醫(yī)療用流量傳感器的小尺寸組件

摘要：如何用一個(gè)0.05升的傳感器測得500升/分的流量?我們是在討論如何滿足醫(yī)療市場對流量傳感器系列產(chǎn)品的大量要求，如何用以熱電子硅為基礎(chǔ)的微型傳感器技術(shù)順應(yīng)了這些要求。目標(biāo)包括最小的功率消耗，快速反應(yīng)時(shí)間，滿量程的最小壓降損耗，最小的重復(fù)性和遲滯誤差，當(dāng)然首先是小尺寸的問題。克服最大的挑戰(zhàn)就是解決了高流量與小尺寸之間的矛盾。在整個(gè)測量范圍內(nèi)流量必須保持層流。本篇論文評述了所選擇的技術(shù)，該市場范圍內(nèi)的技術(shù)發(fā)展歷程、分析、建模和試驗(yàn)，這證明了可行構(gòu)想以及由這些努力產(chǎn)生的最初的產(chǎn)品開發(fā)。
關(guān)鍵詞: Sensors(傳感器)，Airflow(空氣流量)，turbulence(湍流)，laminar(層流)，miniature(微型)
現(xiàn)如今，我們生活在技術(shù)數(shù)字化的世界中，控制裝置和控制系統(tǒng)成為生活各個(gè)方面的主導(dǎo)。我們自己公司的銷售口號是“幫您控制您的世界”。而我們中國分公司將其譯為“幫您控制一切”。有時(shí)譯文比原文更勝一籌。任何控制系統(tǒng)的構(gòu)件塊是由決策裝置，完成決策的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提供現(xiàn)狀及趨向信息的傳感器和連接其它組成部分的通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。我們的機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)生產(chǎn)用于感應(yīng)氣體狀態(tài)(通常為空氣質(zhì)量流量)的微電子熱傳感器。
在歷史上采用機(jī)械方式直接測量質(zhì)量空氣流量，此時(shí)精確度并不重要。當(dāng)精確度顯得重要時(shí)，則根據(jù)溫度、壓差和絕對壓力的精確傳感器測量值通過計(jì)算間接獲得測量結(jié)果。熱絲風(fēng)速儀的發(fā)展使精確直接地測量質(zhì)量空氣流量成為可能。該技術(shù)非常靈敏，迅速，高重復(fù)性并且滯后較低。但是它受到一系列問題的限制，即功率消耗大，0流量附近精確度低，比大多數(shù)壓力傳感器尺寸大，而且過去在長時(shí)間穩(wěn)定性上尚存疑問。該技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展完善。
在二十世紀(jì)八十年代初期，針對其它流量傳感技術(shù)的局限性，發(fā)展了微加工硅技術(shù)和熱絲傳感方法的衍生技術(shù)。圖1顯示了傳感器芯片及其作用原理。傳感和加熱線路為兩個(gè)分開的線路，在加熱器的每側(cè)(上游和下游)各有一個(gè)傳感器，取這2個(gè)溫度傳感器的差為傳感器輸出。加熱器和傳感器包括一層高tcr白金薄膜,該薄膜敷于2層硅氮化物鈍化層之間。通過鈍化層切孔，并且從Si3N4下進(jìn)行硅的異性刻蝕以形成兩個(gè)電橋，每個(gè)電橋包括一個(gè)溫度傳感器和1/2個(gè)加熱器。任意指定每個(gè)電橋?yàn)樯嫌位蛳掠?，每個(gè)電橋大約為150μm2。將加熱器設(shè)置到使其吸收功率達(dá)到高于環(huán)境溫度160°C。0流量時(shí)，2個(gè)溫度傳感器輸出相同，電壓差為0。有流量時(shí)，上游傳感器冷卻，而下游的傳感器加熱，這樣就出現(xiàn)與質(zhì)量流量成正比的電壓差。電壓差的符號為流量的方向。

圖1 氣流感應(yīng)芯片
由于尺寸小，極低的熱質(zhì)量和較大的溫度梯度，因此該型號傳感器本身反應(yīng)非常迅速(大約1ms)并且重復(fù)性高且滯后低。其傳感的正比方法得出了0流量附近的最大精確值，而且大多數(shù)誤差與讀數(shù)成正比而不是與滿刻度成正比。圖2顯示了一種典型的傳感器輸出。其較低的總能量使其從本質(zhì)上講是安全的。在較大流量范圍內(nèi)壓降較低使其便于封裝。由于湍流在輸出中未達(dá)到平衡并且作為噪聲信號出現(xiàn)，其快速反應(yīng)時(shí)間則指出產(chǎn)生在芯片上的必定是層流。這在較長時(shí)間內(nèi)限制了該類型的傳感器在流量低于1LPM范圍的應(yīng)用。其主要用于HVAC(暖通空調(diào))、醫(yī)用氧氣系統(tǒng)、泄漏檢查和氣體層析法。
由于其高精確度和合理的價(jià)格，已經(jīng)有大量要求希望將該類型傳感器的用途擴(kuò)展至更高的流量。尤其希望將該技術(shù)用于通風(fēng)裝置、呼吸器、工業(yè)氣體控制、電信和地面運(yùn)輸行業(yè)。主要問題是怎樣處理湍流的突然產(chǎn)生。均衡湍流的努力會(huì)降低精確度并顯著地減緩反應(yīng)時(shí)間。其中還有另外的復(fù)雜性，它在本質(zhì)上是一項(xiàng)點(diǎn)傳感技術(shù)，因此必須將其封裝起來以便使在傳感點(diǎn)的流量狀態(tài)可以代表將要測量的總流量。

流量(sccm)
圖2 典型輸出
主要有兩種方式增加流量范圍，即按比例增加和在旁通流動(dòng)路徑中進(jìn)行流動(dòng)采樣。用比例增加方法可擴(kuò)展傳感器范圍至20LPM，超過該值輸出進(jìn)入的湍流。該方法詳情請參閱以前的文章(ref.1)并包括文丘里管的設(shè)計(jì)，芯片處于內(nèi)部最佳位置。而且，還設(shè)計(jì)了專門的屏幕組件以便將大湍流分成小湍流，這些小湍流在到達(dá)芯片之前處于層流狀態(tài)。如果這種嘗試成功，則最終產(chǎn)品是很大的。附圖3將1升的傳感器與20LPM的傳感器相比較。大多數(shù)市場都不接受任何進(jìn)一步比例增加。

圖3 1LPM和20LPM對比
旁通的傳感流量大大超過20LPM是有希望的，但也是一項(xiàng)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。從根本上講，其工作方法是將流量分開。例如，如果總流量是100LPM，1％的流量可以從旁路流進(jìn)一個(gè)1LPM傳感器。這樣則節(jié)省相當(dāng)?shù)目臻g，而且主流不需要調(diào)節(jié)和層流化至與旁通中的層流相同的精確度。但不幸的是，旁通設(shè)計(jì)更像是一種藝術(shù)而不是技術(shù)。設(shè)計(jì)方程是有的，但只是近似的，而且有＋/-50％的誤 差，尤其是在較高的旁通時(shí)更為如此。成功解決旁通設(shè)計(jì)的問題包括以下幾個(gè)方面:
1. 控制并將壓降降至最小以便用于低壓
途中同時(shí)將傳感的動(dòng)態(tài)范圍增至最大。
2. 極低流量下的精確度。
3. 旁通的機(jī)械造形特別是邊緣產(chǎn)生的湍流。
4. 泄漏
5. 可加工性和測試/校準(zhǔn)技術(shù)
6. 相對于最大流量，傳感器尺寸的折中選 擇。
由于大量客戶的需求，因此Honey- well技術(shù)中心被要求使用旁通配置中的微型組件來測量至200LPM的要求。最初的HTC樣品(圖4)有一些方面可取的。從流量范圍考慮傳感器較小。輸出電壓的湍流噪聲的影響也小。低流量時(shí)非常敏感。通過使用現(xiàn)貨供應(yīng)的AWM4000系列傳感器，構(gòu)件塊的方法也看作是改進(jìn)現(xiàn)有工藝從而生產(chǎn)出新產(chǎn)品的另外一種方式。

輸出(mVDC)
圖4 研究樣品
退回到最初的觀點(diǎn)是零件的數(shù)目和組件與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝不相符。另一種擔(dān)心就是零件與零件之間的互換性也不能達(dá)到我們的標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)驗(yàn)室研制的最初的樣品證明使用一個(gè)蜂房結(jié)構(gòu)制造一個(gè)壓降，這驅(qū)使一個(gè)相對小量的流量通過傳感器。我們的目標(biāo)是將構(gòu)想變成可實(shí)際生產(chǎn)的理念。我們將改進(jìn)集中在以下幾點(diǎn)：
- 發(fā)展研制一種可模鑄的蜂房狀結(jié)構(gòu)
- 減少流動(dòng)噪聲和因此減少輸出的噪聲。
- 通過減少產(chǎn)品零件數(shù)提高加工性。
蜂房結(jié)構(gòu)的發(fā)展
我們的第一步是改進(jìn)發(fā)展蜂房結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該蜂房結(jié)構(gòu)可以以一種均勻的方式使流動(dòng)通過流管。放進(jìn)一個(gè)圓柱狀幾何體的蜂房產(chǎn)生一種不規(guī)則的蜂房結(jié)構(gòu)樣式。由于每一個(gè)蜂巢的壁有不同幾何形狀，通過蜂房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流動(dòng)速度在每個(gè)蜂巢之間可能不規(guī)則。實(shí)驗(yàn)室使用一種平均壓力降的方法，而我們?yōu)樘岣呖杉庸ば远鴮⒑喕O(shè)計(jì)，因此取消了該種平均壓降的能力。由于我們的設(shè)計(jì)只取決于兩點(diǎn)(通過傳感器驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的進(jìn)口和出口)的靜態(tài)速度壓力，因此流量限制器需要一種更加一致的模式。

注意不同尺寸的蜂房結(jié)構(gòu)可通過每個(gè)蜂巢產(chǎn)生不同的速度。我們選擇一種同心網(wǎng)狀模式而不是一種蜂房結(jié)構(gòu)，因?yàn)槊恳粋€(gè)個(gè)別通道與其它通道截面相似，因此同心通道將改進(jìn)流量模式，而且由此我們可以預(yù)期通過每個(gè)通道截面得到相同的流量，并通過管子得到更加的均勻流量。
其半徑與液壓直徑相關(guān)，該液壓直徑在這種情況下大致是每格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的間隙。這使得通過流動(dòng)路徑的速度更加一致。

流量限制器長度

我們下一個(gè)目標(biāo)還是將輸出噪聲減至最小并減少壓降。輸出噪聲與雷諾數(shù)，銳邊產(chǎn)生的流動(dòng)渦流以及流量方向的改變有關(guān)。因?yàn)槟承┝鲃?dòng)發(fā)生裝置，比如風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)，對于加的壓降非常敏感，因此將壓降減少至最小是非常重要的。減少流動(dòng)通道長度會(huì)降低壓降，但是會(huì)增加到流量傳感器壓力入口的雷諾數(shù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)較短的流動(dòng)通道不會(huì)明顯影響輸出噪聲。我們選擇縮短流動(dòng)通道長度，這樣就可以將壓降減至最小。
可加工性
從總體而言，一個(gè)組件增加的每個(gè)零件不僅僅只增加了零件的費(fèi)用，也增加了組裝的費(fèi)用，組裝錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)和潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。最初的實(shí)驗(yàn)室樣品由總數(shù)為13個(gè)且擁有不同功能的零件組成(流動(dòng)通道，3個(gè)蜂房結(jié)構(gòu)，5個(gè)O型環(huán)，流動(dòng)管，電路，基礎(chǔ)殼體和蓋子)。如前所述，第一次簡化是將蜂房結(jié)構(gòu)修改為同心管式的幾何結(jié)構(gòu)。這種修改可使我們把流動(dòng)管與殼體相接合，這樣就可以減少3個(gè)O型環(huán)，蜂房結(jié)構(gòu)和管子。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在新的設(shè)計(jì)中不要求上游和下游蜂房結(jié)構(gòu)整流裝置。進(jìn)一步的設(shè)計(jì)分析將整個(gè)產(chǎn)品減少至3個(gè)部分(帶有鑄有流動(dòng)通道的殼體，電路，蓋子)而不損害其性能。可以確信新的設(shè)計(jì)可以通過最少的操作步驟進(jìn)行組裝并且將減少大量開支，增加可生產(chǎn)性，并生產(chǎn)更為可靠的產(chǎn)品。最終設(shè)計(jì)請參閱圖5

圖5 生產(chǎn)樣品
測試一個(gè)200SLPM設(shè)備的關(guān)鍵在于為測試中的設(shè)備提供層流。這已經(jīng)通過安裝一個(gè)帶有蜂房結(jié)構(gòu)的流道的擋板室和將大湍流分為小湍流的流動(dòng)路徑中的聚酯篩網(wǎng)來達(dá)到。這減少了穩(wěn)定流動(dòng)需要的距離。使用一個(gè)200SLPM型市售質(zhì)量空氣流量控制裝置控制至傳感器的流量。然后通過一個(gè)數(shù)字式電壓表DVM(數(shù)字式電壓表)和一個(gè)示波器監(jiān)視傳感器的輸出。示波器用于監(jiān)視流量信號的質(zhì)量以便顯示DC傳感器信號上加強(qiáng)的渦流空氣流量信號的數(shù)量。圖6是該設(shè)備的典型輸出。

圖6 200LPM樣品輸出
結(jié) 論
以迄今為止得出的成功結(jié)果為基礎(chǔ)，當(dāng)前的努力是將流量擴(kuò)展到5KLPM。最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是這些設(shè)備的測試，特別是在產(chǎn)生這種量級已知的控制流量中的測試。我們預(yù)計(jì)在開始實(shí)際的設(shè)計(jì)工作前，要求大規(guī)模的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的建模。