CN101903752A - 用于流量传感器的mems结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于MEMS的流量传感器，其通常在感测结构和所感测媒介之间采用了隔离。通过将具有流开口的衬垫结构附接到感测结构的背部来构造内部流通道。感测结构可包括具有加热元件和双感测元件的绝缘层，其包含电阻薄膜，该电阻薄膜定位在背部腔上的惠斯登电桥结构中。通过引导流体通过内部流通道而可使双感测元件和它的相关线接合部与感测媒介隔离。完整感测结构可以用例如环氧树脂和密封的标准工艺来过封装。

Description

用于流量传感器的MEMS结构

技术领域

实施例总体上涉及传感器方法和系统。实施例也涉及微机电系统(MEMS)，并且更特别地，涉及MEMS结构。实施例也涉及用于测量空气或其他流体的质量流(mass flow)的流量传感器。

背景技术

微机电系统(MEMS)包括具有在微米或更小量级的尺寸的机械或电部件。MEMS结构使用在许多包括微传感器和微致动器的应用中。微传感器可以用来除了其他条件之外还感测和/或测量压力、流量、加速度、温度和应力。微传感器通过响应于例如在传感器上的流量、压力或温度的输入条件生成电信号而起作用。可以校准传感器以便将电信号以及由此机械部件的移动与所述条件关联。

检测空气流的存在的能力可能是许多系统和设备的关键元素。基于MEMS的流量传感器可以用来在多种商业、工业和医疗应用中测量流速。各种医疗、工艺和工业应用，从提供压缩气体或呼吸治疗的便携式呼吸机到化工厂内的大型加工设施，都需要使用流量传感器。在这些应用中，流控制是正确操作的内在方面，其可以部分地通过使用流量传感器来测量在流系统内的流体的流速来实现。流量传感器通常通过将其直接放置在流体流中而部署，但这使得流量传感器的线接合部(wire bond)或感测元件被碎片、纤维屑损坏或由患者误操作而损坏。

现有技术的流量传感器布置和关系的问题在于，感测管芯(sense die)的线接合垫(pad)和活动区域(active region)终止端朝向所感测媒介(media)。水或其他杂质会侵袭感测管芯和它的线接合部。另外，传统流量传感器结构缺乏感测超低流动性流体的能力。

基于前面所述，据信，存在对改进的、基于MEMS的流量传感器的需要，其用于通过将流通道结构附接到感测管芯背部来保护感测管芯和它的线接合部免受流体流的影响。据信，通过使用在此更详细描述的流量传感器，还可以潜在感测超低流动性流体。

发明内容

提供下面的发明内容以促进对公开的实施例所特有的某些创新特征的理解，而不是旨在成为完全描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为整体可以获得对实施例的各种方面的全面理解。

因此，本发明的一个方面在于提供改进的传感器方法和系统。

本发明的另一个方面在于提供用于流量传感器的改进MEMS结构。

如在此所述，现在可以实现上述方面以及其他目的和优点。公开了一种基于MEMS的流量传感器，其通常在感测结构和所感测媒介之间采用了隔离。通过将具有气流开口的衬垫(backing)结构附接到感测结构的背部来构造内部流通道。感测结构包括加热元件和双感测元件(dual sensing element)，其包含电阻薄膜，该电阻薄膜定位在惠斯登电桥结构(Wheatstone bridge configuration)中。通过引导流体通过内部流通道而可使双感测元件和它的相关线接合垫与感测媒介隔离。完整感测结构可以用例如环氧树脂和密封的标准工艺来过封装(over package)。

线接合部通过在衬垫结构上延伸的导电引线可以用于电阻薄膜和双感测元件的电连接。衬垫结构可以放置在平面上。衬垫结构可以是蚀刻的(etched)硅、加工或模制的玻璃或模制塑料。流体可以穿过流通道，从而线接合垫与流通道隔离，以便感测超低流动性流体。双感测元件可以使用标准线接合垫和线接合方法来组装。

附图说明

附图进一步阐述了实施例，并且与具体实施例一起，用来解释在此公开的实施例，在该附图中在单独的视图中相同的标号涉及相同或功能相似的元件，且该附图结合在说明书中且形成说明书的一部分。

图1表示MEMS流量传感器的透视图，其可适用于实现优选实施例；

图2根据优选实施例例示了MEMS流量传感器的透视图，该MEMS流量传感器具有形成在顶部层和衬垫结构层内的流通道；

图3根据优选实施例例示了MEMS流量传感器的截面侧视图；以及

图4根据优选实施例例示了操作的详细流程图，该操作例示了用于提供改进的基于MEMS的流量传感器的方法的逻辑操作步骤。

具体实施方式

在这些非限制性实例中讨论的特定值和结构可以被改变并且被阐述仅仅为例示至少一个实施例，而不是旨在限制其范围。

参考图1，根据优选实施例例示了MEMS流量传感器100的透视图。流量传感器100一般包括隔离层138，该隔离层138在上部结构120的平表面118上由氮化硅或其他热绝缘或电绝缘材料形成。上部结构120可以由硅形成并且附接到由硅、玻璃和/或塑料中的任何组合来形成的下部结构122。感测结构102沉积(deposite)在隔离层138上。上部结构120和下部结构122具有在其中形成流通道130的隧穿特征(tunneled feature)。流量传感器100具有基于先进微结构技术的独特硅芯片。感测结构102可包括形成在隔离层138上的加热元件128和感测元件140和142。双感测元件140和142可定位在中心加热元件128的两侧，指示流方向和流速。

包含温度敏感电阻薄膜的感测元件140和142和加热元件128优选地定位在具有附加感测元件144和146的全惠斯登电桥结构中。感测结构102沉积在位于精确尺寸定制的流通道130上的隔离板138上或隔离板138内以提供可重复流响应。隔离层138可以按层沉积，以便感测结构102可以被包围在层中，以保护其不受流通道130侧的媒介的影响和不受相对侧的环境的影响。这种板结构对穿过流通道130的空气流或其他流体流提供了灵敏和快速地响应。

可以提供电连接以将薄膜电阻器感测结构102的端部连接到相关联传感器电路的电路连接位点。线接合垫106、108、110、112、114、116、124、126、132和134可用于感测结构102的电连接。例如，电阻薄膜感测元件144可通过第一导电引线104来电连接，该第一导电引线104在平表面118上放置的隔离层138上或隔离层138内延伸。其他电连接以相同的方式进行。因此，流体可以穿过流通道130，从而线接合垫106、108、110、112、114、116、124、126、132和134与流通道130隔离。

导电引线例如104包括它们的相关联电连接，且线接合垫优选地通过任何公知的当前商业上用于生产质量空气流(mass air flow)传感器的金属化技术、集成电路等来形成。优选地，引线是金(优选地在铬粘附层上)的或铝的。考虑到本发明，对于传感器可用于其中的特定应用，替代的金属对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。

参考图2，MEMS流量传感器100的透视图根据优选实施例更好地示出了形成在上部结构120和下部结构122内的流通道130、衬垫表面和隔离层138。注意在图1-4中，相同或相似块和元件一般由相同标号来指示。下部结构122可以是具有特征的蚀刻的硅、加工或模制的玻璃或模制的塑料，以便当被接合到具有蚀刻通道130和隔离层138的上部结构120时，形成薄隔离板来定位感测结构102。流体可以被引导通过流通道130并且避免与图1所示的线接合垫106-116、132、134、124和126的任何接触。

参考图3，根据优选实施例示出了MEMS流量传感器100的截面图。流量传感器100基于热传递的理论进行操作。电阻薄膜140、142和128可以被沉积在隔离层138的上表面上。其他的氮化硅层可以被沉积在电阻薄膜140、142和128上面以在两侧包围它，以便保护而免于媒介和环境的影响。电阻膜140和142可以根据具有合适薄膜电阻属性和合适沉积特性的任何材料的公知金属化技术来形成。电阻膜144、146优选地由铂形成。

流量传感器100具有基于先进微结构技术的独特硅芯片。加热器128和感测元件140和142可以沉积在薄膜状、热隔离板结构上。该板结构对通过流通道130的流体流提供灵敏和快速地响应。定位在中心加热元件128两侧上的双感测元件140和142指示流方向和流速。输出电压与流体流成比例地变化。感测元件140和142可以使用标准的线接合垫和线接合方法来组装。并且，可以使用多种材料和工艺来构建衬垫通道结构，这提供了多种选择来优化该设备的性能。

参考图4，根据优选实施例例示了操作的详细流程图，该操作例示了用于提供改进的基于MEMS的流量传感器400的方法的逻辑操作步骤。注意在图1-4中，相同或相似的块和元件一般由相同标号来指示。如块410指示的，可构造具有两个开口的衬垫结构122。接下来，如块420指示的，可构造具有隔离层138、加热元件128和双感测元件140和142的上部感测结构120。之后，如块430指示的，加热元件128和感测元件140和142的电连接可以通过如图1所示的线接合垫106-116、132、134、124和126和例如104的导电引线来提供。

块440描述了蚀刻上部结构的背部以露出隔离层并且形成包含加热器128和感测元件140和142的板状结构。实际上这个结构是悬在流通道的上段之上。

如块450所描述的，完整内部流通道130可以通过将衬垫结构138附接到感测结构102的背部来构造。如块460所描述，完整感测结构100可以以例如环氧树脂和密封的标准工艺来过封装。最后如块470所指示，为了将线接合垫例如106和108和感测元件140和142与媒介隔离，流体可被引导通过内部流通道130。加热元件128通过媒介和板结构传热。当媒介穿过内部流通道时，感测元件140和142的温度差将引起电阻变化，其提供可与质量流相关的输出。最终的组装件可以根据要求来封装。

感测结构102可以利用例如环氧树脂和密封的标准工艺来过封装。典型地，双感测元件140和142以及加热元件128通过已知金属沉积技术(例如物理气相沉积法或溅射)由铂的沉积膜来制造。导电引线104、136和148使用本领域已知的金属沉积技术来沉积。小尺寸和热隔离的微桥流量传感器100负责对流进行非常快速响应且以高的灵敏度响应。流量传感器100在很低流动性下可以更灵敏并且可以潜在地被用来感测超低流动性流体。相似地，线接合部和电路可以与流体流隔离，从而保护微结构免受损坏。

应该认识到上述公开的变形和其他特征和功能、或其替代可按期望结合到许多其他不同的系统或应用中。同样，本领域的技术人员可以随后作出其中的各种目前未预料或未预期到的替换、修改、变形或改进，这也旨在由下面的权利要求来涵盖。

Claims (10)

1.一种MEMS流量传感器，包含：

衬垫结构，具有供形成的流体流通过其的两个开口；

感测结构，包括在具有背部腔的基底上的电绝缘顶部层，包括设置在所述电绝缘顶部层上的加热元件和双感测元件，所述顶部层还包括多个电阻薄膜，其中所述双感测元件测量流体流；以及

流通道，通过将所述感测结构接合到所述衬垫结构来形成，其中为了将多个线接合部和所述双感测元件与所述流通道隔离，引导所述流体流通过所述流通道。

2.如权利要求1所述的流量传感器，还包括：

多个导电引线，从所述感测结构、从所述加热元件和所述双感测元件延伸到所述多个线接合部。

3.如权利要求2所述的流量传感器，其中所述多个导电引线和所述多个线接合部为所述加热元件和所述双感测元件提供电连接。

4.如权利要求2所述的流量传感器，其中所述多个电阻薄膜包含选自镍和铂的金属。

5.如权利要求2所述的流量传感器，其中所述多个电阻薄膜连接在惠斯登电桥结构中。

6.一种MEMS流量传感器，包含：

衬垫结构，具有供形成的流体流通过其的两个开口以及设置在开口之间的通道；

感测结构，包括加热元件及双感测元件，所述感测结构还包括多个电阻薄膜，其中所述双感测元件测量流体流；

多个导电引线，在所述感测结构上从所述加热元件和所述双感测元件延伸到所述多个线接合部；以及

流通道，通过将所述感测结构接合到所述衬垫结构来形成，其中为了将多个线接合部和所述双感测元件与所述流通道隔离，引导所述流体流通过所述流通道。

7.一种MEMS流量传感器，包含：

衬垫结构，具有供形成的流体流通过其的两个开口；

感测结构，包括背部蚀刻通道和具有加热元件和双感测元件的电绝缘顶部层，所述感测结构还包括多个电阻薄膜，该多个电阻薄膜进一步包含选自镍和铂的金属，其中所述双感测元件测量流体流；以及

流通道，通过将所述感测结构接合到所述衬垫结构的背部来形成，其中为了将多个线接合部和所述双感测元件与所述流通道隔离，引导所述流体流通过所述流通道。

8.如权利要求7所述的流量传感器，还包括：

多个导电引线，从所述感测结构、从所述加热元件和所述双感测元件延伸到所述多个线接合部。

9.如权利要求8所述的流量传感器，其中所述多个导电引线和所述多个线接合部为所述加热元件和所述双感测元件提供电连接。

10.如权利要求8所述的流量传感器，其中所述多个电阻薄膜连接在惠斯登电桥结构中。

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