帶有晶片型感應器的質流儀的製作方法
2023-05-29 11:11:06
專利名稱：帶有晶片型感應器的質流儀的製作方法
背景技術：
發明領域本專利申請案系基於2002年6月28日申請之臨時專利申請案第60/392,380號。
本發明涉及質流計，而更特定言之，涉及質流計之晶片類型的溫度感應器，以及四個感應器的橋接電路。
相關技術描述有許多不同的方法被用來測量氣體與流體的流速。這些方法通常被分成兩類測量體積流的，以及測量測量質量流的。
體積流量計的實例是一種錐形管，氣體或液體流經該管，會移動管中的浮標。當沒有流量時，浮標靜止於管子底部，封住其較窄的一端。當液體流經管子時，浮標會升起，而升起的高度正比於液體體積流量。
體積流量計的主要問題與氣體流速的測量有關。改變氣體的壓力或溫度，會造成流量測量不準確。
傳統上使用質流計(MFMs)來操作控制液體流經導管流速的閥；MFM與閥的組合稱為質流控制器(MFC)。這些裝置用於很多需要精準的氣體或液體流速控制系統中，如在半導體製程工業中，可以用來傳遞生長或摻雜於半導體材料中的氣體原子，其中氣體流速是重要的良率參數。2000年5月15-16日，於國立標準與技術研究院(NIST)舉辦之「半導體工業之質流測量與控制研討會」，其結果發表於2000年7月20日，其中有討論半導體工業之MFCs。MFCs超越體積流量測量的優點，是由於線壓力與溫度的變化的緣故，質量流會比較容易受精確度誤差的影響。已知的MFCs包含可浸沒式(immersible)熱MFCs，熱MFCs，與差動壓力MFCs。
熱MFCs是半導體製程工業中，最常使用的MFC類型。他們是比較便宜的組件，並且在價格與性能之間，提供良好的妥協。在可浸沒式MFCs中，一或更多感應器就位於流動的流體中，其同時具有毛細管MFCs，其中毛細管平行主要的流體導管，而管子外面則有一或更多感應器。
在可浸沒式熱MFCs中，浸沒的溫度感應器也當作加熱器，當電流經過時，便會加熱。當流體沒有流動時，溫度感應器保持某些已知的常數溫度。由於流體將熱帶走，流動的流體會降低感應的溫度。感應溫度下降的幅度正比於流體的質流速度。在感應器材料會汙染流動的流體，或其本身會被流體汙染的應用中，可以將感應器封裝起來。
在另一種近可浸沒式的熱MFCs中，加熱器浸沒於上遊，而溫度感應器則浸沒於下遊。上遊加熱器之操作所造成之感應器位置的流體溫度上升量，與流體的質流速率有關聯。
在毛細管熱MFCs中，已知部分流體系經由加熱的毛細管導引，而剩下的流體則繞過毛細管。該管系由環繞上遊外表面之金屬電線所加熱，其下遊並有溫度感應線圈。通常是使用白金線，因為其電阻隨溫度改變的函數是已知的，這允許其當作加熱器或溫度感應器。某些MFC製造商使用薄膜自金電阻溫度裝置，其在薄膜絕緣體(通常是鋁)上，包含白金薄層，其中該薄膜絕緣體系沉積於毛細管的外表面。自金薄膜層的電阻改變是溫度的函數。
經由毛細管轉移的氣體吸收一些來自上遊線圈的熱。如果沒有氣體流動，管子將被均勻地加熱，而上遊與下遊感應器將會感應相等的溫度。一旦氣體開始流過管子，其熱吸收容量會使管子的上遊部分降溫，同時加熱下遊的部分；溫差隨氣流增加而增加。板上或遠端的電子零件提供感應器之激發電壓或電流，同時也監視感應的反應。舉例來說，如果施加電流，則監視跨過線圈的電壓，使線圈的電阻是已知的。既然感應器之電阻隨已知溫度函數而變化，可以由其電流與電壓來決定感應器上的溫度。
熱MFCs可以是固定電流或固定溫度的裝置。在固定電流的裝置中，溫度感應器以橋狀電路，電子地連接兩個電阻元件；其他元件則是被動式電阻器。感應器電阻將固定的激發電流轉換成熱，而沿著毛細管提供均勻的溫度梯度。
在固定溫度的裝置中，感應器也連接成雙感應器橋接電路，但是MFC電子元件對橋接電路提供固定電壓，而不是固定電流。流經管子的流體會降低上遊感應器的溫度，而這會降低其電阻(對正的溫度係數感應器而言)，使更多電流流過。激發電流的增加造成感應器散發更多熱，而這補償流體散失的熱。該額外的電流正比於流體的質流速率。通常使用白金當作感應元件。
雖然這些已經被廣泛地運用，目前市售的MFCs有下列之一或更多特徵相當高的溫度感應偏移，低敏感度，長反應時間，與製造期間，處理超細白金線之困難度有關的耗費，為量化低敏感溫度感應器之電子反應的額外電子元件，以及與高敏感度感應器一起使用時，低敏感度溫度感應器之電路所引起的錯誤。
發明概述在本發明之一態樣中，至少放置四個互相分隔的溫度感應器，以感應流經導管的流體溫度，並且連接成四個感應器的橋接電路，以提供流體質流速率的指示。感應器是不連接的，而且相對於導管對稱地分布，其中最好是沿著流動的路徑，在導管的兩個位置上，於每一相對的側面放置一對感應器。
在本發明之另一態樣中，溫度感應器是分離晶片類型的元件。感應器的選擇包含半導體材料，如碳化矽(SiC)或矽，其中在晶片與導電的導管，以及氮化鋁(AlN)基板上的薄膜鎢層之間，具有氧化物接合面。感應器可以用電子絕緣的薄膜來包覆，而在薄膜的其他側面上有一電路，該電路延伸經過薄膜，以接觸感應器。該感應器可以經由感應器與導管上都有的鈦鎢(TiW)合金或鎳(Ni)層，安裝於導管上，每一個支持一層金(Au)。可以使用各種不同的感應器位置，包含導管外表面，導管內表面，導管壁的開口，或投射到導管內部。
晶片類型的感應器使多重感應器可以對稱地放在導管周圍，而且可以是沿著流體流動的路徑放在單一位置或多個位置上。對稱放置得以獲得更精確的溫度感應，而這對於四個感應器的橋接電路，或利用一或更多感應器對的其他MFM配置，都是有用的。
經由對導管之控制閥施加上述MFM之輸出，則可以使用MFM來操控流經導管的流體。
對於熟諳此藝之士而言，從以下詳細敘述與附圖，本發明之這些與其他特徵與優點，將是顯而易見的。
附圖簡述
圖1是毛細管MFM之簡化的剖面圖，其根據本發明；圖2是四感應器橋接電路之概圖，其反應圖1之感應器，提供MFM輸出；圖3是一曲線圖，說明上遊與下遊感應器之間的溫度，對橋接輸出的線性關係；圖4是晶片類型溫度感應器之透視圖與概圖的合成簡圖，其中根據本發明，將晶片類型之溫度感應器安排成MFM四感應器橋接狀態；圖5是圖4中所說明之結構的剖面圖，該結構具有環繞感應器之絕緣套管；圖6是另一晶片類型之感應器組態的透視圖，其中該感應器於氮化鋁(AlN)基板上，具有薄膜鎢感應器；圖7是一感應器晶片之簡化的剖面圖，其中該感應器安裝於流體導管之內壁；圖8是一感應器之簡化的剖面圖與概圖，其中該感應器安裝於流體導管的開口中；
圖9a是一MFM感應器之剖面圖，其中該MFM感應器安裝於導管內部之遮蔽的環境中；圖9b是沿著圖9a之線段9b-9b所採取的剖面圖；圖10是一感應器之剖面圖，其根據本發明之一具體實施例，其中該感應器浸沒於流體流動的管子中；及圖11是一MFC系統之簡化的剖面圖，其中該MFC系統具有本發明之MFM。
發明詳細描述圖1說明根據本發明之一具體實施例的毛細管MFM。經由主導管2流動的一小部分流體，無論是氣體或液體，被轉移到毛細管4；主導管與毛細管結構可以是傳統的型式。主導管與毛細管的剖面以傳統的方式精確地製作，以確保其流體流動是相同的。可是，不是之前提供於毛細管周圍的白金線圈，而是沿著管子，位於上遊位置的一對晶片類型的溫度感應器U1與U2，以及沿著管子，位於下遊位置的一對晶片類型的溫度感應器D1與D2。每一對感應器最好以180度的間隔對稱地放置於管子的對面。在流體溫度從管子一端到另一端些微變化的情況中，這允許其對管子內之流體溫度做更精確的感應。舉例來說，如果感應器位於沿著毛細管水平的部分，而不是所示之垂直的部分，則升高的熱會使較高的感應器偵測到稍微高一些的溫度，而較低的感應器則會偵測到稍微低一些的溫度。對稱的感應器放置是希望消除這些差異，同時更均勻地將熱引進導管中。毛細管壁具有高的熱傳導率，使管內的流體溫度準確地傳送到感應器；為此，通常使用不鏽鋼。
圖2說明四感應器之橋接電路，其系用來感應經過圖1之毛細管之流體的質流速率。該橋接電路被分成左與右分支，每一分支具有上與下的部分。左分支包含一對上遊與下遊感應器，其中上遊感應器U2位於其較上的部分，而下遊感應器D2則位於較低的位置。右分支也包含一對上遊與下遊感應器，但是其在分支中的相對位置是保留的；下遊感應器D1位於較上的部分，而上遊感應器U1則位於較低的部分。
來自電流源I1的啟動電流回饋至橋接電路的上面，而電流則從橋接電路流出，經由電阻器R，流到接地之參考電位。橋接電路的輸出分別是在右分支之D1與U1之間，以及在左分支之U2與D2之間的連線上的電壓Vo1與Vo2。
每一感應器具有相同的結構，因此具有相同電阻溫度係數。流經毛細管的流體會將熱從上遊感應器U1與U2，傳送到下遊感應器D1與D2。因此，對於具有正的電阻溫度係數的感應器，這對D1/D2造成比對U1/U2高的電阻。橋接電路左分支的總電阻會保持與其右分支相同的總電阻，因此相同的電流會流經每一分支。可是，因為每一電阻等級的差異，右分支之較上面的部分，跨越D1的電壓降會是比跨越較低部分U1之電壓降大的電壓降，而相反地，左分支之較上面的部分，跨越U2的電壓降會是比其跨越較低部分D2之電壓降小的電壓降。因此，Vo1會是比Vo2高的電壓等級，其中電壓差表示質流速率。
由於除了Vo1反應流體流動而上升以外，Vo2還下降，因而產生複合的效果，所以圖2之電路獲得比先前雙感應器橋接電路更高程度的敏感度。也已經發現可以用此一電路而無需放大感應器輸出，來達成有用的質流速率監視。
圖3說明對於四感應器橋接電路而言，模擬的電壓差輸出是上遊與下遊感應器之間溫度差的函數。該曲線是實質上線性的，因此在整個完全線性的範圍上，只需要決定沿著曲線上的兩個點，即可獲知流速，避免更複雜之方程式的需求，其中該等方程式可能需要被嵌入微處理器之微晶片中。
圖4說明在流體導管4上，晶片類型之溫度感應器的配置，其系根據本發明。碳化矽(SiC)與矽晶片是較佳的；其在電阻溫度係數是正的區域中，具有相似的敏感度。碳化矽(SiC)具有比矽高的操作溫度，而且沒有擴散。也可以利用其他半導體材料，但是其他半導體材料通常比較不容易使用，無法形成天然氧化物，因此不會比碳化矽或矽更敏感。電子接觸襯墊6系用來當作每一晶片之相對端的金屬化層，並使電子引線至晶片能夠連線，而能夠施加激發電壓或電流，以及監視晶片的反應。
圖4所示之引線配置對應於圖2之四元件橋接電路，其中上遊晶片U1之一端經由引線8，連接至晶片D2的下遊端，其他上遊晶片U2之上遊端經由引線10，連接至其他下遊晶片D1的下遊端，U1與D1的正面，經由引線12連接在一起，U2與D2的正面，經由引線14連接在一起，I1施加於引線10，電阻器R連接引線8，Vo1取自引線12，而Vo2則取自引線14。雖然將引線12與14說明成是簡短的，但是他們的實際長度可以有相當的延伸，例如將其連接至引線輸出電子。為了質流速率監視的目的，這可以將連接晶片之間的熱路徑長度增加至引線實質上不是熱傳導的位置，因此避免晶片之間額外的熱路徑，其中這些額外的熱路徑可能會干擾測量。其他引線將以類似的方式安排。
圖5是一個不合尺度比例的剖面圖，說明對稱配置的晶片U1與U2可以粘合於導管4。電子絕緣，但是熱傳導的層16-1與16-2分別形成於U1與U2的面上，以允許導電的晶片直接接觸不鏽鋼導管4與粘合材料，而不需產生短小的電子電路。電子絕緣層16-1與16-2可以整個整合在一起，沉積或粘合於晶片部分上。使用碳化矽(SiC)或矽作為感應器，最好藉由氧化晶片面對導管的表面來形成電子絕緣層。
熱傳導接合材料18將晶片類型的感應器粘合於導管。如果粘合材料不直接與晶片氧化物與導管材料接合，則首先將適當的中間接合材料沉積於這些表面上，其中粘合材料通常是焊料。在圖5中，接合材料18是金/錫共熔合金焊料，其將不會直接粘合於電子絕緣的氧化物層16-1與16-2，或者是不鏽鋼管4上。為了產生良好的接合，鎢鈦(TiW)合金或鎳(Ni)的20-1與20-2層最好是約400-1500埃厚，其分別沉積於晶片氧化物層16-1與16-2上。類似的鎢鈦(TiW)合金或鎳(Ni)層20-3沈積於管子4的外表面。金(Au)層22-1，22-2與22-3最好是4000-25000埃厚，其接著分別沉積於鎢鈦(TiW)合金或鎳(Ni)中間層20-1，20-2與20-3上。接著可以施用粘合至金(Au)表面的金/錫共熔合金焊料18，以將兩晶片U1與U2結合於管子的對面。金是最好的接合材料，因為其具有非常高的熱傳導，而且不會很快氧化。有很多金接合金的焊料。
為了進一步保護整個配件，並對適當地方的感應器提供額外的支持，可以將配件遮蔽於絕緣套管24中，如由E.I.Dupont de Nemours公司所提供之商標為KAPTON的撓性聚硫亞氨薄膜。接觸襯墊金屬化26沉積或印刷於套管的外表面，並與感應器接觸點對齊。
圖6所說明之另一較佳之感應器晶片組態，包括沉積於絕緣氮化鋁(AlN)基板30上，當作感應器元件的鎢薄膜28。為了均勻的熱分布，當對鎢導體施加加熱電流時，鎢導體最好沿著基板30上彎彎曲曲的圖案，並且終止於一對分隔之接觸襯墊32的每一終端。鎢提供高度的熱敏感度，而且當和氮化鋁(AlN)一起使用時，因為兩者很匹配的溫度膨脹係數，其可以容許大的溫度範圍。薄膜鎢層通常是大約10-1000微米厚。此一溫度感應器是由本發明之發明人其中之一，詹姆斯 帕紳(James D.Parsons)於本申請案同一天申請，目前為申請中之專利申請案第10/608,737號的主題。
圖7說明根據本發明之感應器34，放在沿著導管4內壁上的位置。該感應器以類似於外部感應器的方式，結合於壁上，並且由感應器使用的材料，決定感應器與導管壁之間有或沒有電子絕緣層。感應器引線36可以從導管遠端的位置，或直接從導管壁中的絕緣套引出。如所說明之感應器在導管內的放置，允許對流經導管之液體非常快速與準確的追蹤，但是其要求感應器或結合材料不能與流體起反應。
現在請參考圖8，其說明安裝感應器36之其他選擇，其中感應器安裝於導管壁之開口，使流體直接加熱其面對導管內部的表面。感應器接觸點38位於其外表面，並且是容易接近的。該感應器與其安裝之導管開口，應該夠小，使感應器不會突出到進入導管，而且沿其周圍，要能獲得良好的接合，以將感應器固定於適當的地方，避免流體從導管流失。
如上所述，該感應器可以是四元件橋接的一部分，無論是雙感應器MFM之上遊或下遊元件，或是以單一感應器MFM獨自運作的。所顯示之電流源I2經由感應器引導電流，並具有一電壓計40，該電壓計40監視感應器反應施加電流的電壓。比較施加電流與所測量之電壓，得出感應器的電阻；這可以和沒有流動時的電阻比較，或者是與上或下遊感應器的電阻比較，以決定導管內的流體質流速率。
為了避免流體與感應器或其接合材料起反應，以保護感應器與/或避免流體汙染，圖9a與9b所示之晶片類型的感應器42，可以安裝於保護罩44的裡面，其中該保護罩44在導管4內形成封閉的隔間，避開流經導管的流體。對於不鏽鋼導管而言，保護罩44最好是不鏽鋼。引線46可以從感應器，經過導管壁內的外罩(未顯示)，向上延伸。
圖10說明浸沒式熱MFM，其中將半導體或熱敏電阻之晶片類型的感應器48，固定於導管4內流動的流體中，位於陶瓷晶片基板50的終端上。該基板承載由沉積金屬之薄層所形成的電子引線52，其允許對感應器48施加激發電壓或電流，也允許電路板上或遠端的MFM電子元件監視感應器的電阻。
圖11說明利用圖10之浸沒式MFM的MFC，其亦可以使用本發明所提議之任何其他MFM具體實施例。流動控制閥54位於浸沒式感應器48之上遊，其中電子封包56經由基板50上的引線痕跡(未顯示)，監視感應器的特性。MFC系統外罩60外面上的電子接合面58，對該系統提供電子輸入與輸出。電子元件56經由引線64，提供信號給控制閥促動器62，以反應偵測到的流體質流速率，控制控制閥的運作，而允許流速維持在理想的程度，而不受上遊或下遊線壓力或溫度變化的幹擾。
雖然已經顯示與敘述本發明之特定具體實施例，熟諳此藝之士將了解，可以有很多變化或其他具體實施例。因此，不希望本發明僅限於延伸申請專利範圍所陳述的。
權利要求
1.一種質流計(MFM)結構，包括一導管(4)，用來導引流體流動，及至少放置四個互相分隔的溫度感應器(U1，U2，D1，D2)，以感應流經該導管內的流體溫度，該感應器連接成四感應器橋接電路，以感應流經該導管之流體的質流速率。
2.如權利要求1所述的MFM結構，其特徵在於該感應器是不連接的，並且相對於該導管對稱地分布。
3.如權利要求1所述的MFM結構，該感應器包括半導體晶片。
4.如權利要求1所述的MFM結構，其特徵在於該感應器包括半導體晶片，並進一步包括該半導體之氧化物(16-1，16-2)，介於該感應器與該導管之間。
5.如權利要求1所述的MFM結構，該感應器包括各自氮化鋁(AlN)基板(30)上的薄膜鎢層(28)。
6.如權利要求1所述的MFM結構，進一步包括用來促動該感應器，與從該感應器決定流經該導管之流體的質流速率的電子電路(56)。
7.如權利要求6所述的MFM結構，進一步包括一控制閥(54)，以在該電路的控制下，控管流經該導管的流體。
8.一種流體質流計(MFM)，包括一導管(4)，用來導引流體流動，及至少一個分離之晶片類型的溫度感應器(U1)，其由該導管承載，以感應該導管內之流體的溫度，及電子電路(56)，用來促動該至少一感應器，及從該至少一感應器，感應流經該導管之流體的質流速率。
9.如權利要求8所述的MFM，每一該感應器包括半導體晶片。
10.如權利要求8所述的MFM，每一該感應器包括各自氮化鋁(AlN)基板(30)上的薄膜鎢層(28)。
11.如權利要求8所述的MFM，進一步包括一電子絕緣薄膜(24)與一電路(26)，其中該薄膜(24)封閉每一該感應器，而該電路(26)則位於該薄膜之其他側面，並延伸過該薄膜，以接觸每一感應器。
12.如權利要求8所述的MFM，其特徵在於每一該感應器包括一各自之半導體晶片，並進一步包括該半導體之氧化物，介於該感應器與該導管之間。
13.如權利要求8所述的MFM，其特徵在於每一該感應器安裝於該導管之外表面上，和流經該導管之流體做熱交換。
14.如權利要求8所述的MFM，其特徵在於每一該感應器安裝於該導管壁之各自的開口中。
15.如權利要求8所述的MFM，其特徵在於每一該感應器系安裝於該導管的內表面。
16.如權利要求8所述的MFM，其特徵在於每一該感應器安裝於導管內的保護罩(44)中，並由該保護罩保護，以免受該導管內之環境的侵害。
17.如權利要求8所述的MFM，其特徵在於每一該感應器突出至該導管的內部。
18.如權利要求8所述的MFM，該至少一溫度感應器包括複數個溫度感應器，其相對於該導管對稱地配置。
19.如權利要求8所述的MFM，進一步包括一控制閥(54)，以在該電路的控制下，控管流經該導管的流體。
全文摘要
一種質流計，其利用分離式晶片類型之溫度感應器(U1，U2，D1，D2)以感應流體流速。該感應器可以是一種半導體晶片，如碳化矽(SiC)或矽，或是氮化鋁(AlN)基板(30)上的鎢薄膜(28)。為了精確的流速監測，感應器可以相對於流體流經的導線管(4)對稱地分布，並且可以連接成四個感應器的橋接電路。質流計的輸出可以用來控制流速。
文檔編號G01F1/00GK1666089SQ03815196
公開日2005年9月7日 申請日期2003年6月28日 優先權日2002年6月28日
發明者C·萬西斯, J·吉步森, J·D·帕森斯, T·費爾曼 申請人:希脫魯尼克斯