专利名称：具有热隔离孔的传感器桥的制作方法
技术领域：
本公开一般地涉及具有被支撑在基板上的传感器桥的传感器，更具体的，涉及用于增加传感器桥与基板间热隔离的方法和构造。
背景技术：
若干类型的传感器，例如流量传感器以及其它类型的传感器，包括被支撑在基板上的传感器桥。这些传感器可被使用在广泛的应用中，例如包括，医疗应用、工业过程应用、 商业应用、军事应用、燃烧控制应用、飞行控制应用、实验室应用、天气监测应用以及其它应用。在某些情况下，这些传感器可包括位于传感器桥上的加热器和/或一个或多个热传感器。
发明内容
本公开一般地涉及具有被支撑在基板上的传感器桥的传感器。根据本公开的内容，为了有助于增加灵敏度和/或动态范围、减少能量损耗、和/或另外地提高传感器工作特性，可在传感器桥上提供一个或多个孔，这有助于传感器桥与基板间的热隔离。在一个说明性的实施例中，公开了一种用来感测流体流的流量的流量传感器。虽然此处使用的流量传感器作为主要实例，应该了解的是，本公开可应用于其它类型的传感器，以及特别是包括被支撑在基板上的传感器桥的其它类型传感器。说明性的流量传感器可具有悬置在基板上的桥，其中基板具有上表面，以及从上表面延伸入基板内的凹陷。凹陷可具有上游侧、下游侧、第一侧边以及第二侧边。在流量传感器使用期间，流体流可从上游侧流向下游侧。在这个例子中，流量传感器的桥可跨过凹陷从第一侧边延伸至第二侧边。流量传感器可包括在所述桥上提供的加热元件、在所述桥上提供的邻近所述加热元件上游侧的第一传感元件、以及在所述桥上提供的邻近所述加热元件下游侧的第二传感元件。多个孔可延伸穿过所述桥。所述多个孔可布置在邻近所述凹陷的所述第一侧边和 /或所述第二侧边的间隔位置处。在某些情况下，流量传感器可包括多个孔，该多个孔延伸穿过所述桥并被布置在所述凹陷的第一侧边和第二侧边之间的间隔位置处，并被布置在加热元件和第一传感元件和/或第二传感元件之间。在某些情况下，所述多个孔可以以线性阵列(规则的或不规则的)被布置在间隔位置处。所述多个孔可以是基本上圆的、椭圆的、 矩形的和/或任何其它合适的形状。提供了前述的概要是为了方便理解本公开特有的某些创新特征，并且不是为了作为完全的描述。本公开的完整理解可通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为整体来得到。
本公开可通过结合附图考虑各个说明性实施例的随后描述而被更完整地理解，其图I是用于测量流体流中流体的流体流速的流量传感器的说明性实施例的示意 阅;
图的示意图
图
图
具体实施例应当参考附图理解以下的描述，其中在贯穿若干附图中的相同附图标记指示相同的元件。详细描述和附图展示了旨在从本质上描述的若干实施例。图I是用于测量流体流12中流体14的流体流速的说明性的流量传感器10的示意图。此处所用术语“流体”根据不同的应用指的是气流或液体流。并且，虽然此处使用的流量传感器作为主要例子，应该了解的是，本公开可应用于其它类型传感器，以及特别是那些包括被支撑在基板上的传感器桥的其它类型传感器。在图I的说明性实施例中，流量传感器10被布置在流体流12中或邻近流体流12， 以测量流体和/或流体流动14的一个或多个属性(例如热导率)。例如，流量传感器10可根据需要，使用一个或多个热传感器(例如参见如图2)、压力传感器、声传感器，光传感器、皮托管、和/或其它任何适合的传感器或传感器组合，来测量流体流动14的质量流量和/或速度。在一些情况下，流量传感器10可以是微传感器，例如微桥或可从本申请的受让人处获得的Microbrck 传感器组件，但这不是必须的。一些适用于测量流体流动14的质量流量和/或速度的说明性方法和传感器配置已被公开，例如在文献号为4，478，076 ;4，478，077 ； 4，501，144 ;4，581，928 ;4，651，564 ;4，683，159 ;4，994，035 ;5，050，429 ;6，169，965 ； 6，223，593 ;6，234，016 ;以及6，502，459的美国专利中。不过，必须认识到，根据需要该说明性的流量传感器10可以是任何适合的流量传感器。在说明性的例子中，流体流12可具有一定范围的流体流动14的流速。例如，流体流12可包括高容积流体流动、中容积流体流动，或低容积流体流动。根据需要，举例的流体流动应用可包括，但不限于，婴儿和/或成人的呼吸计、流量计、速度计、飞行控制、工业过程流、燃烧控制、天气监测、以及任何其它适合的流体流动应用。转至图2，其是用于测量流体流12中流体流动14的流速的热流量传感器组件的说明性实施例的示意图。在图2的说明性实施例中，流量传感器组件可包括一个或多个加热元件，如加热元件16,以及一个或多个传感元件,如传感元件18和19。如所说明的,传感器组件包括加热元件16、放置在加热元件16上游的第一传感元件18、以及放置在加热元件 16下游的第二传感元件19。在所示的例子中，当流体流12中没有出现流体流动且加热元件16加热到比流体流动14中流体的环境温度高的温度时，可形成温度分布并且以关于加热元件16大体对称分布的方式向上游传感元件18和下游传感元件19 二者传递。在这个例子中，上游传感元件18和下游传感元件19可感测相同或相似的温度(例如在25%，10%， 5%,1%,0. 001%等之内)。当流体流动14出现在流体流12中并且加热元件16加热到比流体流动14中流体的环境温度高的温度时，对称的温度分布可被干扰并且干扰的总量可与流体流12中流体流动14的流速有关。流体流动14的流速可引起上游传感元件18比下游传感元件19感测到相对更低的温度。也就是说，流体流动14的流速可引起上游传感元件18和下游传感元件19之间的温度差，该温度差与流体流12中流体流动的流速有关。在另一个说明性实施例中，流体流动14的质量流量和/或速度可通过在加热元件 16中提供瞬时提高的温度条件来确定，该加热元件转而在流体流动14中引起瞬时提高的温度条件例如热脉冲)。当在流体流动14中存在非零流速时，上游传感元件18可晚于下游传感元件19接收瞬时响应。接着可以使用上游传感元件18和/或下游传感元件19之间的时间延迟，或者在加热器被激励的时间和相应的瞬时提高的高温条件(例如热脉冲)被传感器之一(例如下游传感器19)感测到的时间之间的时间延迟来计算流体流动14的流速。图3和图4分别是用于测量流体流动的流速的说明性的热流量传感器的截面的侧视图和俯视图。在说明性的实施例中，流量传感器可包括加热元件26、放置在加热元件26 上游的第一温度传感器22、以及放置在加热元件26下游的第二温度传感器24。在说明性的实施例中，提供基板20以支撑温度传感器22和24，以及加热元件26。基板20可包括典型的半导体材料，例如，硅，然而也可使用其他适合的材料。如图3所示，基板20可限定凹陷30，或在基板20上表面中形成的流体空间。凹陷 30可具有上游侧45、下游侧47、以及一个或多个侧边46和48(见图4)。在使用期间,流体流可从凹陷30的上游侧45向下游侧47流动。凹陷30可使用任何适合的微细加工技术来形成，该技术包括例如湿法蚀刻。然而，可根据需要使用其它适合的微细加工技术形成凹陷 30。在说明性实施例中，支撑构件32，例如传感器桥，可制作成被支撑在凹陷30上方并跨过凹陷30延伸，并且可以支撑温度传感器22和24和/或加热元件26。如图4所示， 传感器桥32可在凹陷30的第一侧边46和凹陷30的第二侧边48之间延伸，同时让凹陷 30的上游侧45和下游侧47打开以接收流体流。尽管支撑构件30被示出为被支撑在侧边 46和48的传感器桥，可想到的是，根据需要，支撑构件30可在凹陷30上以悬臂方式伸出 (cantiIiever)或被支撑在基板20上。在一些实施例中，温度传感器22和24可以是至少部分由感测电阻网格所限定的薄膜温度传感器。如图4所示，温度传感器22和24可被形成为由传感器桥32支撑的电阻迹线。在说明性实施例中，温度传感器22和24可包括任何适当的金属或金属合金膜。一个可使用的金属的例子是镍铁合金，有时被称为坡莫合金，其具有80%的镍和20%的铁的说明性的组成。但是，也可使用其它合适的成分。在一些情况下，传感器网格可以封装在电介质薄膜内，例如氮化硅Si3N4，包括层28和29(如图3所示)。但是，根据需要，也可使用其它合适的电介质材料。在一些实施例中，加热元件26可以是至少部分由加热电阻网格限定的薄膜加热器。如图4所示，加热元件26可被形成为由传感器桥32支撑的电阻迹线。然而，可想到的是，根据需要，加热元件26可以是包括如上述的网格样式的任何形状，或仅仅是线形。加热兀件26可由任何适当的金属或金属合金制成,例如钼、镍和镍铁合金。与温度传感器22和 24相似，如果需要，加热元件26也可以封装在电介质薄膜内，例如氮化硅Si3N4。在一些实施例中，支撑构件或传感器桥32可包括一个开口 50，开口 50形成在其中并且在开口 50的每一侧(上游和下游)上有半个加热器26。在一些情况下，开口 50可通过例如湿法蚀刻促进凹陷30的形成。如图4所示，加热器单元26可包括邻近凹陷30的侧边表面48的导电迹线60，以电连接在开口 50的每一侧上的加热元件26的电阻迹线。在一些情况下，可电连接至加热元件26的凹陷的侧边46附近提供导电迹线62和64，或者导线。在一个实例实施例中，温度传感器22和24以及加热元件26可被形成为具有约
O.08至O. 12微米的厚度，大约5微米量级的线宽，及5微米量级的线间间隔。然而，这些尺寸仅仅是说明性的，并且要想到的是可以根据需要使用其它厚度和宽度。在一些实施例中，运行时，当在流体流中没有出现流体流动且加热元件26被加热到比凹陷30中的流体流动中的流体的环境温度高的温度时，会产生温度分布并且以关于加热元件26大体对称分布的方式向上游传感元件22和下游传感元件24传递。在这个例子中，上游传感元件22和下游传感元件24可感测到相同或相似的温度(例如在25^,10%, 5%，1(%，0.001(%等之内)。当流体流动出现在凹陷30中，并且加热元件24被加热到比流体流动中流体的环境温度高的温度时，对称的温度分布会被干扰并且干扰的总量与穿过凹陷30的流体流动的流速有关。流体流动的流速可引起上游传感元件22比下游传感元件24 感测到相对更低的温度。也就是说，流体流动的流速可引起上游传感元件22和下游传感元件24之间的温度差，该温度差与流体流中流体流动的流速有关。然而，所想到的是，可以使用其它感测配置。在一些实施例中，加热元件26可以配置成以高于流体流环境温度大约100至几百摄氏度的平均温度而操作。当以高于环境温度200摄氏度的温度操作时，加热元件26所需的功率可少于O. 010瓦特。在说明性实施例中，支撑构件或传感器桥32可被形成为包括多个孔34，36，38， 40，42和44，这些孔延伸贯穿以有助于加热元件26与周围基板20和/或邻近的温度传感器22和24间的热隔离。这可有助于增加灵敏度和/或动态范围、减少能量损耗、和/或其他提高传感器的工作特性。例如，减少来自传感器桥32上的加热元件26的热损耗可减少流量传感器的功率损耗。同样，加热元件26与温度传感器22和24间的热隔离，和/或温度传感器22和24与基板20间的热隔离，可有助于增加传感器的灵敏度和/或动态范围。在一些实施例中，多个孔34，36，38和40可被布置在邻近凹陷30侧边46和/或 48的间隔位置处。当如此提供时，多个孔34，36，38和40可有助于在传感器桥32上提供的加热元件26和/或温度传感器22和24与周围基板20间的热隔离。如图4所示，多个孔 34，36，38和40可邻近侧边46和侧边48被布置，然而，所想到的是，根据需要，可仅提供邻近侧边46和/或48的多个孔34，36，38，和/或40中的某些。如所示的，多个孔34，36，38 和40可配置成在与流体流穿过凹陷的流体流动的方向基本平行的方向上。在某些情况下， 多个孔组34，36，38和40中的每组可考虑为孔阵列，该孔阵列具有大致沿凹陷30的第一侧边46和/或第二侧边48方向延伸的阵列长度。在某些情况下，孔34，36，38和40的阵列可以是规则阵列或不规则阵列，该阵列可按照沿着凹陷30的侧壁随蚀刻样式而蜿蜒。如图4所示，孔34和36可分别沿着温度传感器22和温度传感器24的长度(在流体流动的方向上)，邻近凹陷30的侧边48延伸。然而，所想到是，如果需要，孔34和36 可仅沿着温度传感器22和24的长度的一部分延伸。孔34被示为在形状上大致是矩形并且孔36被示为在形状上大致是椭圆形。然而，所想到的是，根据需要可使用其它形状。还想到的是，孔34和孔36可以是相同的(例如都是椭圆阵列)或不同的(如图4所示)。同样的，虽然如图所示的矩形孔34被显示为正方形，所想到的是，该拐角可以被弄圆。如图4 所示，一个孔34和四个孔36被提供为延伸穿过支撑构件或传感器桥32，然而，所想到的是， 根据需要可使用其它数量的孔34和36，例如2，3，4，5，6，7，8，9，10，或更多的孔。在某些情况下，如在36处所述的提供两个或更多个孔而不是如在34处所示的提供单个长孔，这不仅可有助于传感器桥32与基板20间的热隔离，还可沿孔36的长度(在流体流动的方向上)提供一些中间支撑。中间支撑可以是在传感器桥32与单个孔间的基板20之间。在一些应用中，所述中间支撑可增加传感器桥32的耐用性，并且在某些情况下， 可有助于将传感器桥32保持平面。如图4所示，孔38和40可分别沿着温度传感器22和温度传感器24的长度(在流体流动的方向上)，邻近凹陷的侧边46被间隔开。孔38被示为在形状上大致是圆形状，孔 40被示为在形状上大致是椭圆形，但是这些仅是说明性的，并且用来示出可被使用的变化。 也可根据需要使用其它形状。如所示，十一个孔38和两个孔40延伸穿过支撑构件32，然而，根据需要可以使用其它数量的孔，例如1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，13或者更多个孔。虽然孔34，36，38和40被示为不同形状和/或尺寸，所想到的是，根据需要，沿凹陷30的侧边46和48放置的孔34，36，38和40可形成为具有相同形状和/或尺寸，或者不同形状和尺寸。所想到的是，可使用任何形状和尺寸或形状与尺寸的组合，或者，换句话说， 根据需要，可混合及匹配孔34，36，38和40的配置。在一些实施例中，支撑构件或传感器桥32可形成为包括放置在加热元件26和温度传感器22和/或温度传感器24之间的多个孔42和44。孔42和44可有助于温度传感器22和/或温度传感器24与加热元件26间的热隔离。如图4所示，孔44可放置在温度传感器22和加热元件26之间，以及孔46可设置在温度传感器24和加热元件26之间。在某些情况下，孔44在形状上大致是矩形并且可延伸温度传感器22的宽度(在垂直于流体流动的方向上)。如所示的，孔42可包括一些在形状上大致为椭圆形的孔且其它孔在形状上大致为圆形，但这些仅是示例。孔42可配置成延伸温度传感器24的宽度(在垂直于流体流动方向上)。如所示的，仅示出一个孔44和二十二个孔42，然而，所想到的是，根据需要可提供其它数量的孔42和44。虽然孔42和44被示为不同的形状和/或尺寸，所想到的是孔42和44可形成为具有相同的形状和尺寸，或不同的形状和尺寸。所想到的是，根据需要可以使用任何形状和尺寸或形状与尺寸的组合，或者，换句话说，根据需要可混合以及匹配孔42和44。此外，所想到的是，根据需要可只提供孔34，36，38，40，42和44中的一些。如图4所示，当提供时，加热元件26的导电迹线62和64可被放置为在支撑构件 32上沿着凹陷的侧边46穿过孔38和40之间。类似的，导电迹线60可被配置成沿着凹陷 30的侧边48穿过孔34和38之间。尽管没有示出，所想到的是，一个或多个导电迹线，或导线，可被提供给温度传感器22和24，该一个或多个导电迹线或导线也可被放置为穿过两个或更多个孔34，36，38和/或40的之间。在一些实施例中，孔34，36，38，40，42和44根据需要可利用任何适当的微细加工技术来制造。一个示例制造工艺可包括提供(100)具有上表面的硅片20。在一些情况下，上表面可具有在低压气体放电环境下使用标准溅射技术沉积在上表面上的氮化硅层29。在一个例子中，层29的厚度可以是大约4000埃，然而也可以使用其它厚度。接下来，例如可以是80%的镍和20%铁的坡莫合金层可通过溅射或其它适当的技术沉积在氮化硅上。在一个例子中，坡莫合金的厚度可以是大约800埃，然而也可以使用其它厚度。温度传感器22 和24以及加热元件26可使用适合的光掩膜、光阻及适合的蚀刻剂来刻画。在某些情况下，氮化硅的第二层28可以是溅镀沉积的，以提供坡莫合金结构的完整阶梯覆盖，并使电阻元件免于氧化。在某些情况下，层28的厚度可以是大约4000埃，然而也可使用其它厚度。因而，在某些情况下，开口 50可被蚀刻穿过氮化物层至(100)硅表面。接下来，掩蔽层可沉积在层28上以限定凹陷30和孔34，36，38，40，42和/或44。可利用各向异性来蚀刻出硅从而在支撑构件32下面形成凹陷30，以及在支撑构件32中形成孔34，36，38，40， 42和/或44。在该说明性实施例中，孔34，36，38，40，42和44可与凹陷30 —样在相同的一个或多个加工步骤形成，然而，所想到的是，如果需要，孔34，36，38，40，42和44也可在单独的加工步骤中形成。一个合适的蚀刻剂是氢氧化钾(KOH)加异丙醇，然而，根据需要也可使用其它的蚀刻剂。凹陷30的深度可根据蚀刻步骤持续的时间长度来限定。在某些情况下，也可以使用例如掺硼层的掺杂硅蚀刻停止，来控制凹陷的深度，尽管这种停止不是必须的。已经如此描述了本公开的优选实施例，本领域技术人员可容易地理解在所附的权利要求的范围内还可做出和使用其它实施例。本文档所覆盖的本公开的众多优点已由前面的描述所阐明。然而，将被理解的是，本公开在很多方面都只是说明性的。在没有超出本公开范围的情况下，可在细节上，特别是在形状、尺寸和部件的布置方面作出改变。
权利要求
1.一种用于感测流体流(12)的流量的流量传感器(10)，所述流量传感器(10)包括基板(20)；桥，具有上游侧、下游侧、第一侧边和第二侧边，其中在流量传感器(10)使用期间，流体流(12)在从所述桥的上游侧向下游侧的方向上流动；所述桥在所述桥的上游侧和下游侧之间与基板(20)间隔，并且也在所述桥的第一侧边和第二侧边之间与基板(20)间隔，所述桥邻近所述桥的第一侧边和第二侧边由基板(20)所支撑；加热元件(26)，由所述桥支撑；第一传感元件(22)，邻近加热元件(26)由所述桥支撑；以及多个间隔的孔(34，36，38，40)，延伸穿过所述桥，所述多个间隔的孔(34，36，38，40)在与流体流(12)的流体流动(14)的方向基本平行的方向上彼此间隔。
2.权利要求I的所述流量传感器(10)，其中多个间隔的孔(34，36，38，40)沿着并且邻近所述桥的第一侧边被布置。
3.权利要求2的所述流量传感器(10)，其中多个间隔的孔(34，36，38，40)沿着并且邻近所述桥的第二侧边被布置。
4.权利要求I的所述流量传感器(10)，进一步包括多个孔(42，44)，延伸穿过所述桥并且被布置在凹陷(30)的第一侧边和第二侧边之间的间隔位置处，并且被布置在加热元件 (26)和第一传感元件(22)之间。
5.权利要求I的所述流量传感器(10)，进一步包括由所述桥支撑的第二传感元件(24)。
6.权利要求5的所述流量传感器(10)，进一步包括多个孔(42，44)，延伸穿过所述桥并且被布置在凹陷(30)的第一侧边和第二侧边之间的间隔位置处，并且被布置在加热元件(26)与第一和/或第二传感元件(22，24)之间。
7.权利要求I的所述流量传感器(10)，其中所述多个孔(34，36，38，40)被布置在线性阵列中的间隔位置处。
8.权利要求I的所述流量传感器(10)，其中所述多个孔(34，36，38，40)中的至少一些的形状基本上是圆形。
9.权利要求I的所述流量传感器(10)，其中所述多个孔(34，36，38，40)中的至少一些的形状基本上是椭圆形或矩形。
10.一种用于感测流体流(12)的流量的流量传感器(10)，所述流量传感器(10)包括基板(20)，具有上表面；凹陷(30)，从上表面延伸进入到基板(20)中，所述凹陷(30)具有上游侧、下游侧、第一侧边和第二侧边，其中在流量传感器(10)使用期间，流体流(12)从上游侧向下游侧流动；桥，跨过所述凹陷(30)从所述凹陷(30)的第一侧边延伸到第二侧边，所述桥邻近所述凹陷(30)的第一侧边和第二侧边由基板(20)所支撑；加热元件(26)，由所述桥支撑；传感元件，邻近所述加热元件(26)由所述桥所支撑；以及孔阵列(42)，延伸穿过所述桥，所述孔阵列(42)具有大致在从所述凹陷(30)的第一侧边向第二侧边的方向上延伸的阵列长度，所述孔阵列(42)进一步位于加热元件(26)和传感元件之间。
全文摘要
公开了一种具有被支撑在基板(20)上的传感器桥(32)的传感器。传感器桥(32)中提供了多个热隔离孔(34，36，38，40，42，44)以有助于增加传感器桥(32)与基板(20)之间的热隔离。在一个说明性实施例中，加热元件(26)、上游传感元件(22)、和/或下游传感元件(24)被提供在传感器桥(32)上。多个孔(34，36，38，40，42，44)可延伸穿过传感器桥(32)以使加热元件(26)、上游和/或下游传感元件(22，24)与基板(20)之间和/或彼此之间热隔离。在一个说明性实施例中，多个孔(34，36，38，40，42，44)可被提供在邻近传感器桥(32)的第一侧边、邻近传感器桥(32)的第二侧边、在加热元件(26)与上游传感元件(22)之间、和/或在加热元件(26)与下游传感元件(24)之间的间隔位置处。在某些情况下，多个孔(34，36，38，40，42，44)可基本上是圆的、椭圆的、矩形的和/或任何其它合适的形状。
文档编号G01F15/18GK102589634SQ20111046312
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月14日 优先权日2010年12月15日
发明者B·斯佩尔德里奇 申请人:霍尼韦尔国际公司