医疗用流量传感器的小尺寸组件

摘要：如何用一个0.05升的传感器测得500升/分的流量?我们是在讨论如何满足医疗市场对流量传感器系列产品的大量要求，如何用以热电子硅为基础的微型传感器技术顺应了这些要求。目标包括最小的功率消耗，快速反应时间，满量程的最小压降损耗，最小的重复性和迟滞误差，当然首先是小尺寸的问题。克服最大的挑战就是解决了高流量与小尺寸之间的矛盾。在整个测量范围内流量必须保持层流。本篇论文评述了所选择的技术，该市场范围内的技术发展历程、分析、建模和试验，这证明了可行构想以及由这些努力产生的最初的产品开发。
关键词: Sensors(传感器)，Airflow(空气流量)，turbulence(湍流)，laminar(层流)，miniature(微型)
现如今，我们生活在技术数字化的世界中，控制装置和控制系统成为生活各个方面的主导。我们自己公司的销售口号是“帮您控制您的世界”。而我们中国分公司将其译为“帮您控制一切”。有时译文比原文更胜一筹。任何控制系统的构件块是由决策装置，完成决策的执行机构，提供现状及趋向信息的传感器和连接其它组成部分的通讯网络构成的。我们的机构主要设计生产用于感应气体状态(通常为空气质量流量)的微电子热传感器。
在历史上采用机械方式直接测量质量空气流量，此时精确度并不重要。当精确度显得重要时，则根据温度、压差和绝对压力的精确传感器测量值通过计算间接获得测量结果。热丝风速仪的发展使精确直接地测量质量空气流量成为可能。该技术非常灵敏，迅速，高重复性并且滞后较低。但是它受到一系列问题的限制，即功率消耗大，0流量附近精确度低，比大多数压力传感器尺寸大，而且过去在长时间稳定性上尚存疑问。该技术还在继续发展完善。
在二十世纪八十年代初期，针对其它流量传感技术的局限性，发展了微加工硅技术和热丝传感方法的衍生技术。图1显示了传感器芯片及其作用原理。传感和加热线路为两个分开的线路，在加热器的每侧(上游和下游)各有一个传感器，取这2个温度传感器的差为传感器输出。加热器和传感器包括一层高tcr白金薄膜,该薄膜敷于2层硅氮化物钝化层之间。通过钝化层切孔，并且从Si3N4下进行硅的异性刻蚀以形成两个电桥，每个电桥包括一个温度传感器和1/2个加热器。任意指定每个电桥为上游或下游，每个电桥大约为150μm2。将加热器设置到使其吸收功率达到高于环境温度160°C。0流量时，2个温度传感器输出相同，电压差为0。有流量时，上游传感器冷却，而下游的传感器加热，这样就出现与质量流量成正比的电压差。电压差的符号为流量的方向。

图1 气流感应芯片
由于尺寸小，极低的热质量和较大的温度梯度，因此该型号传感器本身反应非常迅速(大约1ms)并且重复性高且滞后低。其传感的正比方法得出了0流量附近的最大精确值，而且大多数误差与读数成正比而不是与满刻度成正比。图2显示了一种典型的传感器输出。其较低的总能量使其从本质上讲是安全的。在较大流量范围内压降较低使其便于封装。由于湍流在输出中未达到平衡并且作为噪声信号出现，其快速反应时间则指出产生在芯片上的必定是层流。这在较长时间内限制了该类型的传感器在流量低于1LPM范围的应用。其主要用于HVAC(暖通空调)、医用氧气系统、泄漏检查和气体层析法。
由于其高精确度和合理的价格，已经有大量要求希望将该类型传感器的用途扩展至更高的流量。尤其希望将该技术用于通风装置、呼吸器、工业气体控制、电信和地面运输行业。主要问题是怎样处理湍流的突然产生。均衡湍流的努力会降低精确度并显著地减缓反应时间。其中还有另外的复杂性，它在本质上是一项点传感技术，因此必须将其封装起来以便使在传感点的流量状态可以代表将要测量的总流量。

流量(sccm)
图2 典型输出
主要有两种方式增加流量范围，即按比例增加和在旁通流动路径中进行流动采样。用比例增加方法可扩展传感器范围至20LPM，超过该值输出进入的湍流。该方法详情请参阅以前的文章(ref.1)并包括文丘里管的设计，芯片处于内部最佳位置。而且，还设计了专门的屏幕组件以便将大湍流分成小湍流，这些小湍流在到达芯片之前处于层流状态。如果这种尝试成功，则最终产品是很大的。附图3将1升的传感器与20LPM的传感器相比较。大多数市场都不接受任何进一步比例增加。

图3 1LPM和20LPM对比
旁通的传感流量大大超过20LPM是有希望的，但也是一项巨大的技术挑战。从根本上讲，其工作方法是将流量分开。例如，如果总流量是100LPM，1％的流量可以从旁路流进一个1LPM传感器。这样则节省相当的空间，而且主流不需要调节和层流化至与旁通中的层流相同的精确度。但不幸的是，旁通设计更像是一种艺术而不是技术。设计方程是有的，但只是近似的，而且有＋/-50％的误 差，尤其是在较高的旁通时更为如此。成功解决旁通设计的问题包括以下几个方面:
1. 控制并将压降降至最小以便用于低压
途中同时将传感的动态范围增至最大。
2. 极低流量下的精确度。
3. 旁通的机械造形特别是边缘产生的湍流。
4. 泄漏
5. 可加工性和测试/校准技术
6. 相对于最大流量，传感器尺寸的折中选 择。
由于大量客户的需求，因此Honey- well技术中心被要求使用旁通配置中的微型组件来测量至200LPM的要求。最初的HTC样品(图4)有一些方面可取的。从流量范围考虑传感器较小。输出电压的湍流噪声的影响也小。低流量时非常敏感。通过使用现货供应的AWM4000系列传感器，构件块的方法也看作是改进现有工艺从而生产出新产品的另外一种方式。

输出(mVDC)
图4 研究样品
退回到最初的观点是零件的数目和组件与现有的生产工艺不相符。另一种担心就是零件与零件之间的互换性也不能达到我们的标准。
实验室研制的最初的样品证明使用一个蜂房结构制造一个压降，这驱使一个相对小量的流量通过传感器。我们的目标是将构想变成可实际生产的理念。我们将改进集中在以下几点：
- 发展研制一种可模铸的蜂房状结构
- 减少流动噪声和因此减少输出的噪声。
- 通过减少产品零件数提高加工性。
蜂房结构的发展
我们的第一步是改进发展蜂房结构的设计，该蜂房结构可以以一种均匀的方式使流动通过流管。放进一个圆柱状几何体的蜂房产生一种不规则的蜂房结构样式。由于每一个蜂巢的壁有不同几何形状，通过蜂房结构产生的流动速度在每个蜂巢之间可能不规则。实验室使用一种平均压力降的方法，而我们为提高可加工性而将简化设计，因此取消了该种平均压降的能力。由于我们的设计只取决于两点(通过传感器驱动流动的进口和出口)的静态速度压力，因此流量限制器需要一种更加一致的模式。

注意不同尺寸的蜂房结构可通过每个蜂巢产生不同的速度。我们选择一种同心网状模式而不是一种蜂房结构，因为每一个个别通道与其它通道截面相似，因此同心通道将改进流量模式，而且由此我们可以预期通过每个通道截面得到相同的流量，并通过管子得到更加的均匀流量。
其半径与液压直径相关，该液压直径在这种情况下大致是每格网状结构的间隙。这使得通过流动路径的速度更加一致。

流量限制器长度

我们下一个目标还是将输出噪声减至最小并减少压降。输出噪声与雷诺数，锐边产生的流动涡流以及流量方向的改变有关。因为某些流动发生装置，比如风扇和鼓风机，对于加的压降非常敏感，因此将压降减少至最小是非常重要的。减少流动通道长度会降低压降，但是会增加到流量传感器压力入口的雷诺数。试验发现较短的流动通道不会明显影响输出噪声。我们选择缩短流动通道长度，这样就可以将压降减至最小。
可加工性
从总体而言，一个组件增加的每个零件不仅仅只增加了零件的费用，也增加了组装的费用，组装错误风险和潜在的可靠性风险。最初的实验室样品由总数为13个且拥有不同功能的零件组成(流动通道，3个蜂房结构，5个O型环，流动管，电路，基础壳体和盖子)。如前所述，第一次简化是将蜂房结构修改为同心管式的几何结构。这种修改可使我们把流动管与壳体相接合，这样就可以减少3个O型环，蜂房结构和管子。试验发现在新的设计中不要求上游和下游蜂房结构整流装置。进一步的设计分析将整个产品减少至3个部分(带有铸有流动通道的壳体，电路，盖子)而不损害其性能。可以确信新的设计可以通过最少的操作步骤进行组装并且将减少大量开支，增加可生产性，并生产更为可靠的产品。最終设计请参阅图5

图5 生产样品
测试一个200SLPM设备的关键在于为测试中的设备提供层流。这已经通过安装一个带有蜂房结构的流道的挡板室和将大湍流分为小湍流的流动路径中的聚酯筛网来达到。这减少了稳定流动需要的距离。使用一个200SLPM型市售质量空气流量控制装置控制至传感器的流量。然后通过一个数字式电压表DVM(数字式电压表)和一个示波器监视传感器的输出。示波器用于监视流量信号的质量以便显示DC传感器信号上加强的涡流空气流量信号的数量。图6是该设备的典型输出。

图6 200LPM样品输出
结 论
以迄今为止得出的成功结果为基础，当前的努力是将流量扩展到5KLPM。最严峻的挑战是这些设备的测试，特别是在产生这种量级已知的控制流量中的测试。我们预计在开始实际的设计工作前，要求大规模的计算流体动力学(CFD)的建模。