CN101086456A - 具有双螺旋惠斯通电桥元件的流量传感器换能器 - Google Patents

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Abstract

当流体流过沟道并在空气桥下面时，流量传感器换能器可以测量流体流动速度。电阻式热装置(RTD)和加热器在空气桥的顶部上，其中两个RTD在加热器的上游以及两个在下游。可以以惠斯通电桥结构来连接RTD。可以使用基于其温度来改变其电阻的磁阻材料以形成RTD。然而，由于磁场和材料的磁性随时间的变化，可能改变磁阻材料的温度响应。将RTD形成双螺旋结构使磁场的影响最小化。因此，可以使用磁阻材料例如坡莫合金来代替昂贵的材料例如铂。可以使用标准的半导体加工技术来形成所得到的流量传感器换能器，并且比包含铂的传感器更便宜。

Description

具有双螺旋惠斯通电桥元件的流量传感器换能器
技术领域
实施例涉及电阻式温度检测器(RTD)、流量传感器和传感器系统。实施例还涉及半导体加工。实施例另外涉及在RTD中使用磁阻材料和惠斯通电桥。
背景技术
流体流动的测量在制造业、医学、环境监测和其它领域中是重要的。一种类型的流量传感器测量流过加热器的流体的温度的上升。较小的温度上升对应于较快的流动。气体和液体都是流体，并且可以通过包括温度传感器和加热器的流量传感器来测量它们的流动速度。
RTD是由基于温度的变化显示出电阻变化的诸如铂之类的材料制成的传感器。当前的技术提供了使用沿用已久的半导体加工技术来在衬底上制造RTD和加热器的系统和方法。在半导体制造业领域的技术人员熟悉这些系统和方法，例如光刻术、沉积、汽相沉积、刻蚀、湿法刻蚀、等离子体刻蚀、活性离子刻蚀以及众多其它工艺。
铂是非常昂贵的。基于使用比铂更便宜的材料的RTD的流量检测系统和方法是所期望的。这些实施例的多个方面通过克服在使用某些不太昂贵的材料中的困难来直接解决当前技术的缺点。
发明内容
下面的概要被提供以便于理解只有这些实施例才有的一些创新特征，并且不打算是完全的描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体，可以获得对这些实施例的各个方面的完全理解。
因此，这些实施例的一个方面是提供一种通常在半导体加工中使用的衬底例如晶片。衬底可以是硅晶片、玻璃晶片或石英晶片。具有诸如氮化硅(Si3N4)之类的顶部介电层的硅晶片可以提供用于RTD的机械支撑和电绝缘的平台。氮化层和硅衬底分别形成该平台的顶部和底部。
这些实施例还有一个方面是在衬底中具有沟道和跨越该沟道的空气桥。例如，可以在体(bulk)硅上刻蚀具有氮化层的衬底来形成沟道和空气桥。可以刻蚀穿过氮化层的开口以露出该体硅。然后可以刻蚀该硅以在氮化层下面且在开口之间产生沟道。空气桥是覆盖该沟道的氮化物的区域。流体例如空气或水可以流过该沟道。流过该沟道的流体具有流动方向。在半导体加工领域中从业的技术人员知道有用于加工衬底以获得沟道和空气桥的系统和方法。
这些实施例的另一个方面是具有在空气桥上的加热器。加热器由电阻材料制成，该电阻材料在电流流过它时变热。两个上游的电阻式温度检测器(RTD)和两个下游的RTD还可以被形成在空气桥的顶部上。在流动方向上流动的流体首先经过上游RTD，然后经过加热器，再然后经过下游RTD。RTD和加热器可以由相同的材料制成。在半导体加工领域中从业的技术人员知道有用于在衬底和空气桥上制造加热器和RTD的系统和方法。
这些实施例的又一个方面是至少一个RTD具有双螺旋结构。磁场可以影响磁阻材料例如坡莫合金的电阻。坡莫合金是通常用于包含镍、铁和可能的其它元素的一类合金的名称。磁阻材料例如坡莫合金可以对它们的磁性随时间的变化敏感，这意味着在过去以及当前所应用的磁场可以将误差信号叠加在RTD的温度诱发的电阻变化上。螺旋结构可以使过去和当前的磁场对于磁阻RTD的影响最小化，并且可以使用单平面导电层来构造双螺旋结构。例如，具有双螺旋构造的坡莫合金RTD的流体流量传感器可以与具有铂RTD的流体流量传感器一样精确，并且没有附加的互连复杂性。
从这些实施例的某些方面可以得出，对于双螺旋RTD最可行的形状是正方形或者一般而言是矩形。例如，与圆形、椭圆形或者通常的多边形形状相对比，对于矩形RTD可以更有效地使用在矩形形状的空气桥上的可用区域。
某些实施例的另一方面是使用惠斯通电桥来获得对上游和下游RTD之间的电阻差的精确测量。电阻变化与温度变化以及由此与流体流动速度直接相关。在电阻传感器领域中从业的技术人员熟悉惠斯通电桥。
一些实施例的又一个方面是提供由与RTD相同的材料制成并且远离流体流动和加热器放置的基准电阻器。可以使用基准电阻器来测量衬底和RTD材料的特性。例如，基准电阻器可以测量衬底温度。
附图说明
附图进一步说明这些实施例的多个方面，并且与背景技术、发明内容和具体实施方式一起用来解释这些实施例的原理，在附图中，相同的附图标记在全部单独的视图中是指相同或者功能类似的元素，以及附图被结合在说明书中并形成说明书的一部分。
图1说明根据这些实施例的多个方面的包括流量传感器的所有层的复合顶视图；
图2说明根据某些实施例的多个方面的衬底的侧视图；
图3说明根据某些实施例的多个方面的流量传感器的侧视图；
图4说明根据一些实施例的多个方面的具有介电和导体层的衬底的侧视图；
图5说明根据一些实施例的多个方面的具有构图介电和导体层的流量传感器相对于沟道和空气桥结构的两个侧视图；
图6说明根据这些实施例的多个方面的双螺旋RTD；
图7说明根据某些实施例的多个方面的惠斯通电桥；以及
图8说明根据这些实施例的多个方面的制造流量传感器的高级流程图。
具体实施方式
在这些非限定实例中所论述的特定值和结构可以进行改变，并且被引用只是为了说明至少一个实施例而非打算限制其范围。一般而言，附图没有按比例绘制。
图1说明根据这些实施例的多个方面的驻留于衬底101上、表示完整流量传感器的所有层的复合顶视图。流体可以从沟道入口102流到沟道出口103。当流体流动时，它经过第一上游温度传感器104和第二上游温度传感器105。然后流体可以被加热器113加热。加热的流体然后流过第一下游温度传感器106和第二下游温度传感器107。
第一接触焊盘108和第二接触焊盘109被电连接到第二上游温度传感器105。电流可以流到第一接触焊盘108中，经过第二上游温度传感器105并流出第二接触焊盘109。其它的温度传感器被类似地连接到接触焊盘。可以使用接触焊盘把温度传感器彼此连接并连接到外部电路。
基准电阻器110被电连接在第三接触焊盘111和第四接触焊盘112上。基准电阻器110可以由与温度传感器相同的材料制成。因此，可以使用基准电阻器110来测量温度传感器材料的特性。还可以使用基准电阻器110来测量衬底的温度。
图2说明根据某些实施例的多个方面的衬底201的侧视图。衬底201可以是晶片，例如在半导体加工中使用的那些晶片。在半导体加工中常常使用硅、玻璃、石英和其它材料的衬底。
图3说明根据某些实施例的多个方面的流量传感器的侧视截面图。穿过衬底201的沟道303提供流体流动的路径。空气桥304支撑温度传感器和加热器，例如第一上游温度传感器301和第二上游温度传感器302。流过沟道303并且可能在空气桥之上的流体例如空气或水把来自加热器的能量传输到下游温度传感器。在流体被加热之前，上游温度传感器301和302可以测量它的温度。利用通常由KOH刻蚀工艺产生的倾斜侧壁来说明沟道303。其它的刻蚀工艺可以制造其它的沟道形状。
图4说明根据一些实施例的多个方面的具有介电402和导体403层的衬底401的侧视截面图。硅衬底可以具有氮化硅(Si3N4)层402和坡莫合金(NiFe)层403。氮化层可以具有大约5000埃的厚度。坡莫合金层可以具有范围从100到400埃的厚度。
图5说明根据一些实施例的多个方面的具有构图介电和导体层的流量传感器相对于沟道和空气桥的两个侧视截面图。在第一个视图中，已经在衬底401中刻蚀了沟道503，从而使氮化物的空气桥402在沟道503之上。空气桥部分402支撑温度传感器和加热器，例如第一上游温度传感器501和第二上游温度传感器502。第二个截面图与第一截面图成直角，并且说明了空气桥402支撑温度传感器和加热器505，例如第二上游温度传感器502、第二下游温度传感器504和加热器505。
图6说明根据这些实施例的多个方面的双螺旋RTD。在上RTD 601中，电流可以流到第一接触焊盘602中，然后流到双螺旋中。在它到达中心604之后，电流从双螺旋中流出返回，并最终流出第二接触焊盘603。下RTD 605说明了市场上可买到的0680芯片，该芯片是由Honeywell制造的激光微调的坡莫合金RTD。双螺旋结构对于铁磁的RTD是理想的，因为它使磁场的影响最小化。
图7说明根据某些实施例的多个方面的惠斯通电桥。将所施加的电压701施加在惠斯通电桥两端，从而使电流流过电桥的支路。第一支路具有与RTD 2703串联连接的RTD 1702。第二支路具有与RTD 4705串联连接的RTD 3 704。RTD之间的电阻差导致存在于节点1 707和节点2 708之间的测量电压的差异。例如，RTD 1 702和RTD 4 705可以是上游温度传感器，而RTD 2 703和RTD 3 704是下游温度传感器。流过加热器的流体导致上游和下游传感器之间的电阻变化，并由此导致所测量的电压706的差异。
图8说明根据这些实施例的多个方面的制造流量传感器的高层流程图。在开始801之后，在802获得衬底。接着，在803沉积介电层，之后在804沉积导电层。在805制造温度传感器、加热器和基准电阻器。然后在806刻蚀开口以露出衬底。通过在807刻蚀流体沟道来从803的介电层中形成空气桥。在808温度传感器和加热器驻留在所完成的流量传感器的空气桥上。
将会理解，上面公开的和其它的特征以及功能的变化或者其替代可以根据需要被组合成许多其它不同的系统或应用。而且，本领域技术人员可以随后在其中做出各种当前无法预料或者未曾预料到的替代、修改、变化或改进，这些还打算由后面的权利要求书来包含。

Claims (10)

1、一种系统，包括：
具有顶部的衬底；
在顶部上的空气桥，其中流体可以流过在空气桥和衬底顶部之间的沟道，以及其中流体具有流动方向；
在空气桥上的加热器；以及
包括两个上游温度传感器和两个下游温度传感器的多个温度传感器，其中两个上游加热元件在空气桥上并被定位在加热器的上游，其中两个下游加热元件在空气桥上并被定位在加热器的下游，以及其中加热元件中的至少一个具有双螺旋结构。
2、根据权利要求1所述的系统，其中衬底包括石英。
3、根据权利要求1所述的系统，其中衬底包括玻璃。
4、根据权利要求1所述的系统，其中所述两个上游温度传感器和所述两个下游温度传感器包括磁阻材料。
5、根据权利要求4所述的系统，其中磁阻材料是坡莫合金。
6、根据权利要求1所述的系统，其中惠斯通电桥包括所述两个上游温度传感器和所述两个下游温度传感器。
7、根据权利要求1所述的系统，还包括基准电阻器，其中所述基准电阻器包括与上游温度传感器和下游温度传感器相同的材料。
8、一种系统，包括：
包括体硅和在体硅上的氮化层的衬底；
穿过体硅并且在氮化层下面的沟道，其中氮化层形成空气桥，其中流体可以流过沟道，以及其中流体具有流动方向；
在空气桥上的加热器；以及
包括两个上游温度传感器和两个下游温度传感器的多个温度传感器，其中两个上游加热元件在空气桥上并被定位在加热器的上游，其中两个下游加热元件在空气桥上并被定位在加热器的下游，以及其中加热元件中的至少一个具有双螺旋结构。
9、一种方法，包括：
获得具有顶部的衬底；
在顶部上沉积介电层；
在衬底中和介电层下面形成沟道以形成空气桥，其中空气桥跨越该沟道，其中流体可以流过该沟道，以及其中流体具有流动方向；
在空气桥上形成加热器和多个温度传感器，其中所述多个温度传感器包括两个上游温度传感器和两个下游温度传感器，其中所述两个上游温度传感器被定位在加热器的上游，其中所述两个下游温度传感器被定位在加热器的下游，以及其中温度传感器中的至少一个具有双螺旋结构。
10、根据权利要求9所述的方法，其中衬底包括体硅，介电层是氮化层，其中沟道被形成在氮化硅层下面并穿过体硅，以及其中空气桥包括氮化物。
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