其中传感***应用于微型计算机环境的实施例中，衬底102可以是硅衬底并且可以包括其上形成一个或多个电路的较大晶片的部分。

传感***100包括加热元件104。在所示实施例中，加热元件104配置有“上游”侧104a和“下游”侧104b。为了便于说明，所示实施例相对于通常沿箭头方向、即“X”的质量流来描述。本领域技术人员可以理解，所示实施例也运行来感测和量化“X”的反方向上的质量流。因此，在此相对于“X”方向上的质量流如此命名和描述上游侧104a和下游侧104b。

加热元件104通常在整体上以及在上游侧104a和下游侧104b中的每侧中被配置成蜿蜒的图案。在可替换的实施例中，加热元件104可被配置成简化的、单匝图案，该单匝图案包括在传感***100的与Vcc B1 116、地108、Vcc H 106和Vcc B2 126相对的侧上的单个180度匝。也就是说，实施例并非必须被配置成如附图中所示的蜿蜒的图案。在所示实施例中，加热元件104可被配置来将所施加的电压转换成热，然后该热从加热元件104向外辐射。因此，在一个实施例中，加热元件104是加热电阻器。本领域技术人员将理解，也可以使用其它适合的加热元件。

加热元件104可以通过引线焊盘(wire bonding pad)Vcc H 106和地108被耦合到电压源。在所示实施例中，Vcc H 106是被耦合到其它传统电压源的引线焊盘，并且可被配置来向加热元件104输送电压，以便从加热元件104辐射出的热满足期望的热输出特征(output signature)。可替换地，加热元件104可被配置来响应于供给Vcc H 106的固定电压而以期望的输出特征辐射热。在可替换的实施例中，加热元件104可被配置来响应于供给Vcc H 106的可变电压而以多种热特征辐射热，供给该Vcc H 106的可变电压能响应于改变由传感***100所测量的质量流特性来***纵。本领域技术人员将理解，也可以使用其它配置。

传感***100还包括热传感组110。通常，热传感组110以蜿蜒的图案被配置成邻近加热元件104的上游侧104a。在所示实施例中，热传感组110包括以蜿蜒的图案与传感元件114相互交叉的传感元件112。传感元件112和114是响应于局部温度变化而改变电阻的其它传统传感元件。在一个实施例中，传感元件112和114是电阻温度检测器(RTD)。在可替换的实施例中，传感元件112和114是热敏电阻。在所示实施例中，传感元件112和114是相同的RTD。在可替换的实施例中，传感元件112和114可被配置有不同的额定值和/或热响应曲线。本领域技术人员将理解，也可以使用其它配置。

传感***100还包括热传感组120。通常，热传感组120以蜿蜒的图案被配置成邻近加热元件104的下游侧104b。在所示实施例中，热传感组120包括以蜿蜒的图案与传感元件124相互交叉的传感元件122。传感元件122和124是响应于局部温度变化而改变电阻的其它传统传感元件。在一个实施例中，传感元件122和124是电阻温度检测器(RTD)。在可替换的实施例中，传感元件122和124是热敏电阻。在所示实施例中，传感元件122和124是相同的RTD。在可替换的实施例中，传感元件122和124可被配置有不同的额定值和/或热响应曲线。在另一可替换的实施例中，传感元件112、114、122和124都是相同的RTD。本领域技术人员将理解，也可以使用其它配置。

传感元件112、114、122和124一起被配置成全惠斯通电桥。此外，传感元件112、114、122和124中的每个均包括惠斯通电桥的一条支路。因此，传感元件112通过输出块130被耦合到传感元件122。传感元件114也通过输出块130被耦合到传感元件124。

在所示实施例中，输出块130包括输出“A”132和输出“B”134。通常，输出“A”132和输出“B”134提供由芯片上的质量流所产生的差分电压信号。

在所示实施例中，传感元件112通过引线焊盘Vcc B1 116被耦合到电压源，而传感元件124通过引线焊盘Vcc B2 126被耦合到电压源。Vcc B1 116和Vcc B2 126是其它传统的引线焊盘，这些引线焊盘被耦合到其它传统的电压源并被配置来分别在传感元件112和122与传感元件124和114两端提供稳定的电压。在一个实施例中，Vcc B1 116和Vcc B2 126被配置来提供相同的电压。在可替换的实施例中，Vcc B1 116和Vcc B2 126被配置来提供不同的稳定电压。在可替换的实施例中，Vcc B1 116和/或Vcc B2 126被配置来通过传感***100响应于工作条件、控制信号和/或研究中的质量流率的变化而提供变化的电压。本领域技术人员将理解，也可以使用其它配置。

另外，传感元件114和传感元件124还被耦合到地108。在所示实施例中，加热元件104、热传感组110的传感元件114以及热传感组120的传感元件124被耦合到公共地108。本领域技术人员将理解，加热元件104、热传感组110和/或热传感组120中的一个或多个也可被耦合到独立的地。

在所示实施例中，传感***100还包括多个热隔离势垒。通常，热隔离势垒被配置来缓冲或将传感***100的一部分与来自传感***100的另一部分的热传输完全隔离。热隔离势垒可被配置为阳性势垒(positive barrier)或阴性势垒(negative barrier)。通常，阳性势垒是由绝缘材料构成的热隔离势垒，而阴性势垒是通过去除衬底102的一部分以防止跨越部件直接传导热而形成的热隔离势垒。

特别地，传感***100包括热隔离势垒140，该热隔离势垒140被***在加热元件104的上游侧104a与下游侧104b之间。在所示实施例中，热隔离势垒140是通过刻蚀衬底102形成的阴性势垒。在上游侧104a的对面，传感***100还包括热隔离势垒142，该热隔离势垒142被配置成邻近热传感组110。在下游侧104b的对面，传感***100还包括热隔离势垒144，该热隔离势垒144被配置成邻近热传感组120。在所示实施例中，热隔离势垒142和144是通过刻蚀衬底102形成的阴性势垒。传感***100还包括热隔离势垒146，该热隔离势垒146被***在衬底102与热传感组110、加热元件104、热隔离势垒140和热传感组120之间。在所示实施例中，热隔离势垒146是通过刻蚀衬底102形成的阴性势垒。在可替换实施例中，热隔离势垒140、142、144和146全部被形成为同一刻蚀的部分或从衬底102上去除材料，以建立热隔离并悬置热传感组110和120以及加热元件104。

通常，在工作中，传感***100如下配置。向引线焊盘Vcc H 106施加电压源，该引线焊盘Vcc H 106向加热元件104施加电压。加热元件104响应于所施加的电压辐射热，从而产生大致对称的热分布区域，该区域从加热元件104的上游侧104a和下游侧104b沿所有方向轴向扩展。

向引线焊盘Vcc B1 116施加电压源，该引线焊盘Vcc B1 116分别在热传感组110和120的传感元件112和122两端施加电压。向引线焊盘Vcc B2 126施加电压源，该引线焊盘Vcc B2 126分别在热传感组120和110的传感元件124和114两端施加电压。输出引线焊盘“A”132和输出引线焊盘“B”134一起提供差分电压信号。在一个实施例中，电阻是热传感组110和120两端的电压变化的函数。本领域技术人员将理解，也可以使用其它配置。

在传感***100两端没有质量流的情况下，热传感组110和热传感组120上的局部温度相同。因此，热传感组110和120的电阻以及热传感组110和120两端的电压变化相同。如上所述，跨越传感***100的质量流在热传感组110和120处产生局部温度差，并且因此，基本上相同的局部温度表示跨越传感***100没有质量流。

在质量流过传感***100的地方，诸如气态质量流，热传感组110和120上的局部温度偏离。特别地，当质量流通常是沿“X”方向时，热从传感***100的上游侧移出并通过对流传输到传感***100的下游侧。即，热传感组110被冷却，而热传感组120被加热。

由于输出“A”132和输出“B”134被配置为连续测量并比较热传感组110和120的电阻(和/或热传感组110和120两端的电压变化)，所以两个输出一起检测到跨越传感***100的质量流的存在和速率。本领域技术人员应理解，因为加热元件104提供恒定的热源，所以热传感组110和120之间的恒定的局部温度差表示跨越传感***100的恒定的质量流率。随着质量流率变化，热传感组110和120之间的局部温度差改变，并如上所述被量化。

如上所述，热传感组110包括被配置成叉指状的蜿蜒的图案的传感元件112和114。因此，传感元件112和传感元件114处的局部温度基本上相同。蜿蜒的图案在单个传感元件两端提供一致的测量结果。此外，叉指状结构增加了传感元件之间的测量结果的一致性。因此，通过传感元件112和114得到的测量结果的信噪比被提高。此外，由于传感元件122和124也被配置成叉指状的蜿蜒的图案，所以通过传感元件122和124得到的测量结果的信噪比也被提高。因此，传感***100在整体上表现出提高的测量质量流率的精度和可靠性。

因此，通常，在一个实施例中，传感***100在单个微芯片上在加热电阻器的每一侧提供一组两个电阻温度检测器(RTD)。两组RTD分别相互交叉(或混杂)成蜿蜒的结构，并一起考虑全惠斯通电桥传感结构。如此配置的传感***100提供了比现有技术的***和方法具有更好的信噪比的改进的质量流传感器。

为了说明上述示范性实施例中所实施的全惠斯通电桥结构的某些细节，现参考图2。特别地，图2是图解说明惠斯通电桥的电路图，该惠斯通电桥通常由参考编号200表示。电桥200包括被耦合到地208的电压源206。在所示实施例中，电压源206对应于被耦合到图1的引线焊盘Vcc B1 116和Vcc B2 126的一个或两个电压源。

电压源206耦合到第一支路212。在所示实施例中，第一支路212对应于图1的传感元件112。电压源206还耦合到第三支路224。在所示实施例中，第三支路224对应于图1的传感元件124。

第一支路212耦合到第二支路222和输出232。在所示实施例中，第二支路222对应于传感元件122，并且输出232对应于图1的输出“A”132。第三支路224耦合到第四支路214和输出234。在所示实施例中，第四支路214对应于传感元件114，并且输出234对应于图1的输出“B”124。第二支路222和第四支路214耦合到地208。

本领域技术人员将理解，如此配置的电桥200作为全惠斯通电桥运行，该电桥200可运行来检测和测量支路212、214、222和224两端的电阻和/或电压的变化。特别地，在所示实施例中，输出232被配置来测量电压V1，而输出234被配置来测量电压V2。如上所述，比较这两个电压能够与局部温差相关联，该局部温差又与电桥200两端的质量流率相关联。

图3示出了说明用于感测质量流的方法的逻辑运算步骤的流程图300。如块305所示，过程开始，其中提供加热元件。该操作可以通过例如图1的加热元件104来执行。如在下一块310所示，提供第一热传感组。块310所示的该操作可以通过例如图1的热传感组110来执行。如上所述，第一热传感组包括至少两个蜿蜒图案的叉指型传感元件。

如此后在块315所述，提供第二热传感组。该操作可以通过例如图1的热传感组120来执行。如上所述，第二热传感组包括至少两个蜿蜒图案的叉指型传感元件。下面，如块320所示，质量流开始。如上所述，在这里的讨论中，假定质量流通常沿从第一热传感组跨越加热元件到第二热传感组的方向发生。例如，在一个实施例中，质量流通常沿如图1所示的“X”方向运动。

如此后在块325所示，响应于由质量流引起的局部温度变化，检测第一热传感组的电阻的变化。这一操作可以例如通过图1的输出“A”132来执行。下面，如块330所述，响应于由质量流引起的局部温度变化，检测第二热传感组的电阻的变化。块330所述的操作可以例如通过图1的输出“B”134来执行。本领域技术人员将理解，块325和330所示的操作可被修改为检测电压的变化。

如下面在块335所述，可以确定第一热传感组和第二热传感组之间的电压差。块335所示的操作可以例如通过图1的输出“A”132和输出“B”134来执行。此后，如在块340所示，响应于如块335所述的那样确定的电压差来确定质量流率。如上所述，本领域技术人员将理解，全惠斯通电桥的电压差与电桥两端的温度差相关联，该温度差又是质量流率的函数。

该过程返回到块325所示的操作，以便，如果跨越加热元件与第一和第二热传感组有质量流的话，则提供对该质量流率的连续监控、检测和测量。本领域技术人员将理解，质量流率可以波动，这包括零流率，并且上述配置可运行来检测零流率。

因此，实施例提供了一种用于改进地测量善质量流率的***、设备和方法。特别地，蜿蜒图案的叉指型传感元件提供提高的信噪比，并因此提供提高的感测和测量质量流率的精度和可靠性。

可以理解，上述公开内容的变化和其它特点和功能或其替换方案可以期望地被结合到多种其它不同的***或应用中。本领域技术人员随后可能作出的各种目前无法预料的或者不曾预料到的替换、修改、变化或改进也意图被包含在所附的权利要求中。

Claims (8)

1.一种传感器设备，其包括：

加热元件，该加热元件包括上游侧和下游侧；

第一热传感组，该第一热传感组被配置成邻近加热元件的上游侧并包括第一热传感元件和第二热传感元件，该第一热传感元件和第二热传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案；

第二热传感组，该第二热传感组被配置成邻近加热元件的下游侧并包括第三热传感元件和第四热传感元件，该第三热传感元件和第四热传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案，其中，第一热传感元件被耦合到第三热传感元件，以形成惠斯通电桥的一半，并且其中，第二热传感元件被耦合到第四热传感元件，以形成惠斯通电桥的另一半；以及

被定位成邻近第一热传感组和第二热传感组的多个热隔离势垒，其中，所述多个热隔离势垒之一被***在加热元件的上游侧与下游侧之间。

2.权利要求1所述的设备，其中，加热元件包括加热电阻器。

3.权利要求2所述的设备，其中，加热电阻器被配置成蜿蜒的图案。

4.权利要求1所述的设备，其中，第一热传感元件、第二热传感元件、第三热传感元件和第四热传感元件中的至少一个是电阻温度检测器(RTD)。

5.一种用于感测质量流的***，其包括：

被配置来耦合到微芯片的底部；

加热元件，该加热元件被耦合到该底部，该加热元件具有上游侧和下游侧；

第一热传感元件，该第一热传感元件被耦合到该底部并以蜿蜒的图案被配置成邻近加热元件的上游侧，并进一步被配置为惠斯通电桥的第一支路；

第二热传感元件，该第二热传感元件被耦合到该底部并以蜿蜒的图案被配置成与第一热传感元件相互交叉，并进一步被配置为惠斯通电桥的第二支路；

第三热传感元件，该第三热传感元件被耦合到该底部并以蜿蜒的图案被配置成邻近加热元件的下游侧，并进一步被配置为惠斯通电桥的第三支路；

第四热传感元件，该第四热传感元件被耦合到该底部并以蜿蜒的图案被配置成与第三热传感元件相互交叉，并进一步被配置为惠斯通电桥的第四支路；以及

被***在加热元件的上游侧与下游侧之间的热隔离势垒。

6.权利要求5所述的***，还包括第一引线焊盘和第二引线焊盘，该第一引线焊盘被耦合到第一热传感元件和第二热传感元件并被配置来耦合到电压源，以及该第二引线焊盘被耦合到第三热传感元件和第四热传感元件并被配置来耦合到电压源。

7.一种用于感测质量流的方法，其包括：

提供加热元件，该加热元件具有上游侧和下游侧；

提供第一热传感组，该第一热传感组与加热元件的上游侧相邻，并且该第一热传感组包括被配置成蜿蜒的叉指状图案的第一热传感元件和第二热传感元件；

提供第二热传感组，该第二热传感组与加热元件的下游侧相邻，并且该第二热传感组包括被配置成蜿蜒的叉指状图案的第三热传感元件和第四热传感元件；

在加热元件的上游侧与下游侧之间提供热隔离势垒；

通过第一热传感组测量第一温度；

通过第二热传感组测量第二温度；以及

响应于第一和第二温度来确定质量流率，

其中，第一热传感元件被耦合到第三热传感元件，以形成惠斯通电桥的一半，并且其中，第二热传感元件被耦合到第四热传感元件，以形成惠斯通电桥的另一半。

8.权利要求7所述的方法，包括提供邻近第一热传感组和第二热传感组的多个热隔离势垒。

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