CN111664907A - 流量传感器 - Google Patents
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Abstract
具有外壳(110，410)的可靠的流量传感器(100)，其具有可预测的热变化和减小的机械公差，用于更一致的流体流动和更一致的流量测量。通过在硅块(110，410)中使用蚀刻结构，可以使热变化可预测。使用光刻和高精度半导体制造设备和技术可以降低机械公差。
Description
技术领域
本发明涉及流量传感器，其具有可预测的热变化和降低的机械公差，以实现更一致的流体流动和更一致的流量测量。
背景技术
对小型、可靠的流量传感器有很大的需求。基于热传递概念的MEMS装置是一项商业上成功的技术。尽管在市场上取得了成功，但目前可用的设备具有相似的设计，因此具有一些相同的性能和制造缺陷。
流量传感器可称为热线风速计(hot-wire anemometer)，可由至少两个电阻组成。一个电阻器可以由难熔材料制成，当电流通过它时，它可以加热到可控的温度。第二电阻器可以是感测电阻器，并且可以是未加热的。可以驱动电流通过该感测电阻器，并测量所得电压以计算其电阻。
当流量传感器工作时，难熔电阻器中的电流会导致难熔电阻器发热。当气体或其他流体流过难熔电阻器到达感测电阻器时，热量可以从难熔电阻器传递到感测电阻器。这会导致感测电阻器发热，进而导致感测电阻器的电阻发生变化。可以测量这种电阻的变化，并根据这种变化确定流量。
流量传感器中气体或其他流体的流量可以部分取决于容纳流量传感器的外壳的形状和轮廓。但是这些外壳的尺寸和形状会随着外壳温度的变化而变化。这些与温度相关的变化可能是有问题的，尤其是当它们不可预测时。此外，这些外壳的尺寸和形状会受到制造公差的影响。这些变化会导致待测流量的变化和测量不一致。
要解决的问题是提供具有外壳的可靠的流量传感器，其具有可预测的热变化和减小的机械公差，以实现更一致的流体流量和更一致的流量测量。
发明内容
通过提供具有外壳的可靠流量传感器来解决该问题，其具有可预测的热变化和降低的机械公差，以实现更一致的流体流量和更一致的流量测量。
说明性实施例可以提供具有改进外壳的流量传感器。这些外壳可以包括用于气体或其他流体的通道。可以使用光刻和高精度半导体制造设备和技术来形成通道，以降低它们的机械公差。这可以缩减或减少通道的尺寸、形状和体积的变化，从而导致流量测量具有改进的一致性。
本发明的这些和其他实施例可以在由单片硅块形成的流量传感器外壳中提供通道。使用硅块可以提供具有高度可预测和可重复的热机械特性的通道，该通道可以容易地被解释，从而提供更一致的测量。
在本发明的这些和其他实施例中，第一硅块可以附接到第二硅块，从而形成通道。该第一硅块可以包括一个或多个难熔电阻器和一个或多个感测电阻器。这些电阻器可以是圆形、多边形或其他形状。它们每一个都可以形成为螺旋，例如阿基米德螺旋、渐开线、费马螺旋或其他类型的螺旋。它们每一个都可以形成一条直线或直线阵列。它们可以具有相同或相似的形状，也可以具有不同的形状。可以在内部感测电阻器周围形成难熔电阻器。在这些和其他实施例中，可以在内部难熔电阻器周围形成感测电阻器。用于流体流动的出口通道可以形成为穿过第二硅块的孔，其中感测电阻器和难熔电阻器形成在出口通道周围。第二硅块中的通道和第一硅块中的出口通道可以形成让气体或其他流体通过流量传感器的流动路径，其中流体流过通道并流出出口通道。在本发明的这些和其他实施例中，出口通道可以是入口，流体可以流入入口并流出通道。在本发明的这些和其他实施例中，在第一硅块中可能没有出口通道或入口。在这种配置中，流体流动可以通过第二硅块中的通道。
本发明的这些和其他实施例可以提供双向流量传感器。在一种情况下，流体可以从难熔电阻器流过感测电阻器。这会导致感测电阻器的温度升高，从而导致其电阻升高。电阻的增加是可以测量的。或者，流体可以从感测电阻器流过难熔电阻器。在这种情况下，当由难熔电阻器加热的气体或流体从感测电阻器被带向难熔电阻器时，感测电阻器的温度可以降低。
在本发明的这些和其他实施例中，形成通道的第二硅块可以附接到第一硅块。第一硅块中可以没有或省略了出口通道。该第一硅块可以包括一个或多个难熔电阻器和一个或多个感测电阻器。这些电阻器可以是圆形、多边形或其他形状。它们每一个都可以形成为螺旋，例如阿基米德螺旋、渐开线、费马螺旋或其他类型的螺旋。它们每一个都可以形成一条直线或直线阵列。它们可以具有相同或相似的形状，也可以具有不同的形状。难熔电阻器可以形成在感测电阻器的第一侧。在这些和其他实施例中，感测电阻器可以形成在难熔电阻器的第一侧。该通道可以在第一端具有入口，在第二端具有出口或出口通道，流体从入口流到出口或出口通道。
在本发明的这些和其他实施例中，形成通道的第一硅块可以附接到第二硅块、板、壳体或其他基板。第一硅块可以包括一个或多个难熔电阻器和一个或多个感测电阻器。这些电阻器可以形成在第一硅块的通道中。这些电阻器可以是圆形、多边形或其他形状。它们每一个都可以形成为螺旋，例如阿基米德螺旋、渐开线、费马螺旋或其他类型的螺旋。它们每一个都可以形成一条直线或直线阵列。它们可以具有相同或相似的形状，也可以具有不同的形状。难熔电阻器可以形成在感测电阻器的第一侧。在这些和其他实施例中，感测电阻器可以形成在难熔电阻器的第一侧。该通道可以在第一端具有入口，在第二端具有出口或出口通道，流体从入口流到出口或出口通道。
可以实现这种基本设计的几种变型，例如同心环电阻器或安装在薄膜上以减少热质量的电阻器等。
附图说明
现在将参照附图通过例子来描述本发明，其中:
图1示出了根据本发明实施例的流量传感器的一部分；
图2示出了根据本发明实施例的流量传感器的一部分的俯视图；
图3示出了根据本发明实施例的流量传感器中的气体流动；
图4是根据本发明实施例的流量传感器的分解图；
图5是根据本发明实施例的流量传感器的连结视图；
图6示出了根据本发明实施例的另一流量传感器；和
图7示出了根据本发明实施例的另一流量传感器的一部分。
具体实施方式
传统的流量传感器(flow sensor)可以提供流量测量，流量测量依赖于气体在传感电阻和反射电阻上的运动。气体的这种运动又取决于传感器所在的外壳的几何形状。在所涉及的尺寸范围内，外壳壁的热膨胀系数及其尺寸公差会显著影响被测量的流量值，任何外部扭矩或其他机械效应也会造成影响。因此，本发明的实施例可以提供一种装置架构，以减少与影响外壳的热和机械因素相关联的测量不确定性。
图1示出了根据本发明实施例的流量传感器的一部分。该图与其他包括的图一样，是出于说明的目的而示出的，并且不限制本发明的可能实施例或权利要求。
第一硅块(silicon block)110可以是流量传感器100的一部分(如图5所示)。)第一硅块110可以包括出口通道120，围绕该出口通道可以排列一个或多个难熔电阻器(refractory resistor)140和一个或多个感测电阻器130。焊盘150可用于将第一硅块110上的难熔电阻器140和感测电阻器130以及其他部件电连接到流量传感器100外部的其他电子电路。
出口通道120可以由光刻和高精度半导体制造设备来限定和制造，例如使用深反应离子蚀刻(DRIE)或其他技术。结果，出口通道120的尺寸、形状和体积可以被严格控制。这种高度的精度和控制意味着流量测量读数在不同流量传感器间是一致的，因为它们应该具有非常相似的尺寸。
此外，因为出口通道120可以被切割成单片第一硅块110，所以出口通道120的热机械特性既简单又容易理解，因此是可预测的。这种可预测性可以允许补偿这些影响。例如，由于硅随温度的膨胀是众所周知的，这种膨胀的影响可以很容易地预测。这可以允许流量测量值作为温度的函数进行校正。
图2示出了根据本发明实施例的流量传感器的一部分的俯视图。气体或其它流体300(如图3所示)可由压力梯度驱动，从装置的顶表面通过第一硅块110中的出口通道120，并流出第一硅块110的底部(未示出)。在这种情况下，外部电阻器环可以是难熔电阻器140，内部电阻器环可以是感测电阻器130。在本发明的这些和其他实施例中，感测电阻器可以被定位为电阻器140，而难熔电阻器可以被定位为电阻器130。出口通道120可以位于第一硅块110的中心处或附近。
第一硅块110可以包括一个或多个难熔电阻器140和一个或多个感测电阻器130。例如，在本发明的这些和其他实施例中，感测电阻器130可以位于难熔电阻器140的每一侧。在这个例子中，两个电阻器130和140被示为同心环，但是在本发明的这些和其他实施例中，这些电阻器中的任一个或两个可以具有不同的形状。这些电阻器130和140中的任一个或两个可以具有圆形、多边形或其他形状。电阻器130和140中的任一个或两个可以形成为螺旋，例如阿基米德螺旋、渐开线、费马螺旋或其他类型的螺旋。它们每一个都可以形成一条直线或直线的阵列。它们可以具有相同或相似的形状，或可以具有不同的形状。在本发明的这些和其他实施例中，这些电阻器中的一个或两个可以被分成一系列的两个或多个弧，或者两条或多条直线，或者两个或多个任意形状。在本发明的这些和其他实施例中，可以有单个难熔电阻器140和多个感测电阻器130，可以有多个难熔电阻器140和单个感测电阻器130，可以有一个难熔电阻器140和一个感测电阻器130，或者每一种感测电阻器可以有多个。如该示例所示，难熔电阻器140可以形成在内部感测电阻器130周围，或者再次，感测电阻器可以形成在内部难熔电阻器周围。
电阻器130和140中的任一个或两个可以由注入或扩散的硅制成，在这种情况下，它们与第一硅块110的表面齐平，或者电阻器130和140中的任一个或两个可以由诸如铂或钨这样的难熔金属制成。它们也可以由掺杂多晶硅制成。
由于这些装置依赖于对温度的敏感性，因此可以通过各种增强来提高温度敏感性。一种方法是将感测电阻器130安装在薄膜上，减少周围的热质量(thermal mass)，从而导致更快速的温度变化。第二种方法是在电阻器130和140周围蚀刻沟槽，从而减少周围区域的热质量。
图3示出了根据本发明实施例的气体或流体如何在流量传感器中流动。当气体或其他流体300流过流量传感器100(如图5所示)时，它会被迫通过第一硅块110的中心或其附近的出口通道120。这会产生从外边缘向第一硅块110的中心的横向流动310。随着气体或其他流体300流过被加热的难熔电阻器140、然后流过感测电阻器130、并经过出口通道120，该流动方向可导致内部感测电阻器130的温度升高。在本发明的这些和其他实施例中，气体或其他流体300的流动可以从第一硅块110的背侧流出并离开第一硅块110的顶部。
更具体地，可以驱动电流通过难熔电阻器140，从而加热难熔电阻器140。难熔电阻器140可以加热气体或其他流体300。被加热的气体或其他流体300然后可以经过感测电阻器130，从而加热感测电阻器130。可以驱动电流通过感测电阻器130，并测量得到的电压。所得电压除以电流就是感测电阻器130的值。感测电阻器130中的电流可以很小，以减少自发热。感测电阻器130的值可用于确定气体或流体300的流量。气体或其他流体300可以流过出口通道120并流出第一硅块110的底部。
图4是根据本发明实施例的流量传感器的分解图。该图示出了流量传感器100，其中第二硅块410提供了经过表面的更平坦的流动。在流量传感器100中，具有蚀刻通道420的第二硅块410可以连结到第一硅块110的顶表面。所得到的配置可以提供流量传感器100，其中在操作期间，气体或其他流体300(如图3所示)可以被强制横向移动经过第一硅块110的顶表面，以到达低压出口通道120。
通道420可以由光刻和高精度半导体制造设备来限定和制造，例如使用深反应离子蚀刻(DRIE)或其他技术。结果，通道420的尺寸、形状和体积可以被严格控制。这种高度的精度和控制意味着流量测量读数在不同流量传感器之间是一致的，因为它们应该具有非常相似的尺寸。
此外，因为通道420可以被切割成单片第二硅块410，所以通道420的热机械特性既简单又容易理解，因此是可预测的。这种可预测性可以补偿这些影响。例如，由于硅随温度的膨胀是众所周知的，这种膨胀的影响可以很容易地预测。这可以允许流量测量值作为温度的函数进行校正。
图5是根据本发明实施例的流量传感器的斜视图。第二硅块410可以在连结部412连结到第一硅块110，以形成流量传感器100。蚀刻的通道420可以引导气流进入装置并穿过第一硅块110的表面并进入出口通道120，从而改善流量传感器的平面或层流。
附加电路可以位于第一硅块110或第二硅块410(两者都可以称为管芯)中的任一个或两个上，或者位于与第一硅块110或第二硅块410相关联的其他结构上。该电路可以包括用于为难熔电阻器140提供和控制加热电流的电流发生器。该电路还可以包括用于为感测电阻器130提供感测电流的电流发生器。可以包括模数转换器和其他电路，以将感测电阻器130两端的电压转换成数字值。也可以包括信号调节或处理电路。
在本发明的这些和其他实施例中，出口通道120可以从第一硅块中缺失或省略。在这些结构中，流动路径可以通过第二硅块中的一个或多个通道。下图显示了一个示例。
图6示出了根据本发明实施例的另一流量传感器。第一硅块610可以是流量传感器600的一部分。第一硅块610可以包括一个或多个难熔电阻器614和一个或多个感测电阻器612。例如，在本发明的这些和其他实施例中，感测电阻器612可以位于难熔电阻器614的每一侧。焊盘618可用于将第一硅块610上的难熔电阻器614和感测电阻器612以及其他部件电连接到流量传感器600外部的其他电子电路。
通道622可以形成在第二硅块620中。气体或其他流体300(如图3所示)可以进入通道622，经过难熔电阻器614。可以驱动电流通过难熔电阻器614，从而加热难熔电阻器614。难熔电阻器614可以加热气体或其他流体300。被加热的气体或其他流体300然后可以经过感测电阻器612，从而加热感测电阻器612。可以驱动电流通过感测电阻器612，并测量所得的电压。感测电阻器612中的电流可以很小，以减少自发热。所得电压除以电流就是感测电阻器612的值。感测电阻器612的值可用于确定气体或流体300的流量。气体或其他流体300可以从通道622流出流量传感器600的背侧(如图所示，在靠近焊盘618的点处)。感测电阻器612和难熔电阻器614中的任一个或两个可以与通道622提供的流体流动方向平行地、垂直地或以另一角度定位。
通道622可以由光刻和高精度半导体制造设备来限定和制造，例如使用深反应离子蚀刻(DRIE)或其他技术。结果，通道622的尺寸、形状和体积可以被严格控制。这种高度的精度和控制意味着流量测量读数在不同流量传感器之间是一致的，因为它们应该具有非常相似的尺寸。
此外，由于通道622可以被切割成单片第二硅块620，通道622的热机械特性既简单又容易理解，因此是可预测的。这种可预测性可以补偿这些影响。例如，由于硅随温度的膨胀是众所周知的，所以这种膨胀的影响可以很容易地预测。这可以允许流量测量结果作为温度的函数来校正。
在该示例中，难熔电阻器614和感测电阻器612被示为形成为直线那样的并联电阻器，但是在本发明的这些和其他实施例中，这些电阻器中的任一个或两个可以具有不同的形状。这些电阻器612和614中的任一个或两个可以具有圆形、多边形或其他形状。电阻器612和614中的任一个或两个可以形成为螺旋，例如阿基米德螺旋、渐开线、费马螺旋或其他类型的螺旋。它们每个都可以形成一条直线。它们可以具有相同或相似的形状，也可以具有不同的形状。在本发明的这些和其他实施例中，这些电阻器中的任一个或两个可以被分成一系列的两个或多个弧，或者两条或多条直线，或者两个或多个任意形状。在本发明的这些和其他实施例中，可以有单个难熔电阻器614和多个感测电阻器612，可以有多个难熔电阻器614和单个感测电阻器612，可以有一个难熔电阻器614和一个感测电阻器612，或者每种感测电阻器可以有多个。
电阻器614和612中的任一个或两个可以由注入或扩散的硅制成，在这种情况下，它们与第一硅块610的表面齐平，或者电阻器614和612中的任一个或两个可以由诸如铂或钨这样的难熔金属制成。它们也可以由掺杂多晶硅制成。
由于这些装置依赖于对温度的敏感性，因此可以通过各种增强来提高温度敏感性。一种方法是将感测电阻器612安装在薄膜上，减少周围的热质量，从而导致更快速的温度变化。第二种方法是在电阻器612和614周围蚀刻沟槽，从而减少周围区域的热质量。
附加电路可以位于第二硅块620或第一硅块610(两者都可以称为管芯)中的任一个或两个上，或者位于与第二硅块620或第一硅块610相关联的其他结构上。该电路可以包括用于为难熔电阻器614提供和控制加热电流的电流发生器。该电路还可以包括用于为感测电阻器612提供感测电流的电流发生器。可以包括模数转换器和其他电路，以将感测电阻器612两端的电压转换成数字值。也可以包括信号调节或处理电路。
图7示出了根据本发明实施例的另一流量传感器的一部分。第一硅块710可以是流量传感器700的一部分。第一硅块710可以包括一个或多个难熔电阻器740和一个或多个感测电阻器730。例如，在本发明的这些和其他实施例中，感测电阻器730可以位于难熔电阻器740的每一侧。焊盘(未示出)可用于将第一硅块710上的难熔电阻器740和感测电阻器730以及其他部件电连接到流量传感器700外部的其他电子电路。
通道720可以形成在第一硅块710中。一个或多个难熔电阻器740和一个或多个感测电阻器730可以形成在通道720中。由第二硅块、板或其他基板形成的盖750可以通过连结、粘合剂或其他方法或物质附接到第一硅块710的表面712，以形成包括通道720的流动路径。
在操作期间，气体或其它流体300(如图3所示)可以在入口722处进入通道720，经过难熔电阻器740。可以驱动电流通过难熔电阻器740，从而加热难熔电阻器740。难熔电阻器740可以加热气体或其他流体300。被加热的气体或其他流体300然后可以经过感测电阻器730，从而加热感测电阻器730。可以驱动电流通过感测电阻器730，并测量所得到的电压。感测电阻器730中的电流可以很小，以减少自发热。所得电压除以电流就是感测电阻器730的值。感测电阻器730的值可用于确定气体或流体300的流量。气体或其他流体300可以在出口724处从通道720排出。感测电阻器730和难熔电阻器740中的任一个或两者可以与通道720提供的流体流动方向平行地、垂直地或以以另一角度定位。
通道720可以由光刻和高精度半导体制造设备来限定和制造，例如使用深反应离子蚀刻(DRIE)或其他技术。结果，通道720的尺寸、形状和体积可以被严格控制。这种高度的精度和控制意味着流量测量读数在流量传感器之间是一致的，因为它们应该具有非常相似的尺寸。
此外，因为通道720可以被切割成单片第一硅块710，所以通道720的热机械特性既简单又容易理解，因此是可预测的。这种可预测性可以补偿这些影响。例如，由于硅随温度的膨胀是众所周知的，所以这种膨胀的影响可以很容易地预测。这可以允许流量测量值作为温度的函数来校正。
在该示例中，难熔电阻器740和感测电阻器730被显示为为形成为如直线那样的并联电阻器，尽管在本发明的这些和其他实施例中，这些电阻器中的一个或两个可以具有不同的形状。这些电阻器730和740中的任一个或两个可以具有圆形、多边形或其他形状。电阻器730和740中的任一个或两个可以形成为螺旋，例如阿基米德螺旋、渐开线、费马螺旋或其他类型的螺旋。它们每个都可以形成一条直线。它们可以具有相同或相似的形状，也可以具有不同的形状。在本发明的这些和其他实施例中，这些电阻器中的一个或两个可以被分成一系列的两个或多个弧，或者两条或多条直线，或者两个或多个任意形状。在本发明的这些和其他实施例中，可以有单个难熔电阻器740和多个感测电阻器730，可以有多个难熔电阻器740和单个感测电阻器730，可以有一个难熔电阻器740和一个感测电阻器730，或者每种感测电阻器可以有多个。
电阻器740和730中的任一个或两个可以由注入或扩散的硅制成，在这种情况下，它们与第一硅块710的表面齐平，或者其任一个或两个可以由诸如铂或钨这样的难熔金属制成。它们也可以由掺杂多晶硅制成。
由于这些装置依赖于对温度的敏感性，因此可以通过各种增强来提高温度敏感性。一种方法是将感测电阻器730安装在薄膜上，减少周围的热质量，从而导致更快速的温度变化。第二种方法是在电阻器730和740周围蚀刻沟槽，从而减少周围区域的热质量。
附加电路可以位于第一硅块710或盖750中的任一个或两个上，或者与第一硅块710或盖750相关联的其他结构上。该电路可以包括用于为难熔电阻器740提供和控制加热电流的电流发生器。该电路还可以包括用于为感测电阻器730提供感测电流的电流发生器。可以包括模数转换器和其他电路，以将感测电阻器730两端的电压转换成数字值。也可以包括信号调节或处理电路。
上述各种流量传感器以及本发明实施例提供的其他流量传感器可以由模拟电压或电流驱动。这些流量传感器可以提供模拟电压或电流输出信号。可以专门开发或商业上可获得的各种信号处理电路(未示出)可以用来简化来自流量传感器的信号的解译。流量传感器的一种实施方式保持恒定的电流流过难熔传感器，并读出感测电阻器电阻的变化，该电阻可以随着流量的变化而变化。另一种方法是迫使难熔材料中的电流以感测电阻器的温度保持恒定的方式变化。另一种方法是向难熔电阻器提供电流脉冲以产生加热脉冲，并测量加热脉冲在感测电阻器处被感测的时间。
流量可以通过多种方式从感测电阻器的电阻获得。例如，气体或其他流体流动可以以已知的方式变化，并测量所得的电阻。产生的电阻以及气体和流体流量之间的关系可以在流量传感器操作期间被发现和使用，以通过感测电阻来确定气体或流体流量。在不同的温度下，可以发现产生的电阻以及气体和流体流动之间的关系。在操作期间，流量传感器的温度可用于校准测量的感测电阻器的电阻，从而针对温度校准气体或流体流量。
Claims (10)
1.一种流量传感器(100)，包括:
第一硅块(110),包括:
顶表面和底表面，以及从顶表面延伸到底表面的通道(120)；
感测电阻器(130)，其周向地位于顶表面中的开口周围，顶表面中的开口由通道(120)形成；和
难熔电阻器(140),其周向地位于顶表面中的开口周围；和
第二硅块(410),包括:
引导气流经过第一硅块(110)的顶表面的通道(420)。
2.根据权利要求1所述的流量传感器(100)，其中，所述难熔电阻器(140)是围绕所述感测电阻器(130)周向定位的多个难熔电阻器(140)中之一，并且所述感测电阻器(130)是多个感测电阻器(130)中之一。
3.根据权利要求2所述的流量传感器(100)，其中所述难熔电阻器(140)和所述感测电阻器(130)是圆形的。
4.根据权利要求2所述的流量传感器(100)，其中所述难熔电阻器(140)和所述感测电阻器(130)具有多边形形状。
5.根据权利要求2所述的流量传感器(100)，其中所述难熔电阻器(140)和所述感测电阻器(130)具有螺旋形状。
6.根据权利要求2所述的流量传感器(100)，其中所述第一硅块(110)连结到所述第二硅块(410)。
7.根据权利要求2所述的流量传感器(100)，其中所述通道(422)使用深反应离子蚀刻形成。
8.一种流量传感器(100)，包括:
第一硅块(110),包括:
顶表面；
位于顶表面上的感测电阻器(130)；和
难熔电阻器(140)，位于顶表面上并远离感测电阻器(130)；和
第二硅块(410),包括:
引导气流经过第一硅块(110)的顶表面的通道(422)。
9.根据权利要求8所述的流量传感器(100)，其中通道(422)将气流从难熔电阻器(140)导向感测电阻器(130)，并且其中通道(422)使用深反应离子蚀刻形成。
10.根据权利要求8所述的流量传感器(100)，其中所述感测电阻器(130)和所述难熔电阻器(140)各自形成为彼此平行放置的多个电阻器(612，614)。
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