CN101040169A - 带有自动对准的流动通道的流量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有衬底的流量传感器，所述衬底具有传感元件(2070)以及与传感元件对准的流动通道(2040)。该传感元件检测流体的至少一种特性。通过在对准层中形成的一个或多个导向元件(2030)对准流动通道。由于以晶片水平提供导向元件，使得跨越传感区域的流动通道是被准确地和精确地对准，使在多个流量传感器中得到可靠、低成本且一致的结果变得容易。该流量传感器适于在恶劣的环境中使用。

Description

带有自动对准的流动通道的流量传感器
本申请是于2002年4月22日提交的题为“用于恶劣环境的传感器封装件”的美国专利申请No.10/128,775的部分继续申请，上述美国专利申请No.10/128,775是于2000年9月7日提交的题为“由最佳材料制造的结实的流体流量和特性微传感器”的美国专利申请No.09/656,694的部分继续申请，上述美国专利申请No.09/656,694是于1998年12月7日提交的题为“坚固的流体流量和特性微传感器”的现为美国专利No.6,185,773的美国专利申请No.09/207,165和于1999年8月5日提交的美国专利申请No.09/368,621的部分继续申请，美国专利申请No.09/368,621是于1999年1月28日提交的美国专利申请No.09/239,125的部分继续申请，这两个专利申请均题为“微传感器外壳”，现分别为美国专利Nos.6,322,247和6,361,206。上述专利申请和专利的内容引入本文作为参考。
                      技术领域
本发明总体上涉及用于监测流体的品质和运动的传感器，所述流体为气体或液体形式。具体而言，本发明涉及这些流体的热传感器，例如在硅、玻璃、石英或其它衬底上以微结构形式运行的流体流量或特性传感器。本发明涉及用于恶劣环境的传感器封装件。本发明涉及流动通道与传感区域的对准。
                      背景技术
流量传感器被用于多种流体传感应用中以监测流体的运动，所述流体可以为气态的流体形式。例如，一种流量测量的类型是基于可被用于监测流体的特性的热传感器。热传感器可以以微结构形式在硅衬底上运行。为方便起见，术语“流量传感器”可非限制性地被用于指代这样的热传感器。(参见如美国专利Nos.6,322,247附图10a-f和6,184,773，其均被引入本文作为参考)。读者能够理解的是，这种传感器也可用于测量本征流体特性，例如热导率、比热容(如美国专利Nos.5,237,523和5,311,447，其均被引入本文作为参考)，也可用于测量非本征特性，例如温度、流动速度、流动速率和压力，还可测量其它特性。可以通过强制或自然对流产生流动。
热型流量传感器可以由包括一个加热元件和一个或多个热接收或热敏元件的衬底构成。如果使用两个这样的热敏元件，可以相对于被测流体(液体或气体)的流动方向将它们置于加热元件的上游或下游一侧。当流体沿着衬底流动时，其被处于上游一侧的加热元件加热，热量不对称地传递到处于加热元件任一边的热接收元件中。由于不对称的程度取决于流体流动的速率以及所述不对称性可被电子检测到，因而，这样一种流量传感器可被用于测量流体流动的速率和累积流量。
当暴露于恶性(如污染的、变脏的、冷凝的等)流体中时，这种流量传感器通常面临潜在的劣化问题，所述流体包括能够通过腐蚀、放射性污染或细菌污染、过热、沉积或冻结给传感器“施压”的气体或液体。灵敏的测量能够给传感器“施压”、使其腐蚀、冷冻或过热的恶性气体或液体的流量或压力(差压或绝对压力)是一个挑战，其以高昂的代价得以或未得以实现。之前提出的解决方法是对传感器、加热器进行钝化以及相关联的退敏化来提高被测气态流体的温度从而避免冷凝或冻结(或防止冷却器过热)，其代价是传感器信号退化、成本提高和可能的流体降解，或者是用滤器去除有害颗粒物质。时常对传感器清洗或更换和重新校准是附加的但昂贵的解决方法。灵敏的基于膜的差压传感器可以防止污染，因为其中不牵涉流动，除了不耐超压外，其通常比热微传感器的灵敏度低、覆盖的流量范围小且昂贵。
因而，经由热微传感器测量液体流量，特别是测量电导流体流量时，在电绝缘、流动噪声、芯片腐蚀、流动通道的可能泄漏或结构完整性、以及热量测量方面呈现出具有挑战性的问题。与传感器的电接触应彼此绝缘，以使电泄漏的电阻高于约20MΩ，从而避免干扰传感元件的运行。例如，一些Si3N4钝化膜具有小孔；经过固化形成玻璃或Teflon薄膜的化合物的旋涂层经过几天与盐水的接触没有显示出绝缘。(注释：Teflon是E.I.Du Pont De Nemours & Company Corporationof 101 West 101 West 10th St.，Wilmington，Delaware 19898的注册商标)甚至于将导线接合处嵌入高度交联的环氧树脂中仍致使电阻降到例如30MΩ和/或接合处断裂(如果环氧物质由于过度交联而变得极脆)和/或热循环。另外，芯片上奇怪造型的流动通道将导致产生额外的湍流及相应的信噪。为电接触和引出导线提供电绝缘的另一个方法是将它们移出流体流动通道和接触区域。然而，这种不明智的移位增加了芯片尺寸的实际面积，从而增加了其成本。
关于结构完整性，灵敏的1μm厚的流量传感膜容易破裂，这是由于强粘性以及流体对其施加了惯性力造成的。甚至于在急剧的气体压力或流动脉冲下也可观察到这样的破裂。最后，关于热量测量方面的问题，在溶液中通常允许的加热器温升(例如≤20℃)比在液体中通常应用的(例如100-160℃)要小。所产生的相对小的信号导致更显著地增加了由组成、传感器材料和依赖于温度的偏移效应，其可在传感器流量读数方面产生显著的误差。
基于上述内容，本发明人总结出，解决前述问题的适当方法在于在传感芯片上“智能”应用一种薄膜，所述薄膜足够厚以实现防止电荷转移和分子传质的屏障作用，但其又要足够薄以允许热传递，从而实现热量测量。所述薄膜可用由无机化合物(甚至于金属)组成的或由疏水或亲水聚合材料组成的材料制造，在此更具体而言，由此得到可运行的具有高可靠性的流量传感器，其无电泄漏、由于流量测量具有无需插入的特点从而无流体泄漏、也无腐蚀、无流体污染、且流动噪声降低和显著减少了偏移和漂移的问题。
在设计和制造流量传感器时面临的另一个挑战是将流体流动通道与传感元件对准。精确对准是实现传感器最佳性能所必需的。传感器的这种对准通常需要将各个传感器组件分别对准，这是费力且费用昂贵的。当完成更多的所述制造步骤时，制造流量传感器的时间和费用将大大减少，而同时传感器处于晶片水平。本发明提供了一种当微传感器处于晶片水平时，精确地对准流动通道的方法。
                       发明概述
本发明提供一种用于监测流体质量或特性的热传感器，所述流体包括气体和液体。所述热传感器可在硅、玻璃、石英或其它衬底上以微结构形式运行。
在一个实施方案中，该流量传感器具有带有一个传感元件、一个或多个导向元件和一个流动通道的衬底，其中所述的导向元件使流动通道与传感元件对准。所述传感元件检测至少一种流体特性。在另一实施方案中，第一和第二导向元件限定流动通道。本发明的流量传感器提供了一种其中流动通道与感应区域精确对准的传感器，使在多个流量传感器中得到可靠且一致的结果变得容易。
在本发明的另一个实施方案中，限定一个或多个流动通道的延伸的模制元件被置于导向元件之上，其中流动通道的延伸部分与流动通道流体连通。流动通道和流动通道的延伸部分的组合限定流体在传感元件上的流动路径。所述模制元件可以形成流体流动路径的顶部，或者可以将一个盖附着于模制元件之上以形成流体流动路径的顶部。在本发明的另一实施方案中，流量传感器包括具有一个感应元件的基底、沉积于衬底上并且限定定位通道的与传感元件对准的对准层、以及一个置于定位通道内的流管。
提供一种制造多个每个具有一个与传感元件对准的流动通道的流量传感器。所述方法涉及：提供具有多个以一种模式对准的传感元件的衬底，将聚合物层沉积于该衬底上，以及在聚合物层中形成多个导向元件，其中导向元件被定位使得流动通道与传感元件对准。在一些实施方案中，所述导向元件构成流动通道。然后将衬底切或割成多个片或芯片，每片都具有与传感元件上方精确对准的流动通道。
在本发明的另一实施方案中公开了一种装置，其用于监测在“恶劣环境”中的流体流动，分析有毒的或有腐蚀性的流体。该实施方案还可被用于检测纯的或超纯净流体，它们与传感器的接触不会产生任何可监测到的流体或不利因素对传感器的污染。这一改进是通过使传感器与流体的流动路径隔离而实现的。
可以将传感器构造成为通常包括一个流动通道模块，其中形成有流动通道。该传感器还包括一个固定于芯片上并通过至少一个粘合元件接触的衬底和一个模制芯管，所述模制芯管被插入流动通道模块的流动通道内，从而减少流动噪声和潜在的腐蚀作用，改善了电绝缘性、结构完整性以及得自于传感芯片的热量测量。
                      附图说明
随同给出的数字，如指示编号，在整个分开的视图中都指代相同的或功能相似的元件。
图1显示了一个现有技术流动通道模块的横截面图；
图2描绘了一个隔离的其中插入了芯管的流动通道模块的横截面图；
图3显示了一个改进后的其中插入了芯管的流动通道的侧面截面图；
图4描绘了一个曲线图，其图解了相对于不带有芯管的流量传感器，在室温下热流量传感器针对盐水的性能；
图5显示了根据本发明一个实施方案的流量传感器的前视图；
图6描绘了根据本发明一个实施方案的流量传感器加热器所产生的温度场的横截面透视图；
图7显示了根据本发明一个实施方案，在环氧基质中在Teflon管下具有玻璃芯片的流量传感器组件的横截面端视图；
图8描绘了一个详细图解，显示用于恶劣环境中的应用于大流动通道中或应用于特性测量的传感器封装件，其可根据本发明的一个实施方案运行；
图9显示根据本发明一个实施方案，具有定位于流动通道模块壁内的小芯管的流量传感器组件的剖面顶视图和底视图；
图10描绘了流动通道模块组件和芯管的剖视图；
图11A和11B分别为根据本发明具有对准层的微传感器组件的前视图和顶视图；
图12是根据本发明另一实施方案的透视图；
图13A和13B分别为根据本发明的另一实施方案的微传感器的前视图和顶视图；
图14-17是本发明其它实施方案的前视截面图，其中导向元件为流动通道或流管提供对准；
图18是一个曲线图，图解相对于流量传感器，由不同材料制造并具有不同壁厚度(WT)的热流量传感器与盐水在室温下的性能；
图19是一个曲线图，图解在流管和微砖之间的接合处添加和不添加油时不锈钢流量管的性能。
                      发明详述
在这些非限制性实施例中论述的特定数值和构型可以改变，引用其仅意在说明本发明的多种实施方案，而非意在限制本发明的范围。
本发明的一方面大体上涉及利用某种热流量微传感器或环境传感器的导线前端接头(FWB)或穿过晶片(TTW)的接触来设计和制造用于与传感器芯片电接触的电绝缘。本发明人之前通过例如浸涂一些材料从而使金导线和金衬垫绝缘，例如在具有或不具有氧化铝薄膜底漆的情况下浸涂Si3N4、可流动的密封剂、带有F-Si的密封剂以及环氧树脂。已经尝试，通常由在流管中的传感元件和流体(如盐水)之间的电阻来限定基于这些材料的绝缘。然而，这个电阻如果≤20MΩ是不允许的。因而，本发明在此介绍一种解决上述问题的方法。
如将要更加详细描述的那样，通过将绝缘材料(如环氧树脂)熔铸到0.010-0.060英寸外径的Teflon导线或管的芯模(可以将其在固化后移除或不移除)周围，并使用例如结实的微砖或回填充有环氧树脂的微桥，可基本消除前述问题。相对于例如浸涂涂层，绝缘层增加的厚度导致流体(例如水)和其它导电材料的浸入，从而使绝缘层在聚合物中对导电性的贡献变得可被忽略。笔直且光滑的流动通道可以减少湍流和流动噪声，从而取代了老的置于之前使用的传感器上的流动通道的位置。
用微砖芯片替换无保护的微桥可以消除因流体产生的应力而造成的断裂。应注意，微砖芯片或其它这类装置的使用不能被认为是限制本发明的特征，但是在此提及所述内容的目的在于举例说明和一般性的启迪。增加的绝缘厚度使得可将更大的电压应用到传感器加热元件中，从而提升了加热器(其可与或不与流体直接接触)温度并增大了输出信号。结果，加热器电阻漂移以及依赖于温度、流体类型、传感器不对称性和电子学的偏移变得较不明显。
在一个实施方案中，一个流量传感器包括一个限定流量通道的流量通道模块、一个置于流动通道内的模制的芯管、一个衬底、一个粘合元件和一个传感元件或芯片。可将所述粘合元件构造成为包含一个或多个导线前端接头(FWBs)和/或穿过晶片(TTW)的触点。
本文所使用的术语“管”是指任意形状的能使流体流经其中的导管或通道。管的截面可以是圆柱形的、多边形的、椭圆形的等。模制芯管可以由诸如Teflon的高分子材料形成，或由诸如玻璃、石英、蓝宝石和/或金属(如不锈钢)的其它材料形成。可用不同塑料或聚合物的混合物制造所述管。该模制芯管通常包含壁厚度，其隔开传感器芯片表面与流经模制芯管的流体的直接接触，隔开距离相当于壁厚度，从而实现了传感器对流体流动变化的退敏化。另外，与传感器芯片接触的管壁厚度可以根据需要使高的介电强度和化学惰性与诸如疏水、亲水或两亲特性结合。这些特性可以通过使用无机或有机材料得以实现。在此指出，本文所使用的术语“流体”通常可指气体或液体。因而，本发明公开的传感器封装件可被用于测量气体或液体的质量或特性。
可以使膜扩大从而使其包含与粘合元件连结的熔铸或模制化合物，由此，通常用模制芯管使熔铸化合物成形。膜本身可由诸如环氧物质的材料形成。该模制的芯流动通道也可被构造成在传感器芯片处的模制芯管的截面中包括收缩，从而使传感器芯片的性能最佳化。所述模制的芯流动通道和衬底可以被一平面膜替代，该膜可以被包裹或收缩包围住一个总管，并用O型环密封以提供传感器能力。所述流管通常由流动通道模块构造成，并且可以是可置换的流管。另外，传感器可与一个用于将参考电阻散热的散热机构和/或与上述流量传感器连接的温度传感器连接和/或集成，从而使流量传感器没有提高温度，并将相连的加热器的温度驱动到使流经流动通道的流体沸腾的点。
该传感器的特征在于具有一个覆盖于加热器和传感器元件之上的平坦的、钝化的上表面，其用于提供适当的电隔绝。另外，具有穿过晶片的互连部的模消除了对具有上述附带问题的粘合导线的需要。为了耐受宽范围的压力水平并在恶劣环境中操作，该模结构被构造得非常结实。所述模是由具有极低热导率的材料构成的，从而消除了出现不期望的热信号短路的可能性。例如，可以使用各种玻璃材料、氧化铝或这些材料的组合来制造所述模。
进行高质量通量传感操作的能力大体上取决于传感器的物理特性。最重要的是，为了建造一个能够在这些高质量通量传感条件下运行的传感器，所述模衬底的低热导率是必需的。通过将热导率最小化，传感器的加热/或冷却效果引起的干扰将被最小化，从而增强了传感能力。特别是，所述模衬底材料的特性将控制热转移的适当路径，从而避免了经由模衬底从加热器到传感器的转移。多种材料可以提供这一特性。历史上，微桥传感芯片中的氧化硅已被用于提供特定水平的热传导率并且易于制造。然而，其易碎性妨碍了其在恶劣环境中的应用。
一种能够显示所需特性的更优越的材料是玻璃。然而，之前没有使用玻璃，这是因为其不易被微机械加工。即，难以利用玻璃形成所需的结构。另一种可用的衬底材料是氧化铝，其广泛用于电子电路组装，并可经机械处理被用作具有某些所需特性的衬底。然而它的一个不期望的特征是它的高热导率，其将显著地降低传感器芯片的灵敏度。
近期开发的玻璃材料，包括感光玻璃和Pyrex，已表明微机械加工是可能的并且极其有效。因而，这一材料现在可以提供另一种模衬底，其可用于微机械加工的流量和特性传感器。本发明利用玻璃(感光玻璃、石英玻璃等)或氧化铝材料的特性，从而制造具有最佳物理特性的流量和特性传感器。
提供一种微砖结构或微填充结构的基于玻璃的传感器，从而能够制造刚性的传感器，用于检测流体特性或高质量通量流体的流量，而没有压力-应力诱导的错误信号。
由于近期对玻璃的开发，使得应用该材料作为衬底大大减少了结构上进行机械加工的需量。更具体而言，所述衬底可被造成微砖结构或微填充结构，其具有基本稳固的结构。在这类传感器衬底中，加热和传感元件被直接置于衬底之上，并且无需在那些元件之下进行进一步加工或构造。因而，衬底本身在传感元件下方是连续的，从而制得了一个更结实的传感器模。玻璃衬底材料的特性使微砖结构可以被有效地用于恶劣环境中。
流量传感器可以是非隔离的，其中流体直接在传感元件上流动，也可以是隔离的，其中流体的流动与传感元件分开。图1显示现有技术中塑料制的隔离流动通道模块104的截面图100。图1还显示了传感器芯片106，将其固定或连通于衬底102。衬底102可承载电I/O引出线，其可通过“导线前端接头”(FWBs)107或“穿过晶片”(TTW)的触点(未示出)依次与芯片106上的元件连接或结合。然后可将针对芯片具有适宜开口的顶部流动通道111固定于传感芯片106上。在理想情况下，应仔细使得没有过量的粘合剂溢出到流体的流动路径中。因而，图100展现了引入本发明的“芯模”这一概念之前的一个微传感器的图解，所述“芯模”概念将在下文中详细解释。
图2描绘了具有插入芯管118的隔离的流动通道模块104的截面图110。图2还显示了传感器芯片116和衬底112。流动通道模块114类似于图1中的流动通道模块104，在此，其具有插入芯管118。衬底112可由例如氧化铝、PCB、玻璃、石英或其它衬底型材料构成。图2中的衬底112通常对应于图1中的衬底102。应注意，在此使用的术语“衬底”可指“衬底”或“衬底板”。衬底的组分将在下文进一步讨论。流动通道模块114同样通常对应于流动通道模块104，区别仅在于将芯管118加到模块114中。这样就简化了将流动通道模块114固定到“氧化铝”衬底112上的过程。
不拉出插入芯管118，而是将其保留在该位置中以提供上述优点。应注意，插入芯管118的管壁厚度隔开了传感芯片116表面与流体的直接接触，隔开距离相当于管壁厚度，从而实现了传感器对流动变化的退敏化，这是为实现上述另一好处而付出的代价。另外，特别应注意到，可将流动通道模块114构造为管型，从而发挥流管的作用。流动通道模块114因而可形成一个流管。
然而，本领域技术人员应该理解的是，流动通道模块114也可被构造为其它形状的形式，如三角形、正方形、矩形的流动通道模块、半环或各种其它几何图形。因而，流动通道114的形状是可以任意选择的设计，且不认为其是本发明的限制特征。另外，可以理解的是，流动通道模块114可由各种材料形成，这些材料包括但不仅仅限于塑料。
在一个实施方案中，流动通道模块114是一个限定定位通道的聚合物对准层，其中插入了芯管118。所述对准层提供与传感器芯片116精确对准的定位通道，使芯管118精确地对准于传感器芯片116。对准层的组成将在下文中被详细讨论。
衬底112可承载电I/O引出线，其可通过图2所示的“导线前端接头”(FWBs)127和129依次与芯片106上的元件连接或结合。类似地，FWBs107和109被描绘于图1中。另外，粘结元件也可被构造为穿过晶片(TTW)的触点，其没有在图1和图2中示出。然后可将流动通道模块114固定于传感芯片116和衬底112上。在理想情况下，应仔细使得没有过量的粘合剂溢出到图1中流体的流动路径中。在图2中，芯管118可避免这样的溢出，其环绕着流体流经的通道121。应注意，如果将芯管118从流动通道模块114中移走，在将芯管118从环绕芯管118的铸件中移出后，通道121可留在原位置。在此情况下，芯管118也可被称作是“模制芯管”。
因而使用这样的芯管可以降低流动噪声、灵敏度、以及降低了超纯净流体污染、流体泄漏、芯片腐蚀和潜在泄露的风险，同时改进了电绝缘、结构完整性和从相关的传感器芯片(如传感器芯片116)获得的热量测量。这样的芯管也可被用于成形和模制一个内部流动通道，其可在模制物固化后被移出。这时，流量传感器再次具有流动灵敏度并保持低“流动噪声”，但丧失了一些防芯片腐蚀性能、防流体和电泄漏性能、防流体污染性、无干扰性和结构完整性。
再来看图2，衬底112可以由氧化铝、莫来石、石英或其它对于微传感器型版具有适宜热膨胀系数(CTE)的已知材料构成。硅常常被认为是一种非常有效的微传感器主体材料，这是因为可简单地通过各种公知的硅处理工艺对其进行机械加工/处理。然而在特定应用中，例如在非常高质量通量的流体流动传感应用和高压应用中，这种硅承载的衬底作为微桥或微元件确实具有一些缺点。特别是当直接置于硅上时，硅的绝热性能将限制传感器的结构特征和操作性能。为了处理这些热特征，基于硅的传感器的微传感器主体被构造成为微元件型结构，从而限制加热器和传感元件下的热质量。很明显，这样限制了基于硅的传感器的物理强度。另外，这种微元件构型不适用于高质量通量传感，这是因为在激起高通量水平之前，其输出信号已饱和。
为了在恶劣环境中有效操作，流量传感器必须结构牢固。由于来源因素(例如高压泵、超声清洗、以及水击)，需要传感器足够结实以耐受高压。为检测高质量通量流动速率，同样重要的是，使用的衬底材料具有适当的低热导率(≤1.5W/(mk))。特定玻璃材料提供更好的绝热性能(相对于硅)，从而提高了如上略述的微元件流量和特性传感器的传感性能。玻璃的使用实现了所用的更结实的物理结构。这些不同性能导致了更通用的传感器，其可用于多种应用中。另外，如下文所概括的，特定工艺为基于玻璃的衬底提供了有效的微机械处理。
使用玻璃作为微传感器主体材料提供了多重特征，从而增强了传感器的性能。这些特征包括：(1)对穿过晶片的触点的自动电绝缘，(2)热导率比硅低，(3)对于传感流体具有足以耐受压力脉冲的环境刚性，以及(4)能够使用结构上结实的传感器主体构型的能力。另外，基于玻璃的传感器能够满足化学惰性、防腐蚀和生物相容性的全部要求。
如上所述，玻璃在各种接触之间提供了固有的电绝缘。这与基于硅的传感器形成对照，除非使用更昂贵的生长为略微绝缘的硅晶片，才能通过在衬底上掺入二氧化硅层来实现电绝缘。显而易见地，这样就减少了一层材料以及一步必需的处理步骤。尤其有利的是，生成氧化物的步骤是耗时的且需要在相当高的温度下完成。
虽然本发明的传感器能够作为基于玻璃的传感器运行，但可以理解的是，其它具有适宜物理特性的材料也可被使用。例如，可以由其它材料包括玻璃、石英、硅、氧化铝或陶瓷来制造衬底。
图3举例说明了根据本发明的一个实施方案，具有插入的芯的改进的流动通道模块的侧横截面图131。图131的左侧还显示了图1举例说明的现有技术中的构型的侧剖视图，同时右侧显示芯管118的位置。注意，在图1-3中，相似或相同部分通常由相同的数字指示。例如，图1中的流动通道模块104对应于图2中的流动通道模块114。因而，如图3中的图131所示，壁122和124形成流动通道模块104和114的壁。
图3主要用来突出图1所示的现有技术中的构型与图2所示的改进的流动通道模块之间的区别。图3中的虚线140指示了图1所示的现有技术的设计与图2所示的改进的设计的分割点。因而，图3中显示了半个传感器芯片106和116，以及半个衬底102和112。其中还显示了一个芯片的顶视图142，显示衬底102和112的各自的那一半。如上所述，壁122和124形成流动通道模块104和114的壁。流动通道104和114都包括壁122和124。壁122和124在虚线两侧均被标示出来。箭头144指示流经通道111和121的流体。图2的插入的芯管118的壁130和132也被描绘于图3中。
如上所述，管壁厚度隔离了传感芯片表面与流体的直接接触，隔离距离相当于壁厚度，从而实现了传感器对流动变化退敏化。可通过将加热器温度增加到环境温度以上以及另外通过将传感器芯片接触面处的壁厚度设计得尽可能小使该效果最小化。应注意，即使使用了TTW接触，提议的芯管的使用(无论其在“澄清塑料”部分与“氧化铝”粘合之后保留或不保留在原位置中)将减少流动噪声以及泄漏或腐蚀的风险，并且使得可以采用更高的加热器温度，其还导致更高的传感器温度以及减少的偏移。应注意，本文所使用的术语“粘合”通常是指与导线接头(如FWB)的电接触，术语“固定”通常是指机械固定元件及其工艺。
在现有技术的设备和系统中，一些公司，例如Unit Instrument，Emerson Inc.和其它公司，已销售基于热流量传感器的具有肉眼可见的不锈钢芯管的质量流量控制器十年了。通常，这些设备的特征在于以导线缠绕在铁芯管周围的形式存在的加热器和传感元件。然而，这种制造方法将生产大的、反应慢并昂贵的传感器，且通常是一个效率低的解决方法。
包括图2和3描绘的全部特征的流量传感器可这样设计，尤其是芯管的直径减少了，从而得到更有利的表面与容积的比例。例如，在图2所示的实施方案中，约0.061英寸外径的Teflon管(即通常用作导线绝缘的那种)可在传感器芯片116上横截地穿过“澄清塑料”流动通道121。然后，环氧树脂或RTV都可通过通向芯片区域的注射孔被注射进去，直至过量溢出为止，同时未密封的氧化铝衬底与流动通道模块的交界面仍然处在真空下，使其中被困的气泡最小化。
根据本发明的另一实施方案，可以采用另一种制造工艺，其中通常将过量的粘合剂在粘合之前涂敷于要粘合的各个部件上，然后排气，从而使各部件结合到一起，同时将过量粘合剂从粘合表面推挤出来。如果需要的话，在粘合剂固化后，Teflon芯管可被轻松移走。传感元件和引入的导电的水性盐溶液之间电阻的测量所示的电阻在最初的≥200MΩ到几天之后移走Teflon管之后的≥30MΩ之间。如果将管保留在原位，则没有测量到降解或电泄漏。
图4描绘了根据本发明一个实施方案的曲线图200，显示在室温下流量传感器与盐水的性能。展示图4仅旨在举例说明和启发，因而不应被认为是对本发明的限制。曲线图200显示了被测流量传感器的输出，其是针对不同流量通道构型的流量进行的，并且获得了加热器的温度值。如曲线图200所示，低于0.5nL/s的流量对于内径只有150μm的较小芯管来说是可测量的。在这些实例中，噪声水平可以大约在1mV的范围内，对此在室温下没有对于波动的补偿。本领域技术人员可以理解的是，曲线图200显示了零输出时的流量速率的数据。因而曲线图200大体上图解芯管的较低壁厚度(WT)和较高热导率材料的有利影响，其可增加灵敏度和流量范围。可用于本发明一个实施方案的高热导率材料的实例是Pyrex。(注意，Pyrex是Corning GlassWorks Corporation of Corning，New York 14831的注册商标)。在此无需再对图4进一步解释。
图5显示了可根据本发明另一实施方案运行的流量传感器300的前视图。流量传感器300包括定位于传感芯片302上的芯管308的外表面310和内表面312，所述传感芯片302具有FWBs306和304。
图6同样描绘了根据本发明一个实施方案的由流量传感器加热器产生的温度场400的横截面侧视图，由此，在平面上仅距离中心25μm的无流动存在的加热器可被提高到例如高于环境100℃。图6大体上图解了在靠近传感器芯片(即图5中传感器芯片302或图2中的芯片116)的温度场的温度轮廓的有限元计算的结果，从而表明，只要流动通道模块的壁厚度可被选择尽可能地大，例如250μm，则甚至于ΔTh＝6.5℃的等温线也几乎不渗水，而且几乎不造成灵敏度的损失。使用由较高热导率(例如约1W/(mK))材料制造的薄壁管已被证明是一种有效的使灵敏度损失最小化的方法。
可以理解的是，可根据本发明对上述改进的传感器构型(即传感器封装件)进行修饰。例如，可以由熟知SoA的本领域技术人员对参考电阻Rr(其没有在图6中示出)实施散热以达到对相关的加热器进行适当的控制。如上所述，根据本发明的所述设备，选择一个由具有中等热导率的材料制成的薄但结实的芯管是另一个可采用的工艺。其它变化和可选的实施方案将在下文中被进一步描述。
图7举例说明在流动通道主体或模块520(例如在界面中为约0.25×0.25”)中在Teflon管下具有玻璃芯片510的流量传感器组件505的截面端视图，其可根据本发明的另一实施方案实施，并且可使其尺寸适合Honeywell流动通道外壳AWM720。如图7所示，芯片510可被置于衬底508之上，所述衬底508可由氧化铝、玻璃或其它衬底材料组成。芯片510可被构造为包括通过导线522和524与衬底508接触的FWB触点。芯管516的直径可为0.060英寸。另外，0.002英寸的壁厚可以被用来检测＜10至＞1000μL/min的水流量。较小的芯管514可被插入柱512中的槽内，其代替芯管516并可被用于检测图4中所示的流动，检测范围为例如0.03μL/min至3μL/min。应注意，所述柱512通常被置于图7所示的模块521之上。模块512依次被置于衬底508之上。
图8举例说明适用于恶劣环境中应用于大流动通道的传感器封装件，其可根据本发明的一个实施方案运行。传感器芯片616可被固定于一个总管(如#T018 614或#T05 612)并且通过导线617和619被电连接到一个或多个连接杆上。传感器芯片可由膜610保护，从而取代了使芯片表面暴露于通道中流动的流体达0.5”或以上，所述膜610可由任意数量的单层或多层、有机或无机材料制成。薄膜610被应用于传感元件，其中所述薄膜被使用时是薄的，从而实现了可靠的、灵敏的、低噪声的、无污染的以及流动通道可置换的测量。例如在一个实施方案中，被应用于传感元件的薄膜厚度在约0.001英寸至约0.010英寸的闭区间范围内。
应注意，虚拟管道606在图8中以虚线绘出。这个虚拟管道606的直径例如可为约0.060英寸。如图8所示，空隙602可填充有诸如环氧的粘合剂。高分子膜610的底面604可被“蚀刻”以促进粘合。O型环618可被置于环绕总管的底部，从而使能够封闭住大通道内的流体。总管可通过已知的固定于大流动通道模块608的工艺固定，所述流动通道模块608在图8中仅示出一角。
图9显示根据本发明的一个实施方案的具有小芯管918(如具有大约0.014英寸外径和0.006英寸内径)的流量传感器组件的截面顶视图901和底视图900，所述小芯管918定位于流动通道模块的壁906和908中。应注意，顶视图和底视图901和900在图9中由虚线903隔开。在组装图9所示的结构的过程中，可用环氧树脂填充除芯管918以外的所有空隙。推进元件910可被用于将芯管壁912和914压到传感器芯片920上，从而使传感器芯片920和管壁914之间的任何孔隙最小化。这一设计简化了如本文所述的小芯管(如图7所示的小芯管)组件的应用。从而可以构造用于适用于恶劣环境的传感器封装件的简化并且有效的芯管结构，尤其考虑到市售的部件(如模块壁906、908和传感器芯片920，其中壁906还可包含承载有电路的衬底)。
图10描绘了根据本发明的一个实施方案的流动通道模块1119组件以及芯管1120的截面图1000和1001。图1000显示环氧粘合剂109处于膜1008(如Teflon带)之下，其可包住一个或多个FWBs。在固化过程中以及在插入环氧树脂1009和1121以及组件之后，可将芯管1120置于膜1008之上并用推进元件1002将其压到传感器芯片1130和衬底1006上。应注意，图10中的推进元件1002与图9中的推进元件910相似。
通过限定膜1008没有粘合到衬底1006和传感器芯片1130上、也没有粘合到环氧树脂1121和流动通道模块1118上，从而可以使顶部和底部两半在环氧树脂已固化后分开，然后同样可将膜移走。膜1008可由例如Teflon氟代聚合物或Aclar形成。(注意，Aclar是AlliedChemical Corporation of Morris Township，New Jersey的注册商标。)由此可制造图10所示的结构，由此可将精确组配的顶部和底部两半再次组装，使得芯管1120的表面与传感器芯片1130的传感表面接触。在测量完成后，如图10所示的图1001中的组件的顶部半个可被丢弃(如其可含有血液或其它生物流体)，而没有污染非一次应用的并且通常更昂贵的具有传感器芯片1130的部分以及衬底1006上的校准电路。
基于上述内容，可以理解的是，一些可选的传感器构型可根据本发明运行，实现对于流体或“恶劣环境”传感芯片的电绝缘。例如，用膜覆盖“将被密封的”传感器芯片以检测流体流动或流体特性，所述膜将高介电强度和化学惰性与疏水特性结合，所述特性可以是无机的或不是无机的，可被用于实现所述的电绝缘。
根据本发明公开的另一种对流体或“恶劣环境”传感器芯片实现电绝缘的技术涉及将膜扩大和成形作为围绕芯片的导线接头的熔铸化合物，从而使熔铸-密封剂-粘合剂(如环氧、RTV等)可以利用可移出的铸芯(例如氟代聚合物、玻璃或金属制的薄管或膜)来成形，以可靠地提供最小绝缘，同时将传感性能(如由于减少漂移带来的高信号稳定性/精确性、更低的噪声、更长的使用寿命等)最大化。在这一实施方案中，管状模制芯管可在熔铸后保留在原位作为绝缘。从而根据本发明的流量传感器本身可以被暴露于流体，这是因为芯管(即芯流管)可以在使用其模制流动通道后被移走。或者，如果芯管仍保留在原位，则流量传感器也可暴露于流体。这样芯管可以包括可置换的流管。
另外，迅速进行熔铸可以制造可置换的流管(如用于血液或化学分析)，从而不置换校准传感器及其电子器件。另外，可以在传感器芯片的位置处提供芯管横截面的收缩(如参见图1)，从而可以在最高流动速度(和信号)处实现性能最佳化，并控制压降(即，使整个ΔP最小化)。
另外，所述管和平面衬底可被一平面膜取代(如20-100μm厚Teflon)，包裹或收缩包围住一个总管，例如TO5或TO18，然后用图8所示的O型环密封。最后，如前所述，使参考电阻Rr散热，使得它不会升温并且不会意外地使加热器温度过高而使可被用于对流体或“恶劣环境”传感器芯片实现电绝缘的流体沸腾。例如可以使用小的金属热导体，其可用环氧树脂固定到Rr上，并在远离加热器电阻Rh的方向上增加热交换表面。本发明的另一方面涉及流动通道在传感器芯片上对准。采用产生定位通道的对准层提供了用于实现对“恶劣环境”传感器芯片的电绝缘的另一种工艺。
虽然可以使用多种不同材料来制造流体流量传感器，材料的选择会大大地影响传感器的性能。适合的传感器衬底材料具有相对低的热导率。低热导率对于保持传感器的灵敏度而言是重要的。具有相对低的热导率，呈现给各种传感元件的所有加热/冷却作用都主要地是由被检测的流体造成的。另外声明，保证热量不会穿过衬底过度传输而造成信号短路是重要的。
除上述参考的热特征外，非常需要整个流量传感器是化学惰性的、防腐蚀的、高温稳定的、电绝缘的并且生物相容的。该传感器的特征在于平面的顶部表面覆盖于加热器和传感器元件以提供适宜的电绝缘。传感器的上表面可被钝化。加热器和传感器元件被嵌入或黏附于衬底或模。传感器可被构造成包括一个或多个前端导线接头和/或穿过晶片的触点。穿过晶片的互连消除了对接合导线的需要。选择具有相对低热导率的材料制造衬底，从而消除不期望的热信号短路的可能性。例如，制造衬底可使用各种玻璃材料、硅、氧化铝、石英、陶瓷、聚合物、金属或这些材料的组合。
如图11A和B所示，传感器2010包括衬底2020、传感元件2070、形成于对准层中的导向元件2030、由导向元件2030限定的流动通道2040、以及用于限定流动通道延伸部分2080、2081的模制元件2050。衬底2020具有切入上表面以适应模制元件2050的缺口2060，使流动通道2040与传感元件2070对准，所述传感元件2070包括加热器2090和热传感器20100、20101。衬底2020可以是任何常规用于传感器的材料，包括硅、陶瓷、金属、玻璃(例如Pyrex)、或石英。
流体流动路径由图11B中的箭头所指示，在使用导向元件2031限定流动通道2040时，其精确地与图11A和11B中所示的传感器2010中的传感元件2070对准。该对准层是沉积于整个晶片上的聚合物材料，所述晶片上含有多个以一定模式排列的传感元件2070。在一个实施方案中，该高聚物是阳性抗蚀剂，例如为聚(甲基丙烯酸甲基酯)(PMMA)。在另一个实施方案中，该聚合物是一种基于环氧树脂的阴性抗蚀剂。一个这种阻抗为SU-8，其对UV射线敏感，并且在显影后热稳定和化学稳定。遮蔽对准层，通过光刻法形成导向元件2030。
导向元件2030被置于与传感元件相邻，其用来引流或使流动通道与每个传感元件对准。在一个实施方案中，如图17所示，单个导向元件20650被置于与传感元件20670相邻，具有流动通道20680的模制元件20650被置于流动元件之上，使流动通道20680与传感元件20670对准。在另一个实施方案中，对准层被遮蔽，使得导向元件产生具有与传感元件对准的垂直壁的通道。在一个实施方案中，如图11A和11B所示，对准层被遮蔽以在传感元件2070的任意一侧构造导向元件2030。在这个实施方案中，导向元件2030形成了用作流动路径的流动通道2040。在另一实施方案中，如图13-16所示，导向元件形成其中放置了流管20285(图13)、模制元件20350、20450(图14、15)、或模制元件20550和流管20580两者(图16)的定位通道20240、20340、20440、20540。流管和模制元件在这些实施方案中作为流动路径。
在另一个实施方案中，衬底是一个硅晶片，并且采用例如深度反应性离子蚀刻(DRIE)的工序来蚀刻导向元件。在另一实施方案中，导向元件是由KOH和水的各向异性蚀刻形成的V型凹槽。也可以使用具有由掺杂了防蚀刻的硼的硅构成的平的底部的截断的V型槽，所述底部最初形成于晶膜生长的硅层的下方。
形成与传感元件精确对准相邻的导向元件同时加工处理仍然在晶片水平上，使得能够制得多个具有相同对准的流动路径的传感器。晶片被切成单个传感器，并且模制元件或流管可被置于导向元件上，以提供与传感元件精确对准的流体流动通道。
在图11A和11B所示的传感器中，导向元件2030限定流动通道2040，其同样是流动路径。衬底2020形成流动路径的底部，导向元件2030形成流动路径的壁，模制元件2050形成流动路径的顶部。模制元件2050包括流动路径的延伸部分2080、2081，其与流动通道2040的末端连接，从而提供与流体系统的接触表面。可用粘合剂将模制元件2050黏附于衬底2020。导向元件2030提供防止粘合剂移出到流动路径中或传感元件上的屏障。在该实施方案中，可以通过最少的晶片后处理工艺(post-wafer processing)制得具有一致精确对准的流动通道的多个传感器。
传感器的另一种实施方案示于图12中。衬底20120具有传感元件20170。单个椭圆形导向元件20130形成于对准层中，并且限定与传感元件对准的流动通道20140。模制元件20150被构造成与导向元件20130配合并形成流动通道20140的顶部。模制元件20150包括流动通道的延伸部分20180、20181，其与流动通道20140的末端在一转角处连接，并提供与流体系统的交界面。在一些实施方案中，流动通道的延伸部分20180、20181具有相同的尺寸。在另一些实施方案中，这两个流动通道的延伸部分20180、20181尺寸不同。例如，流动通道的延伸部分可具有不同的内径以适应内置有流量传感器的较大的流体流动系统中的管道或流动路径。在流动路径中具有一个或多个转角的传感器中，传感元件20170被置于距离最后一个上游转角的距离为大于或等于十倍于流动通道直径的位置上。这一间距使得在由所述转角造成的流体中的湍流在流体流经传感元件之前被消散。
在图11A、11B和12中所示的流量传感器的实施方案是非隔离的传感器。流体流动路径被直接置于传感元件2070、20170上，并且与衬底2020、20120在底部结合，与导向元件2030、20130在其侧面结合，与模制元件2050、20150在其上部结合。图13A、13B和14-16中所示的流量传感器是隔离的传感器。
图13A和13B中所示的流量传感器10210包括衬底20220、用于限定导向元件20230的对准层(其在传感元件之上形成了定位通道20240)、包括流动通道的延伸部分20280、20281的模制元件20250、流管20285和盖20200。导向元件20230精确地使定位通道20240与传感元件20270对准，并使模制元件20250和流管20280与传感元件20270对准。模制元件20250为流管20285提供了额外的支撑。盖20200用来保持流管20285与传感元件20270接触。流管20285在传感元件20270上提供隔离的流动路径。
流管20285具有壁厚度，其隔开了传感器的表面以免与流经流管的流体的直接接触，隔开距离相当于壁厚度，从而实现传感器对流体流动变化的退敏化，并且保护传感器不受一般被称为“恶劣环境”的影响。恶劣环境可以包括受污染的、脏的、冷凝的、腐蚀性的、放射性的流体等。同样包括在内的是可以使装置过热、遗留沉积物、或冻结的流体。流管的界面可以是圆柱形的、多边形的、椭圆形的等。在一些实施方案中，流管20285是可置换的，提供可重复用于多个污染的流体(如血液)试样的传感器。为了更换流管20285，将盖20200移开，用新的流管置换用过的流管，再将盖归位。另外，与传感器接触的这种壁厚度根据需要将高介电强度和化学惰性与诸如疏水、亲水和两亲的特性结合起来。可以使用无机或有机材料来实现这些特性。
在一些实施方案中，盖20200包括突出部分20205，其尺寸为向下延伸以支撑较小的流管20285与传感元件20270接触。模制元件20250与盖20200的尺寸可被选择，以提供对于各种尺寸的流管20285的稳定性。这样，多个从单个晶片切割得到的具有相同尺寸的定位通道20240的传感器，可以与不同尺寸的流管20285一起被使用。另外，模制元件可延伸到定位通道20240中，以提供用于接收小直径流管20285的较窄通道。可以用粘合剂将模制元件黏附于衬底20220和盖20200。导向元件20230提供了用于防止粘合剂溢出到流动路径中或传感元件上的屏障。
管20285、模制元件20250和盖20200可由玻璃(例如Pyrex)、石英玻璃、石英、蓝宝石、陶瓷、环氧树脂、一种或多种聚合物(如PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯))、或Teflon、或金属(例如不锈钢)制造。不同类型的玻璃的混合物或不同聚合物的混合物也可被用于制造管20285、模制元件20250和盖20200。不锈钢流管20285可以被连接到具有热传递糊剂或流体的装置。可在管20285和模制元件20250和/或衬底20220之间的接合点加油以增加热传递。
在图14中示出隔离的传感器的另一个实施方案。形成于导向元件20330之间的定位通道20340比衬底20320上的传感元件20370宽。模制元件20350在导向元件20330上延伸，并且形成在定位通道20340内配合的流动通道20380的底部和侧面。盖20300形成流动通道20380的顶部。在一个实施方案中，模制元件20350具有流动通道底部20352，该底部20350具有与传感元件20370接触的薄区域20355。剩余的流动通道底部20352与衬底20320间隔开，形成气袋以减少热信号的损失。
具有不同尺寸的流动通道20380的传感器可通过使用具有不同尺寸的流动通道20380的模制元件20350由同一晶片制得。在一些实施方案中，模制元件20350是可置换的且可替换的。盖2300也可是可置换的。另外，盖20300可具有延伸到流动通道20380中的突出部分20305以改变流动通道20380的尺寸。如图15中所示，穿过流动通道20480延伸的具有突出部分20405的盖20400降低了流动通道20480的高度和整个尺寸。在模制元件20450的外部和定位通道20440的内部之间的交界面提供了流动路径与传感元件的精确对准，与流动通道20480的内部尺寸无关。
如图16所示，在另一实施方案中，流管20585被置于模制元件20550的流动通道底部20552中的薄区域20555之上。流管20585形成流动通道20580。通过导向元件20530使模制元件20550与传感元件20570对准。盖20500接触流管20585的顶部，并保持流管20585在原位。在一些实施方案中，还使用粘合剂来保持流管20585在适当位置。在一个实施方案中，流管20585是可置换的且可替换的。这一实施方案尤其适于分析毒性的、腐蚀性的、危险的、污染的流体等。
图17中示出了另一个隔离流量传感器的实施方案。一个对准层被沉积于衬底20620之上，并且单个导向元件20630被形成于对准层中。导向元件20630与衬底20620上的传感元件20670相邻。模制元件20650具有第一侧面20652和第二侧面20654，并且在其间放置流动通道20680，使第一侧面20652延伸到导向元件20630上，以使流动通道20680与传感元件20630对准。盖20600形成流动通道20680的顶部。在一个实施方案中，模制元件20650具有流通通道底部20652，该底部中有与传感元件20670接触的薄区域20655。在一些实施方案中，剩余的流动通道底部20652与衬底20620被间隔开来，形成气袋20661以减少热信号的损失。
图18描绘了图解根据本发明的一个实施方案，在室温下流量传感器针对盐水时的性能的曲线图。图18指示可以得到针对几个流动通道构型测得的流量传感器输出量和加热器的温度值。如曲线图中所图解的，对于内径仅为150μm的较小芯管可测量的流量为低于0.5μL/min。在这些实例中，噪声水平在约1mV范围内，对此无需对室温下的波动进行补偿。本领域技术人员在此可以理解，该曲线图显示了收集达到零输出时的流动速率的数据。因而图18从而一般性地图解了对于芯管而言较低的壁厚度(WT)和较高的热导率的有利影响，这种有利影响提高了灵敏度和流量范围。一种可与本发明的一个实施方案相关联使用的较高热导率材料的实例是Pyrex。(注意，Pyrex是Coming Glass Works Corporation of Corning，New York14831的注册商标。)
图19描绘了一个曲线图，其图解在加油和不加油的Pyrex微砖上使用不锈钢流管的流量传感器的性能。该不锈钢流管具有的内径为0.004英寸，外径为0.008英寸。水被用作流体。如曲线图所示，将油滴加到流管和衬底之间的接合点促进了热传递并使信号提升了约两番。
本发明中公开的流量传感器封装件提供了多个相对于现有技术的流体流量传感器封装方法的优点。例如，应用可靠地控制绝缘层的厚度、模制元件或流管可消除电泄漏和电短路的风险。这个可控制的厚度还实现了将更大的电压应用于传感器的加热元件，从而实现更高的加热器温度，并因此导致更大的输出信号，降低了传感器和电偏移的影响，并且不会使流体沸腾。定位于芯片上的隔离的流量传感器在削减了流动噪声的同时提供了上述益处，包括消除流体泄漏或腐蚀的风险，并且另外提供了对芯片触点的电绝缘。另外，隔离的流动通道可提供“纯净的”、无污染的环境以保持最大的流体清洁度。
因而，根据本发明所描述的内容，可以构造一个传感器，其通常包括形成于用于检测流体流动的传感器芯片上的流动路径，其中流动路径中的流体环绕传感器芯片。或者，传感器芯片可通过流管或模制元件与流动路径隔离，所述流管或模制元件可为传感器芯片提供电绝缘和防腐作用、降低流动噪声、基本上消除流体泄漏的风险和保持流体超纯净并且无污染，同时提高了结构完整性以由传感器芯片进行热量测量。这样一个隔离构型的使用也可保护传感器防止腐蚀、放射性或细菌污染，以及防止沉积、过热或冻结。这样一个隔离构型还使流管和/或模制元件是可分离的并且是可置换的，而不需要替换较昂贵的传感器芯片以及与之相关的电子件。
通过形成定位通道的对准层使流动路径与传感器芯片精确对准。定位通道可以晶片水平在衬底上形成，提供便宜的、有效的制造具有同样对准的流动路径的多个传感器的方法。
本发明可用于葡萄糖监控、芯片上的实验、药物递送、细胞计数、透析、灌注和其它应用。另外，本发明适用于微流体和需要测量液体、冷凝空气或被污染空气的流量传感应用。
本发明在此提供的实施方案和实施例用于最好地解释本发明及其实际应用，从而使本领域技术人员制造和使用本发明。然而，本领域技术人员能够理解，介绍前述说明书和实施例的目的仅在于说明和举例。本发明的其它变化和修饰对于本领域技术人员是显而易见的，所附权利要求书的目的在于覆盖这些变化和修饰。所述说明书无意穷举或限制本发明的范围。在不偏离权利要求书范围的教导下可做出多种修饰和改变。可以理解的是，本发明的使用可包括具有不同特征的成分。将通过所附的权利要求书来限定本发明的范围，其在各个方面提供可充分理解的等同情况。

Claims (54)

1.一种流量传感器，其包含：
其上具有传感元件的衬底，所述传感元件被构造用于检测至少一种流体特性；
沉积于所述衬底上的对准层，所述对准层限定一个或多个导向元件；以及
流动通道；其中所述导向元件使流动通道与传感元件对准。
2.权利要求1的流量传感器，包含第一和第二导向元件，其中第一和第二导向元件限定流动通道。
3.权利要求1的流量传感器，其中所述对准层包含聚合物。
4.权利要求1的流量传感器，其中所述传感元件包括加热器和至少一个热传感器。
5.权利要求1的流量传感器，其中所述衬底选自石英、硅、陶瓷、玻璃、金属和聚合物，通常选择具有相对低的热导率数值的材料。
6.权利要求3的流量传感器，其中所述聚合物是聚(甲基丙烯酸甲酯)。
7.权利要求3的流量传感器，其中所述聚合物是光致抗蚀剂。
8.权利要求7的流量传感器，其中所述光致抗蚀剂是SU8。
9.权利要求2的流量传感器，进一步包含置于所述导向元件之上的模制元件，所述模制元件限定第一和第二流动通道的延伸部分；其中第一流动通道的延伸部分与所述流动通道的第一末端流体连接，第二流动通道的延伸部分与所述流动通道的第二末端流体连接。
10.权利要求9的流量传感器，其中所述衬底形成所述流动通道的底部，所述导向元件形成所述流动通道的侧面，所述模制元件形成所述流动通道的顶部。
11.权利要求9的流量传感器，其中所述第一和第二流动通道的延伸部分在一个转角处与流动通道连接。
12.权利要求11的流量传感器，其中所述转角基本上是直角。
13.权利要求12的流量传感器，其中所述第一和第二流动通道的延伸部分具有一个直径，并且所述转角和传感元件之间的距离大于或等于第二流动通道延伸部分的直径的10倍。
14.权利要求9的流量传感器，其中使用粘合剂将模制元件黏附于衬底和对准层，其中所述对准层防止该粘合剂进入所述的流动通道。
15.权利要求1的流量传感器，其中所述的流动通道是置于流动通道中的导管。
16.权利要求15的流量传感器，其中所述的导管是可置换的导管。
17.权利要求15的流量传感器，其中所述的导管由一种或多种选自玻璃、陶瓷、石英玻璃、聚合物、金属及其混合物的材料制成。
18.权利要求17的流量传感器，其中所述的导管是不锈钢的，并且其中将油加入到流动通道和导管之间的接合处。
19.权利要求15的流量传感器，还包含置于对准层上的模制元件，所述模制元件沿流动路径延伸超出对准层，该模制元件使导管与传感元件对准。
20.权利要求19的流量传感器，还包含置于所述模制元件上的盖。
21.权利要求20的流量传感器，其中用粘合剂将所述的盖和模制元件连结。
22.权利要求1的流量传感器，还包含置于所述的流动通道内的模制通道。
23.权利要求22的流量传感器，还包含置于所述的模制通道上的盖；其中所述的模制通道形成所述流动路径的底部和侧面，所述的盖形成所述流动路径的顶部。
24.权利要求1的流量传感器，包含与所述传感元件相邻的单个的导向元件；其中所述的流动通道是置于导向元件和衬底上的模制元件。
25.一个流量传感器，其包含：
其上具有传感元件的衬底，所述传感元件被构造成用来检测至少一种流体特性；
沉积于衬底上的对准层，所述对准层限定与传感元件对准的定位通道；以及
置于所述定位通道内的流管。
26.一个流量传感器，其包含：
其上具有传感元件的衬底，所述传感元件被构造成用来检测至少一种流体特性；
沉积于衬底上的聚合物结构，所述聚合物结构限定与传感元件对准的定位通道；
限定流动通道的模制结构，该模制结构被构造成至少部分地被接收在定位通道中，使得所述流动通道与所述传感元件对准。
27.权利要求26的流量传感器，还包含置于所述模制结构之上的盖。
28.权利要求27的流量传感器，其中所述的模制结构限定流动通道的底部和壁，所述盖限定所述流动通道的顶部。
29.一种制造多个分别具有与传感元件对准的流动通道的流量传感器的方法，该方法包括：
提供具有多个以一种模式对准的传感元件的衬底；
在所述衬底上形成多个导向元件，其中将每个导向元件与传感元件相邻对准；
将所述衬底切成多个芯片，其中每个芯片具有一个传感元件和至少一个导向元件。
30.权利要求29所述的方法，其中形成多个导向元件的步骤包括将一种聚合物层沉积于衬底之上，并在聚合物层中形成导向元件。
31.权利要求30所述的方法，还包括在每个芯片上的聚合物层上加一个盖。
32.权利要求30所述的方法，其中所述的聚合物层是光致抗蚀剂。
33.权利要求29所述的方法，其中通过蚀刻形成所述流动通道。
34.权利要求32所述的方法，其中所述的抗蚀剂是聚(甲基丙烯酸甲酯)。
35.权利要求32所述的方法，其中所述的抗蚀剂是SU-8。
36.权利要求29所述的方法，其中所述的衬底选自石英、硅、陶瓷、玻璃、金属和聚合物。
37.一种传感器，其包含：
用于检测至少一种流体特性的传感装置；
被设置用于引导流体在传感装置上流动的流动通道对准装置；以及
用于引导流体流入所述流动通道对准装置中的流动导向装置。
38.权利要求37的传感器，其中所述的传感装置包括一个加热元件；
39.权利要求38的传感器，其中所述的传感装置包括至少一个热传感元件。
40.权利要求37的传感器，还包含被设置于流动通道对准装置上的盖。
41.权利要求37的传感器，其中所述的流动通道对准装置包括形成流动通道壁的聚合物。
42.权利要求41的传感器，其中所述的聚合物是光致抗蚀剂。
43.权利要求42的传感器，其中所述的抗蚀剂是聚(甲基丙烯酸甲基酯)。
44.权利要求7的流量传感器，其中所述的抗蚀剂是SU-8。
45.一种用于测量一种流体的一种或多种物理特性的传感器，其包含：
由基本上固体的绝缘传感器主体和多个传感元件组成的传感器模；
附着于传感器模的聚合物衬底，所述聚合物衬底限定置于传感元件上的多个流动通道；以及
与流动通道流体连通的多个流管。
46.一种制造多个每个具有与传感元件对准的流动通道的流量传感器的方法，所述方法包括：
(a)提供具有多个以一种模式对准的传感元件的衬底；
(b)将对准层沉积于所述衬底上；
(c)在所述对准层中形成多个导向元件，其中将至少一个导向元件与每个传感元件相邻对准，并且该导向元件与每个传感元件的距离基本上相同；
(d)将所述衬底切成多个小片，每个小片具有一个传感元件和至少一个导向元件；以及
(e)将含有流动通道的模制元件放置在每个小片中的所述的导向元件上，以使所述的流动通道与所述的传感元件对准。
47.权利要求46的方法，其中步骤(e)涉及将一个不同尺寸的流动通道放置于每个小片上以得到多个流量传感器，每个流量传感器具有不同尺寸的与传感元件对准的流动通道。
48.权利要求46的方法，其中所述的对准层是聚合物，并且所述的导向元件是通过光刻法形成的。
49.权利要求46的方法，还包括将在所述的模制元件上放置一个盖，其中所述的模制元件形成所述的流动通道的底部和侧面，所述的盖形成所述的流动通道的顶部。
50.权利要求46的方法，其中所述的模制元件包括流动通道区域和至少一个向外突出的臂，其中至少一个臂延伸到导向元件之上，并且所述的流动通道区域与所述的传感元件对准，其中改变所述的模制元件的尺寸，以使所述的流动通道的至少一部分底面与所述的衬底接触。
51.权利要求50的方法，其中所述的流动通道的底壁具有与传感元件上的衬底接触的薄区域，其中所述的底壁的剩余区域与所述的衬底间隔开。
52.权利要求49的方法，其中所述盖包含延伸到所述流动通道中的突出部分，以减少所述流动通道的容积。
53.权利要求49的方法，其中在将所述的模制元件放置于所述的导向元件上之前，将所述盖附着于所述的模制元件。
54.一种测量多种流体的一种或多种物理特性的方法，包括：
(a)提供一种流量传感器，其包括：其上具有被构造成用来检测至少一种流体特性的传感元件的衬底、一个或多个在衬底上限定与传感元件对准的定位通道的导向元件以及置于定位通道内的第一个可置换流管，使得所述流管限定跨越所述传感元件而流动路径；
(b)引导第一流体穿过所述的第一个流管并且跨越所述的传感元件；
(c)检测所述的第一流体的一种或多种特性；
(d)将所述的第一流管从所述的定位通道中移走；
(e)将第二流管置于所述的定位通道内；
(f)引导第二流体穿过所述的第二流管并且跨越所述的传感元件；
(g)检测所述的第二流体的一种或多种特性；以及
(h)对其它流体重复步骤(e)到(g)。
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