專利名稱：具有熱電偶的流量傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量流體流量的器件，其具有集成在襯底(尤其半導體襯底)上的一個加熱器和至少兩個檢測熱電堆。該器件適合根據(jù)由檢測熱電堆測量的信號來測量流體的流量。例如在US2003/0115952中描述的這類流量傳感器。
本發(fā)明的目的是提供提高這種器件精確度的手段。
因此，在襯底上提供至少一個用于生成監(jiān)測信號的監(jiān)測熱電偶。監(jiān)測熱電偶的一個連接部比該檢測熱電堆的任何連接部更靠近加熱器。監(jiān)測熱電堆安置在加熱器的相對側，其中一個監(jiān)測熱電堆放置在加熱器的上游，另一個位于加熱器的下游。
利用下面描述的幾種方式，檢測信號可用于提高該器件的精確度。
在一個優(yōu)選實施例中，該器件包括用于生成與檢測信號和監(jiān)測信號之比成比例的信號。這樣的信號不太依賴于塞貝克常數(shù)和熱電偶的其它固有屬性。
在另一個優(yōu)選實施例中，該器件可安裝利用將監(jiān)測信號保持定值這樣的方式控制通過加熱器電流的控制回路。盡管US2003/0115952中描述的加熱控制達到非常相近的效果，但應該理解在那種器件測量的加熱器溫度由取決于加熱器電阻率的溫度獲得，即，在那樣的背景技術中不能實現(xiàn)對塞貝克常數(shù)和上面所述的其它固有熱電偶屬性變化的固有校正。
該器件的另一個優(yōu)選實施例使用模擬/數(shù)字轉換器，該轉換器具有一基堆輸入，并生成被在基準輸入處的信號標準化的檢測信號數(shù)字化數(shù)值。該監(jiān)測信號用于該基準輸入。本測量的優(yōu)點有兩個方面。首先，利用上面提及的優(yōu)選結果，數(shù)字化信號相應于檢測信號和監(jiān)測信號的比值。其次，轉換器的分辨率在低流量處(在這里監(jiān)測信號大)降低而在高流量處(在這里監(jiān)測信號小)增高-這是有利的，因為檢測信號與流量的相關性隨著流量的增加而降低。
這些和其它的優(yōu)選實施例在所附權利要求以及下面的描述中得到更為詳細的說明。本描述參考附圖，這里

圖1是流量傳感器第一實施例的頂視圖，圖2是沿圖1的II-II線的截面示意圖，
圖3是第二實施例的頂視圖，圖4是第三實施例的頂視圖，圖5是器件電路的第一實施例的框圖，圖6顯示作為具有常數(shù)和非常數(shù)Vref輸入的質量流量函數(shù)的檢測信號ΔT、監(jiān)測信號TP、和該檢測信號的數(shù)字化數(shù)值，和圖7是器件電路的第二實施例的框圖。
圖1和2中的器件設計為基于硅襯底1的半導體芯片，盡管可同樣使用另一個半導體或介電襯底，例如玻璃襯底。通過刻蝕技術在襯底1中形成凹槽或開口2，并被膜3覆蓋。加熱器4延伸通過膜3。在圖1和2中的實施例中，加熱器4由三個并行的導體4a、4b、4c形成，電學上并行地設置兩個外部導體4a、4c，而中部導體4b(具有雙橫截面)串聯(lián)于導體4a、4c。
兩個檢測熱電堆6a和6b設置在加熱器4的上游和下游(術語“上游”和“下游”定義為關于與加熱器縱軸垂直的流量方向F)，每個檢測熱電堆都包括多個串聯(lián)的熱電偶。每個檢測熱電偶包括形成于集成電路金屬層中的金屬條7(圖1中所示實線)以及形成于集成電路的多晶硅層中的多晶硅條8(圖1中所示虛線)。每個熱電偶的金屬條7和多晶硅條8互連在膜3上的第一連接部9處。兩個鄰近熱電偶的多晶硅條8和金屬條7互連在第二連接部10處，該第二連接部10不設置在膜3上，但在襯底1的塊體上。
這種器件的基本工作原理例如在US2003/0115952中所述。沿流量方向F的流量引起加熱器4的熱分布不對稱，這將在兩個熱電堆6a、6b的第一連接部9處產(chǎn)生溫度差。同時，因為通過熱傳導與襯底1趤行熱交換，第二連接部10保持在基本恒定的溫度。因此，熱電堆6a、6b的電壓差(或任何其它成比例的數(shù)值)，下文中稱作“檢測信號”，基本上是在第一連接部9，加熱器4上游和下游的溫度差ΔT的測量。這個溫度差ΔT是流體的質量流量的測量。
如圖1和2所示，在器件上提供兩個附加監(jiān)測熱電偶12a、12b，其中每個放置在檢測熱電堆6a、6b之一的大致中心。從圖1可以清楚地看出，在加熱器4的上游設置一個監(jiān)測熱電偶，而另一個監(jiān)測熱電偶設置在其下游。每個監(jiān)測熱電偶12a、12b又包括互連在位于膜3上的第一連接部9′處的金屬條7′和多晶硅條8′。監(jiān)測熱電偶12a、12b的第一連接部9′被放置在比檢測熱電堆6a、6b的第一連接部9更靠近加熱器4處，并具有基本上與加熱器4溫度對應的溫度。金屬條7′的第二端例如在第二連接部10′處連接于多晶硅引線13。在圖1和2的實施例中，該第二連接部10′位于襯底1的塊體上。
因此每個監(jiān)測熱電偶12a、12b產(chǎn)生一個基本上等于襯底1和加熱器4之間的溫度差的電壓。來自監(jiān)測熱電偶12a、12b的電壓還生成監(jiān)測信號TP。
圖5中顯示了該器件電路的一個實施例。它包括用于數(shù)字化檢測信號ΔT的A/D轉換器16、用于控制流過加熱器4的電流的加熱器控制裝置17、和用于處理數(shù)字化檢測信號和控制器件的微控制器18。優(yōu)選地，在襯底1上集成所有元件16、17和18的電路，但是也可以由外部元件形成至少部分。
基本上，A/D轉換器16可為任何類型，例如逐次-近似ADC、Δ-編碼ADC或∑-Δ轉換器。所有這樣轉換器的設計需要基準電壓Vref，并且生成由Vref標準化的輸入信號的數(shù)字化數(shù)值。全文中，術語“標準化”可以這樣理解，給定的輸入電壓的輸出值線性地取決于倒數(shù)值1/Vref。
優(yōu)選地，A/D轉換器16為∑-Δ轉換器，例如是在DE101 29 300中所揭示的。那份文件的“A/D-轉換器”部分的說明和相關附圖在此引入作為參考。
如圖5中所示，監(jiān)測信號TP作為基準電壓Vref被提供至A/D轉換器16的基準輸入。以下說明這種測量的目的。
圖5實施例的加熱器控制裝置17調整加熱器4消耗的功率為定值。可替代地，調整通過加熱器4的電流為定值。
圖6的上圖顯示了作為流量v的函數(shù)的溫度差ΔT的關系。零流量時，ΔT＝0。隨著流量的增加，ΔT開始線性升高。然而，在大流量時，由于加熱器4上的通過流體的冷卻作用，加熱器4的溫度(因而監(jiān)測信號TP)實質上會降低。因此，流量v增加時，如圖6的上圖所示曲線ΔT(v)的斜率會下降。
如果A/D轉換器16的Vref是定值，A/D轉換器16的數(shù)字化數(shù)值將會遵循圖6下圖中的“Vref＝const”曲線。正如本領域技術人員所理解，因為A/D轉換器的分辨率在它的輸入電壓范圍內沒有改變，這將引起較大質量流量v時測量分辨率的下降。
然而，如上所述，Vref不是定值，但是設定其為監(jiān)測信號TP。因此，當加熱器溫度升高時，A/D轉換器的分辨率會變低，而在加熱器溫度降低時，分辨率會更好。如圖6下圖中“Vref＝TP”曲線顯示，這導致A/D轉換器16輸出處的數(shù)字化信號的線性化。
因此，使用監(jiān)測信號TP作為基準電壓Vref可在更寬的質量流量范圍中獲得更加恒定的數(shù)字化分辨率，隨之可獲得測試準確度的提高和/或可降低A/D轉換器的位分辨率。
同時，由Vref標準化的數(shù)字化數(shù)值與比值ΔT∶TP成比例。因此，使用的熱電偶的塞貝克系數(shù)或其它參數(shù)的變化趨向互補。例如當器件的總溫度變化時或當膜3受到應力時，可以觀察這種變化。
顯而易見，圖1的設計還具有優(yōu)點監(jiān)測熱電偶12a、12b并行并靠近檢測熱電堆6a、6b對應的熱電偶，因此膜2中的應變將影響熱電偶12a、12b及以同樣的方式影響熱電堆6a、6b，并且將隨之在A/D轉換器16的輸出值中消除。
圖7顯示流量傳感器的一個可替代電路設計。與圖6的設計的區(qū)別在于，監(jiān)測信號TP作為加熱器控制裝置17的輸入使用。在本實施例中，加熱器控制裝置17形成控制回路，其以保持監(jiān)測信號TP為定值的這種方式控制通過加熱器4的電流。由于監(jiān)測信號TP基本上等于塊體襯底1和加熱器4之間的溫度差，本實施例保持該溫度差基本上為定值。
這樣，檢測信號ΔT與質量流量v基本上成線性。因此，恒定電壓可以用作A/D轉換器的基準電壓Vref。然而，為了補償監(jiān)測信號TP的殘余波動(residualfluctuations)，仍然使用TP作為基準電壓Vref。
圖3顯示監(jiān)測熱電偶12a、12b的一個可替代設計。與圖1的設計的區(qū)別在于，現(xiàn)在將第二連接部10′(因而全部熱電偶)放置在膜3上而不是襯底1的塊體上。這有利于監(jiān)測熱電偶12a、12b更為迅速和更為準確地遵循加熱器4的溫度變化。
圖4中顯示監(jiān)測熱電偶12a、12b的進一步實施例。這里四個監(jiān)測熱電偶形成監(jiān)測熱電堆12，并設置在加熱器4的導體4a、4b和4c之間的間隙20a、20b中。監(jiān)測熱電堆平行于加熱器4的縱軸延伸。
監(jiān)測熱電堆12包括兩個子單元，其中每個如下構成第一材料(也就是金屬)的第一條7a從加熱器4的第一端延伸到其中心。第二材料(也就是多晶硅)的第二條8a從與第一條7a的連接部9a延伸至加熱器4的第二端，其終止于連接部10a。第一材料的第三條7b連接至連接部10a并延伸回加熱器4的中心，其結束于第三連接部9b。第二材料的第四條8b從連接部9b延伸至加熱器4的第一端。在第二間隙20b中的子單元重復相同的設計。每個子單元測量塊體襯底1上溫度和加熱器4中心溫度之間的差。兩個子單元經(jīng)由對其施加電壓的橋22串聯(lián)連接。
圖4的設計好處是監(jiān)測信號TP更為接近地遵循加熱器4的溫度。另外，在加熱器4和檢測熱電堆6a、6b之間的間隙24中避免熱傳導金屬或多晶硅引線，這將減少膜3中這些元件之間不希望的熱傳導。
在目前所述實施例中，膜3對比由塊體襯底1支撐的芯片表面的剩余“正常區(qū)”形成“測量區(qū)”。測量區(qū)具有比正常區(qū)低的放置在其上的元件之間的熱傳導。至少每個加熱器4、檢測熱電堆6a、6b和監(jiān)測熱電偶中的一部分應該放置在測量區(qū)上。如本領域技術人員所知，膜3可以被各種其它的“膜結構”替代，這里術語“膜結構”描述為安排在半導體芯片中開口或凹槽2上的任何薄的結構。膜結構既可以由完全靠近芯片中開口或凹槽的膜形成，也可以由延伸過或進入開口或凹槽的橋或舌片形成。
代替使用凹槽或開口2，也可以在低熱傳導系數(shù)材料(例如納米孔(nanoporous)氧化硅)層的頂面上設置測量區(qū)。
目前顯示的實施例包括安置在加熱器4上游和下游的兩個檢測熱電堆。然而，應當注意可以使用單獨的熱電堆，例如安置在加熱器的下游、尤其是當器件設計為僅在一個方向上測量流量時，或者延伸在加熱器上游和下游的連接部之間。
同樣，關于加熱器4縱軸對稱地安置上面實施例的檢測熱電堆。尤其是如果器件設計為僅在一個方向上測量流量，也可以使用非對稱的設計。
優(yōu)選地，應該使用與沿通過加熱器4中心的流量方向F延伸的線基本上對稱的熱電偶設計。這容許定位器件時修正非對稱。例如，在圖1和3的實施例中，在每個檢測熱電堆6a、6b的中心處設置監(jiān)測熱電偶12a、12b?？商娲兀梢蕴峁┙o對稱地分布的每個檢測熱電堆6a、6b兩個(或更多)監(jiān)測熱電偶，例如在每個熱電堆的每端處一個監(jiān)測熱電偶。
盡管，在目前顯示的實施例中，大部分溫度傳感器是包括多個串聯(lián)的熱電偶的熱電堆，可是必須理解這些中的部分或全部可由依賴于所需信號電壓和可用空間的獨立熱電偶替代(反之亦然)。
在圖5和7的實施例中，在模擬數(shù)字轉換之前或期間計算比值ΔT∶TP。但是，如果監(jiān)測值TP也是數(shù)字化的，也可以在微控制器18中數(shù)字化計算這個比值。
必須理解的是在上述實施例中，用于不同熱電堆或獨立熱電堆的每個熱電偶包括分別包括第一和第二材料的兩個導體。優(yōu)選地，為了利用共同的塞貝克系數(shù)，所有熱電偶使用相同的材料。優(yōu)選地，一種材料是多晶硅，另一種是金屬(例如鋁)，都是用于集成電路工藝中的常用材料。此外，又為了獲得具有一樣性質的熱電偶，應該由淀積在襯底上的相同兩層制造熱電偶的所有導體，例如一層是多晶硅層，另一層是金屬層。
權利要求
1.一種用于測量流體流量的器件，包括襯底(1)，安置在所述襯底(1)上的加熱器(4)，至少一個第一和一個第二檢測熱電堆(6a、6b)，用于測量所述加熱器(4)上游位置和下游位置之間的溫度差并用于生成檢測信號(ΔT)，該檢測熱電堆(6a、6b)安置在所述襯底(1)上，其中在距所述加熱器(4)第一距離處安置最靠近所述加熱器(4)的所述檢測熱電堆(6a、6b)的連接部(9)，至少一個第一和一個第二監(jiān)測熱電偶(12a、12b)，安置在所述加熱器(4)上游和下游、用于生成監(jiān)測信號(TP)，該監(jiān)測熱電偶(12a、12b)安置在所述襯底(1)上，其中在距所述加熱器(4)第二距離處安置最靠近所述加熱器(4)的所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)的連接部(9′、9a、9b)，其中所述第二距離比所述第一距離小，和控制電路(18)，適合于從利用所述加熱器(4)對所述檢測熱電堆(6a、6b)的與流量有關的加熱來測量通過所述加熱器(4)和所述檢測熱電堆(6a、6b)的流體流量。
2.如權利要求1的器件，其進一步包括用于生成與所述檢測信號(ΔT)和所述監(jiān)測信號(TP)的比值成比例的信號的裝置(16，18)。
3.如任意前述權利要求的器件，其中所述檢測信號(ΔT)與所述溫度差成比例。
4.如權利要求3的器件，其中監(jiān)測信號(TP)相應于該第一和該第二監(jiān)測熱電偶(12a、12b)的電壓總和。
5.如權利要求1的器件，其中所述襯底(1)分成測量區(qū)和正常區(qū)，其中所述測量區(qū)中的熱傳導率比所述正常區(qū)中的熱傳導率低，并且其中所述加熱器(4)、所述檢測熱電堆(6a、6b)和所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)至少部分地安置在所述測量區(qū)上。
6.如權利要求5的器件，其中在所述正常區(qū)上安置每個所述第一和第二檢測熱電堆(6a、6b)的一些連接部(10)。
7.如權利要求5或6中任意一個的器件，其中，在所述測量區(qū)上安置每個所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)的第一連接部(9′、9a、9b)和在所述正常區(qū)上安置每個所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)的第二連接部(10′、10a、10b)。
8.如權利要求5或6中任意一個的器件，其中在所述測量區(qū)上安置每個所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)的兩個連接部(9′、10′)。
9.如權利要求5或6中任意一個的器件，包括在所述襯底(1)中的孔或凹槽(2)和延伸過所述孔或凹槽(2)的膜結構(3)，其中所述測量區(qū)由所述膜結構(3)定義。
10.如權利要求1或2中任意一個的器件，其進一步包括為了使所述監(jiān)測信號(TP)保持定值而控制通過所述加熱器(4)電流的控制回路(17)。
11.如權利要求1或2中任意一個的器件，其進一步包括用于轉換所述檢測信號(ΔT)的模擬/數(shù)字轉換器(16)，其中所述模擬/數(shù)字轉換器(16)具有基準輸入，并生成由所述基準輸入處的信號(Vref)標準化的所述檢測信號(ΔT)的數(shù)字化數(shù)值，其中所述監(jiān)測信號(TP)用于所述基準輸入。
12.如權利要求1或2中任意一個的器件，其中所述檢測熱電堆(6a、6b)與所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)并行延伸。
13.如權利要求1或2中任意一個的器件，其中關于所述加熱器(4)的縱軸對稱地安置所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)。
14.如權利要求1或2中任意一個的器件，其中最靠近所述加熱器(4)的所述監(jiān)測熱電偶(12a、12b)的該連接部(9′、9a、9b)適合于測量所述加熱器(4)的溫度。
全文摘要
流量傳感器包括一個安置在兩個檢測熱電堆(6a、6b)之間的加熱器(4)。此外，提供至少一個監(jiān)測熱電偶(12a、12b)用來測量加熱器(4)的溫度。監(jiān)測熱電偶(12a、12b)的信號可通過幾種方式用于提高器件的精確度。特別地，該監(jiān)測熱電偶的信號以與檢測熱電堆(6a、6b)的信號同樣的方式，依賴于塞貝克常數(shù)和熱電堆的其它固有屬性的變化，這允許補償這些效應。監(jiān)測熱電偶的信號也可以用作用于轉換檢測熱電堆(6a、6b)的信號的A/D轉換器的基準電壓。
文檔編號G01F1/684GK101078641SQ20071012923
公開日2007年11月28日 申請日期2007年3月30日 優(yōu)先權日2006年3月31日
發(fā)明者馬克·馮瓦爾德基希, 馬克·霍爾農(nóng), 費利克斯·邁爾, 莫里茨·萊希納 申請人:森斯瑞股份公司