CN211824551U - 集成传感器和可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种集成传感器和可穿戴设备，集成传感器包括第一衬底、第一传感器、第二传感器和盖体，第一传感器设于第一衬底上，第一传感器上开设有显露第一衬底的通孔，第二传感器于通孔中设于第一衬底上。盖体覆盖于第一传感器背向第一衬底的侧表面，盖体对应通孔的位置设置有通气孔，通过上述方案使得集成传感器具有气压检测以及湿度检测的功能，提高了集成度。

Description

集成传感器和可穿戴设备

技术领域

本实用新型涉及传感器的技术领域，特别涉及集成传感器和可穿戴设备。

背景技术

随着工业数字化、智能化发展，传感器在可穿戴设备、智能家居、智慧交通、工业制造等领域中得到了广泛的应用。传感器目前正向着智能化、集成化、微型化的趋势发展。

气压、温度和湿度是与人们日常生活息息相关的三个物理量，其中气压数据可以用来探测垂直方向的高度变化来进行运动监测、室内导航及辅助气象预报；温度数据可以反映环境或者终端内部的温度状态；湿度数据可以用来检测环境湿度，湿度过小会增加呼吸系统负担，湿度过大会增加霉菌的滋生。而现有技术中，传感器一般是根据需要选择，当需要用到特定检测功能的时候，就选用对应的传感器，但是当检测功能需求增加时，传感器数量也随之增加，传感器数量的增加不仅占用了较大的电路板的面积，使电子设备无法进一步缩小其体积，而阻碍其向微型化方向发展，而且贴装工艺繁琐。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种集成传感器，旨在提高传感器的集成度。

为实现上述目的，本实用新型提出一种集成传感器，所述集成传感器包括：

第一衬底；

第一传感器和第二传感器，所述第一传感器设于所述第一衬底上，所述第一传感器上开设有显露所述第一衬底的通孔，所述第二传感器于所述通孔中设于所述第一衬底上；

盖体，覆盖于所述第一传感器背向所述第一衬底的侧表面；

所述盖体对应所述通孔的位置设置有通气孔。

可选地，所述第一传感器为气压传感器；和/或，所述第二传感器为湿度传感器。

可选地，所述集成传感器还包括温度传感器，所述温度传感器设于所述第一衬底上。

可选地，所述第一传感器与所述第一衬底之间通过键合形成有第一晶圆键合层。

可选地，所述盖体为硅盖，所述硅盖与所述第一传感器之间通过键合形成有第二晶圆键合层。

可选地，所述气压传感器包括：

主体，所述主体设置于所述第一衬底上，所述主体背对所述第一衬底的一侧设置有气压腔；

气压感应膜，设于所述主体上并覆盖于所述气压腔上，所述主体与所述硅盖之间形成有连通所述通孔和所述气压感应膜所处空间的间隙，以供外部气压经所述通孔作用于所述气压感应膜上。

可选地，所述湿度传感器包括：设置于所述第一衬底上的叉指电极，环绕所述叉指电极设置有湿敏材料且所述湿敏材料通过所述通气孔吸收环境中的水分子。

可选地，所述湿敏材料为聚酰亚胺。

可选地，所述第一衬底上还设置有集成电路，所述集成电路分别与所述气压传感器、湿度传感器和温度传感器电连接；

所述集成电路，用于分别对所述气压传感器、湿度传感器和温度传感器的输出信号进行处理，以获取到实时的气压值、温度值和湿度值。

可选地，所述处气压感应膜上设置有惠斯通电阻桥，所述惠斯通电阻桥具有第一输出端和第二输出端，所述惠斯通电阻桥的第一输出端与所述集成电路的第一检测端连接，所述惠斯通电阻桥的第二输出端与所述集成电路的第二检测端连接。

可选地，所述惠斯通电阻桥包括四个电阻，分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，相邻电阻的压阻系数的符号相反。

可选地，所述气压腔通过湿法刻蚀形成。

为实现上述目的，本实用新型还提出一种可穿戴设备，包括上所述的集成传感器。

本实用新型的技术方案集成传感器，包括第一衬底、气压传感器、湿度传感器和硅盖，其中，通过将气压传感器设于第一衬底上，在气压传感器上开设有显露第一衬底的通孔，湿度传感器于通孔中设于第一衬底上。硅盖覆盖于气压传感器背向第一衬底的侧表面。硅盖对应通孔的位置设置有通气孔，通过上述方案使得集成传感器具有气压检测、温度检测以及湿度检测的功能，提高了集成度，进一步地，还设置有通孔，使得集成传感器可以通过通孔同时检测到温度和气压，简化了集成传感器的结构，另外，设置有通气孔还可以在不妨碍检测性能的情况下提高硅盖的强度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型集成传感器的结构示意图；

图2为本实用新型集成传感器的湿度传感器和温度传感器的俯视图；

图3为本实用新型集成传感器的气压传感器的俯视图；

图4为本实用新型集成传感器的湿度传感器的侧视图；

图5为本实用新型集成传感器的惠斯通电阻桥的电路示意图；

图6为本实用新型集成传感器的温度传感器的电路示意图；

图7为本实用新型智能功率模块的模块示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

本实用新型提出一种集成传感器，旨在提高集成传感器的集成度。

在一实施例中，如图1所示，集成传感器包括第一衬底80、第一传感器和第二传感器以及盖体，为了便于说明，下述内容中，第一传感器以气压传感器20为例举，第二传感器以湿度传感器10为例举，盖体以硅盖30示意，其中，气压传感器20设于第一衬底80上，从而使得集成传感器具有气压检测和温度检测的功能，另外，气压传感器20上开设有显露第一衬底80的通孔203，湿度传感器10于通孔203中设于第一衬底80上。从而使得湿度传感器10的结构可以设置在气压传感器20的结构在第一衬底80上的位置，并不用另外划分区域去安置湿度传感器10，从而减小了集成传感器的体积，另外，还设置有覆盖于气压传感器20背向第一衬底80的侧表面的硅盖30，由于硅盖30覆盖于气压传感器20上，也即覆盖于通孔203，从而将湿度传感器10与气压传感器20封装，避免气压传感器20检测时直接与环境接触受到物体或者人体动作的影响而改变检测结果。进一步地，硅盖30对应通孔203的位置设置有通气孔301。还可以在不妨碍检测性能的情况下提高硅盖30的强度。同时保证气压和湿度的准确感应，也能有效避免外界异物进入到集成传感器内部造成污染。

在一实施例中，如图2所示，集成传感器还包括温度传感器60，温度传感器60设于第一衬底80上。

其中，温度传感器60与气压传感器20间隔设置于第一衬底80上，温度传感器60的检测与气压传感器20和湿度传感器10同时进行，从而可以检测在不同温度下的气压以及湿度，也能检测到集成传感器的工作温度。

在一实施例中，通气孔301的直径小于2纳米。既能保证气压和湿度的准确感应，也能有效避免外界异物进入到集成传感器内部造成污染。

在一实施例中，气压传感器20与第一衬底80之间通过键合形成有第一晶圆键合层40。

其中，键合可以通过金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等方式实现。

在一实施例中，硅盖30与气压传感器20之间通过键合形成有第二晶圆键合层50。

其中，键合可以通过金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等方式实现。

在一实施例中，如图1所示，气压传感器20包括主体和气压感应膜201，主体设置于第一衬底80上，主体背对第一衬底80的一侧设置有气压腔202。气压感应膜201设于主体上并覆盖于气压腔202上，主体与硅盖30之间形成有连通通孔203和气压感应膜201所处空间的间隙，以供外部气压经通孔203作用于气压感应膜201上。

其中，为了准确控制气压腔202形状，通过湿法刻蚀(KOH，氢氧化钾溶液)形成气压腔202，气压感应膜201通过将另一个硅晶圆键合在基底晶圆上并研磨减薄，从而形成气压感应膜201，外界气压作用在气压感应膜201上时，由于气压腔202内外存在气压差，会使气压感应膜201变形，测量变形产生的应力从而得到气压值。另外，将主体与硅盖30之间形成有连通通孔203和气压感应膜201所处空间的间隙，以供外部气压经通孔203作用于气压感应膜201上。此时气压感应膜201并不直接设置于通气孔301的正下方，也即气压感应膜201不处于气压传感器20的通孔203中，从而避免气体通过通气孔301时的流速对测得的气压造成影响，使得测量的气压值更为准确。

在一实施例中，气压传感器20上的通孔203通过深反应离子刻蚀形成。

在一实施例中，如图1、2、4所示，湿度传感器10包括设置于第一衬底80上的叉指电极101，环绕叉指电极101设置有湿敏材料102且湿敏材料102通过通气孔301吸收环境中的水分子。

其中，在第一衬底80通过溅射工艺生成叉指电极101，然后在叉指电极101上通过沉积一层高分子聚合物材料，高分子聚合物材料的介电常数会随着吸收环境中的水分子的多少而发生改变，从而改变叉指电极101之间的电容，通过检测叉指电极101的电压即可确定水分子的多少。

在一实施例中，湿敏材料102为聚酰亚胺(polymide-聚酰亚胺)该材料的介电常数会随着吸收环境中的水分子的多少而发生改变，从而改变叉指电极101之间的电容。

在一实施例中，如图2所示，第一衬底80上还设置有集成电路70，集成电路70分别与气压传感器20、湿度传感器10和温度传感器60电连接。

其中，集成电路70(ASIC)分别对气压传感器20、湿度传感器10和温度传感器60的输出信号进行处理，以获取到实时的气压值、温度值和湿度值。

其中，如图7所示，集成电路70包括放大器701、模拟数字转换器702、数据处理单元703、存储器704和数字接口705，放大器701的输入端分别与气压传感器20的输出端、湿度传感器10的输出端和温度传感器60的输出端连接，放大器701的输出端与模拟数字转换器702的输入端连接，模拟数字转换器702的输出端与数据处理单元703的输入端连接，存储器704的输入输出端与数据处理单元703的输入输出端连接，数字接口705用于将数据处理单元703与其他设备连接。

其中，放大器701将检测到的模拟信号进行放大，模拟数字转换器702将模拟信号转换成数字信号，数据处理单元703根据数字信号判断对应的气压值、湿度值和温度值，存储器704存储检测的气压值、湿度值和温度值。

可选地，数据处理单元703可以预置数字信号与气压值、湿度值和温度值的对应关系，从而可以根据检测获得的数字信号确定对应的气压值、湿度值和温度值。其中，数据处理单元703可以选用现有的处理器芯片实现，只需预置对应的关系即可实现检测，而且，相应的电路原理也可以参考气压传感器20、湿度传感器10和温度传感器60的电路原理去实现。

可选地，基于Post CMOS(后CMOS器件)工艺，会将湿度传感器10集成在集成电路70(ASIC)上。ASIC主要用于处理湿度、温度以及气压信号。

在一实施例中，如图3所示，处气压感应膜201上设置有惠斯通电阻桥，惠斯通电阻桥具有第一输出端和第二输出端，惠斯通电阻桥的第一输出端与集成电路70的第一检测端连接，惠斯通电阻桥的第二输出端分别与集成电路70的第二检测端连接。

在一实施例中，如图5所示，惠斯通电阻桥包括四个电阻，分别为第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R3，相邻电阻的压阻系数的符号相反。

将在气压感应膜201上沉积的四个电阻连成惠斯通电阻桥，分别为第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R3。气压腔202为真空腔。四个压敏电阻的初始阻值相等(R0)，VDD+和GND为电桥提供直流激励，当没有气压作用在气压感应膜201上时，惠斯通电阻桥的差分输出(P_out+与P_out-的差值)为0。当外界气压作用在气压感应膜201上时，由于气压腔202内外存在气压差，会使气压感应膜201变形，变形产生的应力作用在第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R3上，使电阻的阻值发生改变(ΔR)，惠斯通电阻桥的差分输出为非0值。为了得到最大的输出电压，会使相邻电阻的压阻系数的符号相反。

在一实施例中，如图2、6所示，温度检测传感器为热敏二极管D1，设置于第一衬底80上。热敏二极管的阳极连接直流电源Is，热敏二极管的阴极接地。

其中，集成传感器利用二极管在不同的温度下，二极管两端的偏置电压V-diode不同，实现温度的测量。

为实现上述目的，本实用新型还提出一种可穿戴设备，包括如上的集成传感器。

值得注意的是，因为本实用新型可穿戴设备包含了上述集成传感器的全部实施例，因此本实用新型可穿戴设备具有上述集成传感器的所有有益效果，此处不再赘述。

Claims (13)

1.一种集成传感器，其特征在于，所述集成传感器包括：

第一衬底；

第一传感器和第二传感器，所述第一传感器设于所述第一衬底上，所述第一传感器上开设有显露所述第一衬底的通孔，所述第二传感器于所述通孔中设于所述第一衬底上；

盖体，覆盖于所述第一传感器背向所述第一衬底的侧表面；

所述盖体对应所述通孔的位置设置有通气孔。

2.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述第一传感器为气压传感器；和/或，所述第二传感器为湿度传感器。

3.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述集成传感器还包括温度传感器，所述温度传感器设于所述第一衬底上。

4.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述第一传感器与所述第一衬底之间通过键合形成有第一晶圆键合层。

5.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述盖体为硅盖，所述硅盖与所述第一传感器之间通过键合形成有第二晶圆键合层。

6.如权利要求2所述的集成传感器，其特征在于，所述气压传感器包括：

主体，所述主体设置于所述第一衬底上，所述主体背对所述第一衬底的一侧设置有气压腔；

气压感应膜，设于所述主体上并覆盖于所述气压腔上，所述主体与所述盖体之间形成有连通所述通孔和所述气压感应膜所处空间的间隙，以供外部气压经所述通孔作用于所述气压感应膜上。

7.如权利要求2所述的集成传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括：设置于所述第一衬底上的叉指电极，环绕所述叉指电极设置有湿敏材料且所述湿敏材料通过所述通气孔吸收环境中的水分子。

8.如权利要求7所述的集成传感器，其特征在于，所述湿敏材料为聚酰亚胺。

9.如权利要求3所述的集成传感器，其特征在于，所述第一衬底上还设置有集成电路，所述集成电路分别与所述第一传感器、第二传感器和温度传感器电连接；

所述集成电路，用于分别对所述第一传感器、第二传感器和温度传感器的输出信号进行处理，以获取到实时的所述第一传感器的气压值、所述第二传感器的温度值和湿度值。

10.如权利要求6所述的集成传感器，其特征在于，所述气压感应膜上设置有惠斯通电阻桥，所述惠斯通电阻桥具有第一输出端和第二输出端，所述惠斯通电阻桥的第一输出端与集成电路的第一检测端连接，所述惠斯通电阻桥的第二输出端与集成电路的第二检测端连接。

11.如权利要求10所述的集成传感器，其特征在于，所述惠斯通电阻桥包括四个电阻，分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，相邻电阻的压阻系数的符号相反。

12.如权利要求6所述的集成传感器，其特征在于，所述气压腔通过湿法刻蚀形成。

13.一种可穿戴设备，其特征在于，包括如权利要求1-12任一项所述的集成传感器。

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