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專利名稱：測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是涉及流體計(jì)量設(shè)備，特別是涉及一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器。
背景技術(shù)：
熱式流量測(cè)量是20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一種有效的流體測(cè)量技術(shù)。它主要分為風(fēng)速計(jì)(anemometer)和測(cè)熱型(calorimetric)兩種方式。風(fēng)速計(jì)的原理建立在1914年提出的King’s Law(金氏定律)基礎(chǔ)上。以流體流動(dòng)下加熱絲的熱耗散程度作為測(cè)量依據(jù)，具有頻率高，精度高的特點(diǎn)，在中高速的流體測(cè)量，尤其是風(fēng)速的測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。而隨著微流控系統(tǒng)，半導(dǎo)體制備，精細(xì)化工，藥物釋控等領(lǐng)域的發(fā)展，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，適用于測(cè)量微小流量的測(cè)熱型傳感器開(kāi)始被積極研究并投入應(yīng)用。測(cè)熱型傳感器的測(cè)量原理則以探測(cè)流體流動(dòng)過(guò)程中加熱器兩側(cè)的溫度分布來(lái)探測(cè)流速大小，它以其低速敏感，信號(hào)線性度高等優(yōu)勢(shì)在流體的低速精密測(cè)量中表現(xiàn)優(yōu)異，成為極低流速范圍內(nèi)最有效的測(cè)量方式之一，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在需要精密測(cè)量和控制微小流量的精細(xì)化工，半導(dǎo)體制備，生物檢測(cè)，化學(xué)分析和藥物釋控等方面。上述兩種方式都具有較為廣泛的應(yīng)用前景，但都各自存在不足。主要為以下五點(diǎn)1)作為風(fēng)速計(jì)，其探頭是由傳統(tǒng)加工工藝制作而成的懸空的極細(xì)金屬絲(直徑10um左右)，存在易遭損壞，成本很高，壽命較短等問(wèn)題；2)作為傳統(tǒng)風(fēng)速計(jì)，在檢測(cè)流速的同時(shí)無(wú)法判別流向；3)作為傳統(tǒng)測(cè)熱型傳感器，其探頭需要由傳統(tǒng)加工工藝制作而成的極細(xì)金屬絲纏繞在一定載體上，工藝較為復(fù)雜，成本高。并且由于需要探測(cè)加熱點(diǎn)兩端的溫度分布，探測(cè)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，造成加熱功率高，能耗大；4)作為傳統(tǒng)測(cè)熱型傳感器，在進(jìn)行低流速測(cè)量時(shí)，要求適用于管徑較小的場(chǎng)合。而傳統(tǒng)工藝加工的測(cè)熱型傳感器由于體積較大，在應(yīng)用時(shí)通常只能作為管路式或者旁路式進(jìn)行測(cè)量，很難實(shí)現(xiàn)探頭式的測(cè)量；5)兩者的測(cè)量范圍都有一定限制，采用傳統(tǒng)工藝無(wú)法在集成到一個(gè)探頭上，因此存在測(cè)量范圍上的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種利用微加工工藝，兼容風(fēng)速計(jì)型和測(cè)熱型傳感器兩種工作模式的、造價(jià)低廉的、低功耗微型測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案包括溝槽封裝層自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽的硅襯底、橫膈膜、一組電阻相同的復(fù)合金屬絲陣列、蓋在復(fù)合金屬絲陣列上的金屬絲封裝層，復(fù)合金屬絲陣列以中心一條加熱絲為軸對(duì)稱平行排列N對(duì)金屬絲；在橫膈膜左右兩側(cè)有與金屬絲相同條數(shù)并與金屬絲兩端相連的芯片電節(jié)點(diǎn)。
本實(shí)用新型具有的有益的效果是a、采用鎳/鉻復(fù)合金屬絲陣列作為敏感元件和加熱絲，較鉑等溫度敏感金屬價(jià)格低廉，并可以獲得更高的溫度電阻系數(shù)以及相對(duì)于同厚度純鎳來(lái)說(shuō)更大的方塊電阻率；而利用超真空鍍膜，濺射等工藝來(lái)制作敏感元件，相對(duì)直接用硅及其常規(guī)化合物的加工來(lái)說(shuō)，具有溫度低，熱應(yīng)力小的特點(diǎn)；b、采用聚酰亞胺作為橫膈膜支撐金屬絲，可獲得良好的絕熱絕緣特性，低的熱應(yīng)力，并具有低的加工成本和材料成本，易于獲得和實(shí)現(xiàn)；c、采用聚酰亞胺作為金屬絲的封裝材料，除具有良好的絕緣絕熱特性之外，具有小的熱應(yīng)力，工藝兼容性好，以及良好的防水性，生物兼容性，并且在300℃左右的溫度下保持物理化學(xué)性質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定；d、在橫膈膜下形成一個(gè)絕緣絕熱的空腔，可以更好的實(shí)現(xiàn)硅襯底與金屬絲間的絕熱性能；且該空腔與外界直接相通，在使用時(shí)將充滿流體，因此實(shí)現(xiàn)了聚酰亞胺橫膈膜上表面和下表面的壓力平衡，具有良好的抗壓特性，適用于探頭式傳感器的需要；同時(shí)，由于空腔與外界相通，在用于極小管道的時(shí)候可用聚酰亞胺等作為黏合劑直接粘合細(xì)管作為管路式傳感器；e、用聚酰亞胺作為黏合劑對(duì)溝槽進(jìn)行封裝，較用硅膠等其他有機(jī)黏附材料更容易獲得良好的平整度；同時(shí)，與鍵合工藝相比較，避免了高溫帶來(lái)的材料兼容問(wèn)題和熱應(yīng)力問(wèn)題。
f、本實(shí)用新型提供的梯形溝槽在作為絕熱結(jié)構(gòu)的同時(shí)，又可應(yīng)用于微流控系統(tǒng)中微流道內(nèi)的流量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)管路式測(cè)量。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的A-A剖面圖；圖4為本實(shí)用新型作為管路式使用時(shí)的示意圖。
圖中1.金屬絲封裝層，2.鎳/鉻復(fù)合金屬絲陣列，3.橫膈膜，4.硅襯底，5.梯形溝槽，6.溝槽封裝層，7.芯片電節(jié)點(diǎn)，8.超聲點(diǎn)焊引線，9.印刷電路板電節(jié)點(diǎn)，10.印刷電路板。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1、圖3所示，本實(shí)用新型包括溝槽封裝層6自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽5的硅襯底4、橫膈膜3、一組電阻相同的復(fù)合金屬絲陣列2、蓋在復(fù)合金屬絲陣列2上的金屬絲封裝層1，復(fù)合金屬絲陣列2以中心一條加熱絲為軸，除加熱絲以外對(duì)稱平行排列N對(duì)(N＝2～5)金屬絲；在橫膈膜3左右兩側(cè)有與金屬絲相同條數(shù)并與金屬絲兩端相連的芯片電節(jié)點(diǎn)7。
所述的復(fù)合金屬絲為鎳/鉻復(fù)合金屬絲，金屬絲線寬10μm-30μm，厚度100nm-200nm。
以中心一條加熱絲為軸平行排列的金屬絲對(duì)，距離加熱絲最遠(yuǎn)距離為≤800μm，最近距離≥300μm。
橫膈膜3為聚酰亞胺橫膈膜，對(duì)復(fù)合金屬絲的支撐和絕熱絕緣。
金屬絲封裝層1為聚酰亞胺封裝層。
硅襯底3與溝槽封裝層6之間的黏合劑為聚酰亞胺。
硅襯底3的梯形溝槽5兩端用聚酰亞胺黏合劑11黏合管路12，管路12的外徑為≤0.5mm。
使用時(shí)，在管徑較大時(shí)，作為探頭式傳感器使用。如圖2、圖3所示，將本實(shí)用新型的傳感器的溝槽封裝層6安裝在印刷電路板10中間，在印刷電路板10左右兩側(cè)分別有與芯片電節(jié)點(diǎn)7相同條數(shù)、并分別用超聲點(diǎn)焊引線8與傳感器左右兩側(cè)芯片電節(jié)點(diǎn)7相連的印刷電路板電節(jié)點(diǎn)9。在管徑≤0.5mm時(shí)，如圖4所示，作為管路式傳感器使用。
A、低速段情況采用測(cè)熱型方式進(jìn)行探測(cè)，步驟如下在鎳鉻復(fù)合金屬絲陣列之中，中心一條金屬絲作為加熱絲對(duì)流體進(jìn)行局部加熱，其余鎳鉻復(fù)合金屬絲對(duì)稱分布在加熱絲兩端，作為溫度敏感電阻絲感應(yīng)流場(chǎng)溫度分布變化。它們與加熱絲的距離在300μm-800μm的范圍內(nèi)。圖中示出兩對(duì)溫度敏感電阻絲作為示意。在流速很低的情況下，可以使用距離加熱絲較遠(yuǎn)的一對(duì)溫度敏感電阻絲的電阻變化情況作為信號(hào)輸入。在流速增加到一定程度，可以換用距離較近的一對(duì)溫度敏感電阻絲的電阻變化情況作為信號(hào)輸入。在該種情況下，可同時(shí)探測(cè)流體的一維流速和流向。
B、高速段情況如果速度增加到使距離最近的一組溫度敏感絲的信號(hào)趨于飽和之后，則不再利用測(cè)熱型原理進(jìn)行探測(cè)，而改用風(fēng)速計(jì)方式進(jìn)行工作，通過(guò)探測(cè)加熱絲本身電阻變化來(lái)探測(cè)流速。此時(shí)，在加熱絲上游段距離最遠(yuǎn)的金屬絲已經(jīng)不再受到加熱絲溫度的影響，因此可作為流體原始溫度的參考電阻。但是，僅探測(cè)加熱絲電阻隨溫度的變化不能給出流向信息。因此此時(shí)可以選取對(duì)稱金屬絲中的距離加熱絲最近的一對(duì)電阻絲的電阻變化作為流向信息的來(lái)源。
通過(guò)上述模式，可以得到探測(cè)流速和流向所需要的電信號(hào)。該電信號(hào)通過(guò)芯片本身的電節(jié)點(diǎn)8連接到印刷電路板的電節(jié)點(diǎn)9上，作為信號(hào)輸出。芯片電節(jié)點(diǎn)8與印刷電路板上電節(jié)點(diǎn)9的連接通過(guò)超聲點(diǎn)焊完成。如圖2，圖3所示。
在上述兩種模式下，加熱絲均由外接直流電源供電，加熱絲兩端電壓范圍根據(jù)需要的加熱溫度可在3.6V-10V之間進(jìn)行選擇。在達(dá)到應(yīng)用上的頻率要求的同時(shí)，可按照需求使用一定頻率的脈沖式直流供電。
在測(cè)量微升級(jí)與毫升級(jí)微小流量時(shí)，由于微流控系統(tǒng)通常管路很小，探頭工作方式不適用，因此可按照?qǐng)D4所示外接管路，此時(shí)傳感器內(nèi)部溝槽作為流道，成為管路式流體傳感器。該種應(yīng)用方式在藥物釋控，精細(xì)化工以及生物檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求1.一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器，其特征在于包括溝槽封裝層(6)自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽(5)的硅襯底(4)、橫膈膜(3)、一組電阻相同的復(fù)合金屬絲陣列(2)、蓋在復(fù)合金屬絲陣列(2)上的金屬絲封裝層(1)，復(fù)合金屬絲陣列(2)以中心一條加熱絲為軸對(duì)稱平行排列N對(duì)金屬絲；在橫膈膜(3)左右兩側(cè)有與金屬絲相同條數(shù)并與金屬絲兩端相連的芯片電節(jié)點(diǎn)(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器，其特征在于所述的復(fù)合金屬絲為鎳/鉻復(fù)合金屬絲，金屬絲線寬10μm-30μm，厚度100nm-200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器，其特征在于以中心一條加熱絲為軸平行排列的金屬絲對(duì)，距離加熱絲最遠(yuǎn)距離為≤800μm，最近距離≥300μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器，其特征在于橫膈膜(3)為聚酰亞胺橫膈膜，作為對(duì)復(fù)合金屬絲的支撐和絕熱絕緣結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器，其特征在于金屬絲封裝層(1)為聚酰亞胺封裝層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器，其特征在于在硅襯底(4)與溝槽封裝層(6)之間的黏合劑為聚酰亞胺。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器，其特征在于在硅襯底(4)的梯形溝槽(5)兩端用黏合劑(11)黏合管路(12)，管路(12)的外徑為≤0.5mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種測(cè)熱型和風(fēng)速計(jì)一體化流速傳感器。在溝槽封裝層自下而上依次裝有腐蝕形成橫截面為梯形溝槽的硅襯底、橫膈膜、一組電阻相同的復(fù)合金屬絲陣列、蓋在復(fù)合金屬絲陣列上的金屬絲封裝層，復(fù)合金屬絲陣列以中心一條加熱絲為軸對(duì)稱平行排列N對(duì)金屬絲；在橫膈膜左右兩側(cè)有與金屬絲相同條數(shù)并與金屬絲兩端相連的芯片電節(jié)點(diǎn)。本實(shí)用新型將風(fēng)速計(jì)和測(cè)熱型探頭集成為一排鎳/鉻復(fù)合金屬絲陣列，探測(cè)一維流動(dòng)的流速和流向，實(shí)現(xiàn)低流速的精密測(cè)量和較大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。該傳感器具有體積小，成本低，能耗低等特點(diǎn)。該傳感器既可用作探頭式傳感器進(jìn)行常規(guī)管道的流量計(jì)量，又可作為管路式傳感器測(cè)量微流控系統(tǒng)中微小管道的流量，擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G01F1/68GK2716811SQ20042008205
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月18日
發(fā)明者傅新, 謝海波, 段萱苡, 楊華勇 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)