声波流量传感器制造技术

公开一种声波流量传感器，其包括传感器基片和被蚀刻在传感器基片上的声波膜片，其中机械应力或应变集中在声波膜片中。一个或几个交指型换能器被配置在声波膜片上，其中传感器基片、声波膜片和交指型换能器组成一个声波流量传感器，使得在交指型换能器和声波膜片暴露于流动中的流体时，流动中的流体使声波膜片经历导致可探测的频率和／或相位变化的机械应力或应变的变化，以便提供流体流量的指示。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的一些实施例一般涉及流量传感装置和技术。本专利技术的一些实施例也涉及声波装置，诸如表面声波(SAW)和体声波(BAW)装置等。
技术介绍
在各种探测流体(包括气体和液体)数量的流体传感应用中利用流 量传感器。能探测流体流量或流体特性的用于这样流体的流量传感器能 够例如作为微结构形式硅上传感器完成。为方便又不限制起见，术语"流 量传感器"不仅仅指流体(既包括气体又包括液体)的流量，而且也能 在热量传感器的环境中执行。读者会认识到，也可以利用这样的传感器 测量主要特性，例如温度、导热率、比热和其他特性；以及可以通过强 迫的或自然的对流产生流量。流体或热量型流量传感器一般包括包括一个加热元件和一个或两个 接近热接收元件的一个基片。如果使用两个这样传感元件，它们最好安 置在加热元件相对于要被测量的流体(液体或气体)流动的方向的上游 侧和下游侧。在流体沿基片流动时，它在上游侧被加热元件加热，然后 热量被非匀称地传递到在加热元件的任何侧的热接收元件。由于非匀称 程度依赖于气体流动的速率以及这个非匀称性能够被电测量，这样的一 个流量传感器能够用于测定流体流动的速率和累计数量。在暴露于粗糙(污染、肮脏、浓缩等)的流体(包括气体或液体) 之中时，这样的流量传感器一般面临着潜在的退化问题，这样的流体能 通过腐蚀、放射性或细菌引起的污染、过热或冻结"压"传感器。"粗 糙，，气体或液体能够压、腐蚀、冻结或过加热传感元件，这样的气体或 液体的流量或压力(差分的或绝对的)的灵敏测量所面临的一个挑战就 是或者不能满足，或者需要很大花费才能满足。从前提出的解决办法中有，带有相关的传感器灵敏度降低的钝化， 以传感器信号降低、成本增加和有可能的流体降解为代价的避免浓缩或 冻结的加热器(或防止过热的冷却器)，或者除去不适宜颗粒物质的过 滤器。传感器的经常清洗或替换是额外的但成本高的解决办法。灵敏的 基于薄膜的差分压力传感器能防止污染，因为不牵涉任何流动。但是，除了不耐过压外，它们和热量微传感器相比，不灵敏得多和昂贵得多。 流体或热流量传感器，特别是微桥热流量传感器的另 一个问题是， 这样的装置具有相对小的动态范围。例如，微桥热流量传感器一般装有 消耗大量功率的加热器。所以使这样装置适合无源无线应用是困难的。 热流量传感器的另一个问题是，加热会引起不想要的化学成分变化或者 损坏流体(例如血液)，特别是在医学应用中。相信对流量传感器固有问题的解决办法是使用声波装置，例如表面 声波传感器等。声波传感器的例子包括如表面声波传感器这样的装置， 表面声波传感器能用于探测如化学制品这样的物质的存在。由于起因于它们固有高Q因数的对表面负荷的高灵敏度和低噪声，用作传感器的声 波(例如SAW/BAW)装置提供高灵敏探测机理。表面声波(SAW)装置一般用光刻技术制造，具有放置在压电材料上 的梳状交指型换能器(IDT) 。 SAW装置依靠利用在压电基片表面传播的 波，使得这样波的位移幅度在表面下方经历指数衰减。能够在非常薄的 膜上制造SAW传感器。弹性材料的理论固有强度一般是比普通形式的这 些材料的测量强度大几个数量级。已知这个强度上的减少主要由擦痕这 样的表面瑕疯造成。这些表面瑕疵集中了施加的压力，从而导致在比理 论最大值低得多的负荷上的裂痕。多年以来，蚀刻用于例如反向台面型高频基频晶体谐振器的BAW装 置的制造。蚀刻曾引进到SAW传感器制造中把传感器的背面蚀刻掉。湿 法化学加工工艺中的蚀刻已显示出，它是能够在广泛范围条件下化学抛 光石英。在同步地产生改善的表面光洁度的同时蚀刻加工工艺能从重叠 的间隔除去大量材料，而没有切割角的偏移。这个加工工艺也能产生具 有较大强度的SAW模片，这对许多传感应用来说都是特别重要的。蚀刻不引进缺陷，但蚀刻的确暴露了缺陷。净化石英为微型机械制 造的SAW传感器所需要。净化石英晶片通常无蚀刻沟道。蚀刻沟道是由 于杂质在其处分离的位错的结果。同非净化石英相比较，净化石英具有 较小的凹坑。也能利用双面抛光晶片构造SAW传感器。例如，抛光的装 置可具有增加IO倍的机械强度。这在防止过压上是关键的。因为SAW晶 片的背面要被蚀刻，所以表面状况在蚀刻表面光洁度上是关键的。蚀刻 表面光洁度的质量主要依赖于蚀刻前的表面、蚀刻深度、蚀刻剂选择、 蚀刻速度和所用石英的质量。表面声波装置可以具有或延迟线配置或是谐振器配置。由于被测对象的声学特性改变，对于延迟线表面声波装置(SAW-DL)来说能被解释 为延迟时间漂移，或者对于谐振器(BAW/SAW-R)声波装置来说能被解释 为频率漂移。声波传感装置经常依赖于如适于同电子振荡器一起使用的类型这样 的石英晶体谐振器部件的使用。因为声波装置高的灵敏度、分辨率和坚 固耐用性，它们对流体流量应用是令人注意的。执行的探测机理依赖于 压电晶体暴露于气体或流体时的声波弹性特性中的变化。有线测量结果 通常作为回路振荡器电路的输出频率被获得，该回路振荡器电路利用声 波装置作为反馈元件。一般说来，现有的SAW流量传感器概念是根据应用于微桥热流量型 传感器的相同热质量流理论，微桥热流量型传感器测量由围绕加热器的 流动引起的温度分布的位移。现有的SAW流量传感器设计的问题之一是， 这样的配置合并了与加热器一起的两个或更多个SAW温度传感器。这样 的设计增加传感器尺寸并提高制造成本以及其功率利用率。另外，加热 元件的使用引起任何IDT电极和有关的SAW传感部件的老化。有利用声波传感器测量流动速率的两个其他技术。 一个是测量流动 感应的切应力。这种声波传感器能够具有起紋理的表面。起紋理的表面 有助于增加由流动引起的切应力。另 一个技术涉及应用伯努利定律测量 两点之间的压力差。切应力是施加在流管壁上的流动引起的力。这个力依赖于每单位平 方面积的单位力。能够从下面的关系计算流动速率Q = tA/6h，其中Q 是流体流动速率(米7秒)，t是切应力(N/M2)， y是流体粘度(Nm/s2)， 以及A与管的几何形状有关。流体流动速率的量值线性地依赖于切应力。由于流体粘度和密度是 与温度相关的，所以温度变化影响切应力，从而影响流动速率测量。温 度对密度的影响通常很小，在温度增加时流体粘度通常增加，所以切力 通常减少。根据上述，所希望的是，在同一声波流量传感器的传感器模 片上完成声波温度传感器。
技术实现思路
以下专利技术概述的提供是为了便于对一些实施例的唯一创新特征的理 解，并不意图是一个全面的描述。通过把整个说明书、权利要求书、附图和摘要看作一个整体能获得对实施例的各方面的全面了解。 因此，本专利技术的一个方面是提供一种改进的流量传感器。 本专利技术的另 一个方面是提供一种并入交指型表面波部件的流量传感器。现在能够如在这里所描述的那样达到上述的本专利技术的各个方面以及 其他目标和优点。拔露一种声波流量传感器，这种声波流量传感器包括 一个传感器基片和一个蚀刻在传感器基片上的声波膜片，其中机械应力 或应变集中在声波膜片中。 一个或几个交指型换能器能够配置在声波膜 片上，其中传感器基片、声波膜片和一个或几个交指型换能器组成一个 声波流量传感器，使得在交指型换能器和声波膜片暴露于流动中流体 时，流动中的流体使声波膜片经历导致可探测的频率变化的机械应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声波流量传感器，包括：传感器基片；声波膜片，其被蚀刻在所述传感器基片上，其中机械应力或应变集中在所述声波膜片中；以及至少一个交指型换能器，其配置在所述声波膜片上，其中所述传感器基片、所述声波膜片和所述至少一个交指型换能器组成一个声波流量传感器，使得在所述至少一个交指型换能器和所述声波膜片暴露于流动中的流体时，所述流动中的流体使所述声波膜片经历导致可探测的频率变化的所述机械应力或应变的变化，以便提供所述流动中流体的指示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JZT刘，R阿齐兹，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]