專利名稱：聲波流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一些實施例一般涉及流量傳感裝置和技術(shù)。本發(fā)明的一些
實施例也涉及聲波裝置，諸如表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)裝置等。
背景技術(shù)：
在各種探測流體(包括氣體和液體)數(shù)量的流體傳感應(yīng)用中利用流 量傳感器。能探測流體流量或流體特性的用于這樣流體的流量傳感器能 夠例如作為微結(jié)構(gòu)形式硅上傳感器完成。為方便又不限制起見，術(shù)語"流 量傳感器"不僅僅指流體(既包括氣體又包括液體)的流量，而且也能 在熱量傳感器的環(huán)境中執(zhí)行。讀者會認(rèn)識到，也可以利用這樣的傳感器 測量主要特性，例如溫度、導(dǎo)熱率、比熱和其他特性；以及可以通過強(qiáng) 迫的或自然的對流產(chǎn)生流量。
流體或熱量型流量傳感器一般包括包括一個加熱元件和一個或兩個 接近熱接收元件的一個基片。如果使用兩個這樣傳感元件，它們最好安 置在加熱元件相對于要被測量的流體(液體或氣體)流動的方向的上游 側(cè)和下游側(cè)。在流體沿基片流動時，它在上游側(cè)被加熱元件加熱，然后 熱量被非勻稱地傳遞到在加熱元件的任何側(cè)的熱接收元件。由于非勻稱 程度依賴于氣體流動的速率以及這個非勻稱性能夠被電測量，這樣的一 個流量傳感器能夠用于測定流體流動的速率和累計數(shù)量。
在暴露于粗糙(污染、骯臟、濃縮等)的流體(包括氣體或液體) 之中時，這樣的流量傳感器一般面臨著潛在的退化問題，這樣的流體能 通過腐蝕、放射性或細(xì)菌引起的污染、過熱或凍結(jié)"壓"傳感器。"粗 糙，，氣體或液體能夠壓、腐蝕、凍結(jié)或過加熱傳感元件，這樣的氣體或 液體的流量或壓力(差分的或絕對的)的靈敏測量所面臨的一個挑戰(zhàn)就 是或者不能滿足，或者需要很大花費(fèi)才能滿足。
從前提出的解決辦法中有，帶有相關(guān)的傳感器靈敏度降低的鈍化， 以傳感器信號降低、成本增加和有可能的流體降解為代價的避免濃縮或 凍結(jié)的加熱器(或防止過熱的冷卻器)，或者除去不適宜顆粒物質(zhì)的過 濾器。傳感器的經(jīng)常清洗或替換是額外的但成本高的解決辦法。靈敏的 基于薄膜的差分壓力傳感器能防止污染，因為不牽涉任何流動。但是，
除了不耐過壓外，它們和熱量微傳感器相比，不靈敏得多和昂貴得多。 流體或熱流量傳感器，特別是微橋熱流量傳感器的另 一個問題是， 這樣的裝置具有相對小的動態(tài)范圍。例如，微橋熱流量傳感器一般裝有 消耗大量功率的加熱器。所以使這樣裝置適合無源無線應(yīng)用是困難的。 熱流量傳感器的另一個問題是，加熱會引起不想要的化學(xué)成分變化或者 損壞流體(例如血液)，特別是在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。
相信對流量傳感器固有問題的解決辦法是使用聲波裝置，例如表面 聲波傳感器等。聲波傳感器的例子包括如表面聲波傳感器這樣的裝置， 表面聲波傳感器能用于探測如化學(xué)制品這樣的物質(zhì)的存在。由于起因于
它們固有高Q因數(shù)的對表面負(fù)荷的高靈敏度和低噪聲，用作傳感器的聲 波(例如SAW/BAW)裝置提供高靈敏探測機(jī)理。
表面聲波(SAW)裝置一般用光刻技術(shù)制造，具有放置在壓電材料上 的梳狀交指型換能器(IDT) 。 SAW裝置依靠利用在壓電基片表面?zhèn)鞑サ?波，使得這樣波的位移幅度在表面下方經(jīng)歷指數(shù)衰減。能夠在非常薄的 膜上制造SAW傳感器。彈性材料的理論固有強(qiáng)度一般是比普通形式的這 些材料的測量強(qiáng)度大幾個數(shù)量級。已知這個強(qiáng)度上的減少主要由擦痕這 樣的表面瑕瘋造成。這些表面瑕疵集中了施加的壓力，從而導(dǎo)致在比理 論最大值低得多的負(fù)荷上的裂痕。
多年以來，蝕刻用于例如反向臺面型高頻基頻晶體諧振器的BAW裝 置的制造。蝕刻曾引進(jìn)到SAW傳感器制造中把傳感器的背面蝕刻掉。濕 法化學(xué)加工工藝中的蝕刻已顯示出，它是能夠在廣泛范圍條件下化學(xué)拋 光石英。在同步地產(chǎn)生改善的表面光潔度的同時蝕刻加工工藝能從重疊 的間隔除去大量材料，而沒有切割角的偏移。這個加工工藝也能產(chǎn)生具 有較大強(qiáng)度的SAW模片，這對許多傳感應(yīng)用來說都是特別重要的。
蝕刻不引進(jìn)缺陷，但蝕刻的確暴露了缺陷。凈化石英為微型機(jī)械制 造的SAW傳感器所需要。凈化石英晶片通常無蝕刻溝道。蝕刻溝道是由 于雜質(zhì)在其處分離的位錯的結(jié)果。同非凈化石英相比較，凈化石英具有 較小的凹坑。也能利用雙面拋光晶片構(gòu)造SAW傳感器。例如，拋光的裝 置可具有增加IO倍的機(jī)械強(qiáng)度。這在防止過壓上是關(guān)鍵的。因為SAW晶 片的背面要被蝕刻，所以表面狀況在蝕刻表面光潔度上是關(guān)鍵的。蝕刻 表面光潔度的質(zhì)量主要依賴于蝕刻前的表面、蝕刻深度、蝕刻劑選擇、 蝕刻速度和所用石英的質(zhì)量。
表面聲波裝置可以具有或延遲線配置或是諧振器配置。由于被測對
象的聲學(xué)特性改變，對于延遲線表面聲波裝置(SAW-DL)來說能被解釋 為延遲時間漂移，或者對于諧振器(BAW/SAW-R)聲波裝置來說能被解釋 為頻率漂移。
聲波傳感裝置經(jīng)常依賴于如適于同電子振蕩器一起使用的類型這樣 的石英晶體諧振器部件的使用。因為聲波裝置高的靈敏度、分辨率和堅 固耐用性，它們對流體流量應(yīng)用是令人注意的。執(zhí)行的探測機(jī)理依賴于 壓電晶體暴露于氣體或流體時的聲波彈性特性中的變化。有線測量結(jié)果 通常作為回路振蕩器電路的輸出頻率被獲得，該回路振蕩器電路利用聲 波裝置作為反饋元件。
一般說來，現(xiàn)有的SAW流量傳感器概念是根據(jù)應(yīng)用于微橋熱流量型 傳感器的相同熱質(zhì)量流理論，微橋熱流量型傳感器測量由圍繞加熱器的 流動引起的溫度分布的位移?，F(xiàn)有的SAW流量傳感器設(shè)計的問題之一是， 這樣的配置合并了與加熱器一起的兩個或更多個SAW溫度傳感器。這樣 的設(shè)計增加傳感器尺寸并提高制造成本以及其功率利用率。另外，加熱 元件的使用引起任何IDT電極和有關(guān)的SAW傳感部件的老化。
有利用聲波傳感器測量流動速率的兩個其他技術(shù)。 一個是測量流動 感應(yīng)的切應(yīng)力。這種聲波傳感器能夠具有起紋理的表面。起紋理的表面 有助于增加由流動引起的切應(yīng)力。另 一個技術(shù)涉及應(yīng)用伯努利定律測量 兩點之間的壓力差。
切應(yīng)力是施加在流管壁上的流動引起的力。這個力依賴于每單位平 方面積的單位力。能夠從下面的關(guān)系計算流動速率Q = tA/6h，其中Q 是流體流動速率(米7秒)，t是切應(yīng)力(N/M2)， y是流體粘度(Nm/s2)， 以及A與管的幾何形狀有關(guān)。
流體流動速率的量值線性地依賴于切應(yīng)力。由于流體粘度和密度是 與溫度相關(guān)的，所以溫度變化影響切應(yīng)力，從而影響流動速率測量。溫 度對密度的影響通常很小，在溫度增加時流體粘度通常增加，所以切力 通常減少。根據(jù)上述，所希望的是，在同一聲波流量傳感器的傳感器模 片上完成聲波溫度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
以下發(fā)明概述的提供是為了便于對一些實施例的唯一創(chuàng)新特征的理 解，并不意圖是一個全面的描述。通過把整個說明書、權(quán)利要求書、附
圖和摘要看作一個整體能獲得對實施例的各方面的全面了解。 因此，本發(fā)明的一個方面是提供一種改進(jìn)的流量傳感器。 本發(fā)明的另 一個方面是提供一種并入交指型表面波部件的流量傳感器。
現(xiàn)在能夠如在這里所描述的那樣達(dá)到上述的本發(fā)明的各個方面以及 其他目標(biāo)和優(yōu)點。拔露一種聲波流量傳感器，這種聲波流量傳感器包括 一個傳感器基片和一個蝕刻在傳感器基片上的聲波膜片，其中機(jī)械應(yīng)力 或應(yīng)變集中在聲波膜片中。 一個或幾個交指型換能器能夠配置在聲波膜 片上，其中傳感器基片、聲波膜片和一個或幾個交指型換能器組成一個 聲波流量傳感器，使得在交指型換能器和聲波膜片暴露于流動中流體 時，流動中的流體使聲波膜片經(jīng)歷導(dǎo)致可探測的頻率變化的機(jī)械應(yīng)力或 應(yīng)變的變化，以便提供該流動中的流體的指示。另外，該流動中的流體 使聲波膜片經(jīng)歷導(dǎo)致可探測的相位變化的機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化，以便 提供流動中流體的指示。
披露一種新的流體流量傳感器設(shè)計，這種流體流量傳感器設(shè)計是基
于在表面聲波(SAW)裝置上流量感應(yīng)應(yīng)力的測量，它能用在每個傳感器 模片或芯片上的一個SAW傳感器來實現(xiàn)。在這樣的SAW流體流量傳感器 中，機(jī)械應(yīng)力/應(yīng)變既影響傳播路徑長度又影響波速。于是，頻率和/或 相位上的變化與應(yīng)變和/或應(yīng)力相關(guān)聯(lián)。應(yīng)變和/或應(yīng)力集中在蝕刻的SAW 膜片上，所以最后所得到的蝕刻SAW芯片對于流體流量的探測具有很高 的應(yīng)變和/或應(yīng)力靈敏度。


在附圖中，遍及各個視圖上的相同的參考數(shù)字系指等同的或功能上 相同的元件。這些附圖引入到說明書中而構(gòu)成說明書的一部分，還圖解 實施例，以及同詳細(xì)描述一起用于解釋其中具體體現(xiàn)的原理。
圖l表示按照一個優(yōu)選實施例的一個流量傳感器系統(tǒng)的側(cè)視圖，這 個流量傳感器系統(tǒng)包括不在應(yīng)力下的SAW蝕刻膜片；
圖2表示圖1上描繪的按照一個優(yōu)選實施例的一個流量傳感器系統(tǒng) 的側(cè)視圖，這個流量傳感器系統(tǒng)具有在應(yīng)力下的SAW蝕刻膜片；
圖3表示圖l-2上描繪的按照一個優(yōu)選實施例的一個SAW傳感器的 頂視圖，這個SAW傳感器具有SAW蝕刻膜片；
圖4表示一個流量傳感器系統(tǒng)的圖，這個流量傳感器系統(tǒng)能按照一 個替換的實施例完成；
圖5表示一個SAW傳感器的透視圖，這個SAW傳感器適于圖4上描 繪系統(tǒng)的情況下使用；以及
圖6表示按照一個或幾個實施例的流動速率對切力和溫度的曲線圖。
具體實施例方式
在這些非限制性例子中討論的個別數(shù)值和配置能改變，它們只作為 舉例用于具體說明本發(fā)明的至少一個實施例，而不意圖用它們?nèi)ハ拗票?發(fā)明的范圍。
圖1表示按照一個優(yōu)選實施例的一個流量傳感器系統(tǒng)100的側(cè)視 圖，這個流量傳感器系統(tǒng)包括不在應(yīng)力下的SAW蝕刻膜片106。圖2表 示圖1描繪的按照一個優(yōu)選實施例的一個流量傳感器系統(tǒng)100的側(cè)視 圖，這個流量傳感器系統(tǒng)具有在應(yīng)力下的SAW蝕刻膜片106。圖3表示 圖1-2上描繪的按照一個優(yōu)選實施例的一個SAW傳感器300的頂視圖， 這個SAW傳感器具有SAW蝕刻膜片106。注意，在圖l-3中， 一般用等 同的參考數(shù)字表示等同的或類似的部件或元件。
在圖l的配置中，系統(tǒng)100用具有央部分104的管102描繪，其中 流體不存在或者不在管102內(nèi)流動。SAW傳感器300也描繪在圖1上， 其和管102連接或并入又管102。 一般說來，圖1上用虛線表示的SAW 傳感器300包括配置在SAW蝕刻膜片106上面的SAW模片110上的一個 或幾個SAW交指型換能器(IDT) 108、 109。 SAW模片110能夠例如作為 壓電基片形成。
可以利用各種基片材料構(gòu)成這樣的壓電基片(即SAW模片110)。 可利用例如石英、鈮酸鋰(LiNb03)、鉭酸鋰(LiTaOO 、 Li2B407、 GaPO" 硅酸鑭鎵(La3Ga5SiO") 、 ZnO和/或例如鋁、鎵或Ln (僅舉幾個例子) 的外延生長氮化物構(gòu)成基片或SAW模片110，隨設(shè)計考慮而定。注意， 雖然這里的例子是指SAW裝置，但可知道，SAW傳感器300能夠在聲板 模式(APM)部件的意義上完成，而不是SAW部件，當(dāng)然隨設(shè)計考慮而定。 另外，SAW或APM傳感器300能作為諧振器型式的裝置或延遲線型式的 裝置完成。
SAWIDT108、 109能由在SAW模片110的表面上光刻制造的一組或 幾組穿插的金屬電極組成，SAW模片110可以例如作為壓電基片構(gòu)成。
SAW IDT 108、 109能由一般分成三組的材料構(gòu)成。笫一，SAW IDT 108、 109可由金屬類材料(例如，Al、 Pt、 Au、 Rh、 Ir、 Cu、 Ti、 W、 Cr或 Ni)構(gòu)成。第二， SAW IDT 108、 109可由例如NiCr或CuAl的合金構(gòu) 成。第三，SAW IDT 108、 109可由金屬-非金屬化合物(例如基于TiN、 CoSL或WC的陶資電極)構(gòu)成。
在圖2的配置中，示出系統(tǒng)100具有在管102的中央部分104內(nèi)流 動的流體，如箭頭202所示。SAW傳感器300也圖示在圖2上。然而， 在圖2的配置中，SAW蝕刻膜片106現(xiàn)在被表示為在由于存在流體流動 引起的應(yīng)力下，流體流動如箭頭202所示。在圖3上更詳細(xì)地表示傳感 器300的實際配置。傳感器300包括SAW模片110、 SAW蝕刻膜片106 和SAW IDT 108。拉力在圖2上由箭頭204表示。
從圖1-3可知道，系統(tǒng)300涉及了在SAW裝置或傳感器300上的流 體流動感應(yīng)力的測量。例如，只用一個由SAW蝕刻膜片106和SAW模片 (即芯片)110上的SAW IDT 108組成的SAW部件就能配置SAW傳感器 300。在SAW傳感器300中，機(jī)械應(yīng)力/應(yīng)變既影響傳播長度又影響波速。 頻率和/或相位上的變化與應(yīng)變/應(yīng)力相關(guān)聯(lián)。應(yīng)變和/或應(yīng)力集中在SAW 蝕刻膜片106上，使得蝕刻SAW芯片110具有較高的應(yīng)變/應(yīng)力靈敏度。
圖4表示一個流量傳感器系統(tǒng)400的圖，這個流量傳感器系統(tǒng)能按 照一個替換的實施例完成。圖5表示一個SAW流量傳感器500的透視圖， 這個SAW流量傳感器適于結(jié)合圖4上描繪系統(tǒng)400 —起使用。注意，在 圖1-5中，等同的或類似的部件或元件一般由等同的參考數(shù)字表示。于 是，系統(tǒng)400并入了與圖l-3描繪的流量傳感器300類似的SAW流量傳 感器500的使用。在圖5上更詳細(xì)地表示SAW流量傳感器500。傳感器 500包括形成在蝕刻SAW膜片106上的SAW IDT 108，該SAW IDT 108 與在基片或SAW模片IIO上的天線502聯(lián)系。
SAW傳感器300和SAW傳感器500之間的差別在于，SAW傳感器500 配置成配備有天線402，該天線402向詢問器單元406發(fā)射信號和從詢 問器單元406接收信號，該詢問器單元406起發(fā)射器/接收器作用，用于 無線地向SAW傳感器300發(fā)射信號和從SAW傳感器300接收信號。數(shù)據(jù) 的無線傳輸在圖4上由箭頭405大致表示。詢問器404也配備一個天線， 用于無線地發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)然，SAW流量傳感器500起類似于圖1-3上描繪的SAW流量傳感器300的作用。
圖6表示按照一個或幾個實施例的流動速率對切力和溫度的曲線圖 600。在曲線圖600的配置中，Y軸602繪成代表切應(yīng)力數(shù)據(jù)，而X軸608 表示成代表流動速率數(shù)據(jù)的。所以，線604能被畫出與溫度T1有關(guān)，而 線606能被畫出與溫度T2有關(guān)。如圖600所示，溫度T2大于溫度T1。 曲線圖600簡單的表明了對于這里揭示的傳感器實施例需要溫度讀數(shù)的 原因，因為切應(yīng)力隨流動速率和溫度的變化而變化。
會理解到，上面揭示的和其他的特征和功能或者它們的替換可以任 意地組合成許多其他不同的系統(tǒng)或應(yīng)用。還有，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn) 行后續(xù)的各種當(dāng)前無法預(yù)料或者無法預(yù)測的替代、修改、變形、或改進(jìn)， 這些同樣包括在后面的權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種聲波流量傳感器，包括傳感器基片；聲波膜片，其被蝕刻在所述傳感器基片上，其中機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變集中在所述聲波膜片中；以及至少一個交指型換能器，其配置在所述聲波膜片上，其中所述傳感器基片、所述聲波膜片和所述至少一個交指型換能器組成一個聲波流量傳感器，使得在所述至少一個交指型換能器和所述聲波膜片暴露于流動中的流體時，所述流動中的流體使所述聲波膜片經(jīng)歷導(dǎo)致可探測的頻率變化的所述機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化，以便提供所述流動中流體的指示。
2. 權(quán)利要求l的傳感器，其中所述流動中的流體使所述聲波膜片經(jīng) 歷導(dǎo)致可探測的相位變化的所述機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化，以便提供所述流動中流體的指示。
3. 權(quán)利要求l的傳感器，其中所述傳感器基片包含壓電材料。
4. 權(quán)利要求3的傳感器，其中所述壓電材料包括下面類型材料中的 至少一種石英、鈮酸鋰(LiNb(h)、鉭酸鋰(LiTaOs) 、 Li2B407、 GaP04, 硅酸鑭鎵(La3Ga5SiOM) 、 Zn0和外延生長氮化物。
5. 權(quán)利要求l的傳感器，其中所述至少一個交指型換能器由包含下面類型材料中的至少一種金屬類材料、合金或金屬-非金屬化合物。
6. 權(quán)利要求l的傳感器，還包括配置在所述聲波膜片上與所述至少一個交指型換能器相關(guān)聯(lián)的天線。
7. 權(quán)利要求6的傳感器，還包括詢問器單元，所述詢問器單元配備有用于發(fā)射詢問信號到所述聲波流量傳感器的天線。
8. <image>image see original document page 2</image>
9. 一種聲波流量傳感器，包括 傳感器基片，其包含壓電材料；聲波膜片，其被蝕刻在所述傳感器基片上，其中機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變集中在所述聲波膜片中；以及至少一個交指型換能器，其配置在所述聲波膜片上，其中所述傳感 器基片、所述聲波膜片和所迷至少一個交指型換能器組成一個聲波流量 傳感器，其中在所述至少一個交指型換能器和所述聲波膜片暴露于流動 中的流體時，所述流動中的流體使所述聲波膜片經(jīng)歷導(dǎo)致可探測的頻率 或相位變化的所述機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化，以便提供所述流動中流體的指示。
10. —種聲波流量傳感方法，包括 提供包含壓電材料的傳感器基片；在所述傳感器基片上蝕刻聲波膜片，其中機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變集中在所 述聲波膜片中；以及在所述聲波膜片上配置至少一個交指型換能器，其中所述傳感器基 片、所述聲波膜片和所述至少一個交指型換能器組成一個聲波流量傳感 器；將所述至少一個交指型換能器和所述聲波膜片暴露于流動中的流 體，其中所述流動中的流體使所述聲波膜片經(jīng)歷導(dǎo)致可探測的頻率變化 的所述機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化，以便提供所述流動中流體的指示。
全文摘要
公開一種聲波流量傳感器，其包括傳感器基片和被蝕刻在傳感器基片上的聲波膜片，其中機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變集中在聲波膜片中。一個或幾個交指型換能器被配置在聲波膜片上，其中傳感器基片、聲波膜片和交指型換能器組成一個聲波流量傳感器，使得在交指型換能器和聲波膜片暴露于流動中的流體時，流動中的流體使聲波膜片經(jīng)歷導(dǎo)致可探測的頻率和/或相位變化的機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化，以便提供流體流量的指示。
文檔編號G01F1/66GK101208584SQ200680023190
公開日2008年6月25日 申請日期2006年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者J·Z·T·劉, R·阿齊茲 申請人:霍尼韋爾國際公司