最佳材料制成的耐用的流体流量及特性微型传感器制造技术

含有所需的物理结构及热特性的一种耐用的传感器能在恶劣的环境条件下测量流体流量及特性。该传感器电路小片由一种材料制成，该材料具有被修正的热传导率以提供为避免该传感器饱和所需的热传递特性，因此能在高压力及经常性恶劣的环境下测量大流量空气流及液流的特性，这是硅基传感器先前做不到的。该耐用的传感器还具有用于后侧电连接的内通路，因此避免了对测量的电及机械干扰。所有这些特点一起提供了一种微型传感器，它在恶劣环境下能可靠地，即稳定地、宽动态范围及快速响应地工作。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及流体的热传感器，诸如制成微型结构形式的流体流量传感器。为方便起见术语“流量传感器”在下文一般地将被用于这种热传感器。读者将会理解这种传感器可用来测量诸如温度、热传导率及比热的主要参数；而热传导可通过强制的或自然的对流而产生。更准确地说本专利技术涉及Microbrick TM或微填式传感器，它们具有中央加热元件及附近的传感器阵列，该传感器阵列结构上是耐用的并能在恶劣环境中工作。这些Microbrick TM或微填传感器含有穿透薄片的互联，因此对环境损害或污染的敏感度非常低。传感器支持结构的材料具有适于应用的热传导率，因此产生了更有用的有通用的传感器，诸如高灵敏度或大流量流体流量测量或在恶劣环境中测量所需的传感器。相关技术的说明发给Higashi等人的美国专利5,401,155中详述的开放式微型电桥结构良好地适用于测量清洁的气体，该清洁的气体具有或没有大的压力波动，因为该微型电桥结构是防爆的。但是，由于该微型电桥结构的开放特性，来自蒸汽的冷凝物会不受控地留在微型电桥结构中，导致其热响应或输出方面的不受控变化，使得该结构对输出误差敏感和稳定性差。一般的微型电桥结构具有在顶部表面至头部或基体的硅片导线，该基体还带有电导线和/或电子线路。通常，用于导线连接的这种导线应是1mil(密耳)的黄金导线。这种导线具有留住悬浮于流体中的颗粒、留住流体冷凝物的趋向，增大了不希望的紊流并改变了流量响应。由于该导线很薄，它在大流量环境中以及在清洁该传感器的工作时易于损害，该环境诸如是高速流体流量。以膜片为基的传感器克服了微型电桥结构的某些问题，因为没有暴露于流体中的开口。更准确地说，没有允许流体进入基础结构的开口。但是，因为膜片是密封在隔绝空气的空间的上方并受到导致压力差的应力信号误差，基于膜片的传感器在高压力应用方面受到限制。由于膜片的物理构造，当压力差(在膜片的任何一侧上)增大至高于100PSI(在大流量环境下非常可能出现的压力等级)时，膜片可能变形或爆裂。膜片传感器顶部表面上的加热/传感元件一般也是用导线被连至其它部件上，留下的问题是导线在流量路径上堆积碎片，以及在清洁工作期间导线可能破损。当许多不同的材料用于制作流体流量传感器时，材料的选择可强烈地影响传感器的性能。制作传感器基体的较好材料在除了其它特性以外具有相对低的热传导率。这个低热传导率是维持传感器灵敏度所需的。由于这个相对低的热传导率，出现在各种传感元件中的所有加热/冷却效应主要地是由要被检测的流体所引起的。换名话说，保证不通过基体过量地传递会引起信号短路的热量是重要的。上面讨论的微型膜片结构提供了能在恶劣环境(冷凝的蒸汽、具有悬浮的颗粒等等)中作出精确的热测量的一种设计方案。特别是，大量的硅紧接在加热器/传感元件下面大大地降低或消除、因而限制了潜在的热损失。但是，甚至在这个结构中，材料的选择是严格的---低的热传导率及适宜的材料强度仍旧是很重要的。这个结构的一种缺点是它对压力差(横跨其膜片)的敏感性，这引起在传感元件中产生应力并导致不受控的输出信号变化或误差。除了上面提及的热特性之外，高度地希望总的流量传感器是不起化学作用的、抗腐蚀的高度地温度稳定的、电气绝缘的以及生物学上兼容的。明显地，许多这些特性都通过材料的恰当选择来实现。另外，这些所需的特性是根据传感器的工作环境所必需的。所选的材料必须提供给一能在恶劣环境中工作的传感。因此将希望发展一种流量传感器，它对上面提及的问题不敏感。特别是，传感器将不会被微型电桥下面的蒸汽累积所影响，并且在靠近加热及传感元件处没有暴露的连接导线。所需的传感器在结构上将是耐用的并因此可在恶劣的环境中工作。另外，将希望发展一种流量传感器，它不会被信号短路所影响，因此能够检测大流量的空气流体及流体流体，。为实现这个目的，一所希望的流量传感器，将包含具有相对低的热传导率、高温度稳定性、高电气绝缘、抗腐蚀、不起化学反应以及生物学兼容性的结实的基体或电路小片。这样一种结构的设计将能在高压力下于宽范围内检测流速及热特性。另外，这种能力将在不利的环境中以合理的成本提供无故障的工作。本专利技术的内容本专利技术详述了具有微型传感器电路小片的微型结构流量传感器，该电路小片含有Microbrick TM或微填结构(每种结构在传感元件下面都有基本实心的结构)以及穿透薄片的电气互连。通过由这个结构提供的许多有利处，可以创造一种耐用的传感器一即可在许多不同场合精确工作的一种传感器，该场合包括恶劣的环境。该传感器的特征是平的、钝化的，顶部表面上放置的加热元件及传感器元件以提供合适的电绝缘。另外，电路小片以其穿透薄片的互连消除了对连接导线的要求，如上面所讨论的该连接导线存在附带的问题。为了经受住大范围压力等级及在恶劣环境中工作，电路小片结构被构造成非常结实。电路小片由具有非常低的热传导率的材料制成，因此消除了不希望的热信号短路的可能性。例如，电路小片可用各种玻璃材料、氧化铝或这些材料的混合物制成。该电路小片可用许多粘结剂连接至具有适配的热膨胀系数(CTE)的基体上。电接触可通过热压连接、焊接隆起、导电粘结剂或类似物来形成。较好是穿透基体的电接触终止于用来连接传感器的另外电子线路的所需导电通路。这考虑到易于与另外的装置互连。为了在电路小片底部提供流体隔离和提供防止进入后侧接触的回填物密封，该基体在与电路小片配合的表面上还具有钝化层。在构造电路小片时可以使用氧化硅层及氮化硅层。本专利技术通过在所有的流体流量(测量)应用中提供无故障及可靠的服务以及易于制造及易于进行清洁保养来使应用者受益。完成大流量检测工作的能力极大地信赖于传感器的物理特性。最重要的是，为了创造可在这些大流量检测环境中工作的传感器，电路小片基体需要有低的热传导率。通过减小热传导率，将减小对传感器加热/冷却效应的干扰并加强了检测能力。尤其是，电路小片基体材料的特性将控制热量传递的正确路径，避免从加热器通过电路小片基体传递到传感器。各种各样的材料可以提供这种特性。从历史观点看，一种微型电桥传感器芯片的氮化硅曾提供一定等级的热传导率，同时也容易制造。但是，它的脆性阻止了它用于恶劣环境中。呈现出所需特性的更优选的材料是玻璃。但是，玻璃先前未曾被使用过，因为过去它不容易进行微加工。这就是说，难于用玻璃制成所需的结构。另一个潜在的基体材料是氧化铝，它广泛地用于电子仪器封装和可被加工用作具有某些所需特性的基体。但是，一种不希望的特点是它的高热传导率，它会严重地降低传感器芯片的灵敏度。最近在包括光敏玻璃及派克斯硬玻璃(Pyrex)的玻璃材料方面的研发显示了可进行微细加工并极其有效。因此，这种材料现在可为微细加工的流量及特性传感器提供另外一种电路小片基体。本专利技术开发利用了玻璃(光敏玻璃、熔融石英，等等)或氧化铝材料的特性来生产具有优化的物理特性的流量及特性传感器。提供了Microbrick TM或微填结构式的玻璃基传感器，因此可制造用于检测流体特性或大流量流体流量的粗糙的传感器，而没有压应力引起的错误信号。由于最近在玻璃方面的研发，这种材料用作电路小片基体时通常减少了所需的结构机加工量。更准确地说，现在基体可被加工成具有基本是实心结构的Microbrick TM或微填结构。在这种形式的传感器电路小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物理特性传感器电路小片包括： 一基本是实心绝缘的传感器主体，该主体具有前表面及后表面，其中基体具有从前表面延伸至后表面的多个孔； 连接于该前表面的至少一个传感元件；和 填充该多个孔的一种连接材料，使得该多个传感元件电连接于该后表面上的对应连接材料上，而该连接材料被构造成适于把该连接材料连接于电子线路的基体上。

【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：A帕德马纳布汉，MJ哈吉一谢克，U邦尼，
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]