专利名称：包括电阻式温度传感器和加热元件的空气流量传感系统的制作方法
包括电阻式温度传感器和加热元件的空气流量传感系统 技术领域实施例基本涉及传感装置和部件。实施例还涉及流体流量传感器(mass fluid flow sensor)。实施例又涉及用于检测空气流量(mass airflow)的电阻式温度传感器。
背景技术：
传感器用于多种传感应用，比如，例如检测和/或量化物质的组成， 从多种物质中检测和/或量化特定物质的存在，以及检测和/或量化流体 (例如气液形式的)的质量流速。工业、商业、医学工业和汽车工业尤其需要多种方式来量化气体和液体的质量流速的量。例如，在医学 工业中，经常使用空气流量传感器来监测和/或控制病人的呼吸。其中 的两个例子包括睡眠窒息设备和储氧器。相似地，空气流量传感器经 常应用在微型计算机冷却单元中以检测冷却单元内部、周围及通过冷 却单元的局部空气流的存在和数量。历史上，质流传感器由一个温度感测电阻器"上游"和一个温度 感测电阻器"下游"构成，其中"上游，，和"下游"通常表示质流的 方向。作为微芯片环境中质流传感器的一个进步，"惠斯通电桥"电 路通常配置有外部，芯片之外的，电阻器。这种历史配置可以如本发 明者描述的那样通过实施全惠斯通电桥而得到改进，电桥的所有四个 电阻器支路均包含一个温度感测电阻器，该配置可以形成在感测芯片 上，以允许提高灵敏度，增加对信号偏移比率的敏感度，并能够从电 路测量，并且减小了需要施加到空气流量传感器上的偏压。惠斯通电桥可以用来检测质流。例如，在一个"全，，惠斯通电桥 配置中，所有四个腿均包含可变电阻器。在一个配置中，每个腿都采 用电阻式温度检测器-电阻随温度变化的电阻器。位于两侧之间的加 热元件建立关于加热元件大致均匀的热分布。例如，当空气从电桥的 一侧通过到另一侧时，热量便从一个单元的"上游"侧传导到该单元 的"下游"侧，从而将上游侧冷却而将下游侧加热。因为两侧的电阻随温度而变化，两侧之间得到的温度差在两侧之间产生可测的电压差。该电压差和温度差相关。因为温度变化是空气 质量流速的函数，所以电压差也与该质量流速相关。然而，先前的全惠斯通电桥配置也常常会导致较低的信噪比，尤 其对于非常高或非常低的流速。低的信噪比会减小电桥测量的精度和 分辨率，并且对所研究的质量流速的量化造成困难。参考图1，标注为"现有技术"，图1示出了质流传感器目前采用的用于感测空气/液体流的电路100。该图中显示了一个经过加热的加 热元件RH104，该元件是传感器中唯一的由动力电源103加热的部分。 温度感测电阻器RU1 105， RU2 106， RD1 108和RD2 107未被加热， 但由电源102供电。例如，当空气101在中央加热单元中由电桥的一 侧流到另一侧时，热量从一个单元的"上游"侧传导到该单元的"下 游，，侧，从而将上游侧冷却而将下游侧加热。从该冷却加热过程得到 的低级差分输出信号用正信号109和负信号IIO之间的电压差表示。参考图2，标注为"现有技术"，图2示出了目前用于质流传感 中感测空气/液体流的电路200。该图表明并不总是会采用中央加热单 元，其中温度感测电阻器RU1 205， RU2 206， RD1 208和RD2 207自己 加热,并且当流体从RU1到RD1流过温度感测电阻器205 - 208时用于 感测空气/液体流201。温度感测电阻器RU1 205， RU2 206， RD1 208和 RD2 207由电源202供电。低级差分输出信号是如正输出209和负输 出210标注的输出的差异。因此，所要求的是能够对高和/或低流速提供改进灵敏度的一种系 统、装置和/或方法，其中该系统、装置和/或方法能够克服先前系统和 /或方法的至少一些局限性。本发明将增加空气流量传感器的灵敏度， 增加对信号偏移比率的灵敏度，并且减少需要施加到传感器上的偏 压。发明内容下面所提供的概要是为了便于理解一些所公开的实施例独有的新 颖特征，而不打算作完整描述。可以通过将整个说明书、权利要求书、 附图和摘要作为一个整体来得到对实施例的各个不同方面的全面理因此，本发明的一个方面是提供一种改进的空气流量传感装置。本发明的另一方面是提供一种具有增加的灵敏度的传感器。 本发明的另一方面是提供一种对信号的偏移比率具有增加的灵敏 度的传感器。本发明的又一方面是提供一种能减少需要施加到传感器上的偏压 的传感器。上述方面和其他目的及优点可以如此处的描述而实现。公开了一 种包括加热元件的空气流量传感装置，该加热元件包括上游侧和下游 侧。两个电阻式温度传感器放置在该加热元件的每一侧，并且假设空 气/液体流是由该单元的上游侧向下游侧的方向流动。电阻器是按照惠 斯通电桥的配置而电学上设置的。在质流传感的惠斯通电桥上施加稳 定电压。该稳定电压足够高，使得在感测电桥上能产生自加热效应。 位于惠斯通电桥配置内部上游电阻和下游电阻器之间的中央加热单元也被加热。当空气/液体流过温度传感器和加热元件时，上游(RU1和 RU2)电阻器被流入的流体流冷却，而下游(RD1和RD2)电阻器被 流过加热元件的流体流加热。电阻式温度传感器的电阻随温度变化， 产生了与加到感测惠斯通电桥上的稳定电压和空气/液体流流速成比例 的差分电压信号。
随附的附图融入并组成了说明书的一部分，其中相近的参考数字 表示不同视图中相同或功能相似的元件，附图进一步阐述了实施例， 并且与具体实施方式
一起用于解释在此公开的实施例。图1，标注为"现有技术"，示出了一种传感系统，在其内部质流 传感器利用温敏电阻器(temperature reactive resistor )惠斯通电桥配 置内部的加热元件来感测空气/液体流。图2，标注为"现有技术"，示出了另一种传感系统，该系统适用 于利用形成为形成在惠斯通电桥配置中的加热的温度感测电阻器的质 流传感器来感测空气/液体流。图3示出了根据本发明特征的一种传感系统，其中加热热感测电 阻器以惠斯通电桥配置形成，并且加热的加热元件作为中央元件位于 惠斯通电桥内部上游电阻器和下游电阻器之间，该系统能够更准确地 感承J质流o图4示出了根据本发明特征的系统模块，所述模块一起运作，从 已调节的质流传感系统提供补偿的比例式(rationetric )信号。图5示出了描述感测空气流的逻辑操作步骤的操作的高级流程 图，其可以4艮据优选实施例进^f亍实施。
具体实施方式
这些非限制例中论述的特定数值和配置是可以改变的，其引用仅 仅是为了说明至少一个实施例，而不是为了限制其范围。图3示出了根据优选实施例可以实施的系统300，通过该系统加热传感电阻器和加热中央元件来感测质流。所示系统是有益的，显示了 如何消除与这种方法相关的问题。温度感测电阻器RU1 304， RU2 305， RD1 308和RD2 307通过向其加电而自加热。传感电源302和加热器 电源303是外部激励源。当通过电源302加电时，自加热提高了传感 系统中的电阻器的温度。当通过电源303加电时，中央加热元件RH 304 也被加热。如流301所示，当空气/液体沿着从左到右的方向流过温度 感测电阻器RU1 305， RU2 306， RD1 308和RD2 307以及加热元件304 时，上游电阻器RU1 305和UR2 306被冷却，而下游电阻器RD1308 和RD2 307被加热。温度感测电阻器的电阻随温度变化，产生了与施 加到传感惠斯通电桥的稳定电压和空气/液体流流速成比例的差分电压 信号309。图4示出了根据优选实施例可以实施的系统400，该系统从稳定的 自加热电源提供补偿的比例式信号。该图说明了补偿传感器模块401。 RTD (电阻-温度检测器)需要电流或电压激励以产生电输出。稳压 源402施加到电阻式温度传感惠斯通电桥403以在测量系统内保持高分辨率和精度。在为传感器选择激励源以及选择现场布线方案时应当 格外小心，其中该布线方案用于将低级模拟信号309/310从电阻式温度 传感惠斯通电桥493传送到A/D转换器404。 RTD激励和A/D转换器 404使用相同的参考源。激励中给定的百分比变动被转换过程中相同百 分比变动抵消(反之亦然)。A/D转换器404的ADC输出码是转换器 输入与其参考ADC Ref+ 405和ADC Ref- 406的比率的数字表示。因 为转换器的输入和其参考是从相同的激励电源导出的，所以激励的改 变并不会引入测量误差。数字核407完成A/D转换器404的输出信号的信号补偿。D/A转换器408将信号转换为模拟的比例式输出413。比 例式输出413是D/A转换器408的输入与其参考DAC Ref + 411和 DAC Ref- 412的比率。D/A转换器408耦合到构成外部激励源的共 同地线410和电源电压409。注意在图3-4中，相同或相似的部件和/ 或元件通常用相同的参考数字表示。因此图3所示的参考数字309和 图4所示的参考数字309指的是图4中的相同部件。参考图5，示出了根据优选实施例能够实施的方法的高级流程图 500，其描述了用于感测空气流的逻辑操作步骤。注意到，图5所描述 的过程或方法500可以在模块环境中实施，例如系统400的补偿传感 器模块401以及如图4所示的使用如图3所示的加热的热敏电阻的惠 斯通电桥配置。可以启动空气流量感测，如方框501所示。如方框502 所示，提供中央加热元件。接着如方框503所示，四个温度感测电阻 (感测元件)设置成惠斯通电桥模式。流体沿着从左到右的方向流过 温度感测电阻器和加热元件，如方框504所示。温度感测电阻器的电 阻随温度变化，产生了与施加到传感惠斯通电桥上的稳定电压和空气/ 液体流流速成比例的差分电压信号，如方框505所示。如方框506所示，来自电阻式温度传感惠斯通电桥的低级模拟信 号在A/D转换器转换为数字形式。该信号的温度补偿发生在数字核， 如方框507所示。D/A转换器将信号转换为模拟比例式输出，该输出是 D/A转换器的输入与其参考电压的比率，如方框508所示。然后过程中 止，如方框509所示。可以理解，上述公开的以及其它的特征和功能的变化、或者其可 选方案可以合并到许多其它不同的系统或应用中。而且，本领域的技 术人员可以随后作出当前无法预料或未曾预料的各种不同的可选方 案、修改、变化或改进，这些也由下面的权利要求所包含。
权利要求
1. 一种感测流体流量的系统，包括按惠斯通电桥电路排列的四个自加热的温度感测元件，其中两个自加热温度感测元件代表上游位置，两个自加热温度感测元件代表下游位置；和中央加热元件，其位于该上游位置和该下游位置之间；其中从该惠斯通电桥电路产生模拟信号。
2. 权利要求l的系统，进一步包括模数转换器，用于将来自惠斯通电桥的模拟信号转换为数字信号； 数字核，用于向由所述模数转换器提供的数字信号提供信号补 偿；和数模转换器，用于在所述数字核进行信号补偿之后将数字信号转 换为模拟信号。
3. 权利要求l的系统，进一步包括至少一个稳定的电源电压，其 用于向中央加热元件和感测电阻器供电。
4. 权利要求l的系统，其中所述中央加热元件包括加热电阻器。
5. 权利要求l的系统，其中所述感测元件是电阻式温度传感器。
6. 权利要求4的系统，其中所述两个位于该加热元件左侧的电阻 式温度传感器是上游侧电阻器，并且所述两个位于该加热元件右侧的 电阻式温度传感器是下游側电阻器。
7. —种感测空气流量的方法，包括 加热该中央加热元件； 自加热该电阻式温度传感器； 产生差分电压信号； 将差分电压信号转换为数字信号； 进行该信号的数字补偿；以及 通过数模转换器产生比例式输出。
8. 权利要求7的方法，其中该中央加热元件是加热电阻器。
9. 权利要求7的方法，其中所述自加热是通过加电提高电阻器的 温度实现的。
10. 权利要求7的方法，其中所述电阻式温度传感器的电阻随着 温度变化。
全文摘要
公开了一种包括加热元件的空气流量传感器，该加热元件包括上游侧和下游侧。两个电阻式温度传感器放置于加热元件的每一侧，并且假设空气/液体沿着从左到右的方向流动。电阻器电学上设置成惠斯通电桥的配置。在质流感测惠斯通电桥上施加稳定电压。该稳定电压设置为足够高，以在感测电桥上产生自加热效应。该中央加热元件也被加热。当空气/液体流过温度传感器和加热元件时，该上游(RU1和RU2)电阻器被冷却，而该下游(RD1和RD2)电阻器被加热。电阻式温度传感器的电阻随着温度变化，产生与施加到该感测惠斯通电桥上的稳定电压和空气/液体流流速成比例的差分电压信号。
文档编号G01F1/69GK101275863SQ20071012639
公开日2008年10月1日 申请日期2007年7月3日 优先权日2007年3月27日
发明者A·M·德米特里夫, C·S·贝克 申请人:霍尼韦尔国际公司