CN109142462A - 电导探针及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电导探针及其制造方法，所述电导探针包括：基体，所述基体的表面绝缘；探头和引线，所述探头和所述引线均设置在所述基体的表面，所述引线与所述探头相连，所述引线用于与外部测试电路连接；绝缘层，所述绝缘层包覆所述基体、所述引线且包覆所述探头的侧壁，所述探头背离所述基体的一端从所述绝缘层露出。根据本发明的电导探针，不易积存液体，探头的相对位置精确，测量精度高。

Description

电导探针及其制造方法

技术领域

本发明涉及多相流体测试领域，尤其是涉及一种电导探针及该电导探针的制造方法。

背景技术

气(汽)-水、油-水两相流以及油-气-水三相流现象广泛存在于能源、化工、制冷和石油领域，是传热传质的重要物理过程。在科学研究和工程设计过程中，为了建立多相流的物理模型和数学模型、从而精确地预测流动过程，需要先对流动的一些基础参数进行实验测量。其中，绝大部分参数需要在管道截面上的若干个点进行局部测量，这些参数包括：含气(汽)率、含水率、气(汽)泡弦长、气(汽)泡直径、气(汽)泡速度、相界面浓度、液滴弦长、液滴速度等。

在局部测量的仪器中，电导探针是最精确、应用最为广泛的一种。它的原理是：由于不同流体电导率不同，探头测点接触到不同流体时，探针与公共地之间的电阻发生变化，并发出高低电平的电压信号；根据高电平和低电平持续的时间之比，以及不同探针电平变化的时间间隔，可以计算出含气率、气泡速度和气泡弦长等基本参数，然后通过数学模型计算其余参数。根据测量对象的不同，电导探针分为单探头、双头探头、四探头和五探头等。

相关技术中的电导探针的探头均由金属针制作，在液体表面张力作用下探针内容易积存液体，使位于下游的探头始终与液体导通，因而信号变弱；另一方面该电导探针由于结构的限制，探针的直径很大，对气泡或液滴形状产生较大破坏，造成较大测量误差；再一方面，相关技术中的电导探针的通用性较差，例如双探头电导探针不能用来测量非球形气泡、弹状流和塞状流的相界面浓度，而四探头探针不适合测量小气泡的界面信息，对于不同测量对象和测量条件，需要制作不同形式和规格的电导探针。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电导探针。

根据本发明的电导探针，包括：基体，所述基体的表面绝缘；探头和引线，所述探头和所述引线均设置在所述基体的表面，所述引线与所述探头相连，所述引线用于与外部测试电路连接；绝缘层，所述绝缘层包覆所述基体、所述引线且包覆所述探头的侧壁，所述探头背离所述基体的一端从所述绝缘层露出。

根据本发明实施例的电导探针，不易积存液体，探头的相对位置精确，测量精度高。

根据本发明实施例的电导探针，所述探头和所述引线均为多个，多个所述探头和多个所述引线一一对应，多个所述探头至少分为一组，每组包括多个所述探头，每组的多个所述探头中的至少两个沿所述基体的轴向间隔开分布。

根据本发明实施例的电导探针，每组的多个所述探头中的至少两个沿垂直于所述基体轴向的方向间隔开分布。

根据本发明实施例的电导探针，所述基体包括：芯体和设于所述芯体表面的屏蔽层，所述屏蔽层为绝缘材料制成，所述探头和所述引线均设置在所述屏蔽层外。

根据本发明实施例的电导探针，所述芯体为硅制成，所述屏蔽层为氧化硅或氮化硅制成。

根据本发明实施例的电导探针，所述探头背离所述基体的一端低于与所述绝缘层的外表面，且与所述绝缘层的高度差不大于1000nm。

根据本发明实施例的电导探针，所述电导探针的一端为锥形。

根据本发明实施例的电导探针，所述基体的横截面积小于0.15mm²。

本发明还公开了一种电导探针的制造方法。

根据本发明的电导探针的制造方法，包括如下步骤：基体加工；探头与引线加工，在所述基体的表面生成金属膜，将多余的金属膜去掉以成型出探头与引线；绝缘层加工，在所述基体、所述探头与所述引线的表面生成绝缘层，将探头端面的绝缘层去掉。

根据本发明的电导探针的制造方法，所述步骤基体加工包括将硅片的表面热氧化或氮化，以使硅片的表面形成二氧化硅或氮化硅的屏蔽层；或者，所述步骤在所述基体的表面生成金属膜包括在所述屏蔽层光刻形成探头与引线的图形，溅射金属或蒸金；或者，所述步骤将多余的金属膜去掉以成型出探头与引线采用蚀刻或剥离工艺；或者，所述步骤在所述基体、所述探头与所述引线的表面生成绝缘层采用化学气相沉淀或物理气相沉淀工艺；或者，所述步骤将探头端面的绝缘层去掉包括光刻形成探头的图形，采用蚀刻工艺去掉探头处的绝缘层。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的电导探针的端部视图；

图2是图1中A-A处的剖视图；

图3是根据本发明实施例的电导探针的侧部视图；

图4是根据本发明实施例的电导探针在制造过程中的结构示意图。

附图标记：

基体10，芯体11，屏蔽层12，探头20，引线30，绝缘层40，光刻胶50，金属膜60。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的电导探针。

如图2所示，电导探针包括：基体10、探头20、引线30和绝缘层40。

其中，基体10的表面绝缘，探头20和引线30均设置在基体10的表面，引线30与探头20相连，引线30与探头20电连接，引线30与探头20均为导体，比如引线30与探头20均为金属材料制成，引线30用于与外部测试电路连接，如图2所示，引线30可以从与探头20相连的一端延伸至基体10的端部(图2中的右端)，这样，便于在电导探针的端部设置插接件。

绝缘层40包覆基体10、引线30，且绝缘层40包覆探头20的侧壁，探头20背离基体10的一端从绝缘层40露出，绝缘层40用于保护探头20和引线30。换言之，电导探针的外表面包覆有绝缘层40，且在探头20处探头20露出。绝缘层40可以为氮化硅、二氧化硅、特氟龙等制成。

也就是说，引线30与探头20被基体10的表面以及绝缘层40包覆，仅仅只有探头20露出一端用于检测。这样，在检测过程中，电导探针的各个区域不易被待测液体短接，且不易积存液体。探针使用过程中实际发生检测作用的仅仅只为探头20露出的部分，由此，探头20的相对位置精确，大大地提高了电导探针的测量精度。

根据本发明实施例的电导探针，不易积存液体，探头20的相对位置精确，测量精度高。

在一些实施例中，如图2所示，基体10包括：芯体11和设于芯体11表面的屏蔽层12，屏蔽层12为绝缘材料制成，探头20和引线30均设置在屏蔽层12外。其中，芯体11可以为硅制成，屏蔽层12为二氧化硅或氮化硅制成，比如基体10可以由硅片制成，硅片的表面进行热氧化处理后形成氧化硅屏蔽层12。这样，便于基体10的加工以及在基体10表面布置探头20、引线30等结构。当然，芯体11不限于硅，还以为其他非绝缘材料。

基体10的结构不局限于芯体11和屏蔽层12的结构，还可以为其他结构，比如基体10为绝缘材料制成，基体10可以为氮化硅绝缘材料等材料制成。

如图1所示，基体10的横截面积小于0.15mm²。基体10可以具有多边形横截面，便于在基体10的侧面布置探头20和引线30，当基体10具有正方形横截面时，该正方形的边长a小于0.5mm，这样整个电导探针的直径小，在检测过程中对流体的影响小，测量精度高，且当基体10由半导体芯体11加表面的氧化层屏蔽层12制成时(比如硅制的芯体11和二氧化硅制的屏蔽层12)，便于在基体10表面布置探头20、引线30，使小尺寸的电导探针具备较好的加工能力。

如图2所示，探头20背离基体10的一端低于绝缘层40的外表面，探头20背离基体10的一端与绝缘层40的高度差不大于1000nm，比如为200nm，也就是说，探头20处形成一凹槽，该凹槽的深度极小，使得探头20基本与绝缘层40的外表面平齐。这样电导探针的表面更光滑，在将电导探针伸入待测流体时，探头20与绝缘层40之间基本无高度差，降低了电导探针对相界面形状的影响，测量精度高。

如图1和图2所示，电导探针的一端(图2中的左端)为锥形，当电导探针(体)具有正方形横截面时，电导探针的一端(图2中的左端)可以为四棱锥形，当电导探针(体)具有圆形横截面时，电导探针的一端(图2中的左端)可以为圆锥形，当将电导探针水平使用时，电导探针的轴向与流体的流向相同，电导探针的锥形端迎面朝向流体的来向，这样电导探针对流体的流动阻力较小。

如图2和图3所示，探头20和引线30均为多个，多个探头20和多个引线30一一对应，任意两个探头20之间绝缘，任意两个引线30之间绝缘，以保证每个探头20的独立性。也就是说，多个探头20集成于一个电导探针。多个探头20包括至少一组，每组包括多个探头20，每组的多个探头20中的至少两个沿基体10的轴向间隔开分布，每组的多个探头20中的至少两个沿垂直于基体10轴向的方向间隔开分布，这样通过该电导探针能实现多种组合的探测方式。基体10具有多边形横截面，每组的多个探头20分布于基体10的同一侧面，不同组的探头20分布于基体10的不同侧面。

在一个实施例中，基体10具有正方形横截面，探头20和引线30分为两组，两组探头20和引线30分别设在相对的两个侧面，每组的探头20的引线30均设置在同一个侧面，且每组的多个探头20沿基体10的轴向均匀间隔开分布，也就是说，同一个侧面上的探头20布置在一条直线上，该直线与基体10的轴线平行，当将电导探针水平使用时，探头20的连线与流体的流向一致。

当然，基体10的每个侧面也可以设有一组探头20和引线30，可以根据测试需要加工。

也就是说，该电导探针可以集成单探头20、双探头20、四探头20、五探头20甚至五探头20以上探针的功能，并且探头20可以任意组合，形成不同规格的探针；该电导探针的直径不随探头20增多而增大，对多探头20探针而言效果更加明显。

综上所述，该电导探针可以集成单探头20、双探头20、四探头20、五探头20甚至五探头20以上探针的功能，并且探头20可以任意组合，形成不同规格的探针；该电导探针的直径不随探头20增多而增大，对多探头20探针而言效果更加明显；由于该电导探针的基体10仅为一根硅棒，彻底消除了现有探针中金属针之间积存液体的现象；探头20径向和轴向位置可以由光刻工艺确定，与现有探针采用机械(仅能在径向)或手工(轴向)的方法相比，精度大大提高；探头20面积可以由光刻工艺确定，与现有探针采用手工研磨的方法相比，探头20形状和大小均能够精确控制；可以保证同侧探头20在一条直线上，且与针体平行，所以能够保证在使用双探头20功能时探头20连线与来流方向一致；当采用氮化硅作为绝缘层40时，可以提高耐磨性；进行化学机械研磨后，该电导探针的表面非常光滑平坦，探头20触点和绝缘层40之间不存在高度差，降低了该电导探针对相界面的形状的影响。

探头20之间的组合使用方式可以根据需要自行选择，在此不在赘述。电导探针可以单个使用，也可以多个一起使用。

本发明还公开了一种电导探针的制造方法，该电导探针可以为上述任一种实施例的电导探针。

如图4所示，本发明实施例的电导探针的制造方法包括如下步骤：基体加工、探头与引线加工、绝缘层加工。

其中，如图4(a)和图4(b)所示，步骤基体10加工用于加工出能够布置探头20与引线30的基体10。在一些实施例中，步骤基体10加工包括将硅片的一端磨为锥形，将硅片的表面热氧化或氮化，以使硅片的表面形成二氧化硅或氮化硅的屏蔽层12。

如图4(c)、图4(d)、图4(e)所示，步骤探头20与引线30加工用于在基体10表面加工出探头20与引线30，加工方式可以包括在基体10的表面生成金属膜60，将多余的金属膜60去掉以成型出探头20与引线30。其中，步骤在基体10的表面生成金属膜60可以包括在所述屏蔽层光刻形成探头与引线的图形，溅射金属或蒸金，即如图4(c)所示，在基体10的表面光刻出光刻胶50，光刻胶50避开用于成型探头20与引线30的区域以形成探头与引线的图形，然后如图4(d)所示，镀金属膜60。如图4(d)所示，步骤将多余的金属膜60去掉以成型出探头20与引线30可以采用蚀刻或剥离工艺。

如图4(f)、图4(g)、图4(h)所示，步骤绝缘层40加工用于加工出绝缘层40，加工方式可以包括在基体10、探头20与引线30的表面生成绝缘层40，将探头20端面的绝缘层40去掉。其中，如图4(f)所示，步骤在基体10、探头20与引线30的表面生成绝缘层40可以采用化学气相沉淀或物理气相沉淀工艺，步骤将探头20端面的绝缘层40去掉包括光刻形成探头的图形，如图4(g)所示，先在绝缘层40的表面光刻出光刻胶50，光刻胶50避开探头对应的区域，如图4(h)所示，采用蚀刻工艺去掉探头处的绝缘层，去掉光刻胶50。

在一些实施例中，电导探针的制造方法包括如下步骤：以一个硅片作为基体，硅片厚度小于0.5mm，双面热氧化长氧化硅，正面光刻形成图形(金属线)，溅射金属/蒸金，剥离去掉图形外的金属，PECVD长氮化硅，光刻形成图形(探头)，刻蚀把探头以及接线盘部分的氮化硅去掉。反面重复正面的操作，加工过程中可以先完成正面加工再完成反面加工，也可以交替完成。最后光刻形成探针轮廓图形，深硅刻蚀释放探针。

在另一些实施例中，电导探针的制造方法包括如下步骤：基体10加工、探头20与引线30加工、绝缘层40加工、表面加工。

其中，步骤基体10加工用于加工出能够布置探头20与引线30的基体10。在一些实施例中，步骤基体10加工包括将硅棒的一端磨为锥形，将硅棒加热，以使硅棒的表面形成二氧化硅的屏蔽层12。

步骤探头20与引线30加工用于在基体10表面加工出探头20与引线30，加工方式可以包括在基体10的表面生成金属膜60，将多余的金属膜60去掉以成型出探头20与引线30。其中，步骤在基体10的表面生成金属膜60可以采用化学气相沉淀或物理气相沉淀工艺，步骤将多余的金属膜60去掉以成型出探头20与引线30可以采用蚀刻工艺。

步骤绝缘层40加工用于加工出绝缘层40，加工方式可以包括在基体10、探头20与引线30的表面生成绝缘层40，将探头20端面的绝缘层40去掉。其中，步骤在基体10、探头20与引线30的表面生成绝缘层40可以采用化学气相沉淀或物理气相沉淀工艺，步骤将探头20端面的绝缘层40去掉可以采用蚀刻工艺。

步骤表面加工用于对电导探针表面进行平坦化处理。加工方式可以包括，在绝缘层40的表面生成金属膜60，将多余的金属膜60去掉露出探头20端面，并使探针的表面平坦化。其中，步骤在绝缘层40的表面生成金属膜60可以采用化学气相沉淀或物理气相沉淀工艺，步骤将多余的金属膜60去掉露出探头20端面，并使探针的表面平坦化可以采用化学机械研磨工艺。

在一些实施例中，电导探针的制造方法包括如下步骤：以一根细硅棒作为基体10，硅棒横截面为正方形，其边长小于0.1mm；采用光刻工艺和刻蚀工艺，在硅棒表面精确定位多个金属探头20和引线30，在硅棒的同一表面，探头20之间的连线与硅棒长度方向平行；采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)工艺，在探针表面形成氮化硅绝缘层40；采用化学机械研磨(CMP)方法使探针表面平坦化、光滑，消除探头20与绝缘层40之间的高度差。

在一些实施例中，电导探针的制造方法包括如下步骤：加工一截面为正方形的硅，并将一端磨尖；把硅棒放在高温炉中加热到1000℃，使其与氧气反应，生产二氧化硅屏蔽层12；采用化学气相沉积或物理气相沉积的方法，在探针表面生成铜金属膜60；利用蚀刻工艺将多余铜膜去掉，生产探头20和引线30；采用化学气相沉积或物理气相沉积的方法在探针表面镀一层厚氮化硅膜；采用蚀刻工艺将探头20部位的氮化硅膜去掉；采用化学气相沉积或物理气相沉积的方法在探针表面再次生成一层铜金属膜60；采用化学机械研磨的方法，将多余金属膜60去除，漏出探头20部位的金属，并使探针表面平坦化。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电导探针，其特征在于，包括：

基体，所述基体的表面绝缘；

探头和引线，所述探头和所述引线均设置在所述基体的表面，所述引线与所述探头相连，所述引线用于与外部测试电路连接；

绝缘层，所述绝缘层包覆所述基体、所述引线且包覆所述探头的侧壁，所述探头背离所述基体的一端从所述绝缘层露出。

2.根据权利要求1所述的电导探针，其特征在于，所述探头和所述引线均为多个，多个所述探头和多个所述引线一一对应，多个所述探头至少分为一组，每组包括多个所述探头，每组的多个所述探头中的至少两个沿所述基体的轴向间隔开分布。

3.根据权利要求2所述的电导探针，其特征在于，每组的多个所述探头中的至少两个沿垂直于所述基体轴向的方向间隔开分布。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电导探针，其特征在于，所述基体包括：芯体和设于所述芯体表面的屏蔽层，所述屏蔽层为绝缘材料制成，所述探头和所述引线均设置在所述屏蔽层外。

5.根据权利要求4所述的电导探针，其特征在于，所述芯体为硅制成，所述屏蔽层为氧化硅或氮化硅制成。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的电导探针，其特征在于，所述探头背离所述基体的一端低于与所述绝缘层的外表面，且与所述绝缘层的高度差不大于1000nm。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的电导探针，其特征在于，所述电导探针的一端为锥形。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的电导探针，其特征在于，所述基体的横截面积小于0.15mm²。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的电导探针的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

基体加工；

探头与引线加工，在所述基体的表面生成金属膜，将多余的金属膜去掉以成型出探头与引线；

绝缘层加工，在所述基体、所述探头与所述引线的表面生成绝缘层，将探头端面的绝缘层去掉。

10.根据权利要求9所述的电导探针的制造方法，其特征在于，

所述步骤基体加工包括将硅片的表面热氧化或氮化，以使硅片的表面形成二氧化硅或氮化硅的屏蔽层；

或者，所述步骤在所述基体的表面生成金属膜包括在所述屏蔽层光刻形成探头与引线的图形，溅射金属或蒸金；

或者，所述步骤将多余的金属膜去掉以成型出探头与引线采用蚀刻或剥离工艺；

或者，所述步骤在所述基体、所述探头与所述引线的表面生成绝缘层采用化学气相沉淀或物理气相沉淀工艺；

或者，所述步骤将探头端面的绝缘层去掉包括光刻形成探头的图形，采用蚀刻工艺去掉探头处的绝缘层。