CN101292135B - 将流量管或类似部件热耦合到热感测器上的方法和由此形成的感测器系统 - Google Patents

将流量管或类似部件热耦合到热感测器上的方法和由此形成的感测器系统 Download PDF

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Abstract

一种将流量管或类似部件热耦合到热感测器上的方法，包括将该部件结合到该热感测器上使得形成于该部件上的导热部分热耦合到设置在该热感测器上的相应感测/加热元件上。该方法可用于形成毛细管质量流量感测器系统。诸如金属带的导热部分可形成于毛细管的外表面上，以与设置在微型质量流量感测器的衬底上的相应电阻热感测与加热元件结合。结合金属垫可形成于该感测器表面上来准备将该管的金属带焊接结合到该电阻感测和加热元件上。

Description

将流量管或类似部件热耦合到热感测器上的方法和由此形成的感测器系统
技术领域
实施例大体上涉及热耦合方法，且尤其涉及将部件热耦合到感测器上的方法。实施例另外涉及将诸如流量管的部件热耦合到流体的热感测器上的方法和由此所形成的热感测系统。实施例还涉及将流量管热耦合到微结构热感测器上的方法和由此形成的微型热感测器系统。
背景技术
感测器可在多种应用中用于测量热通量和与物理过程或活动所造成的热交换相关联的温度变化。如果以适当方式应用，热感测器还可用于测量其它的量，例如，液体或气体的流量或材料的热性质。使用热感测器来感测质量流量和传热(例如)用于建筑物的气候控制应用、炉子和烘箱的温度控制应用和用于监控干燥工艺过程。
用语“热感测器”在下文中用于表示一种感测器，其由衬底形成并具有设置在衬底上的一个或多个元件，用于加热和/或感测物质或材料的性质。微桥式(microbridge)感测器(例如，如在Johnson等人的美国专利第4,651,564号中详细介绍的那样)是这种热感测器的示例。微桥式感测器包括流量感测器芯片(chip)，其具有与芯片衬底热绝缘的薄膜电桥结构。一对温度感测电阻元件排列于加热器元件的任一侧上电桥的上表面上，使得当该电桥浸没于流量流中时，液体或气体介质的流动冷却上游侧上的温度感测元件并促进从加热器元件的热传导，从而加热下游侧上的温度感测元件。通过在惠斯登(Wheatstone)电桥电路中结合感测元件而将随着流速增加而增加的上游感测元件与下游感测元件之间的温差转换成输出电压，从而可通过使输出电压与流速相关而检测气体或流体的流速。当没有流体流动时，由于上游感测元件与下游感测元件处在相同的温度，因此不存在温差。
由于微桥结构是防爆裂式的，因此微桥式感测器适于测量具有或不具有较大压力波动的洁净气体。然而，微桥结构的开放性可导致来自蒸汽的冷凝液保留于微桥结构中，从而造成不可控制的热响应变化，使得感测器测量易于出错并且不稳定。此外，结合到加热器和感测元件的引线保留悬浮于流体中的颗粒并且增加湍流移位流动响应。而且，在高质量通道环境和在清洁感测器期间引线易于损坏。
热感测器的另一示例是基于膜的感测器。膜感测器并不具有向流体暴露的开口因此液体不能够进入到下层的结构。膜感测器允许在恶劣环境(冷凝蒸汽、悬浮颗粒等)中进行准确测量。然而，膜感测器包括通过膜与流体密封隔开的气隙使得在高压环境下由于膜的变形或爆裂的原因感测器容易失效。而且，加热/感测元件通常引线结合到其它部件并且向流体流动暴露，导致由于高质量流量或在微桥结构的情况下清洗所造成的可能的损坏。
热感测器的另一示例是微结构热流量感测器，其具有带microbrickTM结构或微粒(microfill)结构的微型感测器晶片(die)，这种感测器更适于在恶劣环境条件下测量流体流动和性质。该微结构流量感测器使用在加热/感测元件下方形成大体上实体结构的MicrobrickTM或微粒，并且具有将加热/感测元件与流体隔离开的钝化层使得该感测器不易受到流体作用的影响。此外，该感测器使用穿过晶圆(through-the-wafer)的电气连接代替引线结合来克服与引线结合相关联的问题。尽管这种类型的微结构感测器能够在恶劣环境下可靠、稳定且快速响应操作，但这种感测器在可使用这种感测器的流体流动环境类型方面仍存在限制。而且，该微结构可干扰流体内的流量流特征，因此不能够有效地使用该感测器。
前述问题证明需要提供一种热感测器系统，其能够准确地并且可靠地测量流体的性质同时实现与流体的良好的化学隔离和对流体的最小干扰。
发明内容
提供下文的发明概要来帮助对本发明特有的创新特征中的某些特征的理解并且发明概要不是本发明的全面介绍。可通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为一个整体来理解而得到本发明的全面介绍。
因此，本发明的一个方面在于提供一种形成改进的热感测器系统的方法。
本发明的另一方面在于提供一种用于测量流体的性质的热感测器系统，其可在不干扰流体的情况下令人满意地利用这种热感测器系统。
本发明的另一方面在于提供一种形成改进的微型质量流量感测器系统的方法。
本发明的又一方面在于提供一种微型质量流量感测器系统，其适于在包括恶劣环境的多种质量流量应用中使用。
现可如本文所介绍的那样来实现本发明的前述方面和其它目的和优点。本发明公开了将诸如流量管的部件热耦合到热感测器上的方法。由此形成的热感测器系统能够有效地测量封闭的或穿过该部件传递的流体的性质而不干扰流体流动特征。
将流量管或类似部件热耦合到热感测器上的方法包括将该部件结合到热感测器上使得设置在感测器的表面上的热感测/加热元件可热耦合到该部件的表面上的相应位置。将该部件结合到热感测器表面上提供了它们之间稳固的机械连接，与通过其它技术(诸如通过引线结合)将元件耦合到该部件上相比较，这种连接更不易于失效。
可在部件的表面上形成多个导热的附接部分，以与设置在热感测器表面上的分开的相应感测/加热元件对准。可在感测/加热元件和/或附接部分上施加导热的结合材料。可通过将该部件的附接部分与相应感测/加热元件对准而在该感测器上对准该部件。该部件可结合到热感测器上使得部件的附接部分热耦合到分开的相应热感测/加热元件上。感测/加热元件可结合到相应部件的部分上或可与它直接接触。将每个温度加热/感测元件分开地结合到相应部件的附接部分提供了元件与部件上的指定位置之间精确的热传导路径，从而能够在部件与感测器之间进行高效并受控制的热交换。因此，提供了一种将部件热耦合到热感测器上的更为可靠的方法并且可实现更准确和可靠的感测。
两个或两个以上的附接点可间隔开地形成于热感测器上感测元件的任一侧上用于在该热感测器表面上进一步对准该部件。将部件的附接部分结合到相应附接点便于在平坦表面上对准该管。
热感测器可形成为微结构，其具有设置在微结构的表面上的至少一个加热感测(heating sensing)元件用于感测至少一个内在或外在性质。微结构上可设有多个热感测/加热元件。
热微型感测器可以是(例如)具有MicrobrickTM或微粒结构的微结构流量感测器，该MicrobrickTM或微粒结构在加热/感测元件下方形成大体上实体结构。可在微结构流量感测器的感测/加热元件上沉积导热结合垫或层，用于将这些元件粘附到结合材料上。可(例如)通过在感测/加热元件上沉积镍层并且然后在镍层上沉积金层而形成结合垫。
可选择焊料作为结合材料。可通过将部件的附接部分焊接到相应结合垫上而将部件结合到微结构流量感测器上。可通过剥离(lift-off)或荫罩(shadow mask)技术在结合层上沉积焊料。在将流量管结合到微结构上之后可执行回流焊工艺。该回流焊是有利的，因为它将部件的附接部分与附接区自行对准使得该管在微结构上正确地对准。
利用金属或具有高导热性的其它材料形成结合垫、焊垫和部件的附接部分允许将感测与加热元件有效地热耦合到流量管上。
该部件可以是毛细管流量管。部分或完全导热带可形成于管外表面上并与该管同心以与结合垫或层对准。
可使用分离沉积(split deposition)技术来形成每个结合垫，其中结合垫被图案化为一对并排且间隔开的垫使得间隙在它们之间在流动方向延伸。当该管结合到结合垫时，管圆形截面的最下部可处于结合垫中所形成的间隙中。以此方式在沉积的结合材料中形成间隙，便于将流量管垂直于流动方向定位以准备将该管最终结合到垫上。
可通过将毛细管流量管热耦合到热微型质量流量感测器上而形成热微型流量感测器系统。该系统可包括具有MicrobrickTM或微粒结构的微结构流量感测器。上游电阻热感测元件和下游电阻热感测元件可设置在加热元件的任一侧上。将毛细管流量管结合到微结构上。该流量管上形成有导热区以与微结构的相应感测和加热元件对准。可通过导热材料将导热区结合到相应感测和加热元件，以便将感测与加热元件热耦合到毛细管上的分开区域。通过将管结合到热感测器表面上将毛细管热耦合到质量流量感测器上的方法可提供可靠的毛细管质量流量系统，其适于在恶劣环境中使用。
热流量感测器系统可包括金属结合垫，其形成于传导和加热元件上并结合到管导热区。金属结合垫可以是镍层和沉积在镍层上的金层。可通过焊接工艺将管的导热区结合到金属结合垫上。
附图说明
附图进一步说明本发明并且与本发明的详述一起用于解释本发明的原理，在附图中，贯穿所有独立的附图，相同的标号表示相同或功能类似的元件，且附图结合在说明书中并构成说明书的一部分。
图1示出了根据优选实施例通过将流量管热耦合到热感测器上的方法所形成的热流量感测器系统的透视图；
图2示出了在图1的流量管的流动方向观察的热流量感测器的侧视图；
图3示出了根据本发明的优选实施例在实施将流量管热耦合到流量感测器微芯片的方法之前的流量感测器微芯片的平面图；
图4示出了沿图3的感测器芯片的线A-A所截取的截面图；
图5示出了在感测器上沉积结合垫的方法步骤之后的流量感测器微芯片的平面图；
图6示出了沿图5的感测器结构的线A-A所截取的截面图；
图7示出了在沉积焊垫的方法步骤之后流量感测器的截面图；
图8示出了在将流量管带焊接到焊垫上的方法步骤之后的流量感测器的截面图；以及
图9示出了根据一个实施例将部件热耦合到热感测器的一般方法的流程图。
具体实施方式
可改变在这些非限制性示例中所讨论的特定值和配置并且引用它们只是用于说明本发明的至少一个实施例而不是用于限制本发明的范围。
参看附图中的图1，描绘了热质量流量感测器系统100，其可通过根据优选实施例的将以流量管形式的部件170热耦合到热感测器120上的方法形成。
在图1所示的热感测器系统的实施例中，热感测器120包括微结构热流量感测器，其具有带MicrobrickTM或微粒结构的微型感测器晶片，诸如在Padmanabhan等人的美国专利第6,794,981号中具体介绍的那样，该专利以引用的方式结合在本文中。部件170包括毛细管流量管，其由诸如玻璃的化学惰性材料形成，从而减小该管与通过该管传递的流体之间的化学污染。
然而，本领域技术人员应了解，图1的说明只是描绘了本发明的实施例的一个示例并且本发明实施例并不限于此。部件170可以是任何类型的导管、隔室、腔室或用于通过向热感测器导热而传输热的其它适当容器。另外，可将流量管或其它类似部件170热耦合到由衬底形成的任何类型的热感测器上，该衬底上设有至少一个热感测元件，其能够从热耦合到感测器的部件感测热或温度。
图3示出了图1的热感测器系统的微结构感测器120的平面图，且图4示出了沿着图3的线A-A所截取的截面图。微结构感测器120包括具有主体119的流动流体感测器晶片或衬底104。一对温度感测电阻元件101、103以及在它们之间的加热电阻元件102在该主体上间隔开排列。元件101、102、103由适当金属(诸如铂)形成。
主体119可以MicrobrickTM或微粒结构的形式实施，其可包括具有较低导热性的玻璃状材料块，诸如派热克斯玻璃(Pyrex)或石英，其在加热/感测元件101、102、103的下方提供大体上实体的结构，除了将元件电气互连到其它部件的导电通孔(未示出)外。在玻璃体的上表面上是钝化层118，诸如氮化硅(Si3N4)，在它上面设有加热/感测元件101、102、103。在加热/感测元件上设有保护层117，其也由(例如)氮化硅形成。
导热的附接部分161、162、163间隔开地绕流量管外部形成并与该管同心，其被结合到相应电阻感测/加热元件101、102、103(参看图1与图8)，以便通过在感测/加热元件与相应导热的附接部分之间的分开的热传导路径以有效且精确的方式在流量管170与热感测器120之间进行热交换。尽管热感测器120与流体流动分开，所得热感测器系统仍能够有效地测量流体流动。流体流动最好不受热感测器120的影响。
现将参看图9的流程图来介绍根据一个实施例将部件热耦合到热感测器上形成热质量流量系统(例如，如图1所示)的方法。
如图9的方框201所介绍，准备在感测器电阻感测/加热元件上沉积结合材料，在元件上沉积结合垫或层从而可将元件粘附到结合材料上。举例说来，为了形成图1的热感测器，最初，结合垫111、112、113沉积于热感测器120的各别感测和加热元件101、102、103的上方保护层117的上表面上，如图5和图6所示，其示出了在沉积结合垫之后所得微结构的平面图和截面图。
结合垫111、112、113由具有高导热性并具有粘附性的材料形成，其适于将感测/加热元件101、102、103粘附到选定结合材料上。举例说来，为了通过焊接工艺将流量管170结合到感测器120上，通过在元件101、102、103上沉积镍层，之后在镍层上沉积金层而形成结合垫111、112、113用于焊接润湿。额外的结合垫110形成于衬底表面106上在或邻近衬底的两个成对角对置的拐角处并与元件对准以便于在感测器120的平坦表面106上自行对准流量管170。然而，对于将管170结合到感测器120上的目的，结合垫110并不是必需的。
在图5和图6所示的示例中，通过分离沉积或图案化技术形成每个结合垫110至113，其中，一对垫在感测器表面106上间隔开而且并排地沉积使得间隙116在它们之间在纵向延伸。以此方式图案化带间隙116的结合垫110至113允许流量管170沿着感测器的上表面106放置，其中管的圆形截面的最下部处于间隙中(参看图2)。或者，在对准并不十分重要的情况下，可形成不带间隙的结合垫。
如图9的步骤202所表示，高导热性附接部分形成于部件的外表面上与相应感测元件对准。在图1所示的热感测器系统的示例中，附接部分160、161、162、163形成于流量管170的外表面上以与各别焊垫150、151、152、153对准(参看图1和图8)。现将在下文中更具体地描述焊垫的形成。通过将金属带附加到管外表面上形成管的附接部分160、161、162、163并与该管同心。然而，可将由非金属高导热材料形成的附接部分与适当结合材料一起使用。
步骤202不是必需在步骤201之后执行而是可在准备将部件结合到感测器上的任何时间执行。此外，在部件自身由金属或其它高传导性材料制成的情况下可省略步骤202并且可直接将部件结合到结合垫。
在形成结合垫之后，向结合垫和/或向附接部分施加结合材料，如图9的步骤203所表示。为了将流量管170热耦合到如图1所示的感测器120上，随后在结合垫110、111、112、113上沉积高导热的结合材料，在这种情况下为焊料，诸如铟或铟铅合金，如图7所示，其示出了在焊料沉积之后所得微结构流量感测器的截面图。通过剥离或荫罩技术(诸如在一体化真空包装技术中所采用的技术)来执行焊料沉积以形成焊垫150、151、152、153用于随后焊接到流量管。举例说来，可使用剥离技术，其在半导体工业中是常用的并且能够施加5至10微米的材料，诸如2级抗蚀剂剥离(resist lift-off)或图像反转剥离(image reversal lift-off)。同样，也可使用荫罩，但它通常具有较小的精确度。剥离与荫罩均允许高导热的结合材料的图案化而不蚀刻结合材料自身，但通过移除荫罩或溶解剥离抗蚀剂来移除不需要的材料。
如图9的步骤204所表示，然后将部件的附接部分与相应结合垫对准。在图1的热感测器系统的示例中，金属带160、161、162、163与相应分离焊垫(split solder pad)150、151、152、153对准。管圆形截面的最下部处于形成于焊垫中的纵向间隙116中便于在最终的焊接工艺之前使管170的长度沿着感测器120的上表面并且垂直于流动方向对准(参看图2)。
之后，如图9的步骤205所表示，附接部分被结合到相应的结合垫上。在图1的热感测器系统情况下，若需要，使用在焊接之后可被清除的熔剂来将金属带160、161、162、163焊接结合到相应焊垫150、151、152、153上，从而将流量管170结合到微型感测器120上(参看图8)。
在将流量管170结合到感测器120之后，可执行回流焊工艺，回流焊工艺是有利的，因为在回流期间的焊料表面张力帮助管带161、162、163与焊垫151、152、153自行对准使得该管沿着感测器上表面160正确地对准，但是对于将管结合到感测器上而言，回流工艺并不是必需的。
利用金属或其它具有高导热性材料形成结合垫和附接部分允许感测和加热元件有效地热耦合到流量管或类似部件。
此外，如在图1的热感测器系统的示例中，将每个温度加热/感测元件分开地结合到相应管金属带提供感测与加热元件之间的精确的热传导路径和在流量管上的精确定位，从而允许在流量管与感测器之间进行有效且受控制的热交换。因此提供一种将流量管热耦合到热感测器上的更可靠的方法并且可实现更准确和可靠的感测。
此外，将金属带结合到流量管上提供了它们之间的稳固机械连接，与通过已知方法(诸如通过绕流量管缠绕的金属线)连接到流量管上的元件相比，这种连接更不易于失效。
现将参看图1和图8所示的系统来介绍根据一个实施例的流量感测器系统100的操作方法，该流量感测器系统100通过将毛细管170热耦合到热感测器120上的方法而形成。在操作中，当不存在流体流动时，上游感测元件101和下游感测元件103处于相同的温度因此在元件101、103之间并不存在温差。然而，当流体通过毛细管传递时，流体流动冷却在上游侧上的温度感测元件101并促进从加热器元件102的热传导从而加热下游侧上的温度感测元件103。通过在惠斯登电桥电路(未示出)中结合感测元件而将随着流速增加而增加的上游感测元件与下游感测元件之间的温差转换成输出电压，以便可通过使输出电压与流速相关而检测出气体或流体的流速。毛细管170使流体与热感测器120化学隔离并允许在不干扰液体的情况下测量流率。因此根据本发明的实施例的将管热耦合到热感测器上的方法提供一种可靠且可再生产的微型质量流量系统，其适于在恶劣环境中使用。
提供本文所述的实施例和示例来最佳地解释本发明和它的实践应用并因此使本领域技术人员能够制造并利用本发明。然而，本领域技术人员应认识到提供前述介绍和示例仅出于说明和示例目的。本发明的其它变型和修改对于本领域技术人员显而易见，且所附权利要求的目的在于涵盖这些变型和修改。
举例而言，本领域技术人员应了解将部件热耦合到热感测器上的方法可使用具有非线性形式的部件(诸如U性管管)来实施，而不是采用如所介绍的实施例的管的线性形式。此外，本领域技术人员将了解可通过将流量管结合到远离感测/加热元件处的附接点而将感测/加热元件热耦合到部件的附接部分(诸如图1所示的流动金属带)，以便与附接部分直接接触但不结合到相应的感测/加热元件。
如上文所述的介绍并不详尽或者限制本发明的范围。鉴于上文的教导内容，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，许多修改与变型是可能的。应了解本发明的使用可涉及具有不同特征的部件。预期本发明的范围由所附权利要求限定，其向所有方面的等效物给予全面认定。
其中要求保护专有性质或权利的本发明的实施例被所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种将部件热耦合到热感测器上的方法，包括：
提供包括微结构的热感测器，所述微结构具有设置在所述微结构的表面上的多个热感测/加热元件；
在所述部件的外表面上并围绕所述部件同心地形成多个分开的导热的附接部分，所述分开的导热的附接部分彼此分开以与设置在所述微结构的表面上的相应的热感测/加热元件对准；
向所述热感测器施加结合材料；
将所述部件的所述外表面上的所述分开的导热的附接部分与所述微结构的表面上的所述热感测/加热元件中相应的热感测/加热元件对准；以及
将所述分开的导热的附接部分结合到所述微结构的表面上的所述热感测/加热元件中相应的热感测/加热元件上，使得所述热感测/加热元件中相应的热感测/加热元件热耦合到所述部件的相应的所述分开的导热的附接部分上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述感测器的各自的感测/加热元件上沉积导热结合垫或层，以将所述元件粘附到所述结合材料上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，形成所述结合垫包括在所述感测/加热元件上沉积镍层，以及在所述镍层上沉积金层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述部件结合到所述感测器上包括将所述分开的导热的附接部分焊接结合到所述各别结合垫上。
5.一种形成热流量感测器系统的方法，包括：
提供热感测器，所述热感测器具有设置在衬底的上表面上的上游感测元件和下游感测元件以及加热元件；
提供毛细管；
将导热带附接在所述毛细管的外表面上，用于与所述热感测器的相应感测与加热元件对准，所述导热带绕所述毛细管的外部彼此分开；
在所述感测与加热元件和/或所述导热带上施加导热的结合材料；
将所述导热带与所述相应感测与加热元件对准，以便将所述毛细管与所述衬底对准；以及
将所述导热带相对于所述相应感测与加热元件而结合，使得所述毛细管热耦合到所述加热/感测元件上。
6.一种热流量感测器系统，包括：
热感测器，包括衬底和设置在所述衬底上的多个感测和/或加热元件；
结合到所述热感测器上的流量管，所述流量管具有附接在其上用于与所述感测或加热元件中相应的感测或加热元件对准的多个金属带，所述多个金属带绕所述流量管的外部彼此分开并围绕所述流量管的外部同心；且
其中，通过导热材料将所述多个金属带相对于所述衬底结合，使得所述多个感测/加热元件中的每一个均热耦合到所述流量管的特定区域。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述热感测器还包括上游感测元件、下游感测元件和设置在所述上游感测元件与下游感测元件之间的电阻加热元件，所述流量管的所述金属带被分开地结合到所述上游感测元件和下游感测元件以及所述加热元件。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述衬底在所述感测/加热元件下方提供实体结构。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导热的附接部分通过将金属带附接到所述部件的所述外表面上而形成。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述导热带围绕所述毛细管是同心的。
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