專利名稱：超低壓力降流動(dòng)感測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及感測裝置和方法。實(shí)施例同樣關(guān)于流體速度測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
許多生產(chǎn)過程和裝置是利用流動(dòng)的流體。一些實(shí)例如利用流動(dòng)的空氣的加熱和通 風(fēng)系統(tǒng)，及依靠各種氣體的使用和流動(dòng)的生產(chǎn)過程。一般來說，對(duì)于這些生產(chǎn)過程和/或裝 置，流體流速的準(zhǔn)確測量是很重要的。相應(yīng)地，各種測量流體流速的技術(shù)得到發(fā)展。發(fā)現(xiàn)流動(dòng)感測器特殊用途的一個(gè)領(lǐng)域是用于醫(yī)用呼吸設(shè)備。醫(yī)用呼吸設(shè)備長期用 于出于病人的自愿給不能正常呼吸的病人提供充足的氧氣。這類裝置通常由以液體形態(tài)通 過液體導(dǎo)管連接到病人的壓縮的空氣或富氧空氣源組成。病人在各種健康狀況下使用呼吸設(shè)備。呼吸設(shè)備的一個(gè)主要應(yīng)用是緩解由于梗阻 性睡眠呼吸暫停導(dǎo)致的呼吸問題，因?yàn)椴∪丝梢允芤嬗谔峁┙o他們的供氧通道中的正空氣 壓力。便捷式家用呼吸設(shè)備可以提供一個(gè)連續(xù)的壓力或調(diào)節(jié)過的壓力來幫助病人在睡眠時(shí) 打開呼吸通道。其他病人具有阻礙自主呼吸的生理缺陷并需要入侵式呼吸。入侵式呼吸支 持通常需要病人做了氣管切開術(shù)或?qū)夤軆?nèi)管放置在病人的氣管內(nèi)。這種的處理通常發(fā)生 在醫(yī)院，并在進(jìn)行緊急狀況或快速手術(shù)復(fù)原的狀況下執(zhí)行。醫(yī)用呼吸設(shè)備的生產(chǎn)者需要一個(gè)微小的壓降來保證有效的增壓操作。為了控制呼 吸設(shè)備中流體的流動(dòng)，可以采用產(chǎn)品如霍尼韋爾流動(dòng)通道外殼AWM720。AWM720裝置的實(shí)例 在美國專利No. 6655207中公開，名稱為“流速模塊和集成限流器”，于2003年12月2日授 予Speldrich等人，并轉(zhuǎn)讓給霍尼韋爾國際公司。在這里整體參考了美國專利號(hào)為6655207 的技術(shù)內(nèi)容。在美國專利No. 6655207中公開的裝置主要是關(guān)于一種流動(dòng)感測器，該感測器 有一個(gè)限流器，該限流器產(chǎn)生平行于具有感測器元件和與感測器元件對(duì)準(zhǔn)的流體通道的基 底的一個(gè)微小的壓降。該感測器元件感測流體的至少一個(gè)特性。通過感測區(qū)域的流體通 道是精確和準(zhǔn)確地排列的，以確?？煽啃?、低成本和在多種流動(dòng)感測器中保持一致性。這種類型的技術(shù)，當(dāng)在醫(yī)療呼吸設(shè)備中應(yīng)用時(shí)，通常平行于旁路通道使用低壓降 限流器來驅(qū)動(dòng)主通道中的一部分流體經(jīng)過主氣流感測器。這種技術(shù)測量主通道中的高流 速，并且可以通過流體的密度推算出體積流速。雖然在H20的范圍2內(nèi)只有微小的壓降施 加到系統(tǒng)上，但這在醫(yī)療呼吸設(shè)備中是不希望得到的。為了滿足在醫(yī)療呼吸設(shè)備應(yīng)用中的流動(dòng)感測器的需要，相信要對(duì)流動(dòng)感測器實(shí)施 改進(jìn)。相信在本發(fā)明中所公開的改進(jìn)的流體速度感測器可以滿足這些和其他類型的進(jìn)一步需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供以下概述，有利于對(duì)本發(fā)明獨(dú)特的一些創(chuàng)新特征的理解，但不是用于 全部說明。通過將整個(gè)說明書、權(quán)利要求書、附圖和摘要作為整體，可以得到對(duì)實(shí)施例各個(gè) 方面的全面理解。因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供改進(jìn)的感測器。本發(fā)明的另一方面是提供具有低壓降的流體速度感測器。本發(fā)明的另一方面是提供一種具有低壓降的雙向流體速度感測器及其方法?，F(xiàn)在如這里所描述的，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的前述方面和其他目的及優(yōu)點(diǎn)。公開了一 種流體速度感測器和方法，根據(jù)其中一個(gè)實(shí)施例，其包括感測器模片用于檢測流體流過由 流動(dòng)通道壁限制的低阻力通道時(shí)的流體特性。至少一個(gè)分接頭(tap)安置在面向流體流動(dòng) 通過一個(gè)由流動(dòng)通道壁限制的流動(dòng)通道的方向上，其中分接頭通向低阻力通道，其引導(dǎo)流 體流向感測器模片。至少有另一分接頭安置在面向垂直于流體流動(dòng)的方向上，這樣流體在 流經(jīng)感測器模片后可以繼續(xù)在低阻力通道中流動(dòng)到達(dá)其他面向垂直于流體方向的分接頭， 以便基于這些分接頭確定的壓力差檢測出速度壓力。依據(jù)另一可選的實(shí)施例，流動(dòng)通道中安置了流動(dòng)整直器，其中該流動(dòng)整直器促進(jìn) 了流體在管道內(nèi)雙向的流動(dòng)。該流動(dòng)整直器可以利用狹窄的、拉長伸出的形狀而作為一種 限流器，以阻擋產(chǎn)生不穩(wěn)定壓力的流動(dòng)渦流。在某一方向感測流體速度可以通過定位上游分接頭和下游分接頭來完成，該上游 分接頭朝向氣體流動(dòng)的方向，并且該下游分接頭垂直朝向氣體流動(dòng)方向。該上游分接頭感 測氣體的停滯壓力(即，氣體要停止時(shí)的沖擊力)，并且該下游分接頭感測管道內(nèi)各個(gè)方向 上都存在的靜止壓力。壓力之間的差就是速度壓力，該速度壓力驅(qū)動(dòng)流體通過旁路通道到 達(dá)流體感測器。例如皮托管就是基于這種現(xiàn)象。過去，雖然皮托管產(chǎn)生這樣很小的壓降， 但是傳統(tǒng)上與傾斜的壓力計(jì)一同使用，該壓力計(jì)不能很容易地與電子電路結(jié)合實(shí)現(xiàn)高效測 量。使用流動(dòng)感測器或超低壓感測器，該速度壓力可以用電子儀器感測出來。另外，該檢測 速度壓力的技術(shù)消除了添加壓力降到系統(tǒng)從而測量流動(dòng)的需要。該流體速度感測器也可以通過利用一個(gè)或多個(gè)面向被測流體流動(dòng)方向的分接頭 而設(shè)置成感測雙向流體的感測器。這些分接頭通向低阻力流動(dòng)通道，該通道引導(dǎo)流體流向 流體感測器。該通道被設(shè)計(jì)成可以控制和層化流體。通過流體感測器后，該通道繼續(xù)在低 阻力通道上延伸，直到到達(dá)排放分接頭或多個(gè)面向與流體方向相反的分接頭?？蛇x擇的，這 些分接頭也可以被引導(dǎo)到一個(gè)一端封閉的管道，從而通過差動(dòng)型低壓感測器測量。在這種 結(jié)構(gòu)中分接頭的定向產(chǎn)生了停滯壓力和拉力之間的差，其與流體速度有關(guān)。通過使用這種感測器來測量管道中流體的速度，管道中的體積流速可以被推斷出來。


在附圖中，相同的參考標(biāo)記在所有單獨(dú)的視圖中表示相同或功能類似的部件，并 且附圖被結(jié)合及形成說明書的一部分，該附圖進(jìn)一步說明實(shí)施例且連同本發(fā)明的詳細(xì)說明 一起用于解釋這里所公開的實(shí)施例。圖1說明依據(jù)優(yōu)選實(shí)施例實(shí)施的流體速度感測器裝置的框圖；圖2說明依據(jù)可選的優(yōu)選實(shí)施例實(shí)施的流體速度感測器裝置的剖視圖3說明依據(jù)可選的優(yōu)選實(shí)施例的附圖2中的流體速度感測器裝置的透視圖；圖4說明依據(jù)可選實(shí)施例的具有流動(dòng)整直器的流體速度感測器裝置的透視圖；圖5說明依據(jù)可選實(shí)施例的附圖4中的流體速度感測器裝置的剖視圖；圖6-7分別說明了依據(jù)可選實(shí)施例實(shí)施的流體速度感測器裝置的剖視圖和透視 圖。
具體實(shí)施例方式在這些非限制性例子中說明的具體值和結(jié)構(gòu)可被改變且僅僅是例證性的，以說明 本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例，并且不是用于限制本發(fā)明的范圍。附圖1說明流體按照由箭頭102指示的方向流經(jīng)流動(dòng)通道105的流體速度感測器 裝置100。注意到這里使用的術(shù)語“流體”可以指一種液體或一種氣體。流體通道105由通 道壁103限制。一個(gè)或多個(gè)上游分接頭104、106、108、110、112、114和116被安置在流體通 道105的上游，來面向流體(如氣體)的方向。這些分接頭104、106、108、110、112、114和 116可以被利用作為入口，其面向箭頭102所指示的流體流動(dòng)的方向。這里使用的術(shù)語“分 接頭”是指一個(gè)允許液體或氣體流動(dòng)的小開口。裝置100另外還包括一個(gè)或多個(gè)下游分接頭118、120、122、124、126,128和130，其 垂直面向流體流動(dòng)的方向。該些下游分接頭118、120、122、IM、口6、1 和130可以作為排 放分接頭。該些下游分接頭118、120、122、124、126、128和130垂直面向流體流動(dòng)的方向。 該些上游分接頭104、106、108、110、112，114和116可以感測流體的停滯壓力(即流體要停 止時(shí)的沖擊力)，和該些下游分接頭118、120、122、124、126、128和130可以感測施加在通道105各個(gè)方向上的靜止壓力。停滯壓力和靜止壓力的差構(gòu)成了速度壓力，該速度壓 力驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)通過支路142到達(dá)感測器模片144，其可以由例如MEMS型氣流感測器實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)然，要注意的是這種感測器裝置可以使用其他類型的感測器設(shè)計(jì)，而不僅僅限于MEMS型 結(jié)構(gòu)。要注意的是這里使用的英文縮寫“MEMS”通常是指術(shù)語“微電子機(jī)械系統(tǒng)”。MEMS 裝置是指微米尺寸的機(jī)械元件并包括各種幾何結(jié)構(gòu)的3D平板特征。它們通常在制造時(shí)使 用平面處理，類似于半導(dǎo)體工藝過程中如表面顯微機(jī)械加工和/或體積顯微機(jī)械加工。這 些裝置的尺寸范圍通常從一微米(百萬分之一米)到一毫米(千分之一米)。在這些尺寸范 圍內(nèi)，通常不適用于人的肉眼分辨能力。由于相對(duì)于體積比例，MEMS的表面區(qū)域很大，表面 影響如靜電和潮濕都決定著體積的影響程度，如慣性或熱質(zhì)量。MEMS裝置可以使用改進(jìn)的 硅制造技術(shù)(常用于制造電子元件)，成型和電鍍，濕蝕(ΚΟΗ,ΤΜΑΗ)和干蝕(RIE和DRIE)， 電鍍放電處理(EDM)，和其他可以加工非常小的尺寸的裝置的技術(shù)制作。MEMS有時(shí)被稱為 微型機(jī)械，微型裝置或微系統(tǒng)技術(shù)(MST)。因此裝置100的設(shè)計(jì)需要一個(gè)或多個(gè)分接頭104、106、108、110、112、114和116，這 些分接頭面向被測流體流動(dòng)的方向。該些分接頭104、106、108、110、112、114和116通向一 個(gè)或多個(gè)低阻力通道107、109，該些通道可以引導(dǎo)流體流向感測器模片144(如MEMS感測 器)。該感測器模片144和通道142安置在箱體140的旁邊，箱體140被外殼137區(qū)域保 護(hù)，依次外殼區(qū)域137位于外殼139內(nèi)。低阻力通道107、109可以被設(shè)計(jì)用來控制和層化流體。注意到流體通道142的流
5入方向由箭頭136指示，而通道142的流出方向由箭頭138指示。因此，箭頭136和138指 示了流體從通道107流入通道142，然后流入通道109。在經(jīng)過了感測器模片144之后，流體 繼續(xù)在低阻力通道中流動(dòng)到達(dá)一個(gè)或多個(gè)排放分接頭118、120、122、124、126、128和130， 這些分接頭垂直面向流體流動(dòng)的方向?？蛇x擇地，分接頭118、120、122、124、126、1 和130 可被引導(dǎo)到一端封閉的管道(未在圖1示出)，該管道被差分MEMS型低壓感測器測量(也 未在圖1示出)。因而裝置100排除了通過限流器增加壓降來測量流體流動(dòng)的需要。圖2示出了依據(jù)可選的優(yōu)選實(shí)施例實(shí)施的流體速度感測器裝置200的剖視圖。如 前所述，附圖1中的裝置100可以排除了通過限流器增加壓降來測量流體流動(dòng)的需要。但 是裝置100的結(jié)構(gòu)只是允許一個(gè)方向上的流動(dòng)測量。裝置200提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與 裝置100的結(jié)構(gòu)相似，但是允許雙向的流體流動(dòng)。裝置200通常包括一個(gè)或多個(gè)入口或上 游分接頭204、206、208、210和212和一個(gè)或多個(gè)出口或下游分接頭218、220、2對(duì)、2洸和 228。還提供了 一種流動(dòng)通道205，該通道引導(dǎo)流體通過通道205接觸流動(dòng)感測器 如一個(gè)MEMS流動(dòng)感測器)，該感測器與在附圖1中描述的感測器模片144類似。流動(dòng)
通道205可以被用作為一個(gè)低阻力通道。上游分接頭204、206、208、210和212位于外殼201 中，并且被排列成面向流體(即氣體或液體)流動(dòng)的方向。外殼201通常向上延伸并且與 階梯狀的平臺(tái)209垂直，該平臺(tái)用于容納容器201。分接頭204、206、208、210和212通向低 阻流動(dòng)通道205，該通道可以控制一個(gè)直接通向流動(dòng)感測器244的旁道流。在流經(jīng)流動(dòng)感測 器244后，流體的旁道流繼續(xù)在低阻力通道中流動(dòng)，并從分接頭218、220、224、226和2 中 排出，這些分接頭相對(duì)于流體流動(dòng)的方向安置。在附圖2中指示的腔體304位于孔口或分 接頭204、206、208、210和212與孔口或分接頭218、220、224、226和228之間。注意到該腔 體304可以被設(shè)計(jì)成用作注模部分。按照設(shè)計(jì)上的要求，該腔體或空隙304可以在構(gòu)成內(nèi) 部流動(dòng)通道的成型過程中起到作用。因而腔體304不能被認(rèn)為是實(shí)施例的一個(gè)關(guān)鍵部分。附圖3示出了依據(jù)可選的優(yōu)選實(shí)施例的附圖2所示的流體速度感測器裝置200的 透視圖。注意到在附圖2-3中，同樣或類似的部分或元件通常由同樣的附圖標(biāo)記表示。因 此，輸入孔口 204、206、208、210和212也在附圖3中標(biāo)示。箭頭302指示流體流向和流入輸 入孔口 204、206、208、210和212的大體方向。腔體304也在附圖4中標(biāo)示。雖然孔口 218、 220,224,226和2 不能清楚地在附圖3中觀察，這是由于附圖3用透視圖表示，但是附圖 3標(biāo)示了孔口 218,220,224,226和228的大體位置306。附圖4示出了依據(jù)可選實(shí)施例的具確流動(dòng)整直器402、404的流體速度感測器裝置 400的透視圖。注意到在附圖2-5中，同樣或類以的部分或元件通常由同樣的附圖標(biāo)記表 示。在附圖4中描述的裝置400類似于前面描述的裝置200，裝置400另加了流動(dòng)整直器 402和404。如前所述，輸入孔口或分接頭204、206、208、210和212面向由箭頭302所示的 流體流動(dòng)的方向，而分接頭218、220、2對(duì)、2沈和2 面向與流體流動(dòng)方向相反的方向。因 此裝置400描述了前述裝置200的一可選形式。附圖5示出了依據(jù)可選實(shí)施例的附圖4所示的流體速度感測器裝置400的剖視 圖。如圖5所示，流動(dòng)感測器244主要位于外殼201中。流動(dòng)整直器402位于與分接頭204、 206,208,210和212鄰近的位置，而流動(dòng)整直器404位于與分接頭218、220、2對(duì)、2洸和2 鄰近的位置。注意到在附圖1-5中不僅主要表述了裝置100、200、400，還表述了構(gòu)建這些裝置的通用方法。注意在附圖2-5中主要描述了一種雙向感測器，其利用面向流體流動(dòng)相反 方向的下游分接頭實(shí)現(xiàn)。附圖6-7分別主要描述了依據(jù)可選實(shí)施例實(shí)施的流體速度感測器裝置600的剖視 圖和透視圖。注意到類似于在附圖1中描述的裝置100的結(jié)構(gòu)，附圖6-7描述了一個(gè)單向感 測器結(jié)構(gòu)，不同于在附圖2-5中描述的雙向感測器裝置的結(jié)構(gòu)。因此在附圖6-7中描述的 結(jié)構(gòu)表述了另一種方法和域單向結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。附圖6-7中的一些特征與在附圖2-5中 表示的特征類似。例如，在附圖6-7中描述的除感測器或感測器元件244之外的平臺(tái)209。 裝置600包括多個(gè)孔口或分接頭604、606、608、610和612和多個(gè)排出孔口或分接頭618、 620,624,626和628。附圖6_7中也描述了除腔體304之外的旁道或流經(jīng)區(qū)域606，另外，這 里的腔體304與前述描述的腔體304類似。除了裝置600以多管型裝配形式安置，在附圖 6-7中描述的感測器結(jié)構(gòu)與在附圖1中描述的結(jié)構(gòu)類似。這樣雖然裝置100與裝置600之 間的區(qū)別是微小的，但是對(duì)每一種類型的感測器如何運(yùn)行是重要的。值得注意的是，上述公開的內(nèi)容和其他特性和功能及其替代的改變，可以根據(jù)需 要結(jié)合許多其他不同的系統(tǒng)或應(yīng)用。并且各種目前無法預(yù)測的或不曾預(yù)測到的替換、變型、 改變或改進(jìn)可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)，其也由附加的權(quán)利要求覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測經(jīng)過流體通路的流體流動(dòng)的流體速度感測器，包括 延伸到流體通路中的殼體，該殼體限定內(nèi)部流動(dòng)通道；暴露于所述殼體的所述內(nèi)部流動(dòng)通道的MEMS流動(dòng)感測器，該MEMS流動(dòng)感測器被構(gòu)造 成檢測流經(jīng)殼體的所述內(nèi)部流動(dòng)通道的流體的流率；以及形成于所述殼體中并且暴露于流經(jīng)流體通路的流體的至少一個(gè)上游分接頭，其中所述 至少一個(gè)上游分接頭通向所述殼體中的所述內(nèi)部流動(dòng)通道，該內(nèi)部流動(dòng)通道將所述流體的 流動(dòng)引導(dǎo)到所述MEMS流動(dòng)感測器，使得所述流體在經(jīng)過所述MEMS流動(dòng)感測器之后繼續(xù)在 低阻力路徑上流動(dòng)到達(dá)至少一個(gè)下游分接頭，所述至少一個(gè)下游分接頭在一個(gè)或多個(gè)所述 上游分接頭的下游形成于所述殼體中并且暴露于流經(jīng)流體通路的流體。
2.如權(quán)利要求1所述的流體速度感測器，還包括與所述殼體相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)流動(dòng)整
3.如權(quán)利要求2所述的流體速度感測器，其中所述至少一個(gè)流動(dòng)整直器包括由狹窄 的、伸長的突起構(gòu)成的形狀，其有助于阻止引起壓力不穩(wěn)定的流動(dòng)漩渦。
4.一種用于檢測經(jīng)過由流動(dòng)通道壁限定的流動(dòng)通道的流體流動(dòng)的流體流動(dòng)感測器，包括從流動(dòng)通道壁延伸并且進(jìn)入到流動(dòng)通道中的殼體，該殼體限定內(nèi)部流動(dòng)通道； 暴露于所述殼體的所述內(nèi)部流動(dòng)通道的MEMS流動(dòng)感測器，該MEMS流動(dòng)感測器被構(gòu)造 成檢測流經(jīng)殼體的所述內(nèi)部流動(dòng)通道的流體的流率；以及形成于所述殼體中并且暴露于流經(jīng)流動(dòng)通道的流體的至少一個(gè)上游分接頭，其中所述 至少一個(gè)上游分接頭通向所述殼體中的所述內(nèi)部流動(dòng)通道，該內(nèi)部流動(dòng)通道將所述流體的 流動(dòng)引導(dǎo)到所述MEMS流動(dòng)感測器，使得所述流體在經(jīng)過所述MEMS流動(dòng)感測器之后繼續(xù)在 低阻力路徑上流動(dòng)到達(dá)至少一個(gè)下游分接頭，所述至少一個(gè)下游分接頭在一個(gè)或多個(gè)所述 上游分接頭的下游形成于所述殼體中并且暴露于流經(jīng)流體通路的流體。
5.一種用于感測經(jīng)過流體通路的流體流動(dòng)的方法，包括 使至少一個(gè)上游分接頭暴露于流經(jīng)流體通路的流體；使至少一個(gè)下游分接頭暴露于流經(jīng)流體通路的流體，其中所述至少一個(gè)下游分接頭在 所述至少一個(gè)上游分接頭的下游；將流體的流動(dòng)從所述至少一個(gè)上游分接頭引導(dǎo)到內(nèi)部流動(dòng)通道，該內(nèi)部流動(dòng)通道將所 述流體的流動(dòng)引導(dǎo)到MEMS流動(dòng)感測器，使得所述流體在經(jīng)過所述MEMS流動(dòng)感測器之后繼 續(xù)在低阻力路徑上流動(dòng)到達(dá)所述至少一個(gè)下游分接頭；以及使用MEMS流動(dòng)感測器測量經(jīng)過內(nèi)部流動(dòng)通道的流體的流動(dòng)，其中經(jīng)過內(nèi)部流動(dòng)通道 的流體的流動(dòng)與經(jīng)過流體通路的流體流動(dòng)相關(guān)。
全文摘要
一種流體速度感測器包括用于檢測流體流經(jīng)由流動(dòng)通道壁限制的低阻流動(dòng)通道時(shí)的流體特性的感測器模片。一個(gè)或多個(gè)分接頭被安置在面向流體流動(dòng)的方向，流體流經(jīng)由通道壁限制的流動(dòng)通道，其中該分接頭通向低阻力通道，該低阻力通道引導(dǎo)流體到達(dá)感測器模片。至少一個(gè)或多個(gè)其它的分接頭被安置面向垂直于流體流動(dòng)的方向，這樣在流體流經(jīng)感測器模片后可以繼續(xù)在低阻力通道中流動(dòng)直到到達(dá)其他垂直面向流體流動(dòng)方向的分接頭，以便測定基于不同壓力之間的差別的速度壓力。該流體速度感測器可以安置在單向或雙向的流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)中。
文檔編號(hào)G01F1/684GK102128657SQ201110038560
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者J·W·斯佩爾德里奇 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司