專利名稱：包括電阻式溫度傳感器和加熱元件的空氣流量傳感系統(tǒng)的制作方法
包括電阻式溫度傳感器和加熱元件的空氣流量傳感系統(tǒng) 技術領域實施例基本涉及傳感裝置和部件。實施例還涉及流體流量傳感器(mass fluid flow sensor)。實施例又涉及用于檢測空氣流量(mass airflow)的電阻式溫度傳感器。
背景技術：
傳感器用于多種傳感應用，比如，例如檢測和/或量化物質的組成， 從多種物質中檢測和/或量化特定物質的存在，以及檢測和/或量化流體 (例如氣液形式的)的質量流速。工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學工業(yè)和汽車工業(yè)尤其需要多種方式來量化氣體和液體的質量流速的量。例如，在醫(yī)學 工業(yè)中，經常使用空氣流量傳感器來監(jiān)測和/或控制病人的呼吸。其中 的兩個例子包括睡眠窒息設備和儲氧器。相似地，空氣流量傳感器經 常應用在微型計算機冷卻單元中以檢測冷卻單元內部、周圍及通過冷 卻單元的局部空氣流的存在和數量。歷史上，質流傳感器由一個溫度感測電阻器"上游"和一個溫度 感測電阻器"下游"構成，其中"上游，，和"下游"通常表示質流的 方向。作為微芯片環(huán)境中質流傳感器的一個進步，"惠斯通電橋"電 路通常配置有外部，芯片之外的，電阻器。這種歷史配置可以如本發(fā) 明者描述的那樣通過實施全惠斯通電橋而得到改進，電橋的所有四個 電阻器支路均包含一個溫度感測電阻器，該配置可以形成在感測芯片 上，以允許提高靈敏度，增加對信號偏移比率的敏感度，并能夠從電 路測量，并且減小了需要施加到空氣流量傳感器上的偏壓。惠斯通電橋可以用來檢測質流。例如，在一個"全，，惠斯通電橋 配置中，所有四個腿均包含可變電阻器。在一個配置中，每個腿都采 用電阻式溫度檢測器-電阻隨溫度變化的電阻器。位于兩側之間的加 熱元件建立關于加熱元件大致均勻的熱分布。例如，當空氣從電橋的 一側通過到另一側時，熱量便從一個單元的"上游"側傳導到該單元 的"下游"側，從而將上游側冷卻而將下游側加熱。因為兩側的電阻隨溫度而變化，兩側之間得到的溫度差在兩側之間產生可測的電壓差。該電壓差和溫度差相關。因為溫度變化是空氣 質量流速的函數，所以電壓差也與該質量流速相關。然而，先前的全惠斯通電橋配置也常常會導致較低的信噪比，尤 其對于非常高或非常低的流速。低的信噪比會減小電橋測量的精度和 分辨率，并且對所研究的質量流速的量化造成困難。參考圖1，標注為"現有技術"，圖1示出了質流傳感器目前采用的用于感測空氣/液體流的電路100。該圖中顯示了一個經過加熱的加 熱元件RH104，該元件是傳感器中唯一的由動力電源103加熱的部分。 溫度感測電阻器RU1 105， RU2 106， RD1 108和RD2 107未被加熱， 但由電源102供電。例如，當空氣101在中央加熱單元中由電橋的一 側流到另一側時，熱量從一個單元的"上游"側傳導到該單元的"下 游，，側，從而將上游側冷卻而將下游側加熱。從該冷卻加熱過程得到 的低級差分輸出信號用正信號109和負信號IIO之間的電壓差表示。參考圖2，標注為"現有技術"，圖2示出了目前用于質流傳感 中感測空氣/液體流的電路200。該圖表明并不總是會采用中央加熱單 元，其中溫度感測電阻器RU1 205， RU2 206， RD1 208和RD2 207自己 加熱,并且當流體從RU1到RD1流過溫度感測電阻器205 - 208時用于 感測空氣/液體流201。溫度感測電阻器RU1 205， RU2 206， RD1 208和 RD2 207由電源202供電。低級差分輸出信號是如正輸出209和負輸 出210標注的輸出的差異。因此，所要求的是能夠對高和/或低流速提供改進靈敏度的一種系 統(tǒng)、裝置和/或方法，其中該系統(tǒng)、裝置和/或方法能夠克服先前系統(tǒng)和 /或方法的至少一些局限性。本發(fā)明將增加空氣流量傳感器的靈敏度， 增加對信號偏移比率的靈敏度，并且減少需要施加到傳感器上的偏 壓。發(fā)明內容下面所提供的概要是為了便于理解一些所公開的實施例獨有的新 穎特征，而不打算作完整描述。可以通過將整個說明書、權利要求書、 附圖和摘要作為一個整體來得到對實施例的各個不同方面的全面理因此，本發(fā)明的一個方面是提供一種改進的空氣流量傳感裝置。本發(fā)明的另一方面是提供一種具有增加的靈敏度的傳感器。 本發(fā)明的另一方面是提供一種對信號的偏移比率具有增加的靈敏 度的傳感器。本發(fā)明的又一方面是提供一種能減少需要施加到傳感器上的偏壓 的傳感器。上述方面和其他目的及優(yōu)點可以如此處的描述而實現。公開了一 種包括加熱元件的空氣流量傳感裝置，該加熱元件包括上游側和下游 側。兩個電阻式溫度傳感器放置在該加熱元件的每一側，并且假設空 氣/液體流是由該單元的上游側向下游側的方向流動。電阻器是按照惠 斯通電橋的配置而電學上設置的。在質流傳感的惠斯通電橋上施加穩(wěn) 定電壓。該穩(wěn)定電壓足夠高，使得在感測電橋上能產生自加熱效應。 位于惠斯通電橋配置內部上游電阻和下游電阻器之間的中央加熱單元也被加熱。當空氣/液體流過溫度傳感器和加熱元件時，上游(RU1和 RU2)電阻器被流入的流體流冷卻，而下游(RD1和RD2)電阻器被 流過加熱元件的流體流加熱。電阻式溫度傳感器的電阻隨溫度變化， 產生了與加到感測惠斯通電橋上的穩(wěn)定電壓和空氣/液體流流速成比例 的差分電壓信號。
隨附的附圖融入并組成了說明書的一部分，其中相近的參考數字 表示不同視圖中相同或功能相似的元件，附圖進一步闡述了實施例， 并且與具體實施方式
一起用于解釋在此公開的實施例。圖1，標注為"現有技術"，示出了一種傳感系統(tǒng)，在其內部質流 傳感器利用溫敏電阻器(temperature reactive resistor )惠斯通電橋配 置內部的加熱元件來感測空氣/液體流。圖2，標注為"現有技術"，示出了另一種傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用 于利用形成為形成在惠斯通電橋配置中的加熱的溫度感測電阻器的質 流傳感器來感測空氣/液體流。圖3示出了根據本發(fā)明特征的一種傳感系統(tǒng)，其中加熱熱感測電 阻器以惠斯通電橋配置形成，并且加熱的加熱元件作為中央元件位于 惠斯通電橋內部上游電阻器和下游電阻器之間，該系統(tǒng)能夠更準確地 感承J質流o圖4示出了根據本發(fā)明特征的系統(tǒng)模塊，所述模塊一起運作，從 已調節(jié)的質流傳感系統(tǒng)提供補償的比例式(rationetric )信號。圖5示出了描述感測空氣流的邏輯操作步驟的操作的高級流程 圖，其可以4艮據優(yōu)選實施例進^f亍實施。
具體實施方式
這些非限制例中論述的特定數值和配置是可以改變的，其引用僅 僅是為了說明至少一個實施例，而不是為了限制其范圍。圖3示出了根據優(yōu)選實施例可以實施的系統(tǒng)300，通過該系統(tǒng)加熱傳感電阻器和加熱中央元件來感測質流。所示系統(tǒng)是有益的，顯示了 如何消除與這種方法相關的問題。溫度感測電阻器RU1 304， RU2 305， RD1 308和RD2 307通過向其加電而自加熱。傳感電源302和加熱器 電源303是外部激勵源。當通過電源302加電時，自加熱提高了傳感 系統(tǒng)中的電阻器的溫度。當通過電源303加電時，中央加熱元件RH 304 也被加熱。如流301所示，當空氣/液體沿著從左到右的方向流過溫度 感測電阻器RU1 305， RU2 306， RD1 308和RD2 307以及加熱元件304 時，上游電阻器RU1 305和UR2 306被冷卻，而下游電阻器RD1308 和RD2 307被加熱。溫度感測電阻器的電阻隨溫度變化，產生了與施 加到傳感惠斯通電橋的穩(wěn)定電壓和空氣/液體流流速成比例的差分電壓 信號309。圖4示出了根據優(yōu)選實施例可以實施的系統(tǒng)400，該系統(tǒng)從穩(wěn)定的 自加熱電源提供補償的比例式信號。該圖說明了補償傳感器模塊401。 RTD (電阻-溫度檢測器)需要電流或電壓激勵以產生電輸出。穩(wěn)壓 源402施加到電阻式溫度傳感惠斯通電橋403以在測量系統(tǒng)內保持高分辨率和精度。在為傳感器選擇激勵源以及選擇現場布線方案時應當 格外小心，其中該布線方案用于將低級模擬信號309/310從電阻式溫度 傳感惠斯通電橋493傳送到A/D轉換器404。 RTD激勵和A/D轉換器 404使用相同的參考源。激勵中給定的百分比變動被轉換過程中相同百 分比變動抵消(反之亦然)。A/D轉換器404的ADC輸出碼是轉換器 輸入與其參考ADC Ref+ 405和ADC Ref- 406的比率的數字表示。因 為轉換器的輸入和其參考是從相同的激勵電源導出的，所以激勵的改 變并不會引入測量誤差。數字核407完成A/D轉換器404的輸出信號的信號補償。D/A轉換器408將信號轉換為模擬的比例式輸出413。比 例式輸出413是D/A轉換器408的輸入與其參考DAC Ref + 411和 DAC Ref- 412的比率。D/A轉換器408耦合到構成外部激勵源的共 同地線410和電源電壓409。注意在圖3-4中，相同或相似的部件和/ 或元件通常用相同的參考數字表示。因此圖3所示的參考數字309和 圖4所示的參考數字309指的是圖4中的相同部件。參考圖5，示出了根據優(yōu)選實施例能夠實施的方法的高級流程圖 500，其描述了用于感測空氣流的邏輯操作步驟。注意到，圖5所描述 的過程或方法500可以在模塊環(huán)境中實施，例如系統(tǒng)400的補償傳感 器模塊401以及如圖4所示的使用如圖3所示的加熱的熱敏電阻的惠 斯通電橋配置。可以啟動空氣流量感測，如方框501所示。如方框502 所示，提供中央加熱元件。接著如方框503所示，四個溫度感測電阻 (感測元件)設置成惠斯通電橋模式。流體沿著從左到右的方向流過 溫度感測電阻器和加熱元件，如方框504所示。溫度感測電阻器的電 阻隨溫度變化，產生了與施加到傳感惠斯通電橋上的穩(wěn)定電壓和空氣/ 液體流流速成比例的差分電壓信號，如方框505所示。如方框506所示，來自電阻式溫度傳感惠斯通電橋的低級模擬信 號在A/D轉換器轉換為數字形式。該信號的溫度補償發(fā)生在數字核， 如方框507所示。D/A轉換器將信號轉換為模擬比例式輸出，該輸出是 D/A轉換器的輸入與其參考電壓的比率，如方框508所示。然后過程中 止，如方框509所示。可以理解，上述公開的以及其它的特征和功能的變化、或者其可 選方案可以合并到許多其它不同的系統(tǒng)或應用中。而且，本領域的技 術人員可以隨后作出當前無法預料或未曾預料的各種不同的可選方 案、修改、變化或改進，這些也由下面的權利要求所包含。
權利要求
1. 一種感測流體流量的系統(tǒng)，包括按惠斯通電橋電路排列的四個自加熱的溫度感測元件，其中兩個自加熱溫度感測元件代表上游位置，兩個自加熱溫度感測元件代表下游位置；和中央加熱元件，其位于該上游位置和該下游位置之間；其中從該惠斯通電橋電路產生模擬信號。
2. 權利要求l的系統(tǒng)，進一步包括模數轉換器，用于將來自惠斯通電橋的模擬信號轉換為數字信號； 數字核，用于向由所述模數轉換器提供的數字信號提供信號補 償；和數模轉換器，用于在所述數字核進行信號補償之后將數字信號轉 換為模擬信號。
3. 權利要求l的系統(tǒng)，進一步包括至少一個穩(wěn)定的電源電壓，其 用于向中央加熱元件和感測電阻器供電。
4. 權利要求l的系統(tǒng)，其中所述中央加熱元件包括加熱電阻器。
5. 權利要求l的系統(tǒng)，其中所述感測元件是電阻式溫度傳感器。
6. 權利要求4的系統(tǒng)，其中所述兩個位于該加熱元件左側的電阻 式溫度傳感器是上游側電阻器，并且所述兩個位于該加熱元件右側的 電阻式溫度傳感器是下游側電阻器。
7. —種感測空氣流量的方法，包括 加熱該中央加熱元件； 自加熱該電阻式溫度傳感器； 產生差分電壓信號； 將差分電壓信號轉換為數字信號； 進行該信號的數字補償；以及 通過數模轉換器產生比例式輸出。
8. 權利要求7的方法，其中該中央加熱元件是加熱電阻器。
9. 權利要求7的方法，其中所述自加熱是通過加電提高電阻器的 溫度實現的。
10. 權利要求7的方法，其中所述電阻式溫度傳感器的電阻隨著 溫度變化。
全文摘要
公開了一種包括加熱元件的空氣流量傳感器，該加熱元件包括上游側和下游側。兩個電阻式溫度傳感器放置于加熱元件的每一側，并且假設空氣/液體沿著從左到右的方向流動。電阻器電學上設置成惠斯通電橋的配置。在質流感測惠斯通電橋上施加穩(wěn)定電壓。該穩(wěn)定電壓設置為足夠高，以在感測電橋上產生自加熱效應。該中央加熱元件也被加熱。當空氣/液體流過溫度傳感器和加熱元件時，該上游(RU1和RU2)電阻器被冷卻，而該下游(RD1和RD2)電阻器被加熱。電阻式溫度傳感器的電阻隨著溫度變化，產生與施加到該感測惠斯通電橋上的穩(wěn)定電壓和空氣/液體流流速成比例的差分電壓信號。
文檔編號G01F1/69GK101275863SQ20071012639
公開日2008年10月1日 申請日期2007年7月3日 優(yōu)先權日2007年3月27日
發(fā)明者A·M·德米特里夫, C·S·貝克 申請人:霍尼韋爾國際公司