专利名称：测热式微型流量传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及流体计量设备，特别是涉及一种测热式微型流量传感器。
背景技术：
随着科技的发展，传感器的微型化带来了快速的响应时间，低的功耗和对小流量精确测量的可能性，可满足在化工，医疗，环境检测，燃气计量等领域里精确测量小流量的需求。其中，热式流量传感器具有简单的机械结构和电路结构，是目前微型流量传感器的研究热点。
常用热式流量传感器主要分为风速计与测热式两种工作模式。与风速计相比，测热式模式工作的传感器具有对小流速良好的响应特性，并且可以判断流向，比较适合于气体小流量的精密测量。de Bree等人[1]采用复杂的后端电路，在传感器上同时实现测热式和风速计工作模式，以测热式作为低速下的工作模式，风速计作为高速下的工作模式，其中测热式工作段的测量上限为1000cm3/min，管道截面积100mm2。Rodrigues等人[2]采用微桥结构制作测热式传感器，测试管道直径为3mm，测量上限为500cm3/min。Sabaté等人[3]通过多组测温元件，将测量上限增人到8000cm3/min，管道截面积为7mm2。
目前微型测热式流量传感器普遍采用以氮化硅等材料制成的悬空结构为支撑结构。由于悬空结构在提高传感元件与衬底之间的绝热性能的同时，降低了传感器的强度以及抗压抗冲击的能力，该类传感器适宜工作在直径为毫米级与亚毫米级的微管道中，应用范围有待扩大。
发明内容
为了克服现有测热式微型流量传感器在结构上的不足，本实用新型的目的在于提供一种新型结构的测热式微型流量传感器，将传感器应用范围扩大到工业管道中的气体流量测量。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下方案1在单晶硅衬底上，自下至上依次设有二氧化硅绝热膜、含有加热元件和三个以上热电堆半导体电极构成的单晶硅膜、二氧化硅隔离层，热电堆金属电极、金属连线和焊点，氮化硅膜。
方案2可在方案1的基础上，在所述的单晶硅衬底中间还填充有具有绝热作用的硅胶填充物。
所述的热电堆半导体电极和其上方的热电堆金属电极共同组成热电堆。
所述的加热元件为单晶硅膜中形成的电阻器；加热元件和热电堆通过布置在单晶硅膜上的金属连线和焊点与外电路连接。
方案3在中间填充有具有绝热作用的硅胶填充物的单晶硅衬底上面，设有加热元件和三个以上热电堆半导体电极，热电堆半导体电极自下至上依次设有二氧化硅隔离层，热电堆金属电极、金属连线和焊点，氮化硅膜。
所述的热电堆半导体电极和其上方的热电堆金属电极共同组成热电堆。
所述的热电堆通过布置在单晶硅膜上的金属连线和焊点与外电路连接。本实用新型具有的有益效果是1、采用二氧化硅绝热膜或(和)被硅胶填充物填充的单晶硅衬底绝热结构，达到衬底绝热效果；2、采用在单晶硅膜中制作加热元件和热电堆，达到增大传感器表面横向热阻的效果；3、采用实心支撑结构代替悬空结构，增强了传感器的机械强度，从而扩大了传感器的使用范围；4、该结构表面为平面，没有任何凹坑或者凸起，因此能够最大程度保证传感器表面的流场不受干扰；5、采用表面淀积氮化硅的方法，增强传感器的抗腐蚀抗磨损能力；6、采用的加热元件位于传感器中央，工作时由外接直流电源供电，加热元件两端电压根据需要可在5-20V之间进行选择。在达到应用上的频率要求的同时，可按照需求使用一定频率的脉冲式直流供电，以达到节能的目的。
总之，本实用新型采用二氧化硅绝热膜/单晶硅衬底复合绝热结构实现了增强该类传感器的机械强度的目的，将它的应用范围从毫米或者亚毫米级管道扩大到工业级管道，使其可广泛应用于工业场合。由于该传感器为微型传感器，因此在提高灵敏度和响应速度，降低能耗，节约成本等方面较传统该类传感器有很大优势，该类特点也增大了它的使用范围。而由于其微小的体积以及传感器表面的平坦的结构，在测量流量时最大限度的降低了传感器对流场的干扰，使其能够更加准确的测定流量。
图1是本实用新型的结构原理俯视图；图2是第一个实施例图1的A1-A1剖面图；
图3是第一个实施例图1的A2-A2剖面图；图4是第一个实施例图1的B-B剖面图；图5是第二个实施例图1的A1-A1剖面图；图6是第二个实施例图1的A2-A2剖面图；图7是第二个实施例图1的B-B剖面图；图8是第三个实施例图1的A1-A1剖面图；图9是第三个实施例图1的A2-A2剖面图；图10是第三个实施例图1的B-B剖面图。
图中1、焊点，2、金属连线，3、热电堆，其中3.1为热电堆金属电极，3.2为热电堆半导体电极，4、加热元件，5、二氧化硅隔离层，6、氮化硅膜，7、单晶硅膜，8、二氧化硅绝热膜，9、单晶硅衬底，10、硅胶填充物。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型的第一个实施例如图1、图2、图3、图4所示，在单晶硅衬底9上，自下至上依次设有二氧化硅绝热膜8、含有加热元件4和三个以上热电堆半导体电极3.2构成的单晶硅膜7、二氧化硅隔离层5，热电堆金属电极3.1、金属连线2和焊点1，氮化硅膜6。
本实用新型的第二个实施例如图1、图5、图6、图7所示，所述的单晶硅衬底9中间还填充有具有绝热作用的硅胶填充物10。
在第一、二个实施例中，所述的热电堆半导体电极3.2和其上方的热电堆金属电极3.1共同组成热电堆3。
在第一、二个实施例中，所述的加热元件4为单晶硅膜7中形成的电阻器；加热元件4和热电堆3通过布置在单晶硅膜7上的金属连线2和焊点1与外电路连接。
本实用新型的第三个实施例如图1、图8、图9、图10所示，在中间填充有具有绝热作用的硅胶填充物10的单晶硅衬底9上面，设有加热元件和三个以上热电堆半导体电极3.2，热电堆半导体电极3.2自下至上依次设有二氧化硅隔离层5，热电堆金属电极3.1、金属连线2和焊点1，氮化硅膜6。
在第三个实施例中，所述的热电堆半导体电极3.2和其上方的热电堆金属电极3.1共同组成热电堆3。
在第三个实施例中，所述的热电堆3通过布置在单晶硅膜7上的金属连线2和焊点1与外电路连接。
本实用新型的工作原理如下本实用新型提供的一种测热式微型流量传感器在单晶硅膜7中形成加热元件4和热电堆半导体电极3.2，在单晶硅膜7上的金属膜中形成热电堆金属电极3.1以及传感器元件的金属连线2和焊点1。如图1所示，传感器安装完成后，热电堆3对称排列在加热元件4两侧，三者依次顺流方向布置在流道之中。工作时，加热元件4供电后产生热量。位于两侧的热电堆3分别输出由各自所测量的流场范围内的温度分布差异而产生的电压信号。再将这两个电压信号相减后作为最终输出的电压信号，由此实现测热式流量测量原理。
本实用新型提供的传感器在工作时，加热元件4产生的热量一部分被衬底带走，另一部分被流体带走。在加热器进行加热时，如何减少被衬底带走的热量份额以及如何保证传感器表面形成与周围流场温度分布一致的温度场是该类传感器的结构设计重点，也是本实用新型结构设计的关键。对于实施例1，衬底用二氧化硅绝热膜8达到绝热效果。同时，它含有的厚度低于2μm的单晶硅膜7或者多晶硅膜具有足够的绝热特性，从而保证了加热元件产生的热量更多的被流体带走，由此足以在传感器表面附近的流场建立起与流量相关的温度场分布。对于对衬底绝热要求更高的场合，实施例2设计的传感器具有厚度低于2μm的单晶硅膜7以及单晶硅膜所依附的实心的绝热衬底结构(包括二氧化硅绝热膜8，单晶硅衬底9和硅胶填充物10)，该结构在纵向绝热和横向绝热两方面都有很好的性能。足够的绝热特性保证了加热元件产生的热量更多的被流体带走，由此足以在传感器表面附近的流场建立起与流量相关的温度场分布。而其中足够的横向绝热性能又同时保证传感器表面形成与附近流场温度分布一致的温度分布，从而使热电堆3的输出真实反映流场的温度分布。
对于实施例3，衬底用含有硅胶填充物10的单晶硅衬底9代替实施例1中的二氧化硅绝热膜8达到绝热效果。该结构中，单晶硅衬底9在硅胶填充物10上方形成了薄膜结构，该薄膜结构属于单晶硅衬底，但是在传感器工作时，它起到与实施例1中的单晶硅膜同样的绝热效果。
权利要求1.测热式微型流量传感器，其特征在于在单晶硅衬底(9)上，自下至上依次设有二氧化硅绝热膜(8)、含有加热元件(4)和三个以上热电堆半导体电极(3.2)构成的单晶硅膜(7)、二氧化硅隔离层(5)，热电堆金属电极(3.1)、金属连线(2)和焊点(1)，氮化硅膜(6)。
2.根据权利要求1所述的测热式微型流量传感器，其特征在于所述的单晶硅衬底(9)中间还填充有具有绝热作用的硅胶填充物(10)。
3.根据权利要求1或2所述的测热式微型流量传感器，其特征在于所述的热电堆半导体电极(3.2)和其上方的热电堆金属电极(3.1)共同组成热电堆(3)。
4.根据权利要求1或2所述的测热式微型流量传感器，其特征在于所述的加热元件(4)为单晶硅膜(7)中形成的电阻器；加热元件(4)和热电堆(3)通过布置在单晶硅膜(7)上的金属连线(2)和焊点(1)与外电路连接。
5.测热式微型流量传感器，其特征在于在中间填充有具有绝热作用的硅胶填充物(10)的单晶硅衬底(9)上面，设有加热元件和三个以上热电堆半导体电极(3.2)，热电堆半导体电极(3.2)自下至上依次设有二氧化硅隔离层(5)，热电堆金属电极(3.1)、金属连线(2)和焊点(1)，氮化硅膜(6)。
6.根据权利要求5所述的测热式微型流量传感器，其特征在于所述的热电堆半导体电极(3.2)和其上方的热电堆金属电极(3.1)共同组成热电堆(3)。
7.根据权利要求6所述的测热式微型流量传感器，其特征在于所述的热电堆(3)通过布置在单晶硅膜(7)上的金属连线(2)和焊点(1)与外电路连接。
专利摘要本实用新型公开了测热式微型流量传感器。在单晶硅衬底上，自下至上依次设有二氧化硅绝热膜、含有加热元件和热电堆半导体电极构成的单晶硅膜、二氧化硅隔离层，热电堆金属电极、金属连线和焊点，氮化硅膜；或在单晶硅衬底中间填充有硅胶填充物；或在中间填充有硅胶填充物的单晶硅衬底上面设有热电堆半导体电极和加热元件，热电堆半导体电极从自下至上依次设有二氧化硅隔离层，热电堆金属电极、金属连线和焊点，氮化硅膜。将传感器放在流道中，加热元件供电后产生热量，位于两侧的热电堆分别输出由各自所测量的流场范围内的温度分布差异而产生的电压信号，将两个电压信号相减后作为最终输出的电压信号，由此实现测热式流量测量。
文档编号G01F1/684GK2854525SQ20052011738
公开日2007年1月3日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年12月19日
发明者傅新, 谢海波, 杨华勇, 段萱苡 申请人:浙江大学