CN101078641B - 具有热电偶的流量传感器 - Google Patents

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Abstract

流量传感器包括一个安置在两个检测热电堆(6a、6b)之间的加热器(4)。此外，提供至少一个监测热电偶(12a、12b)用来测量加热器(4)的温度。监测热电偶(12a、12b)的信号可通过几种方式用于提高器件的精确度。特别地，该监测热电偶的信号以与检测热电堆(6a、6b)的信号同样的方式，依赖于塞贝克常数和热电堆的其它固有属性的变化，这允许补偿这些效应。监测热电偶的信号也可以用作用于转换检测热电堆(6a、6b)的信号的A/D转换器的基准电压。

Description

具有热电偶的流量传感器
本发明涉及一种测量流体流量的器件，其具有集成在衬底(尤其半导体衬底)上的一个加热器和至少两个检测热电堆。该器件适合根据由检测热电堆测量的信号来测量流体的流量。例如在US2003/0115952中描述的这类流量传感器。 
本发明的目的是提供提高这种器件精确度的手段。该目的通过采用后附独立权利要求中所述的流量传感器而实现。 
因此，在衬底上提供至少一对用于生成监测信号的监测热电偶。监测热电偶的一个连接部比该检测热电堆的任何连接部更靠近加热器。监测热电堆安置在加热器的相对侧，其中一个监测热电堆放置在加热器的上游，另一个位于加热器的下游。 
利用下面描述的几种方式，检测信号可用于提高该器件的精确度。 
在一个优选实施例中，该器件包括用于生成与检测信号和监测信号之比成比例的信号。这样的信号不太依赖于塞贝克常数和热电偶的其它固有属性。 
在另一个优选实施例中，该器件可安装利用将监测信号保持定值这样的方式控制通过加热器电流的控制回路。尽管US2003/0115952中描述的加热控制达到非常相近的效果，但应该理解在那种器件测量的加热器温度由取决于加热器电阻率的温度获得，即，在那样的背景技术中不能实现对塞贝克常数和上面所述的其它固有热电偶属性变化的固有校正。 
该器件的另一个优选实施例使用模拟/数字转换器，该转换器具有一基准输入，并生成被在基准输入处的信号标准化的检测信号数字化数值。该监测信号用于该基准输入。本测量的优点有两个方面。首先，利用上面提及的优选结果，数字化信号相应于检测信号和监测信号的比值。其次，转换器的分辨率在低流量处(在这里监测信号大)降低而在高流量处(在这里监测信号小)增高-这是有利的，因为检测信号与流量的相关性随着流量的增加而降低。 
这些和其它的优选实施例在所附权利要求以及下面的描述中得到更为详细的说明。本描述参考附图，这里 
图1是流量传感器第一实施例的顶视图， 
图2是沿图1的II-II线的截面示意图， 
图3是第二实施例的顶视图， 
图4是第三实施例的顶视图， 
图5是器件电路的第一实施例的框图， 
图6显示作为具有常数和非常数Vref输入的质量流量函数的检测信号ΔT、监测信号TP、和该检测信号的数字化数值，和 
图7是器件电路的第二实施例的框图。 
图1和2中的器件设计为基于硅衬底1的半导体芯片，尽管可同样使用另一个半导体或介电衬底，例如玻璃衬底。通过刻蚀技术在衬底1中形成凹槽或开口2，并被膜3覆盖。加热器4延伸通过膜3。在图1和2中的实施例中，加热器4由三个并行的导体4a、4b、4c形成，电学上并行地设置两个外部导体4a、4c，而中部导体4b(具有双横截面)串联于导体4a、4c。 
两个检测热电堆6a和6b设置在加热器4的上游和下游(术语“上游”和“下游”定义为关于与加热器纵轴垂直的流量方向F)，每个检测热电堆都包括多个串联的热电偶。每个检测热电偶包括形成于集成电路金属层中的金属条7(图1中所示实线)以及形成于集成电路的多晶硅层中的多晶硅条8(图1中所示虚线)。每个热电偶的金属条7和多晶硅条8互连在膜3上的第一连接部9处。两个邻近热电偶的多晶硅条8和金属条7互连在第二连接部10处，该第二连接部10不设置在膜3上，但在衬底1的块体上。 
这种器件的基本工作原理例如在US2003/0115952中所述。沿流量方向F的流量引起加热器4的热分布不对称，这将在两个热电堆6a、6b的第一连接部9处产生温度差。同时，因为通过热传导与衬底1进行热交换，第二连接部10保持在基本恒定的温度。因此，热电堆6a、6b的电压差(或任何其它成比例的数值)，下文中称作“检测信号”，基本上是在第一连接部9，加热器4上游和下游的温度差ΔT的测量。这个温度差ΔT是流体的质量流量的测量。 
如图1和2所示，在器件上提供两个附加监测热电偶12a、12b，其中每个放置在检测热电堆6a、6b之一的大致中心。从图1可以清楚地看出，在加热器4的上游设置一个监测热电偶，而另一个监测热电偶设置在其下游。每个监测热电偶12a、12b又包括互连在位于膜3上的第一连接部9′处的金属条7′和多晶硅条8′。监测热电偶12a、12b的第一连接部9′被放置在比检测热电堆6a、6b的第一连接部9更靠近加热器4处，并具有基本上与加热器4温度对应的温 度。金属条7′的第二端例如在第二连接部10′处连接于多晶硅引线13。在图1和2的实施例中，该第二连接部10′位于衬底1的块体上。 
因此每个监测热电偶12a、12b产生一个基本上等于衬底1和加热器4之间的温度差的电压。来自监测热电偶12a、12b的电压还生成监测信号TP。 
图5中显示了该器件电路的一个实施例。它包括用于数字化检测信号ΔT的A/D转换器16、用于控制流过加热器4的电流的加热器控制装置17、和用于处理数字化检测信号和控制器件的微控制器18。优选地，在衬底1上集成所有元件16、17和18的电路，但是也可以由外部元件形成至少部分。 
基本上，A/D转换器16可为任何类型，例如逐次-近似ADC、Δ-编码ADC或∑-Δ转换器。所有这样转换器的设计需要基准电压Vref，并且生成由Vref标准化的输入信号的数字化数值。全文中，术语“标准化”可以这样理解，给定的输入电压的输出值线性地取决于倒数值1/Vref。 
优选地，A/D转换器16为∑-Δ转换器，例如是在DE101 29 300中所揭示的。那份文件的“A/D-转换器”部分的说明和相关附图在此引入作为参考。 
如图5中所示，监测信号TP作为基准电压Vref被提供至A/D转换器16的基准输入。以下说明这种测量的目的。 
图5实施例的加热器控制装置17调整加热器4消耗的功率为定值。可替代地，调整通过加热器4的电流为定值。 
图6的上图显示了作为流量v的函数的温度差ΔT的关系。零流量时，ΔT＝0。随着流量的增加，ΔT开始线性升高。然而，在大流量时，由于加热器4上的通过流体的冷却作用，加热器4的温度(因而监测信号TP)实质上会降低。因此，流量v增加时，如图6的上图所示曲线ΔT(v)的斜率会下降。 
如果A/D转换器16的Vref是定值，A/D转换器16的数字化数值将会遵循图6下图中的“Vref＝const”曲线。正如本领域技术人员所理解，因为A/D转换器的分辨率在它的输入电压范围内没有改变，这将引起较大质量流量v时测量分辨率的下降。 
然而，如上所述，Vref不是定值，但是设定其为监测信号TP。因此，当加热器温度升高时，A/D转换器的分辨率会变低，而在加热器温度降低时，分辨率会更好。如图6下图中“Vref＝TP”曲线显示，这导致A/D转换器16输出处的数字化信号的线性化。 
因此，使用监测信号TP作为基准电压Vref可在更宽的质量流量范围中获得更加恒定的数字化分辨率，随之可获得测试准确度的提高和/或可降低A/D转换器的位分辨率。 
同时，由Vref标准化的数字化数值与比值ΔT∶TP成比例。因此，使用的热电偶的塞贝克系数或其它参数的变化趋向互补。例如当器件的总温度变化时或当膜3受到应力时，可以观察这种变化。 
显而易见，图1的设计还具有优点：监测热电偶12a、12b并行并靠近检测热电堆6a、6b对应的热电偶，因此膜2中的应变将影响热电偶12a、12b及以同样的方式影响热电堆6a、6b，并且将随之在A/D转换器16的输出值中消除。 
图7显示流量传感器的一个可替代电路设计。与图6的设计的区别在于，监测信号TP作为加热器控制装置17的输入使用。在本实施例中，加热器控制装置17形成控制回路，其以保持监测信号TP为定值的这种方式控制通过加热器4的电流。由于监测信号TP基本上等于块体衬底1和加热器4之间的温度差，本实施例保持该温度差基本上为定值。 
这样，检测信号ΔT与质量流量v基本上成线性。因此，恒定电压可以用作A/D转换器的基准电压Vref。然而，为了补偿监测信号TP的残余波动(residualfluctuations)，仍然使用TP作为基准电压Vref。 
图3显示监测热电偶12a、12b的一个可替代设计。与图1的设计的区别在于，现在将第二连接部10′(因而全部热电偶)放置在膜3上而不是衬底1的块体上。这有利于监测热电偶12a、12b更为迅速和更为准确地遵循加热器4的温度变化。 
图4中显示监测热电偶12a、12b的进一步实施例。这里四个监测热电偶形成监测热电堆12，并设置在加热器4的导体4a、4b和4c之间的间隙20a、20b中。监测热电堆平行于加热器4的纵轴延伸。 
监测热电堆12包括两个子单元，其中每个如下构成：第一材料(也就是金属)的第一条7a从加热器4的第一端延伸到其中心。第二材料(也就是多晶硅)的第二条8a从与第一条7a的连接部9a延伸至加热器4的第二端，其终止于连接部10a。第一材料的第三条7b连接至连接部10a并延伸回加热器4的中心，其结束于第三连接部9b。第二材料的第四条8b从连接部9b延伸至加热器4的第一端。在第二间隙20b中的子单元重复相同的设计。每个子单元测量块体衬 底1上温度和加热器4中心温度之间的差。两个子单元经由对其施加电压的桥22串联连接。 
图4的设计好处是监测信号TP更为接近地遵循加热器4的温度。另外，在加热器4和检测热电堆6a、6b之间的间隙24中避免热传导金属或多晶硅引线，这将减少膜3中这些元件之间不希望的热传导。 
在目前所述实施例中，膜3对比由块体衬底1支撑的芯片表面的剩余“正常区”形成“测量区”。测量区具有比正常区低的放置在其上的元件之间的热传导。至少每个加热器4、检测热电堆6a、6b和监测热电偶中的一部分应该放置在测量区上。如本领域技术人员所知，膜3可以被各种其它的“膜结构”替代，这里术语“膜结构”描述为安排在半导体芯片中开口或凹槽2上的任何薄的结构。膜结构既可以由完全靠近芯片中开口或凹槽的膜形成，也可以由延伸过或进入开口或凹槽的桥或舌片形成。 
代替使用凹槽或开口2，也可以在低热传导系数材料(例如纳米孔(nanoporous)氧化硅)层的顶面上设置测量区。 
目前显示的实施例包括安置在加热器4上游和下游的两个检测热电堆。然而，应当注意可以使用单独的热电堆，例如安置在加热器的下游、尤其是当器件设计为仅在一个方向上测量流量时，或者延伸在加热器上游和下游的连接部之间。 
同样，关于加热器4纵轴对称地安置上面实施例的检测热电堆。尤其是如果器件设计为仅在一个方向上测量流量，也可以使用非对称的设计。 
优选地，应该使用与沿通过加热器4中心的流量方向F延伸的线基本上对称的热电偶设计。这容许定位器件时修正非对称。例如，在图1和3的实施例中，在每个检测热电堆6a、6b的中心处设置监测热电偶12a、12b。可替代地，可以提供给对称地分布的每个检测热电堆6a、6b两个(或更多)监测热电偶，例如在每个热电堆的每端处一个监测热电偶。 
尽管，在目前显示的实施例中，大部分温度传感器是包括多个串联的热电偶的热电堆，可是必须理解这些中的部分或全部可由依赖于所需信号电压和可用空间的独立热电偶替代(反之亦然)。 
在图5和7的实施例中，在模拟数字转换之前或期间计算比值ΔT∶TP。但是，如果监测值TP也是数字化的，也可以在微控制器18中数字化计算这个比 值。 
必须理解的是在上述实施例中，用于不同热电堆或独立热电堆的每个热电偶包括分别包括第一和第二材料的两个导体。优选地，为了利用共同的塞贝克系数，所有热电偶使用相同的材料。优选地，一种材料是多晶硅，另一种是金属(例如铝)，都是用于集成电路工艺中的常用材料。此外，又为了获得具有一样性质的热电偶，应该由淀积在衬底上的相同两层制造热电偶的所有导体，例如一层是多晶硅层，另一层是金属层。 

Claims (13)

1.一种用于测量流体流量的器件，包括：
衬底(1)，
安置在所述衬底(1)上的加热器(4)，
至少一个第一和一个第二检测热电堆(6a、6b)，用于测量所述加热器(4)上游位置和下游位置之间的温度差并用于生成检测信号(ΔT)，该检测热电堆(6a、6b)安置在所述衬底(1)上，其中在距所述加热器(4)第一距离处安置最靠近所述加热器(4)的所述检测热电堆(6a、6b)的第一连接部(9)，
至少一个第一和一个第二监测热电偶(12a、12b)，安置在所述加热器(4)上游和下游、用于生成监测信号(TP)，该监测热电偶(12a、12b)安置在所述衬底(1)上，其中在距所述加热器(4)第二距离处安置最靠近所述加热器(4)的所述监测热电偶(12a、12b)的第一连接部(9′、9a、9b)，其中所述第二距离比所述第一距离小，和
控制电路(18)，适合于从利用所述加热器(4)对所述检测热电堆(6a、6b)的与流量有关的加热来测量通过所述加热器(4)和所述检测热电堆(6a、6b)的流体流量；
其中所述检测热电堆(6a、6b)与所述监测热电偶(12a、12b)并行延伸。
2.如权利要求1的器件，其进一步包括用于生成与所述检测信号(ΔT)和所述监测信号(TP)的比值成比例的信号的装置(16、18)。
3.如权利要求1或2中任意一个的器件，其中所述检测信号(ΔT)与所述温度差成比例。
4.如权利要求3的器件，其中监测信号(TP)相应于该第一和该第二监测热电偶(12a、12b)的电压总和。
5.如权利要求1的器件，其中所述衬底(1)分成测量区和正常区，其中所述测量区中的热传导率比所述正常区中的热传导率低，并且其中所述加热器(4)、所述检测热电堆(6a、6b)和所述监测热电偶(12a、12b)至少部分地安置在所述测量区上。
6.如权利要求5的器件，其中每个所述检测热电堆(6a、6b)都包括多个串联的热电偶，每个热电偶包括上述第一连接部(9)，两个相邻的热电偶在第二连接部(10)处互连，在所述正常区上安置每个所述第一和第二检测热电堆(6a、6b)的所述第二连接部(10)。
7.如权利要求5或6中任意一个的器件，其中，在所述测量区上安置每个所述监测热电偶(12a、12b)的第一连接部(9′、9a、9b)和在所述正常区上安置每个所述监测热电偶(12a、12b)的第二连接部(10′、10a、10b)，每个所述监测热电偶(12a、12b)的第二连接部(10′、10a、10b)通过引线与相应的监测热电偶(12a、12b)互连。
8.如权利要求5或6中任意一个的器件，其中在所述测量区上安置每个所述监测热电偶(12a、12b)的第一连接部(9′、9a、9b)和在所述测量区上安置每个所述监测热电偶(12a、12b)的第二连接部(10′、10a、10b)，每个所述监测热电偶(12a、12b)的第二连接部(10′、10a、10b)通过引线与相应的监测热电偶(12a、12b)互连。
9.如权利要求5或6中任意一个的器件，包括在所述衬底(1)中的孔或凹槽(2)和延伸过所述孔或凹槽(2)的膜结构(3)，其中所述测量区由所述膜结构(3)定义。
10.如权利要求1或2中任意一个的器件，其进一步包括为了使所述监测信号(TP)保持定值而控制通过所述加热器(4)的电流的控制回路(17)。
11.如权利要求1或2中任意一个的器件，其进一步包括用于转换所述检测信号(ΔT)的模拟/数字转换器(16)，其中所述模拟/数字转换器(16)具有基准输入，并生成由所述基准输入处的信号(Vref)标准化的所述检测信号(ΔT)的数字化数值，其中所述监测信号(TP)用于所述基准输入。
12.如权利要求1或2中任意一个的器件，其中关于所述加热器(4)的纵轴对称地安置所述监测热电偶(12a、12b)。
13.如权利要求1或2中任意一个的器件，其中最靠近所述加热器(4)的所述监测热电偶(12a、12b)的该第一连接部(9′、9a、9b)适合于测量所述加热器(4)的温度。
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