温差式流量传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及流量检测的【技术领域】，尤其涉及一种温差式流量传感器及其制作方法。该温差式流量传感器，包括一基体、基体上构造的隔热横膈膜以及横膈膜上的加热电阻和测温电阻，所述基体的下方键合有一衬底，所述衬底与所述基体之间形成一个可引导流体流经所述横膈膜下方的微流道；与现有技术相比，本发明提供的温差式流量传感器，通过其基体与衬底之间形成的微流道，通过微沟道的导向作用，使横膈膜上下表面均有流体流过，增加了横膈膜表面的强迫对流换热面积，使得横隔膜的上下两面受到的流体冲击基本一致，这样，一方面提高了温差式流量传感器的检测精度，另一方面使横隔膜的上下两面受力均匀，不易损坏，提高了可靠性，延长了使用寿命。
【专利说明】温差式流量传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于流体检测【技术领域】，尤其涉及温差式流量传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]流量传感器是一种可检测流体的流速并将其转化为电压信号的器件。流量传感器目前有多种，可分为机械流量传感器、热流量传感器和电磁流量传感器等，温差式流量传感器是热式流量传感器的一种。由于温差式流量传感器具有无机械传动，无需压力补偿，尺寸小的优点，因而备受关注，具有强大的市场潜力，被业界认为是流量传感器市场的主要方向。
[0003]如图1所示，现有的温差式流量传感器包括一基体30 '和置于所述基体30 '上的横膈膜20'，检测流体流量时，流体仅从该横隔膜20 '的上方流过，横隔膜上的金属薄膜层10丨，仅单面接触流体，易受外界环境影响，测试精度低。
[0004]目前，业界有同行通过改变横隔膜的材料或厚度，降低热导率，来提高金属薄膜层上的加热元件和测温元件的隔热效果，进而提高温差式流量传感器的测试精度，但其机械性能较差，使用寿命较短；
[0005]也有在基体上采用网格结构来提高加热元件与测试元件之间的隔热效果，或是不采用横膈膜，而直接将加热元件和测试元件悬挂在流道中间，但是，基体的网格腐蚀工艺不容易控制，直接将加热元件和测试元件悬挂在流道中间的结构，种制作比较困难，且可靠性不闻。
[0006]鉴于此，急需一种可提高流体测试精度且可靠性高的温差式流量传感器。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供温差式流量传感器及其制作方法，旨在解决现有技术中热式流量传感器测试精度低，使用寿命短的问题。
[0008]本发明是这样实现的，新型温差式流量传感器，包括一基体和覆盖于基体上可检测流体流量的横膈膜，所述基体的下方键合有一衬底，所述衬底与所述基体之间形成一个可引导流体流经所述横膈膜下方的微流道。
[0009]进一步地，所述基体的底面凹设有一凹槽，所述衬底上表面与该凹槽配设有一凸台，所述凹槽与所述凸台之间形成一道可先引导测温流体向上流经所述横膈膜的下方再向下流出的轨迹呈梯形状的微流道。
[0010]进一步地，所述微流道的横截面积设置成沿流向方向上分阶段缩小的结构。
[0011]进一步地，所述微流道拐角处设置为125.26° ;在所述微流道的横截面上，侧壁与底壁呈125.26。夹角。
[0012]进一步地，所述横膈膜包括于基体上表面的支撑层、溅射于所述支撑层上的金属薄膜以及覆盖于所述金属薄膜的钝化层。
[0013]进一步地，所述支撑层由SiO2和Si3N4材料制成，所述钝化层由Si3N4材料制成。[0014]进一步地，所述金属薄膜层由Ti和Pt金属制作而成，包括由其中间向两边纵向间隔对称分布的加热电阻和测温电阻。
[0015]进一步地，所述测温电阻的宽度为5~10 μ m，在流体流动方向上，所述测温电阻与所述基体底面上的凹槽底面的边缘的距离大于150 μ m。
[0016]进一步地，所述基体和衬底均由硅制作成片状，通过Au-Si键键合为一体。
[0017]与现有技术相比，本发明提供的温差式流量传感器，通过其基体与衬底之间形成的微流道，通过微沟道的导向作用，使横膈膜上下表面均有流体流过，增加了横膈膜表面的强迫对流换热面积，使得横隔膜的上下两面受到的流体冲击基本一致，这样，一方面提高了温差式流量传感器的检测精度，另一方面使横隔膜的上下两面受力均匀，不易损坏，提高了可靠性，延长了使用寿命。
[0018]本发明还提供了制作上述任一项温差式流量传感器的制造方法，包括以下步骤:
[0019]I)选取硅片作为基体，于基体上表面沉积一层SiO2作为支撑层；
[0020]2)在SiO2支撑层的上表面，通过低压化学气相沉积法沉积一层Si3N4作为基底层；
[0021]3)在基底层Si3N4上，通过光刻和溅射，覆盖Ti和Pt金属以形成包括由中间向两边纵向分布的加热电阻，测温电阻和热敏电阻的金属薄膜层，其中所述测温电阻的宽度在5-10 μ m,与所述基底层Si3N4的边缘距离大于150 μ m ;
[0022]4)在金属薄膜层上，通过等离子体化学气相沉积法，沉积至少一层可将其覆盖的Si3N4作为钝化层；
[0023]5)在硅片基体的下表面上正对对该金属薄膜层处，采用KOH溶液通过热腐蚀法，开设一个凹槽，露出娃片基体上表面的SiO2支撑层底部；
[0024]6)另外取一块硅片作为衬底，采用KOH溶液通过热腐蚀法，在其上表面的两侧分别溶解处一个半凹槽，使两半凹槽之间形成一个凸起；
[0025]7)将硅片衬底的凸起正对所述硅片基体的凹槽，通过Au-Si键键合为一体并在硅片衬底和所述硅片基体之间形成一个先向上后向下的微流道。
[0026]本发明提供的温差式流量传感器的制造方法，选材普通，采用沉积、光刻和溅射以及热腐蚀的方法就可实现，整个制作方法步骤少，制作周期短，操作简单，利于推广应用实现产业化。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是现有温差式流量传感器的结构示意图；
[0028]图2是本发明实施例中温差式流量传感器的结构示意图；
[0029]图3是本发明实施例中温差式流量传感器的纵向截面示意图；
[0030]图4是本发明实施例中温差式流量传感器的金属薄膜层的排布示意图；
[0031]图5是图4中的测温电阻的电路连接原理图；
[0032]图6是图4中虚线部分的局部放大示意图。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述。
[0035]如图2飞所示，为本发明提供的一较佳实施例。
[0036]本发明提供的新型温差式流量传感器，包括一基体2和覆盖于基体2上可检测流体流量的横膈膜1，所述基体2的下方键合有一衬底4，所述衬底4与所述基体2之间形成一个可引导流体流经所述横膈膜I下方的微流道3。当需要测试流体流量时，将该新型温差式流量传感器安装于管道中，使得流体流动方向与所述微流道3的流动方向一致，给流体为层流流动，当流体流经新型温差式流量传感器时，同一时刻，有流体由横膈膜I的上方流过，有流体经该微流道3从横膈膜I的下方流过，该横膈膜I的上下两面同时与流体接触，如此，流体同时从横隔膜I的上下两面上流过，使得横隔膜I的上下两面受到的流体冲击基本一致，这样，一方面增强了横隔膜I对流体流速的敏感性，提高了新型温差式流量传感器的检测精度，另一方面横隔膜I的上下两面受力大体一致，不易损坏，提高了可靠性，延长了使用寿命。
[0037]具体地，参见图3所示，所述基体2的底面凹设有一凹槽21，所述衬底4上表面与该凹槽21配设有一凸台41，所述凹槽21与所述凸台41之间形成一道可先引导测试流体向上流经所述横隔膜I的下方再向下流出的呈梯形状的微流道3。可将所述微流道3分为五段，依次为流体进入段31，流体上升段32，流体测温段33，流体下降段34以及流体流出段35，实际测试中，流经横隔膜I下方的流体，先由流体进入段31平缓进入，转入流体上升段32，平稳过渡到流体测温段33，所述横隔膜I对其进行流速测试，再由流体下降段34，迅速过渡到流体流出段35，流入管道内，如此，可保证测试时流体的流动平稳，而不发生紊流，确保了测试的准确性。
[0038]进一步地，所述微流道3的横截面积沿流向方向上分阶段缩小。如此，流体动力学设计原理，减少了流体的流速损失，使得检测更精确。
[0039]进一步地，本实施例中，将所述微流道3拐角处设置为125.26°，这样，可减少流体进入微流道3时，对其内壁的冲击，同时，减小流体拐弯时的流速损失，同时保证了流体的层流效果。在所述微流道3的横截面上，侧壁与底壁呈125.26°夹角，如此，增大了流体进入微流道3的入口，减小了流体对微流道3入口的冲击，提高了产品的使用寿命。
[0040]进一步地，所述横膈膜I包括沉积于基体2上表面的支撑层13、溅射于所述支撑层13上的金属薄膜12以及覆盖于所述金属薄膜12的钝化层11。具体地，所述支撑层13由SiO2和Si3N4材料制成，所述钝化层11由Si3N4材料制成，所述金属薄膜12由Ti和Pt金属制作而成，包括加热电阻和测温电阻。Pt金属用于制作金属薄膜层122上的导电加热和测温部分，Ti金属作为连接Pt金属于位于支撑层13上部的Si3N4层上的粘结层。该钝化层11具有良好的耐氧化性和密封性，作为保护层，可用于避免金属薄膜层122被污染或者沾水后影响金属薄膜层122的测试精度。
[0041]进一步地，所述金属薄膜层122上包括由其中间向两边纵向分布的加热电阻和测温电阻。沿流体流动方向，该加热电阻包括对称设置的上游部分1221 '和下游部分1221，该测温电阻包括置于所述加热电阻两侧对称设置的上游测温电阻1222 ’和下游测温电阻1222。如图5所示，该上游测温电阻1222 '和下游测温电阻1222连接于惠斯通电桥中，两上游测温电阻1222丨串联，两下游测温电阻1222串联，然后并联与电源Vcc连接，两上游测温电阻1222'和两下游测温电阻1222之间连接有可输出电压型号Uo的电子器件。通常，该电子器件为检流计，如此，通过该惠斯通电桥可以精确测量连接于其中的上游测温电阻1222 '和下游测温电阻1222。
[0042]再见图4所示，沿流体流动方向，该金属薄膜层122具有多个连接电阻，各连接电阻依次为第一连接电阻1225 ’、第二连接电阻1224 ’、第三连接电阻1223 ’、第四连接电阻1223、第五连接电阻1224、第六连接电阻1225以及第七连接电阻1226。如图6所示，第一连接电阻1225 与第二连接电阻1224 连通，第三连接电阻1223 与第四连接电阻1223以及第七连接电阻1226连通，第五连接电阻1224与第六连接电阻1225连通，以上相互连通的连接电阻均相互对称分布于所述加热电阻的两侧。第七连接电阻1226位于该金属薄膜层122的最下游处。
[0043]其中，图4中虚线框所圈出的金属薄膜12部分为热敏电阻1227。并且所述虚线框与所述基体2上的凹槽21底部的相对应，尺寸相同。为表达简练，图1中仅仅示意出图4中该虚线框所框住部分，即仅显示出所述热敏电阻1227。如图4和图6所示，该热敏电阻1227包括上游测温电阻1222 ’和下游测温电阻1222上靠近所述支撑层13中间的夹窄部分以及各相互连通的连接电阻上所述支撑层13中间的夹窄部分。如此，设计可提高各电阻之间的隔热效果，提高该温差式流量传感器的测试灵敏度。
[0044]图5所示是一个通用的惠斯通电桥。进一步地，所述测温电阻的宽度为5~10μπι，在流体流动方向上，所述测温电阻与所述基体2底面上的凹槽21底面的边缘的距离大于150 μ m。如此，既保证了测温电阻的隔热效果，又减弱了上游测温电阻处的温度饱和效应，保证该温度式流量传感器的测试量程。
[0045]进一步地，所述基体2和衬底4均由硅制作成片状，通过Au-Si键键合为一体。通过该Au-Si键将基体2和衬底4连接为一体，结构牢固可靠，提高产品的稳定性，且易于实现，利于工业批量生产。
[0046]本发明还提供了制作上述任一项新型温差式流量传感器的制造方法，包括以下步骤:
[0047]I)选取娃片作为基体2,于基体2上表面沉积一层Si02 ；
[0048]2)在SiO2层的上表面，通过低压化学气相沉积法沉积一层Si3N4,将SiO2层和Si3N4层；
[0049]3)在Si3N4上，通过光刻和溅射，覆盖Ti和Pt金属以形成包括由中间向两边纵向间隔对称分布的加热电阻和测温电阻的金属薄膜层122，其中所述测温电阻的宽度在5 ~10 μ m ；
[0050]4)在金属薄膜层122上，通过等离子体化学气相沉积法，再沉积至少一层可将其覆盖的Si3N4层；
[0051]5)在娃片基体2的下表面,米用KOH溶液通过热腐蚀法,开设一个凹槽21,露出娃片基体2上表面的SiO2底部，同时，确保沿流体流动方向上，所述测温电阻与所述凹槽底部边缘的间距大于150μπι;
[0052]6)另外取一块硅片作为衬底4，采用KOH溶液通过热腐蚀法，在其上表面的两侧分别溶解处一个半凹槽，使两半凹槽之间形成一个凸起41 ;通常在60°C的温度下，使用KOH溶液在衬底4上溶解出所述半凹槽；[0053]7)将硅片衬底的凸起41正对所述硅片基体的凹槽21，通过Au-Si键键合为一体并在硅片衬底4和所述硅片基体2之间形成一个可使流体先向上流动后向下流出的微流道3。
[0054]该新型温差式流量传感器的制造方法，选材普通，采用沉积、光刻和溅射以及热腐蚀的方法就可实现，整个制作方法步骤少，制作周期短，操作简单，利于推广应用实现产业化。
[0055]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.温差式流量传感器，包括一基体和覆盖于基体上可检测流体流量的横膈膜，其特征在于，所述基体的下方键合有一衬底，所述衬底与所述基体之间形成一个可引导流体流经所述横膈膜下方的微流道。
2.根据权利要求1所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述基体的底面凹设有一凹槽，所述衬底上表面与该凹槽配设有一凸台，所述凹槽与所述凸台之间形成一道可先引导测温流体向上流经所述横膈膜的下方再向下流出的轨迹呈梯形的微流道。
3.根据权利要求1所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述微流道的横截面积设置为沿流向方向上分阶段缩小的结构。
4.根据权利要求1所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述微流道拐角处设置为125.26° ;在所述微流道的横截面上，侧壁与底壁呈125.26°夹角。
5.根据权利要求1-4任一项所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述横膈膜包括于基体上表面的支撑层、溅射于所述支撑层上的金属薄膜以及覆盖于所述金属薄膜的钝化层。
6.根据权利要求5所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述支撑层由SiO2和Si3N4材料制作而成，所述钝化层由Si3N4材料制作而成。
7.根据权利要求6所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述金属薄膜层由Ti和Pt金属制作而成，包括由其中间向两边纵向间隔对称分布的加热电阻和测温电阻。
8.根据权利要求7所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述测温电阻的宽度为5?10 μ m，在流体流动方向上，所述测温电阻与所述基体底面上的凹槽底面的边缘的距离大于 150 μ m。
9.根据权利要求1所述的温差式流量传感器，其特征在于:所述基体和衬底均由硅制作成片状，通过Au-Si键键合为一体。
10.制作权利要求1-9中任一项所述的温差式流量传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤: O选取娃片作为基体，于基体上表面沉积一层SiO2 ； 2)在SiO2层的上表面,通过低压化学气相沉积法沉积一层Si3N4； 3)在Si3N4层上，通过光刻和溅射，覆盖Ti和Pt金属以形成包括由 中间向两边纵向间隔对称分布的加热电阻和测温电阻的金属薄膜层，其中所述测温电阻的宽度在5?IOym; 4)在金属薄膜层上，通过等离子体化学气相沉积法，再沉积至少一层可将其覆盖的Si3N4层；至此，完成横隔膜的制作并覆盖于所述基体的上表面； 5)在硅片基体的下表面上，采用KOH溶液通过热腐蚀法，开设一个凹槽，露出硅片基体上表面的SiO2层底部；同时，确保沿流体流动方向上，所述测温电阻与所述凹槽底部边缘的间距大于150ym ； 6)另外取一块硅片作为衬底，采用KOH溶液通过热腐蚀法，在其上表面的两侧分别溶解处一个半凹槽，使两半凹槽之间形成一个凸起； 7)将硅片衬底的凸起正对所述硅片基体的凹槽，通过Au-Si键键合为一体，并在硅片衬底和所述硅片基体之间形成一个可使流体先向上流动后向下流出的微流道。
【文档编号】G01F1/68GK103453958SQ201210447068
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】余柏林, 余发红 申请人:深圳信息职业技术学院