專利名稱：一種測熱式微型流量傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及流體計量設備，特別是涉及一種測熱式微型流量傳感器。
背景技術：
隨著科技的發展，傳感器的微型化帶來了快速的響應時間，低的功耗和對小流量精確測量的可能性，可滿足在化工，醫療，環境檢測，燃氣計量等領域里精確測量小流量的需求。其中，熱式流量傳感器具有簡單的機械結構和電路結構，是目前微型流量傳感器的研究熱點。
常用熱式流量傳感器主要分為風速計與測熱式兩種工作模式。與風速計相比，測熱式模式工作的傳感器具有對小流速良好的響應特性，并且可以判斷流向，比較適合于氣體小流量的精密測量。de Bree等人[1]采用復雜的后端電路，在傳感器上同時實現測熱式和風速計工作模式，以測熱式作為低速下的工作模式，風速計作為高速下的工作模式，其中測熱式工作段的測量上限為1000cm3/min，管道截面積100mm2。Rodrigues等人[2]采用微橋結構制作測熱式傳感器，測試管道直徑為3mm，測量上限為500cm3/min。Sabaté等人[3]通過多組測溫元件，將測量上限增大到8000cm3/min，管道截面積為7mm2。
目前微型測熱式流量傳感器普遍采用以氮化硅等材料制成的懸空結構為支撐結構。由于懸空結構在提高傳感元件與襯底之間的絕熱性能的同時，降低了傳感器的強度以及抗壓抗沖擊的能力，該類傳感器適宜工作在直徑為毫米級與亞毫米級的微管道中，應用范圍有待擴大。
發明內容
為了克服現有測熱式微型流量傳感器在結構上的不足，本發明的目的在于提供一種新型結構的測熱式微型流量傳感器，將傳感器應用范圍擴大到工業管道中的氣體流量測量。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下方案1在單晶硅襯底上，自下至上依次設有二氧化硅絕熱膜、含有加熱元件和三個以上熱電堆半導體電極構成的單晶硅膜、二氧化硅隔離層，熱電堆金屬電極、金屬連線和焊點，氮化硅膜。
方案2可在方案1的基礎上，在所述的單晶硅襯底中間還填充有具有絕熱作用的硅膠填充物。
所述的熱電堆半導體電極和其上方的熱電堆金屬電極共同組成熱電堆。
所述的加熱元件為單晶硅膜中形成的電阻器；加熱元件和熱電堆通過布置在單晶硅膜上的金屬連線和焊點與外電路連接。
方案3在中間填充有具有絕熱作用的硅膠填充物的單晶硅襯底上面，設有加熱元件和三個以上熱電堆半導體電極，熱電堆半導體電極自下至上依次設有二氧化硅隔離層，熱電堆金屬電極、金屬連線和焊點，氮化硅膜。
所述的熱電堆半導體電極和其上方的熱電堆金屬電極共同組成熱電堆。
所述的熱電堆通過布置在單晶硅膜上的金屬連線和焊點與外電路連接。
本發明具有的有益效果是1、采用二氧化硅絕熱膜或(和)被硅膠填充物填充的單晶硅襯底絕熱結構，達到襯底絕熱效果；2、采用在單晶硅膜中制作加熱元件和熱電堆，達到增大傳感器表面橫向熱阻的效果；3、采用實心支撐結構代替懸空結構，增強了傳感器的機械強度，從而擴大了傳感器的使用范圍；4、該結構表面為平面，沒有任何凹坑或者凸起，因此能夠最大程度保證傳感器表面的流場不受干擾；5、采用表面淀積氮化硅的方法，增強傳感器的抗腐蝕抗磨損能力；6、采用的加熱元件位于傳感器中央，工作時由外接直流電源供電，加熱元件兩端電壓根據需要可在5-20V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，以達到節能的目的。
總之，本發明采用二氧化硅絕熱膜/單晶硅襯底復合絕熱結構實現了增強該類傳感器的機械強度的目的，將它的應用范圍從毫米或者亞毫米級管道擴大到工業級管道，使其可廣泛應用于工業場合。由于該傳感器為微型傳感器，因此在提高靈敏度和響應速度，降低能耗，節約成本等方面較傳統該類傳感器有很大優勢，該類特點也增大了它的使用范圍。而由于其微小的體積以及傳感器表面的平坦的結構，在測量流量時最大限度的降低了傳感器對流場的干擾，使其能夠更加準確的測定流量。
圖1是本發明的結構原理俯視圖；圖2是第一個實施例圖1的A1-A1剖面圖；
圖3是第一個實施例圖1的A2-A2剖面圖；圖4是第一個實施例圖1的B-B剖面圖；圖5是第二個實施例圖1的A1-A1剖面圖；圖6是第二個實施例圖1的A2-A2剖面圖；圖7是第二個實施例圖1的B-B剖面圖；圖8是第三個實施例圖1的A1-A1剖面圖；圖9是第三個實施例圖1的A2-A2剖面圖；圖10是第三個實施例圖1的B-B剖面圖。
圖中1、焊點，2、金屬連線，3、熱電堆，其中3.1為熱電堆金屬電極，3.2為熱電堆半導體電極，4、加熱元件，5、二氧化硅隔離層，6、氮化硅膜，7、單晶硅膜，8、二氧化硅絕熱膜，9、單晶硅襯底，10、硅膠填充物。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
本發明的第一個實施例如圖1、圖2、圖3、圖4所示，在單晶硅襯底9上，自下至上依次設有二氧化硅絕熱膜8、含有加熱元件4和三個以上熱電堆半導體電極3.2構成的單晶硅膜7、二氧化硅隔離層5，熱電堆金屬電極3.1、金屬連線2和焊點1，氮化硅膜6。
本發明的第二個實施例如圖1、圖5、圖6、圖7所示，所述的單晶硅襯底9中間還填充有具有絕熱作用的硅膠填充物10。
在第一、二個實施例中，所述的熱電堆半導體電極3.2和其上方的熱電堆金屬電極3.1共同組成熱電堆3。
在第一、二個實施例中，所述的加熱元件4為單晶硅膜7中形成的電阻器；加熱元件4和熱電堆3通過布置在單晶硅膜7上的金屬連線2和焊點1與外電路連接。
本發明的第三個實施例如圖1、圖8、圖9、圖10所示，在中間填充有具有絕熱作用的硅膠填充物10的單晶硅襯底9上面，設有加熱元件和三個以上熱電堆半導體電極3.2，熱電堆半導體電極3.2自下至上依次設有二氧化硅隔離層5，熱電堆金屬電極3.1、金屬連線2和焊點1，氮化硅膜6。
在第三個實施例中，所述的熱電堆半導體電極3.2和其上方的熱電堆金屬電極3.1共同組成熱電堆3。
在第三個實施例中，所述的熱電堆3通過布置在單晶硅膜7上的金屬連線2和焊點1與外電路連接。
本發明的工作原理如下本發明提供的一種測熱式微型流量傳感器在單晶硅膜7中形成加熱元件4和熱電堆半導體電極3.2，在單晶硅膜7上的金屬膜中形成熱電堆金屬電極3.1以及傳感器元件的金屬連線2和焊點1。如圖1所示，傳感器安裝完成后，熱電堆3對稱排列在加熱元件4兩側，三者依次順流方向布置在流道之中。工作時，加熱元件4供電后產生熱量。位于兩側的熱電堆3分別輸出由各自所測量的流場范圍內的溫度分布差異而產生的電壓信號。再將這兩個電壓信號相減后作為最終輸出的電壓信號，由此實現測熱式流量測量原理。
本發明提供的傳感器在工作時，加熱元件4產生的熱量一部分被襯底帶走，另一部分被流體帶走。在加熱器進行加熱時，如何減少被襯底帶走的熱量份額以及如何保證傳感器表面形成與周圍流場溫度分布一致的溫度場是該類傳感器的結構設計重點，也是本發明結構設計的關鍵。對于實施例1，襯底用二氧化硅絕熱膜8達到絕熱效果。同時，它含有的厚度低于2μm的單晶硅膜7或者多晶硅膜具有足夠的絕熱特性，從而保證了加熱元件產生的熱量更多的被流體帶走，由此足以在傳感器表面附近的流場建立起與流量相關的溫度場分布。對于對襯底絕熱要求更高的場合，實施例2設計的傳感器具有厚度低于2μm的單晶硅膜7以及單晶硅膜所依附的實心的絕熱襯底結構(包括二氧化硅絕熱膜8，單晶硅襯底9和硅膠填充物10)，該結構在縱向絕熱和橫向絕熱兩方面都有很好的性能。足夠的絕熱特性保證了加熱元件產生的熱量更多的被流體帶走，由此足以在傳感器表面附近的流場建立起與流量相關的溫度場分布。而其中足夠的橫向絕熱性能又同時保證傳感器表面形成與附近流場溫度分布一致的溫度分布，從而使熱電堆3的輸出真實反映流場的溫度分布。
對于實施例3，襯底用含有硅膠填充物10的單晶硅襯底9代替實施例1中的二氧化硅絕熱膜8達到絕熱效果。該結構中，單晶硅襯底9在硅膠填充物10上方形成了薄膜結構，該薄膜結構屬于單晶硅襯底，但是在傳感器工作時，它起到與實施例1中的單晶硅膜同樣的絕熱效果。
權利要求
1.一種測熱式微型流量傳感器，其特征在于在單晶硅襯底(9)上，自下至上依次設有二氧化硅絕熱膜(8)、含有加熱元件(4)和三個以上熱電堆半導體電極(3.2)構成的單晶硅膜(7)、二氧化硅隔離層(5)，熱電堆金屬電極(3.1)、金屬連線(2)和焊點(1)，氮化硅膜(6)。
2.根據權利要求1所述的一種測熱式微型流量傳感器，其特征在于所述的單晶硅襯底(9)中間還填充有具有絕熱作用的硅膠填充物(10)。
3.根據權利要求1或2所述的一種測熱式微型流量傳感器，其特征在于所述的熱電堆半導體電極(3.2)和其上方的熱電堆金屬電極(3.1)共同組成熱電堆(3)。
4.根據權利要求1或2所述的一種測熱式微型流量傳感器，其特征在于所述的加熱元件(4)為單晶硅膜(7)中形成的電阻器；加熱元件(4)和熱電堆(3)通過布置在單晶硅膜(7)上的金屬連線(2)和焊點(1)與外電路連接。
5.一種測熱式微型流量傳感器，其特征在于在中間填充有具有絕熱作用的硅膠填充物(10)的單晶硅襯底(9)上面，設有加熱元件和三個以上熱電堆半導體電極(3.2)，熱電堆半導體電極(3.2)自下至上依次設有二氧化硅隔離層(5)，熱電堆金屬電極(3.1)、金屬連線(2)和焊點(1)，氮化硅膜(6)。
6.根據權利要求5所述的一種測熱式微型流量傳感器，其特征在于所述的熱電堆半導體電極(3.2)和其上方的熱電堆金屬電極(3.1)共同組成熱電堆(3)。
7.根據權利要求6所述的一種測熱式微型流量傳感器，其特征在于所述的熱電堆(3)通過布置在單晶硅膜(7)上的金屬連線(2)和焊點(1)與外電路連接。
全文摘要
本發明公開了一種測熱式微型流量傳感器。在單晶硅襯底上，自下至上依次設有二氧化硅絕熱膜、含有加熱元件和熱電堆半導體電極構成的單晶硅膜、二氧化硅隔離層，熱電堆金屬電極、金屬連線和焊點，氮化硅膜；或在單晶硅襯底中間填充有硅膠填充物；或在中間填充有硅膠填充物的單晶硅襯底上面設有熱電堆半導體電極和加熱元件，熱電堆半導體電極從自下至上依次設有二氧化硅隔離層，熱電堆金屬電極、金屬連線和焊點，氮化硅膜。將傳感器放在流道中，加熱元件供電后產生熱量，位于兩側的熱電堆分別輸出由各自所測量的流場范圍內的溫度分布差異而產生的電壓信號，將兩個電壓信號相減后作為最終輸出的電壓信號，由此實現測熱式流量測量。
文檔編號G01F1/684GK1786674SQ20051006211
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月19日 優先權日2005年12月19日
發明者傅新, 謝海波, 楊華勇, 段萱苡 申請人:浙江大學