專利名稱：自振蕩流體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于確定流體的性質(zhì)，具體地是所測(cè)流體的熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散率，比熱和流體速度。
背景技術(shù)：
已經(jīng)設(shè)計(jì)了一些方法測(cè)量流體熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散率，比熱和流體速度。典型地，通過(guò)使用各種類型的探測(cè)器包括電阻橋型傳感器測(cè)量這些特性。
確定熱導(dǎo)率的一個(gè)方法，即將惠斯登電橋一臂上的加熱元件放置在所測(cè)流體樣品通過(guò)的一個(gè)空腔內(nèi)，已在U.S專利4735082中做了敘述。通過(guò)交變電流、電壓或功率改變輸入電壓，以使加熱的元件將一系列不同量的熱能引進(jìn)到所測(cè)的流體中。這樣由于周圍流體熱性能改變引起的消耗功率的變化作為電壓、電流或電阻變化的信號(hào)可以被探測(cè)到。測(cè)量流體的一個(gè)性質(zhì)是流體的熱導(dǎo)率。
對(duì)於電阻熱感應(yīng)變化的測(cè)量，下面將詳細(xì)討論，特別是圖1-5中介紹的現(xiàn)有技術(shù)，描述了支持小而精密的“微電橋”或“微薄膜”半導(dǎo)體片的傳感器，這些微元件通常用作加熱器和傳感器。這樣的傳感器包括測(cè)量流速用的靠近薄膜加熱器元件的薄片傳感器對(duì)。這類半導(dǎo)體片傳感器在U.S專利NO4478076，U.S專利NO4478077，U.S專利NO4501,144，U.S專利NO4651564，U.S專利NO4683159和本發(fā)明的受讓人專利中作了更詳細(xì)的論述。
測(cè)量流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱的另一個(gè)方法闡明在Aagard等人申請(qǐng)U.S專利NO4944035中。Agard等人揭示了包含一個(gè)加熱器膜和至少一個(gè)傳感器膜的微電橋結(jié)構(gòu)，電能的脈沖在一個(gè)水平和時(shí)間段內(nèi)持續(xù)提供給加熱器，致使在傳感器上出現(xiàn)瞬間的變化和實(shí)質(zhì)穩(wěn)態(tài)溫度。在傳感器穩(wěn)態(tài)溫度下根據(jù)傳感器輸出和熱導(dǎo)率之間的已知關(guān)系可以確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率。根據(jù)熱導(dǎo)率、在瞬間溫度改變時(shí)傳感器輸出變化率、熱擴(kuò)散率和比熱之間的已知關(guān)系可以確定所測(cè)流體的比熱和熱擴(kuò)散率。
決定所測(cè)流體速度的典型方法是確定熱波從一個(gè)源加熱器元件傳播到目標(biāo)傳感器元件所須的時(shí)間。知道加熱器元件和傳感器元件之間的距離可以計(jì)算流體的速度。這一方法已在Lamber申請(qǐng)的U.S專利NO4576050中提出。Lamber用一個(gè)振蕩的加熱器輸入信號(hào)激勵(lì)加熱器使其在流體里發(fā)射出熱波。熱波通過(guò)流體以一定的速度傳播，該速率取決于垂直加熱器流動(dòng)的流體速度。在加熱器一邊或兩邊放置的熱電探測(cè)器自動(dòng)檢測(cè)熱波并提供相應(yīng)探測(cè)器輸出信號(hào)。根據(jù)加熱器輸入信號(hào)和探測(cè)器輸出信號(hào)之間的時(shí)間差分可以確定流體的速度，精度至少為一級(jí)近似。
上述現(xiàn)有技術(shù)方法的局限是需要大量的支持硬件和/或軟件。例如，在許多現(xiàn)有技術(shù)的方法里，頻率發(fā)生器給加熱器元件提供頻率輸入信號(hào)。就硬件和能量消耗兩者而言，頻率發(fā)生器相對(duì)比較貴。同樣，在現(xiàn)有技術(shù)的許多方法里，需要一個(gè)或多個(gè)高頻計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量加熱器輸入信號(hào)和流體里相應(yīng)的溫度擾動(dòng)之間時(shí)間和相位的延遲。而固定頻率發(fā)生器，高頻計(jì)時(shí)器，就硬件和能量消耗所需都是相當(dāng)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的自振蕩流體傳感器克服了現(xiàn)有技術(shù)許多不利因素，自振蕩流體傳感器在確定所測(cè)的流體性質(zhì)時(shí)不需要頻率發(fā)生器或高頻計(jì)時(shí)器。當(dāng)然，傳感器自振蕩在與通過(guò)流體溫度擾動(dòng)的渡越時(shí)間相關(guān)的一個(gè)頻率下。從所測(cè)量的頻率，可以確定流體的某些性質(zhì)。
因?yàn)楸景l(fā)明通過(guò)振蕩頻率的改變自動(dòng)檢測(cè)流體性質(zhì)的變化，而微電阻加熱器和傳感器變化僅有二階影響，又因?yàn)榕c參考流體已知和恒定的熱特性有密切的關(guān)系，也減小了溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)變化的影響。
在本發(fā)明第一實(shí)施方案中，加熱器元件和傳感器元件被放在流體中并與所測(cè)流體〔流體或氣體〕介質(zhì)緊密耦合。傳感器的輸出通過(guò)反饋回路耦合到加熱器的輸入。在傳感器的輸出和加熱器的輸入之間產(chǎn)生了所期望的相移，使得傳感器振蕩在與通過(guò)流體溫度擾動(dòng)的渡越時(shí)間相關(guān)的一個(gè)頻率。正如下面進(jìn)一步描述的，流體的熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散率，比熱，和速度可以由傳感器振蕩頻率來(lái)確定。
更具體地，加熱器和傳感器在所測(cè)流體中進(jìn)行熱交換。加熱器激勵(lì)單元連接到加熱單元以激勵(lì)加熱器單元。反饋單元與傳感器和加熱器激勵(lì)單元耦合使得傳感器阻抗在改變一個(gè)預(yù)定數(shù)值后的預(yù)定時(shí)間或相移，加熱器激勵(lì)單元激勵(lì)加熱器。這種結(jié)構(gòu)，加熱器激勵(lì)單元、加熱器、傳感器和反饋單元形成了振蕩在與加熱器的激勵(lì)和傳感器的阻抗變化之間時(shí)間延遲相關(guān)頻率的一個(gè)閉環(huán)。這個(gè)振蕩頻率可以用來(lái)確定所測(cè)流體的某些特性。
為了確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱，傳感器最好置于實(shí)質(zhì)為零流量的流體中。在一個(gè)實(shí)施方案中，儲(chǔ)存了選擇的校準(zhǔn)信息以聯(lián)系振蕩頻率(或相應(yīng)的時(shí)間延遲)和需要測(cè)量的流體性質(zhì)。正如在Aagard等人申請(qǐng)的US專利No.4944035中所描述的，當(dāng)傳感器上出現(xiàn)實(shí)質(zhì)上為穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)，可以最有效地確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率，當(dāng)傳感器上出現(xiàn)瞬間溫度變化時(shí)，可以最有效地確定所測(cè)流體的熱擴(kuò)散率。由此考慮到可以控制由反饋單元引進(jìn)的相位延遲，使得確定流體熱導(dǎo)率時(shí)，振蕩頻率相對(duì)低，確定流體熱擴(kuò)散率時(shí)，振蕩頻率相對(duì)高。不論那種情況，都要提供適當(dāng)?shù)男?zhǔn)信息以聯(lián)系振蕩頻率和被測(cè)流體需測(cè)的性質(zhì)。
至于流體的速度的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)傳感器的振蕩頻率與流體的速度有關(guān)。提供適當(dāng)?shù)男?zhǔn)信息，所測(cè)流體的速度可由傳感器振蕩頻率確定。
在另一實(shí)施方案中，可以在兩個(gè)傳感器元件之間確定相位延遲(或相應(yīng)的時(shí)間延遲)，而不是在加熱器和傳感器元件之間。在這個(gè)實(shí)施方案中，加熱器單元在所測(cè)流體中的進(jìn)行熱交換。加熱器激勵(lì)單元連接到加熱器上以激勵(lì)加熱器，并且在所測(cè)流體里提供一個(gè)溫度擾動(dòng)。與流體進(jìn)行熱交換過(guò)程中，至少有兩個(gè)傳感器。至少兩個(gè)傳感器中的每一個(gè)最好放置在距加熱器不同距離處。
溫度擾動(dòng)從第一個(gè)傳感器傳輸?shù)降诙€(gè)傳感器所需的第一渡越時(shí)間可以通過(guò)下述方法確定。在第一個(gè)實(shí)施方案中，這是由確定在加熱器輸入信號(hào)(或加熱器溫度響應(yīng))和第一傳感器相應(yīng)的阻抗變化之間的第一時(shí)間延遲來(lái)完成的。第一延遲可以使用在加熱器和第一傳感器之間反饋環(huán)中的任意數(shù)量的單元以及振蕩頻率和時(shí)間延遲之間的關(guān)系或使用高頻計(jì)時(shí)器確定。以同樣的方式來(lái)確定在加熱器輸入信號(hào)(或加熱器溫度響應(yīng))和第二傳感器相應(yīng)阻抗變化之間的第二延遲。第一渡越時(shí)間由第二延遲減去第一延遲求得。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在相位差分的測(cè)量中，一些潛在的誤差源在相減的過(guò)程中被抵消，因此提高了測(cè)量的精確度。一個(gè)這樣的誤差源是在加熱器輸入信號(hào)和加熱器(即流體)溫度升高響應(yīng)之間典型存在的非零加熱器時(shí)間延遲。另一個(gè)潛在的誤差源是在傳感器元件溫度擾動(dòng)的到來(lái)和傳感器響應(yīng)之間典型存在的非零傳感器時(shí)間延遲。這是典型的，傳感器元件的溫度對(duì)流體溫度的變化沒(méi)有立刻響應(yīng)，主要原因是傳感器的非零熱質(zhì)量。
通過(guò)從加熱器輸入信號(hào)(或加熱器溫度響應(yīng))和第二傳感器相應(yīng)阻抗變化之間的第二延遲減去在加熱器輸入信號(hào)(或加熱器溫度響應(yīng))和第一傳感器的相應(yīng)阻抗變化之間的第一延遲，有效地抵消了許多潛在的誤差源，獲得更精確的時(shí)間延遲的測(cè)量值。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，第一傳感器元件包含在第一反饋回路中，第二傳感器元件包含在第二反饋回路中。第一和第二反饋回路可以包含共有的加熱器元件或分離的加熱器元件。由第一和第二反饋回路的振蕩頻率可以確定拍頻。從第一傳感器元件到第二傳感器元件的渡越時(shí)間可以由拍頻來(lái)確定。
而在另一個(gè)實(shí)施方案中，有兩個(gè)類似結(jié)構(gòu)的自振蕩加熱器/傳感器對(duì)，一個(gè)在實(shí)質(zhì)為零流量條件，另一個(gè)在非零流量條件下。第一振蕩頻率為在實(shí)質(zhì)為零流量條件下的加熱器/傳感器對(duì)確定。第二振蕩頻率為在流量條件下的加熱器和傳感器對(duì)確定。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和間距對(duì)于加熱器和傳感器對(duì)有很好的一致性，第一渡越時(shí)間可由第一和第二頻率的拍頻來(lái)確定。
正如下面更詳細(xì)的描述那樣，如果流體是在實(shí)質(zhì)為零流量條件下，從第一傳感器到第二傳感器的第一渡越時(shí)間通常用來(lái)計(jì)算所測(cè)流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱。如果流體是在流量條件下，第一渡越時(shí)間通常用來(lái)計(jì)算所測(cè)流體的速度。
最好按上述方法確定第一傳感器和第三傳感器之間的第二渡越時(shí)間。這就是說(shuō)，可以確定在加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第三傳感器之間的第三延遲。在第一傳感器和第三傳感器之間的第二渡越時(shí)間可以由加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第三傳8感器相應(yīng)阻抗變化之間的第三延遲減去在加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第一傳感器相應(yīng)阻抗變化之間的第一延遲來(lái)確定。
在另一實(shí)施方案中，第一和第三傳感器包含在分離的反饋回路中。第二渡越時(shí)間可由第一和第三傳感器的振蕩頻率之間的拍頻來(lái)確定。從該拍頻可以確定第二渡越時(shí)間。
最后，考慮提供有不同加熱器到傳感器間距的兩個(gè)自振蕩加熱器和傳感器對(duì)，并且置于實(shí)質(zhì)為零流量條件下。兩個(gè)類似結(jié)構(gòu)的自振蕩加熱器和傳感器對(duì)置于流量條件下。因?yàn)榧訜崞骱蛡鞲衅鲗?duì)的結(jié)構(gòu)和間距有很好的一致性，所以第一和第二渡越時(shí)間可以由非零流量和零流量條件下相應(yīng)振蕩頻率的拍頻來(lái)確定。
第一和第二渡越時(shí)間一經(jīng)確定，使用下面的關(guān)系式可以計(jì)算流體的速度，它相對(duì)獨(dú)立於流體的性質(zhì)。


通過(guò)下面詳細(xì)的描述及相應(yīng)的插圖(圖中以數(shù)字標(biāo)明各個(gè)部分)，本發(fā)明的其它部件和伴隨的優(yōu)點(diǎn)將更好地被理解。
圖1，2，3是微電橋流量傳感器現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方案的不同剖面圖；圖4是微電橋傳感器系統(tǒng)的部分剖面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明，有兩個(gè)下游傳感器元件的微電橋傳感器第一交叉截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明，有一個(gè)上游，一個(gè)下游傳感器元件的微電橋傳感器第二交叉截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明，有兩個(gè)以上的下游傳感器元件的微電橋傳感器第三交叉截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明，有若干上游和下游傳感器元件的微電橋傳感器第四交叉截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案自振蕩傳感器裝置原理圖；圖10使用圖9中傳感器裝置，表示振蕩頻率和四種氣體流速的關(guān)系曲線；圖11根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案自振蕩傳感器裝置原理圖；
圖12是兩個(gè)自振蕩傳感器裝置的振蕩頻率時(shí)間標(biāo)記圖，每一個(gè)都有不同的加熱器到傳感器的間距和拍頻。傳感器之間的渡越時(shí)間可由拍頻來(lái)確定；圖13是兩個(gè)附加傳感器元件的原理圖，最好使用在與圖11結(jié)合的實(shí)施方案中；圖14表示由圖13的實(shí)施方案測(cè)得延遲的時(shí)間標(biāo)記圖；圖15是第一自振蕩傳感器裝置原理圖，該裝置僅有一個(gè)用于確定被測(cè)流體熱導(dǎo)率的加熱器元件；圖16是第二自振蕩傳感器裝置原理圖，該裝置僅有一個(gè)用于確定被測(cè)流體熱導(dǎo)率的加熱器元件。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是針對(duì)自振蕩流體傳感器，它用于確定流體某些性質(zhì)但不需要頻率發(fā)生器。傳感器自振蕩在與通過(guò)該流體溫度擾動(dòng)的渡越時(shí)間相關(guān)的一個(gè)頻率。使用這個(gè)渡越時(shí)間，可以確定流體的某些性質(zhì)。
在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案中，為了測(cè)定選擇的延遲時(shí)間或頻率，需要提供一個(gè)或多個(gè)高頻計(jì)時(shí)器。然而在這些實(shí)施方案中，加熱器元件和第一傳感器元件很好地形成一個(gè)在所選頻率下振蕩的閉合回路。因此這個(gè)結(jié)構(gòu)不需要頻率發(fā)生器。
最后，考慮了由頻率和兩個(gè)或多個(gè)傳感器元件之間的渡越時(shí)間確定所選的流體性質(zhì)，而不是由加熱器元件和選擇的傳感器元件之間的延遲時(shí)間。這有利于減少?gòu)募訜崞髟絺鞲衅髟Ｒ?guī)的渡越時(shí)間測(cè)量中所存在的幾種誤差源。此外，使用渡越時(shí)間或頻率(例如拍頻)的差分，可以提供高級(jí)自動(dòng)檢測(cè)的方法。
例如，在本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施方案里的微電橋半導(dǎo)體傳感器，可能類似于下列專利中描述的某一個(gè)或多個(gè)微電橋系統(tǒng)，這些專利包括US專利No.4478076、US專利No.4478077、US專利No.4501144、US專利No.4651564、US專利No.4683159、US專利No.4994035和本發(fā)明的共同受讓人的所有專利。
這樣一個(gè)系統(tǒng)舉例表示在圖1-3中，該圖取自Aagard等人的US專利No.4994035。這個(gè)例子的討論將有益于對(duì)本發(fā)明的理解。而現(xiàn)有的討論相信是覆蓋了必要的部分，其它包含在微電橋相關(guān)專利中的附加材料已通過(guò)參考文獻(xiàn)結(jié)合到本文中。
圖1-3的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)考慮一對(duì)薄膜溫度傳感器22和24，薄膜加熱器26和支撐件20，該件支撐傳感器和加熱器使其不接觸基礎(chǔ)的底層。傳感器22，24放置在加熱器26的反面。支撐件20最好是非導(dǎo)體絕緣材料或者半導(dǎo)體材料。這里選用硅，因?yàn)樗苓m應(yīng)精密蝕刻技術(shù)并且易于電子基片的加工。該實(shí)施方案包括兩個(gè)相同的溫度靈敏電阻器柵網(wǎng)22和24作為薄膜加熱傳感器和放置在中心處作為薄膜加熱器的加熱器電阻柵網(wǎng)26。
傳感器22、24和加熱器26可以由任何適合的、穩(wěn)定的金屬或合金膜制造。使用的金屬可以是白金或鎳鐵合金(含80％鎳和20％鐵，有時(shí)也被稱為透磁合金)。傳感器和加熱器的柵網(wǎng)被壓縮在一個(gè)電介質(zhì)薄膜內(nèi)，典型的是由層28和29或者更好的硅氮化物Si3N4組成。其它薄膜材料有SiO2，MgO，Si3N4，N2O3等。
圖1和圖2中的傳感器包含兩個(gè)薄膜32和34，薄膜32包含傳感器22，薄膜34包含傳感器24，每個(gè)薄膜包含加熱器26的一半，每個(gè)薄膜的尺寸最好為寬150微米、長(zhǎng)400微米。
進(jìn)一步闡述了該系統(tǒng)的一個(gè)精確制造的流體(液體或氣體)空間30，它有效地環(huán)繞著元件22、24、26，它是在硅表面36上加工而成的。薄膜元件22、24、26的厚度約為0.08到0.12微米，線寬為5微米量級(jí)，線間的距離為5微米量級(jí)。壓裝在硅氮化物膜內(nèi)的元件最好厚度約0.8微米或小于0.8微米。流體空間30是在元件32和元件34下面，在硅體20上接著向下蝕刻的一個(gè)約100微米深的無(wú)硅凹槽。
元件32和34在蝕刻槽30的一個(gè)或多個(gè)邊連接到半導(dǎo)體20的頂面36。如圖3所示，元件32和34可以橫過(guò)凹槽30連接起來(lái)，在可選的方案中，元件32和34也可以在凹槽30的上方呈懸臂狀結(jié)構(gòu)。
在所示的系統(tǒng)中，熱量通過(guò)耦合加熱器和傳感器的固體和流體，從加熱器傳輸?shù)絺鞲衅?，值得指出的是，硅氮化?Si3N4)除了是好的電絕緣體外，也是一個(gè)有效的固體熱絕緣體。因?yàn)樵谠?2和34里面的連結(jié)硅氮化物膜是相當(dāng)好的熱絕緣體，所以來(lái)自加熱器26的熱量傳播中通過(guò)固體的熱傳播不占主要部分。這就能夠使來(lái)自加熱器電阻26的總的熱量通過(guò)周圍的流體而不是支撐的氮化物膜傳播到傳感電阻器22和24。此外，支持的硅氮化物薄膜有足夠低的熱導(dǎo)性，使傳感電阻器柵網(wǎng)22和24能夠緊靠著熱電阻柵網(wǎng)26或與之并排放置。這樣，傳感電阻器柵網(wǎng)22、24實(shí)際上牢固地懸在流體空間內(nèi)靠近加熱電阻26處，象一個(gè)熱探頭一樣測(cè)量附近流體和加熱電阻柵網(wǎng)26平面內(nèi)的溫度。
圖4是與一個(gè)與流體管道成直線放置的微電橋傳感器系統(tǒng)的部分剖面圖。有一中心腔202的主流體管道200連到載有所測(cè)流體的管子上。第一室204通過(guò)單腔206同主流管道200的中心腔202作流體交換。具有第一微電橋或裝有微膜片傳感器210的頭208插入第一腔204中對(duì)如圖所示的主流管道200是安全的。在這種結(jié)構(gòu)中，第一微電橋傳感器暴露到實(shí)質(zhì)為零流量的所測(cè)流體中。第一微電橋傳感器210用來(lái)測(cè)量流體性質(zhì)，如熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱、溫度和壓強(qiáng)。
第二傳感器222放置在旁路214里。在這種結(jié)構(gòu)中，第二微電橋傳感器222暴露到所測(cè)流體中。第二微電橋傳感器222用來(lái)測(cè)量流體速度。
圖5是根據(jù)本發(fā)明有兩個(gè)下游傳感器元件的微電橋傳感器的第一剖面圖。當(dāng)使用校正數(shù)據(jù)測(cè)量流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和/或速度時(shí)，僅需一個(gè)加熱元件和一個(gè)傳感器元件。然而，如下面詳細(xì)討論的，本發(fā)明的某些實(shí)施方案中包含一個(gè)加熱元件224和至少兩個(gè)分開的傳感器元件226和228。例如，當(dāng)測(cè)量流體速度時(shí)，至少提供兩個(gè)傳感器元件226和228，每個(gè)放置在距加熱元件224不同距離處。在該示意圖中，傳感器226與加熱元件224距離為d1，傳感器228與加熱器元件224距離為d2。傳感器226和228在加熱器元件224的下游。
加熱元件224有一個(gè)支撐件228，它支持加熱元件230，使之不觸及底座232。加熱元件224和支撐件230組成了加熱膜結(jié)構(gòu)。同樣，傳感器元件226有一個(gè)支撐件234，它支持傳感器元件226，使之不觸及底座232。傳感器元件226和支撐件234組成了第一傳感器膜結(jié)構(gòu)。最后，傳感器元件228有一個(gè)支撐件236，它支持傳感器228，使之不觸及底座232。傳感器元件228和支撐件236組成了第二傳感器膜結(jié)構(gòu)。
加熱器元件224、傳感器元件226和228可以由任何適合的、穩(wěn)定的金屬或合金(如白金、鎳、鐵鎳等)制成。加熱器元件224和傳感器元件226和228可以是包含金屬導(dǎo)線的任何電阻性元件，但最好是薄膜。而且加熱器元件224和傳感器元件226和228可以是包含柵網(wǎng)的任何形狀或簡(jiǎn)單的線形。如上所述，加熱器元件224和傳感器元件226和228最好是壓制在電介質(zhì)(像SiO2，MgO，Si3N4，N2O3等)的薄膜內(nèi)，以形成支撐件230、234和236。
精確限定的流體空間240有效地環(huán)繞著加熱器元件224、傳感器元件226和228，該空間是在硅表面242加工得到的。加熱器元件224和傳感器元件226、228最好有約為0.08到0.12微米的厚度，線寬在5微米的量級(jí)。如果使用柵網(wǎng)，線間距離在5微米的量級(jí)。流體空間240是在加熱器元件224和傳感器元件226和228下面、在硅襯底232上接著向下蝕刻加工而成的約100微米深的凹槽。在另一種方法中可以從硅襯底232的背面向內(nèi)蝕刻以形成一個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)。
支撐件230和加熱器元件224最好在蝕刻槽或凹槽240的一邊或多邊，連到半導(dǎo)體襯底232的頂面242。支撐件230和加熱器元件224可以橫過(guò)凹陷240連接，或者在凹陷240上方呈懸臂狀態(tài)。傳感器元件234、226、228最好是類似結(jié)構(gòu)。很清楚，以同樣的方式可提供任何數(shù)量的加熱器和傳感器元件。為了用圖解說(shuō)明，在圖5中僅顯示了一個(gè)加熱器元件224和兩個(gè)傳感器元件226、228。
加熱元件224在流體里產(chǎn)生一個(gè)熱量擾動(dòng)。226、228的每一個(gè)傳感器可以在它們各自位置上自動(dòng)檢測(cè)到來(lái)的溫度擾動(dòng)。我們感興趣的是溫度擾動(dòng)從加熱器元件224傳輸?shù)矫總€(gè)傳感器元件226、228的渡越時(shí)間。正如下面更全面的描述，因?yàn)閭鞲衅髟?26、228放置在距加熱器元件不同距離處，所以流體的速度相對(duì)獨(dú)立于流體的性質(zhì)可被確定，特別是與擴(kuò)散支配的位移相比該間距是大的。
不是把兩個(gè)傳感器都放置在下游如圖5，考慮了一個(gè)傳感器250放置在加熱器254的上游，另一個(gè)傳感器252放在下游如圖6。
關(guān)于流體速度的測(cè)量，為減小在低流速下溫度擴(kuò)散系數(shù)和流體其它性能可能的負(fù)面效應(yīng)，考慮第一套傳感器元件用于測(cè)量低流速，另一個(gè)用于測(cè)量高流速。如圖7，靠近加熱器元件放置的傳感器280282可用于測(cè)量低流速，因?yàn)?，在適當(dāng)?shù)念l率，即使流速低也可以忽略熱擴(kuò)散率。同樣，遠(yuǎn)離加熱器元件放置的傳感器元件用來(lái)測(cè)量高流速，包括傳感器284。使用這種方法，熱擴(kuò)散率分量在低流速測(cè)量中的影響可以減至最小。
此外，考慮了當(dāng)測(cè)量高流速時(shí)，提供高幅度加熱器輸入信號(hào)，相反地，當(dāng)測(cè)量低流速時(shí)，提供低幅度加熱器輸入信號(hào)。高幅度溫度擾動(dòng)更容易探測(cè)，但可能增加流體內(nèi)熱擴(kuò)散率分量的速度。這樣，較低幅度加熱器輸入信號(hào)可以減小擴(kuò)散率分量的速度，提供在低流速下更精確的結(jié)果。
圖8是根據(jù)本發(fā)明有若干個(gè)下游和上游傳感器元件的微電橋傳感器第四剖面圖。在這個(gè)實(shí)施方案中，幾對(duì)傳感器元件在加熱器的上游和下游兩個(gè)方向等間距地放置。當(dāng)使用校正的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量流體的熱導(dǎo)率 熱擴(kuò)散率比熱和/或流體速度時(shí)，僅需要一個(gè)加熱器和一個(gè)傳感器元件。然而，正如下面詳細(xì)討論的，在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，包括一個(gè)加熱器和至少兩個(gè)分開的傳感器元件300和302。例如當(dāng)至少使用兩個(gè)傳感器元件300和302，測(cè)量流速時(shí)，僅僅選擇使用放置在距發(fā)熱元件不同距離的傳感器的輸出。這使得流體速度相對(duì)獨(dú)立于流體其它性質(zhì)，下面將詳細(xì)討論。
圖9根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的自振蕩傳感器裝置原理圖。在這個(gè)實(shí)施方案中，確定所測(cè)流體某些特性時(shí)自振蕩傳感器不需要頻率發(fā)生器和高頻計(jì)時(shí)器。當(dāng)然，傳感器自振蕩在與通過(guò)流體溫度擾動(dòng)的渡越時(shí)間相關(guān)的一個(gè)頻率。從這個(gè)渡越時(shí)間可以確定流體有關(guān)的特性。
特別提到圖9，加熱元件400和傳感器元件402與所測(cè)流體介質(zhì)(液體或氣體)放置在近耦合的位置上。傳感器402作為惠斯登電橋404的一臂自動(dòng)檢測(cè)傳感器元件402阻抗的變化。
惠斯登電橋404的差分輸出提供給反相差分放大器406，反向差分放大器406產(chǎn)生一個(gè)180度的相移加到傳感器輸出信號(hào)上。該結(jié)果送到移相器408產(chǎn)生一個(gè)附加的相移加到傳感器輸出信號(hào)上，比如移相器提供一個(gè)135度的相移，于是在圖示的實(shí)施方案中，反相放大器406和移相器408向傳感器輸出信號(hào)提供一個(gè)315度的相移。
相移的傳感器輸出信號(hào)加到放大器410，該放大器是為保持回路增益為1的自動(dòng)增益控制回路411的一部分。放大器410的輸出提供給加熱器激勵(lì)放大器412，放大器412提供加熱器輸入信號(hào)給加熱器元件400。齊納二級(jí)管414給加熱器輸入信號(hào)提供一個(gè)DC偏置以消除如果AC電壓允許過(guò)零伏時(shí)可能出現(xiàn)的任何頻率倍增現(xiàn)象。
反相放大器406，移相器408和放大器410提供一個(gè)從傳感器的惠斯登電橋404的輸出到加熱器激勵(lì)放大器412的反饋通路。當(dāng)回路的總相位移是360度并且增益大于或等于1時(shí)回路將發(fā)生振蕩。在圖示的實(shí)施方案中，當(dāng)頻率使得在傳感器元件402和加熱器元件400之間產(chǎn)生45度相移時(shí)，這個(gè)條件得到滿足。這就是說(shuō)，傳感器振蕩在與溫度擾動(dòng)從加熱器元件400通過(guò)流體傳播到傳感器402的渡越時(shí)間相關(guān)的一個(gè)頻率。
為了確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散率，比熱，傳感器最好暴露在實(shí)質(zhì)為零流量的流體中。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，聯(lián)系傳感器驅(qū)動(dòng)的振蕩頻率(或相應(yīng)的時(shí)間延遲)和所測(cè)流體性質(zhì)的校正信息儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器420。處理器426通過(guò)接口424接收振蕩頻率并且使用儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器420的以前產(chǎn)生的校正信息確定所測(cè)流體的性質(zhì)。
正如Aagard等人在U.S專利NO.4944035所建議的，在傳感器上出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)上穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)(忽略由熱微對(duì)流引起的影響)，可以最有效地測(cè)出流體的熱導(dǎo)率。當(dāng)傳感器上出現(xiàn)瞬變溫度時(shí)，可以最有效地測(cè)出(由K輸入)流體的熱擴(kuò)散率。因此，考慮可由控制信號(hào)422來(lái)控制由移相器408引進(jìn)的相位延遲，使得在確定流體的導(dǎo)熱率時(shí)振蕩頻率相對(duì)低，而確定流體的熱擴(kuò)散率時(shí)振蕩頻率比較高。
關(guān)于流體的速度，我們發(fā)現(xiàn)傳感器的振蕩頻率與流體的流速有關(guān)。通過(guò)給存儲(chǔ)器420提供一個(gè)適當(dāng)?shù)男Ｕ畔ⅲ黧w的速度可由傳感器的振蕩頻率來(lái)確定。
圖10中給出了使用圖9傳感器裝置時(shí)振蕩率和四種已知?dú)怏w的流速的關(guān)系曲線。所測(cè)流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率，可通過(guò)確定在實(shí)質(zhì)上為零流量條件下的振蕩頻率來(lái)得到。測(cè)量這些性質(zhì)，必須使用從已知?dú)怏w校準(zhǔn)信息得到的預(yù)定關(guān)系把振蕩頻率和所測(cè)流體的熱導(dǎo)率聯(lián)系起來(lái)。對(duì)圖示的實(shí)施方案，所測(cè)流體的熱導(dǎo)率k可用近似關(guān)系確定k=0.36f---(1)]]>或更一般用f=(kk0)n(CpCp0)m---(2)]]>這里f是實(shí)質(zhì)為零流量條件下的振蕩頻率，K是所測(cè)流體的熱導(dǎo)率，K0是校準(zhǔn)流體的熱導(dǎo)率，Cp是所測(cè)流體的比熱，Cp0是校準(zhǔn)流體的比熱，熱擴(kuò)散率Dt與K和Cp之間由關(guān)系式Dt＝K CpV表達(dá)，這里CpV＝Cp×VmVm是克分子體積。
在校準(zhǔn)過(guò)程中通過(guò)測(cè)量四種已知?dú)怏wN2，CO2，CH4，C2H6在實(shí)質(zhì)為零流量條件下的振蕩頻率導(dǎo)出公式(1)。四種已知?dú)怏w的頻率值在圖10以Y坐標(biāo)軸表示，這些頻率與四種氣體的已知熱導(dǎo)率K擬合可以得到公式(1)。這些關(guān)系最好儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器420中以便處理器用來(lái)確定未知流體的熱導(dǎo)率。
同樣地，當(dāng)傳感器置于實(shí)質(zhì)為零流量條件下的所測(cè)流體中，使用傳感器的振蕩頻率可以確定流體的熱擴(kuò)散率。如上所述，然而使用控制信號(hào)422可以減小移相器408引進(jìn)的相位延遲，所以確定熱擴(kuò)散率時(shí)振蕩頻率應(yīng)比較高。如上所述，通過(guò)校準(zhǔn)程序可以得到關(guān)系式(2)。這些關(guān)系可以儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器420中以便處理器426用來(lái)確定所測(cè)流體的熱擴(kuò)散率。
熱導(dǎo)率和比熱一經(jīng)確定，使用公式(3)可以確定所測(cè)流體的熱擴(kuò)散率Dt。
Dt＝k/cpv(3)可以通過(guò)確定一特定流速下的振蕩頻率，根據(jù)振蕩頻率與未知流體速度的關(guān)系并使用一個(gè)預(yù)定的校正因子來(lái)得到未知流體的速度。校正因子最好在校正過(guò)程中確定。校正程序最好包括對(duì)若干已知的流體產(chǎn)生一系列流速和振蕩頻率的關(guān)系曲線。例如，圖10顯示了四種已知?dú)怏wN2、CO2、CH4和C2H6的一系列關(guān)系曲線。
在一特定的振蕩頻率下，CH4的流速比CO2的低。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，最好把已知流體的曲線作為參考曲線。參考曲線儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中420作為校準(zhǔn)信息。隨后，傳感器置于流量條件下的所測(cè)流體中并振蕩在一個(gè)相應(yīng)的頻率下。由參考曲線可以確定未校準(zhǔn)的流速。為了得到所測(cè)流體的真實(shí)的流速，使用校正因子對(duì)未校準(zhǔn)的流速進(jìn)行校正。對(duì)圖10的數(shù)據(jù)，校正因子Cv如公式(4)所示。
Cv=(kk0)-2.119(CpCp0)-1.188---(4)]]>這里，K和Cp是未知流體的熱導(dǎo)率和比熱，其值由上文所述方式確定。K0和Cp0是是參考流體的熱導(dǎo)率和比熱。被校準(zhǔn)流速可由公式(5)確定。
Vc＝Vu/CV(5)這里Vc是校正過(guò)的流速，Vu是未校正的流速，Cv是公式(4)的校正因子。
通過(guò)數(shù)學(xué)處理，在Y方向平移N2，CH4，C2H6曲線使其重迭到參考?xì)怏wCO2曲線以得到校正因子。每個(gè)曲線平移的總量與相應(yīng)流體的熱導(dǎo)率和比熱有關(guān)。這樣，得到公式(4)的校正因子。由公式(5)計(jì)算的流速精確到±0.7％。
此外，也考慮了通過(guò)數(shù)學(xué)處理，在X方向平移N2，CH4和C2H6曲線使其重迭到參考?xì)怏wCO2曲線以得到校正因子，如圖10頂部所示，每種情況，都可以得到相應(yīng)的校正因子。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的自振蕩傳感器裝置的原理圖。加熱元件500和傳感器元件502如圖所示。傳感器元件502置于惠斯登電橋503的一臂，如上所述。加熱元件由一個(gè)加熱激勵(lì)放大器510激勵(lì)。包括倒相放大器504，移相器506，放大器508的反饋通路使傳感器裝置振蕩在與加熱元件500和傳感器元件502之間相位或時(shí)間延遲相關(guān)的一個(gè)頻率上。使用振蕩頻率和在加熱元件500和傳感器元件502之間的相位延遲可以確定在加熱元件和傳感器元件之間的時(shí)間延遲。如上所述，這種結(jié)構(gòu)可以取消為運(yùn)行傳感器的所需頻率發(fā)生器。
在圖9所示的實(shí)施方案中，所測(cè)流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和流體速度可以由加熱元件和傳感器元件之間相位或時(shí)間延遲來(lái)確定。然而在圖11所示的實(shí)施方案中，考慮用第一個(gè)和第二個(gè)傳感器之間的相位延遲(或相應(yīng)的渡越時(shí)間或頻率)來(lái)確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和速度。
也考慮了第二傳感器元件也可以裝在與圖11類似的第二個(gè)反饋回路，只是加熱器到傳感器之間的距離不同。第一和第二反饋回路可以使用公用的加熱器元件或分離的加熱器元件。因?yàn)榧訜崞髟絺鞲衅鞯拈g距不同，第一反饋回路可以自振蕩在第一頻率512(f1)，第二反饋回路可以自振蕩在第二頻率514(f2)，如圖12所示。第一頻率512和第二頻率514通過(guò)加法、乘法或其他方法合成頻率曲線512和514從而可以確定拍頻。一個(gè)求和曲線516表示在圖12中，它是由第一頻率512和第二頻率514進(jìn)行加法得到的。該拍頻由求和曲線516確定。在圖12中，拍頻是由頻率為f2-f1的正弦波518表示。從第一傳感器元件到第二傳感器的渡越時(shí)間由拍頻確定。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供兩個(gè)相似的自振蕩加熱器/傳感器對(duì)，一個(gè)在實(shí)質(zhì)為零流量條件，另一個(gè)在非零流量條件。例如，一個(gè)加熱器/傳感器對(duì)放置在圖4的傳感器210處，另一個(gè)在傳感器222處。第一振蕩頻率由在實(shí)質(zhì)為零流量下的加熱器/傳感器對(duì)確定，第二振蕩頻率由在流量條件下的加熱器/傳感器對(duì)確定。因?yàn)閷?duì)于2個(gè)加熱器/傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)和間距實(shí)際上是相等，從第一傳感器到第二傳感器元件的相對(duì)精確的渡越時(shí)間可由第一和第二振蕩頻率的拍頻來(lái)確定。
也考慮了最好以上述的方法確定第一傳感器和第三傳感器之間的第二渡越時(shí)間。例如第一和第三傳感器元件可以包括在分離的反饋回路中。第二渡越時(shí)間可由第一和第三傳感器元件振蕩頻率之間的拍頻來(lái)確定。由此拍頻可以確定第二渡越時(shí)間。
同樣考慮了，例如在圖4傳感器210處設(shè)置兩個(gè)有不同的加熱器到傳感器間距的自振蕩加熱器/傳感器對(duì)，并且在實(shí)質(zhì)為零流量條件下。兩個(gè)自振蕩加熱器/傳感器對(duì)可以有共用加熱器裝置或分離的加熱器裝置。兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的自振蕩加熱器/傳感器對(duì)設(shè)置在例如圖4傳感器222處，并且置于流量條件。因?yàn)橄鄳?yīng)的加熱器/傳感器對(duì)的結(jié)構(gòu)和間距實(shí)際上完全相同，第一和第二渡越時(shí)間可由在流量和零流量條件下相應(yīng)的振蕩頻率的拍頻來(lái)確定。
更具體地，可以在圖4傳感器210設(shè)置兩個(gè)自振蕩加熱器/傳感器對(duì)，每個(gè)加熱器/傳感器對(duì)有不同的加熱器到傳感器的間距，因此每個(gè)加熱器/傳感器對(duì)振蕩在相應(yīng)實(shí)質(zhì)為零流量條件下的不同頻率(如fa和fb)?？梢栽趫D4傳感器222設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的自振蕩加熱器/傳感器對(duì)。每個(gè)加熱器/傳感器對(duì)振蕩在相應(yīng)流量條件下的兩個(gè)不同的頻率(如fc和fd)。從第一傳感器到第二傳感器的第一渡越時(shí)間由關(guān)系式(公式)來(lái)確定。同樣，從第一傳感器到第三傳感器的第二渡越時(shí)間由關(guān)系式(公式)來(lái)確定。
還可以在圖4傳感器210處僅放置一個(gè)自振蕩加熱器/傳感器對(duì)。通過(guò)改變移相器408的相位延遲，在實(shí)質(zhì)為零流量條件下可以得到兩個(gè)不同的振蕩頻率fd-fb。同樣地，在圖4傳感器元件222設(shè)置另一個(gè)自振蕩加熱器/傳感器對(duì)。通過(guò)改變相應(yīng)的移相器的相位延遲，可以得到在流量條件下的兩個(gè)不同振蕩頻率fc-fd。如上所述，這些頻率可用來(lái)計(jì)算所測(cè)流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和速度。
圖13是用于確定第一和/或第二渡越時(shí)間的另一實(shí)施方案有兩個(gè)附加傳感器元件的原理圖，最好同圖11實(shí)施方案結(jié)合使用。第二傳感器元件520連到惠斯登電橋522的一臂。第二傳感器元件最好熱耦合到所測(cè)流體中，并且與圖11中的第一傳感器元件分隔開。溫度擾動(dòng)從第一傳感器502傳播到第二傳感器520形成的第一渡越時(shí)間通過(guò)確定加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第一傳感器元件502相應(yīng)阻抗變化之間的第一延遲以及確定加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第二傳感器元件相應(yīng)阻抗變化之間的第二延遲，并且二者相減而得到。
第一延遲可以使用上述加熱器元件500和第一傳感器元件502之間的反饋回路中任意數(shù)目的元件，利用振蕩頻率和它們之間的時(shí)間延遲關(guān)系或由高頻計(jì)時(shí)器(未顯示)來(lái)確定。第二延遲由加熱器輸入信號(hào)540(或加熱器的溫度響應(yīng))和第二個(gè)傳感器元件520相應(yīng)的阻抗變化之間的時(shí)間延遲來(lái)確定。第二延遲可以使用任意數(shù)目的元件，在本實(shí)施方案中使用高頻計(jì)時(shí)器526。然后，用第二延遲減去第一延遲確定第一渡越時(shí)間。
第一渡越時(shí)間的計(jì)算詳細(xì)地表示在圖14中。加熱器元件(RA)500在流體中引進(jìn)一個(gè)溫度擾動(dòng)，通常以530表示。第一傳感器元件(RB)502在第一延遲時(shí)間532后自動(dòng)檢測(cè)溫度擾動(dòng)，第二傳感器元件(RC)520在第二延遲時(shí)間534后自動(dòng)檢測(cè)溫度擾動(dòng)。在第一傳感器元件(RB)502和第二傳感器元件(RC)520之間的第一渡越時(shí)間536可以從第二延遲534減去第一延遲532來(lái)確定。
這一方法的優(yōu)點(diǎn)是在相位差分測(cè)量中，若干潛在的誤差源可以在測(cè)量中抵消，因此提高了測(cè)量的精度。其中一個(gè)這樣的誤差源典型存在于加熱器輸入信號(hào)和加熱器溫度升高的響應(yīng)之間非零加熱時(shí)間的延遲。加熱時(shí)間延遲存在于加熱激勵(lì)放大器510提供的加熱器激勵(lì)信號(hào)(PA)540和圖14的流體溫度曲線530之間。
另一個(gè)潛在的誤差源是傳感器非零時(shí)間延遲，這典型地存在于溫度擾動(dòng)到達(dá)傳感器元件和傳感器元件相應(yīng)的阻抗響應(yīng)之間。也就是說(shuō)，傳感器元件的溫度不立即對(duì)流體內(nèi)溫度變化作出響應(yīng)，這主要是由于傳感器非零熱質(zhì)量的原因。傳感器時(shí)間延遲表示在圖14的流體溫度曲線530和傳感器阻抗響應(yīng)542之間。從第二延遲534減去第一延遲532，許多潛在的誤差源有效地抵消了，因此得到更精確的渡越時(shí)間的測(cè)量結(jié)果。
如果流體是在實(shí)質(zhì)為零流量下，第一渡越時(shí)間534可用來(lái)計(jì)算所測(cè)流體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和/或比熱。這可以通過(guò)提供一個(gè)聯(lián)系第一渡越時(shí)間和流體性質(zhì)關(guān)系的校準(zhǔn)信息來(lái)完成。當(dāng)確定所測(cè)流體的熱擴(kuò)散率時(shí)，為了增加傳感器的振蕩頻率，使用控制信號(hào)507可以減少由移相器506引進(jìn)的相位延遲。
由移相器506提供的相移通過(guò)接口507提供給處理器536。通過(guò)知道由反相放大器504引進(jìn)的相移(在所示例子中為180度)和由移相器506引進(jìn)的相移，加熱元件500和第一傳感器元件502之間的相移可由處理器536確定。同樣，輸出信號(hào)BOUT532(見(jiàn)圖11)也可提供給處理器536，傳感器的振蕩頻率可由處理器確定。使用在加熱器元件500和第一傳感器元件502之間的相移、振蕩頻率，處理器536可以確定加熱元件500和傳感器元件502之間的延遲。最后，由高頻計(jì)時(shí)器526提供的加熱器元件500和第二傳感器元件520之間的延遲通過(guò)接口534提供給處理器536。
為了提供從第一傳感器元件502到第二傳感器元件520的第一渡越時(shí)間，處理器536最好用加熱元件500和第二傳感器元件520之間的第二延遲減去加熱器元件500和第一傳感器元件502之間的第一延遲。使用第一渡越時(shí)間和所測(cè)流體的熱導(dǎo)率和/或熱擴(kuò)散率的關(guān)系(如上所述)可以確定熱導(dǎo)率和/或熱擴(kuò)散率。正如在US專利申請(qǐng)系列號(hào)No.09/001,530，1997年12月31日歸檔，題為“測(cè)量熱導(dǎo)率和比熱的時(shí)間延遲方法”全面描述的，熱擴(kuò)散率Dt用下式確定Dt＝d2/4Δz(6)這里d是第一傳感器元件和第二傳感器元件之間的距離ΔZ是第一渡越時(shí)間公式(6)假定由傳感器提供的振蕩頻率足夠高以引起在第二傳感器元件上瞬時(shí)升高的溫度擾動(dòng)。
在流量條件下，通過(guò)導(dǎo)出第一渡越時(shí)間和流體速度之間的關(guān)系可以用第一渡越時(shí)間計(jì)算所測(cè)流體的速度。這最好使用先前產(chǎn)生的校正信息，然后處理器536使用這些信息以給出流體的速度。
在第一傳感器元件502和第三傳感器元件528之間的第二渡越時(shí)間按同樣的方法確定。也就是說(shuō)，在加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第三傳感器元件528之間使用高頻計(jì)時(shí)器550來(lái)確定第三延遲。在第一傳感器元件520和第三傳感器元件528之間的第二渡越時(shí)間最好由加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第三傳感器元件528之間第三延遲減去加熱器輸入信號(hào)(或加熱器的溫度響應(yīng))和第一傳感器元件502之間的第一延遲來(lái)確定。
第二渡越時(shí)間的計(jì)算詳細(xì)地表示在圖14中。加熱器元件(RA)500在流體中引進(jìn)一個(gè)溫度擾動(dòng)，用530表示。第一傳感器元件(RB)502在第一延遲時(shí)間532后自動(dòng)檢測(cè)出溫度擾動(dòng)，第三傳感器元件(RD)528在第三延遲時(shí)間541后自動(dòng)檢測(cè)出溫度擾動(dòng)。在第一傳感器元件(RB)502和第三傳感器元件(RC)528之間的第二渡越時(shí)間545由第三延遲541減去第一延遲532來(lái)確定。所測(cè)流體的速度(相對(duì)獨(dú)立的流體性質(zhì))使用第一渡越時(shí)間536和第二渡越時(shí)間545按下列關(guān)系確定。
V＝{(d12/Δz1-d22/Δz2)/(Δz1-Δz2)}(7)其中d1＝第一傳感器元件和第二傳感器元件之間的距離；d2＝第二傳感器裝置和第三傳感器元件之間的距離；這里1/2d11/211/2d21/2；Z1＝從第一傳感器元件到第二傳感器元件的第一渡越時(shí)間；Z2＝從第一傳感器到第三傳感器元件傳播的第二渡越時(shí)間；進(jìn)一步討論和公式(7)的推導(dǎo)可查閱共同未決的US專利申請(qǐng)No.09/002,157 1997年12月31日歸檔，題為“測(cè)量流體速度的時(shí)間延遲方法”，已通過(guò)參考文獻(xiàn)結(jié)合到本文中。
圖15是第一自振蕩傳感器裝置原理圖。該裝置僅用單個(gè)傳感器元件即一個(gè)加熱器元件確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率。正如在US專利申請(qǐng)系列號(hào)No.09/002156，題為“使用單個(gè)加熱器元件測(cè)量流體某些特性的方法”中進(jìn)一步討論的，熱耦合到所測(cè)流體的一個(gè)加熱器元件在加熱器元件的功率輸入信號(hào)和加熱元件相應(yīng)的溫度響應(yīng)之間有典型的非零加熱器時(shí)間延遲。至少在微電橋結(jié)構(gòu)中，加熱器時(shí)間延遲典型由所測(cè)流體的熱導(dǎo)率K控制。因此所測(cè)流體的熱導(dǎo)率K可由單個(gè)的加熱器元件的相位或時(shí)間延遲得到。
使用類似圖9的回路測(cè)量加熱器元件的相位延遲，這里僅用單個(gè)的加熱器元件600。加熱器元件600與所測(cè)流體或氣體介質(zhì)緊密耦合。在圖15所示的實(shí)施方案中，加熱器元件600置于惠斯登電橋604的一臂?；菟沟请姌?04允許功率加到加熱器元件600，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)加熱器元件600上的阻抗(進(jìn)而是溫度)的變化。
惠斯登電橋604的差分輸出提供給反相差分放大器606。反相差分放大器606使差分輸出信號(hào)產(chǎn)生180度相移。該結(jié)果提供給移相器608，它給差分輸出信號(hào)提供一個(gè)附加的相移。例如，移相器608產(chǎn)生135度的相移。于是，在圖示的實(shí)施方案中，反相放大器606和移相器608使差分輸出信號(hào)產(chǎn)生315度的相移。
偏移的差分輸出信號(hào)供給自動(dòng)增益控制回路中的放大器610。放大器610輸出供給加熱器激勵(lì)放大器612，該放大器通過(guò)惠斯登電橋604把加熱器輸入信號(hào)加到加熱器元件600。齊納二極管614把DC偏置加到加熱器輸入信號(hào)以消除如果AC電壓允許過(guò)零伏時(shí)可能出現(xiàn)的任何頻率倍增現(xiàn)象。
倒相放大器606、移相器608和放大器610構(gòu)成了從惠斯登電橋604的差分輸出到加熱器激勵(lì)放大器612的一個(gè)反饋回路。當(dāng)回路的總相移是360度時(shí)，回路發(fā)生振蕩且增益大于或等于1。在圖示的實(shí)施方案中，當(dāng)頻率使加到惠斯登電橋604的功率信號(hào)和加熱器元件600的阻抗(溫度)響應(yīng)之間產(chǎn)生45度相移(360-180-135＝45)時(shí)，這個(gè)條件得以滿足。也就是說(shuō)，該回路將振蕩在與加熱器元件600的固有相位相關(guān)的一個(gè)頻率下。
為了確定熱導(dǎo)率，加熱器元件600最好置于實(shí)質(zhì)為零流量的流體中。處理器626通過(guò)接口624可以接收回路的振蕩頻率并且計(jì)算與加熱器元件600的固有相位延遲相關(guān)的時(shí)間延遲。使用下式根據(jù)時(shí)間延遲，可以確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率。
k＝(-2πfcpvt/tan(γ)-h3)L1(8)這里，f＝振蕩頻率，Cpv＝加熱器膜和支撐膜結(jié)合體的單位體積比熱，
t＝加熱器膜的厚度，h-3＝到基底的導(dǎo)熱傳輸系數(shù)，L1＝從加熱器到流體面熱傳導(dǎo)的特征長(zhǎng)度，γ＝輸入功率信號(hào)和加熱器預(yù)定的阻抗變化之間的相位延遲(γ＝ΔZ·2πf)，ΔZ＝輸入功率信號(hào)和加熱器預(yù)定阻抗變化之間的時(shí)間延遲。
公式8的推導(dǎo)可查閱US專利申請(qǐng)，系列號(hào)No.09/992156，1997年12月31日歸檔，題為“使用單個(gè)加熱器元件測(cè)量流體的某些特性的方法和裝置”，它通過(guò)參考文獻(xiàn)結(jié)合到本文中。
表示回路的振蕩頻率(或相應(yīng)的時(shí)間延遲)和流體熱導(dǎo)率的關(guān)系校準(zhǔn)信息也可以儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器620。處理器626通過(guò)接口624接收振蕩頻率并使用存儲(chǔ)器620儲(chǔ)存的以前產(chǎn)生的校準(zhǔn)信息確定所測(cè)流體的熱導(dǎo)率K。
圖16顯示另一個(gè)僅有一個(gè)加熱器元件668的自振蕩傳感器裝置。在這個(gè)實(shí)施方案中，加熱激勵(lì)放大器612提供的功率輸入信號(hào)不通過(guò)惠斯登電橋直接加到加熱器元件668上。放大器670自動(dòng)檢測(cè)和放大通過(guò)加熱器元件668的電流并給移相器608提供相應(yīng)的一個(gè)電壓。因此，這個(gè)實(shí)施方案取消了圖15中的惠斯登電橋。相對(duì)圖15的實(shí)施方案，減少了電器元件的數(shù)目，同時(shí)還提供了振蕩在與所測(cè)流體熱導(dǎo)率相關(guān)頻率的一個(gè)回路。
至此為止，已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易地理解，本文也可以應(yīng)用到隸屬于本發(fā)明范圍的其它實(shí)施方案中。
權(quán)利要求
1.確定所測(cè)流體的選定特性的設(shè)備包括加熱器單元(400)，與所測(cè)流體進(jìn)行熱交換，并具有隨溫度變化的阻抗；加熱器激勵(lì)單元(412)，同所述加熱器單元(400)連接，用于激勵(lì)所述加熱器單元(400)；至少兩個(gè)傳感器單元(402)，用于同所測(cè)流體進(jìn)行熱交換，至少兩個(gè)傳感器單元(402)的每一個(gè)距所述加熱器單元(400)有不同距離，并都有隨溫度改變的阻抗；第一反饋單元(406，422，411)，耦合到至少兩個(gè)傳感器單元中的第一個(gè)和所述加熱器激勵(lì)單元(412)，所述第一傳感器單元阻抗在改變一個(gè)預(yù)定數(shù)值后的一個(gè)預(yù)定時(shí)間，所述加熱器激勵(lì)單元(412)激勵(lì)所述加熱器單元(400)；所述加熱器激勵(lì)單元(412)、加熱器單元(400)、第一傳感器單元和第一反饋單元形成了一個(gè)閉環(huán)，該環(huán)振蕩在與所述加熱器單元(400)的激勵(lì)和第一傳感器單元(402)的阻抗變化之間的第一時(shí)間延遲相關(guān)的第一頻率下；第二反饋單元，耦合到至少兩個(gè)傳感器單元中的第二個(gè)和所述加熱器激勵(lì)單元(412)，用于在所述第二傳感器單元阻抗在改變一個(gè)預(yù)定數(shù)值后的一個(gè)預(yù)定時(shí)間，使所述加熱器激勵(lì)單元(412)激勵(lì)所述加熱器單元(400)；所述加熱器激勵(lì)單元(412)、加熱器單元(400)、第二傳感器單元和第二反饋單元形成了一個(gè)閉環(huán)，該環(huán)振蕩在與所述加熱器單元(400)的激勵(lì)和所述第二傳感器單元的阻抗變化之間的第二時(shí)間延遲相關(guān)的第二頻率下；拍頻單元，用于確定第一和第二振蕩頻率的拍頻；決定單元(426)，從拍頻確定所測(cè)流體的選定特性。
2.確定所測(cè)流體的選定特性的設(shè)備包括第一加熱器單元(400)，與所測(cè)流體進(jìn)行熱交換并具有隨溫度變化的阻抗；第一加熱器激勵(lì)單元(412)，連接到所述第一加熱器單元(400)用于激勵(lì)所述第一加熱器單元(400)；第二加熱器單元，與所測(cè)流體進(jìn)行熱交換并具有隨溫度變化的阻抗；第二加熱器激勵(lì)單元，連接到所述第二加熱器單元用于激勵(lì)所述第二加熱器單元；至少兩個(gè)傳感器單元，用于同所測(cè)流體進(jìn)行熱交換，至少兩個(gè)傳感器單元的每一個(gè)距所述第一和第二加熱器單元相應(yīng)的那個(gè)有不同距離，都有隨溫度改變的阻抗；第一反饋單元(406，408，411)，耦合到至少兩個(gè)傳感器單元中的第一個(gè)(402)和所述第一加熱器激勵(lì)單元(412)，所述第一傳感器單元(402)的阻抗在改變一個(gè)預(yù)定數(shù)值后的一個(gè)預(yù)定時(shí)間，所述第一加熱器激勵(lì)單元(412)激勵(lì)所述第一加熱器單元(400)；所述第一加熱器激勵(lì)單元(412)、第一加熱器單元(400)、第一傳感器單元(402)和第一反饋單元(406，408，411)形成了一個(gè)閉環(huán)，該環(huán)振蕩在與所述第一加熱器單元(400)的激勵(lì)和所述第一傳感器單元(402)的阻抗變化之間的第一時(shí)間延遲相關(guān)的第一頻率下；第二反饋單元，耦合到至少兩個(gè)傳感器單元中的第二個(gè)和第二加熱器激勵(lì)單元，用于在第二傳感器單元的阻抗在改變一個(gè)預(yù)定數(shù)值后的一個(gè)預(yù)定時(shí)間，使第二加熱器激勵(lì)單元激勵(lì)第二加熱器單元；所述第二加熱器激勵(lì)單元、第二加熱器單元、第二傳感器單元和第二反饋單元形成了一個(gè)閉環(huán)，該環(huán)振蕩在與第二加熱器單元的激勵(lì)和第二傳感器單元的阻抗變化之間第二時(shí)間延遲相關(guān)的第二頻率下；拍頻單元，用于確定第一和第二振蕩頻率的拍頻；決定單元(426)，用拍頻確定所測(cè)流體的選定特性。
全文摘要
利用自振蕩流體傳感器確定所述流體性質(zhì)的方法和設(shè)備。在優(yōu)選實(shí)施例中，提供一傳感器，使其工作在與流經(jīng)流體的溫度擾動(dòng)的渡越時(shí)間有關(guān)的頻率處。基于該渡越時(shí)間，可以確定流體的所選流體性質(zhì)。
文檔編號(hào)G01F1/692GK1611933SQ200410095659
公開日2005年5月4日 申請(qǐng)日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月31日
發(fā)明者D·庫(kù)比西爾克, B·烏爾利希 申請(qǐng)人:霍尼韋爾有限公司