CN114902020A - 热流体流传感器 - Google Patents

Abstract

我们在本文中公开了一种流和热量传导传感器，包括：半导体衬底，该半导体衬底包括蚀刻部分；介电区域，该介电区域位于半导体衬底上，其中介电区域包括位于半导体衬底的蚀刻部分上方的至少一个介电膜；以及加热元件，该加热元件位于介电膜内。介电膜包括位于加热元件与介电膜的边缘之间的一个或多个间断部。

Description

热流体流传感器

技术领域

本公开涉及一种微型机械传感器，具体地但不排他地，本公开涉及一种具有形成在不连续介电膜内的加热器，以基于导热性能来感测流体流的性能或流体的成分的流体流传感器。

背景技术

热流体流传感器利用传感器本身与流体之间的热相互作用。根据控制相互作用的物理现象，流传感器可以分为以下三类：

(i)风速传感器，该风速传感器测量由经过经加热的元件的流体流所引起的对流热传递；

(ij)量热传感器，该量热传感器检测由经加热的元件产生并由流体流的强制对流引起的温度分布的非对称性；以及

(iii)飞行时间(ToF)传感器，该飞行时间传感器测量应用与感测热脉冲之间所经历的时间。

关于热流体流传感器的综述已发表在(B.Van Oudheusden，“Silicon flowsensors”，Control Theory and Applications，IEE Proceedings D，1988年，第373-380页；B.Van Oudheusden，“Silicon thermal flow sensors”，Sensors and Actuators A：Physical，第30卷，第5-26页，1992年；N.Nguyen，“Micromachined flow sensors-Areview”，Flow measurement and Instrumentation，第8卷，第7-16页，1997年；Y.-H.Wang等人，“MEMS-based gas flow sensors”，Microfluidics and nanofluidics，第6卷，第333-346页，2009年；J.T.Kuo等人，“Micromachined Thermal Flow Sensors-A Review"，Micromachines，第3卷，第550-573页，2012年)。进一步的背景也可以在Kersies等人的US6460411中找到。

在A.Van Putten和S.Middelhoek的“Integrated silicon anemometer”，Electronics Letters，第10卷，第425-426页，1974年，以及A.Van Putten的“Anintegrated silicon double bridge anemometer”，Sensors and Actuators，第4卷，第387-396页，1983年中，基于电阻器的风速计被集成在惠斯通电桥配置内的芯片上。B.VanOudheusden和J.Huijsing的“Integrated flow friction sensor”，Sensors andActuators，第15卷，第135-144页，1988年，提出了一种经校准以用于摩擦测量的热流传感器，其中除了加热电阻器和环境温度监测晶体管之外的热电偶被集成在芯片上。J.H.Huijsing等人的“Monolithic integrated direction-sensitive flow sensor”，Electron Devices，IEEE Transactions on，第29卷，第133-136页，1982年、W.S.Kuklinski等人的“Integrated-circuit bipolar transistor array for fluid-velocitymeasurements”，Medical and Biological Engineering and Computing，第19卷，第662-664页，1981年、Platzer的US3992940、以及T.Qin-Yi和H.Jin-Biao的“A novel CMOS flowsensor with constant chip temperature(CCT)operation"，Sensors and actuators，第12卷，第9-21页，1987年是基于晶体管的风速计的示例。前文提及的引用文献的一个缺点是这些传感器具有高功耗、低敏感性、以及传感器的慢动态响应。

在D.Moser等人的“Silicon gas flow sensors using industrial CMOS andbipolar IC technology”，Sensors and Actuators A：Physical，第27卷，第577-581页，1991年中，由七个npn晶体管组成的阵列被用作加热元件并且被悬浮在晶体硅悬臂梁上以实现有效的热隔离。用普通的pn二极管测量光束上的温度。在以恒定功率驱动加热器时，跨19个硅/铝热电偶(热接点位于梁上，并且冷接点位于衬底上)的电压与气体流速相关。该装置具有机械脆性和振动敏感性。

类似地，L.Lofdahl等人的“A sensor based on silicon technology forturbulence measurements”，Journal of Physics E：Scientific Instruments，第22卷，第391页，1989年，提出了集成在悬臂梁上的加热电阻器和加热器温度感测二极管。将聚酰亚胺用作梁与衬底之间的热隔离材料，这影响了梁的机械强度。

在R.Kersjes等人的“An integrated sensor for invasive blood-velocitymeasurement”，Sensors and Actuators A：Physical，第37卷，第674-678页，1993年中，将以恒定加热功率驱动的多晶硅加热器和用于加热器温度监测的第一二极管放置在硅膜上。将第二二极管放置在衬底上来监测环境温度。类似的传感器在A.Van der Wiel等人的“Aliquid velocity sensor based on the hot-wire principle”，Sensors and ActuatorsA：Physical，第37卷，第693-697页，1993年中被提出，其中，为了提高传感器的温度敏感性，将更多的晶体管以二极管配置串联连接。使用硅作为膜材料会导致传感器具有高功耗、低敏感性、以及传感器的慢动态响应。

在Kersjes等人的US6460411中，提出了一种通过隔热材料的狭缝进行穿孔的硅膜，但制造工艺更复杂。

在US20160216144A1中公开了一种CMOS流传感器，包括加热元件和多个热电偶。热电偶提供了在膜内的附加散热路径，从而增加了功耗、降低了敏感性并且减慢了传感器的动态响应。

在E.Yoon和K.D.Wise的“An integrated mass flow sensor with on-chip CMOSinterface circuitry”，Electron Devices，IEEE Transactions on，第39卷，第1376-1386页，1992年，提出了一种多测量流传感器。然而，制造工艺并不完全兼容CMOS，因此比完全兼容CMOS的工艺更昂贵。

N.Sabaté等人的“Multi-range silicon micromachined flow sensor”，Sensorsand Actuators A：Physical，第110卷，第282-288页，2004年，提出了一种多量程流传感器，该多量程流传感器使用镍电阻器作为温度传感器，并且将镍电阻器定位在距镍电阻加热器的不同距离处。镍不是标准的CMOS材料，因此传感器制造工艺比完全兼容CMOS的工艺更昂贵。

在G.De Graaf和R.F.Wolffenbuttel，“Surface-micromachined thermalconductivity detectors for gas sensing”，2012 IEEE InternationalInstrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings，第1861-1864页中，提出了一种包括用于温度控制的加热器和两个嵌入在介电穿孔膜中的以用于进行感测的热电堆的结构。通过对装置工作行为没有影响的通过孔的正面蚀刻来获得膜。但是该工艺没有对流的影响进行补偿。

US20180143051A1提出了一种在全桥配置中使用四个电阻器的结构，其中至少一个不受流影响的外部元件与先前元件中的任何一个进行联接。这种设计需要复杂的用于读出的电路，并使用大电阻来增加输出信号，这会严重破坏膜所提供的绝缘性。

基于嵌入在膜中的热线的传统流传感器是已知的。还努力通过使用热量传导传感器来量化流体的组成。

图1示出了基于加热元件和自感应元件的现有技术水平的流传感器的横截面，图2示出了基于加热元件和自感应元件的现有技术水平的流传感器的俯视图。该装置具有可以基于诸如硅的半导体材料的衬底1、包含一个或多个介电层2的膜、以及加热器3。通过使用干法蚀刻或湿法蚀刻技术，以背面蚀刻(如图所示)或正面蚀刻来限定膜。当流体在膜4的顶部上经过时，加热器3由于热对流损失而冷却。这可以通过将加热器的电阻变化与流量、流速、体积或质量流率相关联来简单地测量。加热器3通过连接件和焊盘5(如图2所示)来连接在外部。可选地，可以通过修改供应到加热器元件的功率来将加热器保持在恒定温度或恒定电阻模式。在这种情况下，可以测量由于流量、流速、体积或质量流率而引起的功率的变化。

发明内容

目前可用的传感器至少具有以下缺点：

·传感器的功耗高、敏感性低、以及动态响应慢；

·机械脆性和振动敏感性；

·传感器支撑结构的机械强度降低；

·复杂的制造工艺；

·不完全兼容CMOS的制造工艺；以及

·昂贵的制造工艺。

至少由于以下原因，本公开的装置优于现有技术水平的装置：

·对经加热的元件的热隔离降低了功耗、提高了敏感性、并且提供了传感器的快速动态响应；

·与梁结构相比，膜结构的机械脆性和振动敏感性降低；

·用于介电膜的合适的介电材料提高了膜的机械强度；

·用于介电膜的合适的介电材料降低了功耗、提高了敏感性、并且提供了传感器的快速动态响应；

·膜内的间断部减少了功耗、敏感性以及动态响应问题；并且

·这些装置完全兼容CMOS，因此可以使用完全兼容CMOS的工艺制造。

当前所公开的传感器(被称为流和热量传导传感器)能够(i)测量由在经加热的元件上经过的流体流所引起的对流热传递；和/或(ii)基于流体流的每个成分的不同导热率来测量流体的组成。

在所附权利要求中阐述了各个方面和优选特征。

根据本公开的第一方面，提供了一种流和热量传导传感器，包括：半导体衬底，该半导体衬底包括蚀刻部分；介电区域，该介电区域位于衬底上，其中介电区域包括位于半导体衬底的蚀刻部分上方的至少一个介电膜；以及加热元件，该加热元件位于介电膜内，其中介电膜包括位于加热元件与介电膜的边缘之间的至少一个凹槽区域。

介电膜的边缘可以指介电膜的外周边缘，换言之，可以指介电膜与半导体衬底相接或接合的区域。半导体衬底上方的介电区域的面积可以指介电膜的外部的介电区域的面积。

凹槽区域可以位于加热元件与介电膜的沿流的方向与加热元件间隔开的边缘之间。换言之，凹槽区域可以沿着由经过传感器的流的方向限定的轴线与加热元件间隔开。

介电区域可以包括介电层或包括至少一个介电层的多个层。加热元件可以被完全嵌入或部分嵌入在介电膜内。至少一个凹槽区域可以包括一个或多个间断区域，其中介电膜的厚度相对于平均介电膜厚度或最常见的介电膜厚度是不连续的或变化的。

一般而言，介电膜区域可以被定位成紧邻衬底的蚀刻部分。介电膜区域对应于衬底的蚀刻空腔部分上方的介电区域的区域。每个介电膜区域可以在半导体衬底的单个蚀刻部分的上方。

介电膜中的凹槽区域或间断部使穿过介电膜的固体的热传导路径中断(或部分中断)。这进而意味着将更多地通过凹槽上方的流体(通过传导和对流)或通过由于凹槽所形成的空腔空间(主要通过流体传导)来实现热路径。在这两种情况下(即，空腔空间上方或空腔空间内的热量)，将根据流体的导热率来实现散热。

凹槽区域可以是穿过介电膜的孔(穿孔)。这将是有利的，因为这使得通过介电膜的固体的热传导路径将受到阻碍，而这意味着将通过孔(主要通过传导)或在孔上方(通过传导和对流)来发生热传导，从而有助于基于流体流的每个成分的不同导热率来测量流体的组成。

加热元件可以用DC(直接传导)功率/电压/电流或用AC(交替传导)功率/电压/电流来驱动。为了减少功率损耗并且优化操作速度，可以以脉冲(例如，方形脉冲或正弦脉冲)来驱动加热元件。

传感器可以是被结合在MEMS结构中的热量传导流传感器，该MEMS结构包括加热元件和至少一个能够基于流体的不同成分的导热率、比热容、动态粘度、密度(和其它热机械性能，以下简称为热性能)的差异，来单独地检测流体流性能(诸如，流速、体积流率、质量流率)和流体的组成的其它感测元件。流性能可以与系统内的压差相关联。因此，传感器可以基于流体的不同成分的导热率、比热容、动态粘度、密度(和其它热机械性能，以下简称为热性能)的差异，来单独地检测由于流而引起的不同压差以及由于流的组成而引起的不同压差。

测量的压差横跨传感器两端，或者可以测量为横跨传感器封装的端口的两端的压差。经过传感器封装的流与横跨传感器封装两端的压差是相关的。可以针对(一个或多个)已知流或(一个或多个)已知压差、或两者对传感器进行表征/校准。然后，可以使用传感器根据所表征/校准的结果来测量流或压差或两者。

所公开的传感器可以适用于各种气体和液体，但我们具体参考二氧化碳(CO2)、甲烷和氢气，因为这些特定气体具有与空气的导热性能显著不同的导热性能。尽管我们具体参考导热率作为用于区分流体的热机械性能，但所公开的装置也可以利用任何其它的热机械性能。所公开的装置可以例如被用于可以同时测量流和CO2浓度的呼气测醉器。所公开的装置还可以用于其它医疗保健、流体、消费品、环境或智能家居应用中。

传感器可以包括流和热量传导传感器，该流和热量传导传感器包括：半导体衬底、介电膜、嵌入在膜中的可以本身用作感测元件的加热元件、用于感测流性能(诸如，流量、流速、流质量流率或体积流率，或作为流的诸如压差的结果而导出的量)的感测元件或感测元件对、至少一个穿过膜的孔、用于基于流体的成分的导热率的差异来感测流体的组成以及流体的成分浓度的其它感测元件或一对其它感测元件，由此，(依据面积、数量(如果多于一个)和位置)设计和布置至少一个凹槽(可以是孔)以增强对流的成分的浓度的敏感性和选择性。

通过穿过膜的孔的存在和/或通过流本身，可以显著提高对流组成(例如，空气中的CO2百分比或ppm值)的敏感性和准确性。更高的流量或流速允许加强用于区分具有不同导热率的流体(或流体的成分)的信号。这是因为加热器通过流本身而产生的热损失在本质上既具有传导性又具有对流性，并且对流(流体原子随流的移动)有助于增强通过流体而不是固体膜的热传导过程。结果，由于更多的热量传导是通过流体发生而不是通过固体介电膜发生，因此可以增强由于存在具有不同于参考流体或流体的另一成分(例如空气)的导热率的流体或流体成分(CO2)而产生的差分信号。

流传感器可以被结合在相同的装置或芯片内，并且可选地结合在相同的膜、基于至少一个温度感测元件的热量传导传感器内。装置能够同时感测流体流的性能，诸如速度、质量、体积、剪切应力、或所导出的输出(诸如压差)、以及流的组成(例如，流体(在这种情况下为气体)是否具有在空气中的一定程度的CO2或氢气或甲烷百分比/ppm)。

可以存在至少一个穿过膜的孔用于经由待感测的流体将膜的上侧连接到膜的下侧。该至少一个孔还破坏了穿过固体介电膜的热传导路径，迫使更多的热量经由对流和传导通过环境消散。因为(通过固体膜的)热传导损失减少，因此该至少一个孔的存在还有助于降低装置的功耗(在加热器温度相同的情况下)。此外，至少一个孔的存在使得降低了膜的热质量，因此减少了使加热器加热和冷却所需的时间。

该至少一个孔可以用于增强对任何导热率不同于参考流体或流体(例如，空气)的另一成分的导热率的流体或流体(例如，具有CO2浓度的空气)的成分的敏感性/选择性。

提供了用于增强对任何导热率不同于参考流体或流体(例如，空气)的另一成分的导热率的流体或流体(例如，具有CO2浓度的空气)的成分的敏感性的不同孔以及不同感测元件的布置和具体设计。

提供了用于提供两个感测元件(即，一对感测元件)之间的指示参考流体(空气)中的流体的特定成分的浓度(例如，CO2的浓度)的差分信号的不同孔以及不同感测元件的至少一种布置。所提供的差分信号可以与这种浓度成正比。感测元件可以指温度感测元件，并且它们可以呈电阻温度检测器、二极管、晶体管或热电堆、或者这些元件的串联或并联阵列、或这些元件的组合的形式。例如，差分信号可以是由于一对感测元件上的温度差而引起的电压差。

不同孔(或凹槽区域)的布置可以是在围绕加热器对称地放置。

可以通过施加不同的功率水平来调节加热器温度，以基于流体成分随着温度而变化的导热率来增加对不同流体成分的敏感性和选择性。

加热器可以以脉冲模式(例如，用方波、正弦波、脉冲宽度调制波、脉冲密度调制等驱动)或连续模式操作。脉冲模式具有降低的功耗、降低的电迁移率并且提高的装置可靠性/寿命、以及改进的流体性能感测能力的优势，等等。

至少一个凹槽区域可以被布置成关于由加热元件限定的轴线非对称。在使用中，在没有流的情况下或在静态流的情况下，这允许使用两个感测元件之间的差分信号来感测流体的不同成分。

孔可以在膜内具有非对称设计。不同孔的布置可以是在膜内非对称地放置。

加热元件可以被配置成例如通过感测由于温度变化而引起的电阻变化而作为感测元件进行操作。加热元件可以同时作为加热元件和感测元件操作。加热元件在电气上等同于电阻器。大多数加热器材料(钨、钛、铂、铝、多晶硅、单晶硅)的导热率随温度变化。这种变化主要是线性的，并且以TCR(电阻温度系数)进行表征。TCR可以是正向的或负向的，但大多数金属具有正向的且稳定的TCR，这意味着这些金属的电阻会随着温度的升高而增加。当电流流过加热元件时，加热元件变热，从而对加热元件周围的膜进行加热。如果加热器以相同的功率操作，当流体在加热器上方流动时，由于对流的原因，流体会冷却加热器，从而改变加热器的电阻(对于具有正向TCR的加热器，电阻会降低)。加热器也可以在恒定电阻或恒定温度模式下驱动，并且可以在存在流的情况下使将加热器电阻或加热器温度保持为相同所需的功率的变化相关联。传感器可以能够测量流的性能，诸如流量、流速、质量流率或体积流率、或所导出的输出(诸如压差)以及流的组成。装置可以被配置成当向装置供应恒定电流时通过感测温度的变化、电压的变化，或者当在恒定温度或恒定电阻模式下操作加热器时感测功率的变化，来测量流的性能，诸如流量、流速、质量流率或体积流率、或所导出的输出(诸如压差)。

可选地，可以通过采用放置在相同介电膜内的加热器的任一侧的、并且可选地用作差分对的感测元件(诸如，温度感测元件或温度传感器)来测量流或压差。差分对可以由一个上游感测元件和一个下游感测元件形成。装置可以被布置成通过在膜中设置至少一个孔或间断部，并且通过采用至少一个其它感测元件或一对感测元件(诸如，温度感测元件或温度传感器)来测量流的组成以及流的性能。可选地，孔或间断部可以被放置成使得，它们对测量流的性能的感测元件之间的差分信号的影响较小，而它们对测量流的组成的感测元件之间的差分信号的影响更显著。

至少一个凹槽区域可以包括一个或多个孔。孔可以指延伸穿过介电膜的整个高度或深度或厚度的孔、穿孔或狭缝。这形成了流体流路径，并且在膜的上方区域和膜的下方区域之间提供了流体连接。

一个或多个孔中的至少一个可以包括朝向介电膜的相对边缘延伸的细长狭缝。细长狭缝可以不完全延伸到介电膜的边缘，或者细长狭缝的任一侧与介电膜完全隔离。细长狭缝增加了横跨装置的介电膜的宽度的热隔离。可选地，细长狭缝可以在与一个或多个加热元件和/或感测元件相同的方向上延伸。细长狭缝可以例如是矩形、正方形或半圆形的。

一个或多个孔可以包括穿孔阵列。穿孔可以包括明显小于装置的介电膜的宽度的单个孔。穿孔阵列可以基本上横跨装置的宽度延伸。

至少一个凹槽区域可以包括在介电膜内的部分凹槽。部分凹槽或沟槽可以从介电膜的顶表面延伸或者可以从介电膜的底表面延伸。部分凹槽可以部分地延伸通过介电膜的高度或深度或厚度。至少一个穿孔可以呈从顶表面或底表面形成的但没有穿透另一表面的沟槽的形式。

间断部可以指代膜中的从顶表面到底表面的间隙。间断部也可以指代从顶表面或底表面(在使用倒置膜的情况下)形成的并且没有穿透另一表面的沟槽或局部孔，但是这在热性能方面没有那么有效。这种局部孔的优点在于，它们可以对膜的机械强度的影响较小，并且在某些情况下它们可以更容易制造。此外，这种局部孔可以用于将膜的底侧气密地密封，或者不允许流在膜的下方穿透。

至少一个凹槽区域可以具有曲折形状。换言之，间断部可以具有非标准形状，诸如由一系列规则波状的曲线、弯形线或曲折线所形成的蛇腹形状或波纹形状。

传感器还可以包括一个或多个其它感测元件。可以存在一个其它传感器元件或者可以存在多于一个的其它感测元件。可以将一个或多个其它感测元件与作为感测元件操作的加热元件结合来测量参数。

一个或多个其它感测元件可以包括位于加热元件的相对侧的至少一对感测元件。该至少一对感测元件可以包括奇数个感测元件或者可以包括多对感测元件。一个或多个其它感测元件可以与加热元件横向间隔开并且位于加热元件的第一侧，并且一个或多个其它感测元件可以与加热元件横向间隔开并且位于加热元件的第二侧，其中第一侧和第二侧是加热元件的相反侧。

至少一个凹槽区域可以位于至少一对感测元件中的第一其它感测元件与加热元件之间，并且至少一个其它凹槽区域可以位于至少一对感测元件中的第二其它感测元件与膜的边缘之间。这将第一其它感测元件与加热元件热隔离，并且将第二其它感测元件与膜的边缘周围的半导体衬底热隔离。因此，第一其它感测元件和第二其它感测元件之间的热量差对于气体的浓度和组成的变化更敏感。这种间断部的非对称布置可以使用两个感测元件之间的差分信号来感测流体的不同成分，即使在没有流或在静态流的情况下使用也是如此。

第一其它感测元件或第二其它感测元件中的一个可以相对于加热元件位于流的上游，而第一其它感测元件或第二其它感测元件中的另一个可以相对于加热元件位于流的下游。这允许对流的性能、变量或参数进行测量。

至少一个间断部可以在加热器与在加热器的一侧的感测元件(例如，位于膜中间的热线)之间被横向地放置在膜内，并且至少一个间断部中的另一个可以在感测元件与在加热器的另一侧的膜的边缘之间被横向地放置在膜内。可能地，两个间断部或一组间断部可以具有相似的表面面积。可选地，两个感测元件在尺寸和与加热器的横向距离方面可以相同，并且可以以相同的制造工艺(例如，在膜蚀刻之前的CMOS步骤期间)制造。

传感器可以包括至少两个热电堆，即相对于流的方向的至少一个上游热电堆和至少一个下游热电堆，在热电堆中的一个与加热器之间横向放置有至少一个孔。

至少一个孔或间断部可以在加热器与一个感测元件之间被横向放置在所述介电膜内。至少一个其它孔或间断部可以在另一个温度感测元件与所述膜的边缘之间被横向放置在所述介电膜内。

传感器可以基于加热器电阻随温度的变化，或基于被横向放置在与加热器相同距离处的一对匹配的感测元件，或基于围绕加热器/横跨加热器对称放置的热电堆，来感测静态流或无流状态(零流量)。至少一个其它感测元件或一对附加感测元件或附加加热器/感测元件可以用于基于流体的不同成分的不同导热率来测量流体的不同成分的浓度。

流/热量传导传感器还可以测量“无流状态”，即零流状态、静态流、或者可忽略的流。这可以通过测量对称放置在加热器两侧的两个匹配的感测元件之间的信号来进行。零流状态也可以推断出具有零压差。可选地，可以通过测量被施加到加热器以保持恒定的电阻/功率的加热器的电阻的相对于先前校准的值(基线值)的变化或功率的相对于先前校准的值(基线值)的变化，来识别零流状态(或零压差)。通过使用如在先前实施例中所描述的额外的感测元件、和对称或非对称的孔、和/或附加加热器，来增强对流的组成的敏感性和选择性。

至少一个凹槽区域可以位于加热元件与一个或多个其它感测元件中的至少一个之间。例如，这可以包括横跨膜延伸的电线，和/或带有位于膜上的冷接点的介电膜上的热电堆。

一个或多个其它感测元件中的至少一个可以被配置成测量横跨加热元件的差值。例如，至少一个其它感测元件可以用于测量横跨加热元件的温度的变化。可以围绕加热器/横跨加热器对称地放置至少一个热电堆，并且热电堆的端部之间的电压差可以指示流的性能，而电压的符号可以指示流的方向。

一个或多个其它感测元件中的至少一个可以被配置成测量介电膜与半导体衬底上方的介电区域之间的差值。例如，热电堆可以布置成使热电堆的热接点位于介电膜上，并且使热电堆的冷接点位于半导体衬底上方的介电区域上(即，位于介电膜区域的外部)。

两个热电堆可以布置在加热元件的任一侧，两个热电堆的热接点都位于介电膜上并且冷接点都位于介电膜区域的外部。由于位于介电膜的外部的两组冷接点将处于基本相同的温度，因此两个热接点之间的差可以用于测量横跨加热元件的温度的变化。至少两个热电堆的冷接点可以被放置在膜的外部，并且被物理地或电气地连接在一起。

至少一个凹槽区域可以位于一个或多个其它感测元件中的至少一个与介电膜的边缘之间。这降低了在感测元件与介电膜的边缘之间的通过介电膜的热传导。因此，感测元件的温度更依赖于在感测元件与介电膜的边缘之间的至少一个间断部中存在的任何流体的浓度和组成。

一个或多个其它感测元件可以包括电阻温度检测器、二极管、或热电堆。热电堆可以用于测量介电膜与衬底上方的介电区域之间的温差，或者可以用于测量横跨加热元件的温差。与热电堆相比，二极管和检测器由于它们完全位于介电膜上或介电膜内，因此减少了半导体衬底的热损失。可以使用一种类型的感测元件或者可以使用不同类型的感测元件的组合。

感测元件可以是温度敏感的，并且可以是电阻式温度检测器、辐射热测定器、二极管、晶体管或热电堆、或这些元件的串联或并联的阵列、或这些元件的组合中的任何一种。

感测元件也可以由热电堆制成。热电堆包括串联连接的一个或多个热电偶。每个热电偶可以包括两种不同的材料，这两种不同的材料在膜的第一区域处形成接点，而这两种不同的材料的另一端在膜的第二区域处或在散热器区域(膜区域外部的衬底)中形成接点，每个热电偶电连接到相邻的热电偶或焊盘以用于外部读出。热电偶材料可以包括金属，诸如铝、钨、钛、或这些金属的组合、或工艺中可用的任何其它金属。可选地，热电偶材料可以包括基于n型和p型硅或多晶硅的热电偶、或金属和半导体的组合。热电偶的每个接点的位置以及热电偶的数量和形状可以是用于充分映射膜上的温度曲线分布以实现特定性能的任何所需的位置、数量和形状。

对温度感测元件、加热元件的形状、位置和数量的选择，以及对膜内的孔的数量或孔的面积的选择可以产生温度曲线和/或映射出膜上的温度曲线分布，从而实现特定性能，并且可以产生多方向、多范围、多性能的感测能力。例如，流传感器可以设计成基于导热率或流性能的任何其它组合，来感测流量和流的方向，或者感测流量、流的方向和流的组成。

形成在介电膜内的感测元件可以被配置为用于增强敏感性和选择性的温度电阻检测器(TRD)或辐射热测定器、二极管、晶体管或晶体管或二极管的阵列。

可以以差分方式使用感测元件来(i)感测流性能，诸如流速、流量、体积或质量流率，或所导出的量(诸如压差)(通过测量上游感测元件与下游感测元件之间的信号差)；和/或(ii)基于流体的不同成分之间的导热率的差异来感测流的组成(例如，氢气的导热率比空气高得多；CO2的导热率比空气低)。

膜内的孔可以被放置在特定位置处，并且可以用于增强感测元件之间的差分信号，以更准确地检测流体的组成。此外，加热器温度可以通过电脉冲而被调制到不同的水平，以增加选择性并检测多于一种的具有不同导热率的流的成分的共存。例如，通过调节加热器的温度，并且基于这些气体(CO2和空气)的导热率随着温度增加而不同地变化的事实，可以同时地检测到在传感器的表面流动的空气中的氢气和CO2的浓度(百分比/ppm)。

加热器或加热元件也可以用作温度感测装置。然后，可以通过加热器本身的电阻的变化来测量加热器与流体之间的热交换，并且该热交换与流体的至少一种性能(例如，流速、流量、流的质量流率或体积流率、所施加的壁剪切应力、压差、压力、温度、方向)相关联。

可以将附加感测元件以及穿过膜的孔或间断部放置在特定位置，以实现对流体的区分(或区别)。例如，流传感器可以感测流体是呈气体形式还是液体形式，或者传感器可以在不同的流体之间(例如，在空气和CO2之间)进行区分，或者在流体是混合物的情况下，传感器可以通过调节加热器的温度水平或通过以脉冲模式操作加热器并且测量放置在特定位置处的感测元件的飞行时间来测量混合物比率。可以获得流体性能的定性信息(例如，液体或气体形式)和定量信息(例如，气体浓度)。

传感器可以被配置成作为流传感器或压差传感器操作。传感器可以被配置成测量或感测流体流的性能。可选地，传感器可以被配置成在没有流体流或静态流时测量流体的性能。

传感器可以包括第一对其它感测元件和第二对其它感测元件，其中第一对其它感测元件之间的差分信号可以被配置成测量流的性能，其中第二对感测元件之间的差分信号可以被配置成测量流的组成成分的性能。

传感器可以包括两对感测元件，其中一对感测元件之间的差分信号用于提取流的性能，诸如流量、流的方向、流速、或者流的质量流率或体积流量，并且另一对感测元件之间的差分信号用于基于流体的不同成分的不同导热率来检测流体的不同成分及它们的浓度。

通过使用两个感测元件之间的差分信号，可以基于流体的不同成分的不同的导热率来感测流体的不同成分。

在使用中，加热元件可以在与通过传感器的流的方向垂直的方向上延伸。加热元件可以不与流的方向成精确的直角，而是可以沿对角线方向或者以相对于流的方向成锐角的方向延伸，但是加热元件的延伸部分的一个部件可以垂直于流。可选地，加热元件可以基本上垂直于通过传感器的流，或者以相对于垂直于通过传感器的流的方向成10°以内的角度布置。

传感器可以包括其它加热元件，并且其中在使用中，其它加热元件可以在与通过传感器的流的方向平行的方向上延伸。加热元件可以不精确地平行于流的方向，而是可以沿对角线方向或者以相对于流的方向成锐角的方向延伸，但是加热元件的延伸部分的一个部件可以平行于流。其它加热元件可以垂直于加热元件，或者可以被定位成与加热元件成锐角。可选地，加热元件可以基本上平行于通过传感器的流，或者以相对于通过传感器的流的方向成10°以内的角度布置。

附加或其它加热器或加热元件可以被结合在相同的介电膜内，其中两个加热器可以在不同的时间在脉冲条件下操作，并且使用附加加热器以使得能够基于流体的不同成分的不同导热率来检测流体的不同成分以及它们的浓度。

可选地，一个或多个其它加热器可以朝向膜的边缘被放置在介电膜上或介电膜内。这可以称为膜边缘加热器。朝向介电膜的边缘可以被定义为在介电膜区域内、但比介电膜的中心更靠近介电膜的边缘。通过以合适的电流/电压/功率进行驱动，可以使附加的膜边缘加热器保持或维持在恒定温度，而不管环境温度或主加热器的温度如何。附加的膜边缘加热器可以提供用于流和流的组成的测量的改进的信噪比，并且可以提供对环境温度变化的增强的抗扰度。附加的膜边缘加热器的温度可以超过环境温度并且低于主加热器的温度。

附加的膜边缘加热器可以呈热线、圆形或螺旋形的形式。

传感器还可以包括一个或多个被配置成测量其它加热元件上的差分信号的其它感测元件。其它感测元件可以是在其它加热元件的任一侧彼此横向间隔开定位的至少一对其它感测元件。其它感测元件可以与通过装置的流体流的方向对准和/或沿与通过装置的流体流的方向平行的方向延伸。其它感测元件可以不精确地平行于流的方向，而是可以沿对角线方向或者以相对于流的方向成锐角的方向延伸，但是其它感测元件的延伸部分的一个部件可以平行于流。在围绕其它加热元件的横向间隔开的其它感测元件之间的温度差可以不太依赖于流量和性能，而是更多地依赖于气体浓度和组成。

第一加热器可以呈热线的形式并且可以与流的方向正交，并且附加加热器可以呈热线的形式并且可以与流的方向对准。

可以提供至少一个附加加热器(热线或热板)，该至少一个附加加热器可以被操作为区分流的存在和参数或者流动的流体的压差和组成。加热器可以在不同的时间下以脉冲模式操作。一个加热器可以被操作为通过在存在流的情况下测量加热器的电阻，或者通过监测感测元件的温度/功率或一对感测元件的差分信号，来感测流的性能(诸如，流量、流速、质量流率或体积流率)，并且第二加热器可以用于使得能够对流体的组成进行检测。

可选地，包含热线和/或感测元件的第一加热器具有与流的方向正交的方向以增强对流量/流速的敏感性，而第二加热器与流的方向对准以较少受到流量/流速的影响，并且改为测量的是流体的组成。

两个加热器可以由制造工艺(例如，CMOS工艺)中可用的不同金属层(例如，铝、钨、铜、钛、铂等)制成。

可以围绕第二加热器设置一对感测元件和孔或间断部，以增强对流的成分的检测。至少一个孔可以在第二加热器与第二加热器的一侧的感测元件之间被横向地放置在膜内，并且至少一个孔中的另一个可以在感测元件与薄膜的在第二加热器的另一侧的边缘之间被横向地放置在膜内。两个孔或一组孔可以具有相似的表面面积。两个感测元件可以在尺寸和与加热器的横向距离方面相同，并且可以在相同的制造工艺(例如，在膜蚀刻之前的CMOS步骤)下制造。

第一加热器可以是以CMOS工艺的第一金属(金属1)制成的热线，第二加热器可以是被放置在膜内并且与第一加热器正交的热线，并且第二加热器可以由不同的金属层(例如，金属2)制成，以便两个加热器不进行电气连接(短接)。

感测元件或多个感测元件可以是一个或多个热电堆。可选地，可以围绕两个加热器或横跨两个加热器对称地放置至少一个呈热电堆形式的感测元件。至少一个感测元件的热接点可以放置在第一加热器的一侧，而冷接点可以放置在第一加热器的另一侧，热接点和冷接点均在膜内与加热器和膜的边缘相距一定距离。加热器可以在不同时间以脉冲模式操作。垂直于流的方向的第一加热器被操作为通过测量热电堆的电压降来感测流的性能，诸如流量、流速、质量流率或体积流率，而与流对准的第二加热器可以被操作为通过测量热电堆的电压降来感测流的组成。可以调节第一加热器和/或第二加热器的温度，以提高测量的准确性并且提高对流的不同成分的敏感性/选择性。可以设置孔来减少热损失并且增强对流的不同成分的敏感性/选择性。可选地，可以非对称地放置孔以提供热电堆上的更大的差分信号，从而进一步增强对流的不同成分的敏感性/选择性。

可以调节加热器的温度，并且可以相对于参考值来评估不同温度下的热电堆端部之间的电压差，两个端部之间的电压差表示流的组成。

可选地，可以围绕加热器或横跨加热器对称地放置至少一个呈热电堆形式的感测元件。至少一个感测元件的热接点可以位于加热器的一侧，并且冷接点可以位于加热器的另一侧，热接点和冷接点均在膜内与膜的边缘相距一定距离。孔可以在至少一个热电堆与膜的边缘之间的空间中被非对称地或对称地放置在膜内。热接点与冷接点之间的电压差(与温度差成比例)表示流的性能。可以调节加热器的温度，并且可以相对于校准数据来评估热电堆电压(热接点和冷接点之间的电压降)，以指示流的组成。流的组成也可以与加热器的电阻的测量值相关。可选地，可以设置其它感测元件(诸如，附加电阻温度检测器或其它热电堆)来增强对流的不同成分的敏感性/选择性。可以围绕这些附加感测元件横向地并且非对称地放置孔，以进一步提高对流的不同成分的敏感性/选择性。

温度感测元件可以形成为可以与第一加热器或附加/第二加热器对准的长元件，这取决于温度感测元件的主要目的是感测流的性能(诸如，流量或流速)，还是温度感测元件的主要目的是感测流的组成以及分别感测流的不同成分的浓度。

介电膜可以是圆形的或者是具有圆角(具有圆角形状的圆形角部)的其它形状，并且至少一个凹槽区域可以具有弧形形状。加热元件和感测元件也可以具有弧形形状。该弧形所在的圆的中心可以对应于圆形膜的中心。这增加了膜面积的使用并且提高了热性能。

传感器还可以包括流机构，该流机构被配置成提供或控制通过传感器的流。例如，如果提供具有已知速度的流，则传感器可以用于更准确或更精确地测量另一变量(诸如，流的组成或浓度)。传感器可以测量已知速度的流，但是使用此信息来确定其它性能，因此传感器可以不是纯粹地或严格地作为流传感器进行操作。可选地，传感器可以被配置成作为压差传感器进行操作。

流机构可以包括至少一个被配置成产生横跨传感器的温度梯度的附加加热器。该加热器可以位于歧管内的传感器的外部，或者可以是位于相同介电膜或不同膜上、但与传感器单片地集成的一个或多个加热器。

传感器可以包括流形成装置或流机构(诸如，微型风扇、微型泵或微型阀)，以在传感器的表面处产生和/或操纵流，从而能够基于流的不同成分的不同导热率来更准确地测量流的不同成分的浓度。流机构可以能够产生或操纵流(例如，微型泵或附加加热器经由在流/热量传导传感器附近的热泳或热扩散来产生温度梯度和流)。

流机构或流形成装置可以用于增强存在的流的组成的信号/准确性。例如，在正常静态流中，由于热量传导传感器所提供的信号可能隐藏在噪声电平中，因此难以检测到低ppm值(例如，在精度为100ppm情况下的500ppm)的CO2。为了增强/放大信号，可以通过在一段时间内通过增强两个感测元件之间的差分信号来允许更容易或以更高准确性进行检测的装置来产生流。流传感器可以用于校准或测量在传感器的表面上产生的流。

流本身可以用于增强流体的信号/准确性检测。用于产生流体流的微型泵、或者嵌入在相同膜中或相同衬底内的不同膜上或放置在外部的至少一个附加加热器可以用于产生温度梯度以产生流，或者通过使用流成分的不同热性能(导热率、热对流、热时间)增强对流成分的检测。也可以将这种装置与ASIC集成和/或放置在歧管内。

可以在相同系统或相同封装或相同装置或相同膜内设置附加加热器来产生温度梯度，并且通过热扩散在传感器的表面处产生流，从而能够更准确地基于流的不同成分的不同导热率来测量流的不同成分的浓度。

流机构或流形成装置可以用于增强其它气体传感器(诸如，基于金属氧化物、电化学反应或催化反应的气体传感器)的信号/准确性。以气体传感器为例，流可以有助于增强气体分子结合到金属氧化物中或气体分子扩散到金属氧化物中，并且因此提高对该气体的敏感性或增强该气体的检测到的信号。一个示例可以是挥发性有机化合物或二氧化氮或一氧化碳传感器。流形成装置可以增强气体与沉积到专用电极上的金属氧化物层的反应，其中该专用电极被放置在加热器上方的膜上或被放置在加热器附近。与气体传感器相邻或单片地集成的流传感器可以用于准确地测量流。可以设置气体传感器阵列来增强选择性，并且可以使用不同的流量来优化对每种气体的敏感性。流形成装置可以是同上所述的流形成装置(例如，微型泵、微型风扇、或基于附加加热器的装置)。

可选地，流传感器可以与气体传感器一起被集成在相同的膜上，以节省空间并降低成本。在这种情况下，流传感器和气体传感器可以在脉冲条件下操作。在一个脉冲中，流传感器被激活并能够测量流量和流的性能，而在另一脉冲中，可以检测和测量气体类型和浓度。

可选地，流传感器还可以包括热量传导传感器并且与至少一个金属氧化物、催化或电化学气体传感器一起集成在相同系统/封装或芯片中。流传感器可以测量流量，热量传导传感器可以基于这些气体与空气之间的导热率差异来测量气体(诸如，CO2或氢气)，并且气体传感器可以测量其它气体(诸如，NO2、CO或挥发性有机化合物)。气体传感器还可以测量氢气并且以此方式帮助热量传导传感器区分CO2和氢气的存在。

传感器还可以包括联接到传感器的专用集成电路(ASIC)。可以例如使用管芯堆叠技术将ASIC定位于传感器的下方。可选地，ASIC可以定位于其它位置。ASIC可以使用打线接合和焊盘连接到传感器，或者使用延伸穿过半导体衬底的硅穿孔(TSV)连接到传感器。

可以将ASIC设置在相同系统或相同封装或芯片上，以提供电路来驱动传感器、从传感器读出信号并且处理来自传感器的信号。可以将ASIC放置在位于传感器下方的堆叠管芯配置中，并且可以将传感器和ASIC放置在歧管内。

可以将模拟/数字电路集成在芯片上。电路可以包括IPTAT、VPTAT、放大器、模数转换器、存储器、RF通信电路、定时块、滤波器、或者用于驱动加热元件、从温度感测元件读取出或电子操纵传感器信号的任何其它装置。例如，已经证明，在恒定温度模式下驱动的加热元件可以提高性能，并且具有实现该驱动方法的芯片上装置的加热元件将相比于现有技术水平的流传感器具有显著进步。已知3ω的驱动方法可以通过芯片上装置来实现，或者通过任何其它驱动方法(诸如需要恒定温度差和飞行时间实现特定性能(例如，功耗、敏感性、动态响应、范围、流性能检测，等等))来实现。在没有片上电路的情况下，当将这种电路块应用于具有在任一前述实施例中描述的一个或多个特征的流传感器时，本公开还涵盖这种电路块的芯片外实施方式。这种芯片外实施方式可以在ASIC中实现、或通过分开的部件实现、或通过这两种方式的混合方式来实现。

可以采用金属TO型封装方式以及陶瓷、金属或塑料SMD(表面贴装器件)封装方式来封装装置。也可以将装置直接封装在PCB上，或采用倒装芯片方法来封装装置。装置还可以被嵌入在衬底中，诸如前述封装方式之一的定制版本的衬底、刚性PCB、半刚性PCB、柔性PCB或任何其它衬底，以使装置表面与衬底表面齐平。封装也可以是例如通过晶片键合形成的芯片或晶片级封装。

装置还可以被组装在歧管内，该歧管提供了入口、出口以及通过其产生流体流的预定通道。歧管为该装置提供保护，并且允许更容易和更可控地测量流或流体组成。ASIC或外部读出电路也可以以横向或管芯堆叠配置被放置在相同的歧管中。

流传感器可以具有硅穿孔(TSV)，以避免在装置的敏感区域附近存在可能影响流传感器的读数的键合线。有利地，具有TSV的流传感器可以能够使用3D堆叠技术。例如，流传感器芯片可以位于ASIC的顶部上，从而减小传感器系统尺寸。

半导体衬底可以是硅，并且介电膜可以主要由氧化物和氮化物材料形成，并且加热器由诸如钨、钛、铜、铝、金、铂的金属或这些金属的组合制成、或由诸如高度掺杂的n型硅或p型硅或多晶硅的半导体制成，并且加热器具有曲折形状、螺旋形状或热线形状。

起始衬底可以是任何半导体，诸如硅、绝缘体上硅(SOI)、碳化硅、蓝宝石或金刚石。特别地，使用硅是有利的，因为硅保证了传感器的大批量制造能力、低成本和高再现性。使用硅衬底还可以使得能够使用片上电路，从而增强传感器性能并且有助于系统集成。这种片上电路可以通过使用放置在介电膜外部的模拟信号块或数字信号块或混合信号块来实现。

可以通过对衬底使用深反应离子蚀刻(DRIE)的回蚀刻来形成介电膜或多层膜，深反应离子蚀刻(DRIE)产生垂直侧壁并且因此能够降低传感器尺寸和成本。然而，回蚀刻也可以通过使用各向异性蚀刻(诸如KOH(氢氧化钾)或TMAH(四甲基氢氧化铵))来完成，各向异性蚀刻会导致倾斜的侧壁。膜内的可以通过氧化或氧化物沉积而形成的介电层可以在DRIE或湿法蚀刻工艺期间用作蚀刻停止。还可以通过正面蚀刻或正面蚀刻和背面蚀刻的组合来形成膜，从而产生仅由两个或更多个梁支撑的悬浮膜结构。膜可以是圆形的、矩形的、或成形有用于减少拐角中的应力的圆角的矩形，但是也可以为其它形状。另外，可以在膜内形成孔，以通过穿过介电膜的热传导来减少热消散，并且通过在膜的下方和上方的区域中的并且可选地在流体的路径(膜的上方)中的热对流和热传导来增加热损失。可选地，可以在形成膜之后，通过正面蚀刻来制作孔或间断部。

介电膜可以包括二氧化硅和/或氮化硅。膜还可以包括玻璃上的一个或多个旋涂层，以及在一个或多个介电层上的钝化层。使用具有低导热率(例如，介电性)的材料使得可以显著降低功耗并增加膜内的温度梯度，从而直接使传感器性能(例如，敏感性、频率响应、范围，等等)受益。由诸如单晶半导体或多晶半导体或金属的材料制成的温度感测元件或加热器可以悬浮或嵌入在介电膜中。

膜还可以具有由金属或其它导电材料或具有更高机械强度的其它材料制成的其它结构。这些结构可以嵌入在膜内，或者可以在膜的上方或下方，以设计膜的热机械性能(例如，刚性、温度曲线分布，等等)，和/或设计流体与膜之间的流体动力学相互作用。更一般地，这些结构也可以在膜的外部和/或用于在膜的内部与外部之间进行桥接。

被感测的流体可以是气体，并且气体可以由空气和感兴趣的成分组成，该感兴趣的成分可以是CO2、甲烷、或氢气、或具有与空气的导热率不同的导热率的其它气体中的任何一种。

衬底可以包括：多于一个蚀刻部分；位于衬底上的介电区域，其中介电区域包括在衬底的每个蚀刻部分的区域上方的介电膜。至少一个膜可以包含上述特征的任何组合。第二膜可以采用更多的孔或间断部、更大面积的孔或间断部、或不同位置处的孔或间断部。可以测量第一膜上的感测元件与放置在第二膜上的感测元件之间的差分信号，以检测流体的组成以及流体的流性能。

流/热量传导传感器也可以在静态流(零流速/流量)下操作，并用于检测流体的特定成分的存在。流传感器元件可以检测流的不存在的情况，而至少一个附加感测元件(或以不同方式操作的一对感测元件)可以检测流的成分(例如，空气中的CO2 ppm)。

流/热量传导传感器可以被配置成通过使用仅使用具有已知流量的清洁空气的一次或多次流测量来校准。可选地或附加地，可以通过使用零流测量来校准流/热量传导传感器。使用流测量的优点是：优选地可以在不需要在(具有已知的气体浓度-例如CO2浓度的)气体中进行特定校准的情况下进行整体校准。或者，可以使用一次或多次差压测量和/或零差压测量来校准流/热量传导传感器。

流/热量传导传感器可以用于以下方面的应用：从消耗品(诸如，个人护理产品或白色家电)、智能能源(例如，HVAC、燃气计量)和工业自动化(例如，泄漏测试、分配、分析仪器)到医疗(例如，呼吸分析仪、肺活量测定法、二氧化碳测定法、呼吸器、吸入器、药物输送)和流体动力学研究(例如，湍流测量、流附件)。有趣的是，该传感器还能够应用于恶劣的环境(从低温状态到高达300℃的环境温度)，诸如锅炉、汽车、太空等等的环境。

根据本公开的另一方面，提供了一种流感测装置，包括：流传感器壳体；以及位于流传感器壳体内的如上所述的传感器。流传感器壳体可以包括入口和出口，以及用于引导通过传感器的流体流的流体流路径。传感器可以被封装在具有入口、出口和通道的封装壳体或歧管内，从而提供对流的更准确的测量。

根据本公开的又一方面，提供了一种制造传感器的方法，该方法包括：在包括蚀刻部分的半导体衬底上形成至少一个介电膜，其中介电膜在半导体衬底的蚀刻部分的区域上方；在介电膜内形成加热元件；并且，在介电膜内形成至少一个凹槽区域，该至少一个凹槽区域位于加热元件与介电膜的边缘之间。

该制造方法可以包括：在包括蚀刻部分的衬底上形成至少一个介电膜，其中该介电膜在衬底的蚀刻部分的区域上方；形成至少一个穿过介电膜的孔，形成加热器和一个或多个感测元件来感测诸如流速、流量、体积流率和质量流率的流性能，以及基于流体成分的不同热性能感测流体的组成。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开的一些实施例，其中：

图1示出了基于加热和自感测元件的现有技术水平的流传感器的横截面；

图2示出了基于加热和自感测元件的现有技术水平的流传感器的俯视图；

图3示意性示出了根据本公开的实施例的传感器的横截面；

图4示意性示出了根据本公开的实施例的图3的传感器的俯视图；

图5示意性示出了根据本公开的实施例的具有在介电膜内的非对称布置的间断部的传感器的横截面；

图6A示意性示出了根据本公开的实施例的图5的具有在介电膜内的非对称布置的间断部的传感器的俯视图；

图6B示意性示出了根据本公开的实施例的图5的具有在介电膜内的非对称布置的间断部的传感器的三维(3D)俯视图；

图6C示意性示出了图5中的但在膜的边缘处具有附加加热器的传感器的俯视图；

图7示意性示出了根据本公开的替代实施例的仅具有一个在介电膜内的间断部的传感器的俯视图；

图8示意性示出了根据本公开的替代实施例的将加热器用作感测元件的传感器的俯视图；

图9示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有在加热元件的上游和下游的附加感测元件的传感器的横截面；

图10A示意性示出了根据本公开的实施例的图9的传感器的俯视图；

图10B示意性示出了根据本公开的实施例的类似于图9中所示的传感器但具有附加间断部的替代传感器的俯视图；

图11示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图6中所示的传感器并且具有在介电膜内的较小的孔的阵列的传感器的俯视图；

图12示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有对称布置的非标准形状的孔的传感器的俯视图；

图13示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图6中所示的传感器并且在介电膜内布置有非标准形状的孔的传感器的俯视图；

图14示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有附加加热器的传感器的俯视图；

图15示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图14中所示的传感器并且具有在介电膜内的非对称布置的孔的传感器的俯视图；

图16示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有放置在加热元件的上游和下游的热电堆的传感器的俯视图；

图17示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图16中所示的传感器并且具有在加热元件的上游的单个孔的传感器的俯视图；

图18示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有圆形的膜以及相应形状的加热器、孔和热电堆的传感器的俯视图；

图19示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图18中所示的传感器并且具有对称布置的孔的传感器的俯视图；

图20示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有四个孔和四个热电堆的传感器的俯视图；

图21示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图20中所示的传感器并且具有非对称布置的孔的传感器的俯视图；

图22示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有横跨加热元件放置的一个热电堆的传感器的俯视图；

图23示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图22中所示的传感器并且具有在加热元件的下游的单个孔的传感器的俯视图；

图24示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图22中所示的传感器并且具有两个附加热电堆的传感器的俯视图；

图25示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有热电堆和电阻温度检测器的传感器的俯视图；

图26示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有垂直于第一加热元件的第二加热元件的传感器的俯视图；

图27示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图26中所示的传感器并且具有对称布置的孔的传感器的俯视图；

图28示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图27中所示的传感器并且具有在加热元件的下游的非对称布置的孔的传感器的俯视图；

图29示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有用于控制或产生流体流的流机构的传感器的横截面；

图30示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有用于控制或产生温度梯度的流加热器的传感器的横截面；

图31示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有用于控制或产生温度梯度的被集成的附加加热器的传感器的横截面；

图32示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有放置在传感器下方的ASIC的传感器的横截面；

图33示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有在介电膜内的沟槽或部分凹槽的传感器的横截面；和

图34示意性示出了根据本公开的替代实施例的位于流传感器壳体内的传感器芯片的横截面。

具体实施方式

在附图中给出了所公开装置的一些示例。

附图标记列表：

1.半导体衬底(例如，硅)

2.介电膜(例如，氧化物和氮化物)

3.第一加热器或加热元件-热线(例如，钨、铂、钛)

4.限定膜的蚀刻区域

5.偏置轨道

6.感测元件

a.上游

b.下游

c.远处的上游

d.远处的下游

7.膜的孔或凹槽

a.上游

b.下游

c.远处的上游

d.远处的下游

e.靠近加热器的上游

f.靠近加热器的下游

8.第二加热器或加热元件

9.热电堆

a.左上方

b.左下方

c.右上方

d.右下方

10.热板

11.分离式微型热板上的附加加热器

12.分离式微型热板的膜

13.ASIC(或读出电路、转换电路和驱动电路)

14.键合线

15和16.接合焊盘

17.封装基部

18.封装侧壁

19.封装盖

20.流机构

21和22.流加热器

30.膜边缘处的加热器

91.中央热电堆的热接点

92.中央热电堆的冷接点

图3示意性示出了根据本公开的实施例的传感器的横截面并且图4示意性示出了图3的传感器的俯视图。

该装置具有半导体衬底1、悬浮在限定介电膜4的蚀刻区域上或上方的介电层或介电区域2、以及加热器或加热元件3。加热元件沿基本上垂直于通过传感器的流的方向的方向延伸。当流在膜4的顶部的上方经过时，加热器3由于热对流损失而冷却。

在该实施例中，有两个温度感测元件6a(上游)和6b(下游)被对称地放置在加热器的相对侧上。由于加热元件本身可以用作感测元件，因此，这两个温度感测元件可以被认为是其它感测元件。这两个感测元件可以由与加热器相同的材料(例如，钨、多晶硅、铂、铝)制备，或者可以由电阻温度系数(TCR)稳定且相对较高的不同材料制备。可选地，二极管或热电堆可以用于感测元件。两个感测元件可以测量横跨加热元件的差值。

穿过膜(可选地通过正面蚀刻来处理)的间断部或凹槽区域(在该实施例中为孔)7a和7b以对称方式放置。孔使得通过固体介电膜的热路径最小化，从而迫使更多的热量经由对流和传导(大部分经由在膜的上方的对流和传导)而通过环境消散，但是部分热量还是会经由热传导通过由孔所形成的空间或在膜的下方(在设置有孔的情况下)的空间进行消散。由于降低了总热量损失，因此孔的存在还有助于降低装置的功耗(针对相同的加热器温度而言)。此外，由于减少了膜的热质量，孔有助于减少热响应时间(提高了加热器在被供应电功率脉冲时的加热的速度)。在该实施例中，孔是朝向介电膜的相对边缘延伸的细长狭缝。

加热器3的电阻的变化与流量、流速、体积流率或质量流率相关联。可选地，可以通过对供应到加热器元件的功率进行修改，来将加热器3保持在恒定温度或恒定电阻模式下。在这种情况下，可以测量由于流量、流速、体积流率或质量流率而引起的功率的变化。在存在流的情况下，6b(下游感测元件)的温度高于6a(上游感测元件)的温度。6b与6a之间的温差随着流量(或流速)的增加而增加。在感测空气中的CO2浓度的示例中，鉴于CO2的导热率低于空气的导热率的事实，因此将通过环境消散的热量较少，这使得在给定流量的情况下，6b与6a之间的温度的升高较少。可以基于给定流量(其可以由加热器3本身测量)，将两个温度感测元件6b与6a之间的温差的变化与空气中的CO2浓度相关联。

如果空气中存在一定浓度的氢气，则会产生相反的效果。氢气具有比空气更高的导热率，因此在给定流量的情况下，6b与6a之间的温度的升高较多。

根据所采用的温度感测元件，可以将温差转化成电压差或电阻差。对于被供应恒定电流的二极管，或对于热电堆，电压差是合适的。对于电阻式温度检测器(RTD)，可以采用多种读出技术，诸如使用仪表电桥或者使用电流镜并且感测电压差来测量电阻的变化。

然而，由于相比于使流量通过对流而引起的两个感测元件的温度的变化，由于流的组成成分(例如，空气中的CO2)而引起的两个感测元件的温度的变化相对较低，因此可能会使这种布置的敏感性受到限制。

图5示意性示出了根据本公开的实施例的具有在介电膜内的非对称布置的间断部的传感器的横截面。图6A示意性示出了图5的传感器的俯视图，并且图6B示意性示出了图5的传感器的三维(3D)俯视图。

可选地，提出了一种非对称设计并且示出在图5、6A和6B中。该非对称设计可以通过使两个感测元件之间实现更高的温度的差异变化，来提高对流的组成成分的敏感性(在流的成分具有不同的导热率的情况下)。

在该实施例中，至少一个孔7a可以在加热器3与在加热器3的一侧的上游温度感测元件6a之间被横向地放置在膜4内，并且，另一个至少一个孔7b可以在下游温度感测元件6b与膜4的在加热器3的另一侧的边缘之间被横向地放置在膜内。在该实施例中，两个孔7a和7b或一组孔具有相似的表面面积，但是它们也可以具有不同的表面面积。在该实施例中，两个感测元件6a和6b在尺寸方面以及与加热器的横向距离方面是相同的，并且可以以相同的制造工艺进行制造，例如在膜蚀刻之前的CMOS步骤期间进行制造。

此处，当加热器3通电时，即使在空气(或静态流)中，6b也以比6a更高的温度操作。如果存在CO2，由于CO2的导热率小于空气的导热率，因此6a和6b中的温度将更加不同(例如，6b将变得比6a更热)。其原因在于，6a通过孔而与加热器隔离(由于CO2的存在，孔的导热率较低)，而在6a与处于环境温度下的膜的边缘之间没有孔存在。这意味着6a将变得比存在正常空气(具有较少CO2)的情况下更冷。针对6b，可以具有相反的论述。在6b与加热器之间没有孔进行分离，但在6b与膜的边缘之间存在孔。在存在较高水平的CO2的情况下，孔的导热率变低，从而使得6b中的温度升高。

在该布置中，两个感测元件6b和6a之间的温度差(6b和6a之间的差分信号)与CO2浓度成比例。对于正常空气的情况，6b和6a之间存在偏移。这可以通过自动归零技术在外部进行校正，或者在读出电路中简单地加以考虑。

通过监测恒定功率下的温度的变化，可以由加热器本身测量流量或流速。可选地，可以通过对供应到加热器元件的功率进行修改，来将加热器3保持在恒定温度或恒定电阻模式下。在这种情况下，可以测量由于流量、流速、体积流率或质量流率而引起的功率的变化。

还可以对加热器3进行温度调节以增加选择性。为了区分流体的不同成分(例如，空气、氢气、甲烷、CO2)，加热器3可以被通电至不同的温度，并且可以相对于存储在存储装置(芯片上装置或外部装置)中的经校准的数据或查找表来评估结果。这些气体(即CO2、氢气和甲烷)的导热率随温度而变化，并且存在的每种气体的变化情况不同。

图6C示出了类似于图5但在膜30的边缘处具有附加的加热器30的传感器的俯视图。该加热器30可以保持在高于环境温度、但低于加热器3的温度的恒定温度下，并且该加热器30有助于使传感器响应保持相同，无论环境温度如何变化。可以对该加热器进行不同的设计，例如，可以是在平行于或垂直于流的方向上的2线加热器，或者是在每个方向上的4线加热器。加热器也可以是在矩形膜或圆形膜上的环形加热器。

图7示意性示出了根据本公开的替代实施例的仅具有一个在介电膜内的间断部的传感器的横截面。图7示出了图6中所示出的设计的替代非对称设计。在该实施例中，在上游感测元件和加热器之间仅设置一个孔。如在前面的实施例中所述，6b比6a更热，并且6b和6a之间的温差可以指示CO2或氢气浓度。该结构比图6的实施例中所示的结构更简单，但是敏感性可能会大大降低。

图8示意性示出了根据本公开的替代实施例的将加热器用作感测元件的传感器的俯视图。图8示出了其中存在多于一个孔的设计，并且唯一的感测元件是由加热器本身形成的感测元件。可以通过监测恒定功率下的加热器的温度的变化来测量流量或流速。可选地，可以通过对供应到加热器元件的功率进行修改，来将加热器3保持在恒定温度或恒定电阻模式下。在该实施例中，用户可以测量由于流量、流速、体积流率或质量流率而引起的功率的变化。

然后，调节加热器3的温度，以相对于一组经校准的数据来检测流的组成成分(空气中的CO2浓度)。

因为这种设计没有附加感测元件，所以这种设计是最简单的，但是对流的流成分的敏感性和选择性较低。

图9示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有在加热元件的上游和下游的其它感测元件的传感器的横截面，并且图10A示意性示出了图9的传感器的俯视图。这是类似于图5和图6中所示的设计。

在该实施例中，当与图6中所示的传感器相比时，在加热器的任一侧(即，在上游(6a)和下游(6b)位置)形成了两个附加感测元件(称为6c和6d)。因为在加热器和这些感测元件之间没有孔，所以6b和6a之间的差分信号与流量成比例，并且受流的组成成分的影响较小。孔7a在感测元件6a和感测元件6c(在上游位置)之间被横向地放置在膜4内，孔7b在感测元件6d和膜4的在加热器3的另一侧的边缘(在下游位置)之间被横向地放置膜内。

此处，当加热器3通电时，即使在空气中(或当不存在流时)，6d也以比6c更高的温度操作。如果存在CO2，由于CO2的导热率小于空气的导热率，因此6d和6c中的温度将更加不同(例如，6d将变得比6c更热)。在这种布置中，两个感测元件6d和6c之间的温度差(6d和6c之间的差分信号)与CO2浓度成比例。如前所述，可以通过6b和6a之间的温差或通过加热器的电阻/功率的变化来测量流量或流度。通过结合来自加热器3以及感测元件6a和6b的读出结果，还可以推断出流的方向性。

这种特定设计还可以用于测量“无流”(或零流，或静态流)状态。在这种情况下，由于对称性，感测元件6b和6a之间的信号差(例如，温度差或电压差或电阻差)应该为零。然而，在正常空气(或无流)的情况下，在6d和6c之间仍然会存在偏移。这可以通过用于正常空气的读出电路而被校正为零。当存在CO2时，即使没有流产生，6d和6c之间的差分信号差(量化为温度差或电压差或电阻差)也随着CO2浓度而线性增加。这可以有助于测量空气中的CO2浓度，例如用于空气质量应用。

图10B示意性示出了根据本公开的实施例的类似于图9中所示的传感器、但具有附加间断部的替代传感器的俯视图。图10b示出了与图10a相似的设计，其中在加热器3的任一侧具有两个附加孔7e和7f。这些附加孔使得元件6a和6b之间具有更大的热隔离，因此使得具有更高的测量敏感性。

图11示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图6中所示的传感器并且具有在介电膜内的较小的孔或穿孔的阵列的传感器的俯视图。图11类似于图6的设计，但在上游和下游分别形成了多个小孔7a和7b。这种设计有助于确保在制造期间或在操作期间，不会损坏膜的强度。在流体是液体(而不是气体)的情况下，这种设计还有助于避免使液体被截留在膜的下方。小孔(例如，直径为微米)还可以在装置的制造期间被更容易地处理，并且不会由于例如过度蚀刻而损坏膜的内层。一排或多排孔形式的几何布置减少了穿过膜的热量传导，但不会显著影响膜结构的机械稳定性和可制造性。孔的存在使得膜两侧的压力均衡，并且允许更大的膜偏转以最小化膜中的应变，从而提高装置的长期可靠性。这些孔还避免了在膜的顶部和底部之间形成压力差，这种压力差在封装/组装期间可能导致装置失效。可以将任何其它实施例的细长狭缝与该实施例的小孔或穿孔进行互换。

图12示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有对称布置的非标准形状的孔的传感器的俯视图。图12示出了一种对称设计，其中孔和感测元件可以具有不同的形状(非标准形状)。在所示的这个实施例中，感测元件具有曲折形状，并且孔具有相应的匹配形状。这种设计增加了感测元件的长度，从而提高了信号处理的准确性和简易性。孔的匹配形状有助于减少穿过膜的热损失。

图1 3示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图6中所示的传感器并且在介电膜内布置有非标准形状的孔的传感器的俯视图。图13中的设计示例具有与图12中示出的感测元件和孔相同形状的感测元件和孔，但在图13中使用了类似于图6所示的非对称布置。这种设计可以进一步提高敏感性，并且感测元件由于具有曲折形状而具有更高的电阻，这可能对于读出电路更有利。

图14示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有附加加热器的传感器的俯视图。图14示出了具有一个附加/其它加热器或加热元件(热线)8，以在流的存在情况、流的参数以及流体的组成成分之间进行区分的对称设计。其它加热元件沿平行于通过传感器的流的方向的方向延伸。两个加热器3和8可以在不同时间以脉冲模式操作。可以操作加热器3，以通过在存在流时测量加热器3的电阻(或者，通过监测感测元件的温度/功率，或一对感测元件(未示出)的差分信号)来感测流的参数(诸如，流量、流速、质量流率或体积流率)，并且第二加热器8可以用于检测不同的流体成分(流组成成分)。包含热线的第一加热器3具有与流的方向正交的方向，以增强对流量/流速的敏感性，而第二加热器与流的方向对准，使得受到流量/流速的影响较少，因此用于测量流体的组成成分。两个加热器可以由在制造工艺(例如，CMOS过程)下可用的不同金属层(例如，铝、钨、铜、钛、铂等)制成。围绕第二加热器可以设置有一对感测元件和孔，以增强对流体成分的检测。在图14中，孔围绕两个加热器被对称地放置。

图15示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图14中所示的传感器并且具有在介电膜内的非对称布置的孔的传感器的俯视图。图15还示出了具有与图14中所示的实施例中描述的加热器布置范围相似的两个加热器布置。在该实施例中，感测元件6a、6b由于流的方向而平行于其它加热元件8。图15中提出了一种非对称设计，以提高对流体成分检测的敏感性。当操作加热器8时，6a将比6b更热，并且6a和6b之间的温差将与CO2浓度成比例。假定加热器8和感测元件6a和6b与流对准，由于流量的原因，6a和6b之间的温差将显著小于将加热器8、感测元件6a和6b以垂直于流的方向放置的这些结构下的6a和6b之间的温差。在这方面，这种特定设计提供了对流的组成成分的高敏感性，并且能够更有效地区分由于流或具有不同的导热率的流体成分的浓度而引起的温度变化。

图16示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有放置在加热元件的上游和下游的热电堆的传感器的俯视图。图16示出了具有加热器3和两个孔7a和7b的对称设计。热电堆9a和9b被放置在沿流的方向的上游和下游。热电堆是可以在无需任何外部电源的情况下，感测热接点和冷接点之间的温差，并且将温差转换成电压变化的相对温度传感器。9a和9b的热接点被分别放置为更靠近于孔7a和7b，而冷接点被放置在半导体衬底上方的膜的外侧。因此，热电堆各自测量半导体衬底上方的介电膜和介电区域之间的温差。假设冷接点将保持在相同的温度下，则热电堆9b和9a的热接点之间的差分电压信号取决于流体的导热率。

所示的每个热电堆包括一个或多个串联连接的热电偶。每个热电偶是通过将两种不同的材料(例如，两种金属、两种半导体、一种金属和一种半导体)结合在一起而形成。热电偶材料可以包括金属，诸如铝、钨、钛、或它们的组合、或工艺中可用的任何其它金属。可选地，热电偶材料可以包括基于n型和p型硅、或多晶硅、或金属和半导体的组合的热电偶。热电堆两端的电压与热接点和冷接点之间的温差、热电偶的塞贝克系数、以及串联联接的热电偶数量成正比。

图17示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图16中所示的传感器并且具有在加热元件的上游的单个孔的传感器的俯视图。图17示出了在沿流的方向的上游仅放置了一个孔7a的非对称设计。9a的热接点的温度将低于9b的热接点的温度。这种不平衡将随着具有较低导热率的流体成分的浓度(例如，空气中的CO2的浓度)的增高而增加。与图16中所示的对称设计相比，这种布置提供了对流的组成成分的更高的敏感性。

图18示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有圆形的膜以及相应弧形形状的加热器、孔和热电堆的传感器的俯视图，并且图19示意性示出了与图18中所示的传感器类似并且具有对称布置的孔的传感器的俯视图。

图18和图19分别示出了具有圆形的膜以及相应匹配形状的加热器10、孔7a和7b以及热电堆9a和9b的非对称装置和对称装置。加热器10是微型热板，在这种情况下，通过金属轨道5对加热器10供电。这些布置的益处在于更好地使用了膜区域并且具有更高的热性能，但它们的设计比图16和图17中所示的设计更复杂。

图20示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有四个孔和四个热电堆的传感器的俯视图；并且图21示意性示出了类似于图20中所示的传感器并且具有非对称布置的孔的传感器的俯视图。

图20和21(分别)示出了使用4个孔和4个热电堆的不同的对称设计和非对称设计。通过使用不同热电堆组之间的差分信号和总信号，可以基于流的不同成分之间的导热率差异，来区分流的性能(诸如，流量或流速)和流的组成成分。例如，参考图21中的实施例，假设所有热电堆的冷接点的温度相同，则T9a+T9c-(T9b+T9d)可以得到流的性能，而T9c+T9b-(T9a+T9d)可以得到基于流体的不同成分的导热率的信号。T9x表示9x热电堆的热接点温度。注意的是，信号被测量为电压差，并且取决于塞贝克系数和每个热电堆的串联连接的热电偶的数量。

为了将由不同的冷接点温度所产生的影响最小化，可以将图15至图21中所示的所有热电堆的冷接点通过在膜的外侧或膜的边缘上进行金属化而电连接或热连接在一起。所有这些热电堆的冷接点都可以接地并且用作参考电位。

图22示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有横跨加热元件放置的热电堆的传感器的俯视图。图22示出了围绕/横跨加热器3对称地放置热电堆9的另一实施例。此处，加热器被示出为被放置成垂直于流的方向的热线。热电堆的热接点91可以是加热器3的一侧，而冷接点92可以是加热器的另一侧，热接点和冷接点都在膜4内的距膜的边缘一定距离的位置处。孔7a和7b可以在热电堆和膜的边缘之间的空间中被对称地放置在膜内。热电堆测量加热元件上的温差。热接点91和冷接点92之间的电压差(与温差成比例)表示流的性能。可以调节加热器3的温度，并且可以相对于经校准的数据来评估热电堆电压(热接点91和冷接点92之间的电压降)来指示流的组成成分。这也可以与加热器3的电阻的测量值相关。

图23示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图22中所示的传感器并且具有在加热元件的下游的单个孔的传感器的俯视图。图23示出了与图22中所示的结构相似的结构，不同之处在于以非对称方式放置孔。此处，单个孔被示出在下游位置中。

这有助于增强对流的不同成分的敏感性/选择性。如果存在较高浓度的CO2，则热接点91将比例如在流中仅存在正常空气时更热。可以调节加热器3的温度，并且可以使用热电堆电压(热接点91和冷接点92之间的电压降)来区分流的性能和流的组成成分和/或增强对流的组成成分(例如，空气中的CO2浓度或氢气浓度)的敏感性/选择性。

图24示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图22中所示的传感器并且具有两个附加热电堆的传感器的俯视图。图24示出了与图23中所示的结构相似的结构，并且在加热器的任一侧放置有两个附加热电堆(9a为上游热电堆并且9b为下游热电堆)，该两个附加热电堆的冷接点均被放置在膜的外侧。该实施例的操作类似于图7的实施例。第一热电堆9可以用于测量流的方向和流的性能(诸如，流量或流速)，而上游热电堆与下游热电堆的热接点之间的电压差可以用于测量流的不同成分的浓度。与图23中的先前设计相比，该设计有更多参数需要测量，但是也更复杂，并且可能通过热电堆本身而产生额外的热损失。

图25示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有热电堆和电阻温度检测器的传感器的俯视图。图25示出了感测元件是热电堆9以及两个电阻温度检测器或二极管(一个是上游电阻温度检测器或二极管6a并且一个是下游电阻温度检测器或二极管6b)的组合设计。因为该装置没有附加热电堆来使热量可以通过它们消散，因此该装置的热损失低于图23中所示的装置。此外，孔7a和7b的非对称布置有助于增加对流的组成成分的敏感性/选择性(以与关于图6中所示的实施例描述的效果类似的方式)。

图26示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有垂直于第一加热元件的第二加热元件的传感器的俯视图。图26示出了双加热器设计，其中第一加热器3垂直于流的方向放置，并且第二加热器8以与流的方向对准的方向放置。这两个加热器没有物理连接或电连接，并且可以例如由不同的金属层制成。热电堆9(也由与加热器3和8不同的层制成)可以围绕两个加热器或横跨两个加热器对称地放置。热接点91可以放置在第一加热器3的一侧，冷接点92可以放置在第一加热器3的另一侧，热接点91和冷接点92在膜内的距加热器和膜的边缘一定距离的位置处。加热器可以在不同时间以脉冲模式操作。垂直于流的方向的第一加热器3可以进行操作，以通过测量热电堆的电压降来感测流的性能(诸如，流量、流速、质量流率或体积流率)，而当加热器3关闭时，与流对准的第二加热器8可以进行操作，以通过测量热电堆的电压降来感测流的组成成分。可以调节第一加热器3和/或第二加热器8的温度，以提高测量的准确性并且提高对流的不同成分的敏感性/选择性。

图27示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图26中所示的传感器并且具有对称布置的孔的传感器的俯视图。图27示出了具有对称设计的孔(即，上游的孔7a和7c，下游的孔7b和7d)的两个加热器设计。此处，设置孔来减少热损失、减少热质量、并且增强对流的不同成分的敏感性/选择性。

图28示意性示出了根据本公开的替代实施例的类似于图27中所示的传感器并且具有在加热元件的下游的非对称布置的孔的传感器的俯视图。在图28中，孔(7b、7d、7m和7n)被非对称地放置(此处被示出在下游位置)，以提供热电堆的更大的差分信号(相比于图27中的设计)，从而进一步提高对流的不同成分的敏感性/选择性。

图29示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有用于控制或产生流体流的流机构20的传感器的俯视图。在图29中，流形成装置20(例如，通过热泳或热扩散而产生温度梯度和流的微型泵、微型风扇、或附加加热器)设置在流/热量传导传感器附近以产生或操纵流。流形成装置20也可以是阀式装置。阀式装置可以被完全关闭以使系统处于零流状态、可以被部分关闭以降低流的流速、或者可以保持完全打开而不操纵流。在阀式装置完全关闭的情况下，将横跨阀式装置产生压力，使得当打开阀式装置时，将产生流速与在阀式装置关闭时横跨阀式装置所产生压力成比例的流。装置20可以用于增强指示流中所存在的组成成分的信号/准确性(基于通过流的对流所增强的流的不同成分的导热率差异)。例如，流可以增强感测元件6b和6a之间的差分信号，从而提供关于流的组成成分的信息。可以通过评估加热器3的电阻的变化来校准流量。

图30示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有用于控制或产生温度梯度的流加热器的传感器的横截面。在图30中，我们示出了两个附加加热器21、22，该加热器21、22可以呈MEMS微型热板的形式，并且被放置在通道内并且可选地形成在歧管内。两个附加加热器21、22电可以呈围绕流通道缠绕的线圈的形式。流加热器用作流机构。流加热器1和2在不同的温度下操作，并且在通道中产生可控的温度梯度，从而在流/热量传导传感器的表面处产生流。同先前情况一样，流可以增强6b和6a之间的差分信号，从而提供关于流的组成成分的信息。可以通过评估加热器3的电阻的变化来校准流量。

图29和30中所示的设计在无流或静态环境状态下特别有用。可以通过流传感器或通过使用与图10中的装置类似的装置来检测无流状态。为了增强对流中的不同成分以及它们的相关浓度的检测的准确性，可以打开(如图29中的)流形成装置或(如图30中的)流加热器。这些装置可以用于更准确地感测静态空气中的CO2百分比/ppm。也可以调节加热器3的温度以增加选择性。为了区分流的不同成分(例如，空气、氢气、甲烷、CO2)，加热器3可以被通电至不同的温度，并且可以相对于存储在存储装置(芯片上装置或外部装置)中的经校准的数据或查找表来评估结果。

图31示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有用于控制或产生温度梯度的被集成的附加加热器的传感器的横截面。图31示出了可以使用具有专用设计加热器的集成式微型热板的类型来产生温度梯度、产生热扩散，并因此产生流。加热器11可以被通电至高温(可选地高于用于传感器3的加热器的温度)，从而产生和操纵流。使用加热器11的集成式微型热板可以与流/热量传导传感器单片地一体集成，并且针对加热器和膜使用类似的元件。膜12可以与传感器膜4相邻(如图所示)，或者可以针对两个加热器使用单个膜(未示出)。可以在形成为歧管或传感器壳体的一部分的预定义通道内产生流。

图32示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有放置在传感器下方的ASIC的传感器的横截面。图32示出了其中(使用堆叠管芯技术)将ASIC 13放置在流/热量传导传感器下方的布置。ASIC可以用于驱动传感器、读出信号并且处理信号。ASIC可以包含模拟块和数字块，诸如：

电流和电压驱动器

电流镜

与绝对温度(VPTAT)成比例的电压；

与绝对温度(IPTAT)成比例的电流；

开关、多路复用器、解码器、滤波器、放大器、模数转换器、定时块、RF通信电路、存储器、和/或

用于驱动加热元件和/或温度感测元件并且从中进行读出的装置；和/或

用于电子地操纵传感器信号的装置；和/或

用于启用/禁用传感器元件的装置。

在图32中所示的管芯堆叠配置中，通过使用传感器15和ASIC 16上的焊线和焊盘，经由线14而将ASIC连接到传感器。

图33示意性示出了根据本公开的替代实施例的具有在介电膜内的沟槽或部分凹槽的传感器的横截面。图33示出了与图6中所示的结构相似的结构，其中孔不需要连接膜的顶表面和底表面。7a和7b被示出为所形成的从顶表面到膜中的沟槽或部分凹槽。7a和7b提供与其它实施例中所示的孔类似的功能，并且在任何实施例中都可以使用部分凹槽来代替孔。

实际上，在所有实施例中，间断部可以是指膜中的从顶表面到底表面的间隙(孔)。间断部也可以是指从顶表面或底表面(在使用倒置膜的情况下)形成的并且没有穿透另一表面的沟槽，但是这在热性能方面没有那么有效。这种局部孔(沟槽或部分凹槽)的优点在于，它们对膜的机械强度的影响较小，并且在某些情况下它们可能更容易制造。此外，这种局部孔可以用于气密地密封膜的底侧，或者不允许流穿透膜的下方。

图34示出了根据本公开的替代实施例的位于流传感器壳体内的传感器芯片。图34示出了在流传感器壳体或小型腔室(诸如歧管)内部的流传感器芯片。壳体包括基部17，芯片通过粘合剂、管芯附接件或焊料而附接至基部17。还存在封装壁18和盖19。盖具有入口和出口以将流连通。基部17和壁18可以由PCB(印刷电路板)类型的材料制成，而盖97可以是模制塑料。也可以使用基于环氧树脂、树脂的其它材料。

本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上方”、“重叠”、“下方”、“横向”等位置术语是参照装置的概念示图(诸如，示出标准横截面立体图的示图和附图中所示的示图)进行描述的。使用这些术语是为了便于参考，但不旨在具有限制性质。因此，这些术语应理解为是针对处于如附图中所示出的方向的装置。

尽管已根据上述优选实施例描述了本公开，但应理解这些实施例仅是说明性的并且权利要求不限于这些实施例。本领域的技术人员将能够根据本公开做出修改和替代方案，并且这些修改和替代方案被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中所公开或所说明的每个特征可以单独地或通过与本文所公开或所说明的任何其它特征进行任何合适的组合来并入本公开中。

Claims (24)

1.一种流和热量传导传感器，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底包括蚀刻部分；

介电区域，所述介电区域位于所述半导体衬底上，其中所述介电区域包括位于所述半导体衬底的蚀刻部分上方的至少一个介电膜；以及

加热元件，所述加热元件位于所述介电膜内，

其中，所述介电膜包括在所述加热元件与所述介电膜的边缘之间的至少一个凹槽区域。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述至少一个凹槽区域被布置成关于由所述加热元件限定的轴线非对称。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述加热元件被配置成作为温度感测元件操作。

4.根据权利要求1、2或3所述的传感器，其中，所述至少一个凹槽区域包括一个或多个孔，或者由一个或多个孔制成。

5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述一个或多个孔中的至少一个包括朝向所述介电膜的相对边缘延伸的细长狭缝。

6.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述一个或多个孔包括穿孔阵列。

7.根据权利要求1、2或3所述的传感器，其中，至少一个凹槽区域中的至少一个被部分凹入在所述介电膜内。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，包括一个或多个其它温度感测元件。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述一个或多个其它感测元件包括位于所述加热元件的相对侧的至少一对温度感测元件。

10.根据权利要求8或9所述的传感器，其中，至少一个凹槽区域位于所述加热元件与所述一个或多个其它温度感测元件中的至少一个之间。

11.根据权利要求8、9或10所述的传感器，其中，所述一个或多个其它感测元件中的至少一个被配置成测量跨所述加热元件的温度差。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的传感器，其中，所述一个或多个其它感测元件中的至少一个被配置成测量所述介电膜与所述半导体衬底上方的介电区域之间的温度差。

13.根据权利要求8至12中的任一项所述的传感器，其中，至少一个凹槽区域位于所述一个或多个其它温度感测元件中的至少一个与所述介电膜的边缘之间。

14.根据权利要求8至13中的任一项所述的传感器，其中，所述一个或多个温度感测元件包括电阻温度检测器、二极管或热电堆。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，包括第一对其它感测元件和第二对其它感测元件，并且

其中，所述第一对其它感测元件之间的差分信号被配置成测量流性能或压差，并且

其中，所述第二对感测元件之间的差分信号被配置成测量流的成分的性能。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，其中，在使用中，所述加热元件沿与通过所述传感器的流的方向垂直的方向延伸。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，包括其它加热元件，并且其中，在使用中，所述其它加热元件沿与通过所述传感器的流的方向平行的方向延伸。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，包括朝向所述介电膜的边缘放置的其它加热元件，

其中，在使用中，所述其它加热元件在所述传感器的操作期间被保持在恒定温度，并且其中，所述其它加热元件的所述恒定温度高于环境温度并且低于所述加热元件的温度。

19.根据权利要求17或18所述的传感器，进一步包括一个或多个其它感测元件，所述一个或多个其它感测元件被配置成测量跨所述其它加热元件的差分信号。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，其中，所述介电膜是圆形的或具有圆角，并且其中，所述至少一个凹槽区域具有弧形形状。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，其中，所述传感器被配置成使用以下中的任一项来校准：

零流状态下的测量值；

已知流速下的一个或多个测量值；

零压差下的测量值；和/或

已知压差下的一个或多个测量值。

22.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，进一步包括：

流机构，所述流机构被配置成提供或控制通过所述传感器的流，并且可选地其中，所述流机构包括至少一个附加加热器，所述至少一个附加加热器被配置成产生跨传感器的温度梯度；和/或

专用集成电路(ASIC)，所述ASIC联接到所述传感器。

23.一种流感测装置，包括：

流传感器壳体；以及

位于所述流传感器壳体内的根据前述权利要求中的任一项所述的传感器。

24.一种制造传感器的方法，所述方法包括：

在包括蚀刻部分的半导体衬底上形成至少一个介电膜，其中所述介电膜在所述半导体衬底的蚀刻部分的区域上方；

在所述介电膜内形成加热元件；

在所述介电膜内形成至少一个凹槽区域，所述至少一个凹槽区域位于所述加热元件与所述介电膜的边缘之间。

Images