將流量管或類似部件熱耦合到熱感測器上的方法和由此形成的感測器系統的製作方法

2023-10-09 18:06:34

專利名稱：將流量管或類似部件熱耦合到熱感測器上的方法和由此形成的感測器系統的製作方法
技術領域：
實施例大體上涉及熱耦合方法，且尤其涉及將部件熱耦合到感測 器上的方法。實施例另外涉及將諸如流量管的部件熱耦合到流體的熱 感測器上的方法和由此所形成的熱感測系統。實施例還涉及將流量管 熱耦合到微結構熱感測器上的方法和由此形成的微型熱感測器系統。
背景技術：
感測器可在多種應用中用於測量熱通量和與物理過程或活動所 造成的熱交換相關聯的溫度變化。如果以適當方式應用，熱感測器還 可用於測量其它的量，例如，液體或氣體的流量或材料的熱性質。使 用熱感測器來感測質量流量和傳熱(例如)用於建築物的氣候控制應 用、爐子和烘箱的溫度控制應用和用於監控千燥工藝過程。
用語"熱感測器"在下文中用於表示一種感測器，其由襯底形成 並具有設置在^)"底上的一個或多個元件，用於加熱和/或感測物質或才才
料的性質。微橋式(microbridge)感測器(例如，如在Johnson等人的美 國專利第4,651，564號中詳細介紹的那樣)是這種熱感測器的示例。微 橋式感測器包括流量感測器晶片(chip),其具有與晶片襯底熱絕緣的薄 膜電橋結構。 一對溫度感測電阻元件排列於加熱器元件的任一側上電 橋的上表面上，使得當該電橋浸沒於流量流中時，液體或氣體介質的 流動冷卻上遊側上的溫度感測元件並4足進從加熱器元件的熱傳導，/人 而加熱下遊側上的溫度感測元件。通過在惠斯登(Wheatstone)電橋電路 中結合感測元件而將隨著流速增加而增加的上遊感測元件與下遊感 測元件之間的溫差轉換成輸出電壓，,人而可通過使輸出電壓與流速相 關而檢測氣體或流體的流速。當沒有流體流動時，由於上遊感測元件與下遊感測元件處在相同的溫度，因此不存在溫差。
由於樣史橋結構是防爆裂式的，因此微橋式感測器適於測量具有或 不具有較大壓力波動的潔淨氣體。然而，微橋結構的開放性可導致來 自蒸汽的冷凝液保留於微橋結構中，從而造成不可控制的熱響應變 化，使得感測器測量易於出錯並且不穩定。此外，結合到加熱器和感 測元件的引線保留懸浮於流體中的顆粒並且增加湍流移位流動響應。 而且，在高質量通道環境和在清潔感測器期間引線易於損壞。
熱感測器的另一示例是基於膜的感測器。膜感測器並不具有向流 體暴露的開口因此液體不能夠進入到下層的結構。膜感測器允許在惡 劣環境(冷凝蒸汽、懸浮顆粒等)中進行準確測量。然而，膜感測器包 括通過膜與流體密封隔開的氣隙使得在高壓環境下由於膜的變形或 爆裂的原因感測器容易失效。而且，加熱/感測元件通常引線結合到其 它部件並且向流體流動暴露，導致由於高質量流量或在微橋結構的情 況下清洗所造成的可能的損壞。
熱感測器的另 一示例是微結構熱流量感測器，其具有帶
microbrickTM結構或微粒(microfill)結構的微型感測器晶片(die)，這種感
測器更適於在惡劣環境條件下測量流體流動和性質。該微結構流量感 測器使用在加熱/感測元件下方形成大體上實體結構的MicrobrickTM或 微粒，並且具有將加熱/感測元件與流體隔離開的鈍化層使得該感測器 不易受到流體作用的影響。此外，該感測器使用穿過晶圓 (through-the-wafer)的電氣連接代替引線結合來克服與引線結合相關聯 的問題。儘管這種類型的微結構感測器能夠在惡劣環境下可靠、穩定 且快速響應操作，但這種感測器在可使用這種感測器的流體流動環境 類型方面仍存在限制。而且，該微結構可幹擾流體內的流量流特徵， 因此不能夠有效地使用該感測器。
前述問題證明需要提供一種熱感測器系統，其能夠準確地並且可 靠地測量流體的性質同時實現與流體的良好的化學隔離和對流體的 最小幹擾。

發明內容
特徵的理解並且發明概要不是本發明的全面介紹。可通過將整個說明 書、權利要求、附圖和摘要作為一個整體來理解而得到本發明的全面 介紹。
因此，本發明的一個方面在於提供一種形成改進的熱感測器系統 的方法。
本發明的另 一 方面在於提供一種用於測量流體的性質的熱感測 器系統，其可在不幹擾流體的情況下令人滿意地利用這種熱感測器系統。
本發明的另 一方面在於提供一種形成改進的微型質量流量感測 器系統的方法。
本發明的又一方面在於提供一種微型質量流量感測器系統，其適 於在包括惡劣環境的多種質量流量應用中使用。
現可如本文所介紹的那樣來實現本發明的前述方面和其它目的 和優點。本發明公開了將諸如流量管的部件熱耦合到熱感測器上的方 法。由此形成的熱感測器系統能夠有效地測量封閉的或穿過該部件傳
遞的流體的性質而不幹糹尤流體流動特;f正。
將流量管或類似部件熱耦合到熱感測器上的方法包括將該部件 結合到熱感測器上使得設置在感測器的表面上的熱感測/加熱元件可 熱耦合到該部件的表面上的相應位置。將該部件結合到熱感測器表面 上提供了它們之間穩固的機械連接，與通過其它技術(諸如通過？ 1線結 合)將元件耦合到該部件上相比較，這種連接更不易於失效。
可在部件的表面上形成多個導熱的附接部分，以與設置在熱感測 器表面上的分開的相應感測/加熱元件對準。可在感測/力。熱元件和/或 附接部分上施加導熱的結合材料。可通過將該部件的附接部分與相應 感測/加熱元件對準而在該感測器上對準該部件。該部件可結合到熱感 測器上使得部件的附接部分熱耦合到分開的相應熱感測/加熱元件上。感測/加熱元件可結合到相應部件的部分上或可與它直接接觸。將每個 溫度加熱/感測元件分開地結合到相應部件的附接部分提供了元件與 部件上的指定位置之間精確的熱傳導路徑，從而能夠在部件與感測器 之間進行高效並受控制的熱交換。因此，提供了一種將部件熱耦合到 熱感測器上的更為可靠的方法並且可實現更準確和可靠的感測。
兩個或兩個以上的附接點可間隔開地形成於熱感測器上感測元 件的任一側上用於在該熱感測器表面上進一步對準該部件。將部件的 附接部分結合到相應附接點便於在平坦表面上對準該管。
熱感測器可形成為微結構，其具有設置在微結構的表面上的至少
一個加熱感測(heating sensing)元件用於感測至少一個內在或外在性 質。微結構上可設有多個熱感測/加熱元件。
熱微型感測器可以是(例如)具有MicrobrickTM或微粒結構的微結 構流量感測器，該MicrobrickTM或微粒結構在加熱/感測元件下方形成 大體上實體結構。可在微結構流量感測器的感測/加熱元件上沉積導熱 結合墊或層，用於將這些元件粘附到結合材料上。可(例如)通過在感 測/加熱元件上沉積鎳層並且然後在鎳層上沉積金層而形成結合墊。
可選擇焊料作為結合材料。可通過將部件的附接部分焊接到相應 結合墊上而將部件結合到微結構流量感測器上。可通過剝離(lift-off) 或蔭罩(shadowmask)技術在結合層上沉積焊料。在將流量管結合到微 結構上之後可執行回流焊工藝。該回流焊是有利的，因為它將部件的 附接部分與附接區自行對準使得該管在微結構上正確地對準。
利用金屬或具有高導熱性的其它材料形成結合墊、焊墊和部件的 附接部分允許將感測與加熱元件有效地熱耦合到流量管上。
該部件可以是毛細管流量管。部分或完全導熱帶可形成於管外表 面上並與該管同心以與結合墊或層對準。
可使用分離沉積(split deposition)技術來形成每個結合墊，其中結 合墊被圖案化為一對並排且間隔開的墊使得間隙在它們之間在流動 方向延伸。當該管結合到結合墊時，管圓形截面的最下部可處於結合墊中所形成的間隙中。以此方式在沉積的結合材料中形成間隙，便於 將流量管垂直於流動方向定位以準備將該管最終結合到墊上。
可通過將毛細管流量管熱耦合到熱微型質量流量感測器上而形
成熱微型流量感測器系統。該系統可包括具有MicrobrickTM或微粒結 構的孩i結構流量感測器。上遊電阻熱感測元件和下遊電阻熱感測元件 可設置在加熱元件的任一側上。將毛細管流量管結合到微結構上。該 流量管上形成有導熱區以與樣麼結構的相應感測和加熱元件^j"準。可通 過導熱材料將導熱區結合到相應感測和加熱元件，以便將感測與加熱 元件熱耦合到毛細管上的分開區域。通過將管結合到熱感測器表面上 將毛細管熱耦合到質量流量感測器上的方法可提供可靠的毛細管質 量流量系統，其適於在惡劣環境中使用。
熱流量感測器系統可包括金屬結合墊，其形成於傳導和加熱元件 上並結合到管導熱區。金屬結合墊可以是鎳層和沉積在鎳層上的金 層。可通過焊接工藝將管的導熱區結合到金屬結合墊上。


附圖進一步說明本發明並且與本發明的詳述一起用於解釋本發 明的原理，在附圖中，貫穿所有獨立的附圖，相同的標號表示相同或 功能類似的元件，且附圖結合在說明書中並構成說明書的一部分。
圖1示出了根據優選實施例通過將流量管熱耦合到熱感測器上的 方法所形成的熱流量感觀'J器系統的透視圖2示出了在圖1的流量管的流動方向觀察的熱流量感測器的側
視圖3示出了根據本發明的優選實施例在實施將流量管熱耦合到流 量感測器微晶片的方法之前的流量感測器微晶片的平面圖4示出了沿圖3的感測器晶片的線A-A所截取的截面圖； 圖5示出了在感測器上沉積結合墊的方法步驟之後的流量感測器 微晶片的平面圖；圖6示出了沿圖5的感測器結構的線A-A所截取的截面圖； 圖7示出了在沉積焊墊的方法步驟之後流量感測器的截面圖； 圖8示出了在將流量管帶焊接到焊墊上的方法步驟之後的流量感
測器的截面圖；以及
圖9示出了根據一個實施例將部件熱耦合到熱感測器的一般方法
的流程圖。
具體實施例方式
可改變在這些非限制性示例中所討論的特定值和配置並且引用 它們只是用於說明本發明的至少 一個實施例而不是用於限制本發明 的範圍。
參看附圖中的圖1,描繪了熱質量流量感測器系統100，其可通 過根據優選實施例的將以流量管形式的部件170熱耦合到熱感測器 120上的方法形成。
在圖1所示的熱感測器系統的實施例中，熱感測器120包括微結 構熱流量感測器，其具有帶MicrobrickTM或微粒結構的微型感測器晶 片，諸如在Padmanabhan等人的美國專利笫6,794,981號中具體介紹 的那樣，該專利以引用的方式結合在本文中。部件170包括毛細管流 量管，其由諸如玻璃的化學惰性材料形成，從而減小該管與通過該管 傳遞的流體之間的化學汙染。
然而，本領域技術人員應了解，圖1的說明只是描繪了本發明的 實施例的一個示例並且本發明實施例並不限於此。部件170可以是任 何類型的導管、隔室、腔室或用於通過向熱感測器導熱而傳輸熱的其 它適當容器。另外，可將流量管或其它類似部件170熱耦合到由襯底 形成的任何類型的熱感測器上，該襯底上設有至少 一個熱感測元件， 其能夠從熱耦合到感測器的部件感測熱或溫度。
圖3示出了圖1的熱感測器系統的微結構感測器120的平面圖， 且圖4示出了沿著圖3的線A-A所截取的截面圖。微結構感測器120包括具有主體119的流動流體感測器晶片或襯底104。 一對溫度感測 電阻元件101、 103以及在它們之間的加熱電阻元件102在該主體上 間隔開排列。元件IOI、 102、 103由適當金屬(諸如鉑)形成。
主體119可以MicrobrickTM或微粒結構的形式實施，其可包括具 有較低導熱性的玻璃狀材料塊，諸如派熱克斯玻璃(Pyrex)或石英，其 在加熱/感測元件101、 102、 103的下方提供大體上實體的結構，除了 將元件電氣互連到其它部件的導電通孔(未示出)外。在玻璃體的上表 面上是鈍化層118,諸如氮化矽(Si3Ht),在它上面設有加熱/感測元件 101、 102、03。在加熱/感測元件上設有保護層117，其也由(例如) 氮化矽形成。
導熱的附接部分161、 162、 163間隔開地繞流量管外部形成並與 該管同心，其#支結合到相應電阻感測/加熱元件101、 102、 103(參看圖 1與圖8)，以便通過在感測/力。熱元件與相應導熱的附接部分之間的分 開的熱傳導路徑以有效且精確的方式在流量管170與熱感測器120之 間進行熱交換。儘管熱感測器120與流體流動分開，所得熱感測器系 統仍能夠有效地測量流體流動。流體流動最好不受熱感測器120的影 響。
現將參看圖9的流程圖來介紹根據一個實施例將部件熱耦合到熱 感測器上形成熱質量流量系統(例如，如圖1所示)的方法。
如圖9的方框201所介紹，準備在感測器電阻感測/加熱元件上沉 積結合材料，在元件上沉積結合墊或層從而可將元件粘附到結合材料 上。舉例說來，為了形成圖l的熱感測器，最初，結合墊lll、 112、 113沉積於熱感測器120的各別感測和加熱元件101、 102、 103的上 方保護層117的上表面上，如圖5和圖6所示，其示出了在沉積結合 墊之後所得微結構的平面圖和截面圖。
結合墊111、 112、 113由具有高導熱性並具有粘附性的材料形成， 其適於將感測/加熱元件101、 102、 103粘附到選定結合材料上。舉例 說來，為了通過焊接工藝將流量管170結合到感測器120上，通過在元件IOI、 102、 103上沉積鎳層，之後在鎳層上沉積金層而形成結合 墊lll、 112、 113用於焊接潤溼。額外的結合墊IIO形成於襯底表面 106上在或鄰近襯底的兩個成對角對置的拐角處並與元件對準以便於 在感測器120的平坦表面106上自行對準流量管170。然而，對於將 管170結合到感測器120上的目的，結合墊110並不是必需的。
在圖5和圖6所示的示例中，通過分離沉積或圖案化技術形成每 個結合墊110至113,其中， 一對墊在感測器表面106上間隔開而且 並排地沉積使得間隙116在它們之間在縱向延伸。以此方式圖案化帶 間隙116的結合墊110至113允許流量管170沿著感測器的上表面106 放置，其中管的圓形截面的最下部處於間隙中(參看圖2)。或者，在對 準並不十分重要的情況下，可形成不帶間隙的結合墊。
如圖9的步驟202所表示，高導熱性附接部分形成於部件的外表 面上與相應感測元件對準。在圖1所示的熱感測器系統的示例中，附 接部分160、 161、 162、 163形成於流量管170的外表面上以與各別 焊墊150、 151、 152、 153對準(參看圖1和圖8)。現將在下文中更具 體地描述焊墊的形成。通過將金屬帶附加到管外表面上形成管的附接 部分160、 161、 162、 163並與該管同心。然而，可將由非金屬高導 熱材料形成的附接部分與適當結合材料一起使用。
步驟202不是必需在步驟201之後執行而是可在準備將部件結合 到感測器上的任何時間執行。此外，在部件自身由金屬或其它高傳導 性材料製成的情況下可省略步驟202並且可直接將部件結合到結合 塾。
在形成結合墊之後，向結合墊和/或向附接部分施加結合材料，如 圖9的步驟203所表示。為了將流量管170熱耦合到如圖1所示的感 測器120上，隨後在結合墊110、 111、 112、 113上沉積高導熱的結 合材料，在這種情況下為焊料，諸如銦或銦鉛合金，如圖7所示，其 示出了在焊料沉積之後所得微結構流量感測器的截面圖。通過剝離或 蔭罩技術(諸如在一體化真空包裝技術中所採用的技術)來執行焊料沉積以形成焊墊150、 151、 152、 153用於隨後焊接到流量管。舉例說 來，可使用剝離技術，其在半導體工業中是常用的並且能夠施加5至 10微米的材料，諸如2級抗蝕劑剝離(resist lift-off)或圖像反轉剝離 (image reversal lift-off)。同樣，也可使用蔭罩，但它通常具有較小的精 確度。剝離與蔭罩均允許高導熱的結合材料的圖案化而不蝕刻結合材 料自身，但通過移除蔭罩或溶解剝離抗蝕劑來移除不需要的材料。
如圖9的步驟204所表示，然後將部件的附接部分與相應結合墊 對準。在圖1的熱感測器系統的示例中，金屬帶160、 161、 162、 163 與相應分離焊墊(splitsolderpad)150、 151、 152、 153對準。管圓形截 面的最下部處於形成於焊墊中的縱向間隙116中便於在最終的焊接工 藝之前使管170的長度沿著感測器120的上表面並且垂直於流動方向 對準(參看圖2)。
之後，如圖9的步驟205所表示，附接部分被結合到相應的結合 墊上。在圖1的熱感測器系統情況下，若需要，使用在焊接之後可4皮 清除的熔劑來將金屬帶160、 161、 162、 163焊接結合到相應焊墊150、 151、 152、 153上，從而將流量管170結合到微型感測器120上(參看 圖8)。
在將流量管170結合到感測器120之後，可執行回流焊工藝，回 流焊工藝是有利的，因為在回流期間的焊料表面張力幫助管帶161、 162、 163與焊墊151、 152、 153自行對準使得該管沿著感測器上表面 160正確地對準，但是對於將管結合到感測器上而言，回流工藝並不 是必需的。
利用金屬或其它具有高導熱性材料形成結合墊和附接部分允許 感測和加熱元件有效地熱耦合到流量管或類似部件。
此外，如在圖1的熱感測器系統的示例中，將每個溫度加熱/感測 元件分開地結合到相應管金屬帶提供感測與加熱元件之間的精確的 熱傳導路徑和在流量管上的精確定位，從而允許在流量管與感測器之 間進行有效且受控制的熱交換。因此提供一種將流量管熱耦合到熱感測器上的更可靠的方法並且可實現更準確和可靠的感測。
此外，將金屬帶結合到流量管上提供了它們之間的穩固機械連
接，與通過已知方法(諸如通過繞流量管纏繞的金屬線)連接到流量管
上的元件相比，這種連接更不易於失效。
現將參看圖1和圖8所示的系統來介紹根據一個實施例的流量感
測器系統100的操作方法，該流量感測器系統100通過將毛細管170 熱耦合到熱感測器120上的方法而形成。在操作中，當不存在流體流 動時，上遊感測元件101和下遊感測元件103處於相同的溫度因此在 元件IOI、 103之間並不存在溫差。然而，當流體通過毛細管傳遞時， 流體流動冷卻在上遊側上的溫度感測元件101並促進從加熱器元件 102的熱傳導從而加熱下遊側上的溫度感測元件103。通過在惠斯登 電橋電路(未示出)中結合感測元件而將隨著流速增加而增加的上遊感 測元件與下遊感測元件之間的溫差轉換成輸出電壓，以便可通過使輸 出電壓與流速相關而檢測出氣體或流體的流速。毛細管170使流體與 熱感測器120化學隔離並允許在不幹擾液體的情況下測量流率。因此 根據本發明的實施例的將管熱耦合到熱感測器上的方法提供一種可 靠且可再生產的微型質量流量系統，其適於在惡劣環境中使用。
提供本文所述的實施例和示例來最佳地解釋本發明和它的實踐 應用並因此使本領域技術人員能夠製造並利用本發明。然而，本領域 技術人員應認識到提供前述介紹和示例僅出於說明和示例目的。本發 明的其它變型和修改對於本領域技術人員顯而易見，且所附權利要求 的目的在於涵蓋這些變型和修改。
舉例而言，本領域技術人員應了解將部件熱耦合到熱感測器上的
方法可使用具有非線性形式的部件(諸如U性管管)來實施，而不是採 用如所介紹的實施例的管的線性形式。此外，本領域技術人員將了解 可通過將流量管結合到遠離感測/加熱元件處的附接點而將感測/加熱 元件熱耦合到部件的附接部分(諸如圖1所示的流動金屬帶)，以便與 附接部分直接接觸但不結合到相應的感測/加熱元件。如上文所述的介紹並不詳盡或者限制本發明的範圍。鑑於上文的 教導內容，在不偏離所附權利要求的範圍的情況下，許多修改與變型 是可能的。應了解本發明的使用可涉及具有不同特徵的部件。預期本 發明的範圍由所附權利要求限定，其向所有方面的等效物給予全面認 定。
';二二,二 二 ，.， ，—二二.:……" 印 求限定。
權利要求
1.一種將部件熱耦合到熱感測器上的方法，包括向所述熱感測器施加結合材料；將設置在所述熱感測器上的至少一個熱感測/加熱元件與部件上的相應位置對準；以及將所述部件結合到所述熱感測器上，使得該或各熱感測/加熱元件熱耦合到所述部件的表面上的所述相應位置。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述熱感測器包 括微結構，所述微結構具有設置在所述微結構的表面上的至少一個加 熱感測元4牛。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述微結構具有設 置在所述微結構的表面上的多個熱感測/加熱元件，所述方法還包括在所述部件的表面上形成多個導熱的附接部分，所述附^接部分尋皮 形成為與設置在所述微結構的表面上的所述相應熱感測/加熱元件對準；將所述部件的附4妻部分與所述相應熱感測/加熱元件，於準；以及 將所述部件的附接部分結合到所述熱感測/加熱元件上，使得所述 部件的部分熱耦合到所述分開的相應熱感測/加熱元件上。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括 在所述感測器的各自的感測/加熱元件上沉積導熱結合墊或層，以將所 述元件粘附到所述結合材料上。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，形成所述結合墊 包括在所述感測/加熱元件上沉積鎳層，以及在所述鎳層上沉積金層。
6. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，將所述部件結合 到所述感測器上包括將所述部件的附接部分焊接結合到所述各別結 合墊上。
7. —種形成熱流量感測器系統的方法，包括提供熱感測器，所述熱感測器具有設置在襯底的上表面上的上遊感測元件和下遊感測元件以及加熱元件； 提供毛細管；在所述毛細管的表面上形成導熱的附接部分，用於與所述感測器 的電橋上的相應感測與加熱元件對準；在所述感測與加熱元件和/或所述管的附接部分上施加導熱的結 合材料；將所述附接部分與所述相應感測與加熱元件對準，以便在所述襯 底的所述表面上對準所述管；以及將所述附接部分結合到所述相應感測與加熱元件上，使得所述毛 細管熱耦合到所述加熱/感測元件上。
8. —種熱流量感測器系統，包括熱感測器，包括襯底和設置在所述襯底上用於檢測流體性質的至 少 一個加熱和/或感測元件；結合到所述熱感測器上的毛細管流量管，所述流量管具有形成於 其上用於與相應的所述感測或加熱元件對準的至少一個導熱區，合到所述襯底上，使得該或各感測/加熱元件熱耦合到所述毛細管的特 定區域。
9. 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述熱感測器還 包括上遊感測元件、下遊感測元件和設置在所述上遊感測元件與下遊 感測元件之間的電阻加熱元件，所述管的所述導熱區^支分開地結合到 所述上遊感測元件和下遊感測元件以及所述加熱元件。
10. 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述襯底是在所
全文摘要
一種將流量管或類似部件熱耦合到熱感測器上的方法，包括將該部件結合到該熱感測器上使得形成於該部件上的導熱部分熱耦合到設置在該熱感測器上的相應感測/加熱元件上。該方法可用於形成毛細管質量流量感測器系統。諸如金屬帶的導熱部分可形成於毛細管的外表面上，以與設置在微型質量流量感測器的襯底上的相應電阻熱感測與加熱元件結合。結合金屬墊可形成於該感測器表面上來準備將該管的金屬帶焊接結合到該電阻感測和加熱元件上。
文檔編號G01F1/684GK101292135SQ200680039267
公開日2008年10月22日 申請日期2006年8月23日 優先權日2005年8月26日
發明者E·A·薩特倫, R·E·希加施 申請人:霍尼韋爾國際公司