CN114577288A - 热式流量传感器及气体流量检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种热式流量传感器及气体流量检测方法，所述热式流量传感器包括：测流单元，形成在基底的表面，所述测流单元包括依次分立布置的上游热敏元件、加热电阻和下游热敏元件；补偿单元，形成在所述基底的表面，所述补偿单元包括位于所述测流单元上游的上游环境电阻及和位于所述测流单元下游的下游环境电阻；所述加热电阻用于通电加热所述上游热敏元件和所述下游热敏元件；所述加热电阻还用于通电发热，以通过流动气体加热所述上游环境电阻和所述下游环境电阻中的一个。本申请的热式流量传感器可以克服现有热式流量传感器无法对反向气流进行温度补偿的缺陷，同时，可以进行自检测判断，验证传感器的可靠性。

Description

热式流量传感器及气体流量检测方法

技术领域

本申请属于传感技术领域，具体涉及一种热式流量传感器及气体流量检测方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对传感器的要求越来越高，例如，要求传感器具有体积小、响应时间快、性能稳定等特点，而热分布式MEMS流量传感器可以满足上述需求。热式流量传感器主要有一路加热电阻与两路测温元件组成，通过保持加热电阻的恒定功率，根据不同流速下，上下游的测温元件反应的温度差来进行流量的测量。为了抑制温度变化对检测的影响，在热式流量传感器中，还设置对环境温度进行检测的温度补偿用电阻元件来实施温度补偿，温度补偿用电阻元件通常被设置在流量检测用电阻元件的上游，然而，当流体反向流动时，流体的温度受加热电阻影响，则无法进行准确补偿，从而不能进行反向流体的检测。另外，现有的热式流量传感器仅在出厂时进行质量检测，使用过程中出现的质量问题难以发现。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种热式流量传感器及气体流量检测方法，可以克服现有热式流量传感器无法对反向气流进行温度补偿的缺陷，同时，可以进行自检测判断，验证传感器的可靠性。

本申请实施例的第一方面，提供一种热式流量传感器，用于检测气体流量，包括：

测流单元，形成在基底的表面，所述测流单元包括依次分立布置的上游热敏元件、加热电阻和下游热敏元件；

补偿单元，形成在所述基底的表面，所述补偿单元包括位于所述测流单元上游的上游环境电阻及和位于所述测流单元下游的下游环境电阻；

所述加热电阻用于通电加热所述上游热敏元件和所述下游热敏元件；

所述加热电阻还用于通电发热，以通过流动气体加热所述上游环境电阻和所述下游环境电阻中的一个。其中一个阻值增大时，另一个的阻值对应的温度即为环境温度，用于补偿

可选地，所述热式流量传感器还包括：

导热层，形成在所述加热电阻的表面并与所述上游热敏元件和所述下游热敏元件的热端相接触。

可选地，所述基底的背面设有腔体，所述腔体位于所述基底对应所述加热电阻的位置。

可选地，所述上游热敏元件和所述下游热敏元件的热端位于所述基底对应所述腔体的位置。

可选地，所述基底包括衬底，所述衬底的表面设有支撑层，所述测流单元和所述补偿单元位于所述支撑层上，所述衬底的背面设有所述腔体并暴露所述支撑层。

可选地，所述加热电阻上设有通孔，用于形成并联结构，以减小所述加热电阻的阻值。

可选地，所述补偿单元还用于通电发热形成高温，以去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。

可选地，所述上游环境电阻和所述下游环境电阻为蛇形结构。

本申请实施例的第二方面，提供一种气体流量检测方法，包括流量检测的步骤，该步骤具体包括：

确定目标气流的流向；

根据确定的目标气流的流向，确定位于目标气流下游的热敏元件和环境电阻的温度是否同时升高；

若是，则以位于流动气体上游的环境电阻的温度作为环境温度，进行温度补偿。

可选地，在流量检测之后，所述方法还包括清洁的步骤，该步骤具体包括：

在补偿单元中通过电流，以使所述补偿单元发热形成高温，去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，该电子设备可以包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，处理器被配置为执行指令，以实现如本申请实施例的第二方面所述的气体流量检测方法。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种存储介质，当存储介质中的指令由信息处理装置或者服务器的处理器执行时，以使信息处理装置或者服务器实现以实现如本申请实施例的第二方面所述的气体流量检测方法。

本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本申请实施例的热式流量传感器，可以克服现有热式流量传感器无法对反向气流进行温度补偿的缺陷，实现对气流的双向检测。同时，本申请实施例的热式流量传感器还可以通过两个环境电阻的温度变化进行自检测判断，验证传感器的可靠性。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例中一种热式流量传感器的结构示意图；

图2是本申请一示例性实施例中一种热式流量传感器的剖视图；

图3是本申请一示例性实施例中一种气体流量检测方法的流程图；

图4为本申请一示例性实施例中一种电子设备的硬件结构示意图；

图5为实现本申请实施例的一种电子设备的硬件结构示意图；

图中，100、上游热敏元件；110、N+型多晶硅热电偶；120、P+型多晶硅热电偶；200、加热电阻；210、通孔；300、下游热敏元件；400、上游环境电阻；500、下游环境电阻；600、导热层；700、基底；710、衬底；720、支撑层；721、氧化硅层；722、氮化硅层；730、腔体；800、导线结构；910、元件保护层；920、芯片保护层；1、第一电极；2、第二电极；3、第三电极；4、第四电极；5、第五电极；6、第六电极；7、第七电极；8、第八电极；9、第九电极；10、第十电极。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-2所示，本申请实施例提供一种热式流量传感器，用于检测气体流量，包括：测流单元，形成在基底700的表面，测流单元包括依次分立布置的上游热敏元件100、加热电阻200和下游热敏元件300；补偿单元，形成在基底700的表面，补偿单元包括位于测流单元上游的上游环境电阻400及和位于测流单元下游的下游环境电阻500；加热电阻200用于通电加热上游热敏元件100和下游热敏元件300；加热电阻200还用于通电发热，以通过流动气体加热上游环境电阻400和下游环境电阻500中的一个。在具体应用中，当气体由上游元件流向下游元件时，气体流过会带走上游热敏元件100和加热电阻200的热量，并对下游热敏元件300和下游环境电阻500进行加热，此时，上游环境电阻400不受温度影响，上游环境电阻400的温度可以用于确定环境温度，对检测结果进行温度补偿；同理，当气体由下游元件流向上游元件时，气体流过会带走下游热敏元件300和加热电阻200的热量，并对上游热敏元件100和上游环境电阻400进行加热，此时，下游环境电阻500的温度可以用于确定环境温度，对检测结果进行温度补偿。可以看出，利用本申请实施例的热式流量传感器进行气体流量检测时，每次气体流过，其上游的环境电阻不受气体温度变化影响，因此，本申请实施例的热式流量传感器可以克服现有热式流量传感器无法对反向气流进行温度补偿的缺陷，实现对气流的双向检测。相应的，每次气体流过，其下游的环境电阻和热敏电阻都会升温，当该热敏元件不能升温或者温度变化不符合预期效果时，则可以确定传感器存在故障，因此，本申请实施例的热式流量传感器还可以通过两个环境电阻的温度变化进行自检测判断，验证传感器的可靠性。

在一些示例性实施例中，基底700表面还形成有测流单元和补偿单元的电极焊盘，用于通过导线结构800连接于电阻元件两端，与外部进行电气导通。具体地，电极焊盘包括第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4、第五电极5、第六电极6、第七电极7、第八电极8、第九电极9和第十电极10，其中，第一电极1、第二电极2分别连接于加热电阻200的两端，第三电极3、第四电极4分别连接于上游热敏元件100的两端，第五电极5、第六电极6分别连接于下游热敏元件300的两端，第七电极7、第八电极8分别连接于上游环境电阻400的两端，第九电极9、第十电极10分别连接于下游环境电阻500的两端。

在一些示例性实施例中，基底700可以采用单抛或双抛的半导体衬底，半导体衬底包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底。在本申请的实施例中，衬底710采用双抛的单晶硅衬底。

在一些示例性实施例中，加热电阻200为对温度敏感的热敏电阻材料，即其电阻与温度变化呈正相关的关系。优选地，加热电阻200使用镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、铜(Au)和多晶硅中的一种或者多种的组合。在本申请的实施例中，加热电阻200采用N+型多晶硅。进一步地，为了适应极端温度产生的应力变化，加热电阻200表面可以附着一层粘附层，优选地，粘附层使用钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、氧化钛(TiO₂)或者钛钨合金。

在一些示例性实施例中，上游热敏元件100和下游热敏元件300的阻值大于加热电阻200的阻值，例如，热敏元件的阻值为加热电阻200的2—100倍。其中，上游热敏元件100和下游热敏元件300为对温度敏感的热敏电阻材料，即其电阻与温度变化呈正相关的关系。优选地，上游热敏元件100和下游热敏元件300使用镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、铜(Au)和多晶硅中的一种或者多种的组合。在本申请的实施例中，上游热敏元件100和下游热敏元件300采用N+型多晶硅。进一步地，为了适应极端温度产生的应力变化，上游热敏元件100和下游热敏元件300表面可以附着一层粘附层，优选地，粘附层使用钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、氧化钛(TiO₂)或者钛钨合金。

在一些示例性实施例中，上游热敏元件100和下游热敏元件300为热电堆，由于热电堆是由N个热电偶串联而成，因此，输出电压为单个热电偶对输出的N倍，从而提高了传感器的灵敏度，进而实现热式流量传感器的信噪比和测量精度。进一步地，热电堆包括多组串联的热电偶对，每组热电偶对包括上下堆叠的N+型多晶硅热电偶和P+型多晶硅热电偶，N+型多晶硅热电偶和P+型多晶硅热电偶之间设有绝缘层，且通过导线结构800连接，从而在同样面积下，热电偶的数量进一步增加，可以进一步提高传感器的灵敏度。

在一些示例性实施例中，上游环境电阻400和下游环境电阻500为对温度敏感的热敏电阻材料，即其电阻与温度变化呈正相关的关系。优选地，上游环境电阻400和下游环境电阻500使用镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、铜(Au)和多晶硅中的一种或者多种的组合。在本申请的实施例中，上游环境电阻400和下游环境电阻500采用铂合金，通过磁控溅射沉积在基底700表面形成，上游环境电阻400和下游环境电阻500的厚度在0.1～10um。进一步地，为了适应极端温度产生的应力变化，上游环境电阻400和下游环境电阻500表面可以附着一层粘附层，优选地，粘附层使用钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、氧化钛(TiO₂)或者钛钨合金。

在一些示例性实施例中，上游环境电阻400和下游环境电阻500的阻值相等。

在一些示例性实施例中，为了提高传感器的灵敏度及测量精度，热式流量传感器还包括：导热层600，形成在加热电阻200的表面并与上游热敏元件100和下游热敏元件300的热端相接触。在具体应用中，导热层600作为媒介代替空气向热敏元件传导热量，一方面，可以将热量可以汇集在敏感元件的热端，提高热端温度，另一方面，可以减少敏感元件的冷端吸收的热量，从而可以增大冷热端的温度差，提高传感器的灵敏度及测量精度。优选地，导热层600的材料为氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化镁或氮化硼等高导热效率的材料。另外，导热层600还可以作为加热电阻200的保护层，保护加热电阻200不被损坏、不受污染，提高器件可靠性，结构稳定性。

在一些示例性实施例中，为了保证热量分布均匀，导热层600与上游热敏元件100及下游热敏元件300的接触面积相等。

在一些示例性实施例中，为了提高传感器的灵敏度与测量精度，导热层600与基底700之间设有隔热层(图中为标出)，隔热层可以阻止加热电阻200通电发热的过程中热量向基底700传递，减少热损失，有利于提高传感器的灵敏度与测量精度。优选地，隔热层采用氧化硅等绝缘隔热材料。

在一些示例性实施例中，为了减少热损失，基底700的背面设有腔体730，腔体730位于基底700对应加热电阻200的位置，该腔体730用于减少加热电阻200向基底700传递的热量，使加热电阻200发热时的温度场中心更靠近在基底700的表面，从而可以减少热损失，有利于提高传感器的灵敏度与测量精度。为了进一步减少加热电阻200向基底700背面传递的热量，基底700背面还可以设置腔体730保护层，用于封闭基底700背面的腔体730，形成真空结构，同时，还可以使用导热系数极低的气体或者液体充满腔体730。优选地，腔体730保护层为硅(Si)、石英玻璃(SiO2)、聚酰亚胺(Polyimide)或者陶瓷，腔体730保护层的厚度为0.1～0.7mm。

在一些示例性实施例中，为了保持热敏元件的冷热端的温度差，上游热敏元件100和下游热敏元件300的热端位于基底700对应腔体730的位置，热敏元件的冷端位于基底700的表面与非腔体730对应的位置。在具体应用中，腔体730可以减少热端向基底700及其背面传递热量，从而保持冷热端的温度差，有利于提高传感器的灵敏度与测量精度。

在一些示例性实施例中，基底700包括衬底710，衬底710的表面设有支撑层720，测流单元和补偿单元位于支撑层720上，衬底710的背面设有腔体730并暴露支撑层720。在具体应用中，支撑层720可以在腔体730形成过程中作为刻蚀衬底710的停止层，还可以作为加热电阻200及热敏元件的支撑层720。具体地，支撑层720可以由氧化硅层721和氮化硅层722堆叠形成，氧化硅层721具有较低的导热系数，可以阻止热量向衬底710及其背面传递，同时，由于氧化硅和氮化硅的热应力是方向相反互补的，选用不同厚度的氧化硅与氮化硅可以制备低应力复合膜，使支撑层720具有很好的支撑力。

在一些示例性实施例中，加热电阻200中设有通孔210，用于形成并联结构，以减小加热电阻200的阻值。在具体应用中，两个电阻并联，在电压不变的情况下，可以使加热电阻200的功率增加，发热量变大，从而有利于提高测量精度。优选地，通孔210可以是方形孔、圆形孔或椭圆形孔等中的一种，加热电阻200呈“回”字型。

在一些示例性实施例中，为了防止存在残留，影响检测精度，补偿单元还用于通电发热形成高温，以去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。在具体应用中，需要气体及芯片表面保持干燥清洁，才能保证测量的准确度，但是在应用时环境中难免会有少量杂质气体或者水汽会进入管道，导致其吸附在芯片表面进而导致测量的准确性，为此，在检测结束后，通过选通开关等方式对补偿单元施加高电平，可以使补偿单元发热形成高温，去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。

在一些示例性实施例中，为了使芯片表面的热量分布均匀，上游环境电阻400和下游环境电阻500为蛇形结构。

在一些示例性实施例中，热式流量传感器还包括保护层(图中未画出)，保护层设于测流单元、补偿单元和基底700的表面，可以保护元件不受损坏，提高传感器的使用寿命。进一步地，保护层为双层结构，包括元件保护层910和芯片保护层920，元件保护层910形成在加热电阻200、热敏元件、导热层600和基底700的表面，芯片保护层920形成在元件保护层910上。具体地，元件保护层910用以保护加热电阻200、上游热敏元件100、下游热敏元件300，并起到绝缘作用，元件保护层910可以使用碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、聚对二甲苯(Parylene)或者全氟树脂(Cytop)等材料制备，元件保护层910的厚度为0.01μm～100μm；芯片保护层920用以保护整个传感器，并提高传感器的整体强度和机械性能，这也是提高传感器使用寿命的关键保护层，芯片保护层920可以使用碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、二氧化硅(SiO₂)、聚对二甲苯(Parylene)或者全氟树脂(Cytop)等材料制备；芯片保护层920的厚度为0.01μm～100μm。由于采用硬度、耐磨性等机械性能更高的上述材料形成薄膜结构作为保护层，可以有效隔绝气体和液体以保护内部元件，将传感器整体强度提高50％，传感器寿命可达6年。

如图3所示，本申请实施例还提供一种气体流量检测方法，应用于前述实施例的热式流量传感器，包括流量检测的步骤，该步骤具体包括：

步骤S10、确定目标气流的流向；

步骤S20、根据确定的目标气流的流向，确定位于目标气流下游的热敏元件和环境电阻的温度是否同时升高；

步骤S30、若是，则以位于流动气体上游的环境电阻的温度作为环境温度，进行温度补偿。

根据上述步骤，当气体由该热式流量传感器的上游元件流向下游元件时，气体流过会带走上游热敏元件100和加热电阻200的热量，并对下游热敏元件300和下游环境电阻500进行加热，此时，上游环境电阻400不受温度影响，上游环境电阻400的温度可以用于确定环境温度，对检测结果进行温度补偿；同理，当气体由该热式流量传感器的下游元件流向上游元件时，气体流过会带走下游热敏元件300和加热电阻200的热量，并对上游热敏元件100和上游环境电阻400进行加热，此时，下游环境电阻500的温度可以用于确定环境温度，对检测结果进行温度补偿。可以看出，利用本申请实施例的热式流量传感器进行气体流量检测时，每次气体流过，其上游的环境电阻不受气体温度变化影响，因此，本申请实施例的热式流量传感器可以克服现有热式流量传感器无法对反向气流进行温度补偿的缺陷，实现对气流的双向检测。相应的，每次气体流过，其下游的环境电阻和热敏电阻都会升温，当该热敏元件不能升温或者温度变化不符合预期效果时，则可以确定传感器存在故障，因此，本申请实施例的热式流量传感器还可以通过两个环境电阻的温度变化进行自检测判断，验证传感器的可靠性。

在一些示例性实施例中，在流量检测之后，方法还包括清洁的步骤，该步骤具体包括：

在补偿单元中通过电流，以使补偿单元发热形成高温，去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。

如图4所示，本申请实施例还提供一种电子设备M00，包括处理器M01，存储器M02，存储在存储器M02上并可在处理器M01上运行的程序或指令，该程序或指令被处理器M01执行时实现上述方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

需要说明的是，本申请实施例中的电子设备包括上述的移动电子设备和非移动电子设备。

如图5所示，在一些示例性实施例中，提供一种电子设备x00，该电子设备x00包括但不限于：射频单元x01、网络模块x02、音频输出单元x03、输入单元x04、传感器x05、显示单元x06、用户输入单元x07、接口单元x08、存储器x09、以及处理器x10等部件。

本领域技术人员可以理解，电子设备x00还可以包括给各个部件供电的电源(比如电池)，电源可以通过电源管理系统与处理器x10逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电、以及功耗管理等功能。图5中示出的电子设备结构并不构成对电子设备的限定，电子设备可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置，在此不再赘述。

本申请实施例还提供一种存储介质，存储介质上存储有程序或指令，该程序或指令被处理器执行时实现上述方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

其中，处理器为上述实施例中的电子设备中的处理器。可读存储介质，包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种热式流量传感器，其特征在于，用于检测气体流量，包括：

测流单元，形成在基底的表面，所述测流单元包括依次分立布置的上游热敏元件、加热电阻和下游热敏元件；

补偿单元，形成在所述基底的表面，所述补偿单元包括位于所述测流单元上游的上游环境电阻及和位于所述测流单元下游的下游环境电阻；

所述加热电阻用于通电加热所述上游热敏元件和所述下游热敏元件；

所述加热电阻还用于通电发热，以通过流动气体加热所述上游环境电阻和所述下游环境电阻中的一个。

2.根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，所述热式流量传感器还包括：

导热层，形成在所述加热电阻的表面并与所述上游热敏元件和所述下游热敏元件的热端相接触。

3.根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，所述基底的背面设有腔体，所述腔体位于所述基底对应所述加热电阻的位置。

4.根据权利要求3所述的热式流量传感器，其特征在于，所述上游热敏元件和所述下游热敏元件的热端位于所述基底对应所述腔体的位置。

5.根据权利要求3所述的热式流量传感器，其特征在于，所述基底包括衬底，所述衬底的表面设有支撑层，所述测流单元和所述补偿单元位于所述支撑层上，所述衬底的背面设有所述腔体并暴露所述支撑层。

6.根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，所述加热电阻上设有通孔，用于形成并联结构，以减小所述加热电阻的阻值。

7.根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，所述补偿单元还用于通电发热形成高温，以去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。

8.根据权利要求7所述的热式流量传感器，其特征在于，所述上游环境电阻和所述下游环境电阻为蛇形结构。

9.一种气体流量检测方法，应用于权利要求1-8任一项所述的热式流量传感器，其特征在于，包括流量检测的步骤，该步骤具体包括：

确定目标气流的流向；

根据确定的目标气流的流向，确定位于目标气流下游的热敏元件和环境电阻的温度是否同时升高；

若是，则以位于流动气体上游的环境电阻的温度作为环境温度，进行温度补偿。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在流量检测之后，所述方法还包括清洁的步骤，该步骤具体包括：

在补偿单元中通过电流，以使所述补偿单元发热形成高温，去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。

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