可整合的流体流量和性状微传感器组件制造技术

一种可整合的流体流量和性状微传感器组件被构造用以可操作地嵌入在实验室芯片系统中所使用的该种类型的微流筒中。所述组件为具有容纳在外壳中的微结构流量传感器从而得到结实的传感装置的结实的封装件。所述筒提供了通向所述组件的流动通路，所述流动通路引导流体通过所述流量传感器，并使流体返回所述筒的流动通路。所述流量传感器监测受控的流体流并发送表示该流量的信号。该组件结构提供了一种在多种不同的应用中可操作且准确的结实的传感器。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及流体热传感器，例如以微结构形式并入结实的封装件中的流体流量传感器。为方便起见，术语“流量传感器”在下文中主要被用来表示这些热传感器。读者可意识到这些传感器可被用于测量一些基本的性质例如质量流量、温度、热导率和比热；并且通过强制对流或自然对流可产生热传递。本专利技术具体涉及利用微结构流量传感器性能的筒或组件。更具体而言，所使用的MicrobrickTM型或Microfill型传感器具有在结构上结实的并且能够在恶劣环境条件下进行工作的中央加热元件和周围的传感器阵列。这些MicrobrickTM型或Microfill型传感器包括通过晶片(through-the-wafer)的互连部，由此对环境损伤和污染具有极低的敏感性。所述传感器支承结构的材料具有适合应用所需要的热导率，由此产生更加有用的和多样的传感器，例如在恶劣环境条件下进行的一项或多项高敏感度或高质量流量的流体流量测量应用所需的传感器。
技术介绍
例如Higashi等的美国专利5,401,155中所详细描述的开式微桥结构，由于所述微桥结构是防爆裂的，因此所述微桥结构非常适于进行纯净气体的测量，无论是在存在较大压力波动还是没有较大压力波动条件下。然而，由于微桥结构的敞开特性，蒸气中的冷凝物可不受控制地保留在微桥结构中，导致其热响应或输出产生不受控制的改变，从而使所述结构容易产生输出错误并具有较差的稳定性。典型的微桥结构具有顶表面结合到头部(header)或衬底上的硅管芯导线，承载其它电导线和/或电子装置。通常，用于导线接头的这种导线为1密耳长的金导线。这种导线具有保持颗粒悬浮于流体中，保持液体冷凝物，增大所不希望的紊流和改变流动响应的倾向。由于其较薄，所以该导线在高质量流量环境例如高速流体流中以及在清洗完传感器后还易于受到损坏。由于没有开口暴露于流体中，所以基于膜的传感器克服了微桥结构所存在的一些问题。更具体而言，不存在允许流体进入下层结构中的开口。然而，由于所述膜密封在隔离的大气空间之上并且受到由于应力信号误差而产生的差压，所以，基于膜的传感器在高压应用中是有限的。由于所述膜的物理结构，当差压(在所述膜的两侧上的)增加至超过100psi.(在具有高质量流量环境中非常有可能存在的压力级)时所述膜可变形或爆裂。在所述膜传感器的顶面上的加热/传感元件通常为结合到其它部件上的导线，从而存在在流动通路中的导线累积碎屑和在清洗过程中有可能断开等问题。虽然可使用多种不同的材料制造流体流量传感器，但是材料的选择会明显地影响传感器的性能。构成传感器衬底的优选材料具有相对较低的热导率。这种低热导率是保持所述传感器的敏感度所需要的。具有相对较低的热导率，不同传感元件出现的所有加热/冷却效应主要是由感应到的流体所造成的。另一种选择是，保证热量不被过度地传递通过衬底而造成信号短路是重要的。上面所讨论的微膜结构给出了一种设计途径，使在恶劣的环境(具有悬浮颗粒等的冷凝蒸气)中能够进行准确的热学测量。具体而言，刚刚在加热/传感元件下面的硅的质量大大减少或被除去，从而限制了潜在的热损失。然而即便是在这种结构中，材料的选择也是关键的，具有较低的热导率和适当的材料强度的依然是非常关键的。这种结构的缺点是其对差压(在其膜之上的)的敏感度导致在传感元件中产生应力并且造成不受控的输出信号损坏或误差。除了以上所提到的热学特性外，非常希望的是整个流量传感器是具有化学惰性的、耐蚀的、高温稳定的、电绝缘的和生物相容的。明显的是，这些特性中的许多特性可通过适当选择材料而实现。此外，考虑到传感器的工作环境，这些所需特性是必要的。所选择的材料必须使传感器能够在恶劣的环境中进行工作。因此，所希望的是开发一种不具有上述问题的流量传感器。具体而言，所述传感器不会受到在微桥下面累积的蒸气的影响，并且在加热和传感元件附近不具有暴露的结合导线。所希望的传感器在结构上是结实的并且由此能够在恶劣的环境中进行工作。此外，所希望的是开发一种不受信号短路影响的流量传感器，从而能够感应到具有高质量流量的空气流或液体流。为实现这一点，所需流量传感器包括结实的衬底或管芯，其具有相对较低的热导率、较高的高温稳定性、较强的电绝缘性、耐蚀性、化学惰性、和生物相容性。所述的结构设计使在高压条件下能够在较宽的范围内感应到流速和热学性质。此外，这种性能会在不利的环境中提供无故障操作。所希望的流量传感器和相关外壳还将静容量减至最小，并且提高成本效率、改进便携性和促进小型化。该传感器还适于通过附接到传感器上的预定的流动通道监测流量。
技术实现思路
本专利技术详细描述了一种包括具有MicrobrickTM型或Microfill型结构的微传感器管芯(每一个均具有在传感元件下面的大体上为实心的结构)和通过晶片的电互连部的微结构流量传感器。这种结构提供一种结实的传感器，所述传感器在许多不同的应用中，包括在恶劣环境中是能够进行工作的并且是准确的。此外，为了得到结实的传感装置，所述微结构流量传感器可被整合到组件中。该组件为结实的封装件，可被构造使得其可被可操作地整合到实验室芯片系统中所使用的该种类型的微流筒中。在所述组件中的流量传感器监测在所述筒中的受控制的流体流并通过柔性电路传输表示该流量的信号。所述组件与所述筒的整合为较小装置提供了较大仪器才具有的优势。所述传感器的特征在于加热器和传感器元件上覆的平的钝化顶面层，以提供适当的电绝缘。此外，具有通过晶片的互连部的管芯除去了如上所述的结合导线和其所附带的问题。为了耐受较宽范围的压力级并且能够在恶劣的环境中进行工作，所述管芯结构被构造得非常结实。所述管芯由具有非常低的热导率的材料制成，由此消除了存在所不希望的热信号短路(signal shorts)的可能性。例如，所述管芯可使用不同的玻璃材料、氧化铝或这些材料的组合制成。所述管芯通过多种粘合剂被附接到具有相匹配的热膨胀系数(CTE)的衬底上。通过热压焊接、钎料凸点、导电粘合剂等形成电接触。所述通过衬底的电接触优选端接到所需的导电焊道(runs)中，用于附接到传感器中的其它电子装置上。这样使得易于与如下所述的其它装置相互连。所述衬底还具有在与所述管芯的相配合表面处的钝化层，从而提供向所述管芯底部的流体阻挡层和回填密封，以防止到达背部接触点。在所述管芯的结构中可以使用二氧化硅和氮化硅层。本专利技术为使用者提供了在所有流体流应用中的无故障的和可靠的使用，并且易于进行制造和进行清洁维修。进行高质量流量传感作业的能力大体上取决于传感器的物理特性。最重要的是，为了制造出能够在高质量流量的传感条件下进行工作的传感器，所述管芯衬底具有较低的热导率是必要的。通过将热导率降至最低，对传感器加热/冷却效应的干扰将被减至最小并且传感性能得到增强。具体而言，所述管芯衬底材料的特性将控制热传递的适当路径，避免热传递从加热器通过所述管芯衬底传至传感器。多种不同材料可提供这一特性。在历史上，微桥传感器芯片中已使用氮化硅而提供一定水平的热导率。虽然也易于进行生产，但是其易碎性阻碍了其在恶劣环境条件下的应用。具有所需特性的更佳材料是玻璃。然而，玻璃由于不易进行微机加工，因而早期未被使用。也就是，使用玻璃难于形成所需的结构。另一种潜在的衬底材料是氧化铝，氧化铝被广泛应用在电子封装件中并且能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监测流体流的传感器组件，所述传感器组件可容易地整合到板卡组件中，所述传感器组件包括：具有响应流体流的传感表面的传感器管芯，所述传感器管芯产生表示流体流量的信号，所述传感器管芯还具有用于传输所产生的电信号的多个电接触点；　 　容纳所述传感器管芯并同时还提供可以使用所述电接触点的传感器外壳，所述传感器外壳具有流体入口、流体出口，以及设置在流体入口和流体出口之间的流动通道，所述流动通道被构造用以引导流体通过所述传感表面；和用于允许相关系统可以使用所述电信号 而电连接至电接触点的多个连接器。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：A帕马纳哈姆，E萨特伦，C卡布兹，JG施维希滕伯格，
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]