CN108139254B - Mems流量传感器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种MEMS流量传感器,该MEMS流量传感器具有在硅结构中蚀刻出的微型流动通道,该硅结构由接合或熔合在一起的两块硅基板构成。在一个实施例中,加热器以及一个或多个温度传感器在流动通道的外侧绕着该通道的周边设置。在另一个实施例中,加热器以及一个或多个温度传感器被设置在流动通道的外侧,分别位于该通道的顶部和底部。在又一个实施例中,加热器以及一个或多个温度传感器在流动通道的内侧被定位该通道的一个或多个表面上或者绕着该通道的内周边。根据本发明的流量传感器优选地采用晶片级制造技术来制造。
Description
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(不适用)
背景技术
已知基于微机电系统(MEMS)的热式传感器具有许多不同的构型。一种基础的MEMS流量传感器包括加热器以及设置在该加热器附近的至少一个温度传感器,当流体在加热器和温度传感器(或多个温度传感器)上移动时,该温度传感器用于检测热波动。可以利用加热器和温度传感器(或多个温度传感器)上的流体运动速率来确定流率。
现有的MEMS流量传感器利用在流动通道内的单个平面上被设置在膜片或悬吊桥上的加热器和温度传感器。在图1A中示出了流量传感器的一种已知形式,其中加热器10和温度传感器12被支撑在膜片或隔膜14上,该膜片或隔膜14被设置在流动通道16中。在图1B中示出了流量传感器的另一种已知形式,其中加热器10A和温度传感器12A被形成在硅板18中,该硅板18被设置在流动通道16A中。仅对一个平面上的温度进行感测限制了装置的性能。由于热对流是全方位的,因此仅在一个平面上进行感测是低效的。
来自单平面式MEMS传感器上的热电堆的原始响应曲线通常呈平方根函数的形式,其中灵敏度在低流量时最高,并且随着流量的增加而逐渐减小。这种平方根形式反映了在单个平面上的蚀刻导体的低效。
使热式流量传感器具有改进的热效率、灵敏度及测量范围将是有益的。
发明内容
根据本发明,提供了一种MEMS流量传感器,该MEMS流量传感器具有在硅结构中蚀刻出的微型流动通道,该硅结构由接合或熔合在一起的两块硅基板或者接合有玻璃基板的硅基板构成。在一个实施例中,至少一个加热器以及一个或多个温度传感器在流动通道的外侧绕着该通道的周边设置。在另一个实施例中,加热器以及一个或多个温度传感器被设置在流动通道的外侧,分别位于该通道的顶部和底部。在又一个实施例中,加热器以及一个或多个温度传感器在流动通道的内侧被定位在该通道的一个或多个表面上或者绕着该通道的内周边。根据本发明的流量传感器优选地采用在本领域中已知的晶片级制造技术来制造。
与加热器功率保持恒定的较大型的传统流动通道相比,由于更大百分比的被测液体或气体被加热,因此微型流动通道的尺寸改进了热式流量传感器的灵敏度。该微型流动通道还增加流动阻抗,从而允许少得多的流体流入传感器通道。该微型通道适用于微升每分钟或者纳升每分钟的液体流率。
MEMS微型流动通道传感器可被用在主流动通道的旁路中,以仅测量大体积流动的一部分。由于将颗粒物携带到旁路通道中的动量被显著降低,因此微型流动通道的高流动阻抗防止污染物进入旁路通道。在旁路布置中使用微型流动通道尤其适用于需要高灵敏度和污染免疫的场合。这些场合包括天然气计量、内燃机的空气质量流量以及汽油和柴油发动机的尾气再循环。
在优选的实施例中,MEMS流量传感器与相关电路一起被集成在单个芯片中。此类电路通常包括信号调节器、放大器、模数转换器、存储器以及数字接口。无线发射和接收电路也可以与该传感器和其它电路一起被集成到同一芯片中。
每个硅基板可包括流动通道的半部,使得当两个基板被接合或熔合在一起时形成完整的流动通道。在另一个实施例中,仅一个基板包括流动通道,而另一个基板可以是玻璃或硅的基板,以在该通道上提供盖子。加热器以及一个或多个温度传感器可被构造成位于该流动通道的内侧或外侧,并且可被设置在该流动通道的一个或多个壁上或者被设置为绕着该通道的环路或线圈。在流动通道壁的多于一个平面上形成加热器和温度传感器会增加传感器信号的幅度,这是由于热量在较大的表面积上被感测。热信号的增加使得灵敏度更高,并且增加了传感器的动态范围,从而提高了功率效率。当流动通道的宽度大于高度时,由于信号增益最小,通常不需要位于侧壁上的温度传感器和加热器。绕着流动通道的壁结构可以具有蚀刻出的腔或变薄的壁,以减少通过硅材料的热损失。可以在加热器和温度传感器的表面上涂覆氮化硅或其它绝缘材料的薄层,以防止氧化。
流动通道具有入口开口和出口开口,它们与相应的流体端口处于流体联接关系。流体联接可以从流动通道的入口和出口直接到相应的流体端口或者经由中间流体结构到相应的流体端口。
附图说明
根据下文的详细描述并结合附图,将更加充分地理解本发明,在附图中:
图1A是已知的流体流量传感器的一个实施例的示意性正视图;
图1B是另一种已知的流体流量传感器的示意性正视图;
图2A是根据本发明的流量传感器的一个实施例的分解示意图;
图2B是图2A的实施例的横截面示意图;
图3A是根据本发明的流量传感器的另一个实施例的示意图;
图3B是图3A的实施例的横截面示意图;
图3C是图3A和图3B的实施例的仰视示意图;
图3D是图3A至图3C的实施例的横截面示意图;
图4是根据本发明的流量传感器的又一个实施例的示意性正视图;
图5是根据本发明的包括该流量传感器及相关电路的集成芯片的方框图;
图6A是本发明的又一个实施例的示意图;以及
图6B是图6A的实施例的剖视示意图。
具体实施方式
图2A和图2B示出了本发明的一个实施例。本体20由接合或熔合在一起的硅基板或结构22及24形成。流动通道26被形成在该本体中,并且在一端具有被形成在基板22中的开口28,在相对端具有被形成在基板24中的开口30。这些开口用作流动通过该流动通道26的流体的入口孔或出口孔。加热器32和温度传感器34沿着流动通道26的周边被蚀刻在该流动通道26的每个壁上,以绕着该流动通道的内侧形成完整的环路或线圈。沟槽36在该流动通道的两侧被设置在每个基板22及24中,以减小基板的块状材料的厚度,从而减少热量损失并因此减少信号损失。至少一个蚀刻开口38被设置成穿过基板22及24,以实现与设置流动通道的变薄侧壁相同的目的。
通常通过穿过该流动通道的壁的其中一个或多个壁的导电过孔以及设置在基板22及24的表面的其中一个或多个表面上的对应导电路径来实现到加热器32和温度传感器34的电连接。
图3A至图3D中示出了另一个实施例,其中加热器和温度传感器被绕着流动通道的外侧蚀刻。流动通道以及基板22及24的入口孔和出口孔及结构如上文图2A和图2B的实施例所示和所述。在该另一个实施例中,加热器32和温度传感器34在流动通道的外侧绕着外表面形成。
在可选的实施例中,加热器和温度传感器可以在流动通道的外侧被蚀刻在每个壁上,但不彼此连接。加热器由合适的电源供电,来自相应温度传感器的信号被信号处理电路接收,并被处理以提供流率的表示。当流动通道的宽高比大时,不需要较短侧壁上的加热器和温度传感器。图4示出了在本体的较宽的顶壁和底壁上具有加热器和温度传感器的布置。图4中的本体类似于图3A至图3D中的本体。顶部和底部基板22及24上的加热器和传感器分别形成在沟槽36上。
在一个优选实施例中,MEMSIC流量传感器与相关电路一起被集成在单个芯片中。图5示出了该芯片50的方框图。该芯片包括传感器部分,该传感器部分包括流量传感器通道以及加热器和温度传感器中的相关开口。该芯片的信号处理部分包括至少一个温度传感器、信号调节器、模数转换器、放大器、可编程只读存储器以及无线传输和数字通信电路。
图6A和图6B示出了一实施例,该实施例具有从本体62的一侧延伸穿过该本体62到另一侧的流动通道60。如上所述,加热器和温度传感器可以被形成在该流动通道的内侧或外侧。本体62如所示地呈不透流体的密封关系接合至壳体64及66。壳体64具有联接至开口70a的腔室68a。壳体66具有联接至开口70b的腔室68b。开口70a及70b用作入口端口和出口端口,它们可以联接至管道或配件,流体通过该管道或配件被供给至流动通道并从该流动通道中被抽出。
在不脱离本发明的精神和真实范围的情况下,本领域技术人员可以进行各种替代和修改。因此,除了由所附权利要求限定的内容外,本发明不受已经具体示出和描述的内容的限制。
Claims (6)
1.一种MEMS流量传感器,包括:
本体,所述本体具有接合或熔合在一起的第一半导体基板以及第二半导体或玻璃基板;
微型流动通道,所述微型流动通道被蚀刻在所述本体中,并且具有在所述本体的表面上的入口开口以及出口开口,所述微型流动通道包括位于第一半导体基板一侧的部分和位于第二半导体或玻璃基板的部分;
加热器,所述加热器与所述本体成一体,并且与所述流动通道相关联,以加热流动通过所述流动通道的流体,所述加热器包括位于第一半导体基板上的部分和位于第二半导体或玻璃基板上的部分;
至少一个温度传感器,所述至少一个温度传感器与所述本体成一体,并且在沿着所述流动通道与所述加热器隔开的位置与所述流动通道相关联,所述至少一个温度传感器可操作地感测流动通过所述流体通道的流体的温度,所述温度传感器包括位于第一半导体基板上的部分和位于第二半导体或玻璃基板上的部分;以及
电子电路,所述电子电路被集成在所述本体中,并且被电连接至所述加热器以及所述至少一个温度传感器,并且可操作地提供表示流动通过所述流体通道的流体的流率的信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,所述加热器和所述至少一个温度传感器绕着所述流动通道形成闭环或非闭环。
3.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,沿着所述流动通道的内壁或外侧刻蚀形成所述加热器和所述至少一个温度传感器。
4.根据权利要求3所述的MEMS流量传感器,其特征在于,通过穿过该流动通道的壁的导电过孔以及设置在第一半导体基板以及第二半导体或玻璃基板的表面的其中一个或多个表面上的对应导电路径来实现到所述加热器和所述至少一个温度传感器的电连接。
5.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,至少一个蚀刻开口被设置成穿过第一半导体基板以及第二半导体或玻璃基板以使得所述流体通道与第一半导体基板和第二半导体剥离基板的其他部分隔离。
6.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器,其特征在于,在该流动通道的两侧设置沟槽以减小第一半导体基板以及第二半导体或玻璃基板在所述流动通道处的厚度。
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