带有气体组分校正的气流传感器制造技术

本发明专利技术题为“带有气体组分校正的气流传感器”。本发明专利技术公开了一种用于感测流体的流速的传感器，该传感器包括：上游电阻元件，该上游电阻元件具有随温度变化的第一电阻；下游电阻元件，该下游电阻元件具有随温度变化的第二电阻；至少一个尾电阻器，该至少一个尾电阻器被配置成确定流体的热导率；至少一个压力传感器，该至少一个压力传感器被配置为确定流体在流动方向上的压差；和电路，该电路被配置为使用压差和热导率来确定流体的运动粘度，并补偿桥接电路的输出。在流体的流动方向上，下游电阻元件位于上游电阻元件的下游，并且上游电阻元件和下游电阻元件操作性地连接在桥接电路中。

Gas Flow Sensor with Gas Component Correction

【技术实现步骤摘要】
带有气体组分校正的气流传感器
技术介绍
流体流量换能器广泛用于测量流体材料的流量。流量传感器用于感测流体流量，并且在一些情况下，提供可用于仪器和/或控制的流量信号。流量传感器用于多种应用，包括工业应用、医疗应用、发动机控制应用、军事应用和航空应用，仅以这些为例。例如，气体流量换能器用于整个微电子工业。在该行业中，气体流量的测量和控制必须非常精确。微电子工业中使用的真空技术需要小而精确的气体流量。这些小流量允许流量计位于气体输送管内。其他行业需要大量气体消耗。在此类行业中，一小部分输送的气体可被引导通过旁路管。通常在该旁路管中测量气体流量，然后将测量的流量乘以总气体流量与在旁路管中流动的气体的比率。流体流量换能器还用于测量液体商品的流量。例如，化学公司使用流体流量换能器来测量化学反应中使用的液体反应物的流量。多种反应物的流量的精确测量对于维持反应的适当化学计量比而言至关重要。
技术实现思路
在一个实施方案中，用于感测流体的流速的传感器包括：上游电阻元件，该上游电阻元件具有随温度变化的第一电阻；下游电阻元件，该下游电阻元件具有随温度变化的第二电阻；至少一个尾电阻器，该至少一个尾电阻器被配置为确定流体的热导率；至少一个压力传感器，该至少一个压力传感器被配置为确定流体在流动方向上的压差；和电路，该电路被配置为使用压差和热导率来确定流体的运动粘度，并且补偿桥接电路的输出。在流体的流动方向上，下游电阻元件位于上游电阻元件的下游，并且上游电阻元件和下游电阻元件操作性地连接在桥接电路中。至少一个尾电阻器随温度稳定，并且至少一个尾电阻器电耦合到上游电阻元件或下游电阻元件中的至少一者。在一个实施方案中，用于确定流体流量的方法包括：向流量传感器中的桥接电路供电；使流体经由流动通道通过桥接电路；测量尾电阻器处的电压变化；基于所测量的电压变化来确定流体的热导率；确定流动通道的入口和流动通道的出口之间的压差；以及使用热导率和压差确定流体的运动粘度。桥接电路包括上游电阻元件、下游电阻元件以及至少一个尾电阻器，该至少一个尾电阻器电耦合到上游电阻元件或下游电阻元件中的至少一者。流量传感器包括至少一个压力传感器，该至少一个压力传感器设置在流量传感器的流动通道中。在一个实施方案中，用于感测通过流体通道的流体流速的流量传感器包括：加热元件，该加热元件被配置为与流过流体通道的流体基本上直接热耦合；上游电阻元件，该上游电阻元件具有随温度变化的第一电阻；下游电阻元件，该下游电阻元件具有随温度变化的第二电阻；至少一个尾电阻器，该至少一个尾电阻器被配置为指示流过流动通道的流体的热导率；和压力传感器，该压力传感器被配置为确定流过流动通道的流体在流动方向上的压差。在流动通道中，下游电阻元件位于上游电阻元件的下游。压差与热导率一起使用以确定流过流动通道的流体的运动粘度，并且上游电阻元件和下游电阻元件操作性地连接在桥接电路中。至少一个尾电阻器随温度稳定，并且至少一个尾电阻器电耦合到上游电阻元件、下游电阻元件或加热元件中的至少一者。附图说明为了更全面地理解本公开，现在参照以下结合附图和详细说明所作的简要说明，在附图中相似的附图标记代表相似的部件。图1示出了示例性流量感测装置的示意性剖视图。图2示出了示例性流量感测装置的框图。图3示出了被配置为确定流体的热性质的流量传感器的示意性电路图。图4示出了被配置为确定流体的热性质的传感器的示意性电路图。图5是例示性流量传感器的顶视图。具体实施方式首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的、无论是当前己知的还是尚不存在的技术来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围及其等同物的全部范围内进行修改。以下简短术语定义应适用于整个申请文件：术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本专利技术的至少一个实施方案中，并且可包括在本专利技术的不止一个实施方案中(重要的是，此类短语不一定是指相同实施方案)；如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。本公开的实施方案包括用于确定通过流量传感器的流体的流速的方法和系统。为了提供改进的精度，可使用流体的一种或多种热性质来补偿流速。传统的基于热量的MEMS流量传感器可测量已知气体或已知气体混合物的质量流量。如果气体组分改变或者未知，则可能无法在没有附加信息的情况下确定气体的实际流量。然而，如果已知气体的热导率和扩散率，则即使气体特性未知，也可能校正质量流量值。热扩散率可能难以测量，因为其取决于气体的热“质量”，并且气体密度与固体密度相比更低，因此相较于可用于测量气体密度的任何结构而言更小。虽然热扩散率难以测量，但通过确定除了热扩散率之外的气体特性，仍可使用气体的热特性。例如，普朗特数是热扩散率与动量扩散率之间的比率，并且对于许多气体而言，普朗特数通常介于0.63至0.8之间(氢气和一些惰性气体除外，其可介于0.16至0.7之间)。如果所关注气体(例如，流过传感器的流体内的气体)具有可比较的普朗特数，则测量运动粘度可用于确定或提供热扩散率的指示。运动粘度可比热扩散率更易于测量，因为运动粘度与流过具有层流的直管的气体的压降有关。本公开的实施方案包括节省成本、体积小且低功率的热导率和运动粘度传感器，以允许校正传统的流体流量传感器，其中传感器可集成到传统的流体流量传感器中或者可与传统的流体流量传感器同时使用。本公开的实施方案可包括向中央加热器流体流量传感器添加附加电路，以收集关于传感器周围气体的附加信息。当加热器电路由恒定直流(DC)电压供电并且可测量维持该电压所需的电流时，可确定加热器的功耗。由于流量感测元件被设计成使元件本身的热耗散最小化，因此该功耗与加热器周围气体的热导率很好地相关(其中热导率是衡量气体如何将热量从加热器耗散出去的量度)。此外，附加电路可包括一个或多个压力传感器，该一个或多个压力传感器被配置为确定传感器的入口和出口之间的压差。压差(或压降)可用于确定从入口流到出口的流体的运动粘度。通过热导率和运动粘度两者的指示或量度，可补偿流量传感器输出，以指示标准体积流速。对于热导率，下图中的一个或多个温度稳定电阻器Rtail-1和Rtail-2可连接到流体流量感测管芯，以限定在感测电阻器处的温度上升速率。如果温度已知，则Rtail-2上的电压与加热器功率成正比，如上所述，只要使用已知的测试气体表征感测元件以允许传感器到传感器的变化，即可测量热导率。在确定了热导率、运动粘度和空气当量流量信号之后，就可基于感测元件的空气校准来确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于感测流体的流速的传感器(100)，所述传感器包括：上游电阻元件(Rup‑1)，所述上游电阻元件具有随温度变化的第一电阻；下游电阻元件(Rdwn‑1)，所述下游电阻元件具有随温度变化的第二电阻，其中在所述流体的流动方向上，所述下游电阻元件(Rdwn‑1)位于所述上游电阻元件(Rup‑1)的下游，其中所述上游电阻元件(Rup‑1)和所述下游电阻元件(Rdwn‑1)操作性地连接在桥接电路(310)中；至少一个尾电阻器(Rtail‑1)，所述至少一个尾电阻器被配置为确定所述流体的热导率，其中所述至少一个尾电阻器(Rtail‑1)是随温度稳定的，并且其中所述至少一个尾电阻器(Rtail‑1)电耦合到所述上游电阻元件(Rup‑1)和所述下游电阻元件(Rdwn‑1)中的至少一者；至少一个压力传感器(120,122)，所述至少一个压力传感器被配置为确定所述流体在所述流动方向上的压差；和电路，所述电路被配置为使用所述压差和所述热导率来确定所述流体的运动粘度，并且补偿所述桥接电路(310)的输出。

【技术特征摘要】
2018.03.13 US 15/920,2051.一种用于感测流体的流速的传感器(100)，所述传感器包括：上游电阻元件(Rup-1)，所述上游电阻元件具有随温度变化的第一电阻；下游电阻元件(Rdwn-1)，所述下游电阻元件具有随温度变化的第二电阻，其中在所述流体的流动方向上，所述下游电阻元件(Rdwn-1)位于所述上游电阻元件(Rup-1)的下游，其中所述上游电阻元件(Rup-1)和所述下游电阻元件(Rdwn-1)操作性地连接在桥接电路(310)中；至少一个尾电阻器(Rtail-1)，所述至少一个尾电阻器被配置为确定所述流体的热导率，其中所述至少一个尾电阻器(Rtail-1)是随温度稳定的，并且其中所述至少一个尾电阻器(Rtail-1)电耦合到所述上游电阻元件(Rup-1)和所述下游电阻元件(Rdwn-1)中的至少一者；至少一个压力传感器(120,122)，所述至少一个压力传感器被配置为确定所述流体在所述流动方向上的压差；和电路，所述电路被配置为使用所述压差和所述热导率来确定所述流体的运动粘度，并且补偿所述桥接电路(310)的输出。2.根据权利要求1所述的传感器，还包括加热元件(Rheater)，所述加热元件被配置为加热流过流动通道(104)的所述流体，其中所述至少一个尾电阻器(Rtail-1)电耦合到所述上游电阻元件(Rup-1)、所述下游电阻元件(Rdwn-1)或所述加热元件(Rheater)中的至少一者。3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述至少一个尾电阻器(Rtail-1)电耦合到所述加热元件(Rheater)，并且其中所述电路被配置为测量所述加热元件(Rheater)和所述尾电阻器(Rtail-1)之间的电压差，并且使用所述加热元件(Rheater)和所述尾电阻器(Rtail-1)之间所测量的电压差来确定所述流体的所述热导率。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·西嘉石，杨威，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US