CN117546013A - 热流体传感器 - Google Patents

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弗洛林·乌德雷亚
S·Z·艾利
E·加德纳
C·法尔科
D·波帕
J·W·加德纳
S·狄克逊
J·C·乔伊斯
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Frouso Co ltd
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Abstract

一种用于感测流体的浓度或组成的流体传感器，传感器包括：半导体衬底，其包括第一被蚀刻部分；介电区域，其位于半导体衬底上，其中介电区域包括被定位成覆盖在半导体衬底的第一被蚀刻部分之上的第一介电膜；位于第一介电膜内的第一加热元件；以及第二加热元件；其中第一加热元件被布置为热屏蔽第二加热元件，使其免受环境温度变化的影响；其中第一加热元件或第二加热元件被配置为作为温度感测元件进行操作；其中第一加热元件被配置为在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作；其中第二加热元件被配置为在恒定电流或恒定电压模式或恒定功率模式下进行操作；并且其中传感器被配置为使用温度感测元件确定流体的热导率，以确定流体的所述浓度或所述组成。

Description

热流体传感器
技术领域
本公开涉及微机械传感器，具体地但非排他地，本公开涉及用于基于流体的热导率来感测流体的浓度或流体的组分的浓度的流体传感器。
背景技术
对监测我们环境中的污染物的气体传感器的需求在增加。气体传感器可以基于许多不同的原理和技术。一个这样的原理是使用热导率来确定气体的组成。
例如，在G.De Graaf和R.F.Wolffenbuttel，“Surface-micromachined thermalconductivity detector for gas sensing”.2012IEEE International Instrumentationand Measurement Technology Conference Proceedings，第1861-1864页中描述了基于硅技术的热导率气体传感器。
Mahdavifar等人在“Simulation and Fabrication of an Ultra-Low Powerminiature Microbridge Thermal Conductivity Gas Sensor”.Journal of theElectrochemical Society，161B55中描述了一种包括悬浮的薄多晶硅电阻器的装置，所述电阻器充当作为热导率传感器的一部分的温度传感器和加热器。多晶硅的电阻随温度的变化允许其用作温度传感器。
US10598621、US8667839B2和US63572279B1、US8689608和US10408802B2描述了另外的传感器。Kommetur等，“A microbridge heater for low power gas sensing basedon the 3-omega technique”，Sensors and Actuators.A 233(2015)231-238，也描述了一种热导率传感器。
这些装置中的许多装置使用主传感器和参考装置之间的差分信号。然而，在所有情况下，参考装置也是加热器，因此使该装置的功耗加倍。
此外，这些装置中的许多装置需要用特定气体对所述参考装置进行密封以用作参考装置。这增加了传感器封装的复杂性和成本。此外，一旦被密封，传感器就只能感测一种特定气体(例如，CO2)，并且不适用于感测多种气体或多种流体。
此外，这些装置中的许多装置遭受环境温度、湿度和/或环境压力影响。
发明内容
目前可用的传感器至少具有下列缺点：
·传感器的高功率消耗、低灵敏度和慢动态响应；
·机械脆弱性和振动敏感性；
·传感器支撑结构的降低的机械稳健性；
·复杂的制造工艺；
·不完全CMOS兼容的制造工艺；以及
·昂贵的制造工艺。
由于至少下列原因，本公开的装置优于现有技术水平的装置：
·传感器能够在零流动或接近零流动环境中确定流体的组成
和流体内不同组分的浓度；
·对任何被加热元件的热隔离，这减少了功率消耗、增加了
灵敏度并提供了传感器的快速动态响应；
·与梁结构相比，膜结构的机械脆弱性和振动敏感性降低；
·用于介电膜的合适的介电材料改善了膜的机械稳健性；
·用于介电膜(具有低热质量)的合适的介电材料(具有低热导率)降低了功率消耗、增加了灵敏度并且提供了传感器的快
速动态响应；
·膜内的不连续性缓解了功率消耗、灵敏度和动态响应问题；以及
·装置是完全CMOS(互补金属氧化物半导体)和/或MEMS(微机电系统)兼容的，并且因此可以使用完全CMOS和/或MEMS兼容工艺来制造。
·在恒定温度或恒定电阻模式下使用加热器中的一个加热器(屏蔽加热器)，以针对环境中由于环境温度、湿度、环境压力变化引起的变化提供非常稳定的参考。
本公开的流体传感器能够基于流体的每个组分的不同热导率来测量流体的组成。
一般而言，本公开涉及一种双加热器布置，其中每个加热器在不同的模式下进行操作。例如，一个加热器在恒定温度模式下进行操作并且用作屏蔽加热器，而第二加热器在恒定电流模式下进行操作并且用于产生热(作为主动(active)加热器)。通过对装置中的热损失进行测量，可以基于流体的热导率来对流体的浓度或流体的组分的浓度进行测量。
在所附权利要求中阐述了各方面和优选特征。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于感测流体的浓度或组成的流体传感器，所述传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括第一被蚀刻部分；介电区域，所述介电区域位于所述半导体衬底上，其中，所述介电区域包括被定位成覆盖在所述半导体衬底的所述第一被蚀刻部分之上的第一介电膜；第一(屏蔽)加热元件，所述第一(屏蔽)加热元件位于所述第一介电膜内；以及第二(主动)加热元件；其中，所述第一加热元件被布置成热屏蔽所述第二加热元件，使其免受环境温度变化的影响；其中，所述第一加热元件或所述第二加热元件被配置为作为温度感测元件进行操作；其中，所述第一加热元件被配置为在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作；其中，所述第二加热元件被配置为在恒定电流或恒定电压或恒定功率模式下进行操作，并且其中，所述传感器被配置为基于所述流体的热导率确定所述流体的所述浓度或所述组成。
在一些实施方式中，如下文将更详细地描述的，第二加热元件位于第一介电膜内，或替代地，第二加热元件可位于第二介电膜内，例如衬底的相同或不同的介电区域。
第一加热元件可与第二加热元件在空间上分离，以使得第一加热元件与第二加热元件之间存在温差。
第一温度感测元件可以被放置在第一加热元件附近、周围、上方或下方，以使得第一加热元件和第一温度感测元件具有相同的(或基本上相同的)被保持的温度。替代地，第一加热元件可以被配置为感测自身温度，以使得其作为加热元件并作为温度感测元件起到双重作用。
第一加热元件可以是电阻元件，在这种情况下，如果作为温度传感器进行操作，它可以是电阻式温度检测器(RTD)。
第一加热元件在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作。这意味着对其施加偏置(电流/电压/功率)并且监测其温度或电阻。可以通过测量其自身的温度或电阻或通过测量第一温度感测元件的温度或电阻来完成监测。通过反馈控制电路，尽管环境参数变化(例如环境温度、压力、湿度等)，第一加热元件或第一温度感测元件的温度或电阻保持恒定。这确保了第一温度感测元件(或加热元件本身)可以用作参考元件。
所述反馈控制电路可以集成(放置在芯片上)、设置在同一封装中或者是外部的。
第一加热元件可以被认为是屏蔽加热元件或参考加热元件并被描述为屏蔽加热元件或参考加热元件，因为其保护第一温度感测元件的温度或电阻或其自身的温度或电阻免受由周围或环境引起的变化的影响。第一感测元件可以被描述为参考感测元件。
即使当第二加热元件在操作中时，第一加热元件或感测元件的温度也可以保持恒定。因此，尽管第二加热元件产生额外的热，但是可以重新调整第一加热元件中的功率以将其自身保持在恒定温度。
第一加热元件和第一温度感测元件可以在比环境温度更高的温度下进行操作，但是所设想的是它们在比第二加热元件更低的温度下进行操作。
第二加热元件可以被认为是主动加热元件。第二加热元件可以通过恒定电流或恒定电压或恒定功率驱动或其组合来偏置，并且其电阻和温度可以作为流体热导率性质的函数而上升或下降或作为流体的不同组分的热导率性质及其相应浓度的函数而上升或下降。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于感测流体的浓度或组成的流体传感器，所述传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底包括至少一个被蚀刻部分；介电区域，所述介电区域位于所述半导体衬底上，其中，所述介电区域包括被定位成覆盖在所述半导体衬底的所述第一被蚀刻部分之上的至少一个介电膜；第一加热元件，所述第一加热元件位于所述第一介电膜内；第二加热元件；第一温度感测元件，所述第一温度感测元件与所述第一加热元件定位在一起；第二温度感测元件，所述第二温度感测元件与所述第二加热元件定位在一起；其中，所述第一加热元件被布置成热屏蔽所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件和所述第二加热元件，使其免受环境温度变化的影响；其中，所述第一加热元件被配置为在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作；其中，所述第二加热元件被配置为在恒定电流或恒定电压或恒定功率模式下进行操作，并且其中，所述第二温度感测元件与所述第一温度感测元件之间的分离在所述第二温度感测元件与所述第一温度感测元件之间引入温度差，以使得所述第一温度感测元件与所述第二温度感测元件之间的差分信号基于所述流体的热导率指示所述流体的所述浓度或组成。
第二温度感测元件可以被放置在第一加热元件附近、周围、上方或下方，以使得第二加热元件和第一温度感测元件具有相同的(或基本上相同的)被保持的温度。替代地，第二加热元件可被配置为感测其自身的温度，以使得其起到作为加热元件并作为温度感测元件的双重作用。
第二加热元件可以是电阻式元件，在这种情况下，如果作为温度传感器进行操作，则它可以是电阻式温度检测器(RTD)。
对第二加热元件的温度的监测可以通过测量其自身的温度或电阻或通过测量第二温度感测元件的温度或电阻来完成。
在第二加热元件的操作期间，由第二加热器产生的热传播到介电膜中、介电膜上方和下方，并且进入环绕加热元件的流体中。损失到环绕加热元件的流体的热的量将取决于所述流体的热导率。因此，加热元件的温度曲线(profile)将取决于传感器内的流体的热导率。取决于流体的热导率，当分别与第一加热元件的温度或电阻或第一加热元件的温度或电阻相比时，第二加热元件或第二温度感测元件的温度或电阻将变化。
由于第二加热元件的温度取决于通过传感器内的流体传导的热并因此取决于流体的热导率，所以在第一元件(加热或感测)和第二元件(加热或感测)之间产生的差分信号也取决于流体的热导率。传感器内的不同目标流体具有不同的热导率，并且因此第二温度感测元件(或第二加热元件)的温度可以用于确定传感器内的流体的浓度或组成。差分信号指示所述流体的组成或浓度。
与所测量的环境温度相比，由损失到流体的热引起的第二温度感测元件或第二加热元件的温度或电阻变化通常是小的。因此，通过使用第一加热元件来屏蔽环境温度(和其他环境噪声源)的影响并且保持第一加热元件的温度或电阻恒定，在第一元件和第二元件之间产生的差分信号较少地受环境温度(和其他环境噪声源)中的变化的影响(或几乎不受影响)。所述差分信号可以使用仪器桥(诸如惠斯通电桥)或基于差分/仪表放大器的方案来读出和/或放大。
第一加热元件或第二加热元件可以同时作为加热元件和感测元件两者进行操作。第一加热元件或第二加热元件可以被认为与电阻器电等效。大多数加热器材料(钨、钛、铂、铝、多晶硅、单晶硅)的电导率随温度变化。该变化大部分是线性的，并且由TCR(电阻的温度系数)表征。TCR可以是正的或负的，但是大多数金属具有正的和稳定的TCR，这意味着当温度增加时它们的电阻增加。
加热器自身用作感测元件的优点是简单且减少了膜上的附加元件的数量。介电膜上元件的数量越大，传感器的受损的可靠性或故障的可能性就越高。
感测元件被用作与加热器分开的元件的优点是系统中的噪声较小，并且读出电路可以被简化并且给出更高的准确度。
还可能的是，第一加热元件被用作加热器和温度传感器两者，同时第二温度元件与第一加热元件分开。
流体传感器可以包括由半导体材料(诸如硅、碳化硅或氮化镓)制成的半导体衬底，并且包括被蚀刻部分。流体传感器还可以包括至少一个介电区域，该介电区域包括氧化物和/或氮化物(诸如二氧化硅和氮化硅)，其中，介电区域的与被蚀刻部分相邻的部分被称为介电膜。介电膜可以具有由半导体材料或金属结构制成的嵌入结构。
所述半导体衬底可以是任何半导体，诸如硅、绝缘体上硅(SOI)、碳化硅、氮化镓或金刚石。特别地，硅的使用是有利的，因为它保证了可以大量、低成本和高重复性地制造传感器。硅衬底的使用还可以使得能够实现片上电路(on-chip circuitry)，所述片上电路用于增强传感器性能并促进系统集成。这样的片上电路可以通过使用放置在介电膜外部的模拟或数字或混合信号模块来实现。
所述至少一个介电膜或多个介电膜可以通过背面蚀刻来形成，所述背面蚀刻使用衬底的深反应离子蚀刻(DRIE)，这导致竖直侧壁并且因此使得能够降低传感器尺寸和成本。然而，也可以通过使用导致倾斜侧壁的各向异性蚀刻(诸如KOH(氢氧化钾)或TMAH(四甲基氢氧化铵))来完成背面蚀刻。膜内的介电层(其可以通过氧化或氧化物沉积形成)可以在DRIE或湿法蚀刻工艺期间用作蚀刻停止层(etch stop)。所述膜也可以通过正面蚀刻(使用最常用的湿法蚀刻技术)或正面蚀刻和背面蚀刻的组合来形成，以产生仅由两个或更多个梁支撑的悬置的膜结构。所述膜可以是圆形、矩形，或具有圆角的矩形，以减小拐角中的应力，但是其他形状也是可行的。
优选地，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或氧氮化物(预成形的氧化物和氮化物的组合)形成，并且其中，加热器元件可以由金属(诸如钨、钛、铜、铝、金、铂或它们的组合)或半导体(诸如高度掺杂的n型或p型硅或多晶硅)制成。所述加热元件可以具有弯折、螺旋或热丝(hotwire)的形状。
所述温度感测元件可以具有弯折、螺旋或线(wire)的形状。
所述感测元件可以放置在加热元件内部或被加热元件环绕；或者可以放置在加热元件的上方或下方。
介电区域可以包括介电层或多个层，所述多个层包括至少一个介电层。介电区域可以包括多于一种的材料(诸如二氧化硅、氮化硅或氧化铝)的层。加热元件可以完全嵌入或部分嵌入在介电膜内。
所述膜还可以包括在玻璃上的一个或更多个自旋(spin)层以及覆盖在所述一个或更多个介电层之上的钝化层。采用具有低热导率的材料(例如，电介质)使得能够显著降低功率消耗并且能够增加膜内的温度梯度，这在传感器性能方面(例如，灵敏度、频率响应、范围等)具有直接益处。由诸如单晶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置或嵌入在所述介电膜中。
所述介电膜还可以具有由金属或其他导电材料或其他具有较高机械强度的材料制成的其他结构。这些结构可以嵌入在所述膜内，或者可以在所述膜的上方或下方，以构建膜的热机械性能(例如刚度、温度曲线分布等)和/或流体与膜之间的流体动态相互作用。更一般地，这些结构也可以在膜的外部和/或桥接在膜的内部和外部之间。
一般而言，介电膜区域可以紧邻或高于(或低于，如果使用倒装芯片(flip-chip)技术)衬底的被蚀刻部分。介电膜区域对应于介电区域的直接在衬底的蚀刻腔体部分上方或下方的区域。每个介电膜区域可以覆盖在半导体衬底的单个被蚀刻部分之上。膜可以是由衬底沿其整个周边支撑的“封闭膜”，或者可以是桥类型结构-其由多个电介质梁支撑。
流体传感器可以被配置为感测或测量流体(该流体可以是气体，但是也可以是液体)，并且气体可以由空气构成，并且感兴趣的组分可以是CO2、甲烷或氢气或干燥空气或湿空气中的其他气体中的任一种。感兴趣的组分可以是具有与空气的热导率不同的热导率的任何流体。
所公开的传感器可以适用于多种气体和液体，但是我们特别参考二氧化碳(CO2)、甲烷和氢气，因为这些特定气体具有与空气的热导率特性显著不同的热导率特性。
传感器可以是结合在MEMS结构中的热导率流体传感器，其包括第一加热元件和第二加热元件以及至少一个感测元件(诸如温度感测元件)，所述至少一个感测元件能够分开地检测流体流动特性，诸如速度、体积流量、质量流量。温度感测元件还能够基于流体的不同组分在热导率、比热容、动态黏度、密度(以及其他热机械性能，下列简称为热性质)方面的差异来检测流体的组成。
可存在测量第一电阻式温度元件和第二电阻式温度元件之间的差分信号并使用它基于不同的热导率确定流体或特定流体组分的浓度的电路。
第一温度感测元件可以位于距离第二加热元件第一距离处，并且第二温度感测元件可以位于距离第二加热元件第二距离处，并且其中，第一距离可以大于第二距离。
第二加热感测元件可以被定位成更靠近介电膜的中心，并且第一加热元件可以被定位成更靠近介电膜的边缘。所述两个加热元件可以通过凹陷结构分开，以进一步在热方面隔离它们。
第一加热元件和第二加热元件可以位于相同的介电膜内，并且第一加热元件可以环绕第二加热元件。
第一温度感测元件和第二温度感测元件可以位于同一介电膜上或位于同一介电膜内。凹陷区域可以优选地位于第一温度感测元件和第二温度感测元件之间。
第一温度感测元件和第一加热元件可以位于同一介电膜上，并且其中，第二温度感测元件和第二加热元件可以位于与第一介电膜不同的同一个另外的介电膜上。所述至少两个膜可以具有类似的形状和尺寸。
第一温度感测元件的被保持的温度可以在很大程度上与第一加热元件的温度相同，并且第二温度感测元件的被保持的温度可以在很大程度上与第二加热元件的温度相同。
所述第一温度感测元件或所述第二温度感测元件或所述第一加热或所述第二加热元件可以位于介电区域的同一层(同一制造步骤的一部分)中，并且其中，所述第一温度感测元件或所述第二温度感测元件分别侧向地环绕所述第一加热元件和所述第二加热元件，或者其中，所述第一温度感测元件或所述第二温度感测元件分别位于所述第一加热元件或所述第二加热元件下方或上方。
所述加热元件或所述温度感测元件中的任一者可以是电阻式的并且可以被配置为作为电阻式温度检测器进行操作。
第一温度感测元件和第二温度感测元件可以放置在同一膜上或放置在分开的膜上。如果是分开的膜，则这两个膜可以并排且形状相同。第一温度感测元件和第二温度感测元件可以放置在它们各自的膜中的每一个内的类似位置中，以改善匹配特性。此外，第一加热元件可以在一个膜内、与第一感测元件放置在一起，而第二加热元件可以在不同的类似膜内、与第二感测元件放置在一起。放置在同一芯片上的膜以及它们各自的加热/感测元件可以看起来相同并且可以相对于芯片上的轴线对称。不同之处在于，第一加热元件可以在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作，而第二加热元件可以在恒定电压、恒定电流或恒定功率模式下进行操作。
替代地，上述两个膜中的每一个可以包含两个屏蔽加热元件(被称为第一加热元件)，而仅一个膜可以包含主动(第二)加热元件。在这种情况下，有三个加热元件，两个(主动和屏蔽)放置在膜上，以及一个(屏蔽)放置在分开的膜上。所述两个屏蔽加热元件(第一加热元件)可以是独立的，其在类似或不同的恒定温度(或恒定电阻)下进行操作，或者可以是不独立的，并以电气方案或组合(诸如串联或并联)的方式连接并且被同一温度控制电路一起驱动。两个屏蔽加热元件都在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作，而第二加热元件可以在恒定电压、恒定电流或恒定功率模式下进行操作。
第二温度感测元件可以被定位成比第一温度感测元件更靠近第二加热元件。第一温度感测元件可以被定位成比第二温度感测元件更靠近第一加热元件。优选地，第二温度感测可以被定位成使得第二温度感测元件在传感器的操作期间具有与第二加热元件相同的温度。优选地，第一温度感测可以被定位成使得第一温度感测元件在传感器的操作期间具有与第一加热元件相同的温度。
所述差分信号可以作为温度差、电压差、电流差、功率差或电阻差被测量。
在两个温度感测元件的电阻、通过两个温度感测元件的电流或横跨两个温度感测元件的电压方面的差异可以被测量，并且这给出了对流体的组成和其一个或更多个组分的浓度的指示。如果在传感器周围的流体的组成(或流体的组分的浓度)改变，则其热导率也改变，并且这将改变第二加热器的热损失和温度-进而改变第二电阻式温度检测器的电阻，而不改变(或不显著地改变)第一电阻式温度检测器的电阻，因为以恒定电阻/温度驱动的第一加热元件将其屏蔽，使其免受任何环境或周围变化的影响。电阻的变化可以直接测量，或者可以作为电压变化、电流变化或功率变化被测量。
因此，所述第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的电阻(或电压或电流)方面的差异允许测量环绕流体的热导率，并因此允许测量环绕流体的组成。
第一温度感测元件和第二温度感测元件可以都位于第一介电膜上或位于第一介电膜内，并且流体传感器可以包括在第一介电膜内的至少一个凹陷区域，所述至少一个凹陷区域被配置为将加热元件和第二温度感测元件与第一温度感测元件热隔离。
第二温度感测元件可以位于介电区域的与第二加热元件相同的层中，并且第二温度感测元件可以侧向地环绕第二加热元件，或者第二加热元件可以侧向地环绕第二温度感测元件。
第一温度感测元件可以位于介电区域的与第一加热元件相同的层中，并且第一温度感测元件可以侧向地环绕第一加热元件，或者第一加热元件可以侧向地环绕第一温度感测元件。
替代地，所述第一温度感测元件或第二温度感测元件可分别位于第一加热元件或第二加热元件的下方或上方。
使温度感测元件位于同一层中或在加热元件下方或上方具有下列优点：温度感测元件的温度基本上与对应的加热元件的温度相同。这可以提高传感器的灵敏度。
温度传感器元件可以或者侧向地间隔开但靠近其对应的加热元件，并且可以由与对应的加热元件相同的材料层制成。替代地，温度感测元件可以由与对应的加热元件不同的材料层制成，并且可以与加热元件竖直地间隔开，或者高于或低于加热元件。这两种配置的优点是温度感测元件被设想为在操作期间具有与加热元件的温度基本上相同的温度。
两个温度感测元件的尺寸、形状和电阻可以相同。替代地，第一温度感测元件可以被配置为在室温下具有比第二温度感测元件在室温下的电阻更高的电阻，并且第一温度感测元件和第二温度感测元件可以被配置为在不存在流体或用于校准/参考目的的流体时在操作中具有基本上相同的电阻。
两个加热元件中的每一个可具有相邻的(上方、下方、周围或附近)两个温度感测元件。因此，第一加热元件可以与两个不同的温度感测元件(称为第一温度感测元件)相邻，所述两个不同的温度感测元件在与第一加热元件相似的温度下进行操作，而第二加热元件可以与两个温度感测元件(称为第二温度感测元件)相邻。在每个加热元件旁边具有两个温度感测元件允许它们被用在半桥电路而不是四分之一桥电路中，从而使灵敏度加倍。
替代地，第一加热元件可以具有相邻的(上方、下方、周围或附近)两个(第一类的)温度感测元件，而第二加热元件可以仅具有单个相邻的第二温度感测元件。这样的设计允许在任一第一温度感测元件和第二温度感测元件之间进行差分测量。这允许以对应于两个不同温度的两个不同偏置水平(恒定电流、电压或功率)运行第二加热元件。第二加热元件上的温度之间的切换可以提高传感器的选择性。在该示例中，在第一加热元件旁边存在两个温度感测元件。然而，可以存在多于两个的(第一类的)温度感测元件，因为当采用第二温度感测元件的不同偏置以在不同的温度水平下进行操作时，这将允许更简单的读出。
替代地，第二加热元件可以具有相邻的(上方、下方、周围或附近)两个(第二类的)温度感测元件，而第一加热元件可以仅具有单个相邻的第二温度感测元件。这样的设计允许在第一温度感测元件与第二温度感测元件中的任一个之间进行差分测量。这允许以对应于两个不同温度的两个不同偏置水平(恒定电流、电压或功率)运行第二加热元件。第二加热元件上的温度之间的切换可以提高传感器的选择性。在该示例中，在第二加热元件旁边存在两个温度感测元件。然而，可以存在多于两个的(第一类的)温度感测元件，因为当采用第二温度感测元件的不同偏置以在不同的温度水平下进行操作时，这将允许更简单的读出。
第一加热元件或第二加热元件可以是电阻式加热元件。第一温度感测元件和第二温度感测元件中的至少一个可以是电阻式温度感测元件，也称为电阻式温度检测器(RTD)。
电阻式温度检测器元件可包括金属(钨、铝、铜、铂、金、钛)或半导体材料(硅、多晶硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝镓或砷化镓或二维电子气体)。
首先，为了提高灵敏度和稳定性，此类电阻式温度检测器可具有高的、可再现的且稳定的TCR(电阻温度系数)。其次，优选这种电阻式温度检测器在温度方面是线性的(即，它们的电阻随温度线性变化)。
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、二极管、晶体管或热电堆(thermopiles)、或串联或并联的阵列或这些的组合中的任何一个。
这样的传感器可以批量地在CMOS、SOI(绝缘体上硅)CMOS技术中实现。SOI膜可以通过使用掩埋的氧化物作为蚀刻停止层来制造。SOI二极管、晶体管和热电堆可以通过使用在掩埋的氧化物上方的薄硅层来制造，所述薄硅层可以被掺杂为n或p型。
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。
热电堆包括一个热电偶或串联连接的更多个热电偶(thermocouples)。每个热电偶可以包括在所述膜的第一区域处形成结(junction)的两种不同的材料，而材料的另一端在所述膜的第二区域处或在散热器(heat sink)区域(膜区域外的衬底)处形成结，其中，它们电连接到相邻的热电偶或连接到用于外部读出的焊盘。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该工艺中可用的任何其他金属。替代地，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。热电偶的每个结的位置以及热电偶的数量和形状可以是对于充分地将温度曲线分布映射在所述膜之上以实现特定性能来说所需的任何数量和形状。
对流动组成的灵敏度和选择性可以通过使用附加的感测元件、对称或不对称的凹陷区域来增强。
可以存在控制电路，该控制电路测量第一温度传感器元件和第二温度传感器元件之间的差分信号，并且用它基于不同的热导率确定流体或特定流体组分的浓度。
可以提供在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式下驱动加热器的控制和测量单元/电路。驱动可以优选地以脉冲模式，但是连续模式或AC模式也是可行的。
所述电路可以位于与流体传感器相同的芯片上。模拟/数字电路可以集成在芯片上。电路可以包括IPTAT，VPTAT，放大器，模数转换器，存储器，RF通信电路，定时模块，滤波器或用于驱动加热元件、从温度感测元件读出、或以电子方式操纵传感器信号的任何其他机构。已知为3ω的驱动方法可经由片上装置或实现特定性能(例如，功率耗散、灵敏度、动态响应、范围、流体性质检测等)所需的任何其它驱动方法(例如恒定温度差和渡越时间(time of flight))来实施。在不存在片上电路的情况下，当应用于流体传感器时，本公开还覆盖这种电路模块的片外(off-chip)实施。这种片外实施可以在ASIC中或通过离散部件或两者的混合来完成。
所述电路可以包括可逆直流(DC)源。可逆DC源可以与基于以相反极性的电流进行电压测量的技术结合使用，以抵消热电噪声(即，电动势(EMF))，所述热电噪声在电路的不同部分处于不同温度时和/或当由不同材料制成的导体接合在一起时生成。通过使用在交替的测试电流极性下进行的连续的电压测量，诸如EMF等热电噪声可以被减小或在实施中被消除。
流体传感器可以使用双电压测量方法或三电压测量方法(也称为'增量(delta)技术')来进行操作，其中两个或三个电压被施加到任何(一个或多个)加热元件和/或(一个或多个)温度感测元件。所述两电压测量技术可减少或抵消来自测量结果的热电电压偏移项。类似地，三电压测量方法可减少或消除热电电压偏移，且可另外从测量结果移除热电电压改变(漂移)项，因此与许多其它技术相比极大地改进测量噪声抗扰性(例如，信噪比)。驱动电路可在同一芯片(即，单片集成)内实施，或可在外部(例如在片外实施方式中)提供。驱动和读取电路可以用任何合适的机构来实施，诸如ASIC、FPGA、通过使用分立部件或上述的任何组合。可以使用任何合适的处理器和/或控制器(诸如微控制器或微处理器)来计算输出信号。
通常，该技术利用相等(或近似相等)幅值和相反极性的电流。
相反极性的电流可用于更准确地测量(一个或多个)加热元件(诸如加热器)本身或与加热器相邻或以其他方式接近加热器的任何温度感测元件(例如，电阻式温度检测器或热传感器)的电阻和/或电阻的任何变化。
在一些实施方式中，相反极性的电流由相反极性的电流源提供。所述相反极性的电流源中的一个或更多个可以是例如精密(precision)电流源。
附加地或替代地，所述相反极性的电流可以由同一电流源提供。这可以通过交换要测量的(两端子(two-terminal))元件的端子来实现。该要测量的元件可以是加热元件，诸如用作热传感器的加热元件，或是感测元件，诸如电阻式温度检测器，其靠近或邻近加热元件。可以使用开关元件(例如，开关元件的网络)来促进端子的交换，所述开关元件诸如包括可操作地连接到电阻器的端子的开关晶体管的开关元件。例如，对于包括两个端子、其中电流从第一端子1流到第二端子的热传感器，所述相反极性的电流可以通过使用同一电流源但是改变电流的方向(例如，通过以相反的方式偏置热传感器)使得电流从第二端子流到第一端子来提供。所述开关元件可以是晶体管，所述晶体管被配置为它们的栅极/控制端子(gate/control terminal)确定电流流动的方向。开关元件可以单片集成，或者可以在外部提供。
在一些实施方式中，可调整相反极性的电流的时序(timing)。例如，可以根据需要调整相反极性的电流的脉冲之间的接通时间、断开时间和/或延迟。附加地或替代地，也可根据需要调整相反极性的电流的幅值。
流量传感器的上述操作可以被应用在多个步骤中，例如通过使加热器运行在若干(不同的)温度水平(通过功率水平的不同水平给出)，以辅助对所述流体的不同组分的选择性。
所述电路可以包括下列中的一个或更多个：
恒定电流或恒定电阻驱动电路，
恒定电流源，
惠斯通电桥，
放大器，模数转换器，
数模转换器，或
微控制器。
差分信号可以通过使用桥式电路或其他类型的减法电路或仪表放大器、差分放大器和电流源的组合来获得。
第一温度感测元件和第二温度感测可以位于桥电路的两侧(也称为仪器桥，并且可以是惠斯通电桥)，并且传感器可以被配置为使得桥电路的输出可以是在传感器周围的流体的热导率的函数。因此，桥电路的输出也可以是具有不同热导率的特定流体组分的浓度的函数。
第一温度感测元件和第二温度感测元件可以与仪器桥(诸如惠斯通电桥)的侧部的其他部件一起放置，并且桥的差分输出可以是在传感器周围的流体的热导率和具有不同热导率的特定流体组分的浓度的函数。这样的差分信号可以通过使用放大器来进一步放大，所述放大器或者位于同一芯片上以保持低噪声，或者被放置在同一封装、模块或系统内。
流体传感器可以包括所述至少一个介电膜内的至少一个凹陷区域。凹陷区域可以位于第一温度感测元件和第二温度感测元件之间，因此第二加热元件和第一温度感测元件之间比第二加热元件和第二温度感测元件之间具有更大的凹陷的体积，以使得凹陷区域由于通过介电膜的热传导的差异而在第一温度感测元件和第二温度感测元件之间引入温度差。
在加热元件与它们的相应的温度感测元件之间可以不存在凹陷区域，以使得温度元件在装置的操作期间处于与对应的加热元件基本上相同的温度。
在第一感测元件和膜的边缘之间也可以存在凹陷区域。这是为了最小化第一加热元件的功率消耗。
介电膜中的凹陷区域或不连续部在穿过介电膜的固体的热传导路径中提供中断(或部分中断)。这又将意味着热路径将更多通过凹部上方的流体(经由传导和对流(convention))或通过由于凹部而形成的腔空间(主要通过流体传导)发生。在两种情况下(在腔空间上方或在腔空间内的热)，散热将取决于流体的热导率。这增加了差分信号对流体的热导率的灵敏度。
所述至少一个凹陷区域可以包括一个或更多个不连续区域，其中介电膜的厚度是不连续的或从平均或最常见的介电膜厚度变化。
所述至少一个凹陷区域可以位于加热元件和介电膜的边缘之间。
介电膜的边缘可以指介电膜的周边边缘，换句话说，即介电膜接触或接合半导体衬底的区域。该介电区域在半导体衬底上方的区域可以指介电区域在介电膜外部的区域。
凹陷区域可以位于第一加热元件或第二加热元件与介电膜的边缘之间。特别地，凹陷区域可以被限定为使得在第二加热元件和第一加热元件之间存在至少一个凹陷区域，并且在第一加热元件和膜的边缘之间可以存在至少一个另外的凹陷区域，或者替代地，在第一加热元件和膜的边缘之间可以不存在凹陷区域。
凹陷区域可以是穿过介电膜的孔(穿孔)。这将是有利的，因为穿过介电膜的固体的热传导路径将受到阻碍，并且这将意味着热传导将通过孔(主要经由传导)或在孔上方(经由传导和对流两者)发生，因此有助于基于流体的每个组分的不同热导率来测量流体的组成。
可以存在穿过膜的至少一个孔以经由要感测的流体将膜的上侧连接到膜的下侧。所述至少一个孔还破坏通过固体介电膜的热传导路径，从而迫使更多的热经由对流和传导通过环境消散。由于热传导损失(通过固体膜)的减少，所述至少一个孔的存在还有助于降低装置的功率消耗(对于相同的加热器温度而言)。此外，所述至少一个孔的存在允许所述膜的较低热质量，从而减少加热器为了加热和冷却所需的时间。
所述至少一个孔或凹陷区域可以用于增强对任何流体的灵敏度/选择性，或者对流体的热导率与参考流体的热导率不同或与该流体的另一组分(例如空气)的热导率不同的任何组分(例如，具有一定浓度的CO2的空气)的灵敏度/选择性。
不同孔和不同感测元件的布置和特定设计被提供以增强对任何流体的灵敏度/选择性，或者对流体的热导率与参考流体的热导率不同或与该流体的另一组分(例如空气)的热导率不同的任何组分(例如，具有一定浓度的CO2的空气)的灵敏度/选择性。
不同孔或槽(或凹陷区域)的布置可以对称地围绕加热元件和第二温度感测元件放置。
所述至少一个凹陷区域可以包括一个或更多个孔。孔可以指延伸穿过介电膜的整个高度或深度或厚度的孔口、穿孔或狭槽。这形成了流体流动路径并且提供在膜上方区域和下方区域之间的流体连接。
所述一个或更多个孔中的至少一个可以包括朝向介电膜的相反边缘延伸的细长狭槽。细长狭槽可不完全延伸到介电膜的边缘或完全隔离细长狭槽的任一侧的介电膜。细长狭槽增加了横跨所述装置的介电膜的宽度的热隔离。可选地，细长狭槽可以在与一个或更多个加热元件和/或感测元件相同的方向上延伸。细长狭槽可以是例如矩形、正方形或半圆形。
所述一个或更多个孔可以包括穿孔的阵列。所述穿孔可以包括显著小于装置的介电膜的宽度的单独的孔。穿孔的阵列可以基本上横跨装置的宽度延伸。
所述至少一个凹陷区域可以包括介电膜内的部分凹陷。所述部分凹陷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。所述部分凹陷可以部分地延伸穿过介电膜的高度或深度或厚度。所述至少一个穿孔可以是从顶表面或底表面形成但不穿透另一表面的沟槽的形式。
所述不连续部可以被称为膜中从顶表面到底表面的间隙。尽管在热性能方面不那么有效，但不连续部还可指代从顶表面或底表面(如果使用倒置膜的话)产生的沟槽或局部孔而不穿透另一表面。这种局部孔的优点是它们会较少地影响膜的机械强度，并且在一些情况下，它们可能更容易制造。此外，这种局部孔可以用于气密密封所述膜的底侧或不允许流体渗透到膜下方。
所述至少一个凹陷区域可以具有弯折形状。换句话说，不连续部可以具有非标准形状，诸如由一系列规则蜿蜒的曲线、弯曲部或弯折部形成的折叠或波纹形状。
半导体衬底的蚀刻区域可以具有倾斜的侧壁。半导体衬底的蚀刻区域可以不延伸穿过半导体衬底的整个深度。
半导体衬底可包括附加的被蚀刻部分，且介电层可包括被定位成覆盖在半导体衬底的附加的被蚀刻部分之上的附加的介电膜。传感器还可以包括位于附加的介电膜内的附加的加热元件，以及附加的温度感测元件。
附加的第一/第二加热/感测元件可以分别发挥与第一/第二加热/感测元件类似的作用。
所述附加的第一/第二/加热/感测元件可以分别串联连接。第一加热/感测元件中的每一个可以基本上在相同的温度下进行操作，而第二加热/感测元件中的每一个可以基本上在相同的温度(与第一元件的温度不同)下进行操作。
在这种情况下，第一感测温度元件和第二感测温度元件的串联组合之间的差分信号被获取，并被用于基于不同的热导率确定流体或特定流体组分的浓度。这允许增加传感器的灵敏度(通过扩大膜、加热元件和温度感测元件的数量)，并且还降低了特定气体组分的浓度的最小分辨率，该特定气体组分的浓度可以基于其热导率与流体的其余部分相比的差异来感测。
所述附加的加热/感测元件可以被配置为在不同的温度下进行操作。
与相应的第一/第二温度感测元件组合的每个第一/第二加热元件可以独立地且优选地在不同的温度下进行操作，以改善对不同气体的选择性。替代地，与第二温度感测元件组合的第二加热元件在不同的温度下进行操作，而与第一温度感测元件组合的第一加热元件在高于环境的相同参考温度下进行操作。
所述(一个或多个)第二加热元件可以在多于一个的温度下被驱动，以增加装置的选择性。气体热导率随温度变化，并且这种变化取决于气体而不同。在一种驱动模式中，第二加热器可在空气和二氧化碳的热导率相同的温度下被驱动，然后用于检测另一气体(例如氢气或甲烷)。在这种情况下，将存在来自目前的二氧化碳的已知的不想要的响应，因此提高了装置的选择性。第二加热器也可以在为正在被测量的气体提供最佳灵敏度的温度下运行。
流体传感器可以包括被定位成覆盖在半导体衬底的多个被蚀刻部分之上的多个介电膜的阵列，每个膜具有：位于介电膜内的第一/第二加热元件；分别位于第一/第二加热元件附近并位于介电膜内的第一/第二电阻式温度检测器元件。第一加热元件可以在恒定温度/恒定电阻模式下进行操作，而第二加热元件可以在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式下进行操作。可以在所述至少一个第一温度感测元件和所述至少一个第二温度感测元件之间测量差分信号，以使得差分信号是在传感器周围的流体的热导率和具有不同热导率的特定流体组分的浓度的函数。
阵列可以包含介电膜外部的一个或几个第一电阻式温度检测器。这些可以起到环境温度感测的作用，或者可以用于桥配置中以匹配电阻器。
流体传感器还可以包括位于传感器的表面上的覆盖物，其中覆盖物可以包括孔，该孔被配置为允许流体从覆盖物的外表面行进到介电膜上方的流体通道。
流体传感器还可以包括位于膜区域外部的另外的温度感测元件。所述另外的温度感测元件可以与加热元件热隔离。
附加的或另外的(一个或多个)温度感测元件可以作为参考环境温度感测元件放置在介电膜外部以测量环境温度或流体的温度，并且来自所述另外的温度感测元件的信号可以用于温度补偿以更准确地计算流体的一种或更多种特定组分的浓度。
所述参考环境温度感测元件(电阻式温度检测器)可以用作组合传感器(或传感器融合系统)的一部分以读取环境的多个物理性质(流体组成和不同组分的浓度、流体温度或环境温度或流体流量的流体速度)。替代地，可将单独的温度传感器集成在芯片上作为额外的电阻式温度检测器、二极管或晶体管。环境温度传感器也可以作为基于带隙基准的VPTAT或IPTAT传感器而作为ASIC的一部分被提供。
温度补偿可以通过使用来自附加的环境温度感测元件的温度读数和第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的差分读数两者来完成。这可以或者通过(在算法内的)公式来实施以调整最终读数，或者使用查找表和插值来确定最终读数。
参考环境温度感测元件可以用于设置第一加热/感测元件的温度，以优化其功率消耗。例如，环境温度可以被指定为在-40℃至70℃之间。第一加热元件可以被设定为在80℃(高于任何可能的环境温度)的恒定温度下进行操作，而第二加热元件可以被设定为在120-250℃之间可变地操作。
替代地，参考环境温度感测元件可以首先确定实际环境温度并且将第一温度感测设定为刚好高于环境(例如，20℃，以适应环境温度的充分变化)。可以在任何测量周期之前监测环境温度或以固定间隔监测环境温度。例如，如果传感器在接近室温的环境温度(25℃)下进行操作，则第一加热元件可以设定在45℃的恒定温度下。以这种方式，可以优化功率消耗。第二加热元件可以在比第一加热元件高得多的初始温度(对于CO2检测，这可以在150-250℃的范围内)下以恒定电流/电压/功率驱动。
在实施方式中，环境温度感测元件可以确定环境温度。然后可以基于环境温度来调整第一加热元件的温度，以使得由环境温度的变化引起的第二加热元件的温度的任何变化被减小或最小化。对第一加热元件的温度的调整可以使用例如公式或查找表来确定。虽然不考虑环境温度在恒定温度下运行第一加热元件可以使第二加热元件与环境温度变化的影响部分绝缘，但是在第二加热元件的温度中仍可能存在由于环境温度的任何变化而导致的一些波动。因此，基于环境温度(例如，作为环境温度的函数)调整第一加热元件的温度可以有助于确保第二加热元件的温度保持大致恒定和/或独立于环境温度。
流体传感器还可以包括位于介电膜上的一对温度感测元件，其中所述一对温度感测元件中的第一温度感测元件可以位于第二加热元件的第一侧，并且所述一对温度感测元件中的第二温度感测元件可以位于第二加热元件的第二侧。
该装置能够同时感测流体流的性质，诸如速度、质量、体积、剪切应力以及流的组成(例如，流体，在这种情况下，气体，是否具有在空气中一定的CO2或氢气或甲烷百分比/ppm)。
因此，流体传感器可以包括第一对感测元件和第二对感测元件，并且在所述第一对另外的感测元件之间的差分信号可以被配置为测量所述流的组成的性质(诸如流体的不同组分及其基于它们的不同热导率的浓度)，并且所述第二对感测元件之间的差分信号可以被配置为测量流性质(诸如流量、流动方向、速度或流动质量或流动体积速率)。
可以通过采用在同一介电膜内设置在加热元件的任一侧的所述一对温度感测元件来测量流动，并且所述一对温度感测元件可选地用作差分对。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。
孔或不连续部(也称为凹陷区域)可以放置成使得它们对测量流性质的所述一对温度感测元件之间的差分信号影响较少，但是它们明显更多地影响测量流的组成的感测元件之间的差分信号。
根据本公开的另一方面，提供了一种传感器组件，其包括如上所述的流体传感器和连接到传感器的专用集成电路(ASIC)。
控制电路可以位于与传感器相同的芯片上(单片集成)，或者可以具有连接到传感器的专用集成电路(ASIC)。ASIC可以在分开的芯片上，但是在相同的封装内，作为混合、共同封装或使用系统级封装(SIP)解决方案。替代地，ASIC可以放置在封装外部，位于PCB(印刷电路板)上或在相同的壳体/盒子内。
所述ASIC可以位于传感器下方，例如使用芯片叠层技术(die stack technique)。替代地，ASIC可以定位成与传感器并排或定位在其他地方。ASIC可以使用线接合和焊盘，或使用延伸穿过半导体衬底的硅通孔(TSV)连接到传感器。替代地，传感器和ASIC可以位于公共PCB的表面上或嵌入PCB中。
ASIC可以设置在同一系统内或同一封装内或同一片上，以提供电子电路来驱动、读出信号和处理来自传感器的信号。ASIC可以在传感器下方以叠层芯片(stack die)配置放置，并且传感器和ASIC放置在歧管(manifold)或开放封装内，以允许接触流体。
根据本公开的另一方面，提供了一种传感器组件，其包括传感器壳体；以及位于流量传感器壳体内的如上所述的流体传感器。
流体传感器壳体可以包括入口和出口以及用于引导流体流过传感器的流体流动路径。传感器可以封装在具有入口、出口和通道的封装室或歧管内，以提供对流的更准确的测量或对流体的组成的更准确的测量。
根据本公开的相同或另一方面，提供了一种传感器组件，其包括如上所述的流体传感器，其中，流体传感器可以以倒装芯片配置被封装在印刷电路板上。
该装置可以封装在金属TO型封装中，在陶瓷、金属或塑料SMD(表面安装器件)封装中。该装置还可以直接封装在PCB上，或者利用倒装芯片方法封装。该装置还可以嵌入在衬底中，诸如先前提到的封装之一的定制版本、刚性PCB、半刚性PCB、柔性PCB或任何其他衬底，以便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。
特别地，封装可以被设计成使得存在非常接近所述膜的表面，例如在倒装芯片场景中，以使得该表面与膜相距小于50um。这增加了通过流体的功率消耗并且提高了传感器的灵敏度。
封装件可以包括在第一加热元件和第二加热元件之间的凹槽或狭槽。第一加热元件和第二加热元件可以在恒定温度下进行操作。在该操作模式中，将第二加热元件保持在恒定温度所需的功率下可用于确定目标气体或流体的浓度。
根据本公开的另一方面，提供了一种使用如上所述的流体传感器测量流体的浓度或组成的方法，所述方法包括：向所述第二加热元件施加以恒定电流/恒定电压/恒定功率的形式的电偏置；利用控制环机构/机制向所述第一加热元件施加电偏置以保持恒定温度或恒定电阻；以及监测第一感测元件与第二感测元件之间的差分信号以基于所述流体的热导率来确定所述流体的浓度或组成。
向第二加热元件施加电偏置可以包括施加使得第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的差分信号可以最小化的电偏置。最小化可以指将差分信号减小到零或基本上为零。
可以调节施加到第二加热元件的电功率、电流或电压以使第一温度检测器元件和第二温度检测器元件之间的差分信号为零或基本上为零(通过改变加热元件功率、电流或电压，可以使得两个温度检测器的电阻或温度检测器两端的电压相等)。这可以在传感器的校准期间或在传感器的操作期间完成。这可以被设定作为校准点，从而给出了零差分信号。替代地，这可以在操作期间设定，并且所述加热器功率/电流/电压可以作为流体组成或其组分的浓度的指示来测量。通过第二加热器的电功率、电压或电流的变化可以被监测，以基于组分的不同热导率测量流体的特定组分的一个或更多个浓度。
第一温度感测元件和第二温度感测元件以及可选地对应的加热元件可以连接到差分放大器或惠斯通电桥类型的电路，以使得差分信号可以被用于基于组分的不同热导率测量流体的特定组分的一个或更多个浓度。
差分信号(例如，差分电阻)的测量可以以多种方式执行。第一种方式是向第一温度感测元件和第二温度感测元件(电阻式温度检测器)两者施加恒定电流，并且使用差分放大器测量它们之间的电压差。另一种方法是使用惠斯通电桥或其他类型的电桥。对于这两种方法，可以在最初进行校准以设定零点值。这或者可以在目标流体(或目标流体的组分)不存在时设定差分电压值，或者可以在目标流体不存在时修改到电阻器之一的电流以确保差分电压为零。替代地，当流体的组分(例如，CO2)通过使用外部精密CO2装置(例如NDIR传感器)已知时(例如，空气中400ppm的CO2)，可以在最初进行校准以设定差分信号的零点值。
所述方法可以包括在脉冲模式或AC模式下驱动第一/第二加热元件以调制加热元件的温度，以改变差分信号；以及使用差分信号来选择性地区分不同的流体组分和/或确定不同组分的浓度。
第二加热元件的温度可以通过将电流、电压或功率改变到不同的水平来调制和/或用不同的电脉冲来调制，以便改变第一电阻式温度检测器和第二电阻式温度检测器之间的差分信号，以便选择性地区分不同的流体组分和/或提供关于这些组分的浓度的信息。
第二加热器的温度可以被调制，并且第一温度感测元件和第二温度感测元件之间在不同温度下的电压差可以被相对参考值评估，并且两者之间的差可以指示流组成。
可以通过施加不同的功率水平来调制第二加热元件温度，以基于不同流体组分的热导率随温度的变化而增加对不同流体组分的灵敏度和选择性。例如，CO2与空气的热导率之间在室温下的差异比在高温下的差异高。对于甲烷而言则相反，因此甲烷和空气的热导率之间在室温下的差异比在高温下的差异低。氢气也具有与CO2或空气的热导率随温度的变化不同的热导率随温度的变化。通过以不同的温度水平运行第二加热器(即，调制加热器的温度)，完全可以区分流体中不同浓度的流体组分的贡献。以这种方式，例如，氢气和CO2的贡献可以被解耦，并且它们的浓度值可以被找到。
在实施方式中，这可以包括将第二加热元件或加热器加热到第一温度，在该第一温度处空气的热导率和目标气体(例如二氧化碳)的热导率相同。这然后便于确定空气中其他气体(诸如水蒸气)的影响。第二加热器然后可以在第二(不同的)温度下进行操作，并且可以使用例如查找表或公式来考虑(即减少或消除)其他气体的影响，以使得仅确定目标气体的效果。可以为目标气体预先确定公式和/或查找表。因此，装置可以包括使用例如(一个或多个)加热元件或其他合适的加热器来促进传感器的温度调制的电路或控制系统。
在实施方式中，热导率流体传感器可以用于其中温度变化的模式中，而不是恒定DC温度模式中。
热导率传感器通常在恒定(DC)操作温度下工作并且测量损失到周围介质的热。此DC方法通常在存在单一已知气体(例如氢气)且信号可与已知气体的浓度直接相关时是最有效的。然而，如果气体类型未知，则不能使用该方法确定目标气体的浓度。此外，如果存在另一气体以及已知的目标气体，则也不能确定气体浓度。这意味着不可能确定混合物(例如，H2和He)中的目标气体的浓度，或者其中目标气体是未知气体。
然而，如果热导率传感器的温度改变，则与该转变相关联的热时间常数不仅取决于该气体的热导率λ，而且还取决于该气体的比热容c(以及气体的密度ρ)。所述热时间常数的方程为：
其中，τth是热时间常数，V是主体的体积，A是主体的表面积。
这样，通过改变传感器的温度，除了热导率的差异之外，密度和热容的差异可以用于区分不同的气体。
第一/第二加热器(也称为第一/第二加热元件)可以在脉冲模式(例如，以方波、正弦波、脉宽调制波(PWM)、脉冲密度调制等驱动)或连续模式下进行操作。脉冲模式尤其具有降低的功率消耗、减少的电迁移以增强装置可靠性/寿命、以及改进的流体性质感测能力的优点。脉冲可以以不同的极性使用以进一步减少电迁移对加热元件的影响。
不同的驱动模式和测量模式是可行的。例如，可以使用PWM驱动第一加热器/第二加热器，并且可以使用PWM的关闭时间来测量加热器电阻和/或差分信号。该测量可以在非常短的时间内完成，比膜的热时间常数更快，以避免自加热。
选择性地区分不同的流体组分和/或确定不同组分的浓度可以包括使用神经网络。
可以实施包含机器学习和人工智能的算法。例如，传感器或流体感测系统可以进一步包括控制器或处理系统，所述控制器或处理系统包括神经网络。可以使用来自不同温度下的不同已知气体或气体混合物的数据来训练神经网络。使用经训练的神经网络来识别已知气体或气体混合物可以提高流体传感器的准确性、灵敏度和选择性。
神经网络可以被训练成基于第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的差分信号来识别气体混合物的组成。可以基于已知气体混合物在一系列加热元件温度下的传感器输出值的一系列数据，使用监督学习来训练神经网络。神经网络的输入可以是预定的一系列温度下的传感器输出值。神经网络可以被配置为处理来自所述第一温度感测元件和第二温度感测元件的每个差分信号，以便确定气体混合物的组分和气体混合物中的每个组分的浓度。来自神经网络的输出可以是混合物中的每种气体的分数(fraction)。合成式训练数据可以被生成以通过提供更多的气体组合(例如与在真实实验室中实际上可实现的气体组合的数量相比)来增强训练。支持向量机可以被训练以区分不同的气体。
所述方法可以包括：将调制函数应用于第二加热元件，同时将第一加热元件保持在高于环境的恒定温度，测量第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的差分信号的调制、时间延迟或相移；以及使用测得的调制、时间延迟或相移来确定流体的浓度或组成。
第一加热器/第二加热器或第一温度感测元件/第二温度感测元件可以用瞬态信号(例如，AC、方波、脉冲等)来偏置。使用基于瞬态的信号，可以使用来自第一温度感测元件和第二温度感测元件的测量值来确定热扩散率。以这种方式，可以从环境提取更多信息。
在瞬态流体传感器驱动模式的方法中，输入电流的阶跃变化可以被施加到第二加热器，并且可以测量第二加热器或第二温度感测元件中的温度上升的时间常数。该时间常数可以给出关于环境的热导率和扩散率的信息。两者均可用于识别气体浓度。
在瞬时传感器驱动模式的另一种方法中，可以向第二加热器施加正弦波。幅值的变化和相移的变化可以提供关于热导率和热扩散率的信息，从而提供关于气体浓度的信息。
附加地或替代地，(一个或多个)加热元件可以设置有DC偏置点，小AC信号(诸如，例如AC、方波、脉冲或阶跃信号)可以被叠加在该DC偏置点处。通过使用基于小AC的信号，可以使用来自第一介电材料和第二介电材料的温度感测元件的测量值来确定目标流体的热扩散率、热导率和/或热容量。测量值的幅值变化、相移和/或频率变化可以提供关于热导率和/或热扩散率的信息，从而提供关于气体浓度的信息，或者有助于在所述气体的不同组分之间的选择。
可以以功率、电压或电流的短脉冲驱动任何温度感测元件。温度感测元件(电阻式温度检测器)可以在脉冲模式(例如，利用方波、正弦波、脉冲宽度调制波、脉冲密度调制等驱动)或连续模式下驱动。脉冲模式尤其具有降低温度感测元件的自加热的优点，其最小化噪声并增加灵敏度或信噪比。这对于第二感测温度元件(其更靠近加热元件)尤其重要，该第二感测温度元件遭受比第一温度元件更多的自加热影响。
虽然描述了若干方法，但是可以使用驱动传感器的任何其他方法，该传感器可以提供关于正在被测量的环境的信息。
根据本公开的另一方面，提供了一种流体感测系统，其包括如上所述的流体传感器；以及控制器，其被配置为执行如上所述的方法。
流体感测系统可以包括硬件或软件接口，其中实施算法以促进选择性地区分不同的流体组分和/或提供关于这样的组分的浓度的信息。
可实施被配置为执行如上文所描述的方法中的任一者的软件算法，以区分这些组分且增加与流体的组分中的每一者相关的敏感度。软件算法可以在本地微处理器中实施。校准数据可存储在存储器装置或集成电路中。替代地，所述软件可以结合在ASIC内，并且传感器的驱动和信号的处理可以在ASIC内完成。
信号的处理也可以在传感器中枢(sensor hub)中或在使用因特网访问的外部服务器(例如，云)上远程完成。
数据的采样和平均以及从数据中去除异常值的方式也可以用作算法的一部分，并且可以在使用不同电子部件(诸如微控制器、存储器)的硬件中实施，或者可以使用ASIC来实施。
来自传感器的读数可以以几种方式平均，例如使用移动平均数均值(moving meanaverage)或移动中位数均值(moving median average)。移动平均数均值对于从信号中去除随机噪声是有用的。移动中位数均值对于去除异常值是有用的。
根据本公开的另一方面，提供了一种制造如上所述的流体传感器的方法，所述方法包括：形成至少一个介电膜，所述至少一个介电膜被定位成覆盖在半导体衬底的第一被蚀刻部分之上，半导体衬底包括第一被蚀刻部分；形成位于所述至少一个介电膜内的第一(屏蔽或参考)加热元件；形成位于所述至少一个介电膜或另一介电膜内的第二(主动)加热元件；形成位于至少一个介电膜内、在第一(屏蔽)加热元件附近的第一温度感测元件；形成位于第一介电膜或另一介电膜内、在所述第二(主动)加热元件附近的第二温度感测元件；其中，所述第一加热元件在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作；并且其中，所述第二加热元件在恒定电流或恒定电压模式或恒定功率下进行操作；并且其中，所述第二温度感测元件与所述第一温度感测元件之间的分离在所述第二温度感测元件与所述第一温度感测元件之间引入温度差，以使得所述第一温度感测元件与所述第二温度感测元件之间的差分信号基于所述流体的热导率指示所述流体的浓度或组成。
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示出了热导率流体传感器的俯视图，所述传感器具有在圆形的膜上的第一圆形加热元件和第二圆形加热元件，其中所述加热元件也用作温度感测元件。
图2示出了热导率流体传感器的俯视图，所述传感器具有在圆形的膜上的第一圆形加热元件和第二圆形加热元件，并且还具有分开的温度感测元件。
图3示出了热导率流体传感器的俯视图，所述传感器具有两个紧邻第一加热元件和第二加热元件中的每一个的温度感测元件。
图4出了热导率流体传感器的俯视图，所述传感器具有靠近第一加热元件的两个温度感测元件和靠近第二加热元件的一个温度感测元件。
图5出了热导率流体传感器的俯视图，所述传感器在膜区域外具有三个附加的温度感测元件。
图6示出了包括两个加热元件的热导率流体传感器的横截面。
图7示出了包括两个加热元件和两个温度感测元件的热导率流体传感器的横截面。
图8示出了热导率流体传感器的另一示例的俯视图。
图9示出了热导率流体传感器的横截面，其中加热元件和温度感测元件都在同一层内。
图10示出了具有矩形膜和线形的第二加热元件的热导率流体传感器的示例的俯视图。
图11示出了热导率流体传感器的俯视图，其示出了加热元件和温度感测元件的另一可能的形状。
图12示出了包括两个膜的热导率流体传感器的俯视图，所述两个膜中的一个膜没有加热器以充当参考。
图13示出了热导率流体传感器封装的横截面，该封装包括在ASIC芯片上方的传感器芯片并且两者都在封装内。
图14示出了具有并排的传感器芯片和ASIC的热导率流体传感器封装的横截面。
图15示出了热导率流体传感器的示例性电路，其中加热元件还用作温度感测元件。
图16示出了热导率流体传感器的示例性电路，其中加热元件和温度感测元件是分开的。
图17示出了热导率流体传感器的示例性电路，其中每个加热元件具有与其相邻的两个温度感测元件。
图18示出了热导率流体传感器的示例性电路，其中存在三个具有不同电阻的电阻式温度感测元件，所述三个电阻式温度感测元件或者靠近第一加热元件或者在膜区域外部。
图19示出了具有参考膜的热导率流体传感器的示例电路。
图20示出了空气和不同的气体在不同温度下的热导率的图表。
图21示出了包括两个密封腔的热导率流体传感器的俯视图和横截面，其中一个密封腔包含孔。
图22示出了热导率流体传感器的另一电路图。
图22a针对图21中的电路示出了通过加热器的电流。
图23示出了热导率流体传感器的另一电路图。
图23a针对图22中的电路示出了通过加热器的电流和横跨其的电压以及读数计算。
图24和25示出了基于图21用于热导率流体传感器的另外的电路图。
图26示出DC和电流反向DC电压测量之间的对比。
图27示出了用于在不同的电流方向上驱动传感器的电路示意图。
图28示出了不同气体的热特性表。
图29示出了图表，该图表突出了以不同方式操作第一加热元件的效果。
具体实施方式
在附图中给出了所公开的装置的一些示例。
图1示出了热导率流体传感器的俯视图。传感器芯片1包括圆形介电膜4。呈环形形状的第一电阻式加热元件20通过迹线21连接到接合焊盘(bond pads)6。还存在通过迹线11连接到接合焊盘6的第二电阻式加热元件10。第二加热元件在膜的中心，而第一加热元件更靠近膜的边缘(靠近膜的周边)。所述两个加热元件还用作温度感测元件。在操作期间，可以提供电路以在恒定温度模式或恒定电阻模式下将第一温度感测元件加热到高于环境的温度。第二温度感测元件(在该配置中与第二加热元件相同)可以被配置为在恒定电流/电压/功率模式下进行操作，其中电流/电压/功率被选择为使得其处于高于第一加热元件的温度的目标温度。
在这种配置中，第二加热元件10的温度随着环境温度的变化而保持恒定。这是因为第一加热元件20保持在恒定温度，并且第二加热元件10的功率消耗要求则变成取决于第一加热元件的温度而不是环境温度。以这种方式，可以在传感器测量期间消除(或在很大程度上最小化)环境温度的影响。换句话说，第一加热元件10充当针对环境温度变化的屏蔽，并且在读出(read-out)电路中提供有用的参考。
然而，如果传感器周围的流体组成发生变化，则流体的热导率将改变，从而导致第二加热元件10所需的功率消耗改变。由于第二加热元件10在恒定电流/电压/功率模式下进行操作，所以第二加热元件的温度将改变，并且在温度方面的这一变化可被用于确定存在的流体的组成。例如，二氧化碳具有比空气更低的热导率。如果周围流体是空气，并且二氧化碳的浓度增加，则第二加热元件所需的功率将降低，和/或其温度将升高。
可以通过测量第二加热元件的电阻的变化来测量温度。惠斯通电桥可用于测量第二加热元件的电阻与第一加热元件的电阻相比的差异变化。第一加热元件的电阻将保持恒定，因为其在恒定温度模式下进行操作从而第一加热元件的温度不改变，因此电阻不改变。
由于加热元件和温度元件是相同的，所以需要仔细地配置电路以允许加热元件和温度元件两者来实施。在一种电路配置中，温度测量电路还提供加热元件所需的加热功率。在另一种配置中，电子开关(例如包括晶体管)被用于在驱动电路和温度/电阻测量电路之间切换元件。因此，加热元件将像加热器正常被操作那样被操作，但是当需要进行测量时，其被短时间切换到测量电路。该测量时间被设想为短于膜的热时间常数(thermal timeconstant)以避免测量影响温度。
图2示出了包括与加热元件分开的温度感测元件的热导率流体传感器的俯视图。第一温度感测元件22靠近第一加热元件20，并且第二温度感测元件12靠近第二加热元件10。迹线23将第一温度感测元件22连接到接合焊盘6，而迹线13将第二温度感测元件12连接到其他接合焊盘6。具有加热元件和温度感测元件使得电路更简单因为不需要切换。此外，由加热器产生的噪声可被最小化。
在图1和图2中，由于迹线的位置和互连，第一加热元件和第二加热元件以及第一温度感测元件和第二温度感测元件看起来位于不同的材料层上。然而，所设想的是它们可以全部都在相同的材料层内。
图3示出了热导率流体传感器的俯视图，其中在每个加热元件旁边存在两个温度感测元件。第一加热元件20具有靠近其的温度感测元件22A和22B，而第二加热元件10具有靠近其的温度感测元件12A和12B。感测元件22A具有与22B类似的电阻，而感测元件12A具有与12B类似的电阻。在每个加热元件旁边具有两个温度感测元件允许了它们在半桥电路而不是四分之一桥电路中的使用，从而使灵敏度加倍。
图4示出了热导率流体传感器的俯视图，其中在第二加热元件10旁边存在一个温度感测元件12，但是在第一加热元件20旁边存在两个不一样的电阻式温度感测元件22、22C。这种配置允许在温度感测元件12和22之间或在温度感测元件12和22C之间进行差分测量。这允许第二加热元件运行在对应于两个不同温度的两个不同的偏置水平(恒定电流、电压或功率)下。第二加热元件上的温度之间的切换可以提高传感器的选择性。因为电阻式温度感测元件22和22C靠近在恒温模式下进行操作的第一加热元件20，所以它们的温度以及因此电阻将总是保持恒定。然而，温度感测元件12的电阻将随着第二加热元件的温度变化(在两个不同的偏置下导致两个不同的温度-温度T1和温度T2)而改变。电阻式温度元件被设计成使得当第二加热元件处于温度T1时元件12和22具有相同的电阻，而当第二加热元件处于温度T2时元件12和22C具有相同的电阻。因此，当第二加热元件处于温度T1时，可以在元件12和22之间进行差分测量，并且当在温度T2时，可以在元件12和22C之间进行差分测量。对于差分测量，所设想的是两个电阻器的电阻彼此相同或非常接近，以便允许由周围流体的热导率变化引起的小变化被区分。
在图4中，只有两个温度感测元件靠近第一加热元件。然而，所设想的是可以存在更多的温度感测元件并且在第二加热元件中可以存在另外的温度变化。
图5示出了热导率流体传感器的俯视图，其中在第二加热元件10旁边存在一个温度感测元件12，并且在膜区域外部存在三个电阻式温度感测元件30、31、32。电阻式温度感测元件30、31、32各自具有不同的电阻。电阻式温度感测元件30、31、32与图4中的温度感测元件22A、22B执行类似的功能，这是因为它们允许用电阻式温度感测元件12在第二加热元件10的不同温度下进行差分测量。
然而，由于在该膜外部的区域中的温度是不受控制的，所以它们的电阻将随着环境温度的变化而改变并且影响传感器读数。该方法的优点在于：与在膜4上靠近第一加热元件20的有限空间相比，可以在膜外部容纳更多的电阻器。
图6示出了图1所示的热导率流体传感器的横截面。介电层3被支撑在具有被蚀刻部分的半导体衬底2上。第一加热元件20和第二加热元件10嵌入在介电层内。
图7示出了图2中所示的热导率流体传感器的横截面，其中除了加热元件20和10之外，还存在两个附加的温度感测元件12和22。所有元件都在介电膜内的不同材料层中。
所示的元件是所有的电阻式加热元件或电阻式温度感测元件。这些可以由诸如铝、钨、铜、钛或铂的金属制成。替代地，它们可以是多晶硅或单晶硅。替代地，加热元件也可以是晶体管，而温度感测元件可以是二极管、晶体管或热电堆(thermopiles)。
图8示出了热导率流体传感器的俯视图，其中所有加热元件和温度感测元件都被布置成使得它们可以在一层内制成。为此目的，温度感测元件12被设计为围绕第二加热元件10的两个半部，并且用于其的迹线被设计成使得它们可以围绕或环绕第二加热元件的接合焊盘中的一个行进。第一加热元件和对应的温度感测元件被分成两半。这些连接到分开的接合焊盘并且可以在芯片外部连接在一起。
图9示出了图8中的热导率流体传感器的横截面，并且所有元件都在一个材料层内。
图10示出了热导率流体传感器的又一俯视图。在这种情况下，膜4具有带有圆角的正方形的形状。第一加热元件20是接近膜的周边的环，并且具有类似于膜的形状。温度感测元件22靠近加热元件20并且具有与加热元件20类似的形状。第二加热元件10是热丝式加热器，并且通过迹线11连接到接合焊盘6。靠近第二加热元件的温度感测元件被分成在第二加热元件的任一侧的两个部分-12A和12B。用于温度感测元件的迹线13A、13B、13C将它们连接在一起并连接到接合焊盘。迹线13B具体地连接12A和12B并且围绕第二加热元件的接合焊盘中的一个行进。在该配置中，第一加热元件20和温度感测元件22可以在一层上，而第二加热元件10和温度感测元件12A、12B可以在另一层中。
图11示出了热导率流体传感器的另一设计的俯视图。第一加热元件20围绕膜的周边布置，但是在两侧具有带有用于温度感测元件23A和23B的空间的弯折(meander)形状。第二加热元件10在膜的中心是具有一个折弯的弯折形状，然而，所设想的是更多的折弯也是可行的。温度感测元件12还在膜的中心具有弯折形状，但该弯折形状具有用于第二加热元件的间隙。第二加热元件10和温度感测元件12的设计使得它们的迹线11和13在相反侧。
图12示出了包括附加的参考膜的热导率流体传感器的俯视图。在该设计中，存在两个膜4、4A。膜4是包括第一加热元件20、第一温度感测元件22、第二加热元件10和第二温度感测元件12的主传感器膜。第二加热元件10是具有间隙的弯折形状以允许第二温度感测元件12位于其内。膜4A是参考膜并且包括加热元件20C、第一温度感测元件22C和第二温度感测元件12C。然而，它不具有第二加热元件。这允许在温度感测元件12和12C之间进行差分测量。
图13示出了热导率流体传感器组件的横截面。其包括封装基底101和封装盖102。在封装内是用于控制和测量热导率传感器芯片的ASIC(专用集成电路)芯片103。在该ASIC芯片103之上是包括衬底2和电介质区域或层3的热导率传感器芯片。传感器芯片可以包括如上所述的任何流体传感器。线接合(Wire bonds)104将导热传感器流体芯片电连接到ASIC芯片103，并且线接合105将ASIC 103电连接到封装基底101。在封装盖102内的孔108允许环境空气或气体扩散到封装中并且围绕热导率传感器。可以在封装盖内存在多于一个的孔，并且可以改变孔108的尺寸和形状，并且可以将过滤器放置在孔108或多个孔周围或内部，以防止颗粒或液体。
图14示出了另一热导率流体传感器组件的横截面。ASIC芯片103和流体传感器芯片彼此不堆叠，而是并排位于封装内。线接合106将传感器芯片连接到ASIC芯片103。
图15示出了用于图1中的设计的热导率流体传感器的电路图，其中加热元件还用作温度感测元件。电路具有包括第一加热元件20和第二加热元件10以及两个固定电阻器40和41的惠斯通电桥。差分放大器45在惠斯通电桥的输出处。开关51可用于将第一加热元件20从惠斯通电桥断开并连接到恒温电路。类似地，开关50可用于将第二加热元件10从惠斯通电桥电路断开并连接到恒定电流源。开关50、51可以是由晶体管制成的电子开关。差分放大器45可以是仪表放大器。
图16示出了热导率流体传感器的电路图，其中温度感测元件与加热元件分开。在这种情况下，第一加热元件20和第二加热元件10直接连接到恒定温度驱动电路和恒定电流驱动电路，而不需要任何开关。并且，惠斯通电桥现在包括第一温度感测元件22、第二温度感测元件12和两个固定电阻器40、41。
图17示出了热导率流体传感器的电路图，其中在每个加热元件旁边存在两个温度感测元件，诸如图3所示的设计。在这种情况下，惠斯通电桥内不需要固定电阻器，并且其包括四个温度感测元件12A、12B、22A、22B。这种方法使电路的灵敏度加倍。
图18示出了热导率流体传感器的电路图，其中温度感测元件12可以与多于一个的电阻器差分地比较。这被示出为图5所示的设计的示例，但是也可以应用于图4所示的设计。惠斯通电桥允许通过使用电子开关52、53、54来选择电阻器30、31、32中的一个。可以基于第二加热元件上的偏置来选择电阻器，其中电阻器值被选择为使得在所施加的偏置值处，温度感测元件12的电阻类似于电阻器30、31、32中的一个。
图19示出了热导率流体传感器的电路图，其中存在诸如图12中的设计的参考膜。在这种情况下，在主膜上的第二温度感测元件12和在参考膜上的第二温度感测元件12C之间进行差分测量。
应当注意，对于所有这些电路设计，作为示例，第二加热元件10被示出为连接到恒定电流源。它也可以连接到恒定电压源或恒定功率源。
图20示出了绘制空气和不同气体在不同温度下的热导率的图表。该图表示出如果加热器被驱动至约800K处，则空气和二氧化碳具有相同的热导率，并且与常规的任何偏差则由诸如湿度的其他效应引起。加热器然后可以在较低的温度下运行，其中除了其它效应之外，二氧化碳还引起信号的偏差。使用算法或查找表，归因于其它效应的偏差则可被消除以确定仅归因于二氧化碳的偏差。
图21示出了另一示例热导率流体传感器。在该实施方式中，存在两个介电膜：第一膜4和第二膜4a。两个膜除了膜4上的两个(或更多个)孔9外都是相同的。膜4a没有孔。两个膜具有相同的加热器10和10a以及感测元件12和12a。热导率流体传感器位于封装10的基底上，其中膜4和膜4a下方的腔7和腔7a都被密封。这样的构造可以被设计成使得感测元件12a(其仅在膜4a的一侧暴露于气体)可以用作感测元件12(其在膜4的两侧暴露于气体)的参考。此设计可导致更快和更可靠的温度补偿，因为两个感测元件直接暴露于相同的环境，然而仅感测元件3暴露于较高的气体浓度。
图22示出了用于测量诸如图21所示的热导率流体传感器的示例电路。在该电路中，两个AC电流源55和55a分别与加热器10和10a一起使用。两个电流源可以独立地产生方波信号，如图22a所示，所述方波信号具有可调节的强度和频率。跨加热器10和10a测量的差分电压信号然后通过锁相放大器(lock-in amplifier)45或基于快速傅立叶变换(FFT)的数字信号处理(DSP)电路来处理。
图23示出了用于测量诸如图21所示的热导率流体传感器的另一示例电路。在该电路中，两个可逆的DC电流源55和55a分别与加热器10和10a一起使用。两个电流源可以独立地产生具有交替极性的电流，如图23a所示，所述电流具有可调节的强度和频率。在这种情况下，每个加热器上的电压测量基于如图23a中详细示出的三步增量(delta)方法来执行。在减少由于改变温度而引起的误差或克服归因于改变的温度的误差方面，该三步增量方法可提供优于其它DC电阻测量技术的显著优势。
图24示出了图23中给出的电路的变型。在该电路中，两个DC电流源55和55a分别与加热器10和10a一起使用，而两个可逆的DC电流源56和56a(其提供小得多的电流)分别与感测元件12和12a一起使用。与例如图23的电路相比，由可逆的DC电流源56和56a提供的小得多的电流水平有助于减少由于电流切换引起的瞬态效应，并且因此可以允许更快和更准确的增量(delta)读数。
图25示出了图24中给出的电路的变型。在该电路中，感测元件12和12a串联连接并且由单个可逆的DC电流源56驱动。使用单个电流源可以改善对共模噪声的电路抗扰性，同时简化电路整体。
图26示出了～60Ω加热器的～1200DC电压测量结果之间的比较，所述测量结果以～8mA测试电流在约120秒内取得。DC测量结果以高达30％的电压误差波动，而三点DC逆向方法测量结果(three-point DC reversal method measurements)以小于5％的误差波动。通过使用更小的(例如，小于几μA)测试电流，可以显著改善这些图。
图27示出了用于在两个不同的电流方向上驱动传感器的电路示意图。控制器301向传感器302提供电偏置。所述传感器由读出电路303读取。晶体管305、306、307和308控制传感器302内的电流方向。当晶体管305和晶体管306接通并且晶体管307和晶体管308断开时，电流在一个方向上流过传感器。当晶体管305和晶体管306断开并且晶体管307和晶体管308接通时，电流沿相反方向流动。通过使用增量(delta)方法，该方法可以用于提高测量的准确度。控制系统301可以仅是电流源或电压源或更复杂的电路。传感器302可以是例如温度感测电阻器，或者可以包括多于一个的电阻器。例如，所述多于一个的电阻器可以被提供在桥配置中-其中所有分支/桥路(branches)具有主动传感器，和/或一些分支/桥路具有固定电阻器。读出电路303可以具有差分放大器、滤波器和/或模数转换器。
图28提供了感兴趣的不同示例气体以及干燥空气和湿空气(在标准温度和压力下)的热性质。还提供了氮气和氧气的值以证明这些值对空气中的氧气含量可以是多么敏感。
图28还针对这些气体中的每种气体示出了其相对于干燥空气的热响应时间。例如，现在可以看出氦气比干燥空气快8.3x且比湿空气快7.1x。可以看出氢气比甲烷快6.9x。湿空气比干燥空气快1.13或快13％。最后，可以看出，CO2比干燥空气慢2.1x并比湿空气慢2.4x。
现在可以从热响应时间确定气体类型，并且因此知道气体，并确定气体在空气中的浓度。还可以确定混合物中的不同气体，因为在TC响应中存在两个不同的热常数。例如，一个较快的对应于H2，一个慢很多的(x6.9)对应于CH4。
用AC信号(或使用脉冲)驱动热导率加热器将根据气体类型和浓度产生不同的频率响应。信号的频率内容(例如，FFT)将显示哪种气体以特征频率存在，并且FFT峰值的高度将给出其浓度。以这种方式，我们可以在气体未知时确定气体的类型，并且还确定气体混合物中存在的气体及其浓度。
最后，应当注意，干燥空气和湿空气的热时间常数类似(12％差异)并且与H2和CO2的热时间常数非常不同。换句话说，空气的相对湿度将不会显著影响CO2或H2的频率方面的信号。
该AC方法将目标气体(例如CO2)的热信号与可变的背景气体(例如，空气的其他组成，诸如氮气和/或氧气)的热信号解耦，并且因此提供比DC技术更加准确的测量气体浓度或组分的方式。
图29示出了在流体传感器的各种操作模式下第二加热元件基于环境温度的温度。具有三角形标记的线显示当第一加热元件关闭时第二加热元件基于环境温度的操作温度。可以看出，基于在环境温度中，第二加热元件温度有变化。带有圆圈标记的线显示当第一加热元件在70℃的恒温下进行操作时第二加热元件基于环境温度的操作温度。相对于第一加热元件关闭的操作模式，第二加热元件的相对可变性被减小但仍存在。具有正方形标记的线显示了在第一加热元件的温度基于对环境温度的改变被调节以将第二加热元件与这些改变隔离的操作模式下第二加热元件基于环境温度的操作温度。对第一加热元件的调节可以基于例如查找表或公式或任何其他合适的手段。在该操作模式中，尽管环境温度变化，但第二加热器的温度保持恒定。
本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附的权利要求中，位置术语，诸如‘上’、‘重叠’、‘下’、‘侧向’等，是参考对装置的概念性图示(诸如那些示出了标准横截面的透视的图示和那些在附图中所示的图示)做出的。这些术语是为了便于参考而使用的，而不旨在具有限制性的性质。因此，这些术语应理解为指示当处于如附图所示的取向时的装置。
尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，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。鉴于本公开，本领域技术人员将能够做出修改和替代，这些修改和替代被设想为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或图示的每个特征可以并入本公开中，无论是单独的还是与本文公开或图示的任何其他特征组合。
附图标记
1 半导体芯片
2 半导体衬底
3 介电层
4 介电膜
4A 附加的介电膜
6 接合焊盘
7、7a 衬底的被蚀刻部分
9 凹陷区域
10 第二加热元件
11 至第二加热元件的迹线
12 第二温度感测元件
12A、12B 第二温度感测元件的部分
12C 附加的第二温度感测元件
13 至第二温度感测元件的迹线
20 第一加热元件
20C 附加的第一加热元件
21 至第一加热元件的迹线
21C 至附加的第一加热元件的迹线
22 第一温度感测元件
22A、22B 第一温度感测元件的部分
22C 附加的第一温度感测元件
23 至第一温度传感元件的迹线
30、31、32 膜外部的电阻器
40、41 附加的电阻器
45 差分放大器
50、51、52、53、54 开关
55、55a、56、56a 电流源
101 封装基底
102 封装盖
103 ASIC
104、105 线接合
106 入口
107 出口
108 穿过封装盖110盖的孔

Claims (37)

1.一种用于感测流体的浓度或组成的流体传感器，所述流体传感器包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括第一被蚀刻部分；
介电区域，所述介电区域位于所述半导体衬底上，其中，所述介电区域包括被定位成覆盖在所述半导体衬底的所述第一被蚀刻部分之上的第一介电膜；
第一加热元件，所述第一加热元件位于所述第一介电膜内；以及
第二加热元件；
其中，所述第一加热元件被布置成热屏蔽所述第二加热元件，使所述第二加热元件免受环境温度变化的影响；
其中，所述第一加热元件或所述第二加热元件被配置为作为温度感测元件进行操作；
其中，所述第一加热元件被配置为在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作；
其中，所述第二加热元件被配置为在恒定电流或恒定电压模式或恒定功率模式下进行操作；并且
其中，所述传感器被配置为使用所述温度感测元件确定所述流体的热导率，以确定所述流体的所述浓度或所述组成。
2.一种用于感测流体的浓度或组成的流体传感器，所述流体传感器包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括至少一个被蚀刻部分；
介电区域，所述介电区域位于所述半导体衬底上，其中，所述介电区域包括被定位成覆盖在所述半导体衬底的所述第一被蚀刻部分之上的第一介电膜；
第一加热元件，所述第一加热元件位于所述第一介电膜内；
第二加热元件；
第一温度感测元件，所述第一温度感测元件与所述第一加热元件定位在一起；以及
第二温度感测元件，所述第二温度感测元件与所述第二加热元件定位在一起；
其中，所述第一加热元件被布置成热屏蔽所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件以及所述第二加热元件，使所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件以及所述第二加热元件免受环境温度变化的影响；
其中，所述第一加热元件被配置为在恒定温度或恒定电阻模式下进行操作；并且
其中，所述第二加热元件被配置为在恒定电流或恒定电压模式或恒定功率下进行操作，其中，所述第二温度感测元件与所述第一温度感测元件之间的分离在所述第二温度感测元件与所述第一温度感测元件之间引入温度差，以使得所述第一温度感测元件与所述第二温度感测元件之间的差分信号基于所述流体的热导率指示所述流体的浓度或组成。
3.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第二加热元件位于所述第一介电膜内，或者其中，所述第二加热元件位于第二介电膜内。
4.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第二加热元件被配置为在比所述第一加热元件更高的温度下进行操作。
5.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第一介电膜包括至少一个凹陷区域，所述至少一个凹陷区域被配置为将所述第一加热元件与所述第二加热元件热隔离。
6.根据权利要求5所述的流体传感器，其中，所述至少一个凹陷区域包括在所述第一介电膜中的孔或穿孔。
7.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第一加热元件和所述第二加热元件被布置成下列配置中的一种：
(i)所述第二加热感测元件被定位成更靠近所述第一介电膜的中心，并且所述第一加热元件被定位成更靠近所述第一介电膜的边缘；或者
(ii)其中，所述第一加热元件和所述第二加热元件位于所述第一介电膜内，并且所述第一加热元件环绕所述第二加热元件。
8.根据权利要求2所述的流体传感器，其中，所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件位于所述第一介电膜上或位于所述第一介电膜内，并且其中，至少一个凹陷区域侧向地位于所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件之间。
9.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第一温度感测元件和所述第一加热元件位于所述第一介电膜内，并且其中，第二温度感测元件和所述第二加热元件位于第二介电膜内。
10.根据权利要求9所述的流体传感器，所述流体传感器包括第三加热元件，所述第三加热元件位于与所述第二加热元件相同的介电膜内，并被配置为在恒定温度或在恒定电阻模式下进行操作。
11.根据权利要求2所述的流体传感器，其中，所述第一温度感测元件在使用期间所保持的温度与所述第一加热元件所保持的温度相同，并且其中，所述第二温度感测元件在使用期间所保持的温度与所述第二加热元件所保持的温度相同。
12.根据权利要求2所述的流体传感器，所述流体传感器包括另外的温度感测元件，所述另外的温度感测元件与所述第一加热元件定位在一起，其中，所述第一温度感测元件和所述另外的温度感测元件在使用期间所保持的温度与所述第一加热元件所保持的温度相同。
13.根据权利要求2所述的流体传感器，所述流体传感器包括另外的温度感测元件，所述另外的温度感测元件与所述第二加热元件定位在一起，其中，所述第二温度感测元件和所述另外的温度感测元件所保持的温度与所述第二加热元件所保持的温度相同。
14.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第一温度感测元件或第二温度感测元件或所述第一加热元件或所述第二加热元件中的一者位于所述介电区域的同一层中，并且其中，所述第一温度感测元件或所述第二温度感测元件分别侧向地环绕所述第一加热元件和所述第二加热元件，或者
其中，所述第一温度感测元件或所述第二温度感测元件分别位于所述第一加热元件或所述第二加热元件的下方或上方。
15.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第一加热元件和所述第二加热元件中的至少一者是电阻式加热元件；和/或，其中，所述第一温度感测元件和第二温度感测元件中的至少一者是电阻式温度检测器元件。
16.根据权利要求1所述的流体传感器，所述流体传感器还包括电路，所述电路被配置为基于下列中的任一者之间的差分信号确定所述流体的所述浓度或组成：
所述第一加热元件，
所述第二加热元件，
所述第一温度感测元件，
第二温度感测元件；并且
可选地，其中，所述第一加热元件、所述第二加热元件、所述第一温度感测元件、所述第二温度感测元件和所述电路定位在芯片上。
17.根据权利要求16所述的流体传感器，其中，所述电路包括下列中的一个或更多个：
恒定电流或恒定电阻驱动电路，
恒定电流源，
惠斯通电桥，
放大器、模数转换器，
数模转换器，或
微控制器。
18.根据权利要求16所述的流体传感器，其中，所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件位于桥电路的两侧，并且其中，所述传感器被配置为使得所述桥电路的输出是在所述传感器周围的所述流体的所述热导率的函数。
19.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述半导体衬底的所述第一被蚀刻部分具有倾斜的侧壁；和/或，其中，所述半导体衬底的所述第一被蚀刻部分仅部分延伸穿过所述半导体衬底的深度。
20.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述半导体衬底包括附加的被蚀刻部分，并且其中，所述介电层包括被定位成覆盖在所述半导体衬底的所述附加的被蚀刻部分之上的附加的介电膜，并且
其中，所述传感器还包括：
位于所述附加的介电膜内的附加的加热元件；以及
位于对应的附加的介电膜中的附加的温度感测元件。
21.根据权利要求20所述的流体传感器，其中，所述第一加热元件和所述附加的加热元件串联连接，和/或，其中，所述第一温度感测元件和所述附加的温度感测元件串联连接。
22.根据权利要求20所述的流体传感器，其中，所述第一加热元件或第二加热元件和所述附加的加热元件中的至少一个附加的加热元件被配置为在不同的温度下进行操作。
23.根据权利要求1所述的流体传感器，所述流体传感器还包括位于所述传感器的表面上的覆盖物，其中，所述覆盖物包括孔，所述孔被配置为允许流体从所述覆盖物的外表面行进到位于所述第一介电膜上方的流体通道。
24.根据权利要求1所述的流体传感器，所述流体传感器还包括位于所述膜区域外部、在所述半导体衬底上方的至少一个另外的温度感测元件。
25.根据权利要求1所述的流体传感器，所述流体传感器还包括位于所述第一介电膜上的一对另外的温度感测元件，其中，所述一对温度感测元件中的第一温度感测元件位于所述第二加热元件的第一侧，并且所述一对温度感测元件中的第二温度感测元件位于所述第二加热元件的第二侧。
26.一种传感器组件，包括根据权利要求1所述的流体传感器和连接到所述传感器的专用集成电路(ASIC)。
27.根据权利要求27所述的传感器组件，包括：
流体传感器壳体；
其中，所述流体传感器位于所述流体传感器壳体内。
28.根据权利要求27所述的传感器组件，其中，所述流体传感器以倒装芯片配置被封装在印刷电路板或另一半导体衬底上。
29.一种使用权利要求2所述的传感器测量流体的浓度或组成的方法，所述方法包括：
向所述第二加热元件施加恒定的电偏置或恒定电流或恒定功率；以及
监测所述第一温度感测元件或所述第二温度感测元件的温度或电阻。
30.根据权利要求29所述的方法，所述方法包括：
通过反馈回路控制电路向所述第一加热元件施加电偏置以保持所述第一加热元件的恒定电阻或恒定温度；其中，所述第一温度感测元件相对于所述第二温度感测元件之间的差分信号基于所述流体的热导率指示所述流体的浓度或组成。
31.根据权利要求1或2所述的流体传感器，其中，所述第一加热元件的温度基于环境温度的变化被调节。
32.根据权利要求1或2所述的流体传感器，所述流体传感器包括控制器，所述控制器被配置为：
在AC模式下驱动所述第一加热元件和/或所述第二加热元件，以调制所述第一加热元件和/或所述第二加热元件的温度以改变所述差分信号；
使用锁相放大器和/或以基于傅立叶变换的技术为基础在调制频率方面监测所述差分信号；以及
基于所述差分信号选择性地区分不同的流体组分和/或确定所述不同的流体组分的浓度。
33.根据权利要求1或2所述的流体传感器，包括：
一个或更多个DC电流源，所述一个或更多个DC电流源被配置为生成具有交替极性的DC电流；以及
控制器，所述控制器被配置为：
使用来自所述一个或更多个DC电流源的DC脉冲来驱动所述第一加热元件和/或所述第二加热元件或与所述第一加热元件和/或所述第二加热元件相邻的感测元件；以及
基于基于两点或三点DC逆向的技术监测所述差分信号；以及
基于差分信号选择性地区分不同的流体组分和/或确定所述不同的流体组分的所述浓度。
34.根据权利要求33所述的流体传感器，其中，所述一个或更多个DC电流源包括至少两个DC电流源，所述至少两个DC电流源被配置为独立地生成具有交替极性的DC电流。
35.根据权利要求1或2所述的流体传感器，包括：
具有交替极性的一个或更多个电流源；以及
控制器，所述控制器被配置为：
使用来自所述一个或更多个电流源的电流驱动所述第一加热元件和/或所述第二加热元件；以及
基于基于两点或三点DC逆向的技术监测所述差分信号；以及
基于差分信号选择性地区分不同的流体组分和/或确定所述不同的流体组分的浓度。
36.根据权利要求35所述的流体传感器，其中，所述第一加热元件和/或所述第二加热元件由单个电流源驱动，并且其中，所述流体传感器包括开关，所述开关被配置为改变所述第一加热元件和/或所述第二加热元件或所述感测元件的端子中的电流的方向。
37.根据权利要求1所述的流体传感器，包括控制单元，所述控制单元被配置为以AC偏置或脉冲偏置驱动所述加热元件，并且基于所产生的信号的频率内容确定存在的一种或多种气体的浓度和类型。
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