热式流量传感器及其制作方法与应用与流程

本发明涉及一种基于微细加工技术的热式流量传感器及其制作方法与应用，属于微细加工领域。

背景技术：

流量测量在能源、生物、汽车、航空航天、科研、工业过程控制等领域都有着极为广泛的应用，如能源领域的水、天然气、蒸汽和油品等常用的能源监测，生物技术中血液，尿液等监测。汽车发动机的进气量监测等领域，都使用着数量极其庞大的流量计，它们是能源管理、高效利用、经济核算不可缺少的工具，也是高效利用能源、实现节能降耗、减小环境污染、改进产品质量、提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。不同应用的流量计，其工作原理也不同，主要工作原理有力学原理、热学原理、声学原理、光学原理等。

热式流量计是在早期热线风速计的基础上发展起来的一种新型流量计，基于热学原理，即Thomas提出的“气体的放热量与吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论进行工作的，因其具有测量精度高，响应快等优点，目前已广泛应用于航空、航天、能源、医学、汽车工业以及天然气管道运输等行业。热式流量计可分为热线式流量计和热膜式流量计，其主要工作方式有恒温差式和恒流式，通过不同的信号控制与处理电路实现。

热线式流量计通常由感知空气流量的热敏丝(热线)和对进气温度进行修正的温度补偿热敏丝(冷线)构成，利用热线与空气之间的热传递进行质量流量测量。热线式流量计探头中的热线和冷线，跟处理电路中的两个精密电阻，通常构成惠斯通电桥进行工作。热线式流量计较传统流量计，可直接测得进气空气的质量流量，无需压力补偿等部件，具有进气阻力小、响应特性好、测量精度高等特点。但通常热线和冷线采用热敏电阻通过陶瓷或玻璃封装制作而成，这样的制作工艺使得其均匀性、一致性较差，成本较高，且批量生产较困难。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于利用现有的微细加工技术，提供一种更易批量化生产的、均匀性较高的热式流量传感器及其制作方法与应用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种热式流量传感器，它包括衬底、通过微细加工技术直接制作在衬底上的热敏电阻，位于衬底和热敏电阻之上并同衬底一起将热敏电阻包裹的钝化层，热敏电阻端部具有焊盘，钝化层具有使焊盘露出的引线孔，衬底所采用的材料为石英或玻璃。

进一步地，衬底的厚度为150μm～800μm。

进一步地，热敏电阻所采用的材料为金属膜、金属氮化物、金属硅化物、掺杂非晶硅、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、氧化钒中的一种或其中几种的复合材料，或P-Si/n-Si或Si/Al热电偶材料，或Si/GeSi超晶格，或PN结。

更进一步地，金属膜采用钼、钽、钛、钨、钴、镍、铁、铌、铪、铬、锆、铂中的一种或其中几种组成的复合材料。

更进一步地，金属氮化物为氮化钽、氮化钼、氮化钨、氮化钛中的任一种。

更进一步地，金属硅化物为硅化钨、硅化钼、硅化钴、硅化镍中的任一种。

进一步地，热敏电阻的厚度为0.15μm～1μm。

进一步地，钝化层为SiO_x、SiN_x、SiON中的一种或几种复合膜层。

进一步地，钝化层的厚度为0.2μm～2μm。

本发明还提供了另一种技术方案：一种上述的热式流量传感器的制作方法，包括以下步骤：

a.选用石英或玻璃作为衬底；

b.在衬底上生长热敏材料，并图形化形成所需的热敏电阻，热敏电阻具有焊盘；

c.生长钝化层；

d.刻蚀钝化层以形成引线孔，使热敏电阻的焊盘从引线孔露出。

本发明还提供了一种技术方案：一种上述的热式流量传感器和控制与处理电路的集成应用：将两片热式流量传感器和控制与处理电路单元通过绑线集成，将两片热式流量传感器长度方向相平行地封装在取样管道内，并使流量传感器长度方向与待测流体的流动方向相垂直，一片热式流量传感器位于待测流体的入口处，作为冷线，被定义为Rs，另一片热式流量传感器位于待测流体的出口处，作为热线，被定义为Rh，Rs和Rh与控制与处理电路单元中的电阻Ra和电阻Rb组成惠斯通电桥，来检测流体的质量流量。

由于采用了上述技术方案，本发明热式流量传感器及其制作方法与应用，具有如下优点：

1.采用石英或玻璃材料作为基底，由于其低热导特性，使制作出来的热式传感器响应灵敏度高；

2.采用微细加工工艺在石英或玻璃材料上加工，制作完成后同时充当了热敏电阻的封装材料，将热敏电阻包裹于其中，起到了保护热敏电阻的作用，因此无需进行专门封装，制作工艺简单，且微细加工技术可保证制作出的传感器均匀性好，一致性高；

3.采用微细加工技术进行加工，易于批量生产，成本低。

附图说明

附图1为本实施例中镂空热膜式流量传感器的立体结构示意图；

附图2为附图1中的AA’剖面结构示意图；

附图3为附图1中的BB’剖面结构示意图；

附图4为本实施例中热式流量传感器的制作方法的步骤a的结构示意图；

附图5为本实施例中热式流量传感器的制作方法的步骤b的结构示意图；

附图6为本实施例中热式流量传感器的制作方法的步骤c的结构示意图；

附图7为本实施例中热式流量传感器的制作方法的步骤d的结构示意图；

附图8为本实施例中热式流量传感器和控制与处理电路单元的集成电路结构示意图，其中，空心箭头表示待测流体的流动方向；

附图9为本实施例中热式流量传感器和控制与处理电路单元的集成电路原理图，其中A为检流计，空心箭头表示待测流体的流动方向。

图中标号为：

1、衬底；2、热敏电阻；3、钝化层；4、引线孔；5、焊盘；6、控制与处理电路单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。

参见附图1至附图3，本实施例中的热式流量传感器，衬底1、位于衬底1上的钝化层3、位于衬底1和钝化层3之间的热敏电阻2。

衬底1的厚度为150μm～800μm，所采用的材料为石英或玻璃。

热敏电阻2通过微细加工技术直接制作在衬底1上，热敏电阻2的形状可根据实际情况进行图形化，优选地，热敏电阻2的长度方向与热式流量传感器的长度方向相平行，附图1所示的本实施例中给出了一种热敏电阻的形状。热敏电阻2具有焊盘5，焊盘5位于热敏电阻2的两端部。热敏电阻2的厚度为0.15μm～1μm，所采用的材料为金属膜、金属氮化物、金属硅化物、掺杂非晶硅、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、氧化钒中的一种或其中几种的复合材料，或P-Si/n-Si或Si/Al等热电偶材料，或Si/GeSi超晶格，或PN结等。金属膜优选采用钼、钽、钛、钨、钴、镍、铁、铌、铪、铬、锆、铂中的一种或其中几种组成的复合材料。金属氮化物优选为氮化钽、氮化钼、氮化钨、氮化钛中的任一种。金属硅化物优选为硅化钨、硅化钼、硅化钴、硅化镍中的任一种。

钝化层3位于衬底1和热敏电阻2之上，并同衬底1一起将热敏电阻2包裹。钝化层3上刻蚀有引线孔4，以使热敏电阻2的焊盘5露出。本实施例中引线孔4为圆形孔。钝化层3的厚度为0.2μm～2μm，钝化层3为SiO_x、SiN_x、SiON中的一种或几种复合膜层。

参照附图4至附图7，一种上述的热式流量传感器的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

a.选用热导率低、电绝缘性高的石英或玻璃作为衬底，厚度优选为150μm到800μm，如附图4所示。

b.在衬底1上生长热敏材料，并图形化形成所需的热敏电阻2，厚度优选为0.15μm～1μm，所采用的材料优选为金属膜、金属氮化物、金属硅化物、掺杂非晶硅、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、氧化钒中的一种或其中几种的复合材料，或P-Si/n-Si或Si/Al等热电偶材料，或Si/GeSi超晶格，或PN结等。金属膜优选采用钼、钽、钛、钨、钴、镍、铁、铌、铪、铬、锆、铂中的一种或其中几种组成的复合材料。金属氮化物优选为氮化钽、氮化钼、氮化钨、氮化钛中的任一种。金属硅化物优选为硅化钨、硅化钼、硅化钴、硅化镍中的任一种。如附图5所示。热敏电阻2的形状可根据实际情况进行图形化，本实施例中附图1给出了一种热敏电阻的形状。热敏电阻2具有焊盘5，焊盘5位于热敏电阻2的两端部。

c.生长钝化层3，厚度优选介于0.2μm～2μm之间，钝化层材料优选为SiO_x、SiN_x、SiON中的一种或几种复合膜层。

d.刻蚀钝化层3以形成引线孔4，使热敏电阻2的焊盘5从引线孔4露出。引线孔4所刻蚀的位置对应焊盘5。本实施例中引线孔4为圆形孔。

参照附图8和附图9，一种上述的热式流量传感器和控制与处理电路的集成应用：将两片热式流量传感器和控制与处理电路单元6通过绑线集成，将两片热式流量传感器长度方向相平行地封装在取样管道内，并使流量传感器长度方向与待测流体的流动方向相垂直，一片热式流量传感器位于待测流体的入口处，作为冷线，被定义为Rs，另一片热式流量传感器位于待测流体的出口处，作为热线，被定义为Rh，Rs和Rh与控制与处理电路单元6中的精密电阻Ra和Rb组成惠斯通电桥，来检测流体的质量流量。

其原理为：冷线Rs用于感测待测流体的初始温度，并将信号传送到控制与处理电路单元6，控制与处理电路单元6控制热线Rh的温度始终高于待测流体初始温度的某一个定值，并保持该温差不变。当空气流过Rh时，Rh的温度降低，其电阻减小，电桥失去平衡。若要电桥恢复平衡，则要增加流过电阻Rh的电流，恢复Rh的温度和电阻值，加热电流通过精密电阻Ra两端的电压Uo相应增加,该电压的大小与流过电阻Rh流体的质量流量成正比,因此电压值的大小反映了待测流体的质量流量，从而实现了该传感器对待测流体质量流量的测量。

本热式流量传感器及其制作方法与应用，利用石英或玻璃作为衬底，在衬底上制作热敏电阻以及钝化层，形成新型的热敏探头。石英或玻璃在制作时作为衬底材料，同时制作完成后也充当了热敏电阻的封装材料，将热敏电阻包裹于其中，起到了保护热敏电阻的作用，因此无需进行专门封装，一方面使得制作工艺大大简化，另一方面消除了传统制作方法中的封装工艺造成的热敏电阻的均匀性问题，使得热敏电阻的均匀性有效提高。此外，采用石英或玻璃作为衬底，由于其低热导特性，使制作出来的热敏探头响应灵敏度高。采用微细加工技术进行制作，相对于传统的热线式流量计，本发明提出的流量传感器均匀性好，一致性高，探测灵敏度好，且易于批量生产，成本大大降低。

以上结合实施方式对本发明做了详细说明，只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限定本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。