流体微机电传感器/设备及其制造方法技术

公开了流体传感器设备的结构和组件。在一些可能的实施例中，流体传感器包括整体式/单片式基体结构，或者由被配置成彼此附接的两个或多于两个单独的主体元件组装而成的基体结构，并且基体结构具有沿着基体结构通过的流体通道、在所述基体结构中形成并与通道流体连通的开口、以及密封元件，该密封元件包括在其上图案化的一个或更多个感测元件，并且可密封地附接在至少一个开口上方，使得其一个或更多个感测元件位于至少一个开口上方。

Fluid Micro-electromechanical Sensors/Equipment and Its Manufacturing Method

The structure and components of a fluid sensor device are disclosed. In some possible embodiments, the fluid sensor includes a monolithic/monolithic matrix structure, or a matrix structure assembled by two or more separate main components configured to be attached to each other, and the matrix structure has a fluid passage along the matrix structure, an opening formed in the matrix structure and connected with the channel fluid, and a sealing element. The sealing element includes one or more sensing elements patterned thereon and can be sealed attached to at least one opening so that one or more sensing elements are located above at least one opening.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】流体微机电传感器/设备及其制造方法
本专利技术总体上涉及流体微机电(MEM)传感器系统/设备领域。背景MEM系统/设备(例如，用于医疗用途)通常采用由半导体结构实现的传感器元件，其中这些设备的流体流动路径及其与外部系统/设备的连接、它们的封装以及它们的机械/电接口通常借助于塑料元件实现。此外，这种MEM系统/设备与外部系统的电连接性不直接在半导体管芯(die)上实现，并且尤其需要涉及布线和电触点、塑料结构和印刷电路板(PCB)的附加电接口。这些制造技术需要将半导体管芯精确地和复杂地附接到其载体，以实现电连接和机械连接，以确保压力被正确地传递到感测元件，并在塑料封装中形成的流体流动结构与半导体管芯中实现的传感器和/或致动器之间获得适当的对准。制造技术的这种组合通常导致流体MEM传感器(例如，硅)的昂贵且相当复杂的制造和到流体MEM中的集成。在以下专利公开中描述了从专利文献中已知的流体MEM设备制造技术。第7,311,693号美国专利描述了一种药物输送设备，其具有与通向出口的流动路径连通的加压储存器。流动路径包括两个常闭阀和一个节流器(flowrestriction)。压力测量装置测量沿着流动路径的两个点之间的流体压力差，这两个点跨越节流器的至少一部分，其中一个点在阀之间。控制器选择性地打开阀以将限定量的液体药物输送到出口。第6,782,755号美国专利描述了通过使用牺牲层(sacrificiallayer)形成空腔而形成的表面微机械加工高压传感器。牺牲层可以回流以使空腔的边缘更圆。用于隔膜(diaphragm)的材料可以是氮化硅，或者包括氮化硅和其它材料的多层。压力传感器旨在用于高压应用，例如压力高于6000、10,000或30,000P.S.I.。第2007/028683号美国专利公开描述了一种压力感测设备和方法，其用于利用包含导电介质的可变形空腔来感测压力。压力变化引起空腔变形，导致如通过电极测量的电导率的变化。设备可以直接感测压力，或者可以用于感测紧邻的单独空腔中的压力。因为测量不需要感测区域中的电极，所以设备制造简单。设备还具有高灵敏度，使其适合于需要低外形(profile)和一次性设备的微流体或生物医学应用。一般描述如今例如，在医疗设备中使用的流体MEMS的制造是一个复杂且昂贵的过程，其尤其需要半导体制造技术、塑料封装技术以及电子电路板设计和制造方面的专业知识。通常在半导体晶片(wafer)中制造MEMS的传感器元件，然后将其切开、单独封装、电气/电子装配和布线。然后，通过添加流体连接器/端口，封装的半导体被单独地流体接口，并被单独地校准。本申请提供了MEMS结构和制造技术，其显著简化了MEMS生产工艺，并显著降低了生产成本和时间。在广泛的方面，本文公开的MEMS包括主体结构和密封元件，主体结构具有沿其的流体通路(passage)和在其壁之一中的与流体通路流体连通的至少一个开口(即，至少一个开口向流体通路打开)，以及附接在主体结构的表面区域(包括至少一个开口)上的密封元件以密封地封闭该至少一个开口，并且将在其上图案化或附接的一个或更多个电和/或传感器部件放置于其上方。在密封元件上图案化/附接的一个或更多个电和/或传感器部件被配置成测量被引入到流体通路中并与位于至少一个开口上方的密封元件的部分相互作用的流体物质(例如液体和/或气体材料)的一个或更多个特性和/或状况。在一些实施例中，一个或更多个电和/或传感器部件在密封元件被附接到主体结构之后被图案化/附接在密封元件上。在一些实施例中，主体结构包括沿着其流体通路的至少一个空腔，至少一个空腔与至少一个开口直接流体连通，并且被配置成从该流体通路将流体物质接收在其中并使其与附接在开口上方的密封元件相互作用。流体通路可以包括与空腔相关联的至少一个流体限制器/收缩部和/或流动操纵元件，其用于引起流体流速和/或方向和/或其中压力的变化。可选地，并且在一些实施例中优选地，密封元件由聚合物材料(例如，聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚醚醚酮(peek)、聚醚酰亚胺(ultem)、聚氨酯等)制成并且具有约10至1000微米的厚度的薄膜或箔(foil)制成，并且其一个或更多个电和/或传感器部件可以通过溅射、蒸发、层压(lamination)、电镀、无电镀(elecrolessplating)、电成型、打印来进行图案化和/或借助于印刷电路板表面安装技术附接。根据要实现的感测元件的应用和类型，一个或更多个电和/或传感器部件可以由金属、半导体、具有特定导电特性的聚合物、压阻材料、压电材料或其组合制成(例如，金、NiCr合金、铂、钛)。一个或更多个电和/或传感器部件的厚度可以在50埃至50微米之间，其可以使用导电墨水通过沉积、层压、蒸发、溅射、打印、无电镀和/或电镀来施加，以呈现任何合适的形状(例如，之字形、蛇形、玫瑰花形等)。一个或更多个电和/或传感器部件可以被配置成测量密封元件的部分中的张力变化(在该部分上它们被图案化，张力变化由密封元件部分响应于与流体通路内部的流体物质的相互作用的变形引起)以用于确定流体物质的一个或更多个特性和/或状况(例如，流体压力、流速等)。可替代地或另外地，在密封元件上图案化的一个或更多个电和/或传感器部件可以被配置成测量被引入通过密封元件的流体的一个或更多个特性(例如，温度)。在一些实施例中，在密封元件上图案化的一个或更多个电和/或传感器部件被配置成物理接触主体结构的通路内部的流体物质，从而测量流体物质的一个或更多个特性和/或状况(例如，pH、还原电位、电导率等)。因此，在一些实施例中，密封元件包括在其上侧和下侧图案化/附接的电和/或传感器部件，其可以通过一个或更多个通孔(via)被电耦合。可选地，并且在一些实施例中优选地，主体结构由具有预制通道和/或空腔的两个或多于两个主体元件组装而成，并且被配置为通过将两个或多于两个元件彼此附接、和/或附接至少一个空腔、和/或附接至少一个流体限制器/收缩部和/或流动操纵元件来形成流体通路。两个或多于两个主体元件中的至少一些可以包括被配置成形成与主体结构的流体通路流体连通的流体端口和/或连接器的结构图案。两个或多于两个主体元件可以被配置成以逐层的形式组装，以便形成多层结构，该多层结构包括主体结构的不同元件，即，流体通路，以及至少一个空腔和/或至少一个流体限制器/收缩部和/或至少一个流动操纵元件和/或流体端口/连接器。在一些实施例中，MEMS的主体结构的分层组装方法用于制造包括MEMS的主体结构的阵列的分层晶片。特别地，可以以整体形成的这种主体元件的阵列来制造两个或多于两个主体元件中的每一个，并且整体构成的主体元件的层可以彼此附接以形成MEMS的主体结构的阵列。包括密封元件的相应阵列的密封片(每个密封元件具有在其上图案化/附接的至少一个电和/或传感器元件)然后被附接在晶片上方，使得其密封元件中的每一个被附接在相应的主体结构上，以密封地封闭主体结构的至少一个开口，并且将至少一个电和/或传感器部件精确地定位在其相应的开口上方。以这种方式，包括MEMS阵列的晶片以分层方式被构造，该分层方式可以有利地用于在单个校准步骤中校准所有MEMS，如本文在本申请的同一申请人的第62,470/407号美国临时专利申请中所述，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流体传感器设备，包括：基体结构，所述基体结构包括沿其通过的流体通道和在所述基体结构的外表面中并与所述流体通道流体连通的至少一个开口；以及密封元件，所述密封元件包括在其上事先图案化或安装的一个或更多个感测元件，所述密封元件可密封地附接在包括所述至少一个开口的所述基体结构的所述外表面上方，使得所述密封元件的一个或更多个感测元件位于所述至少一个开口上方，所述一个或更多个感测元件被配置成当流体物质被引入所述流体通道中并与位于所述至少一个开口上方的所述密封元件的一部分相互作用时，测量所述流体物质的至少一个特性或状况。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.03 US 15/227,2781.一种流体传感器设备，包括：基体结构，所述基体结构包括沿其通过的流体通道和在所述基体结构的外表面中并与所述流体通道流体连通的至少一个开口；以及密封元件，所述密封元件包括在其上事先图案化或安装的一个或更多个感测元件，所述密封元件可密封地附接在包括所述至少一个开口的所述基体结构的所述外表面上方，使得所述密封元件的一个或更多个感测元件位于所述至少一个开口上方，所述一个或更多个感测元件被配置成当流体物质被引入所述流体通道中并与位于所述至少一个开口上方的所述密封元件的一部分相互作用时，测量所述流体物质的至少一个特性或状况。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基体结构由两个或多于两个单独的主体元件组装而成，所述两个或多于两个单独的主体元件被配置成彼此附接，并且从而形成沿着所述基体结构通过的所述流体通道，所述两个或多于两个单独的主体结构中的至少一个包括至少一个开口，所述两个或多于两个单独的主体结构中的至少一个的所述至少一个开口被配置成当所述两个或多于两个单独的主体元件彼此附接以组装所述基体结构时，形成与所述流体通道流体连通的在所述基体结构的所述外表面中的所述至少一个开口。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述基体结构包括与所述流体通道流体连通的至少一个开放空腔。4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述基体结构包括适于连接到流体源的至少一个流体端口，所述至少一个流体端口通过附接所述两个一个或多于两个主体元件来进行组装，并且与所述流体通道流体连通。5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其中，所述流体通道包括至少一个流体限制器，所述至少一个流体限制器通过附接所述两个或多于两个主体元件而由至少两个限制器部分元件组装而成。6.根据权利要求2至5中任一项所述的设备，其中，所述至少两个主体元件包括形成主体元件的两个通道，所述形成主体元件的两个通道中的每一个包括基部部分和沿着所述基部部分的长度延伸的至少一个开放通道，所述两个主体元件的所述至少一个开放通道被配置成当彼此附接时形成与所述至少一个开口流体连通的所述流体通道的至少一部分。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述形成主体元件的两个通道中的每一个包括从其基部部分延伸的相应的至少一个连接器部分，所述相应的至少一个连接器部分被配置成当所述形成主体元件的两个通道彼此附接时形成连接器结构。8.根据权利要求6或7所述的设备，其中，所述形成主体元件的两个通道中的每一个包括相应的至少一个分隔部分，所述分隔部分被配置成当所述形成主体元件的两个通道彼此附接时在所述流体通道内部形成分隔。9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其中，所述至少两个主体元件包括两个壳体主体元件，所述两个壳体主体元件被配置成彼此附接，并且从而形成将所有其它主体元件固定地包围在其中的外壳。10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中，所述形成主体元件的两个通道中的一个的所述基部部分包括第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和所述第二空腔具有在其壁中形成的相应的第一开口和第二开口，每个开口向其相应的空腔打开，并且由包括相应的感测元件的所述密封元件的一部分可密封地覆盖，并且其中，所述形成主体元件的两个通道中的另一个的所述基部部分包括细长通道，所述细长通道具有第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部被配置成当所述主体元件彼此附接时，分别与所述第一空腔和所述第二空腔流体连通。11.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中，所述形成主体元件的两个通道中的一个的所述基部部分包括第一空腔和第二空腔以及细长通道，所述第一空腔和所述第二空腔具有在其壁中形成的相应的第一开口和第二开口，每个开口向其相应的空腔打开，并且由包括相应的感测元件的所述密封元件的一部分可密封地覆盖，所述细长通道具有被配置成分别与所述第一空腔和所述第二空腔流体连通的第一端部和第二端部，所述细长通道由所述密封元件可密封地封闭。12.根据权利要求10或11所述的设备，其中，所述密封元件包括贯通孔，所述贯通孔被配置为位于所述第一开口上方并与所述第一开口流体连通，从而形成流体传输通路，并且所述第二开口由包括所述至少一个感测元件的所述密封元件的一部分可密封地覆盖，并且其中，所述至少两个主体元件包括流体传输主体元件，所述流体传输主体元件包括长形开放通道，所述流体传输主体元件被配置成可密封地附接在所述密封元件的一部分上方，并且在所述流体传输通路和可密封地覆盖所述第二开口的所述密封元件的所述部分之间流体连通。13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述密封元件的至少一部分是多层元件，所述多层元件具有至少一个密封层和至少一个感测层，所述至少一个密封层被配置为附接到所述基体结构并密封所述至少一个开口，所述至少一个感测层位于所述至少一个密封层上方并包括所述一个或更多个感测元件。14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述密封元件的至少一部分是多层元件，所述多层元件具有包括所述感测元件并且可密封地夹在两个保护层之间的内层。15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述两个保护层由一种或更多种生物相容性材料制成。16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述一个或更多个感测元件在所述密封元件被附接到所述基体结构之后被图案化或安装在所述密封元件上。17.根据权利要求12至16中任一项所述的设备，其中，所述流体传输主体元件包括在其壁中形成的由气体排放部件覆盖的开口，所述气体排放部件被配置为喷射在流动反向主体元件的长形通道内部捕获的气体。18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，附接在所述至少一个开口上方的所述密封元件的至少一部分是可变形的，并且其中，所述一个或更多个感测元件被配置成响应于所述密封元件的所述部分的变形来测量流体的至少一个特性或状况。19.根据权利要求1至17中任一项所述的设备，其中，所述一个或更多个感测元件包括温度传感器，所述温度传感器被配置用于测量接触所述密封元件的流体物质的温度。20.根据前述权利要求中任一项所述的设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·施米洛维奇，N·莫利纳兹，
申请(专利权)人：埃斯梅斯公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL