專利名稱：測熱型和風速計一體化流速傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型是涉及流體計量設備，特別是涉及一種測熱型和風速計一體化流速傳感器。
背景技術：
熱式流量測量是20世紀初發展起來的一種有效的流體測量技術。它主要分為風速計(anemometer)和測熱型(calorimetric)兩種方式。風速計的原理建立在1914年提出的King’s Law(金氏定律)基礎上。以流體流動下加熱絲的熱耗散程度作為測量依據，具有頻率高，精度高的特點，在中高速的流體測量，尤其是風速的測量中有著廣泛的應用。而隨著微流控系統，半導體制備，精細化工，藥物釋控等領域的發展，從20世紀90年代開始，適用于測量微小流量的測熱型傳感器開始被積極研究并投入應用。測熱型傳感器的測量原理則以探測流體流動過程中加熱器兩側的溫度分布來探測流速大小，它以其低速敏感，信號線性度高等優勢在流體的低速精密測量中表現優異，成為極低流速范圍內最有效的測量方式之一，現已廣泛應用在需要精密測量和控制微小流量的精細化工，半導體制備，生物檢測，化學分析和藥物釋控等方面。上述兩種方式都具有較為廣泛的應用前景，但都各自存在不足。主要為以下五點1)作為風速計，其探頭是由傳統加工工藝制作而成的懸空的極細金屬絲(直徑10um左右)，存在易遭損壞，成本很高，壽命較短等問題；2)作為傳統風速計，在檢測流速的同時無法判別流向；3)作為傳統測熱型傳感器，其探頭需要由傳統加工工藝制作而成的極細金屬絲纏繞在一定載體上，工藝較為復雜，成本高。并且由于需要探測加熱點兩端的溫度分布，探測點間距離較遠，造成加熱功率高，能耗大；4)作為傳統測熱型傳感器，在進行低流速測量時，要求適用于管徑較小的場合。而傳統工藝加工的測熱型傳感器由于體積較大，在應用時通常只能作為管路式或者旁路式進行測量，很難實現探頭式的測量；5)兩者的測量范圍都有一定限制，采用傳統工藝無法在集成到一個探頭上，因此存在測量范圍上的限制。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種利用微加工工藝，兼容風速計型和測熱型傳感器兩種工作模式的、造價低廉的、低功耗微型測熱型和風速計一體化流速傳感器。
為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案包括溝槽封裝層自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽的硅襯底、橫膈膜、一組電阻相同的復合金屬絲陣列、蓋在復合金屬絲陣列上的金屬絲封裝層，復合金屬絲陣列以中心一條加熱絲為軸對稱平行排列N對金屬絲；在橫膈膜左右兩側有與金屬絲相同條數并與金屬絲兩端相連的芯片電節點。
本實用新型具有的有益的效果是a、采用鎳/鉻復合金屬絲陣列作為敏感元件和加熱絲，較鉑等溫度敏感金屬價格低廉，并可以獲得更高的溫度電阻系數以及相對于同厚度純鎳來說更大的方塊電阻率；而利用超真空鍍膜，濺射等工藝來制作敏感元件，相對直接用硅及其常規化合物的加工來說，具有溫度低，熱應力小的特點；b、采用聚酰亞胺作為橫膈膜支撐金屬絲，可獲得良好的絕熱絕緣特性，低的熱應力，并具有低的加工成本和材料成本，易于獲得和實現；c、采用聚酰亞胺作為金屬絲的封裝材料，除具有良好的絕緣絕熱特性之外，具有小的熱應力，工藝兼容性好，以及良好的防水性，生物兼容性，并且在300℃左右的溫度下保持物理化學性質長期穩定；d、在橫膈膜下形成一個絕緣絕熱的空腔，可以更好的實現硅襯底與金屬絲間的絕熱性能；且該空腔與外界直接相通，在使用時將充滿流體，因此實現了聚酰亞胺橫膈膜上表面和下表面的壓力平衡，具有良好的抗壓特性，適用于探頭式傳感器的需要；同時，由于空腔與外界相通，在用于極小管道的時候可用聚酰亞胺等作為黏合劑直接粘合細管作為管路式傳感器；e、用聚酰亞胺作為黏合劑對溝槽進行封裝，較用硅膠等其他有機黏附材料更容易獲得良好的平整度；同時，與鍵合工藝相比較，避免了高溫帶來的材料兼容問題和熱應力問題。
f、本實用新型提供的梯形溝槽在作為絕熱結構的同時，又可應用于微流控系統中微流道內的流量測量，實現管路式測量。
圖1為本實用新型的結構原理示意圖；圖2為本實用新型實施例結構示意圖；圖3為圖2的A-A剖面圖；圖4為本實用新型作為管路式使用時的示意圖。
圖中1.金屬絲封裝層，2.鎳/鉻復合金屬絲陣列，3.橫膈膜，4.硅襯底，5.梯形溝槽，6.溝槽封裝層，7.芯片電節點，8.超聲點焊引線，9.印刷電路板電節點，10.印刷電路板。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
如圖1、圖3所示，本實用新型包括溝槽封裝層6自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽5的硅襯底4、橫膈膜3、一組電阻相同的復合金屬絲陣列2、蓋在復合金屬絲陣列2上的金屬絲封裝層1，復合金屬絲陣列2以中心一條加熱絲為軸，除加熱絲以外對稱平行排列N對(N＝2～5)金屬絲；在橫膈膜3左右兩側有與金屬絲相同條數并與金屬絲兩端相連的芯片電節點7。
所述的復合金屬絲為鎳/鉻復合金屬絲，金屬絲線寬10μm-30μm，厚度100nm-200nm。
以中心一條加熱絲為軸平行排列的金屬絲對，距離加熱絲最遠距離為≤800μm，最近距離≥300μm。
橫膈膜3為聚酰亞胺橫膈膜，對復合金屬絲的支撐和絕熱絕緣。
金屬絲封裝層1為聚酰亞胺封裝層。
硅襯底3與溝槽封裝層6之間的黏合劑為聚酰亞胺。
硅襯底3的梯形溝槽5兩端用聚酰亞胺黏合劑11黏合管路12，管路12的外徑為≤0.5mm。
使用時，在管徑較大時，作為探頭式傳感器使用。如圖2、圖3所示，將本實用新型的傳感器的溝槽封裝層6安裝在印刷電路板10中間，在印刷電路板10左右兩側分別有與芯片電節點7相同條數、并分別用超聲點焊引線8與傳感器左右兩側芯片電節點7相連的印刷電路板電節點9。在管徑≤0.5mm時，如圖4所示，作為管路式傳感器使用。
A、低速段情況采用測熱型方式進行探測，步驟如下在鎳鉻復合金屬絲陣列之中，中心一條金屬絲作為加熱絲對流體進行局部加熱，其余鎳鉻復合金屬絲對稱分布在加熱絲兩端，作為溫度敏感電阻絲感應流場溫度分布變化。它們與加熱絲的距離在300μm-800μm的范圍內。圖中示出兩對溫度敏感電阻絲作為示意。在流速很低的情況下，可以使用距離加熱絲較遠的一對溫度敏感電阻絲的電阻變化情況作為信號輸入。在流速增加到一定程度，可以換用距離較近的一對溫度敏感電阻絲的電阻變化情況作為信號輸入。在該種情況下，可同時探測流體的一維流速和流向。
B、高速段情況如果速度增加到使距離最近的一組溫度敏感絲的信號趨于飽和之后，則不再利用測熱型原理進行探測，而改用風速計方式進行工作，通過探測加熱絲本身電阻變化來探測流速。此時，在加熱絲上游段距離最遠的金屬絲已經不再受到加熱絲溫度的影響，因此可作為流體原始溫度的參考電阻。但是，僅探測加熱絲電阻隨溫度的變化不能給出流向信息。因此此時可以選取對稱金屬絲中的距離加熱絲最近的一對電阻絲的電阻變化作為流向信息的來源。
通過上述模式，可以得到探測流速和流向所需要的電信號。該電信號通過芯片本身的電節點8連接到印刷電路板的電節點9上，作為信號輸出。芯片電節點8與印刷電路板上電節點9的連接通過超聲點焊完成。如圖2，圖3所示。
在上述兩種模式下，加熱絲均由外接直流電源供電，加熱絲兩端電壓范圍根據需要的加熱溫度可在3.6V-10V之間進行選擇。在達到應用上的頻率要求的同時，可按照需求使用一定頻率的脈沖式直流供電。
在測量微升級與毫升級微小流量時，由于微流控系統通常管路很小，探頭工作方式不適用，因此可按照圖4所示外接管路，此時傳感器內部溝槽作為流道，成為管路式流體傳感器。該種應用方式在藥物釋控，精細化工以及生物檢測等領域具有廣泛的應用前景。
權利要求1.一種測熱型和風速計一體化流速傳感器，其特征在于包括溝槽封裝層(6)自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽(5)的硅襯底(4)、橫膈膜(3)、一組電阻相同的復合金屬絲陣列(2)、蓋在復合金屬絲陣列(2)上的金屬絲封裝層(1)，復合金屬絲陣列(2)以中心一條加熱絲為軸對稱平行排列N對金屬絲；在橫膈膜(3)左右兩側有與金屬絲相同條數并與金屬絲兩端相連的芯片電節點(7)。
2.根據權利要求1所述的一種測熱型和風速計一體化流速傳感器，其特征在于所述的復合金屬絲為鎳/鉻復合金屬絲，金屬絲線寬10μm-30μm，厚度100nm-200nm。
3.根據權利要求1所述的一種測熱型和風速計一體化流速傳感器，其特征在于以中心一條加熱絲為軸平行排列的金屬絲對，距離加熱絲最遠距離為≤800μm，最近距離≥300μm。
4.根據權利要求1所述的一種測熱型和風速計一體化流速傳感器，其特征在于橫膈膜(3)為聚酰亞胺橫膈膜，作為對復合金屬絲的支撐和絕熱絕緣結構。
5.根據權利要求1所述的一種測熱型和風速計一體化流速傳感器，其特征在于金屬絲封裝層(1)為聚酰亞胺封裝層。
6.根據權利要求1所述的一種測熱型和風速計一體化流速傳感器，其特征在于在硅襯底(4)與溝槽封裝層(6)之間的黏合劑為聚酰亞胺。
7.根據權利要求1所述的一種測熱型和風速計一體化流速傳感器，其特征在于在硅襯底(4)的梯形溝槽(5)兩端用黏合劑(11)黏合管路(12)，管路(12)的外徑為≤0.5mm。
專利摘要本實用新型公開了一種測熱型和風速計一體化流速傳感器。在溝槽封裝層自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽的硅襯底、橫膈膜、一組電阻相同的復合金屬絲陣列、蓋在復合金屬絲陣列上的金屬絲封裝層，復合金屬絲陣列以中心一條加熱絲為軸對稱平行排列N對金屬絲；在橫膈膜左右兩側有與金屬絲相同條數并與金屬絲兩端相連的芯片電節點。本實用新型將風速計和測熱型探頭集成為一排鎳/鉻復合金屬絲陣列，探測一維流動的流速和流向，實現低流速的精密測量和較大的動態測量范圍。該傳感器具有體積小，成本低，能耗低等特點。該傳感器既可用作探頭式傳感器進行常規管道的流量計量，又可作為管路式傳感器測量微流控系統中微小管道的流量，擴大了傳感器的應用范圍。
文檔編號G01F1/68GK2716811SQ20042008205
公開日2005年8月10日 申請日期2004年8月18日 優先權日2004年8月18日
發明者傅新, 謝海波, 段萱苡, 楊華勇 申請人:浙江大學