微流量计和用于制造微流量计的方法
【专利摘要】本发明涉及一种流量计，该流量计包括通过通道（12）互连的第一腔（11）和第二腔（13），所述第一腔设置有第一可变形的膜片（11＇）以及第一应变计（R1）和第二应变计（R2），所述第二腔（13）设置有第二可变形的膜片（13＇）以及第三应变计（R3）和第四应变计（R4），所述四个应变计形成单臂电桥。
【专利说明】微流量计和用于制造微流量计的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于测量流体的流速的技术。本发明尤其涉及一种装置或微型装置以及所述装置或微型装置的制造方法，所述装置通过允许对两个腔之间的压力差进行测量的单臂电桥来实施流速的测量。
【背景技术】
[0002]现存许多用于测量流速的方法(热线、科里奥利效应等)。
[0003]一种有效、精确和简单的方法包括使用两个被连续定位在流体通道中并由流体扼流部分隔开的压力传感器。在流体扼流部中由粘性耗散引发的压力差(称为压降)通过两个压力传感器来测量。流速和压力差之间存在已知的比例关系。因此，对压力差的测量允许确定流速。
[0004]形成有两个不同的压力传感器的示例性流量计在图1中示出并且在文件US6446513B1、US20050204828 中和在 Sensor Actuate, a - Phys77, 167 (1999)中刊出的R.E.0osterbroek等人的论文中描述。流体在通过被定位在装置的下部部分中的入口孔51进入之后流经中心通道56。所述流体通过出口孔54流出，所述出口孔54同样被定位在所述装置的下部部分中。压阻式传感器58、60 —方面允许测量所述通道56上游的入口部分中的压力变化并且另一方面允许测量所述通道56的下游的出口部分的压力变化。所述装置通过两个基层62、64形成，入口通道52和出口通道54在下部基层62中形成，所述中心通道因此在所述上部基层64的下部部分中形成，其中，两个贯通通道允许分别在所述装置的入口侧和出口侧通向压阻式传感器。
[0005]另一配置包括使用单个压差传感器，形成压力传感器的膜片的每个表面面向由压降分离的腔。所述配置的示例在Cho等人于1993年在Sensors and ActuatorsA:Physical36:47 - 56中刊出的题为《具有内置自测的高性能的微流量计》的论文中描述。然而，由于电绝缘的原因，优选地，将测量装置(传感器和电装置)与流体部分适当的分离。由于所述测量装置在所述压力传感器的膜片的表面的其中一个表面上，不可使用具有不同传感器的配置，因此必然涉及所述流体与所述表面两者的接触。由于结构上的原因，同样优选的是将电平与流体液位分开。
[0006]此外，具有单臂电桥的电路是已知的，如图2所示，每个所述电桥包括4个电阻R1-R4和IT 1-R ; 4，图2还示出了在这种系统中所涉及到的电连接。
[0007]所述电路需要至少8个连接垫76。
[0008]进一步，单臂电桥的测量链包括由数个部件(尤其是电子放大器和模拟/数字转换器)形成的电子设备。在两个电桥的情况下，如同图2，两个测量值必须被放大并且必须确定所述两个测量值的差。所述差可在模拟转换之后被计算，但是为了最小化信息的降级，优选地，在所述模拟转换之前确定所述差。因此，所述测量链包括至少3个差分放大器80、80'、81。现在每个所述放大器必须通电。因此，这种电路体积大并且耗电很多。
[0009]因此提出了发现一种新的流速测量装置的问题，从而允许减少针对现有技术的装 置的上述缺点。
【发明内容】
[0010]本发明的第一方面涉及一种流量计或微流量计，所述流量计或微流量计为MEMS型的，所述流量计或微流量计包括通过通道连接的第一腔和第二腔，所述第一腔设置有第一可变形的膜片(或所述第一腔的包括第一可变形的膜片的壁)并且包括第一应变计和第二应变计，所述第二腔设置有第二可变形的膜片(或所述第二腔的包括第二可变形的膜片的壁)并且包括第三应变计和第四应变计，所述四个应变计形成单臂电桥。
[0011]每个所述应变计能够提供表现相应的膜片的变形的特征的信号，所述变形在流量计的流体的流动的作用下发生。
[0012]所述四个应变计形成单臂电桥，当流体经过所述第一腔、然后经过所述通道、然后经过所述第二腔流动时，所述单臂电桥允许测量所述第一腔和所述第二腔之间的压差。
[0013]所述流量计可制成单个部件。
[0014]所述流量计包括两个膜片，所述两个膜片各自面向一个腔，所述两个腔由通过具有小截面的第一通道形成的压降来分离。所述装置进一步包括采用单臂电桥形式的测量装置，所述单臂电桥包括2个与所述第一膜片有关的或在所述第一膜片上的应变计和2个与所述第二膜片有关的或在所述第二膜片上的应变计。单个单臂电桥提供了执行在流量计中流动的流体的流速的测量的可能性。
[0015]包括被定位在所述两个腔中的电阻的单臂电桥的使用允许对电缆的整体进行简化以及减少由所述测量消耗的能量。
[0016]在所述装置中，每个所述膜片的应变计中的一个应变计有利地沿着与所述装置中的流体的总体流动方向垂直的方向来放置，而另一应变计沿着大体上与所述装置中的流体的总体流动的方向平行的方向放置。所述布置提供了确保高灵敏度的测量的可能性。
[0017]更优选地，所述应变计的每一个位于相应的膜片的锚固区域或边缘的附近。
[0018]所述装置可进一步包括测量装置，所述测量装置包括放大器装置或单个放大器，所述电桥的没有定位成在所述电桥中彼此邻近的2个顶点连接到所述放大器装置或单个放大器。因此，可进行差动测量，这允许减少退化信息和最小化测量的不确定性的风险。
[0019]在本申请中，还描述了一种用于制造上述类型的流量计的方法，所述方法包括以下步骤:
[0020]a)选择第一基层和第二基层，
[0021]b)在所述第二基层中制作所述第一腔、所述第二腔和所述通道，
[0022]c)将所述第一基层与所述第二基层组装到一起，
[0023]d)然后通过减薄所述第一基层来制作可变形的膜片，
[0024]e)使形成单臂电桥的4个应变计形成在所述膜片上或所述膜片中，所述应变计中的2个应变计被放置在所述第一腔的上方并且另外2个应变计被放置在所述第二腔的上方。
[0025]在本申请中，还描述了一种用于制造流量计的方法，所述方法包括以下步骤:
[0026]a)选择第一基层和第二基层，
[0027]b)在所述第二基层中制作第一腔、第二腔和将所述两个腔连接的通道，[0028]c)将所述第一基层与所述第二基层组装到一起，
[0029]d)然后，通过减薄所述第一基层来制作分别与所述第一腔和所述第二腔有关的或位于所述第一腔和所述第二腔的上方的第一可变形的膜片和第二可变形的膜片，
[0030]e)使形成单臂电桥的4个应变计形成在所述膜片上或所述膜片中，所述应变计中的两个应变计被放置在所述第一腔的上方并且另外两个应变计被放置在所述第二腔的上方。
[0031]在上述的方法的任一个方法中，所述可变形的膜片可通过使所述第一基层通过机械抛光或通过机械化学抛光和/或通过蚀刻而从所述第一基层的上表面减薄来制成。
[0032]所述第一基层可采用绝缘体上外延硅类型，所述第一基层包括半导体基层、介电层和半导体材料层。
[0033]所述介电层在减薄所述第一基层期间可被用作停蚀层。
[0034]所述方法可进一步包括在所述第二基层中制作入口管路和出口管路的步骤。所述管路可首先在所述第二基层中被制成不通的，然后在步骤e)之后通过减薄所述第二基层制成。
[0035]优选地，所述组装步骤通过分子密封、通过阳极密封或共熔密封或通过粘合来完成。
[0036]所述组装步骤可在真空内执行。
[0037]关于所述应变计，所述应变计可通过所述膜片上的金属沉积或通过掺杂的半导体材料制成。
[0038]在本申请所描述的装置或方法中，优选地，设法使所述单臂电桥的4个应变计不全相互平行，和/或使所述电桥中的相同膜片的2个应变计不相互平行，和/或使所述单臂电桥包括两个连续的相对于彼此平行的应变计。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]将参考附图对作为本发明的非限制性示例的实施例进行描述，在附图中:
[0040]已描述的图1为根据现有技术的示例的微流量计的剖视图，
[0041]图2为电路图的示意图，
[0042]图3、4A和4B、4C分别为根据本发明的流量计(图3、4A、4C)和用于安装与所述流量计有关的传感器的电路图(图4B)的示意图，
[0043]图5为根据本发明的流量计的替代性的流量计的示意俯视图，
[0044]图6A-6F示意地示出了用于制造根据本发明的流量计的方法的各个步骤。
【具体实施方式】
[0045]在下文中，当提及“基层”时，它还可包括“层”。因此，这些术语的任一个都同等地使用。
[0046]应注意，在附图中，不一定按比例绘制以使附图更为清晰。
[0047]在以下的所有描述中，使用了正交参考系统(i，j，k)，如图3中所示。
[0048]此外，随后使用的术语“下部”和“上部”在此应根据沿所述正交参考系统(i，j，k)的方向k的方向来理解。[0049]术语“厚度”、“高度”和“深度”应根据沿相同的正交参考系统(i，j，k)的方向k
的测量值或距离来理解。
[0050]根据本发明的第一示例性结构在图3和图4A-4C中示出。图3为沿平面的剖视图，所述平面的路径AA '在图4A或4C (俯视图)中可见。图4A和4C的视图为电桥的电阻的布置上的替代方案。
[0051]所述装置包括2个膜片11 '、13'，所述膜片、13'被定位成面向2个腔(或腔室)11、13。所述腔11、13通过具有小截面的小通道12被连接到一起。所述通道将对流体施加压降，所述流体从入口 10流入然后流动到第一腔11中，然后进入第二腔13中以便流向出口孔口 14。
[0052]所述腔11、13在ij平面或所述装置的平面中可各自呈圆形形状或盘形形状(图4A、4C中清晰地示出)，所述腔11、13的直径可以为大约几毫米(例如，介于I毫米和10毫米之间)。替代性地，所述腔可以是方形的或矩形的，所述替代性的腔在图5中示意地示出并且将在随后被评论。
[0053]所述腔具有沿方向k测量的深度P，所述深度P大约为几微米到几百微米(例如，包括在10微米或50微米和100微米之间)。优选地，不同的通道10、11、12、13、14沿所述方向k测量的深度是类似的或相等的。为了形成较窄的扼流部，所述通道12的深度可小于所述腔11、13的深度。由所述扼流部产生的压降更大，因为所述扼流部采用小截面。因此，所述流体在所述腔11和13中的压差更大。如将随后描述的，这增大了所述两个腔之间的流体的流速的测量的精确度。 [0054]所述通道12沿平行于所述j轴线(垂直于所述装置中的流体的流动方向)的轴线的宽度为数十微米(例如，介于10微米和50微米之间)，而另外的输送通道10、14优选地具有大约为数百微米(例如，介于100微米和500微米之间)的较大的宽度。所述结构可在两个基层20、30中形成，所述两个基层20、30相互叠加并相互组装。
[0055]所述基层的每一个具有例如介于100微米和数百微米(例如，在100微米和500微米之间)之间的厚度。
[0056]所述基层的每一个在垂直于所述k轴线的ij平面中延伸。为此，所述ij平面还被称为所述装置的平面或所述装置的主平面。所述j轴线沿所述装置中的流体的流动方向并且所述i轴线垂直于所述j轴线。在某些情况下，每个所述基层沿所述轴线k测量的厚度可相对于所述装置的侧向延伸(即相对于沿所述平面ij测量的所述装置的尺寸L和I)而非常小山(沿所述j轴线测量)例如介于数毫米(例如2毫米或5毫米)和数厘米(例如2厘米或5厘米)之间，并且I (沿所述i轴线测量)例如介于数毫米(例如2毫米或5毫米)和数厘米(例如2厘米或5厘米)之间。所述基层20、30可各自为半导体材料(例如，为硅或为例如玻璃或金属或聚合物或塑料的其它材料)。硅是优选的，因为硅与共同的和精确的制造微技术相配。进一步，所述材料具有良好的机械强度和耐老化性。在材料是硅的情况下，所述基层例如通过分子组装或通道粘接(例如通过丝网印刷粘合)被粘合到一起。分子密封具有不需要添加粘合剂的优点。
[0057]流体的压降测量利用单臂电桥40来执行，所述单臂电桥40包括位于所述第一膜片11丨上或所述第一膜片11丨中的2个应变计(R3，R4)以及位于所述第二膜片13丨上或所述第二膜片13 ^中的2个应变计(Rl，R2)。[0058]优选地，这些应变计为导电材料中或为掺杂的半导体材料。所述量计例如为金或铝或钛或钼或合金(例如硅铝合金)。优选地，导电材料被选定为具有高的应变系数(例如钼)。替代性地，导电材料由掺杂的半导体材料(比如，例如通过植入硼离子取得的P型掺杂硅)制成。利用半导体材料(例如，以几1019at.cm-3计量掺杂硼的硅)的应变计制成的传感器提供比使用金属应变计的传感器大50-100倍的灵敏度。
[0059]所述应变计的每一个可具有细长形状，所述应变计的每一个具有数微米的宽度(所述宽度可介于I微米和9微米或10微米之间)和数十微米的长度(所述长度可介于10微米和100微米之间)。
[0060]优选地，4个电阻R1、R2、R3、R4为相同的额定值RO (即，没有任何变形)。
[0061]更优选地，所述4个应变计定向成使得流速测量最敏感。例如，如果所述膜片各自具有圆形形状(如图4A或4C中所示)，每个所述膜片的应变计的其中一个应变计被放置在所述膜片的径向方向上(图4A中的R4或Rl ;图4C中的R3或Rl)，而第二个应变计(图4A中的R2或R3 ;图4C中的R4或R2)沿着成角度的方向放置，或放置成在投射到由成对的向量(i，j)限定的平面上或平行于所述装置的主平面的平面上时，在所述应变计放置的位置处与锚固区域的边界或所述膜片的轮廓的边界，在此情况下与由膜片形成的圆的半径形成这里为大致接近直角的角度。
[0062]通常，不管所述膜片的形状如何，优选地，所述电阻不全是相互平行的。
[0063]优选地，放置在相同膜片上或相同膜片中的电阻没有相互平行。有利地，所述电阻相互垂直。例如，膜片可包括径向定向的电阻，另外的电阻沿切线定向(类似于4A或4C所示)。但是其它的配置是可能的，其中与相同的腔有关的两个应变计在所述两个应变计之间形成了严格大于0°和严格小于或等于90°的角度，其它腔的两个应变计在所述两个应变计之间形成了严格大于0°和严格·小于或等于90°的角度。
[0064]优选地，由四个电阻形成的单臂电桥包括相互平行的两个连续的电阻。这是图4A和4B中的情况，其中，连续放置在所述电桥中的两个电阻R2和R3相互平行以及两个电阻Rl和R4也相互平行。
[0065]如图4A、4B或4C中所示，所述应变计R1-R4通过互连件36被连接到一起，使得整体形成单臂电桥。所述电桥的顶点被连接到触板31上，所述触板31允许所述流量计到电子测量系统34、35的连接，所述电子测量系统34、35包括放大器34和(可选地)存储装置和/或数据处理装置(例如，微处理器型的装置，进一步例如计算机装置)。通过显示屏(附图中未示出)，操作者在流体流动期间可查看流速数据随时间的变化。
[0066]所述两个膜片11 ^、13'为相同的(相同的几何形状、相同的尺寸和相同的硬度)。如图4A或4C中所示，优选地，所述应变计的每一个在与由轴线(i，j)限定的平面平行的平面上或平行于所述装置的主平面的平面上的投影定位到相应的膜片的边缘或(在其中形成应变计的基层中)锚固区域的附近(其中应力在此最大)。
[0067]在制成所述装置的基层的材料为硅时，应变计优选地沿硅的晶格的〈010〉方向定向。这允许压阻效应最大化:所述应变计于是更灵敏。
[0068]其它的变形传感器可在所述膜片、13'上或所述膜片、13'中存在，例如以便测量所述膜片的任一个膜片中的压力。
[0069]当流体在由所述入口 10、所述第一腔11、所述通道12、所述第二腔13和所述出口14形成的网络的整体中流动时，由所述扼流部12产生的压降引起了所述腔11和13之间的压差。
[0070]如果Pa和Pb表示所述腔11和13中的各自的压力，优选地，在所述扼流部12中产生的压降大于在其它的入口和出口输送通道10、14中产生的压降。
[0071]作为示例，应重申的是，对于具有边长d的方形截面和长度L的通道而言，压降通常写作:
【权利要求】
1.一种流量计，包括通过通道(12)连接的第一腔(11)和第二腔(13): 所述第一腔设置有包括第一可变形的膜片(11;)的壁并且设置有位于所述第一可变形的膜片上或所述第一可变形的膜片中的第一应变计(Rl)和第二应变计(R2)； 所述第二腔(13)设置有包括第二可变形的膜片(13丨)的壁并且设置有位于所述第二可变形的膜片上或所述第二可变形的膜片中的第三应变计(R3)和第四应变计(R4)，所述四个应变计形成单臂电桥，当流体经过所述第一腔、然后经过所述通道、然后经过所述第二腔流动时，所述第一腔和所述第二腔之间的压差能够通过所述单臂电桥来测量。
2.根据权利要求1所述的流量计，所述4个应变计(R1，R2，R3，R4)具有相同的额定值。
3.根据权利要求1或2所述的流量计，所述单臂电桥的4个应变计不全相互平行，和/或所述电桥中的相同膜片的2个应变计不相互平行，和/或所述单臂电桥包括两个连续的相互平行的应变计。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的流量计，每个所述膜片的应变计中的一个应变计沿着与所述装置中的流体的总体流动方向垂直的方向放置，而另一应变计沿着大体上与所述装置中的流体的总体流动方向平行的方向放置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的流量计，所述2个膜片是相同的。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的流量计，所述应变计的每一个位于相应的膜片的锚固区域或边缘的附近。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的流量计，所述应变计的每一个为导电材料或为掺杂的半导体材料。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的流量计，所述应变计的每一个具有介于I微米和10微米之间的宽度和介于10微米和100微米之间的长度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的流量计，进一步包括至少一个附加传感器，例如用于测量所述腔的至少一个腔中的压力的传感器。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的流量计，所述可变形的膜片(11' ,13 ;)具有介于10微米和300微米之间的厚度。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的流量计，进一步包括测量装置(34，35)，所述测量装置(34，35)包括放大器装置(34)，所述电桥的没有定位成在所述电桥中彼此邻近的2个顶点连接到所述放大器装置(34)。
12.一种用于制造根据权利要求1-11中任一项所述的流量计的方法，包括以下步骤: a)选择第一基层(20)和第二基层(30)， b)在所述第二基层(30)中制作所述第一腔(11)、所述第二腔(13)和所述通道(12)， c)将所述第一基层(20)与所述第二基层(30)组装到一起， d)然后通过减薄所述第一基层(20)来制作可变形的膜片(11' ,13 ;)， 6)使形成单臂电桥的4个应变计(町，1?2，1?3，1?4)形成在所述膜片上或所述膜片中，所述应变计中的2个应变计被放置在所述第一腔(11)的上方并且另外2个应变计被放置在所述第二腔(11)的上方。
13.根据权利要求12所述的方法，所述可变形的膜片通过使所述第一基层(20)通过机械抛光或通过机械化学抛光和/或通过蚀刻而从所述第一基层(20)的上表面(21S)减薄来制成。
14.根据权利要求12或13所述的方法，所述第一基层(20)采用绝缘体上外延硅(SOI)类型，所述第一基层(20)包括半导体基层(20-1)、介电层(20-2)和半导体材料层(20-3)。
15.根据权利要求14所述的方法，所述介电层(20-2)在减薄所述第二基层期间被用作停蚀层。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，进一步包括在所述第二基层(30)中制作入口管路(15)和出口管路(16)的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，所述入口管路(15)和出口管路(16)首先在所述第二基层(30)中被制成不通的，然后在步骤e)之后通过减薄所述第二基层制成。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，所述组装步骤通过分子密封、通过阳极密封或共熔密封或通过粘合来完成。
19.根据权利要求12-18中任一项所述的方法，所述组装步骤在真空内执行。
20.根据权利要求12-19中任一项所述的方法，所述应变计通过所述膜片上的金属沉积或通过掺杂的半导体材料制成。
【文档编号】G01R7/16GK103635783SQ201280032800
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年4月27日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】Y·弗伊莱特, 艾伦·布格雷特, 奥利维尔·富赫斯 申请人:原子能和替代能源委员会