專利名稱：帶有自動對準的流動通道的流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于監(jiān)測流體的品質(zhì)和運動的傳感器，所述流 體為氣體或液體形式。具體而言，本發(fā)明涉及這些流體的熱傳感器， 例如在硅、玻璃、石英或其它襯底上以微結(jié)構(gòu)形式運行的流體流量或 特性傳感器，本發(fā)明涉及用于惡劣環(huán)境的傳感器封裝件.本發(fā)明涉及 流動通道與傳感區(qū)域的對準.
背景技術(shù)：
流量傳感器被用于多種流體傳感應(yīng)用中以監(jiān)測流體的運動，所述 流體可以為氣態(tài)的流體形式.例如， 一種流重測量的類型是基于可被 用于監(jiān)測流體的特性的熱傳感器，熱傳感器可以以微結(jié)構(gòu)形式在硅襯 底上運行。為方便起見，術(shù)語"流量傳感器"可非限制性地被用于指 代這樣的熱傳感器.(參見如美國專利Nos.6，322，247附圖10a-f和 6，184，773，其均被引入本文作為參考).讀者能夠理解的是，這種傳 感器也可用于測量本征流體特性，例如熱導(dǎo)率、比熱容(如美國專利 Nos.5，237，523和5，311， 447，其均被引入本文作為參考)，也可用于測重非本征特性，例如a度、流動速度、流動速率和壓力，還可測重 其它特性.可以通過強制或自然對流產(chǎn)生流動.
熱型流量傳感器可以由包括一個加熱元件和一個或多個熱接收或 熱敏元件的襯底構(gòu)成.如果使用兩個這樣的熱敏元件，可以相對于被 測流體(液體或氣體)的流動方向?qū)⑺鼈兝镉诩訜嵩纳嫌位蛳掠?一側(cè).當(dāng)流體沿著襯底流動時，其被處于上游一倒的加熱元件加熱， 熱重不對稱地傳速到處于加熱元件任一邊的熱接收元件中.由于不對 稱的程度取決于流體流動的速羋以及所述不對稱性可被電子檢測到， 因而，這樣一種流量傳感器可被用于測量流體流動的速率和累積流 量.
當(dāng)暴霧于悉性(如污染的、變臟的、冷凝的等)流體中時，這種 流量傳感器通常面臨潛在的劣化問趙，所述流體包括能夠通過腐蝕、 放射性污染或細瓣污染、過熱、沉積或凍結(jié)給傳感器"施壓"的氣體 或液體.靈敏的測量能夠給傳感器"施壓"、使其廣蝕、冷凍或過熱 的惡性氣體或液體的流量或壓力(差壓或絕對壓力)是一個挑戰(zhàn)，其 以高昂的代價得以或未得以實現(xiàn).之前提出的解決方法是對傳感器、 加熱器進行鈍化以及相關(guān)聯(lián)的退敏化來提高被測氣態(tài)流體的濕度從而 遊免冷凝或凍結(jié)(或防止冷卻器過熱)，其代價是傳感器信號退化、 成本提高和可能的流體降解，或者是用濾器去除有害顆粒物質(zhì).時常
對傳感器清洗或更換和重新校準是附加的但昂貴的解決方法.靈敏的 基于褒的差壓傳感器可以防止污染，因為其中不牽涉流動，除了不耐
超壓外，其通常比熱徵傳感器的靈敏度低、復(fù)A的流量范閨小且昂貴.
因而，經(jīng)由熱橄傳感器測量液體流量，特別是測量電導(dǎo)流體流量 時，在電絕緣、流動噪聲、芯片腐蝕、流動通道的可能泄漏或結(jié)構(gòu)完 整性、以及熱重測量方面呈現(xiàn)出具有挑戰(zhàn)性的問趙.與傳感器的電接
觸應(yīng)彼此絕緣，以使電泄漏的電阻高于約20 Mft,從而遊免千擾傳感 元件的運行.例如， 一些SbN4鈍化膜具有小孔；經(jīng)過閨化形成玻璃或 Tefloi^薄膜的化合物的旋涂層經(jīng)過幾天與鹽水的接觸沒有顯示出絕 緣.(注幹Teflon^是E,I. Du Pont De Nemours & Company Corporation of 101 West 101 West 10th St" Wilmington, Delaware 19898的注冊商 標(biāo))甚至于將導(dǎo)線接合處嵌入高度交聯(lián)的環(huán)氣樹脂中仍致使電阻降到
例如30 Mn和/或接合處斷裂(如果環(huán)氣物質(zhì)由于過度交聯(lián)而變得極朧)和/或熱循環(huán).另外，芯片上奇怪造型的流動通道將導(dǎo)致產(chǎn)生顛外 的^流及相應(yīng)的信噪.為電接觸和引出導(dǎo)線提供電絶緣的另一個方法 是將它們移出流體流動通道和接觸區(qū)域.然而，這種不明智的移位增 加了芯片尺寸的實際面積，從而増加了其成本.
關(guān)于結(jié)構(gòu)完整性，靈敏的lpm厚的流量傳感膜容易破裂，這是由 于強粘性以及流體對其施加了慣性力造成的.甚至于在急劇的氣體壓 力或流動脈沖下也可現(xiàn)察到這樣的破裂.最后，關(guān)于熱量測量方面的 問題，在溶液中通常允許的加熱器溫升(例如《20TC)比在液體中通 常應(yīng)用的(例如100-160")要小.所產(chǎn)生的相對小的信號導(dǎo)致更顯 著地增加了由組成、傳感器材料和依賴于溫度的偏移效應(yīng)，其可在傳 感器流重讀數(shù)方面產(chǎn)生顯著的誤差.
基于上述內(nèi)容，本發(fā)明人總結(jié)出，解決前迷問趙的適當(dāng)方法在于 在傳感芯片上"智能"應(yīng)用一種薄褒，所述薄腹足夠厚以實現(xiàn)防止電 荷轉(zhuǎn)移和分子傳質(zhì)的屏陣作用，但其又要足夠薄以允許熱傳遞，從而 實現(xiàn)熱重測量.所述薄膜可用由無機化合物(甚至于金屬)組成的或 由疏水或親水聚合材料組成的材料制造，在此更具體而言，由此得到 可運行的具有高可靠性的流量傳感器，其無電泄漏、由于流量測童具 有無需插入的特點從而無流體泄漏、也無腐蝕、無流體污染、且流動 噪聲降低和顯著減少了偏移和漂移的問趙.
在設(shè)計和制造流量傳感器時面臨的另一個挑戰(zhàn)是將流體流動通道 與傳感元件對準.精確對準是實現(xiàn)傳感器最佳性能所必需的.傳感器' 的這種對準通常需要將各個傳感器組件分別對準，這是費力且費用昂 貴的.當(dāng)完成更多的所述制造步錄時，制造流重傳感器的時間和費用 將大大減少，而同時傳感器處于晶片水平.本發(fā)明提供了一種當(dāng)徵傳 感器處于晶片水平時，精確地對準流動通道的方法.
發(fā)明概述
本發(fā)明提供一種用于監(jiān)測流體質(zhì)重或特性的熱傳感器，所述流體 包括氣體和液體.所述熱傳感器可在硅、玻璃、石英或其它襯底上以
微結(jié)構(gòu)形式運行.
在一個實施方案中，該流量傳感器具有帶有一個傳感元件、 一個 或多個導(dǎo)向元件和一個流動通道的村底，其中所述的導(dǎo)向元件使流動通道與傳感元件對準.所迷傳感元件檢測至少一種流體特性.在另一 實施方案中，笫一和笫二導(dǎo)向元件限定流動通速.本發(fā)明的流重傳感 器提供了一種其中流動通道與感應(yīng)區(qū)域精確對準的傳感器，使在多個 流量傳感器中得到可靠且一致的結(jié)果變得容易.
在本發(fā)明的另一個實施方案中，限定一個或多個流動瑪遣的延伸 的模制元件被直于導(dǎo)向無件之上，其中流動通道的延伸部分與流動通 道流體連通.流動通道和流動通道的延伸部分的組合限定流體在傳感 元件上的流動珞徑.所迷棋制元件可以形成流體流動珞徑的頂部，或 者可以將一個益附著于棋制元件之上以形成流體流動路徑的頂部.在 本發(fā)明的另一實施方案中，流量傳感器包括具有一個感應(yīng)元件的基 底、沉積于襯底上并且限定定位通道的與傳感元件對準的對準層、以 及一個里于定位通道內(nèi)的流管.
提供一種制造多個每個具有一個與傳感元件對準的流動通遣的流
量傳感器.所迷方法涉及提供具有多個以一種棋式對準的傳感元件 的襯底，將聚合物層沉積于該襯底上，以及在聚合物層中形成多個導(dǎo) 向元件，其中導(dǎo)向元件被定位使得流動通道與傳感元件對準.在一些 實施方案中，所迷導(dǎo)向元件構(gòu)成流動通遣.然后將村底切或割成多個 片或芯片，每片都具有與傳感元件上方精確對準的流動通道.
在本發(fā)明的另一實施方案中公開了一種裝置，其用于監(jiān)測在"惡 劣環(huán)境"中的流體流動，分析有毒的或有腐蝕性的流體.該實施方案 還可被用于檢測純的或趁純凈流體，它們與傳感器的接觸不會產(chǎn)生任 何可監(jiān)測到的流體或不利因素對傳感器的污染.這一改進是通過使傳 感器與流體的流動路徑隔離而實現(xiàn)的.
可以將傳感器構(gòu)造成為通常包括一個流動通遣棋塊，其中形成有 流動通道.該傳感器還包括一個閨定于芯片上并通過至少一個粘合元 件接觸的襯底和一 個棋制芯管，所述棋制芯管被插入流動通道棋塊的 流動通遣內(nèi)，從而減少流動噪聲和潛在的應(yīng)蝕作用，改善了電絕蟓性、 結(jié)構(gòu)完整性以及得自于傳感芯片的熱重測重.


隨同給出的麩字，如指示編號，在整個分開的視閨中都指代相同 的或功能相似的元件.田l顯示了一個現(xiàn)有技術(shù)流動通道棋塊的橫截面田；
田2描繪了一個隔離的其中插入了芯管的流動通道棋塊的橫截面
困；
困3顯示了一個改進后的其中插入了芯管的流動通道的側(cè)面截面
閨；
田4描繪了一個曲線田，其困解了相對于不帶有芯管的流量傳感 器，在室溫下熱流量傳感器針對鹽水的性能；
田5顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的流重傳感器的前視田；
困6描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的流量傳感器加熱器所產(chǎn)生
的溫度場的橫截面透枧困；
困7顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案，在環(huán)氣基質(zhì)中在Tefloi^管
下具有玻璃芯片的流重傳感器組件的橫截面端視田；
困8描繪了一個詳細困解，顯示用于悉劣環(huán)境中的應(yīng)用于大流動 通道中或應(yīng)用于特性測重的傳感器封裝件，其可根據(jù)本發(fā)明的一個實 施方案運行；
困9顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施方隸，具有定位于流動通遣棋塊壁 內(nèi)的小芯管的流量傳感器組件的剖面頂視田和底視圍；
困IO描繪了流動通遣棋塊組件和芯管的剖枧田；
田11A和11B分別為根振本發(fā)明具有對準層的稞傳感器組件的前 枧田和頂視困；
困12是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的透視田；
困13A和13B分別為根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的樣傳感器的前 視困和頂枧困；
困14-17是本發(fā)明其它實施方案的前視截面困，其中導(dǎo)向元件為
流動通道或流管提供對準；
困18是一個曲線困，困解相對于流量傳感器，由不同材料制造并 具有不同壁厚度(WT)的熱流重傳感器與鹽水在室溫下的性能；
困19是一個曲線田，困解在流管和徵磚之間的接合處添加和不添 加油時不銹鋼流重管的性能.
發(fā)明詳述在這些非限制性實施例中論迷的特定數(shù)值和構(gòu)型可以改變，引用 其僅意在說明本發(fā)明的多種實施方案，而非意在限制本發(fā)明的范閨.
本發(fā)明的一方面大體上涉及利用某種熱流量徵傳感器或環(huán)境傳感
器的導(dǎo)線前端接頭(FWB)或穿過晶片(TTW)的接觸來設(shè)計和制造 用于與傳感器芯片電接觸的電絕蟓.本發(fā)明人之前通過例如漫涂一些 材料從而使金導(dǎo)線和金襯墊絕緣，例如在具有或不具有氣化鋁薄拔底 漆的情況下浸涂SbN"可流動的密封劑、帶有F-Si的密封劑以及環(huán) 氧樹脂.已經(jīng)嘗試，通常由在流管中的傳感元件和流體(如鹽水)之 間的電阻來限定基于這些材料的絕緣.然而，這個電阻如果<20 Mft 是不允許的.因而，本發(fā)明在此介紹一種解決上述問題的方法.
如將要更加詳細描述的那樣，通過將絕緣材料(如環(huán)氧樹脂)熔 鑄到0.010-0.060英寸外徑的Tefloi^導(dǎo)線或管的芯棋(可以將其在罔
化后移除或不移除)周閨，并使用例如結(jié)實的徵磚或回填充有環(huán)氧樹 脂的橄橋，可基本消除前述問趙.相對于例如漫涂涂層，絕緣層增加 的厚度導(dǎo)致流體(例如水)和其它導(dǎo)電材料的浸入，從而使絕緣層在 聚合物中對導(dǎo)電性的貢獻變得可被忽略.筆直且光滑的流動通道可以 減少煤流和流動噪聲，從而取代了老的置于之前使用的傳感器上的流 動通遣的位置.
用徵磚芯片替換無保護的稞橋可以消除因流體產(chǎn)生的應(yīng)力而造成 的斷裂.應(yīng)注意，橄磚芯片或其它這類裝里的使用不能被認為是限制 本發(fā)明的特征，但是在此提及所述內(nèi)容的目的在于舉例說明和一般性 的啟迪.増加的絕緣厚度使得可將更大的電壓應(yīng)用到傳感器加熱元件 中，從而提升了加熱器(其可與或不與流體直接接觸)溫度并増大了 輸出信號.結(jié)果，加熱器電阻漂移以及依賴于溫度、流體類型、傳感 器不對稱性和電子學(xué)的偏移變得較不明顯.
在一個實施方案中， 一個流重傳感器包括一個限定流量通遣的流 量通道棋塊、 一個置于流動通道內(nèi)的棋制的芯管、 一個襯底、 一個粘 合元件和一個傳感元件或芯片.可將所述粘合元件構(gòu)造成為包含一個 或多個導(dǎo)線前端接頭(FWBs)和/或穿過晶片(TTW)的觸點.
本文所使用的術(shù)語"管"是指任意形狀的能使流體流經(jīng)其中的導(dǎo) 管或通道.管的截面可以是圃柱形的、多邊形的、橢圃形的等.棋制 芯管可以由諸如Tefloi^的髙分子材料形成，或由諸如玻璃、石英、藍寶石和/或金屬(如不銹鋼)的其它材料形成.可用不同塑料或聚合物 的混合物制造所述管.該棋制芯管通常包含壁厚度，其隔開傳感器芯 片表面與流經(jīng)棋制芯管的流體的直接接觸，隔開距離相當(dāng)于壁犀度， 從而實現(xiàn)了傳感器對流體流動變化的退敏化.另外，與傳感器芯片接 觸的管壁厚度可以根振需要使高的介電強度和化學(xué)情性與諸如疏水、 親水或兩親特性結(jié)合.這些特性可以通過使用無機或有機材料得以實 現(xiàn).在此指出，本文所使用的術(shù)語"流體"通?？芍笟怏w或液體.因 而，本發(fā)明公開的傳感器封裝件可被用于測量氣體或液體的質(zhì)量或特 性.
可以使膜擴大從而使其包含與粘合元件連結(jié)的熔禱或棋制化合 物，由此，通常用棋制芯管使熔鑄化合物成形.睞本身可由諸如環(huán)氣 物質(zhì)的材料形成.該棋制的芯流動通道也可被構(gòu)造成在傳感器芯片處 的棋制芯管的截面中包括收縮，從而使傳感器芯片的性能最佳化.所 述棋射的芯流動通道和襯底可以被一平面腹替代，該膜可以被包哀或
收縮包閨住一個總管，并用o型壞密封以提供傳感器能力.所述流管
通常由流動通道棋塊構(gòu)造成，并且可以是可里換的流管.另外，傳感 器可與一個用于將麥考電阻散熱的散熱機構(gòu)和/或與上述流量傳感器連
接的濕度傳感器連接和/或集成，從而使流量傳感審沒有提高溫度，并 將相連的加熱器的溫度駆動到使流經(jīng)流動通道的流體煒騰的點.
該傳感器的特征在于具有一個徵益于加熱器和傳感器元件之上的 平坦的、鈍化的上表面，其用于提供適當(dāng)?shù)碾姼艚^.另外，具有穿過 晶片的互連部的棋消除了對具有上述附帶問題的粘合導(dǎo)線的需要.為 了耐受寬范田的壓力水平并在悉劣環(huán)境中採作，該棋結(jié)構(gòu)被構(gòu)造得非 常結(jié)實.所述棋是由具有極低熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成的，從而消除了出現(xiàn) 不期望的熱倌號短路的可能性.例如，可以使用各種玻璃材料、氣化 鋁或這些材料的組合來制造所迷棋.
進行高質(zhì)重通重傳感禪作的能力大體上取決于傳感器的物理特 性.最重要的是，為了建造一個能夠在這些高質(zhì)重通量傳感條件下運 行的傳感器，所述棋襯底的低熱導(dǎo)率是必需的.遄過將熱導(dǎo)率最小化， 傳感器的加熱/或冷卻效果引起的干擾將被最小化，從而増強了傳感能 力.特別是，所述棋村底材料的特性將控制熱轉(zhuǎn)移的適當(dāng)路徑，從而 避免了經(jīng)由棋襯底從加熱器到傳感器的柃移.多種材料可以提供這一特性.歷史上，徵橋傳感芯片中的氧化硅已被用于提供特定水平的熱 傳導(dǎo)率并且易于制造，然而，其易碎性妨礙了其在悉劣環(huán)境中的應(yīng)用， 一種能夠顯示所需特性的更優(yōu)越的材料是玻璃.然而，之前沒有 使用玻璃，這是閎為其不易被橄機械加工.即，難以利用玻璃形成所 需的結(jié)構(gòu).另一種可用的襯底材料是氣化鉬，其廣泛用于電子電路組 裝，并可經(jīng)機械處理被用作具有某些所需特性的村底.然而它的一個 不期望的特征是它的高熱導(dǎo)羋，其將顯著地降低傳感器芯片的靈敏度.
近期開發(fā)的玻璃材料，包括感光玻璃和Pyrex、已表明徵機械加 工是可能的并且極其有效.因而，這一材料現(xiàn)在可以提供另一種棋村 底，其可用于橄機械加工的流量和特性傳感教.本發(fā)明利用玻璃(感 光玻璃、石英玻璃等)或氧化鋁材料的特性，從而制迭具有最佳物理 特性的流量和特性傳感器.
提供一種傲磚結(jié)構(gòu)或徵填充結(jié)構(gòu)的基于玻璃的傳感器，從而能夠 制造剛性的傳感器，用于檢測流體特性或高質(zhì)貴通重流體的流量，而 沒有壓力-應(yīng)力誘導(dǎo)的錯誤信號.
由于近期對玻璃的開發(fā)，使得應(yīng)用該材料作為村底大大減少了結(jié) 構(gòu)上進行機械加工的需量.更具體而言，所述村底可被造成槺磚結(jié)構(gòu) 或徵填充結(jié)構(gòu)，其具有基本穗閨的結(jié)構(gòu)，在這類傳感器棵片(die)中， 加熱和傳感元件被直接置于村底之上，并且無需在那些元件之下進行 進一步加工或構(gòu)造.因而，村底本身在傳感元件下方是連續(xù)的，從而 制得了一個更結(jié)實的傳感器棵片.玻璃村底材料的特性使徵磚結(jié)構(gòu)可 以被有效地用于惡劣環(huán)境中.
流量傳感器可以是非隔離的，其中流體直接在傳感元件上流動， 也可以是隔離的，其中流體的流動與傳感元件分開.困1顯示現(xiàn)有技 術(shù)中塑料制的隔離流動通遣模塊104的截面困100.田l還顯示了傳感 器芯片106，將其固定或連通于村底102.村底102可承栽電I/O引出 線，其可通過"導(dǎo)線前端接頭"(FWBs) 107或"穿過品片"(TTW) 的觸點(未示出)依次與芯片106上的元件連接或結(jié)合，然后可將針 對芯片具有適宜開口的頂部流動通道lll閎定于傳感芯片106上.在理 想情況下，應(yīng)仔細使得沒有過量的粘合劑滋出到流體的流動路徑中.閎而，田ioo展現(xiàn)了引入本發(fā)明的"芯棋"這一概念之前的一個徵傳
感器的田解，所迷"芯棋"概念將在下文中詳細解釋.
田2描繪了具有插入芯管118的隔離的流動通遣棋塊104的截面田 110.田2還顯示了傳感器芯片U6和襯底112.流動通道棋塊114類似 于困1中的流動通道棋塊104,在此，其具有插入芯管118.襯底112 可由例如氣化鋁、PCB、坡璃、石莢或其它村底型材料構(gòu)成.田2中 的村底112通常對應(yīng)于困1中的襯底102.應(yīng)注意，在此使用的術(shù)語"襯 底"可指"襯底"或"襯底板".襯底的組分將在下文進一步討論.流 動通道棋塊U4同樣通常對應(yīng)于流動通道棋塊104，區(qū)別僅在于將芯管 118加到棋塊114中.這樣就鮪化了將流動通遣棋塊1H閨定到"氣化 4S"村底112上的過程.
不拉出插入芯管118,而是將其保留在該位里中以提供上迷優(yōu)點. 應(yīng)注意，插入芯管U8的管壁厚度隔開了傳感芯片U6表面與流體的直 接接觸，隔開距離相當(dāng)于管壁厚度，從而實現(xiàn)了傳感器對流動變化的 退敏化，這是為實現(xiàn)上述另一好處而付出的代價.另外，特別應(yīng)注意 到，可將流動通道棋塊U4構(gòu)造為管型，從而發(fā)揮流管的作用.流動 通道棋塊114罔而可形成一個流管.
然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，流動通道棋塊114也可被 構(gòu)造為其它形狀的形式，如三角形、正方形、矩形的流動通遣棋塊、 半環(huán)或各種其它幾何田形.閎而，流動通道114的形狀是可以任意選 擇的設(shè)計，且不認為其是本發(fā)明的限制特征.另外，可以理解的是， 流動通道棋塊114可由各種材料形成，這些材料包括但不僅僅限于塑 料.
在一個實施方案中，流動通道模塊1"是一個限定定位通道的聚 合物對準層，其中插入了芯管118.所迷對準層提供與傳感器芯片116 精確對準的定位通道，使芯管118精確地對準于傳感器芯片116.對準 層的組成將在下文中被詳細討論.
村底112可承我電I/0引出線，其可通過困2所示的"導(dǎo)線前端接 頭"(FWBs)127和129依次與芯片106上的元件連接或錄合.類似地， FWBsl07和109被描繪于田1中.另外，粘結(jié)元件也可被構(gòu)造為穿過 晶片(TTW)的觸點，其沒有在困1和困2中示出.然后可將流動通 道棋塊114固定于傳感芯片116和襯底112上.在理想情況下，應(yīng)仔細使得沒有過重的粘合刑溢出到困1中流體的流動珞徑中.在困2中， 芯管H8可避免這樣的溢出，其環(huán)瓏著流體流經(jīng)的通道121.應(yīng)注意， 如果將芯管118從流動通道棋塊114中移走，在將芯管118從環(huán)繞芯管 118的鑄件中移出后，通道121可留在原位置.在此情況下，芯管U8 也可被稱作是"棋制芯管".
因而使用這樣的芯管可以降低流動噪聲、靈敏度、以及降低了超 純凈流體污染、流體泄漏、芯片腐飪和潛在泄霧的風(fēng)除，同時改進了 電絕緣、結(jié)構(gòu)完整性和從相關(guān)的傳感器芯片(如傳感器芯片116)獲得 的熱重測重.這樣的芯管也可被用于成形和棋制一個內(nèi)部流動通道， 其可在棋制物閨化后被移出.這時，流量傳感器再次具有流動靈敏度 并保持低"流動噪聲"，但喪失了一些防芯片腐蝕性能、防流體和電泄 漏性能、防流體污染性、無干擾性和結(jié)構(gòu)完整性.
再來看田2，襯底112可以由氣化鋁、莫來石、石英或其它對于橄 傳感器型版具有適宜熱膨脹系數(shù)(CTE)的已知材料構(gòu)成.砬常常被 認為是一種非常有效的槺傳感器主體材料，這是閎為可簡羊地通過各 種公知的硅處理工藝對其進行機械加工/處理.然而在特定應(yīng)用中，例 如在非常高質(zhì)重通重的流體流動傳感應(yīng)用和高壓應(yīng)用中，這種硅承栽 的襯底作為橄橋或徵元件確實具有一些缺點.特別是當(dāng)直接置于硅上 時，硅的絕熱性能將限制傳感器的結(jié)構(gòu)特征和搮作性能.為了處理這 些熱特征，基于硅的傳感器的徵傳感器主體被構(gòu)造成為徵元件型結(jié) 構(gòu)，從而限制加熱器和傳感元件下的熱質(zhì)量.很明顯，這樣限制了基
于硅的傳感器的物理強度.另外，這種橄元件構(gòu)型不適用于高質(zhì)重通 重傳感，這是因為在激起高通量水平之前，其輸出侑號已飽和.
為了在惡劣環(huán)境中有效橾作，流量傳感器必須結(jié)構(gòu)牢固.由于來 源閣素(例如髙壓泵、超聲清洗、以及水擊)，需要傳感器足夠結(jié)實以 耐受高壓.為檢測高質(zhì)重通重流動速羋，同樣重要的是，使用的村底 材料具有適當(dāng)?shù)牡蜔釋?dǎo)率(< 1.5W/(rak) ) 特定玻璃材料提供更好的 絕熱性能(相對于砝)，從而提高了如上略述的槺元件流量和特性傳感 器的傳感性能.玻璃的使用實現(xiàn)了所用的更結(jié)實的物理結(jié)構(gòu).這些不 同性能導(dǎo)致了更通用的傳感器，其可用于多種應(yīng)用中.另外，如下文 所概括的，特定工藝為基于玻璃的襯底提供了有效的徵機械處理.使用玻璃作為徵傳感器主體材料提供了多重特征，從而増強了傳
感器的性能.這些特征包括(1)對穿過晶片的觸點的自動電絕緣， (2)熱導(dǎo)率比硅低，(3)對于傳慼流體具有足以耐受壓力脈沖的環(huán)境 剛性，以及(4)能夠使用結(jié)構(gòu)上結(jié)實的傳感器主體構(gòu)型的能力.另外， 基于玻璃的傳感器能夠滿足化學(xué)情性、防席蝕和生物相容性的全部要 求.
如上所迷，玻璃在各種接觸之間提供了固有的電絕緣.這與基于 砝的傳感器形成對照，除非使用更昂貴的生長為略徵絕緣的硅晶片， 才能通過在襯底上棒入二氣化硅層來實現(xiàn)電絕緣.顯而易見地，這樣 就減少了一層材料以及一步必需的處理步稞.尤其有利的是，生成氣 化物的步棵是耗時的且需要在相當(dāng)高的溫度下完成.
雖然本發(fā)明的傳感器能夠作為基于玻璃的傳感器運行，但可以理 解的是，其它具有適宜物理特性的材料也可被使用.例如，可以由其 它材料包括玻璃、石英、硅、氣化鋁或陶先來制造襯底.
閨3舉例說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，具有插入的芯的改 進的流動通道棋塊的倒橫截面困131.田131的左倒還顯示了田l舉例 說明的現(xiàn)有技術(shù)中的構(gòu)型的側(cè)剖視困，同時右倒顯示芯管118的位置. 注意，在田1-3中，相似或相同部分通常由相同的數(shù)字指示.例如， 田1中的流動通遣棋塊104對應(yīng)于閨2中的流動通道棋塊114.閎而， 如困3中的田131所示，壁122和124形成流動通道模塊104和114的 壁.
田3主要用來突出困1所示的現(xiàn)有技術(shù)中的構(gòu)型與田2所示的改 進的流動通道棋塊之間的區(qū)別.困3中的虛線140指示了困1所示的 現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計與困2所示的改進的設(shè)計的分割點.罔而，困3中顯 示了半個傳感器芯片106和116，以及半個襯底102和112.其中還顯 示了一個芯片的頂視田142,顯示襯底102和112的各自的那一半.如 上所迷，壁122和124形成流動通道棋塊104和114的壁.流動通道 104和114都包括壁122和124.壁122和124在虛線兩倒均被標(biāo)示出 來.箭頭144指示流經(jīng)通道111和121的流體.田2的插入的芯管U8 的壁130和132也被描繪于困3中.
如上所述，管壁厚度隔離了傳感芯片表面與流體的直接接觸，隔 離距離相當(dāng)于壁厚度，從而實現(xiàn)了傳感器對流動變化退敏化.可通過將加熱器溫度增加到環(huán)境溫度以上以及另外通過將傳感器芯片接觸面
處的壁厚度設(shè)計得盡可能小使該效杲最小化.應(yīng)注意，即使使用了 TTW 接觸，提議的芯管的使用(無論其在"澄清輋料"部分與"氧化裙" 粘合之后保留或不保留在原位置中)將減少流動哚聲以及泄漏或腐蝕 的風(fēng)除，并且使得可以采用更高的加熱器濕度，其還導(dǎo)致更高的傳感 器濕度以及減少的偏移.應(yīng)注棄，本文所使用的術(shù)語"粘合"通常是 指與導(dǎo)線接頭(如FWB)的電接觸，術(shù)語"固定"通常是指機械閨定 元件及其工藝.
在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備和系統(tǒng)中， 一些公司，例如Unit Instrument, Emerson Inc.和其它公司，已銷售基于熱流量傳感器的具有肉眼可見的 不銹鋼芯管的質(zhì)重流量控制器十年了.通常，這些設(shè)備的特征在于以 導(dǎo)線棘繞在鐵芯管周圍的形式存在的加熱器和傳感元件.然而，這種 制速方法將生產(chǎn)大的、反應(yīng)仗并昂責(zé)的傳感器，且通常是一個效率低 的解決方法.
包括困2和3描繪的全部特征的流量傳感器可這樣設(shè)計，尤其是 芯管的直徑減少了，從而得到更有利的表面與容積的比例.例如，在 困2所示的實施方案中，約0.061英寸外徑的Teflon⑧管(即通常用作 導(dǎo)線絕緣的那種)可在傳感器芯片116上橫截地穿過"澄清塑料"流 動通道Ul.然后，環(huán)氧樹脂或RTV都可通過通向芯片區(qū)域的注射孔 被注射進去，直至過量溢出為止，同時未密封的氣化存襯底與流動通 道棋塊的交界面仍然處在真空下，使其中被困的氣泡最小化.
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，可以采用另一種制造工藝，其中通 常將過量的粘合刑在粘合之前涂教于要粘合的各個部件上，然后排 氣，從而使各部件結(jié)合到一起，同時將過量粘合劑從粘合表面推擠出 來.如果需要的話，在粘合刑閨化后，Teflon吸芯管可被輕松移走.傳 感元件和引入的導(dǎo)電的水性鹽溶液之間電阻的測重所示的電阻在最初 的》200MO到幾天之后移走Teflon⑧管之后的》30MO之間.如果將 管保留在原位，則沒有測量到降解或電泄漏.
困4描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的曲線田200,顯示在室溫下 流量傳感器與鹽水的性能.展示困4僅旨在舉例說明和啟發(fā)，因而不 應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制.曲線田200顯示了被測流量傳感器的輸 出，其是針對不同流量通道構(gòu)型的流量進行的，并且獲得了加熱器的溫度值.如曲&困200所示，低于0.5nL/s的流重對于內(nèi)徑只有l(wèi)S0p m的較小芯管來說是可測量的.在這些實例中，哚聲水平可以大約在l mV的范圍內(nèi)，對此在室溫下沒有對于波動的補償.本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以理解的是，曲線困200顯示了零輸出時的流量速率的數(shù)據(jù).閎而曲 線困200大體上困解芯管的較低壁厚度(WT)和較離熱導(dǎo)率材料的有 利影響，其可増加靈敏度和流重范田.可用于本發(fā)明一個實施方案的 高熱導(dǎo)率材料的實例是Pyrex .(注意，Pyre^S)是Corning Glass Works Corporation of Corning, New York 14831的注冊商標(biāo)) 在此無 需再對田4進一步解幹.
田5顯示了可根據(jù)本發(fā)明另一實施方案運行的流量傳感器300的 前視田.流量傳感器300包括定位于傳感芯片302上的芯管308的外表 面310和內(nèi)表面312,所述傳感芯片302具有FWBs306和304.
田6同樣描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的由流量傳感器加熱器 產(chǎn)生的溫度場400的橫截面?zhèn)葪g閨，由此，在平面上僅距離中心25p m的無流動存在的加熱器可被提高到例如離于環(huán)境100TC.困6大體上 困解了在靠近傳感器芯片(即困5中傳感器芯片302或田2中的芯片 U6)的溫度場的溫度輪琳的有限元計算的結(jié)果，從而表明，只要流動 通道棋塊的肇厚度可被選摔盡可能地大，例如250則甚至于厶 Th-6,5TC的等溫線也幾乎不滲水，而且?guī)缀醪辉斐伸`敏度的損失.使 用由較高熱導(dǎo)率(例如約1W/(mK))材料制造的薄壁管已被證明是一 種有效的使靈敏度損失最小化的方法.
可以理解的是，可根振本發(fā)明對上述改進的傳感器構(gòu)型(即傳感 器封裝件)進行修飾.例如，可以由熟知SoA的本領(lǐng)域技術(shù)人員對麥 考電阻Rr (其沒有在田6中示出)實施散熱以達到對相關(guān)的加熱器進 行適當(dāng)?shù)目刂?如上所迷，根據(jù)本發(fā)明的所述設(shè)備，選擇一個由具有
中等熱導(dǎo)率的材料制成的薄但結(jié)實的芯管是另一個可采用的工藝.其 它變化和可選的實施方案將在下文中被進一步描述.
田7舉例說明在流動通道主體或模塊520(例如在界面中為約0.25 x0.25")中在Teflon 管下具有玻璃芯片510的流量傳感器組件505的 截面端視困，其可根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案實施，并且可使其尺寸 適合Honeywell流動通道外殼AWM720.如困7所示，芯片510可被 置于襯底508之上，所迷村底508可由氣化鋁、玻璃或其它村底材科組成.芯片510可被構(gòu)造為包括通過導(dǎo)線522和524與村底508接觸的 FWB觸點.芯管516的直徑可為0.060英寸.另外，0.002英寸的壁厚 可以被用來檢測<10至M000nL/min的水流量.較小的芯管514可被 插入柱512中的橫內(nèi)，其代替芯管516并可被用于檢測田4中所示的流 動，檢測范圍為例如0.03ML/min至3pL/min.應(yīng)注意，所述柱512 通常被置于困7所示的棋塊521之上.橫塊512依次被里于襯底508 之上，
困8舉例說明適用于惡劣環(huán)境中應(yīng)用于大流動通道的傳感器封裝 件，其可根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案運行.傳感器芯片616可被閨定 于一個總管(如^T018 614或弁T05 612)并且通過導(dǎo)線617和619被電 連接到一個或多個連接桿上.傳感器芯片可由膜610保護，從而取代 了使芯片表面暴露于通道中流動的流體達0.5"或以上，所述膜610可 由任意數(shù)量的單層或多層、有機或無機材料制成.薄膜610被應(yīng)用于 傳感元件，其中所述薄膜被使用時是薄的，從而實現(xiàn)了可靠的、靈敏 的、低噪聲的、無污染的以及流動通遣可置換的測量.例如在一個實 施方案中，被應(yīng)用于傳感元件的薄膜厚度在約0.001莢寸至約0.010英 寸的閉區(qū)間范閨內(nèi).
應(yīng)注意，虛擬管道606在困8中以虛線繪出.這個虛擬管道606 的直徑例如可為約O.OGO英寸.如閨8所示，空隙602可填充有諸如環(huán) 氧的粘合刑.高分子膜610的底面604可被"蝕刻"以促進粘合.O 型環(huán)618可被置于環(huán)繞總管的底郜，從而使能夠封閉住大通遣內(nèi)的流 體.總管可通過巳知的閨定于大流動通道棋塊608的工藝閨定，所迷 流動通道模塊608在閨8中僅示出一角.
困9顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的具有小芯管918(如具有大 約0.014英寸外徑和0.006英寸內(nèi)徑)的流重傳感H組件的截面頂視困 901和底枧困900,所述小芯管918定位于流動通道棋塊的壁906和908 中.應(yīng)注意，頂枧困和底視困卯1和900在困9中由虛線卯3隔開.在 組裝困9所示的結(jié)構(gòu)的過程中，可用環(huán)氣樹脂填充除芯管918以外的 所有空隙.推進元件910可被用于將芯管壁912和914壓到傳感器芯片 920上，從而使傳感器芯片920和管壁914之間的任何孔隙最小化.這 一設(shè)計簡化了如本文所述的小芯管(如困7所示的小芯管)組件的應(yīng) 用.從而可以構(gòu)造用于適用于惡劣環(huán)境的傳感器封裝件的簡化并且有效的芯管結(jié)構(gòu)，尤其考慮到市售的部件(如棋塊壁卯6、 908和傳感器 芯片920，其中壁906還可包含承栽有電路的襯底).
田10描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的流動通道棋塊1U9組件 以及芯管1120的截面困1000和1001,田IOOO顯示環(huán)氣粘合刑109處 于腹1008 (如Teflon逸帶)之下，其可包住一個或多個FWBs.在困化 過程中以及在插入環(huán)氣樹脂1009和1121以及組件之后，可將芯管1120 里于膜1008之上并用推進元件1002將其壓到傳感器芯片1130和村底 1006上.應(yīng)注意，困10中的推進元件1002與困9中的推進元件910 相似.
通過限定煤1008沒有粘合到襯底1006和傳感器芯片1130上、也 沒有粘合到環(huán)氣樹脂1121和流動通道祺塊1118上，從而可以使頂部和 底部兩半在環(huán)氣樹脂已固化后分開，然后同樣可將膜移走.膜1008可 由例如Teflon⑧氣代聚合物或Aclar^形成.(注意，Aclar⑧是Allied Chemical Corporation of Morris Township, New Jersey的注冊商標(biāo).) 由此可制造困IO所示的結(jié)構(gòu)，由此可將精確組配的頂部和底部兩半再 次組裝，使得芯管1U0的表面與傳感審芯片1130的傳感表面接觸.在 測量完成后，如困io所示的田1001中的組件的頂部半個可被丟棄(如
其可含有血液或其它生物流體)，而沒有污染非一次應(yīng)用的并且通常更
昂貴的具有傳感器芯片U30的部分以反村底1006上的校準電路.
基于上迷內(nèi)容，可以理解的是， 一些可選的傳感器構(gòu)型可根據(jù)本 發(fā)明運行，實現(xiàn)對于流體或"惡劣環(huán)境"傳感芯片的電絕緣.例如， 用膜復(fù)蓋"將被密封的"傳感器芯片以檢測流體流動或流體特性，所 述勝將高介電強度和化學(xué)惰性與疏水特性結(jié)合，所迷特性可以是無機 的或不是無機的，可被用于實現(xiàn)所述的電絕緣.
根據(jù)本發(fā)明公開的另一種對流體或"悉劣環(huán)境"傳感器芯片實現(xiàn) 電絕緣的技術(shù)涉及將膜擴大和成形作為兩繞芯片的導(dǎo)線接頭的熔鑄化 合物，從而使熔鑄-密封刑-粘合刑(如環(huán)氣、RTV等)可以利用可 移出的鑄芯(例如象代聚合物、玻璃或金屬制的薄管或膜)來成形， 以可靠地提供最小絕緣，同時將傳感性能(如由于減少漂移帶來的高 倌號穗定性/精確性、更低的噪聲、更長的使用壽命等)最大化.在這 一實施方案中，管狀棋制芯管可在熔鑄后保留在原位作為絕緣.從而 根據(jù)本發(fā)明的流量傳感器本身可以被暴露于流體，這是因為芯管(即
17芯流管)可以在使用其模制流動通道后被移走.或者，如果芯管仍保 留在原位，則流重傳感器也可暴露于流體.這樣芯管可以包括可直換 的流管，
另外，迅速進行熔鑄可以制造可置換的流管(如用于血液或化學(xué) 分析)，從而不置換校準傳感器及其電子器件.另外，可以在傳感器芯 片的位置處提供芯管橫截面的收縮(如麥見田1)，從而可以在最高流 動速度(和信號)處實現(xiàn)性能表佳化，并控制壓降(即，使整個厶P 最小化)
另外，所述管和平面襯底可被一平面提取代(如20-100nm厚 Teflon ),包裹或收縮包圍住一個總管，例如TOS或T018,然后用困 8所示的0型環(huán)密封.最后，如前所述，使麥考電阻Rr散熱，使得它 不會升溫并且不會意外地使加熱器溫度過髙而使可被用于對流體或 "惡劣環(huán)境"傳感器芯片實現(xiàn)電絕緣的流體沸騰.例如可以使用小的 金屬熱導(dǎo)體，其可用環(huán)氧樹脂固定到Rr上，并在遠離加熱器電阻Rh 的方向上增加熱交換表面.本發(fā)明的另一方面涉及流動通道在傳感器 芯片上對準.采用產(chǎn)生定位通道的對準層提供了用于實現(xiàn)對"惡劣環(huán) 境"傳感器芯片的電絕緣的另一種工藝.
雖然可以使用多種不同材料來制造流體流重傳感器，材料的選擇 會大大地影響傳感器的性能.適合的傳感器村底材料具有相對低的熱 導(dǎo)率.低熱導(dǎo)羋對于保持傳感器的靈敏度而言是重要的.具有相對低 的熱導(dǎo)率，呈現(xiàn)給各種傳感元件的所有加熱/冷卻作用都主要地是由被 檢測的流體造成的.另外聲明，保證熱量不會穿過襯底過度傳輸而造 成信號短路是重要的.
除上迷參考的熱特征外，非常需要整個流重傳感器是化學(xué)情性 的、防腐蝕的、高濕穗定的、電絕緣的并且生物相容的.該傳感器的 特征在于平面的頂部表面瘦蓋于加熱器和傳感器元件以提供適宜的電 絕緣.傳感器的上表面可被鈍化.加熱器和傳感吝元件被嵌入或黏附 于村底或棋.傳感器可被構(gòu)造成包括一個或多個前端導(dǎo)線接頭和/或穿 過晶片的觸點.穿過晶片的互連消除了對接合導(dǎo)線的需要.選摔具有 相對低熱導(dǎo)率的材料制造襯底，從而消除不期望的熱信號短路的可能 性.例如，制造襯底可使用各種玻璃材料、硅、氣化鋁、石英、陶瓷、 聚合物、金屬或這些材料的組合.如困11A和B所示，傳感器2010包括襯底2020、傳感元件2070、 形成于對準層中的導(dǎo)向元件2030、由導(dǎo)向元件2030限定的流動通道 2040、以及用于限定流動通道延伸部分2080、 2081的棋制元件20S0. 村底2020具有切入上表面以適應(yīng)棋制元件20S0的缺口 2060，使流動 通道2040與傳感元件2070對準，所述傳感元件2070包括加熱器2090 和熱傳感器20100、 20101.村底2020可以是任何常規(guī)用于傳感器的材 料，包括硅、陶瓷、金屬、玻璃(例如Pyrex⑧)、或石英.
流體流動珞徑由田IIB中的箭頭所指示，在使用導(dǎo)向元件2031限 定流動通道2040時，其精確地與困11A和11B中所示的傳感器2010 中的傳感元件2070對準.該對準層是沉積于整個晶片上的聚合物材 料，所述晶片上含有多個以一定棋式排列的傳感元件2070.在一個實 施方隸中，該高聚物是陽性抗蝕刑，例如為聚(甲基丙雄酸甲基麻) (PMMA).在另一個實施方案中，該聚合物是一種基于環(huán)氧樹脂的陰 性抗蝕刑. 一個這種阻抗為SU-8，其對UV射線敏感，并且在顯影后 熱穗定和化學(xué)穗定.遮蔽對準層，通過光刻法形成導(dǎo)向元件2030.
導(dǎo)向元件2030被置于與傳感元件相鄰，其用來引流或使流動通道 與每個傳感元件對準.在一個實施方案中，如田17所示，單個導(dǎo)向元 件206S0被里于與傳感元件20670相鄰，具有流動通道20680的棋制元 件206S0被直于流動元件之上，使流動通道20680與傳感元件20670 對準.在另一個實施方案中，對準層被遮蔽，使得導(dǎo)向元件產(chǎn)生具有 與傳感元件對準的垂直壁的通道.在一個實施方案中，如田UA和UB 所示，對準層被遮蔽以在傳感元件2070的任意一側(cè)構(gòu)造導(dǎo)向元件 2030.在這個實施方案中，導(dǎo)向元件2030形成了用作流動路徑的流動 通道2(M0.在另一實施方案中，如閨13-16所示，導(dǎo)向元件形成其中 放置了流管20285 (困13)、棋制元件20350、 20450 (困14、 15)、或 棋制元件20SS0和流管20580兩者(困16)的定位通遣20240、 20340、 20440、 20S40.流管和模制元件在這些實施方案中作為流動路徑，
在另一個實施方案中，襯底是一個砝晶片，并且采用例如深度反 應(yīng)性離于蝕刻(DRIE)的工序來蝕刻導(dǎo)向元件.在另一實施方案中， 導(dǎo)向元件是由KOH和水的各向異性蝕刻形成的V型凹橫.也可以使 用具有由摻雜了防蝕刻的硼的硅構(gòu)成的平的底部的截斷的V型槽，所 述底部表初形成于晶膜生長的硅層的下方.形成與傳感元件精確對準相鄰的導(dǎo)向元件同時加工處理仍然在晶 片水平上，使得能夠制得多個具有相同對準的流動路徑的傳感器.晶 片被切成羊個傳感器，并且棋制元件或流管可被置于導(dǎo)向元件上，以 提供與傳感元件精確對準的流體流動通遣.
在困11A和UB所示的傳感審中，導(dǎo)向元件2030限定流動通道 2040,其同樣是流動路徑.襯底2020形成流動路徑的底部，導(dǎo)向元件 2030形成流動路徑的壁，棋制元件2050形成流動路徑的頂部.棋制元 件2050包括流動路徑的延伸部分2080、 2081,其與流動通道2040的 末端連接，從而提供與流體系統(tǒng)的接觸表面.可用粘合刑將棋制元件 2050扭附于襯底2020.導(dǎo)向元件2030提供防止粘合刑移出到流動路徑 中或傳感元件上的屏陣.在該實施方案中，可以通過最少的晶片后處 理工藝(post - wafer processing)制得具有一致精確對準的流動通道的
多個傳感器.
傳感器的另一種實施方案示于困12中.襯底20120具有傳感元件 20170.羊個摘田形導(dǎo)向元件20130形成于對準層中，并且限定與傳感 元件對準的流動通道20140.棋制元件20150被構(gòu)造成與導(dǎo)向元件20130 配合并形成流動通遣20140的頂部.棋制元件201S0包括流動通道的延 伸部分20180、 20181,其與流動通道20140的末端在一轉(zhuǎn)角處連接， 并提供與流體系統(tǒng)的交界面.在一些實施方案中，流動通道的延伸部 分20180、 20181具有相同的尺寸.在另一些實施方案中，這兩個流動 通道的延伸部分20180、 20181尺寸不同.例如，流動通道的延伸部分 可具有不同的內(nèi)徑以適應(yīng)內(nèi)置有流量傳感器的較大的流體流動系統(tǒng)中 的管道或流動路徑.在流動路徑中具有一個或多個轉(zhuǎn)角的傳感器中， 傳感元件20170被置于距離最后一個上游轉(zhuǎn)角的距離為大于或等于十 倍于流動通道直徑的位置上.這一間距使得在由所述轉(zhuǎn)角造成的流體 中的淌流在流體流經(jīng)傳感元件之前被消散.
在田IIA、 11B和12中所示的流童傳感器的實施方案是非隔離的 傳感器.流體流動路徑被直接置于傳感元件2070、 20170上，并且與 襯底2020、 20U0在底部結(jié)合，與導(dǎo)向元件2030、 20130在其側(cè)面結(jié)合， 與模制元件20S0、 20150在其上部結(jié)合.田13A、 13B和14-M中所 示的流量傳感器是隔離的傳感器.閨13A和13B中所示的流重傳感器10210包括襯底20220、用于 限定導(dǎo)向元件20230的對準層(其在傳感元件之上形成了定位通道 20240)、包括流動通道的延伸部分20280、 20281的棋制元件20250、 流管20285和益20200.導(dǎo)向元件20230精確地使定位通道20240與傳 感元件20270對準，并使模制元件202S0和流管20280與傳感元件20270 對準.棋制元件20250為流管20285提供了額外的支撐.羞20200用來 保持流管20285與傳感無件20270接觸.流管20285在傳感元件20270 上提供隔離的流動路徑.
流管20285具有壁厚度，其隔開了傳感器的表面以先與流經(jīng)流管 的流體的直接接觸，隔開距離相當(dāng)于壁厚度，從而實現(xiàn)傳感器對流體 流動變化的退敏化，并且保護傳感器不受一般被稱為"悉劣環(huán)境"的 影響.惡劣環(huán)境可以包括受污染的、臟的、冷凝的、廣蝕性的、放射 性的流體等.同樣包括在內(nèi)的是可以使裝置過熱、遣留沉積物、或凍 結(jié)的流體.流管的界面可以是圃柱形的、多邊形的、橢圃形的等.在 一些實施方案中，流管20285是可置換的，提供可重復(fù)用于多個污染 的流體(如血液》試樣的傳感器.為了更換流管20285,將羞20200移 開，用新的流管置換用過的流管，再將蓋歸位.另外，與傳感器接觸
的這種壁厚度根振需要將高介電強度和化學(xué)精性與諸如疏水、親水和 兩親的特性結(jié)合起來.可以使用無機或有機材料來實現(xiàn)這些特性.
在一些實施方案中，蓋20200包括突出部分2020S,其尺寸為向下 延伸以支撐較小的流管20285與傳感元件20270接觸.棋制元件20250 與蓋20200的尺寸可被逸擇，以提供對于各種尺寸的流管20285的穗定 性.這樣，多個從單個晶片切割得到的具有相同尺寸的定位通道20240 的傳感器，可以與不同尺寸的流管2028S —起被使用.另外，棋制元 件可延伸到定位通道20240中，以提供用于接收小直徑流管2028S的較 窄通遣.可以用粘合劑將模制元件黏附于襯底20220和羞20200.導(dǎo)向 元件20230提供了用于防止粘合刑溢出到流動路徑中或傳感元件上的 屏障.
管20285、模制元件20250和蓋20200可由玻璃(例如Pyrex )、 石英玻璃、石莢、藍寶石、陶瓷、環(huán)氧樹脂、 一種或多種聚合物(如 PEEK (聚醚醚擁)、PTFE (聚四象乙蜂))、或Teflon⑧、或金屬(例 如不銹鋼)制造.不同類型的玻璃的混合物或不同聚合物的混合物也可被用于制造管加28S、棋制元件202S0和羞20200.不銖鋼流管20285 可以被連接到具有熱傳遂糊劑或流體的裝置.可在管20285和棋制元 件20250和/或村底20220之間的接合點加油以増加熱傳遲.
在田14中示出隔離的傳感審的另一個實施方案.形成于導(dǎo)向元件 20330之間的定位通道20340比襯底20320上的傳感元件20370寬.棋 制元件20350在導(dǎo)向元件20M0上延伸，并且形成在定位通道20340 內(nèi)配合的流動通道20380的底部和倒面.羞20300形成流動通道20380 的頂部.在一個實施方案中，模制元件20350具有流動通道底部203S2, 該底部203鄰具有與傳感元件20370接觸的薄區(qū)域20355.剩余的流動 通道底部203S2與襯底20320間隔開，形成氣袋以減少熱信號的損失.
具有不同尺寸的流動通道20380的傳感器可通過使用具有不同尺 寸的流動通道20380的棋制元件20350由同 一晶片制得.在一些實施方 案中，棋制元件20350是可直換的且可脊換的.羞2300也可是可置換 的.另外，益20300可具有延伸到流動通道20380中的突出部分2030S 以改變流動通道20380的尺寸.如困15中所示，穿過流動通道20480 延伸的具有突出部分20405的羞20400降低了流動通道20480的高度和 整個尺寸.在棋制元件20450的外部和定位通道20440的內(nèi)部之間的交 界面提供了流動路徑與傳感元件的精確對準，與流動通道20480的內(nèi) 部尺寸無關(guān).
如田16所示，在另一實施方案中，流管20S8S被置于祺制元件 20S50的流動通道底部20SS2中的薄區(qū)域2055S之上.流管2058S形成 流動通道20S80.通過導(dǎo)向元件20530使棋制元件20SS0與傳感元件 20570對準.益20S00接觸流管20S85的頂部，并保持流管2058S在原 位.在一些實施方案中，還使用粘合刑來保持流管20S8S在適當(dāng)位置. 在一個實施方案中，流管20S85是可里抶的且可替換的.這一實施方 案尤其適于分析毒性的、席蝕性的、危除的、污染的流體等.
田17中示出了另一個隔離流量傳感器的實施方案. 一個對準層被 沉積于襯底20620之上，并且單個導(dǎo)向元件20630被形成于對準層中. 導(dǎo)向元件20630與襯底20620上的傳感元件20670相鄰.棋制元件20650 具有第一倒面20652和第二側(cè)面20654，并且在其間放置流動通遣 20680，使笫一側(cè)面206S2延伸到導(dǎo)向元件20630上，以使流動通道 20680與傳感元件20630對準.蓋20600形成流動通道20680的頂部.在一個實施方案中，棋制元件206S0具有流通通道底部20652，該底部 中有與傳感元件20670接觸的薄區(qū)城20655.在一些實施方案中，剩余 的流動通道底部20652與襯底20620被間隔開來，形成氣袋20661以減 少熱倌號的損失.
田18描繪了困解根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，在室溫下流量傳感 器針對鹽水時的性能的曲線田.閨18指示可以得到針對幾個流動通道 構(gòu)型測得的流重傳感器輸出量和加熱審的濕度伹.如曲線田中所田解 的，對于內(nèi)徑僅為150pm的較小芯管可測量的流量為低于0.5m L/min.在這些實例中，噪聲水平在約lmV范閨內(nèi)，對此無需對室溫 下的波動進行補償.本領(lǐng)域技術(shù)人貝在此可以理解，該曲線閨顯示了 收集達到零輸出時的流動速率的數(shù)據(jù).因而田18從而一般性地田解了 對于芯管而言較低的蟹厚度(WT)和較高的熱導(dǎo)率的有利影響，這種 有利影響提髙了靈敏度和流責(zé)范閨. 一種可與本發(fā)明的一個實施方案 相關(guān)聯(lián)使用的較高熱導(dǎo)率材料的實例是Pyrex .(注意，Pyrex逸是 Coming Glass Works Corporation of Corning, New Yorkl4831的注冊商 標(biāo).)
困19描繪了一個曲線田，其田解在加油和不加油的Pyrex⑧徵磚上
使用不銹鋼流管的流重傳感器的性能.該不銹鋼流管具有的內(nèi)徑為 0.004英寸，外徑為0.008英寸.水被用作流體.如曲線田所示，將油
滴加到流管和村底之間的接合點促進了熱傳遲并使信號提升了約兩番.
本發(fā)明中公開的流重傳感器封裝件提供了多個相對于現(xiàn)有技術(shù)的 流體流f傳感器封裝方法的優(yōu)點.例如，應(yīng)用可靠地控制絕緣層的厚 度、棋制元件或流管可消除電泄漏和電短路的風(fēng)險.這個可控制的厚 度還實現(xiàn)了將更大的電壓應(yīng)用于傳感器的加熱元件，從而實現(xiàn)更髙的 加熱器溫度，并因此導(dǎo)致更大的輸出信號，降低了傳感器和電偏移的 影響，并且不會使流體沸騰.定位于芯片上的隔離的流重傳感器在削 減了流動噪聲的同時提供了上述益處，包括消除流體泄漏或腐蝕的風(fēng) 險，并且另外提供了對芯片觸點的電銫緣.另外，隔離的流動通道可 提供"純凈的"、無污染的環(huán)境以保持最大的流體清潔度.
因而，根據(jù)本發(fā)明所描迷的內(nèi)容，可以構(gòu)造一個傳感器，其通常 包括形成于用于檢測流體流動的傳感器芯片上的流動路徑，其中流動
23路徑中的流體環(huán)繞傳感器芯片.或者，傳感器芯片可通過流管或棋制 元件與流動路徑隔離，所述流管或棋制元件可為傳感器芯片提供電絕 緣和防腐作用、降低流動噪聲、基本上消除流體泄漏的風(fēng)險和保持流 體超純凈并且無污染，同時提高了結(jié)構(gòu)完整性以由傳感器芯片進行熱 重測量.這樣一個隔離構(gòu)型的使用也可保護傳感器防止腐蝕、放射性 或細菌污染，以及防止沉積、過熱或凍結(jié).這樣一個隔離構(gòu)型還使流 管和/或棋制元件是可分離的并且是可置換的，而不需要替換較昂責(zé)的 傳感器芯片以及與之相關(guān)的電子件.
通過形成定位通道的對準層使流動路徑與傳感器芯片精確對準. 定位通道可以晶片水平在襯底上形成，提供便宜的、有效的制造具有 同樣對準的流動路徑的多個傳感器的方法.
本發(fā)明可用于葡萄糖監(jiān)控、芯片上的實驗、葯物速送、細胞計數(shù)、 透析、灌注和其它應(yīng)用.另外，本發(fā)明適用于橄流體和需要測量液體、 冷凝空氣或被污染空氣的流量傳感應(yīng)用.
本發(fā)明在此提供的實施方案和實施例用于最好地解幹本發(fā)明及其 實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域技術(shù)人員制造和使用本發(fā)明.然而，本領(lǐng)域 技術(shù)人員能夠理解，介紹前迷說明書和實施例的目的僅在于說明和舉 例.本發(fā)明的其它變化和修飾對于本領(lǐng)城技術(shù)人員是顯而易見的，所 附權(quán)利要求書的目的在于復(fù)蓋這些變化和修飾.所述說明書無意窮舉 或限制本發(fā)明的范圍.在不偏離權(quán)利要求書范田的教導(dǎo)下可做出多種 修飾和改變.可以理解的是，本發(fā)明的使用可包括具有不同特征的成 分.將通過所附的權(quán)利要求書來限定本發(fā)明的范閨，其在各個方面提 供可充分理解的等同情況.
權(quán)利要求
1.一種傳感器，其包含用于檢測至少一種流體特性的傳感裝置；被設(shè)置用于引導(dǎo)流體在傳感裝置上流動的流動通道對準裝置；用于引導(dǎo)流體流入所述流動通道對準裝置中的流動導(dǎo)向裝置；以及；被設(shè)置于流動通道對準裝置上的蓋。
2. 權(quán)利要求i的傳感器，其中所述的傳感裝置包括加熱元件。
3. 權(quán)利要求2的傳感器，其中所述的傳感裝置包括至少一個熱傳 感元件。
4. 權(quán)利要求1的傳感器，其中所述的流動通道對準裝置包括形成 流動通道壁的聚合物層.
5. 權(quán)利要求4的傳感器，其中所述的聚合物是光致抗蝕刑.
6. 權(quán)利要求5的傳感器，其中所述的抗蝕劑是聚甲基丙烯酸甲基酯.
7. 權(quán)利要求5的流量傳感器，其中所述的抗蝕劑是SU-8。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有襯底的流量傳感器，所述襯底具有傳感元件(2070)以及與傳感元件對準的流動通道(2040)。該傳感元件檢測流體的至少一種特性。通過在對準層中形成的一個或多個導(dǎo)向元件(2030)對準流動通道。由于以晶片水平提供導(dǎo)向元件，使得跨越傳感區(qū)域的流動通道是被準確地和精確地對準，使在多個流量傳感器中得到可靠、低成本且一致的結(jié)果變得容易。該流量傳感器適于在惡劣的環(huán)境中使用。
文檔編號G01N33/00GK101614570SQ200910164630
公開日2009年12月30日 申請日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月31日
發(fā)明者A·帕馬納布漢, M·G·馬基尼, U·邦納 申請人:霍尼韋爾國際公司