CN117597580A - 热流体传感器 - Google Patents

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S·Z·艾利
E·加德纳
J·哈迪
J·卡伦
S·狄克逊
D·波帕
C·法尔科
J·W·加德纳
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Abstract

我们在本文公开了一种用于感测流体的浓度或组成的流体传感器，该传感器包括:半导体衬底，该半导体衬底包括第一被蚀刻部分；位于半导体衬底上的介电区域，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加热元件；以及与加热元件在空间上分离的第一温度感测元件。流体传感器还包括介电膜内的第二温度感测元件，或者加热元件还可以被配置为作为第二温度感测元件进行操作。第二温度感测元件和第一温度感测元件之间的分开在第二温度感测元件和第一温度感测元件之间引入温度差，以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基于流体的热导率指示流体的浓度或组成。

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，161(2014)B55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。
现有技术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。
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、高电噪声、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环境中确定流体的组成和流体内不同
组分的浓度；
·对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。
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。
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，提供了一种第一温度感测元件，所述第一温度感测元件与加热元件在空间上分离，其中，第一温度感测元件位于第一介电膜的外部并位于半导体衬底之上，或者，其中，第一温度感测元件位于第一介电膜上或第一介电膜内，并且其中，所述流体传感器在第一介电膜内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加热元件与第一温度感测元件热隔离，其中加热元件还被配置为作为第二温度感测元件进行操作，并且其中，第二温度感测元件和第一温度感测元件之间的分离在加热元件和第一温度感测元件之间引入了温度差，以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基于流体的热导率指示流体的浓度或组成。
所述第一温度感测元件与加热元件在空间上分离，以使得在加热元件与第一温度感测元件之间存在温度差。在加热元件的操作期间，由加热器产生的热扩散到介电膜内、介电膜上方和下方，并且扩散到在加热元件周围的流体中。损失到加热元件周围的流体的热的量将取决于流体的热导率。因此，加热元件的温度曲线将取决于传感器内的流体的热导率。取决于流体的热导率，加热元件将使用不同量的功率来加热到给定温度。
所述第一温度感测元件在膜的外部，或者在介电膜内并与加热元件热隔离。因此，所述第一温度感测元件的温度将保持在环境温度或室温或比加热元件的温度显著更冷的温度。由于加热元件的温度取决于通过传感器内的流体传导的热并且因此取决于流体的热导率，因此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，因此第二温度感测元件(或加热元件)的温度可用于确定传感器内的流体的浓度或组成。所述差分信号指示流体的组成或浓度，并且传感器还可以被配置为基于所述差分信号或所述第一温度感测元件的温度来确定流体的组成或浓度。
与测得的环境温度相比，由于到流体的热损失而导致的在所需的功率方面的变化或温度变化通常是小的。因此，通过测量差分信号，可以有效地抵消测得的环境温度，以改善对由于到流体的热损失所导致的所需功率方面的变化或温度变化的测量。这可以使用惠斯通电桥或基于差分/仪表放大器的方案来完成。
所述加热元件与所述第二温度感测元件相同，即所述加热元件作为电阻式温度检测器进行操作。可以在恒定温度、恒定电压/电流或恒定电阻模式下驱动所述加热元件，并且代替测量第一电阻式温度感测元件和第二电阻式温度感测元件之间的差分电阻，可以测量差分电压、差分电流或差分功率。当在传感器周围的流体的热导率改变时，将所述加热器保持在相同电阻或温度所需的电压、电流和/或功率的量将改变，并且因此所述第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的差分电压/差分电流/差分功率将改变。
所述加热元件可以被配置为通过例如感测由于温度变化引起的电阻变化而作为感测元件进行操作，因为电阻式温度检测器是这种情况。所述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。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。
该实施例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。
通过将第一温度感测元件设置在衬底上或在同一膜上并热隔离(即，不在分开的膜上)，所述第一温度感测不需要被单独地加热。因此，降低了装置的功率消耗。
在使用中，在没有流动或静态流动的情况下，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组分。
根据本公开的另一方面，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；加热元件，所述加热元件位于所述第一介电膜内；第一温度感测元件，所述第一温度感测元件与所述加热元件在空间上分离，其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜的外部并且位于所述半导体衬底之上，或者，其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，并且其中，所述流体传感器包括位于所述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所述加热元件与所述第一温度感测元件热隔离；以及第二温度感测元件，所述第二温度感测元件位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，其中，所述第二温度感测元件在形状和尺寸方面与所述第一温度感测元件基本上相同，并且其中，所述第一温度感测元件位于距离所述加热元件第一距离处，并且其中，所述第二温度感测元件位于距离所述加热元件第二距离处，并且其中，所述第一距离大于所述第二距离，并且其中，所述第二温度感测元件和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和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和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。
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。所述加热器可以具有弯折、螺旋或热丝(hotwire)的形状。
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-其由多个介电梁支撑。
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，其包括加热元件以及至少一个其他的感测元件(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。
在加热元件的操作期间，由加热器产生的热扩散到介电膜中、介电膜上方和下方，并且扩散到加热元件周围的流体中。损失到加热元件周围的流体的热的量将取决于流体的热导率。因此，第二温度感测元件的温度曲线将取决于传感器内的流体的热导率。取决于流体的热导率，加热元件将使用不同量的功率来将第二温度感测元件加热到给定温度。由于第二温度感测元件的温度取决于通过传感器内的的流体在加热元件和第二温度感测之间传导的热，因此第二温度感测元件的温度取决于流体的热导率。因此，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，因此差分信号可用于确定传感器内的流体的浓度或组成。差分信号指示流体的组成或浓度，并且传感器还可以被配置为基于所述差分信号确定流体的组成或浓度。
可存在测量第一电阻式温度检测器元件和第二电阻式温度检测器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。
所述第二温度感测元件可以比所述第一温度感测元件更靠近加热元件。优选地，所述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。
在两个电阻式温度检测器的电阻、通过两个电阻式温度检测器的电流或横跨两个电阻式温度检测器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。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。环境温度的变化几乎均等地影响了这两个温度感测元件，因此不会显著地影响电阻的差异。
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加热元件。
替代地，所述第二温度感测元件可位于加热元件的下方或上方。所述第二温度感测元件可以直接位于所述加热元件的上方或下方，以使得所述第二温度感测元件不与所述加热元件侧向地间隔开。
使第二温度感测元件位于所述加热元件的同一层中或位于所述加热元件的下方或上方具有使第二温度感测元件的温度与所述加热器的温度基本上相同的优点。这增大了第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的差分信号，因此提高了传感器的灵敏度。
第二温度传感器元件可以或者侧向地间隔开但靠近加热元件，并且可以由与加热元件相同的材料层制成。替代地，第二温度感测元件可以由与加热器不同的材料层制成，并且可以与加热器竖直地间隔开，或者高于或低于加热器。这两种配置的优点是第二温度感测元件在操作期间应具有与加热器的温度基本上相同的温度。
两个电阻式温度检测器的尺寸、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没有流体存在的情况下在传感器的操作温度下具有基本上相同的电阻。
半导体衬底可以包括附加的被蚀刻部分，并且介电层可以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、以及附加的第一温度感测元件和附加的第二温度感测元件。
所述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COMOS、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，和/或附加的加热器来增强。
所述第一温度感测元件可以位于半导体衬底的上方。第一温度感测元件可以直接在半导体衬底的上方，以使得第一温度感测元件完全在衬底的衬底部分上方而并不在衬底的被蚀刻区域上方并且不位于所述介电膜内。这增加了第一温度感测元件与介电膜内的部件之间的热隔离，因此提高了装置的灵敏度。
所述第一温度感测元件可以位于介电区域内，但是优选地在介电膜区域之外或在膜区域的边缘处。
替代地，第一温度传感器也可以放置在膜区域的边缘处(例如，为了减小芯片面积)。
所述流体传感器还可以包括电路，所述电路被配置为基于所述第一温度感测元件的温度或所述差分信号来确定流体的浓度或组成。
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、从温度感测元件进行读出或以电子方式操纵传感器信号的任何其他手段。例如，已展示的是，在恒定温度模式下驱动的加热元件会导致性能增强，并且具有实施这种驱动方法的片上手段将导致相对现有技术的流动传感器的显著进步。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(例如恒定温度差和飞行时间)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)实现。这种片外实现可以在ASIC中或通过离散部件或两者的混合来完成。
所述电路可以包括一个或更多个交流(AC)源和/或锁相放大器测量以降低噪声。所述一个或更多个AC源可以与基于快速傅里叶变换(FFT)的技术结合使用。在一些实施方式中，锁相放大器的使用有助于测量非常小的AC信号，例如几纳伏或更小的AC信号。即使当噪声源高于感兴趣的信号时，也可以进行AC信号的精确测量。因为这些技术仅测量处于或接近测试频率的AC信号，所以可以降低噪声的影响，所述噪声包括热电电压(DC和AC)。驱动电路可以通过任何合适的机构，诸如经由片上机构、外部地设置在ASIC中、现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器/微处理器的形式、通过使用分立部件或上述机构的任何组合来实现。
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)幅度和相反极性的电流。
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度。
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，
恒定电流源或交流源，
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。
第一电阻式温度检测器和第二温度检测器可以与仪器桥(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第一介电膜内并位于加热元件和第一温度感测元件之间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，因此加热元件和第一温度感测元件之间比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。
在加热元件与第二温度感测元件之间可以不存在凹陷区域，以使得第二温度元件在装置的操作期间处于与加热元件基本上相同的温度。
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。
凹陷区域可以位于加热元件和介电膜的与加热元件隔开的边缘之间。特别地，凹陷区域可以被限定为使得在加热元件和膜的边缘之间存在一个凹陷区域，并且在第一温度检测器元件和膜的边缘之间可以存在一个凹陷区域，并且在加热器和第一温度检测器元件之间不存在凹陷区域。
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。
不同孔或狭槽(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。
半导体衬底的被蚀刻区域可以具有倾斜的侧壁。半导体衬底的被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，以及附加的第一温度感测元件。
所述附加的加热元件和附加的第一温度感测元件可以类似于加热元件和第一温度感测元件进行操作。这增加了装置的灵敏度。
所述加热元件和附加的加热元件可以串联连接。所述附加的第一温度感测元件和第一温度感测元件可以串联连接。传感器可以包括串联连接到第二温度感测元件的附加的第二温度感测元件。
加热元件可以串联连接并且基本上在相同的温度下操作。
所述加热元件可以串联连接，并且第二温度感测元件也可以串联连接。第一温度感测元件也可以串联连接。在这种情况下，第一电阻式温度检测器和第二电阻式温度检测器的串联组合之间的差分信号被获得，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。
所述加热元件和所述附加的加热元件可以被配置为在不同的温度下操作。
与相应的第一和第二温度感测元件组合的每个感测元件可以独立地且优选地在不同的温度下操作以改善对不同气体的选择性。
所述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，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。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：位于介电膜内的加热元件；位于加热元件附近并位于介电膜内的第二电阻式温度检测器元件。对于膜阵列中的每个膜，流体传感器可以包括第一电阻式温度检测器元件，所述第一电阻式温度检测器元件位于膜外部并被用作参考。可以在所述至少一个第一电阻式温度检测器元件和所述至少一个第二电阻式温度检测器之间测量差分信号，以使得差分信号是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。
阵列可以包含在介电膜外部的一个或几个第一电阻式温度检测器。
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。
附加的或另外的温度传感器可以作为参考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传感器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(一个或多个)温度感测元件的温度读数和第一电阻式温度传感器和第二电阻式温度传感器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。
流体传感器还可以包括膜区域外部的附加的第一温度感测元件和位于介电膜区域上或介电膜区域内的附加的第二温度感测元件。
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和第二被蚀刻部分，其中，所述第一被蚀刻部分和所述第二被蚀刻部分在尺寸和形状方面基本上相同；位于所述半导体衬底上的介电区域，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和被定位成覆盖在所述半导体衬底的所述第二被蚀刻部分之上的第二介电膜；单个主动加热元件，其中，所述主动加热元件仅位于所述第一介电膜内；位于所述第二介电膜内的第一温度感测元件；以及位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内的第二温度感测元件，其中，所述第二温度感测元件在形状和尺寸方面与所述第一温度感测元件基本上相同，并且其中，所述第二温度感测元件和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和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和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。
所述第一温度感测元件可以放置在第二介电膜上，其中，所述第二介电膜不包括主动加热元件。所述两个膜可以并排定位，彼此侧向地间隔开，并且可以在尺寸和形状方面相同。第一温度感测元件和第二温度感测元件可以在它们各自的介电膜中的每一个内放置在类似或相同的位置。在同样的膜中提供温度感测元件改善了匹配特性。
所述传感器包括单个主动加热元件，其中，所述主动加热元件仅位于第一介电膜内。因此，传感器可以仅包括一个主动加热元件，以使得在第二介电膜中没有主动加热元件或电气地连接的或供电的加热元件。
所述第二温度感测元件可以是分开的温度感测元件，或者所述加热元件可以被配置为作为第二温度感测元件进行操作。
所述传感器还可以包括位于第二介电膜内的辅助结构，并且辅助结构可以是被电气地隔离的。所述辅助结构可以被配置为使得所述第一介电膜和第二介电膜具有相同的机械和热应力性质。
此外，所述辅助结构(也称为伪层(dummy layer))(其未被电气地连接)可以位于第二介电膜上或第二介电膜内，以使得所述两个温度感测元件在其附近具有相似或相同的结构(即，相邻结构)，并且具有其各自的嵌入结构的所述两个介电膜具有基本上相同的机械和热质量性质。辅助结构可以是被电气地隔离的，换句话说，第二介电膜中的伪结构可以不连接到任何电信号。这提供了以下优势，即，两个温度感测元件在其特性(包括应力或变形)方面非常良好地匹配(它们都在相同的膜上，它们在它们周围具有类似的相邻结构)。此外，所述两个感测元件经受类似的机械应力分布，因此可以去除诸如环境压力或振动的共模效应。此外，温度感测元件的动态特性将由于其相同的热质量而更好地匹配。
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在所述膜的一侧或两侧上，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耗并且提高了传感器的灵敏度。
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：向所述加热元件施加电偏置；并监测施加到所述加热元件的电偏置并使用施加到所述加热元件的电偏置的值以及所述差分信号基于所述流体的热导率来确定所述流体的浓度或组成。
向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加热元件可以连接到差分放大器、惠斯通电桥、锁相放大器或基于电流逆向的方法类型的电路，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。其他的方法包括使用惠斯通电桥或其他类型的电桥或基于电流逆向的技术。对于所有的这些方法，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。在实施方式中，这可以包括将传感器加热到第一温度，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。传感器然后可以在第二(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。
所述加热元件的温度可以通过将电流、电压或功率改变到不同水平和/或利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。
所述加热器的温度可以被调制，并且在不同温度下的第一温度感测元件和第二温度感测元件之间的电压差可以对照参考值来评估，并且两者之间的差可以指示流组成。
可以通过应用不同的功率水平来调制所述加热元件温度，以基于不同的流体组分随温度的热导率变化来增加对所述不同的流体组分的灵敏度和选择性。例如，CO2和空气的热导率之间的差在室温下比在高温下高。对于甲烷是相反的，因此甲烷和空气的热导率之间的差在室温下比在高温下低。氢气还具有与CO2或空气不同的热导率随温度的变化。通过在不同温度水平下运行加热器(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贡献可以被解耦并且可以找出它们的浓度值。
加热器(也称为加热元件)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：将调制函数应用于加热元件，第一温度感测元件或第二温度感测元件，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幅度、时间延迟或相移；以及使用测量到的调幅度、时间延迟或相移来确定流体的浓度或组成。
瞬态信号、调制信号或脉冲信号可以被施加到所述加热器元件或者被施加到所述第一温度感测元件或第二温度感测元件，并且来自所述第一温度检测器或第二温度检测器的信号将因此是瞬态的，并且它们的时间形状、时间延迟或相移既取决于传感器周围的流体的热导率和热扩散率又取决于其具有不同热导率和热扩散率的特定流体组分的浓度。
所述加热器或所述第一电阻式温度检测器或第二电阻式温度检测器可以用瞬态信号(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加热器，并且可以测量加热器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，可以向加热器施加正弦波。幅度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。测量值的幅度变化、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电阻式温度检测器。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。然而，这对于第一温度传感器也可能是重要的，特别是如果第一温度传感器被放置在介电膜上(与加热元件和第二温度感测元件相同的膜，或不同的膜)。
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。
本文进一步描述了一种用于感测流体的浓度或组成的流体传感器，该传感器包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括第一被蚀刻部分和第二被蚀刻部分；
位于半导体衬底上的介电区域，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和被定位成覆盖在半导体衬底的第二被蚀刻部分之上的第二介电膜；
两个或更多个主动加热元件，其中，第一主动加热元件在第一介电膜内，并且第二主动加热元件位于第二介电膜内；
第一热扩散器，所述第一热扩散器位于所述第一加热元件之上，其中所述第一热扩散器的边缘延伸超过所述第一加热元件的边缘；
第二热扩散器，所述第二热扩散器位于所述第二加热元件之上，其中，所述第二热扩散器的边缘与所述第二加热元件的边缘大致对准；以及
一个或更多个传导元件，所述一个或更多个传导元件位于所述第一介电膜和第二介电膜中的一者或两者上或位于所述第一介电膜和第二介电膜中的一者或两者之上，所述传导元件被布置成使得通过第二介电膜的传导性热损失大于通过第一介电膜的传导性热损失。
所述第一加热元件和所述第二加热元件之间的差分信号与流体或空气混合物的热导率有关。结果，该差分信号指示被测量的流体或空气混合物的浓度或组成，并且可以用于确定流体的浓度或组成。
传导元件和热扩散器可以被配置为使得来自第一介电膜的总热损失大约或基本上等于来自第二介电膜的总热损失。换句话说，例如，来自第一主动加热元件的到空气的附加的热损失(由于与第二热扩散器相比，第一热扩散器的更大的面积)可以近似等于来自位于第二介电膜上的传导元件的附加的传导性热损失，从而使得来自所述两个膜的总热损失基本上相同。
传导元件可以包括具有比第一介电膜和第二介电膜的热导率更高的热导率的材料。替代地，传导元件可以包括第一介电膜和/或第二介电膜内的孔或槽。在一些实施方式中，传导元件可以包括具有比第一介电膜和/或第二介电膜的热导率低的热导率的材料，从而减少第一介电膜和第二介电膜中的一者或两者的传导性热损失。
第一被蚀刻部分和第二被蚀刻部分可以基本上相同，即，使得它们具有大致相同的尺寸和/或形状。
所述两个或更多个主动加热元件中的每个加热元件可以在例如形状和/或尺寸方面基本上相同。替代地，所述加热元件中的一个或更多个可以不同于其他加热元件。
所述第一热扩散器和第二热扩散器可以是适于散热的任何元件，例如散热板。第一热扩散器的一些或全部边缘可以延伸超过第一加热元件的对应边缘，以使得第一热扩散器的尺寸大于第一加热元件的尺寸。类似地，第二热扩散器的一些或全部边缘可以与第二加热元件的对应边缘大致对准，以使得第二热扩散器和第二加热元件具有大致或基本上相同的尺寸。结果，来自第一加热元件的到空气的热损失可以大于来自第二加热元件的到空气的热损失。
第一热扩散器和第二热扩散器可以包括具有比第一介电膜和第二介电膜的热导率更高的热导率的材料。
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，该方法包括：形成第一介电膜，所述第一介电膜被定位成覆盖在包括第一被蚀刻部分的半导体衬底的第一被蚀刻部分之上；形成位于第一介电膜内的加热元件；形成与加热元件在空间上分离的第一温度感测元件，其中，第一温度感测元件位于第一介电膜的外部并位于半导体衬底之上，或者，其中，第一温度感测元件位于第一介电膜上或第一介电膜内，并且其中，流体传感器包括位于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所述加热元件与第一温度感测元件热隔离。
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，所述热导率流体传感器具有一个在膜内的圆形电阻器，以及一个在膜外的圆形电阻器，以及用于控制和测量传感器的电路；
图2示出了热导率流体传感器的俯视图，所述热导率流体传感器具有两个在膜内的圆形电阻器；
图3示出了图2所示的热导率流体传感器的横截面；
图4示出了热导率流体传感器的俯视图，所述热导率流体传感器具有凹陷区域所述凹陷区域由膜内的狭槽形成；
图5示出了热导率流体传感器的横截面，如图4所示，所述热导率流体传感器具有在膜中的狭槽；
图6示出了热导率流体传感器的俯视图，所述热导率流体传感器具有凹陷区域，所述凹陷区域由圆孔的阵列形成；
图7示出了热导率传感器流体的俯视图，所述热导率传感器流体具有一个在膜内的导线(wire)电阻式温度检测器和一个膜外的导线电阻器；
图8示出了热导率流体传感器的俯视图，所述热导率流体传感器具有两个在膜内的导线电阻式温度检测器；
图9(a)示出了热导率流体传感器的俯视图，所述热导率流体传感器具有两个在膜内的导线电阻式温度检测器和被成形为狭槽的凹陷区域；
图9(b)示出了在介电膜内具有更多数量的凹陷区域的另一热导率流体传感器；
图9(c)示出了具有电阻线的另一热导率流体传感器，所述电阻线在与加热器相同的层内具有弯折形状；
图9(d)示出了另一热导率流体传感器，其具有具有弯折形状的导线和连接所述导线的两个部分的连接元件；
图10(a)示出了图9(a)中的装置的横截面；
图10(b)示出了图9(c)中的装置的横截面；
图11示出了热导率流体传感器的俯视图，所述热导率流体传感器在膜内具有两个导线电阻式温度检测器以及包括圆孔的阵列的凹陷区域；
图12(a)示出了具有在同一芯片上的电路的热导率流体传感器的俯视图；
图12(b)示出了另一热导率流体传感器的俯视图，其中第一温度感测元件被放置在第二介电膜上；
图12(c)示出了另一热导率流体传感器的俯视图，其中第一温度感测元件被放置在具有伪(dummy)元件的第二介电膜上；
图13示出了热导率流体传感器的横截面，所述热导率流体传感器具有被蚀刻的半导体衬底的倾斜侧壁；
图14(a)、图14(b)和图14(c)示出了另一热导率流体传感器的横截面，其中衬底的被蚀刻部分不延伸穿过衬底的整个厚度；
图15示出了热导率流体传感器的俯视图，其中第二电阻式温度检测器元件(被示出为电阻线)也在膜上；
图16(a)和图16(b)示出了包括电阻式温度检测器和膜的阵列的另两个热导率流体传感器；
图17示出了被封装成使得在膜上方存在非常薄的通道的热导率流体传感器；
图18示出了以倒装芯片(flip-chip)配置被封装的热导率流体传感器；
图19示出了热导率流体传感器的俯视图，所述热导率流体传感器在膜上和膜外具有相同的弯折形状的电阻式温度检测器；
图20示出了各种气体的相对于温度的气体热导率函数的图；
图21a示出了包括惠斯通电桥的用于测量热导率流体传感器的电路图；
图21b示出了另一包括惠斯通电桥的用于测量热导率流体传感器的电路图；
图21c示出了用于利用惠斯通电桥测量热导率流体传感器的电路图，其中热导率传感器包括相同的膜的阵列；
图22示出了电路图，该电路图既针对电阻式温度检测器使用恒定电流源，也针对加热元件使用恒定电流源；
图23示出了测量两个电阻式温度传感器之间的差分电流的电路图；
图24示出了包括惠斯通电桥的电路图，其中该电桥的每个桥臂可以被施加不同的电压以保持电桥平衡；
图25示出了具有惠斯通电桥和在具有参考电阻式温度检测器的支路中的平衡电阻器的电路图；
图26示出了具有惠斯通电桥的电路图，其中参考电阻式温度检测器与晶体管串联；
图27示出了流程图，该流程图给出了可用于电子地平衡惠斯通电桥的方法；
图28示出了热导率传感器的顶视图，所述热导率传感器具有附加的片上温度传感器以确定环境温度或管芯(die)温度；
图29(a)示出了电路图，其中单个电阻器被用作流体传感器的加热器和第一电阻式温度传感器元件两者；
图29(b)示出了通过图30(a)的传感器的加热器的电流；
图30示出了热导率流体传感器的俯视图，其中在膜区域内存在两个电阻式温度检测器并且在膜区域外存在两个电阻式温度检测器；
图31示出了热导率流体传感器的用于下列配置的电路图：在膜区域内存在两个电阻式温度检测器和在膜区域外存在两个电阻式温度检测器；
图32示出了热导率流体传感器的俯视图，该热导率流体传感器具有被配置为作为流传感器进行操作的另一对感测元件；
图33示出了具有容纳在封装中的热导率流体传感器的流体传感器组件的横截面；
图34示出了具有容纳在封装中的热导率流体传感器的另一流体传感器组件的横截面；
图35示出了具有容纳在封装中的热导率流体传感器的另一流体传感器组件的横截面；
图36示出了热导率流体传感器的电路图，其中加热器经由来自差分放大器的反馈回路来控制；
图37示出了包括两个凹陷区域的热导率流体传感器的俯视图和横截面，所述两个凹陷区域被设计成具有不同的热特性；
图38示出了用于热导率流体传感器的另一电路图；
图39示出了另一热导率流体传感器的俯视图。
图40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41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42示出了用于热导率流体传感器的另一电路图。
图42a针对图42中的电路示出了通过加热器的电流。
图43示出了用于热导率流体传感器的另一电路图。
图43a针对图43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44和图45示出了用于基于图43a的热导率流体传感器的另外的电路图。
图46示出DC和电流反向DC电压测量之间的对比。
图47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48示出了不同气体的热性质表。
具体实施方式
所公开的装置的一些示例在附图中给出。
图1示出了热导率流体传感器的俯视图。该热导率流体传感器包括芯片1，该芯片1由半导体衬底和悬置在半导体衬底的被蚀刻部分上或覆盖在半导体衬底的被蚀刻部分之上的介电层或介电区域制成，将被蚀刻部分上方的介电层的区域限定为介电膜4。存在嵌入在所述膜内的电阻器2，并且迹线(track)7将其连接到接合焊盘6。电阻器2被配置为作为加热元件2进行操作，并且在该实施例中，它还用作电阻式温度检测器元件。在介电膜外部存在另一温度检测器元件(也称为热检测器元件)3。流体传感器还包括电路5，该电路使用来自两个温度检测器元件2、3的差分信号基于流体的热导率确定流体的组成。
由于加热元件2和第一温度感测元件3之间的空间分离，当加热器3通电(poweredup)时，加热器2在比第一温度感测元件3更高的温度下进行操作，即使在零流量下(或当不存在流量时)也是这样。第一温度感测元件3的温度取决于环境温度，并且加热元件2的温度可以根据损失到周围流体的热而变化—其取决于流体的热导率。加热元件2和第一温度感测元件3之间的温度差(差分信号)可以与流体的浓度成比例。
例如，如果传感器中存在CO2，CO2的热导率小于空气的热导率，则加热器2与第一温度感测元件3之间的温度差将更大，因为CO2的热导率小于空气的热导率。
加热电阻器2和第一温度感测元件3之间的温度差可以转换成电压差或电阻差，这取决于所采用的温度感测元件。对于用恒定电流供电的二极管，或者对于热电堆，电压差是合适的。对于电阻式温度检测器(RTD)，可采用若干读出技术，例如使用仪表电桥来测量电阻的变化或使用电流镜(current mirrors)并感测电压差。
在该图中，所述膜被示出为圆形。然而，它可以是矩形、具有圆角的矩形或任何其他形状。类似地，电阻器2和3被示出为圆形，但是其可以是任何形状，这些形状包括环形、弯折或矩形。电阻器可以由诸如铝、钨、钛或铜的CMOS金属或者诸如金或铂的非CMOS金属或者由多晶硅或单晶硅制成。
图2示出了另一热导率流体传感器的俯视图，并且图3示出了图2的传感器的横截面。
图2和图3的热导率流体传感器在膜区域4内具有两个圆形电阻器2、8。所述电阻器中的一个被配置为作为加热器元件2进行操作，并且介电膜内的另一个电阻器被配置为作为温度检测器元件8进行操作。如图3所示，所述两个电阻器2、8由介电层10内的不同的层制成，并且可以彼此紧邻，以使得它们处于基本相同的温度。衬底11是半导体，并且电阻式温度检测器嵌入在介电层10内。
由于加热元件2和第二温度感测元件8(两者都在介电膜4上或都在介电膜4内)与第一温度感测元件3之间的空间分离，当加热器2通电时，第二温度感测元件8在比第一温度感测元件3更高的温度下进行操作，即使是在零流量下(或当不存在流量时)。
图4示出了另一热导率流体传感器的俯视图，并且图5示出了图4的传感器的横截面。
图4和图5的热导率流体传感器具有用作加热器元件和温度检测器元件两者的圆形电阻加热器2，并在膜内具有两个凹陷区域，所述两个凹陷区域被示出为两个狭槽12。所述狭槽是围绕所述加热器的圆形的。
所述凹陷区域使穿过固体介电膜的热路径被最小化，从而迫使更多的热经由对流和传导通过环境(主要在膜上方经由传导和对流)消散，但是部分地还经由穿过由所述狭槽形成的空间或在膜下方的热传导消散。以此方式，加热元件的热损失的较大比例是到周围的流体。因此，当流体的热导率发生变化时，加热元件和第二温度感测元件的温度变化增大，因此凹陷区域增加了装置的灵敏度。
所述狭槽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)，因为减少了总热损失。此外，由于膜的热质量的减少，所以狭槽有助于减少热响应时间(增加加热器在利用电力脉冲供电时加热的速度)。
图6示出了热导率流体传感器的俯视图，该热导率流体传感器具有用作加热器元件和温度检测器元件两者的圆形电阻加热器2，以及围绕电阻器的呈小圆孔13的形状的若干凹陷区域。类似于图4和图5的狭槽，圆孔13增加了到流体的功率损失比例，并且提高了灵敏度，减少了热响应时间和功率消耗。
图7示出了热导率传感器的俯视图，该热导率传感器具有在膜区域内的线形电阻器2和在膜外部的一个线形电阻器3，其中膜内的电阻器2既用作加热器元件又用作第一温度检测器元件。膜4在此是具有圆角的矩形膜，但也可以是任何其他形状。该传感器与图1的传感器类似地进行操作。
图8示出了在膜区域内具有两个导线电阻器(wire resistor)的热导率传感器的俯视图，其中一个作为加热器元件2进行操作，另一个作为温度检测器元件8进行操作。
图9(a)至图9(d)各自示出了在介电膜内具有凹陷区域12的另一热导率流体传感器的俯视图。凹陷区域减少了从加热器的热损失，并且增加了损失到流体的功率的百分比，从而提高了装置灵敏度。
图9a示出了传感器，其中加热器元件2是导线电阻器，并且第二热检测器元件8也是导线电阻器。
图10a示出了图9a中的装置的横截面。其有两个导线电阻器，一个作为加热器元件2，一个作为第一热检测器元件8。
图9b示出了传感器，其中在膜上有四个凹陷区域12，在加热器和第二温度检测器元件的任一侧有两个。通过增加凹陷区域的数量，增加了装置的灵敏度。
在图9c中，第二热检测器元件8具有弯折形状并且被设计成使得其位于加热器2的两侧。在该配置中，第二热检测器元件8位于介电层的与加热器2不同的层中。第一温度感测元件3的形状也与第二温度感测元件8的形状相同。
图10b示出了图9c中的装置的横截面。第一热检测器元件8分为两部分，并且分开在加热器的任一侧。
图9d示出了传感器，其中第二热检测器元件8也具有弯折形状并且位于加热器2的两侧。第二温度检测元件8由两个部分形成，其中第二温度检测元件8的第一部分位于加热元件2的第一侧，并且第二温度检测元件8的第二部分位于加热元件的相反的第二侧。第二温度检测元件的所述两个部分之间的连接位于介电膜4的外部，并且由连接元件20形成。这允许第一热检测器元件8被制造在介电层的与加热器元件2相同的层内，其中仅连接元件20位于介电区域的不同层内并用于桥接第二热检测器元件8的所述两个部分。第一温度感测元件3的形状也与第二温度感测元件8的形状相同。
图11示出了具有凹陷区域13的热导率流体传感器的俯视图，凹陷区域13包括在介电膜区域4内的圆孔的阵列。
图12(a)示出了热导率流体传感器的俯视图，其中电路5位于与加热元件2相同的芯片上，并且具有第一温度感测元件3和第二温度感测元件8。电路5用于控制和驱动加热器2，并且还测量第一温度检测器元件3和第二温度检测器元件8之间的差分信号。它可以包括恒定电流驱动电路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、数模转换器和/或微控制器。
图12(b)示出了另一流体传感器的俯视图，其中第一温度感测元件3在第二膜4a上，该第二膜与第一膜4分开且在尺寸方面相同。第二介电膜4a不具有主动(active)加热元件。当所述两个温度感测元件被偏置时，可以去除共模效应，诸如由于自加热引起的额外温度升高。还可以抵消所述膜中的压力和/或残余应力/应变的影响。最后，与所述两个温度感测元件相关联的热质量可以是相同的(或非常相似的)，并且因此可以最小化动态失配效应(dynamic mismatching effects)。
图12(c)示出了与图12(b)所示的流体传感器类似的流体传感器。这里，包括一个或更多个另外的伪层或伪元件的辅助结构201位于第二介电膜4a上或第二介电膜4a内，从而使得所述两个温度感测元件在其附近具有类似的结构(即，相邻结构)，并且所述两个带有其相应的嵌入结构的膜从机械和热质量的角度来说看起来是相同的。例如，辅助结构201可以具有与加热元件2相同的尺寸、形状和材料。然而，第二膜中的伪元件201不连接到任何电信号，因此被电气地隔离。该流体传感器的优点在于：所述两个温度感测元件3、8在其特性(包括应力或变形)方面非常良好地匹配(它们都在相同的膜上，它们在它们周围具有类似的相邻结构)。此外，所述两个感测元件经受类似的机械应力分布，因此可以去除诸如环境压力或振动的共模效应。
图13、图14(a)和图14(b)示出了热导率流体传感器的半导体衬底11a内的被蚀刻区域。在图13中，被蚀刻区域具有倾斜的侧壁，这可以通过使用KOH或TMAH蚀刻来实现。这种蚀刻方法更便宜，但是需要更大的芯片面积。
图14(a)和图14(b)示出了热导率流体传感器，其中被蚀刻区域不延伸穿过整个半导体衬底11。这可以通过从衬底的正面蚀刻来实现。该过程导致由介电梁支撑的膜或桥结构。这导致传感器具有较低的热功率损耗，但与图13的传感器相比也具有较低的机械稳健性。
在图14a中，蚀刻被实施使得其在半导体衬底11的晶面处停止，从而产生具有三角形轮廓的被蚀刻区域。在图14b中，蚀刻是各向同性的，从而导致被蚀刻区域具有圆形轮廓。在图14c中，实施类似于图14a的蚀刻，因为它停止在半导体衬底11的晶面处，但是蚀刻工艺的停止点也被控制(例如通过定时)，以使得它完全蚀刻，从而导致被蚀刻区域具有梯形轮廓。
图15示出了热导率传感器设计的俯视图，其中第一热检测器元件3和第二热检测器元件8两者都位于同一介电膜4上或同一介电膜4内。加热元件2和第二温度检测器元件8都位于两个狭槽式的凹陷区域12之间。第一温度检测器元件3通过狭槽式的凹陷区域12中的一个与第一温度检测器元件8和加热元件2热隔离。在该配置中，加热器元件2和第二热检测器元件8在传感器的操作期间处于基本相同的温度，而第一热检测器元件3处于不同的温度，并且更接近环境温度。
图16a和图16b示出了各自包括膜的阵列的两个热导率流体传感器的俯视图。
在图16a中，存在三个介电膜4，并且来自每个膜的加热器2和热检测器元件3、8串联连接。每个加热元件2串联连接，每个第一温度感测元件3串联连接，并且每个第二温度感测元件8串联连接。如果该系统针对加热器2和热检测器元件3、8在恒定电流模式下进行操作，则差分电压信号将更高。在该具有三个膜和对应的加热元件和温度感测元件的示例中，与具有单个介电膜的传感器(该单个介电膜具有单个加热元件以及第一和第二温度检测元件)相比，差分电压信号将乘以三。这作为示例给出，但是在流体传感器内也可以使用更多或更少数量的膜。
图16b示出了包括4个膜的另一热导率流体传感器，但是每个膜中的元件被分开地连接到接合焊盘。这允许在传感器的设计和使用中具有更大的灵活性。四个加热器2可以例如在不同的温度下或以不同的驱动模式单独驱动。替代地，加热元件2可以以类似于图16a的方式在外部被串联连接以增加输出信号。
图17示出了热导率流体传感器的横截面，其中存在覆盖物25，覆盖物25在介电层10的介电膜上方形成非常薄的流体通道26。穿过覆盖层25的一个或更多个孔30允许各种浓度的流体扩散或流入流体通道区域26。薄通道26增加了从加热元件2到流体(从膜4到覆盖物25)的热损失，因为通过流体传递的热仅需要从加热元件2行进较小的距离到达覆盖物25，增加了通过流体的热损失的量。在没有覆盖物25的实施例中，热需要行进更大的距离到达最近的固体表面(其可以是芯片表面，因为传热不需要在直线上)。因此，覆盖物25增加了装置的灵敏度。覆盖物25可以是通过晶片接合(wafer bonding)而接合的半导体。它也可以是玻璃或塑料。
图18示出了以倒装芯片方法被封装的热导率流体传感器的横截面。焊球36形成到印刷电路板(PCB)35的电连接。这也在介电层10的膜和PCB 35之间形成薄通道26，从而允许装置对流体浓度的灵敏度的增加，类似于图18中的装置那样。
图19示出了热导率流体传感器的俯视图，其中电阻式温度传感器3、8具有弯折形状。特别地，第二电阻式温度传感器8被配置成使得第二电阻式温度传感器8的线元件环绕加热器2的接合焊盘中的一个接合焊盘，并且第二电阻式温度传感器8具有位于加热器2的另一个接合焊盘的任一侧的两个接合焊盘。这意味着第二温度感测元件8可以制作在单层中，并且优选地位于与加热器2相同的材料层内。在该配置中，第一电阻式温度传感器3是与第二电阻式温度传感器8的形状相同的形状，但是位于膜区域4的外部。
图20示出了由流体传感器测量的热导率如何随着空气、二氧化碳、氢气和甲烷的气体的温度而变化。该图示出了对于不同的气体组成，气体热导率的温度依赖性是不同的。这意味着加热器可以在最佳温度下使用，以使装置对不同气体敏感。除此之外，插图示出了空气和二氧化碳具有相同热导率值的温度的详细视图。这对于装置选择性可以是有利的，并且多个加热器温度可以用于帮助识别或忽略某些气体(例如，在二氧化碳和空气相同的温度下运行装置消除了对空气中的二氧化碳的任何响应)。
图21a示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的示例电路。该电路可以与上述具有加热器2以及第一温度感测元件3和第二温度感测元件8的任何传感器结合使用。加热器2由电流源驱动。第一电阻式温度传感器3和第二电阻式温度传感器8连同两个附加的电阻器40和41一起位于惠斯通电桥的侧部。电桥的一侧(在第一电阻式温度传感器3和第二电阻式温度传感器8之间)连接到参考电压50，而另一侧60接地。差分放大器55测量惠斯通电桥的两个支路之间的差分电压。
加热器2可以利用恒定电流驱动。当目标气体的浓度改变时，加热器2的温度以及因此第二电阻式温度传感器8的温度和电阻然后将改变。这将改变惠斯通电桥的所述两个臂之间的差分电压并且可以被检测到。可以在标准环境中校准电路(例如，其中不存在目标气体)以知道标称或校准的差分电压是什么。偏离该校准差分电压指示目标气体的存在。
优选地，选择电阻器40和41使得放大器55在正常被校准的条件下输出零电压(例如，空气中0ppm的目标气体，或者在目标气体是二氧化碳的情况下，则在空气中400ppm的二氧化碳)。电阻器40和41可以在装置的校准期间被微调。如果没有以这种方式选择电阻器40和41，则可以校准它们以知道在校准条件下差分电压将是什么。
驱动流体传感器的另一种方式是控制通过加热器2的电流，以使得惠斯通电桥两端的差分电压总是恒定的。在这种情况下，可以测量加热器2内所需的电流的变化以指示目标气体的存在。
图21b示出惠斯通电桥的另一布置，其中电阻器3和40被交换。除此以外，电桥的许多其他布置也是可行的。
图21c示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自流体传感器的输出的电路的示例，其包括串联连接的温度传感器元件和加热器、以及膜阵列。该电路可以与图17a和图17b中所示的任一传感器结合使用。图22b的惠斯通电桥配置可以以与关于图22a描述的方式类似的方式使用。以这种方式连接的装置由于增加的电压变化可以放大灵敏度。
图22示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的示例电路。加热器2以及第一电阻式温度传感器3和第二电阻式温度传感器8各自由它们自己的单独的电流源45、46、47驱动。优选地，首先在标准的预定环境中校准流体传感器，并且调节电流源46和47，以使得来自差分放大器55的输出为零。在操作期间，以校准的电流水平驱动电流源46和47，并且差分放大器55的输出与零的偏差指示目标气体的存在。
图23示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的另一电路，其具有类似于图21的惠斯通电桥。然而，加热器2由电压源VHTR驱动。另外，具有第一电阻式温度传感器3的惠斯通电桥的臂还具有与第一电阻式温度传感器3串联的可变电阻器44。第一电阻式温度传感器3和第二电阻式温度传感器8在加热器操作期间可以具有不同的电阻，但是在校准期间，可以调整可变电阻器44，以使得来自差分放大器55的输出为零。可变电阻器44可以手动或电子调节。
图24示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的另一电路，然而电桥的每一侧具有不同的供电电压。一侧保持恒定在VREF，而另一侧保持在可调电压VBAL。在校准期间，可以调整VBAL，以使得差分放大器55给出零伏特的输出。该VBAL值然后可以存储在传感器的固件或软件中。然后，每当设备被操作时，施加该VBAL值，并且差分放大器输出与零的偏差指示目标气体的存在和浓度。在替代配置中，可在操作期间控制VBAL以将输出信号保持在零，且可测量所需VBAL值的改变以指示气体的存在。
图25示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的另一电路，其包括具有类似于图23的可变电阻器44的惠斯通电桥，但是使用电流源来驱动加热器。
图26示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的另一电路。第一电阻式温度传感器3和第二电阻式温度传感器8都在惠斯通电桥的底侧。此外，包括第一电阻式温度感测元件3的分支还具有与第一电阻式温度感测元件3串联的场效应晶体管(FET)65。FET 65类似于图25的可变电阻器，然而这可以被以电子方式控制，从而允许在不需要人工干预的情况下校准。
图27示出了对图24所示的惠斯通电桥进行平衡的方法中的步骤。该方法使用固定次数的迭代。计数器被设置为迭代的最大次数。在每次迭代时，计数器减少1。如果计数器的值为负，则将当前VBAL值设置为平衡电压。否则，检查来自差分放大器的输出。如果输出为正，则增加VBAL值，否则减小VBAL值。
该方法可以以两种方式使用。它可以用于校准流体传感器以确定标准环境下所需的平衡电压。替代地，它可以在流体传感器的操作期间用于保持惠斯通电桥平衡，并且可以测量VBAL值以确定气体的存在和浓度。
也可以使用其他类似的方法或算法；例如，计数到最大迭代次数，或执行迭代直到来自差分放大器的绝对输出在所需范围内，或上述方法的混合。
图28示出了热导率流体传感器的俯视图，其中在芯片上并且在介电膜4外部存在附加的温度感测元件75。该附加的温度感测元件75可用于补偿环境温度变化的影响。由于流体传感器的差分测量方法，环境温度变化的大多数影响将被抵消。然而，使用温度感测元件75补偿环境温度变化将进一步提高准确度。图中所示的附加的温度感测元件75是电阻式温度传感器。然而，它也可以是二极管、晶体管或标准温度测量电路，诸如iptat或vptat电路。
图29a示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的另一电路，其中单个电阻器2被用作加热器和第二电阻式温度感测元件，类似于图1所示的传感器。在该传感器中，存在具有两侧的桥电路。一侧具有第一电阻式温度感测元件3和附加的电阻器41。另一侧包括加热电阻器2和另外的附加的电阻器40，其中电阻器40理想地与电阻器41相同。当使用电阻器2来测量感测时，来自电流源45的电流流过电阻器2和40。在差分放大器55的输出处的信号将取决于电阻器2的温度。当使用电阻器2进行加热时，开关70闭合，从而允许更大的电流流。
图29b示出了PWM(脉冲宽度调制)波形，其将图29a的加热器中的电流和/或电压与时间一起示出。脉冲具有高频，以使得在脉冲加热器的“关闭”模式期间加热器温度几乎没有变化。在“关闭”模式期间，可以测量加热器的电阻以确定加热器温度，并且可以使用加热元件的温度与第一温度感测元件的温度之间的差分信号来确定传感器中的流体的热导率。通过断开和闭合开关70，该方法可以用于加热器也用作第二电阻式温度检测器元件的情况，如图29a所示。
图30示出了热导率流体传感器的俯视图，其中除了第一温度检测器元件3和第二温度检测器元件8之外，还有两个附加的温度检测器元件3A、8A。温度感测元件8和8A都在介电膜4上或介电膜4内并且紧邻加热器2，而温度感测元件3和3A在膜区域4的外部。
图31示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自图31所示的热导率流体传感器的输出的电路。膜上的第二温度检测器元件8、8A被放置在惠斯通电桥的相反侧。类似地，在膜区域外部的两个第一温度检测器元件3、3A也被放置在彼此相反的侧。这种配置使热导率传感器的灵敏度加倍。
图32示出了热导率流体传感器的俯视图，该热导率流体传感器包括加热器2和第二温度检测器元件8的任一侧的两个附加的电阻元件100。这允许装置不仅用作热导率传感器，而且用作流量传感器。所述一对电阻元件100中的一个电阻元件位于加热元件2的上游，并且所述一对电阻元件100中的另一个电阻元件位于加热元件2的下游。加热元件2沿基本上垂直于通过传感器的流动方向的方向延伸。当流体经过膜4的顶部时，加热器2由于热对流损失而冷却。在存在流动的情况下，下游感测元件比上游感测元件经受更高的温度。所述一对电阻元件100之间的温度差随着流量(或流速)而增加。在存在流体流动的情况下，取决于流体流动的速度和方向，在所述两个附加的电阻元件100之间将存在电阻差异。虽然示出为电阻元件，但是用于流量感测的所述两个附加的元件100可以基于其他温度检测原理，诸如基于二极管的温度检测器或热电堆温度检测器。
图33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10和介电区域或层11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34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35示出了另一热导率流体传感器组件的横截面。与图33和34所示的传感器组件相比，盖102具有两个端口，一个作为输入端口106，一个作为输出端口107。
图36示出了用于驱动热导率流体传感器并测量来自传感器的输出的另一电路。存在用于控制加热器2的电路模块80。来自仪表放大器55的输出是进入加热器控制器件80的反馈回路的一部分。加热器2然后可以被控制以使得其将仪表放大器55的输出保持在零电压。然后加热器2所需的偏置或控制信号被用来确定流体传感器内气体的存在和浓度。
图37示出了示例热导率流体传感器的俯视图和横截面。在该示例中，存在两个介电膜，第一膜4和第二膜4a。两个膜都具有相同的加热器2和2a，它们也可以被配置为用作温度传感器。在芯片上存在形成结构203、203a和202的附加的层200。层200优选地由热导率高于介电膜4、4a的材料制成。结构203位于第一膜4上方，并且是圆形，或是板状，其大于第一膜内的加热器2的尺寸。结构203a位于第二膜4a上方，并且形成与加热器2a相同或相似尺寸的圆形或板。应当理解，结构203和203a不必是圆形的，并且可以是诸如矩形的任何其他形状。然而，在一些实施方式中，与其他结构形状相比，圆形结构203、203a可以提供更均匀的热分布和/或增强的机械稳定性。结构202位于芯片上方，但是在接合焊盘6和膜4、膜4a的一些区域上方不存在。如图所示，结构202的边缘可以与第一膜区域4的边缘大致对准，但是结构202不在第一膜区域4上方延伸。然而，结构202确实在第二膜4a区域上方延伸，在第二膜4a的中部留下未被覆盖的圆形部分。
此构造可被配置成使得加热器2和2a两者的功率消耗对于给定温度是相同或大致相同的。然而，对于加热器2、2a中的每一个，与通过膜4、4a的功率损耗相比，到空气或其他流体的功率损耗的比率可以不同。因此，当存在诸如目标气体的目标流体时，两个加热器可以给出不同的响应，并且它们之间的差分信号(例如，使用加热器2、2a作为温度传感器)因此可以用于确定目标气体的浓度或组成。
图38示出了用于测量图37所示的热导率流体传感器的示例电路。在该电路中，惠斯通电桥被与连接在电路中的加热器2和2a以及两个固定的电阻器40和41一起使用。在电桥的两个臂之间测量的差分电压可以用于确定目标气体的浓度。
图39示出了另一热导率流体传感器的俯视图。在该实施方式中，存在单个介电膜4，该单个介电膜4具有主动加热器2。主动加热器2还可以被配置为用作温度传感器。第一温度传感器3被放置在主动加热器2和介电膜4的边缘之间。细长的狭槽12可以可选地在与第一温度传感器的相反的侧靠近加热器放置。第二温度传感器8放置在半导体芯片1上、在介电膜4的外部。
在该实施方式中，第一温度传感器3的温度可以是主动加热器2的温度和第二温度传感器8的温度的差的固定的部分。由于该比是固定的，因此使用加热器2的电阻和第二温度传感器8的电阻以及与第一温度传感器3的电阻进行比较的所述固定的比可以在电路5中构建参考。所构建的参考与来自第一温度传感器的信号之间的差可以用于确定目标气体的浓度。
图40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41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12外都是相同的。膜4a没有孔。两个膜具有相同的加热器2和2a以及感测元件3和3a。热导率流体传感器位于封装8的基底上，其中膜4和膜4a下方的腔210和腔210a都被密封。这样的构造可以被设计成使得感测元件3a(其仅在膜4a的一侧暴露于气体)可以用作感测元件3(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42示出了用于测量诸如图41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45和45a分别与加热器2和2a一起使用。两个电流源可以独立地产生方波信号，如图42a所示，所述方波信号具有可调节的强度和频率。跨加热器2和2a测量的差分电压信号然后通过锁相放大器(lock-in amplifier)55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43示出了用于测量诸如图41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45和45a分别与加热器2和2a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43a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43a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45示出了图44中给出的电路的变型。在该电路中，感测元件3和3a串联连接并且由单个可逆的DC电流源46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46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，可以进一步显著改善这些图。
图47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(branches)具有主动传感器，和/或一些分支具有固定电阻器。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48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48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。信号的频率成分(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。
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 电阻式加热元件
2A 附加的加热元件
3 第一温度感测元件
3A 附加的第一温度感测元件
4 介电膜
4a 第二介电膜
5 电路
6 接合焊盘
7 迹线
8 第二温度感测元件
8A 附加的第二温度感测元件
9 迹线
10 介电层
11 半导体衬底
12 细长的狭槽
13 孔
20 连接元件
25 覆盖层
26 膜上方的流体通道
30 穿过覆盖层的孔
35 印刷电路板
36 焊球
40、41 附加的电阻器
42、43 附加的电阻器
44 可变电阻器
45、45a、46、46a、47 电流源
50 参考电压
55 差分放大器
60 接地
65 场效应晶体管
70 开关
75 环境温度感测元件
80 加热器控制器件
100 一对温度感测元件
101 封装基底
102 封装盖
103 ASIC
104、105 线接合
106 入口
107 出口
108 穿过封装盖的孔
110 盖
200 附加的层
201 伪元件
202、203、203a 附加的结构
210、210a： 衬底的被蚀刻部分
301 控制电路
302 (一个或多个)传感器
303 读出电路
305、306、307、308 开关晶体管

Claims (35)

1.一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；
加热元件，所述加热元件位于所述第一介电膜内；以及
第一温度感测元件，所述第一温度感测元件与所述加热元件在空间上分离，其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜的外部并且位于所述半导体衬底之上，或者其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，并且其中，所述流体传感器包括在所述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所述加热元件与所述第一温度感测元件热隔离，
其中，所述加热元件还被配置为作为第二温度感测元件进行操作，并且其中，所述第二温度感测元件和所述第一温度感测元件之间的分离在所述加热元件和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和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；
加热元件，所述加热元件位于所述第一介电膜内；
第一温度感测元件，所述第一温度感测元件与所述加热元件在空间上分离，其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜的外部并且位于所述半导体衬底之上，或者
其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，并且其中，所述流体传感器包括在所述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所述加热元件与所述第一温度感测元件热隔离；以及
第二温度感测元件，所述第二温度感测元件位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，其中，所述第二温度感测元件在形状和尺寸方面与所述第一温度感测元件是基本上相同的，并且
其中，所述第二温度感测元件和所述第一温度感测元件之间的分开在所述第二温度感测元件和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和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所述组成。
3.一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和第二被蚀刻部分，其中，所述第一被蚀刻部分和所述第二被蚀刻部分在尺寸和形状方面是基本上相同的；
介电区域，所述介电区域位于所述半导体衬底上，其中，所述介电区域包括第一介电膜和第二介电膜，所述第一介电膜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，所述第二介电膜被定位成覆盖在所述半导体衬底的所述第二被蚀刻部分之上；
单个主动加热元件，其中，所述主动加热元件仅位于所述第一介电膜内；
第一温度感测元件，所述第一温度感测元件位于所述第二介电膜内；以及
第二温度感测元件，所述第二温度感测元件位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，其中，所述第二温度感测元件在形状和尺寸方面与所述第一温度感测元件是基本上相同的，并且
其中，所述第二温度感测元件和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和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和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所述组成。
4.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二温度感测元件都位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，并且其中，所述流体传感器包括在所述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所述加热元件和所述第二温度感测元件与所述第一温度感测元件热隔离。
5.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述第二温度感测元件与所述加热元件位于所述介电区域的同一层中，并且其中，所述第二温度感测元件侧向地环绕所述加热元件，或者
其中，所述第二温度感测元件位于所述加热元件的下方或上方。
6.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被配置为在室温下具有比所述第二温度感测元件在室温下的电阻更高的电阻，并且其中，所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件被配置为在不存在流体的情况下在所述传感器的操作温度下具有基本上相同的电阻。
7.根据权利要求1所述的流体传感器，其中，所述加热元件是电阻式加热元件；和/或，其中，所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件中的至少一者是电阻式温度感测元件。
8.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所述差分信号确定所述流体的所述浓度或所述组成；并且可选地，其中，所述电路可以与所述流体传感器位于同一芯片上。
9.根据权利要求8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，
恒定电流源或交流源，
惠斯通电桥，
放大器，模数转换器，
数模转换器，或
微控制器。
10.根据权利要求8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。
11.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，所述介电层包括附加的介电膜，所述附加的介电膜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，并且
其中，所述传感器还包括：
附加的加热元件，所述附加的加热元件位于所述附加的介电膜内；以及
附加的第一温度感测元件；并且
可选地，其中，所述加热元件和所述附加的加热元件串联连接，和/或
其中，所述附加的第一温度感测元件和所述第一温度感测元件串联连接；并且
可选地，其中，所述加热元件和所述附加的加热元件被配置为在不同的温度下进行操作。
12.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所述介电膜上方的流体通道。
13.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的另外的温度感测元件。
14.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附加的第一温度感测元件和附加的第二温度感测元件，所述附加的第一温度感测元件在所述膜区域的外部，所述附加的第二温度感测元件位于所述介电膜区域上或所述介电膜区域内。
15.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位于所述加热元件的第一侧，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加热元件的第二侧。
16.根据权利要求3所述的流体传感器，其中，所述传感器还包括位于所述第二介电膜内的辅助结构，其中，所述辅助结构被电隔离，并且
其中，所述辅助结构被配置为使得所述第一介电膜和所述第二介电膜具有相同的机械和热应力性质。
17.一种传感器组件，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)。
18.一种传感器组件，包括：
流量传感器壳体；以及
根据权利要求1所述的传感器，所述传感器位于所述流量传感器壳体内。
19.一种传感器组件，包括根据权利要求1所述的流体传感器，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上。
20.一种使用根据权利要求1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：
向所述加热元件施加电偏置；以及
监测施加到所述加热元件的所述电偏置，并且使用施加到所述加热元件的所述电偏置的值和所述差分信号来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。
21.根据权利要求21所述的方法，其中，向所述加热元件施加电偏置包括施加电偏置，以使得所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件之间的所述差分信号被最小化。
22.根据权利要求21所述的方法，包括：
在脉冲模式或AC模式下驱动所述加热元件，以调制所述加热元件的温度，从而改变所述差分信号；以及
使用所述差分信号来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；以及，可选地
其中，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包括使用神经网络。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法包括：
对所述加热元件、所述第一温度感测元件或所述第二温度感测元件应用调制的函数；
测量所述第一温度感测元件和所述第二温度感测元件之间的所述差分信号的调幅度、时间延迟或相移；以及
使用测量到的调幅度、时间延迟或相移来确定所述流体的浓度或组成。
24.一种流体感测系统，包括：
根据权利要求1所述的流体传感器；以及
控制器，所述控制器被配置为执行根据权利要求20所述的方法。
25.一种制造根据权利要求1所述的流体传感器的方法，所述方法包括：
形成第一介电膜，所述第一介电膜被定位成覆盖在包括第一被蚀刻部分的半导体衬底的第一被蚀刻部分之上；
形成位于所述第一介电膜内的加热元件；
形成与所述加热元件在空间上分离的第一温度感测元件，其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜的外部并位于所述半导体衬底之上，或者，其中，所述第一温度感测元件位于所述第一介电膜上或所述第一介电膜内，并且其中，所述流体传感器包括在所述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所述加热元件与所述第一温度感测元件热隔离。
26.根据权利要求3所述的流体传感器，所述流体传感器包括仅位于所述第二膜内的第二主动加热元件。
27.根据权利要求26所述的流体传感器，所述流体传感器包括一个或更多个传导元件，所述一个或更多个传导元件位于所述第一介电膜和所述第二介电膜中的一者或两者之上，所述传导元件被布置成使得通过所述第二介电膜的传导性热损失大于通过所述第一介电膜的传导性热损失。
28.根据权利要求27所述的流体传感器，其中，所述第一介电膜和所述第二介电膜被配置为使得来自所述第一介电膜和所述第二介电膜中的每一个的总热损失大致相等，以使得所述第一主动加热元件和所述第二主动加热元件之间的差分信号基于所述空气混合物的热导率指示所述空气混合物的所述浓度或所述组成。
29.根据权利要求28所述的流体传感器，包括：
第一热扩散器，所述第一热扩散器被定位成覆盖在所述第一加热元件之上，其中，所述第一热扩散器的边缘延伸超过所述第一加热元件的边缘；以及
第二热扩散器，所述第二热扩散器被定位成覆盖在所述第二加热元件之上，其中，所述第二热扩散器的边缘与所述第二加热元件的边缘大致对准。
30.根据权利要求11所述的流体传感器，其中：
所述第一被蚀刻部分和第二被蚀刻部分形成密封区域；并且
所述第一介电膜和第二介电膜中的一者包括一个或更多个孔，所述一个或更多个孔使相应的所述被蚀刻部分的所述密封区域经由所述一个或更多个孔而暴露于所述流体，以使得能够基于所述第一温度感测元件和所述附加的第一温度感测元件之间的差分信号确定所述流体的所述浓度或所述组成。
31.根据权利要求21所述的方法，包括：
在AC模式下驱动所述加热元件以调制所述加热元件的温度，从而改变所述差分信号；
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所述浓度。
32.根据权利要求21所述的方法，包括：
在可逆电流DC模式下驱动所述加热元件或与所述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。
33.根据权利要求21所述的方法，
通过具有交替极性的一个或更多个电流源来驱动所述加热元件；以及
基于基于两点或三点DC逆向的技术来监测所述差分信号；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，其中，所述加热元件被驱动。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述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加热元件或所述感测元件的端子中的电流的方向。
35.根据权利要求1所述的流体传感器，所述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成分确定存在的一种或更多种气体的浓度和类型。
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