專利名稱：估定流動(dòng)流體性質(zhì)的系統(tǒng)和方法
估定流動(dòng)流體性質(zhì)的系統(tǒng)和方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)主張于2007年12月7日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/005, 677的權(quán)益。該 在先申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入到本文中。
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要涉及流體傳感裝置和使用該裝置的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及一 種微加工流體傳感裝置，其能夠測(cè)量超過(guò)該裝置內(nèi)部流動(dòng)能力的流體系統(tǒng)中的流體的性 質(zhì)。在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利No. 6，477，901,6, 647，778,7, 228，735 和 7，263，882，以 及GB 2，221，302A和W02007/147786 Al中公開(kāi)了使用硅微加工技術(shù)的用于共振質(zhì)量流和 密度傳感器的工藝和設(shè)計(jì)。如文中所用，微加工是一種通過(guò)整體蝕刻基底(例如，硅晶片) 或通過(guò)表面薄膜蝕刻來(lái)形成很小元件的技術(shù)，后者通常涉及使薄膜(例如，多晶硅或金屬) 沉積在基底表面的犧牲層(例如，氧化層)上，且之后有選擇地除去部分犧牲層來(lái)清除沉 積的薄膜。在授予Tadigadapa等人的美國(guó)專利No. 6，477，901和授予Sparks的美國(guó)專利 6，647，778所公開(kāi)的工藝中，采用晶片結(jié)合和硅蝕刻技術(shù)在晶片上制造包括一個(gè)或多個(gè)懸 置式硅管的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。管以共振方式振動(dòng)，由此可確定流過(guò)該管的流體的流速 和密度。上文所述的美國(guó)專利所教導(dǎo)的此類傳感器已在多種應(yīng)用中得到使用。這些傳感器 的突出優(yōu)點(diǎn)在于，它們可制成極為小型的規(guī)模(尺度)，尤其是使得這些傳感器能夠精確地 分析很少量的流體。然而，在存在相對(duì)大的體積流速的一些應(yīng)用中，這些小型傳感器的有限 流動(dòng)能力便并不足夠。非限制性的實(shí)例包括工業(yè)應(yīng)用，在其中，石化產(chǎn)品流、氣體、水、空氣 和其它液體流過(guò)直徑可為一米或更大的相對(duì)較大的管路。其它非限制性實(shí)例包括機(jī)動(dòng)車輛 和航天應(yīng)用中的流體流，包括進(jìn)氣、石化燃料、氫氣、乙醇等?，F(xiàn)有的流量傳感器所采用的是 熱線和阻拽力技術(shù)。然而，如果Tadigadapa等人和Sparks所教導(dǎo)的此類傳感器可適于流 量相對(duì)較高的應(yīng)用而不需要增大傳感器尺寸的話，則是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種使用微流體裝置來(lái)感測(cè)流動(dòng)流體的性質(zhì)的流體傳感系統(tǒng)和方 法，其中，該流體傳感系統(tǒng)構(gòu)造成用以測(cè)量流體的性質(zhì)，即使流體流體積超過(guò)了微流體裝置 的內(nèi)部流動(dòng)能力。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，流體傳感系統(tǒng)的微流體裝置包括支承在基底上方以便 在其間限定間隙的微加工管、位于微加工管的獨(dú)立式部分內(nèi)的管通路、與管通路和微流體 裝置外部成流體連通的入口和出口、用于使微加工管的獨(dú)立式部分以其共振頻率振動(dòng)的器 件，以及器件，其用于感測(cè)微加工管獨(dú)立式部分的運(yùn)動(dòng)，以便測(cè)量獨(dú)立式部分相對(duì)于基底的 振動(dòng)頻率和偏轉(zhuǎn)中的至少一個(gè)，且由此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于流過(guò)管通路的流體的質(zhì)量流速、比重和 密度中的至少一個(gè)的至少一個(gè)輸出。流體傳感系統(tǒng)還包括用于將微流體裝置安放在流動(dòng)流 體中以便部分流體經(jīng)由微流體裝置的入口進(jìn)入微加工管的管通路中的器件，以及用于處理該至少一個(gè)輸出以便計(jì)算流體性質(zhì)的器件。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，該方法需要提供如上文所述的微流體裝置，將微流體裝 置安放在流動(dòng)流體中以便使部分流體經(jīng)由微流體裝置的入口進(jìn)入微加工管的管通路中，以 及至少一個(gè)輸出經(jīng)處理用以計(jì)算流體的性質(zhì)。本發(fā)明的方法和流體系統(tǒng)很適于涉及體積較大的流動(dòng)流體的各種應(yīng)用，且能夠確 定此類流體的各種性質(zhì)，如體積流速、質(zhì)量流速、比重和/或密度。確定比重和密度可用于 獲得流體組分的相對(duì)化學(xué)濃度，以及檢測(cè)非期望組分(如液體中氣泡、液體或氣體中的固 體顆粒等)的存在。該系統(tǒng)和方法可用于各種應(yīng)用，包括工業(yè)設(shè)施，以及基于陸地的交通工 具、基于水上的交通工具和航天飛行器。可通過(guò)本發(fā)明進(jìn)行估定的流體的值得注意的實(shí)例 包括液態(tài)和氣態(tài)燃料、空氣、水、潤(rùn)滑劑、包括傳動(dòng)流體和制動(dòng)流體的液壓流體、冷卻劑、發(fā) 動(dòng)機(jī)排出氣體等。本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下詳細(xì)描述而得到更好地認(rèn)識(shí)。附圖簡(jiǎn)述

圖1和圖2分別為具有共振微加工管的微流體裝置的透視圖和截面視圖，根據(jù)現(xiàn) 有技術(shù)和本發(fā)明，流體流過(guò)該共振微加工管。圖3為改進(jìn)成包括根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的旁通路的圖1和圖2中的流體傳感裝 置的截面視圖。圖4為改進(jìn)成包括根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的旁通路的圖1和圖2中的流體傳感裝 置的截面視圖。圖5為示意性地示出大型流體流系統(tǒng)的縱向截面視圖，其中，圖3或圖4中的流體 傳感裝置與根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例構(gòu)造的設(shè)備安放在一起。圖6為沿圖5中的截面線6-6的直徑方向的截面視圖。圖7為圖1至圖4中所示類型的流體傳感裝置在安裝到如圖5和圖6所示的流體 流系統(tǒng)中時(shí)溫度對(duì)性能的影響的示圖。
具體實(shí)施例方式圖1和圖2示出了授予Tadigadapa等人的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利No. 6，477，901中 所公開(kāi)的且適于結(jié)合本發(fā)明使用的一類微流體裝置10。Tadigadapa等人公開(kāi)了圖1中所 示類型的使用微加工技術(shù)的流量傳感裝置的工藝和設(shè)計(jì)，其中涉及到科里奧利(Coriolis) 式傳感器的制造和操作的內(nèi)容通過(guò)引用并入到本文中。在Tadigadapa等人所公開(kāi)的工藝 中，晶片結(jié)合和硅蝕刻技術(shù)可用于制造包括一種或多種流體經(jīng)由其流過(guò)的一個(gè)或多個(gè)懸置 式微加工管的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。該管以共振或接近共振地振動(dòng)，由此可使用科里奧利 力原理來(lái)確定流體的一些性質(zhì)，包括流速和密度。這些傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)包括，它們可制成 極為小型的規(guī)模(尺度)，且它們能夠精確地分析很少量的流體。如將從以下描述中理解到 的那樣，在本發(fā)明中，此類傳感器的精確度也是有優(yōu)勢(shì)的。圖1和圖2所示的微流體裝置10包括在基底12上從基部28延伸出的微加工管 14，管14的獨(dú)立式部分16懸置在基底12的表面18上方，以便在其間限定間隙?；?2可 由硅或其它半導(dǎo)體材料、石英、玻璃、陶瓷、金屬、聚合材料、復(fù)合材料等形成。管14可由硅、 摻雜硅或其它半導(dǎo)體材料、碳化硅、石英或其它玻璃材料、陶瓷材料、金屬材料和復(fù)合材料微加工而成?；?2和管14可單獨(dú)地制造，在制成之后，將管14作為整體部件附接到基底 12的表面18上。管14的獨(dú)立式部分16為大致U形，但更為簡(jiǎn)單和更為復(fù)雜的其它形狀也 在本發(fā)明的范圍內(nèi)，如直線形、Ω形、S形或Z形等。值得注意的實(shí)例包括共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專 利申請(qǐng)序列 No. 11/620，411、11/620，908、12/143，942 和 12/267，263 中所公開(kāi)的管形，這些 申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入到本文中。此外，如果待感測(cè)的流體為氣體，則管14可構(gòu)造成利 用加強(qiáng)桿、管形、圓形轉(zhuǎn)角和厚壁來(lái)改善管14對(duì)于氣流應(yīng)用的性能。如序列No. 12/267，263 中所教導(dǎo)的那樣，較高氣體流速可導(dǎo)致微加工管14呈交變模式以一定的頻率進(jìn)行振動(dòng)，該 一定頻率不同于如果評(píng)估的是液體的情況下將出現(xiàn)的頻率。普遍認(rèn)為，該現(xiàn)象起因于與液 體相比，利用氣體的管14的內(nèi)部流體阻尼小得多。為了避免交變振動(dòng)模式，管14可結(jié)合一 個(gè)或多個(gè)橫桿來(lái)加強(qiáng)管14，且由此減小氣體流過(guò)管14期間形成交變共振模式的可能性。圖1和圖2還繪出了定位在基底表面18上位于管14的獨(dú)立式部分16下方的驅(qū) 動(dòng)電極22和傳感電極24，以及用于將輸入信號(hào)和輸出信號(hào)傳遞到裝置10和自裝置10傳出 的結(jié)合襯墊32 (僅示出了其中的一個(gè))。在流體經(jīng)由端口 26進(jìn)入裝置10且流過(guò)管14內(nèi) 的內(nèi)部通路20的情況下，獨(dú)立式部分16可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極22振動(dòng)，以利用科里奧利力原理 確定流體的一些性質(zhì)，如流速和密度。具體而言，獨(dú)立式部分16在垂直于基底12表面18 的方向上振動(dòng)，優(yōu)選以其共振頻率振動(dòng)或接近其共振頻率振動(dòng)。在管14向上運(yùn)動(dòng)的半個(gè)振 動(dòng)周期期間，獨(dú)立式部分16在流體圍繞管彎曲部傳播時(shí)具有向上的動(dòng)量，且流出獨(dú)立式部 分16的流體阻止通過(guò)將最接近流體出口的獨(dú)立式部分16的那部分向上推動(dòng)來(lái)減小其垂直 運(yùn)動(dòng)。最后所得到的力導(dǎo)致管14的獨(dú)立式部分16圍繞獨(dú)立式部分16的對(duì)稱軸線扭轉(zhuǎn)，該 對(duì)稱軸線平行于獨(dú)立式部分16的支腿。當(dāng)管14在其第二半個(gè)振動(dòng)周期期間向下運(yùn)動(dòng)時(shí)， 獨(dú)立式部分16沿相反方向扭轉(zhuǎn)。該扭轉(zhuǎn)特征稱為科里奧利效應(yīng)，而管14的獨(dú)立式部分16 在振動(dòng)周期期間由于科里奧利效應(yīng)而偏轉(zhuǎn)的程度可關(guān)聯(lián)于流過(guò)管14的流體的質(zhì)量流速， 而流體的密度與共振的振動(dòng)頻率的平方成反比。管14的共振頻率受其機(jī)械設(shè)計(jì)(形狀、尺 寸、構(gòu)造和材料)控制。對(duì)于圖1和圖2中所示的微加工管14的典型共振頻率將大致在大 約IkHz至大約IOOkHz的范圍內(nèi)。振幅可通過(guò)定位在管14下方的驅(qū)動(dòng)電極22進(jìn)行調(diào)整。 如果由摻雜硅形成，則管14可用作可電容性地聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)電極22上的電極，從而使驅(qū)動(dòng)電 極22能夠電容性地(以靜電方式)驅(qū)動(dòng)管14。如果管14由非傳導(dǎo)性材料形成，則單獨(dú)的 電極可形成在管14上而與驅(qū)動(dòng)電極22相對(duì)，用于以靜電方式使管14振動(dòng)。一種備選的驅(qū) 動(dòng)技術(shù)用來(lái)在管14的上表面上提供壓電元件，以便在管14的平面內(nèi)產(chǎn)生交變力，該交變力 使管14的獨(dú)立式部分16沿正交于管14平面的方向彎曲。其它備選方案是以磁性方式、熱 方式或由其它促動(dòng)技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)管14的獨(dú)立式部分16。傳感電極24向驅(qū)動(dòng)電極22提供反 饋，以便能夠利用適合的電路來(lái)控制振動(dòng)頻率，同時(shí)還感測(cè)管14相對(duì)于基底12的偏轉(zhuǎn)。傳 感電極24可以電容方式或能夠感測(cè)管14的接近或運(yùn)動(dòng)的任何其它適合的方式感測(cè)管14。在圖2中，微流體裝置10示意性地示為由帽蓋30封住而形成傳感組件 (package) 0帽蓋30容許降低管振動(dòng)的空氣阻尼的真空包裝。存在且公知的用于真空包裝 電子裝置的多種包裝和晶片級(jí)方法，且因此將不會(huì)在此闡述任何細(xì)節(jié)。這些方法包括軟釬 焊或焊接的氣密性包裝，以及使用玻璃粉、釬焊料、共晶合金、粘合劑和陽(yáng)極結(jié)合的晶片結(jié) 合。用于帽蓋30的適合材料為硅，但可預(yù)見(jiàn)的是，還可使用多種其它材料，包括金屬和玻璃 材料，后者包括硼硅玻璃(例如，派熱克斯玻璃(Pyrex))。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，帽蓋30與基底12之間的結(jié)合是氣密性的，且抽空由基底12和帽蓋30所形成的封殼，以便在沒(méi) 有阻尼的情況下能夠以高質(zhì)量(Q)值來(lái)高效地驅(qū)動(dòng)管14，例如，當(dāng)管14填充有空氣時(shí)，Q值 為大約10，000至大約64，000。在這種實(shí)施例中，優(yōu)選在封殼中放入消氣材料34，以便有助 于降低和保持較低的空腔壓力。作為對(duì)于氣密密封包裝的備選方案，可將管14封住，以便 在期望時(shí)通過(guò)使用泵來(lái)抽真空。諸如密度的材料性質(zhì)隨溫度變化，如同材料的楊氏模量和剪切模量那樣。為此，裝 置10還可包括用于測(cè)量流過(guò)管14的流體的溫度的元件。例如，圖1示出了安放在管14的 基部28上的溫度傳感元件35，其能夠在許多工作狀態(tài)下以適合的精度監(jiān)測(cè)管14及其流體 內(nèi)含物的溫度?？蓺w因于溫度變化的管14的機(jī)械性質(zhì)和其中流體的性質(zhì)的變化然后可由 適合的電路(未示出)予以補(bǔ)償。適合的溫度傳感元件35可根據(jù)公知的實(shí)施方式構(gòu)造，例 如，此類型的一個(gè)或多個(gè)金屬層用來(lái)形成電極22和24，以及結(jié)合襯墊32及其相關(guān)的傳導(dǎo) 性滑槽(runner)。作為備選或此外，電勢(shì)可用于使電流穿過(guò)管14，以便通過(guò)焦耳加熱來(lái)升 高和保持管14和流過(guò)其間的流體的溫度，其中，溫度傳感元件35用作對(duì)于適合的控制電路 (未示出)的反饋。管14的形狀和尺寸優(yōu)選選擇成用以提供適合的流動(dòng)能力，且具有適合的振動(dòng)參 數(shù)以便利用微流體裝置10評(píng)估流體。由于使用了微加工技術(shù)來(lái)制造管14，故管14的尺寸 可極小，如大約0. 5mm的長(zhǎng)度和大約250平方微米的截面面積，而更小或更大的管也在本發(fā) 明的范圍內(nèi)。由于能夠以如此小型的尺寸制造出管14，故裝置10可用于處理很少量的流體 用于分析。這種小型化可使得裝置10不適于希望對(duì)以相對(duì)較高流速或在較大通路內(nèi)流動(dòng) 的流體進(jìn)行性質(zhì)測(cè)量的應(yīng)用。圖3和圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例改進(jìn)的圖1和圖2中的微流體裝置10的截 面視圖(圖3和圖4對(duì)應(yīng)于經(jīng)過(guò)基部28和橫切于圖2截面的裝置10的截面)。流體經(jīng)由 單獨(dú)的流體入口通路36a和出口通路36b進(jìn)入和離開(kāi)各裝置10，入口通路36a和出口通路 36b與裝置10的外部以及端口 26a和26b (圖2中共同以參考標(biāo)號(hào)26標(biāo)示)成流體連通， 流體在進(jìn)入和離開(kāi)管14時(shí)流經(jīng)端口 26a和26b。各裝置10還構(gòu)造成具有與穿過(guò)管14的通 路20以流體方式并聯(lián)的內(nèi)部旁通通路40，從而容許經(jīng)由入口通路36a進(jìn)入裝置10中的過(guò) 量流體直接引至出口通路36b，而非經(jīng)由管14。入口通路36a和出口通路36b以及旁通通路40可完全限定在如圖3中所示基底 12的基體內(nèi)，或在如圖4中所示的附接到基底12上的單獨(dú)基底38內(nèi)。作為備選，通路40 可部分地或完全地由基底12與管14基部28之間的間隙限定。旁通通路40優(yōu)選形成為具 有用作流量限制器的凸起46，從而確保經(jīng)由管14的通路20的充足流量。為了提供適合的 旁通功能，旁通通路40的其余部分優(yōu)選具有截面面積大于管12內(nèi)的通路20的截面面積。圖3和圖4中所示的微流體裝置10可用于評(píng)估各種流體，包括氣體和液體。本發(fā) 明的特定影響在于，流體流過(guò)顯著大于裝置10內(nèi)的通路20，36a，36b和40的通路。非限制 性實(shí)例包括工業(yè)設(shè)施，在其中，石化產(chǎn)品、氣體、水、空氣和其它流體流過(guò)直徑可為一米或更 大的相對(duì)大的管路，以及需要流動(dòng)流體的機(jī)動(dòng)車輛和航空應(yīng)用，這些流動(dòng)流體例如為液態(tài) 燃料和氣態(tài)燃料(包括石化產(chǎn)品、氫氣和乙醇)、進(jìn)氣、水、潤(rùn)滑劑、液壓流體(包括傳動(dòng)流 體和制動(dòng)流體)、冷卻劑、發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體等。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，微流體裝置10可通 過(guò)安裝在保護(hù)性殼體內(nèi)而用來(lái)感測(cè)此類情形中的流體性質(zhì)，其中，保護(hù)性殼體可安放在流動(dòng)流體中，使得入口通路36a的進(jìn)口定向?yàn)槊鎸?duì)上游。例如，裝置10可如圖4中所示那樣 構(gòu)造，且安裝成使得基底38凸出穿過(guò)導(dǎo)管壁中的開(kāi)口，待感測(cè)的流體在面向上游的入口通 路36a進(jìn)入流體流中的情況下經(jīng)由該導(dǎo)管流動(dòng)。圖5和圖6中示出的另一實(shí)例容許裝置10 進(jìn)一步安放在導(dǎo)管52內(nèi)的流動(dòng)流中。在圖5中，裝置10示為安裝在漏斗50內(nèi)的流動(dòng)通路 48的內(nèi)表面中，該漏斗50大致起到圖4中的基底38的作用。漏斗50優(yōu)選為成軸對(duì)稱，且 示為與流體流過(guò)導(dǎo)管52的方向沿軸向?qū)?zhǔn)，該導(dǎo)管52可為較大的管路、通道或其它相對(duì)大 的流體收容通路。漏斗50的上游端54具有入口 56，該入口 56的截面相比于定位在漏斗 50下游端58處的出口 60更大。入口 56的尺寸旨在促進(jìn)流體在各種流動(dòng)條件下流過(guò)通路 48。盡管圖5將入口 56示為具有彎曲的截面形狀，但也可使用其它截面形狀。漏斗50由構(gòu)架62支承在導(dǎo)管52內(nèi)，該構(gòu)架62優(yōu)選為將漏斗50安放成遠(yuǎn)離有可 能存在邊界層狀態(tài)的導(dǎo)管52壁。為了最大限度地減小流場(chǎng)中的擾動(dòng)，構(gòu)架62可構(gòu)造成具 有淚珠形截面，且構(gòu)架62的鈍端面向上游。在圖5和圖6中，漏斗50示為安放在管路52 中心附近，在該處，在導(dǎo)管52內(nèi)的完全層流狀態(tài)下有可能存在流體的最大流動(dòng)速度。接線 64穿過(guò)構(gòu)架62而到達(dá)漏斗50，在此形成通向微流體裝置10的電性連接。類似于圖3和圖 4的旁通通路40內(nèi)的凸起46，漏斗50內(nèi)的通路48也可包含定位成與裝置10在直徑方向 上相對(duì)的凸起66，用以促進(jìn)流體從通路48并進(jìn)入裝置10的入口通路36a中的流動(dòng)。入口 通路36a可定向成橫切或平行于漏斗50的軸線。作為備選，可預(yù)見(jiàn)的是，圖1和圖2中的 微流體裝置10可結(jié)合漏斗50使用，在此情況下，省略了旁通通路40，且進(jìn)出管14的流動(dòng)可 直接穿過(guò)端口 26a和26b。然而，圖3和圖4中所示的裝置10的優(yōu)點(diǎn)認(rèn)為是降低了懸浮在 流體中的顆粒將進(jìn)入管14中的風(fēng)險(xiǎn)。如圖5和圖6中所示，通過(guò)將網(wǎng)篩70安放在入口 56 的進(jìn)口處而進(jìn)一步降低了因懸浮顆粒造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)。圖5和圖6示出了處理單元68，其安裝成與裝置10分離且在導(dǎo)管52外部，使得單 元68不會(huì)經(jīng)受可存在于導(dǎo)管52內(nèi)的不利環(huán)境和/或化學(xué)狀況。此外，在估定可燃流體和 氣體的情況下，將單元68安放在導(dǎo)管52外部減小了爆炸或火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)容許電壓較低 的裝置10安放在流體中。盡管單元68示為連接到單個(gè)裝置10上，但多個(gè)裝置10也可由 單元68連接和監(jiān)測(cè)。基于由傳感電極24感測(cè)到的管14的獨(dú)立式部分16的運(yùn)動(dòng)，裝置10 產(chǎn)生至少對(duì)應(yīng)于流過(guò)管14的流體的密度的一個(gè)或多個(gè)輸出，且可選的是流體的質(zhì)量流速、 體積流速、比重等。然后，處理單元68內(nèi)的電路可用于計(jì)算流體密度和/或流體的其它可 選性質(zhì)，包括化學(xué)濃度(如果流體為混合物的話)。圖7為圖1至圖4中所示類型的微流體裝置的共振頻率對(duì)溫度的示圖。圖7證明 裝置10在至少150°C的溫度下的工作能力，以及共振頻率和溫度之間的線性關(guān)系。因此，本 發(fā)明的微流體裝置10能夠浸沒(méi)在寬廣溫度范圍內(nèi)的流動(dòng)流體中。如圖3至圖6中所示的那樣，裝置10構(gòu)造成用于各種流體系統(tǒng)，包括其流體系統(tǒng) 超過(guò)了微加工管14的能力的工業(yè)應(yīng)用和交通工具應(yīng)用。此外，可利用裝置10測(cè)量各種流 體性質(zhì)，包括但不限于流速(包括質(zhì)量流速和體積流速)、密度及可與密度相關(guān)的性質(zhì)如比 重、流體組分的相對(duì)化學(xué)濃度。裝置10還可用于感測(cè)不期望的污染物的存在，如液體(例 如，發(fā)動(dòng)機(jī)油中的燃料和水)、氣體或氣泡(例如，在燃料和制動(dòng)流體中)、固體顆粒(例如， 在發(fā)動(dòng)機(jī)油中)等。盡管已就一些實(shí)施例描述了本發(fā)明，但很明顯，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還可采用其它形式，且本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種適于安放在流動(dòng)流體中用于感測(cè)其性質(zhì)的流體傳感系統(tǒng)，所述流體傳感系統(tǒng)包括微流體裝置(10)，其包括支承在基底(12)上方以便在其間限定間隙的微加工管(14)；位于所述微加工管(14)的獨(dú)立式部分(16)內(nèi)的管通路(20)；與所述管通路(20)和所述微流體裝置(10)的外部成流體連通的入口(36a)和出口(36b)；用于使所述微加工管(14)的獨(dú)立式部分(16)以其共振頻率振動(dòng)的器件(22)；以及器件(24)，其用于感測(cè)所述微加工管(14)的獨(dú)立式部分(16)的運(yùn)動(dòng)，以便測(cè)量所述獨(dú)立式部分(16)相對(duì)于所述基底(12)的振動(dòng)頻率和偏轉(zhuǎn)中的至少一個(gè)，且由此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于流過(guò)所述管通路(20)的流體的質(zhì)量流速、比重和密度中的至少一個(gè)的至少一個(gè)輸出；器件(38，50，62)，其用于將所述微流體裝置(10)安放在流動(dòng)流體中，以便部分所述流體經(jīng)由所述微流體裝置(10)的入口(36a)進(jìn)入所述微加工管(14)的管通路(20)；以及用于處理所述至少一個(gè)輸出以計(jì)算所述流體的性質(zhì)的器件(68)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述微流體裝置(10)還包括與 穿過(guò)所述微加工管(14)的所述管通路(20)以流體方式并聯(lián)的旁通通路(40)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述微流體裝置(10)還包括 凸起(46)，所述凸起(46)位于所述旁通通路(40)內(nèi)，用以促進(jìn)流體流離開(kāi)所述旁通通路 (40)并進(jìn)入所述微加工管(14)的管通路(20)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求3中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述安 放器件(38，50，62)構(gòu)造成用于將所述微流體裝置(10)安裝在導(dǎo)管(52)壁的開(kāi)口中，以便 至少將所述微流體裝置(10)的入口(36a)安放在流過(guò)所述導(dǎo)管(52)的流體中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求3中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述安 放器件(38，50，62)構(gòu)造成用于將所述微流體裝置(10)安裝成遠(yuǎn)離導(dǎo)管(52)壁，以便將所 述微流體裝置(10)安放在流過(guò)所述導(dǎo)管(52)的流體中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述安放器件(38，50，62)構(gòu)造 成用于將所述微流體裝置(10)安裝在所述導(dǎo)管(52)內(nèi)的流體流動(dòng)邊界層的外部。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至權(quán)利要求6中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述安 放器件(38，50，62)包括漏斗(50)，其具有穿過(guò)其的漏斗通路(48)；以及構(gòu)架(62)，其用 于將所述漏斗(50)安放成遠(yuǎn)離所述導(dǎo)管(52)的壁。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述漏斗(50)具有限定漏斗入 口(56)的上游端(54)和限定漏斗出口(60)的下游端(58)，以及所述漏斗入口(56)相比 于所述漏斗出口(60)具有更大的截面，用以促進(jìn)流體流過(guò)所述漏斗通路(48)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述微流體裝置 (10)設(shè)置在限定所述漏斗通路(48)的所述漏斗(50)的表面中，以便至少將所述微流體裝 置(10)的入口(36a)安放在流過(guò)所述漏斗通路(48)的流體中。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至權(quán)利要求9中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 流體傳感系統(tǒng)還包括網(wǎng)篩(70)，所述網(wǎng)篩(70)設(shè)置在所述漏斗(50)的漏斗入口(56)處用 于排除來(lái)自于所述漏斗通路(48)的顆粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求10中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 流體傳感系統(tǒng)安裝在工業(yè)設(shè)施或基于陸地的交通工具、基于水上的交通工具或航空飛行器的導(dǎo)管(52)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述微流體裝置(10)完全定 位在所述導(dǎo)管(52)內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器件(68)完全安放 在所述導(dǎo)管(52)夕卜。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求13中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 流體選自由液態(tài)和氣態(tài)燃料、空氣、水、潤(rùn)滑劑、液壓流體、冷卻劑和發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體所構(gòu)成 的組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求14中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述 流體的性質(zhì)選自由質(zhì)量流速和體積流速、密度、比重、流體組分的相對(duì)化學(xué)濃度，以及氣態(tài)、 液態(tài)和固態(tài)污染物的存在所構(gòu)成的組合。
16.一種利用根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求15中任何一項(xiàng)所述的流體傳感系統(tǒng)來(lái)感測(cè)流 動(dòng)流體的性質(zhì)的方法，所述方法包括將所述微流體裝置(10)安放在所述流動(dòng)流體中，使得部分所述流體經(jīng)由所述微流體 裝置(10)的入口(36a)進(jìn)入所述微加工管(14)的管通路(20)中；以及處理所述至少一個(gè)輸出用以計(jì)算所述流體的性質(zhì)。
全文摘要
一種用于感測(cè)流動(dòng)流體性質(zhì)的流體傳感系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法需要微流體裝置(10)，其具有支承在基底(12)上方的微加工管(14)、位于管(14)的獨(dú)立式部分(16)內(nèi)的管通路(20)、與管通路(20)和微流體裝置(10)的外部成流體連通的入口(36a)和出口(36b)、用于使管(14)的獨(dú)立式部分(16)振動(dòng)的元件(22)，以及元件(24)，其用于感測(cè)管(14)獨(dú)立式部分(16)的運(yùn)動(dòng)，以便測(cè)量獨(dú)立式部分(16)的振動(dòng)頻率和/或偏轉(zhuǎn)，且由此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于流過(guò)管通路(20)的流體的性質(zhì)的至少一個(gè)輸出。該系統(tǒng)和方法還需要將微流體裝置(10)安放在流動(dòng)流體中以便部分流體進(jìn)入管通路(20)，以及對(duì)裝置(10)的輸出進(jìn)行處理用以計(jì)算流體的性質(zhì)。
文檔編號(hào)B81B7/00GK101889204SQ200880120678
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者D·R·斯帕克斯, N·納賈菲, R·T·史密斯 申請(qǐng)人:集成感應(yīng)系統(tǒng)公司