本發(fā)明涉及一種基于微細(xì)加工技術(shù)的熱式流量傳感器及其制作方法與應(yīng)用，屬于微細(xì)加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

流量測量在能源、生物、汽車、航空航天、科研、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用，如能源領(lǐng)域的水、天然氣、蒸汽和油品等常用的能源監(jiān)測，生物技術(shù)中血液，尿液等監(jiān)測。汽車發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量監(jiān)測等領(lǐng)域，都使用著數(shù)量極其龐大的流量計，它們是能源管理、高效利用、經(jīng)濟(jì)核算不可缺少的工具，也是高效利用能源、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減小環(huán)境污染、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。不同應(yīng)用的流量計，其工作原理也不同，主要工作原理有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、光學(xué)原理等。

熱式流量計是在早期熱線風(fēng)速計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型流量計，基于熱學(xué)原理，即Thomas提出的“氣體的放熱量與吸熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”的理論進(jìn)行工作的，因其具有測量精度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)以及天然氣管道運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。熱式流量計可分為熱線式流量計和熱膜式流量計，其主要工作方式有恒溫差式和恒流式，通過不同的信號控制與處理電路實(shí)現(xiàn)。

熱線式流量計通常由感知空氣流量的熱敏絲(熱線)和對進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正的溫度補(bǔ)償熱敏絲(冷線)構(gòu)成，利用熱線與空氣之間的熱傳遞進(jìn)行質(zhì)量流量測量。熱線式流量計探頭中的熱線和冷線，跟處理電路中的兩個精密電阻，通常構(gòu)成惠斯通電橋進(jìn)行工作。熱線式流量計較傳統(tǒng)流量計，可直接測得進(jìn)氣空氣的質(zhì)量流量，無需壓力補(bǔ)償?shù)炔考?，具有進(jìn)氣阻力小、響應(yīng)特性好、測量精度高等特點(diǎn)。但通常熱線和冷線采用熱敏電阻通過陶瓷或玻璃封裝制作而成，這樣的制作工藝使得其均勻性、一致性較差，成本較高，且批量生產(chǎn)較困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的在于利用現(xiàn)有的微細(xì)加工技術(shù)，提供一種更易批量化生產(chǎn)的、均勻性較高的熱式流量傳感器及其制作方法與應(yīng)用。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種熱式流量傳感器，它包括襯底、通過微細(xì)加工技術(shù)直接制作在襯底上的熱敏電阻，位于襯底和熱敏電阻之上并同襯底一起將熱敏電阻包裹的鈍化層，熱敏電阻端部具有焊盤，鈍化層具有使焊盤露出的引線孔，襯底所采用的材料為石英或玻璃。

進(jìn)一步地，襯底的厚度為150μm～800μm。

進(jìn)一步地，熱敏電阻所采用的材料為金屬膜、金屬氮化物、金屬硅化物、摻雜非晶硅、摻雜單晶硅、摻雜多晶硅、氧化釩中的一種或其中幾種的復(fù)合材料，或P-Si/n-Si或Si/Al熱電偶材料，或Si/GeSi超晶格，或PN結(jié)。

更進(jìn)一步地，金屬膜采用鉬、鉭、鈦、鎢、鈷、鎳、鐵、鈮、鉿、鉻、鋯、鉑中的一種或其中幾種組成的復(fù)合材料。

更進(jìn)一步地，金屬氮化物為氮化鉭、氮化鉬、氮化鎢、氮化鈦中的任一種。

更進(jìn)一步地，金屬硅化物為硅化鎢、硅化鉬、硅化鈷、硅化鎳中的任一種。

進(jìn)一步地，熱敏電阻的厚度為0.15μm～1μm。

進(jìn)一步地，鈍化層為SiO_x、SiN_x、SiON中的一種或幾種復(fù)合膜層。

進(jìn)一步地，鈍化層的厚度為0.2μm～2μm。

本發(fā)明還提供了另一種技術(shù)方案：一種上述的熱式流量傳感器的制作方法，包括以下步驟：

a.選用石英或玻璃作為襯底；

b.在襯底上生長熱敏材料，并圖形化形成所需的熱敏電阻，熱敏電阻具有焊盤；

c.生長鈍化層；

d.刻蝕鈍化層以形成引線孔，使熱敏電阻的焊盤從引線孔露出。

本發(fā)明還提供了一種技術(shù)方案：一種上述的熱式流量傳感器和控制與處理電路的集成應(yīng)用：將兩片熱式流量傳感器和控制與處理電路單元通過綁線集成，將兩片熱式流量傳感器長度方向相平行地封裝在取樣管道內(nèi)，并使流量傳感器長度方向與待測流體的流動方向相垂直，一片熱式流量傳感器位于待測流體的入口處，作為冷線，被定義為Rs，另一片熱式流量傳感器位于待測流體的出口處，作為熱線，被定義為Rh，Rs和Rh與控制與處理電路單元中的電阻Ra和電阻Rb組成惠斯通電橋，來檢測流體的質(zhì)量流量。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明熱式流量傳感器及其制作方法與應(yīng)用，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用石英或玻璃材料作為基底，由于其低熱導(dǎo)特性，使制作出來的熱式傳感器響應(yīng)靈敏度高；

2.采用微細(xì)加工工藝在石英或玻璃材料上加工，制作完成后同時充當(dāng)了熱敏電阻的封裝材料，將熱敏電阻包裹于其中，起到了保護(hù)熱敏電阻的作用，因此無需進(jìn)行專門封裝，制作工藝簡單，且微細(xì)加工技術(shù)可保證制作出的傳感器均勻性好，一致性高；

3.采用微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行加工，易于批量生產(chǎn)，成本低。

附圖說明

附圖1為本實(shí)施例中鏤空熱膜式流量傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為附圖1中的AA’剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為附圖1中的BB’剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為本實(shí)施例中熱式流量傳感器的制作方法的步驟a的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5為本實(shí)施例中熱式流量傳感器的制作方法的步驟b的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖6為本實(shí)施例中熱式流量傳感器的制作方法的步驟c的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖7為本實(shí)施例中熱式流量傳感器的制作方法的步驟d的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖8為本實(shí)施例中熱式流量傳感器和控制與處理電路單元的集成電路結(jié)構(gòu)示意圖，其中，空心箭頭表示待測流體的流動方向；

附圖9為本實(shí)施例中熱式流量傳感器和控制與處理電路單元的集成電路原理圖，其中A為檢流計，空心箭頭表示待測流體的流動方向。

圖中標(biāo)號為：

1、襯底；2、熱敏電阻；3、鈍化層；4、引線孔；5、焊盤；6、控制與處理電路單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。

參見附圖1至附圖3，本實(shí)施例中的熱式流量傳感器，襯底1、位于襯底1上的鈍化層3、位于襯底1和鈍化層3之間的熱敏電阻2。

襯底1的厚度為150μm～800μm，所采用的材料為石英或玻璃。

熱敏電阻2通過微細(xì)加工技術(shù)直接制作在襯底1上，熱敏電阻2的形狀可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行圖形化，優(yōu)選地，熱敏電阻2的長度方向與熱式流量傳感器的長度方向相平行，附圖1所示的本實(shí)施例中給出了一種熱敏電阻的形狀。熱敏電阻2具有焊盤5，焊盤5位于熱敏電阻2的兩端部。熱敏電阻2的厚度為0.15μm～1μm，所采用的材料為金屬膜、金屬氮化物、金屬硅化物、摻雜非晶硅、摻雜單晶硅、摻雜多晶硅、氧化釩中的一種或其中幾種的復(fù)合材料，或P-Si/n-Si或Si/Al等熱電偶材料，或Si/GeSi超晶格，或PN結(jié)等。金屬膜優(yōu)選采用鉬、鉭、鈦、鎢、鈷、鎳、鐵、鈮、鉿、鉻、鋯、鉑中的一種或其中幾種組成的復(fù)合材料。金屬氮化物優(yōu)選為氮化鉭、氮化鉬、氮化鎢、氮化鈦中的任一種。金屬硅化物優(yōu)選為硅化鎢、硅化鉬、硅化鈷、硅化鎳中的任一種。

鈍化層3位于襯底1和熱敏電阻2之上，并同襯底1一起將熱敏電阻2包裹。鈍化層3上刻蝕有引線孔4，以使熱敏電阻2的焊盤5露出。本實(shí)施例中引線孔4為圓形孔。鈍化層3的厚度為0.2μm～2μm，鈍化層3為SiO_x、SiN_x、SiON中的一種或幾種復(fù)合膜層。

參照附圖4至附圖7，一種上述的熱式流量傳感器的制作方法，該制作方法包括以下步驟：

a.選用熱導(dǎo)率低、電絕緣性高的石英或玻璃作為襯底，厚度優(yōu)選為150μm到800μm，如附圖4所示。

b.在襯底1上生長熱敏材料，并圖形化形成所需的熱敏電阻2，厚度優(yōu)選為0.15μm～1μm，所采用的材料優(yōu)選為金屬膜、金屬氮化物、金屬硅化物、摻雜非晶硅、摻雜單晶硅、摻雜多晶硅、氧化釩中的一種或其中幾種的復(fù)合材料，或P-Si/n-Si或Si/Al等熱電偶材料，或Si/GeSi超晶格，或PN結(jié)等。金屬膜優(yōu)選采用鉬、鉭、鈦、鎢、鈷、鎳、鐵、鈮、鉿、鉻、鋯、鉑中的一種或其中幾種組成的復(fù)合材料。金屬氮化物優(yōu)選為氮化鉭、氮化鉬、氮化鎢、氮化鈦中的任一種。金屬硅化物優(yōu)選為硅化鎢、硅化鉬、硅化鈷、硅化鎳中的任一種。如附圖5所示。熱敏電阻2的形狀可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行圖形化，本實(shí)施例中附圖1給出了一種熱敏電阻的形狀。熱敏電阻2具有焊盤5，焊盤5位于熱敏電阻2的兩端部。

c.生長鈍化層3，厚度優(yōu)選介于0.2μm～2μm之間，鈍化層材料優(yōu)選為SiO_x、SiN_x、SiON中的一種或幾種復(fù)合膜層。

d.刻蝕鈍化層3以形成引線孔4，使熱敏電阻2的焊盤5從引線孔4露出。引線孔4所刻蝕的位置對應(yīng)焊盤5。本實(shí)施例中引線孔4為圓形孔。

參照附圖8和附圖9，一種上述的熱式流量傳感器和控制與處理電路的集成應(yīng)用：將兩片熱式流量傳感器和控制與處理電路單元6通過綁線集成，將兩片熱式流量傳感器長度方向相平行地封裝在取樣管道內(nèi)，并使流量傳感器長度方向與待測流體的流動方向相垂直，一片熱式流量傳感器位于待測流體的入口處，作為冷線，被定義為Rs，另一片熱式流量傳感器位于待測流體的出口處，作為熱線，被定義為Rh，Rs和Rh與控制與處理電路單元6中的精密電阻Ra和Rb組成惠斯通電橋，來檢測流體的質(zhì)量流量。

其原理為：冷線Rs用于感測待測流體的初始溫度，并將信號傳送到控制與處理電路單元6，控制與處理電路單元6控制熱線Rh的溫度始終高于待測流體初始溫度的某一個定值，并保持該溫差不變。當(dāng)空氣流過Rh時，Rh的溫度降低，其電阻減小，電橋失去平衡。若要電橋恢復(fù)平衡，則要增加流過電阻Rh的電流，恢復(fù)Rh的溫度和電阻值，加熱電流通過精密電阻Ra兩端的電壓Uo相應(yīng)增加,該電壓的大小與流過電阻Rh流體的質(zhì)量流量成正比,因此電壓值的大小反映了待測流體的質(zhì)量流量，從而實(shí)現(xiàn)了該傳感器對待測流體質(zhì)量流量的測量。

本熱式流量傳感器及其制作方法與應(yīng)用，利用石英或玻璃作為襯底，在襯底上制作熱敏電阻以及鈍化層，形成新型的熱敏探頭。石英或玻璃在制作時作為襯底材料，同時制作完成后也充當(dāng)了熱敏電阻的封裝材料，將熱敏電阻包裹于其中，起到了保護(hù)熱敏電阻的作用，因此無需進(jìn)行專門封裝，一方面使得制作工藝大大簡化，另一方面消除了傳統(tǒng)制作方法中的封裝工藝造成的熱敏電阻的均勻性問題，使得熱敏電阻的均勻性有效提高。此外，采用石英或玻璃作為襯底，由于其低熱導(dǎo)特性，使制作出來的熱敏探頭響應(yīng)靈敏度高。采用微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行制作，相對于傳統(tǒng)的熱線式流量計，本發(fā)明提出的流量傳感器均勻性好，一致性高，探測靈敏度好，且易于批量生產(chǎn)，成本大大降低。

以上結(jié)合實(shí)施方式對本發(fā)明做了詳細(xì)說明，只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。