醫療用流量傳感器的小尺寸組件

摘要：如何用一個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療市場對流量傳感器系列產品的大量要求，如何用以熱電子硅為基礎的微型傳感器技術順應了這些要求。目標包括最小的功率消耗，快速反應時間，滿量程的最小壓降損耗，最小的重復性和遲滯誤差，當然首先是小尺寸的問題。克服最大的挑戰就是解決了高流量與小尺寸之間的矛盾。在整個測量范圍內流量必須保持層流。本篇論文評述了所選擇的技術，該市場范圍內的技術發展歷程、分析、建模和試驗，這證明了可行構想以及由這些努力產生的最初的產品開發。
關鍵詞: Sensors(傳感器)，Airflow(空氣流量)，turbulence(湍流)，laminar(層流)，miniature(微型)
現如今，我們生活在技術數字化的世界中，控制裝置和控制系統成為生活各個方面的主導。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”。有時譯文比原文更勝一籌。任何控制系統的構件塊是由決策裝置，完成決策的執行機構，提供現狀及趨向信息的傳感器和連接其它組成部分的通訊網絡構成的。我們的機構主要設計生產用于感應氣體狀態(通常為空氣質量流量)的微電子熱傳感器。
在歷史上采用機械方式直接測量質量空氣流量，此時精確度并不重要。當精確度顯得重要時，則根據溫度、壓差和絕對壓力的精確傳感器測量值通過計算間接獲得測量結果。熱絲風速儀的發展使精確直接地測量質量空氣流量成為可能。該技術非常靈敏，迅速，高重復性并且滯后較低。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，比大多數壓力傳感器尺寸大，而且過去在長時間穩定性上尚存疑問。該技術還在繼續發展完善。
在二十世紀八十年代初期，針對其它流量傳感技術的局限性，發展了微加工硅技術和熱絲傳感方法的衍生技術。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分開的線路，在加熱器的每側(上游和下游)各有一個傳感器，取這2個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下進行硅的異性刻蝕以形成兩個電橋，每個電橋包括一個溫度傳感器和1/2個加熱器。任意指定每個電橋為上游或下游，每個電橋大約為150μm2。將加熱器設置到使其吸收功率達到高于環境溫度160°C。0流量時，2個溫度傳感器輸出相同，電壓差為0。有流量時，上游傳感器冷卻，而下游的傳感器加熱，這樣就出現與質量流量成正比的電壓差。電壓差的符號為流量的方向。

圖1 氣流感應芯片
由于尺寸小，極低的熱質量和較大的溫度梯度，因此該型號傳感器本身反應非常迅速(大約1ms)并且重復性高且滯后低。其傳感的正比方法得出了0流量附近的最大精確值，而且大多數誤差與讀數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上講是安全的。在較大流量范圍內壓降較低使其便于封裝。由于湍流在輸出中未達到平衡并且作為噪聲信號出現，其快速反應時間則指出產生在芯片上的必定是層流。這在較長時間內限制了該類型的傳感器在流量低于1LPM范圍的應用。其主要用于HVAC(暖通空調)、醫用氧氣系統、泄漏檢查和氣體層析法。
由于其高精確度和合理的價格，已經有大量要求希望將該類型傳感器的用途擴展至更高的流量。尤其希望將該技術用于通風裝置、呼吸器、工業氣體控制、電信和地面運輸行業。主要問題是怎樣處理湍流的突然產生。均衡湍流的努力會降低精確度并顯著地減緩反應時間。其中還有另外的復雜性，它在本質上是一項點傳感技術，因此必須將其封裝起來以便使在傳感點的流量狀態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路徑中進行流動采樣。用比例增加方法可擴展傳感器范圍至20LPM，超過該值輸出進入的湍流。該方法詳情請參閱以前的文章(ref.1)并包括文丘里管的設計，芯片處于內部最佳位置。而且，還設計了專門的屏幕組件以便將大湍流分成小湍流，這些小湍流在到達芯片之前處于層流狀態。如果這種嘗試成功，則最終產品是很大的。附圖3將1升的傳感器與20LPM的傳感器相比較。大多數市場都不接受任何進一步比例增加。

圖3 1LPM和20LPM對比
旁通的傳感流量大大超過20LPM是有希望的，但也是一項巨大的技術挑戰。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一個1LPM傳感器。這樣則節省相當的空間，而且主流不需要調節和層流化至與旁通中的層流相同的精確度。但不幸的是，旁通設計更像是一種藝術而不是技術。設計方程是有的，但只是近似的，而且有＋/-50％的誤 差，尤其是在較高的旁通時更為如此。成功解決旁通設計的問題包括以下幾個方面:
1. 控制并將壓降降至最小以便用于低壓
途中同時將傳感的動態范圍增至最大。
2. 極低流量下的精確度。
3. 旁通的機械造形特別是邊緣產生的湍流。
4. 泄漏
5. 可加工性和測試/校準技術
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。低流量時非常敏感。通過使用現貨供應的AWM4000系列傳感器，構件塊的方法也看作是改進現有工藝從而生產出新產品的另外一種方式。

輸出(mVDC)
圖4 研究樣品
退回到最初的觀點是零件的數目和組件與現有的生產工藝不相符。另一種擔心就是零件與零件之間的互換性也不能達到我們的標準。
實驗室研制的最初的樣品證明使用一個蜂房結構制造一個壓降，這驅使一個相對小量的流量通過傳感器。我們的目標是將構想變成可實際生產的理念。我們將改進集中在以下幾點：
- 發展研制一種可模鑄的蜂房狀結構
- 減少流動噪聲和因此減少輸出的噪聲。
- 通過減少產品零件數提高加工性。
蜂房結構的發展
我們的第一步是改進發展蜂房結構的設計，該蜂房結構可以以一種均勻的方式使流動通過流管。放進一個圓柱狀幾何體的蜂房產生一種不規則的蜂房結構樣式。由于每一個蜂巢的壁有不同幾何形狀，通過蜂房結構產生的流動速度在每個蜂巢之間可能不規則。實驗室使用一種平均壓力降的方法，而我們為提高可加工性而將簡化設計，因此取消了該種平均壓降的能力。由于我們的設計只取決于兩點(通過傳感器驅動流動的進口和出口)的靜態速度壓力，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構可通過每個蜂巢產生不同的速度。我們選擇一種同心網狀模式而不是一種蜂房結構，因為每一個個別通道與其它通道截面相似，因此同心通道將改進流量模式，而且由此我們可以預期通過每個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，該液壓直徑在這種情況下大致是每格網狀結構的間隙。這使得通過流動路徑的速度更加一致。

流量限制器長度

我們下一個目標還是將輸出噪聲減至最小并減少壓降。輸出噪聲與雷諾數，銳邊產生的流動渦流以及流量方向的改變有關。因為某些流動發生裝置，比如風扇和鼓風機，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。減少流動通道長度會降低壓降，但是會增加到流量傳感器壓力入口的雷諾數。試驗發現較短的流動通道不會明顯影響輸出噪聲。我們選擇縮短流動通道長度，這樣就可以將壓降減至最小。
可加工性
從總體而言，一個組件增加的每個零件不僅僅只增加了零件的費用，也增加了組裝的費用，組裝錯誤風險和潛在的可靠性風險。最初的實驗室樣品由總數為13個且擁有不同功能的零件組成(流動通道，3個蜂房結構，5個O型環，流動管，電路，基礎殼體和蓋子)。如前所述，第一次簡化是將蜂房結構修改為同心管式的幾何結構。這種修改可使我們把流動管與殼體相接合，這樣就可以減少3個O型環，蜂房結構和管子。試驗發現在新的設計中不要求上游和下游蜂房結構整流裝置。進一步的設計分析將整個產品減少至3個部分(帶有鑄有流動通道的殼體，電路，蓋子)而不損害其性能。可以確信新的設計可以通過最少的操作步驟進行組裝并且將減少大量開支，增加可生產性，并生產更為可靠的產品。最終設計請參閱圖5

圖5 生產樣品
測試一個200SLPM設備的關鍵在于為測試中的設備提供層流。這已經通過安裝一個帶有蜂房結構的流道的擋板室和將大湍流分為小湍流的流動路徑中的聚酯篩網來達到。這減少了穩定流動需要的距離。使用一個200SLPM型市售質量空氣流量控制裝置控制至傳感器的流量。然后通過一個數字式電壓表DVM(數字式電壓表)和一個示波器監視傳感器的輸出。示波器用于監視流量信號的質量以便顯示DC傳感器信號上加強的渦流空氣流量信號的數量。圖6是該設備的典型輸出。

圖6 200LPM樣品輸出
結 論
以迄今為止得出的成功結果為基礎，當前的努力是將流量擴展到5KLPM。最嚴峻的挑戰是這些設備的測試，特別是在產生這種量級已知的控制流量中的測試。我們預計在開始實際的設計工作前，要求大規模的計算流體動力學(CFD)的建模。