[发明专利]具有用于流体成分补偿的MEMS热式流量传感器

说明书

本发明提供了一种用于测量流体的流率而无需对该特定流体进行流量传感器校准的MEMS热式流量传感器或热式流量计。对于已知热扩散率的校准流体，通过绘制传感器输出电压对体积流率除以流体热扩散率的曲线来确定响应曲线，并将该响应曲线存储在存储器中。采用转换因子来提供未知流体的正确流率的测量。该转换因子来自校准流体的热时间常数与被测量流体的热时间常数的比率，在零流量下测量这些时间常数。这些时间常数被存储在存储器中。

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微机电系统)类型的热式质量流量计，其中，流量传感器通过微型机械加工技术被构造在硅基板上，并且采用侧面设有全部放置成与流动流体直接热接触的两个或更多个上游和下游温度检测器的中央加热器，以使得存在于上游或下游方向上的流体流在温度检测器中引起指示流体流率的不平衡。流量传感器被制造在硅晶体的表面上，并随后安装为承载流体流的流动通道的内壁的一部分，或者安装在内部跨越流动通道的膜或桥结构上。

背景技术

已知这种MEMS流量传感器具有对流动穿过该传感器的流体的诸如流体质量密度、比热、热导率、粘度等的热和机械性质且对诸如流体流入温度和压力的环境变量敏感的输出。这些相关性限制了用户对不同的流体和流体混合物操作流量传感器的能力，除非首先对所关注的每种流体执行MEMS流量传感器的昂贵且耗时的经验校准。

因此，提出一种通过在流量传感器本身内所执行的对相关流体性质的直接测量而针对不同流体成分自动校正MEMS热式流量传感器的输出的方法是期望且有用的。下文所公开的本发明教导了一种用于实现该流体成分校正的方法，使得如果首先在零流量下在流量传感器内测量表示未知流体或混合物的时间常数和热导率，那么对于已知流体校准一次的热式流量传感器就能够测量各种未知纯流体和流体混合物，而无需进一步的流量校准。

请注意，本文件中所使用的“流体”表示能够流动穿过管道并被加热或冷却的任何材料介质，例如为气体、液体、颗粒材料、悬浮液、混合物等。热式流量感测原理广义上适用于所有流体。而且，为了描述下文的具体实施方式，气体、液体、混合物等更具体的术语的使用不应在限制性意义上加以理解，而应在更广泛的意义上理解为“流体”的实例。

现有技术中存在另外两种商业相关的热式流量计。首先是大型插入式探针热式流量计，这种热式流量计通常使用在管道横截面区域上的一点处测量流量的大范围插入探针，并且通常在湍流态下进行操作。在这些设计中，热检测器不与流动流体直接接触，而是位于金属(通常是不锈钢)探针的保护壁后面，该探针从其所附接的管道壁径向向内伸出。这些仪表必须通过用户流体进行流量校准。这些仪表是主要用于流体流研究但对于工业应用而言过于脆弱的热线风速仪的直接商业演进发展。这些插入式探针热工仪表不用于相同的应用，也不用于由MEMS类型的热式流量传感器所服务的层流态。在此，将不再进一步进行讨论这些插入式探针热式流量计。然而，在两个国际流量标准中总结了它们的特性和使用准则，这两个标准中的一个来自ISO，另一个来自ASME，它们均在参考文献部分列出。

本领域已知的另一种热式流量计是毛细管热式流量计，其具有缠绕在小毛细管的外侧上的外部加热和温度电阻感测线圈，感测线圈不与流动的流体直接热接触，而是测量在管壁内表面处与流动的流体直接热接触的管壁的温度。这些流量计还具有对流体或气体成分的敏感性，但是这些流量计的气体成分相关性比MEMS热式流量计的气体成分相关性更易于理解。