CN102305650A - 具有顶帽的鲁棒传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有顶帽的鲁棒传感器。其包括相对于膜固定的流量传感器部件，以及用于支持膜的基板。通过膜把流量传感器部件从基板基本热隔离。接线焊盘可位于基板的第一侧附近并且被提供用于相对于流量传感器部件传送信号。顶帽可位于基板的第一侧附近并相对于基板固定。顶帽可限定该流量传感器组件的入口和/或该出口的至少一部分，并且可以至少部分地限定从入口延伸、经过流量传感器部件中的至少一个、并且延伸出所述流量传感器组件的出口的流体通道。顶帽可相对于该基板的第一侧被构造和附着，使得接线焊盘不暴露于流体通道中的流体但易接近用于电连接到外部设备。

Description

具有顶帽的鲁棒传感器
技术领域
本发明大体上涉及传感器，并且尤其是，涉及被配置为感测流体性质的鲁棒传感器。
背景技术
传感器通常用来感测流体的一个或多个性质。例如，流量传感器和压力传感器在诸如工业过程控制、医疗设备、发动机等应用的广泛变型中使用。流量传感器通常用于测量流体的流速，并为仪表和/或控制提供流量信号。同样地，压力传感器通常用于测量流体的压力，并为仪表和/或控制提供压力信号。这些仅仅是能够用于感测流体的一个或多个性质的传感器的一些例子。当暴露于所感测的流体时，一些传感器可能易于损坏。例如，传感器可能易于损坏或对湿气、颗粒物、腐蚀特性或所感测流体的其他条件敏感。在一些情况下，传感器的准确性和/或可靠性可能会受到影响。因此，存在对鲁棒传感器的需求。
发明内容
本发明大体上涉及传感器，并且尤其是，涉及被配置为感测流体性质的传感器。在一个示例性实施例中，用于提供从入口到出口的流体流量的测量的流量传感器组件包括相对于膜固定的一个或多个流量传感器部件，以及用于支持该膜的基板。在一些情况下，通过该膜把该一个或多个流量传感器部件从该基板基本上热隔离。一个或多个接线焊盘可位于该基板的第一侧附近并且可被提供用于相对于该一个或多个流量传感器部件传送信号。顶帽可位于该基板的第一侧附近并相对于该基板固定。顶帽可限定该流量传感器组件的该入口和/或该出口的至少一部分并且可以至少部分地限定从入口延伸、经过所述一个或多个流量传感器部件中的至少一个、并且伸出所述流量传感器组件的出口的流体通道。顶帽可被构造并且相对于该基板的该第一侧被附着，使得该一个或多个接线焊盘不暴露于该流体通道中的流体，但是易接近(accessible)用于电连接到外部设备。虽然流量传感器被用作例子，但是根据需要，可以预见任何合适的传感器都可被使用。
上述概要并非旨在描述每个公开的示例性例子或本公开的每个实施方式。下面的描述更具体地举例说明了各种示例性实施例。
附图说明
应该参照附图阅读下面的描述。该附图不一定是按比例绘制，其描绘所选择的示例性实施例而不旨在限定本公开的范围。可关于附图考虑下面的多个示例性实施例的描述来更完整地理解本公开，其中：
图1是示例性流量传感器芯片(flow sensor die)的示意性顶视图；
图2是沿线2-2获得的图1的示例性流量传感器芯片的示意性截面图；
图3是另一示例性流量传感器芯片的示意性顶视图；
图4是沿线4-4获得的图3的示例性流量传感器芯片的示意性截面图；
图5是在部分截面处示出的具有在上部帽壁处形成的入口和出口的流量传感器组件的示意性透视图；
图6是具有在帽的一个(或多个)侧壁处形成的入口和/或出口的流量传感器组件的示意性透视图；
图7是具有由流量传感器芯片基板和帽的一个(或多个)侧壁共同形成的入口和/或出口的流量传感器组件的示意性透视图；以及
图8是形成具有流量传感器芯片和帽的流量传感器组件的方法的流程图。
具体实施方式
应该参照附图阅读下面的描述，其中在不同图中的相似部件以相似的方式进行编号。所述附图不一定是按比例绘制，其描绘所选择的示例性实施例而不旨在限定本公开的范围。虽然针对各种部件图示了结构、尺寸、和材料的例子，但是本领域的技术人员应该意识到所提供的例子中很多都具有可利用的合适替代方案。
图1是示例性流量传感器芯片100的示意性顶视图。虽然流量传感器被用作本公开中的一个例子，但是根据需要，可以预见任何合适的传感器都可被使用。如果需要，示例性的流量传感器芯片100可被制造为在硅晶片上的复数个流量传感器芯片中的一个，尽管可以预见任何合适的基板材料都可被使用。图2是沿截面线2-2获得的图1的示例性流量传感器芯片100的示意性截面图。示例性流量传感器芯片100包括基板102(见图2)，其可以是硅或任何其他合适的材料，并且可以被一个或多个薄膜层104覆盖。对“上”、“下”、“顶”、“底”等的提及是相对措辞并且相对于附图在此做出，而且并不一定与实际物理空间中的任何特定方向相对应。一个或多个薄膜层104可以由任何合适的材料使用任何合适的制造技术，诸如薄膜沉积方法来形成。合适的薄膜材料可包括硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和/或任何其他合适的材料或材料组合。
在一些情况下，薄膜层104可以形成由基板102支持的膜106。膜边界108可以区分形成膜的薄膜层104的区域。形成在基板102中的空隙110(见图2)可位于膜106之下。空隙110可以任何合适的方式形成，诸如硅蚀刻。当使用蚀刻来形成空隙110时，薄膜层104的最底层可以是蚀刻停止层，但这不是必需的。根据需要，蚀刻停止层可以是单独的层，诸如氧化层或其他层。空隙110的蚀刻可产生定义完善的厚度的膜。
一个或多个流量传感器部件可相对于膜106被固定。在所示的例子中，加热器112和感测电阻114和116作为流量传感器部件被提供在薄膜层104之内或之上。加热器112和感测电阻114，116(传感器元件)可以是惠斯通电桥流量传感器的部件，例如在美国专利号7,278,309 Dmytriw等人“INTERDIGITATED FULL WHEATSTONE BRIDGE FLOW SENSORTRANSDUCER”中所描述的，其全部内容在此引入以供参考。示例性流量传感器芯片100可包括未设置在膜106之内或之上的其他流量传感器部件，诸如温度电阻器118。流量传感器部件的全部，或子集，都可以通常被称为“流量传感器”。
在所提供的例子中，流量传感器部件可以任何合适的方法形成在薄膜层104之内或之上。例如，电阻部件可被沉积并限定在一个(或多个)薄膜层的下部膜的顶部。各种各样的薄膜电阻材料都可用，包括白金、掺杂多晶硅、掺杂晶体硅、坡莫合金、硅铬合金、钽、氮化钽、铬合金、镍铬合金、和/或任何其他合适的材料或材料组合。在电阻限定后，薄膜保护层，诸如氮化硅，可被沉积在电阻上。空隙110的蚀刻可在电阻和薄膜层的沉积后执行。可以使用任何合适的蚀刻技术，诸如采用各向异性蚀刻剂(例如，KOH、TMAH、或EDP)的湿蚀刻或干蚀刻，深反应离子蚀刻。
在结合流量传感器芯片100的流量传感器中，流体可被指向流过固定于和/或设置于膜106之内或之上的流量传感器部件。在所示的例子中，流体流量可在方向箭头120所指示的方向上流动。加热器112可将电能消耗为热量，以升温在其附近的流体。电阻114被示出在加热器112的下游位置处，且电阻116被示出在加热器112的上游位置处(或反之亦然)。取决于流体流速，可产生感测电阻114和116之间的温度差。
该流量传感器的性能可取决于从流体，而不通过其他热传导路径，传递到感测电阻114和116的热量。在所示的实施例中，膜106可基本上把加热器112和感测电阻114、116，和/或其他流量传感器部件(如果存在的话)从基板热隔离。在没有这样的热隔离的情况下，热量可从基板传导到流量传感器组件/从流量传感器部件传导到基板，这可能会降低传感器的灵敏度和/或性能。材料的选择可以提供额外的或替代方式来热隔离流量传感器部件，其可使用在具有或不具有隔热膜的流量传感器中。例如，可使用低导热率的基板材料，诸如熔融二氧化硅、熔融石英、和/或硼硅酸盐玻璃。此外或可替代地，热隔离可通过基板上的低导热率薄膜来获得，诸如多孔氧化硅、气凝胶、或任何其他合适的材料。
在所示的例子中，流量传感器芯片100可包括一个或多个位于基板102附近或之上的接线焊盘122。在一些示例性实施例中，接线焊盘位于沿着基板的一侧，如图1所示，但这不是必需的。在一些示例性实施例中，根据需要，接线焊盘120可被布置为沿着多个芯片边缘，或在传感器芯片100上的其他位置。接线焊盘120可配置为用于相对于一个或多个流量传感器部件，诸如加热器112、感测电阻114，116、和/或温度电阻118传送信号。根据需要，接线焊盘可包括黄金、铝、铜、或任何其他合适的导体材料或材料组合或主要由黄金、铝、铜、或任何其他合适的导体材料或材料组合形成。可提供迹线(trace)以将接线焊盘电连接到合适的流量传感器部件。
其他流量传感器芯片配置是可预期的。图3和4分别是另一示例性流量传感器芯片200的示意性顶视图和示意性截面图。示例性流量传感器芯片200与流量传感器芯片100共享许多特征。流量传感器芯片200可包括被基板202支持的薄膜层204的膜206，具有布置在该膜上的一个或多个流量传感器部件，诸如加热器212和感测电阻214，216。流量传感器芯片200在一些方面不同于流量传感器芯片100。例如，接线焊盘被布置在流量传感器芯片200左侧(222)和右侧(224)。并且，沟槽226被形成在芯片内以至少在部分上限定延伸通过至少一个流量传感器部件的流体通道入口和出口。
在示例性实施例中，流量传感器芯片诸如芯片100和200，可与顶帽相结合以形成提供流体流量测量的流量传感器组件。例如，图5示出了在部分截面上示出的流量传感器组件500的示意透视图。流量传感器组件500包括流量传感器芯片550，其可与流量传感器芯片100或200，或任何其他合适的流量传感器芯片相似或相同。顶帽552被显示为位于流量传感器芯片550上接线焊盘554所位于的一侧附近，并可相对于基板555固定。顶帽552可限定孔，其至少部分地限定流量传感器组件500的入口556和出口558。术语“入口”和“出口”可以是随意的，并可以依据流体流动的方向在实际中改变。孔可被配置为具有止挡部561或其他结构以方便流量传感器组件与流体流管、软管、或类似部件的对接。如图5所示，顶帽552可包括上帽壁560和从上帽壁560的周边向下延伸的侧壁562，该侧壁相对于包括接线焊盘554的基板555的一侧被附着。图5中的顶帽552具有穿过上帽壁560形成的入口556和出口558。在一些示例性的实施例中，如在此处进一步描述的，入口556和出口558中之一或两者都可穿过顶帽552的一个或多个侧壁562的至少一部分形成。
顶帽552可至少部分地限定从入口556延伸，经过一个或多个流量传感器部件512、514、516中的至少一个，并延伸出示例性流量传感器组件500的出口558的流体通道。该流体通道可至少部分地被顶帽的至少一个内表面限定，诸如表面566。如所示，流量传感器芯片550和/或流量传感器芯片基板555可至少部分地限定流体通道的另外部分。
顶帽552可相对于面对一个或多个接线焊盘554的基板555的侧边被构造并附着，使得一个或多个接线焊盘不暴露于流体通道，但易接近用于电连接到外部设备。顶帽552可被认为是把一个或多个接线焊盘554从流体通道流体隔离。在图1和3的每个中，细虚线170和270分别地近似地划分其中顶帽，诸如帽552，相对于基板102或202被附着的接口区域。在这些图中可以看出，接口区域可在流量传感器部件(或流量传感器)和接线焊盘120、222、224之间延伸。也可以看出接口区域可在流量传感器的周边附近延伸。在一些示例性的实施例中，顶帽的至少一个侧壁可以在流量传感器或流量传感器部件之间延伸并且可把至少一个接线焊盘从流量传感器或流量传感器部件处隔离。
顶帽552，或本公开中的任何其他顶帽，可由任何合适的一种材料或多种材料形成。顶帽可基本上由玻璃形成，并且如果需要的话，基本上可以是光学透明的。玻璃顶帽的制造由微磨料喷射加工(也称为精密微型喷砂、群喷砂(swarm sandlasting)、或动力吹洗(power blasting))、超声波打孔、激光微机械加工、蚀刻、或任何其他合适的方法来完成。可能的帽材料包括硼硅玻璃、熔融二氧化硅、石英、或任何其他合适的材料。可以采用具有低导热率的帽材料，这可能有助于减少来自流体蒸汽的热传递。在一些情况下，可以使用导热率小于约2、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1或1W/m·°K的帽材料。可以使用具有与流量传感器芯片的基板材料(例如，硅)的热膨胀系数(CTE)相近的热膨胀系数(CTE)的帽材料。对于帽和基板，匹配或基本上匹配CTE可以增加流量传感器组件的热鲁棒性。在一些情况下，用于帽和基板的材料的CTE值在彼此的50、40、30、20、或10％内。任何适当的方法都可用于将帽附着到和密封到流量传感器芯片以形成流量传感器组件。对于玻璃帽，如果需要，可使用玻璃介质键合。对于某些玻璃，可使用阳极键合。在一些情况下，当帽附着于流量传感器芯片以形成流量传感器组件时，透明帽可允许光学对准方法。
可预期的是，也可使用塑料帽，并且这种帽可以微模塑、加工或以任何其他合适的方式形成。粘合剂可用于附着这种塑料帽(或玻璃帽)。根据需要，环氧树脂、硅酮、或其他粘合剂可用于附着。
其他帽配置也是可预期的。例如，图6是具有邻近位于并固定于相对于面对接线焊盘654的流量传感器芯片基板650的侧边的帽652的流量传感器组件600的示意透视图。顶帽652可包括穿过顶帽652的一个或多个侧壁形成的一个或多个孔。在所示的例子中，可穿过顶帽652的第一侧壁657形成入口656，并且可穿过顶帽652的第二侧壁659形成出口658(在该视图中未示出)。帽652可至少部分地限定从入口656延伸的，经过至少一个流量传感器部件，并延伸出出口658的流体通道。虽然入口和出口都被显示在顶帽652的侧壁处，可预期的是，入口和出口中的一个可被形成在顶帽652的上壁中，类似于图5中所示的。
图7是具有顶帽752的另一流量传感器组件700的示意透视图，位于面对接线焊盘754的流量传感器芯片基板750的一侧附近并相对于面对接线焊盘754的流量传感器芯片基板750的一侧被固定。流量传感器芯片基板750可与图3中的流量传感器芯片200的基板相似，并可具有如所示的形成于芯片中延伸到流量传感器芯片边缘的沟槽或凹陷726。在一些实施例中，顶帽752也可以被形成为包括延伸到帽边缘的一个或多个沟槽或凹陷768，并可与形成在流量传感器芯片中的沟槽或凹陷726对齐(registration)，这样顶帽752中的凹陷768与流量传感器芯片750中的凹陷726一起限定流量传感器组件700的一个或多个入口和/或出口。在一些示例性的实施例中，流量传感器组件的入口或出口可仅被帽或基板之一中的沟槽限定，与基板或顶帽的非沟槽部分一起分别地限定入口或出口周边的互补部分。
图8是示出形成具有流量传感器芯片和顶帽的流量传感器组件的方法800的流程图。在步骤810，该方法包括提供具有流量传感器的流量传感器芯片，以及面对流量传感器芯片的第一侧的一个或多个焊盘。该一个或多个焊盘电连接到适当的流量传感器。流量传感器芯片可以是任何合适的流量传感器芯片，诸如流量传感器芯片100、200、550、650、和750，以及这些芯片的变形。提供流量传感器芯片可包括任何合适的制造或加工方法或技术，如本文中其他地方所描述的。在步骤820，该方法包括提供顶帽，该顶帽限定流量传感器组件的入口和/或出口的至少一部分。这个顶帽可以是如本文所述的任何合适的帽，诸如帽552、652、752、和那些帽的变形。提供顶帽可包括任何合适的制造或加工方法或技术，如本文中其他地方所描述的。在步骤830，该方法包括将顶帽附着到流量传感器芯片的第一侧，使得顶帽限定从入口延伸的，经过流量传感器，并延伸到出口的流体通道的至少一部分，并且使得该顶帽将一个或多个焊盘从流体通道中的流体处进行流体隔离。将顶帽附着到流量传感器芯片可包括任何适当的附着技术，如本文其他地方所描述的。
本公开不应认为是被限制于上述特定实例。本领域技术人员在回顾本说明书时很容易明白本公开能够适用于各种修改、等效过程，以及多种结构。

Claims (12)

1.一种流量传感器组件(500)，用于提供从入口(556)到出口(558)的流体流量测量，该流量传感器组件(500)包括：
相对于膜固定的一个或多个流量传感器部件(512)；
支持该膜的基板(555)，通过该膜把该一个或多个流量传感器部件(512)从该基板基本上热隔离；
一个或多个接线焊盘(554)，位于该基板的第一侧附近用于相对于该一个或多个流量传感器部件(512)传送信号；以及
位于该基板的第一侧附近并相对于该基板固定的顶帽(552)，该顶帽(552)限定该流量传感器组件(500)的该入口(556)和/或该出口(558)的至少一部分，该顶帽(552)至少部分地限定从该入口(556)延伸、经过该一个或多个流量传感器部件(512)中的至少一个、并且延伸出该流量传感器组件(500)的出口(558)的流体通道，该顶帽(552)相对于该基板的该第一侧被构造和附着，使得该一个或多个接线焊盘(554)不暴露于该流体通道但易接近用于电连接到外部设备。
2.如权利要求1的流量传感器组件(500)，其中该顶帽(552)基本上由玻璃形成。
3.如权利要求1所述的流量传感器组件(500)，其中该顶帽(552)的玻璃具有小于约1.4W/m·°K的导热率并且在基板的热膨胀系数的约30％内的热膨胀系数。
4.如权利要求1的流量传感器组件(500)，其中该顶帽(552)包括：
上帽壁(560)；以及
从该上帽壁(560)的周边向下延伸的侧壁(562)，其中该侧壁(562)相对于该基板的该第一侧被附着。
5.如权利要求4的流量传感器组件(500)，其中穿过该上帽壁(560)形成该入口(556)。
6.如权利要求4的流量传感器组件(500)，其中穿过该上帽壁(560)形成该出口(558)。
7.如权利要求4的流量传感器组件(500)，其中穿过该顶帽(552)的第一侧壁的至少一部分形成该入口(556)。
8.如权利要求7的流量传感器组件(500)，其中穿过该顶帽(552)的第二侧壁的至少一部分形成该出口(558)。
9.如权利要求8的流量传感器组件(500)，其中该入口(556)的至少一部分和该出口(558)的至少一部分至少部分地被该基板限定。
10.如权利要求1的流量传感器组件(500)，其中该顶帽(552)基本上是透明的。
11.一种形成具有流量传感器芯片和顶帽(552)的流量传感器组件(500)的方法，该方法包括：
提供具有流量传感器的流量传感器芯片，以及电连接到该流量传感器的在流量传感器芯片的第一侧上的一个或多个焊盘；
提供顶帽(552)，该顶帽(552)限定该流量传感器组件(500)的入口(556)和/或出口(558)的至少一部分；以及
将顶帽(552)附着到该流量传感器芯片的第一侧，使得该顶帽(552)限定从该入口(556)延伸的、经过该流量传感器、并延伸到该出口(558)的流体通道的至少一部分，并且使得该顶帽(552)将该一个或多个焊盘从该流体通道处流体隔离。
12.如权利要求11的方法，其中该顶帽(552)包括上帽壁(560)和从该上帽壁(560)的周边向下延伸的侧壁(562)，其中该侧壁(562)附着到该流量传感器芯片的第一侧，该方法进一步包括：
形成在顶帽(552)中的第一凹陷，其中该第一凹陷延伸到该顶帽(552)的边缘；
形成在该流量传感器芯片中的第二凹陷，其中该第二凹陷延伸到该流量传感器芯片的边缘；及
对准该顶帽(552)和该流量传感器芯片使得该第一凹陷与第二凹陷对齐，使得该顶帽(552)中的该第一凹陷与该流量传感器芯片中的第二凹陷一起限定该流量传感器组件(500)的该入口(556)和/或出口(558)。
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