在共同转让的美国专利No.6,477,901、6,647,778、7,228,735和7,263,882，以及GB 2,221,302A和WO2007/147786 A1中公开了使用硅微加工技术的用于共振质量流和密度传感器的工艺和设计。如文中所用，微加工是一种通过整体蚀刻基底(例如，硅晶片)或通过表面薄膜蚀刻来形成很小元件的技术，后者通常涉及使薄膜(例如，多晶硅或金属)沉积在基底表面的牺牲层(例如，氧化层)上，且之后有选择地除去部分牺牲层来清除沉积的薄膜。在授予Tadigadapa等人的美国专利No.6,477,901和授予Sparks的美国专利6,647,778所公开的工艺中，采用晶片结合和硅蚀刻技术在晶片上制造包括一个或多个悬置式硅管的微型机电系统(MEMS)。管以共振方式振动，由此可确定流过该管的流体的流速和密度。
上文所述的美国专利所教导的此类传感器已在多种应用中得到使用。这些传感器的突出优点在于，它们可制成极为小型的规模(尺度)，尤其是使得这些传感器能够精确地分析很少量的流体。然而，在存在相对大的体积流速的一些应用中，这些小型传感器的有限流动能力便并不足够。非限制性的实例包括工业应用，在其中，石化产品流、气体、水、空气和其它液体流过直径可为一米或更大的相对较大的管路。其它非限制性实例包括机动车辆和航天应用中的流体流，包括进气、石化燃料、氢气、乙醇等。现有的流量传感器所采用的是热线和阻拽力技术。然而，如果Tadigadapa等人和Sparks所教导的此类传感器可适于流量相对较高的应用而不需要增大传感器尺寸的话，则是合乎需要的。
发明内容
本发明提供了一种使用微流体装置来感测流动流体的性质的流体传感系统和方法，其中，该流体传感系统构造成用以测量流体的性质，即使流体流体积超过了微流体装置的内部流动能力。
根据本发明的第一方面，流体传感系统的微流体装置包括：支承在基底上方以便在其间限定间隙的微加工管、位于微加工管的独立式部分内的管通路、与管通路和微流体装置外部成流体连通的入口和出口、用于使微加工管的独立式部分以其共振频率振动的器件，以及器件，其用于感测微加工管独立式部分的运动，以便测量独立式部分相对于基底的振动频率和偏转中的至少一个，且由此产生对应于流过管通路的流体的质量流速、比重和密度中的至少一个的至少一个输出。流体传感系统还包括用于将微流体装置安放在流动流体中以便部分流体经由微流体装置的入口进入微加工管的管通路中的器件，以及用于处理该至少一个输出以便计算流体性质的器件。
根据本发明的第二方面，该方法需要提供如上文所述的微流体装置，将微流体装置安放在流动流体中以便使部分流体经由微流体装置的入口进入微加工管的管通路中，以及至少一个输出经处理用以计算流体的性质。
本发明的方法和流体系统很适于涉及体积较大的流动流体的各种应用，且能够确定此类流体的各种性质，如体积流速、质量流速、比重和/或密度。确定比重和密度可用于获得流体组分的相对化学浓度，以及检测非期望组分(如液体中气泡、液体或气体中的固体颗粒等)的存在。该系统和方法可用于各种应用，包括工业设施，以及基于陆地的交通工具、基于水上的交通工具和航天飞行器。可通过本发明进行估定的流体的值得注意的实例包括液态和气态燃料、空气、水、润滑剂、包括传动流体和制动流体的液压流体、冷却剂、发动机排出气体等。
本发明的其它目的和优点将根据以下详细描述而得到更好地认识。
附图简述
图1和图2分别为具有共振微加工管的微流体装置的透视图和截面视图，根据现有技术和本发明，流体流过该共振微加工管。
图3为改进成包括根据本发明一个实施例的旁通路的图1和图2中的流体传感装置的截面视图。
图4为改进成包括根据本发明第二实施例的旁通路的图1和图2中的流体传感装置的截面视图。
图5为示意性地示出大型流体流系统的纵向截面视图，其中，图3或图4中的流体传感装置与根据本发明另一实施例构造的设备安放在一起。
图6为沿图5中的截面线6-6的直径方向的截面视图。
图7为图1至图4中所示类型的流体传感装置在安装到如图5和图6所示的流体流系统中时温度对性能的影响的示图。
具体实施方式
图1和图2示出了授予Tadigadapa等人的共同转让的美国专利No.6,477,901中所公开的且适于结合本发明使用的一类微流体装置10。Tadigadapa等人公开了图1中所示类型的使用微加工技术的流量传感装置的工艺和设计，其中涉及到科里奥利(Coriolis)式传感器的制造和操作的内容通过引用并入到本文中。在Tadigadapa等人所公开的工艺中，晶片结合和硅蚀刻技术可用于制造包括一种或多种流体经由其流过的一个或多个悬置式微加工管的微型机电系统(MEMS)。该管以共振或接近共振地振动，由此可使用科里奥利力原理来确定流体的一些性质，包括流速和密度。这些传感器的突出优点包括，它们可制成极为小型的规模(尺度)，且它们能够精确地分析很少量的流体。如将从以下描述中理解到的那样，在本发明中，此类传感器的精确度也是有优势的。
图1和图2所示的微流体装置10包括在基底12上从基部28延伸出的微加工管14，管14的独立式部分16悬置在基底12的表面18上方，以便在其间限定间隙。基底12可由硅或其它半导体材料、石英、玻璃、陶瓷、金属、聚合材料、复合材料等形成。管14可由硅、掺杂硅或其它半导体材料、碳化硅、石英或其它玻璃材料、陶瓷材料、金属材料和复合材料微加工而成。基底12和管14可单独地制造，在制成之后，将管14作为整体部件附接到基底12的表面18上。管14的独立式部分16为大致U形，但更为简单和更为复杂的其它形状也在本发明的范围内，如直线形、Ω形、S形或Z形等。值得注意的实例包括共同转让的美国专利申请序列No.11/620,411、11/620,908、12/143,942和12/267,263中所公开的管形，这些申请的内容通过引用并入到本文中。此外，如果待感测的流体为气体，则管14可构造成利用加强杆、管形、圆形转角和厚壁来改善管14对于气流应用的性能。如序列No.12/267,263中所教导的那样，较高气体流速可导致微加工管14呈交变模式以一定的频率进行振动，该一定频率不同于如果评估的是液体的情况下将出现的频率。普遍认为，该现象起因于与液体相比，利用气体的管14的内部流体阻尼小得多。为了避免交变振动模式，管14可结合一个或多个横杆来加强管14，且由此减小气体流过管14期间形成交变共振模式的可能性。
图1和图2还绘出了定位在基底表面18上位于管14的独立式部分16下方的驱动电极22和传感电极24，以及用于将输入信号和输出信号传递到装置10和自装置10传出的结合衬垫32(仅示出了其中的一个)。在流体经由端口26进入装置10且流过管14内的内部通路20的情况下，独立式部分16可通过驱动电极22振动，以利用科里奥利力原理确定流体的一些性质，如流速和密度。具体而言，独立式部分16在垂直于基底12表面18的方向上振动，优选以其共振频率振动或接近其共振频率振动。在管14向上运动的半个振动周期期间，独立式部分16在流体围绕管弯曲部传播时具有向上的动量，且流出独立式部分16的流体阻止通过将最接近流体出口的独立式部分16的那部分向上推动来减小其垂直运动。最后所得到的力导致管14的独立式部分16围绕独立式部分16的对称轴线扭转，该对称轴线平行于独立式部分16的支腿。当管14在其第二半个振动周期期间向下运动时，独立式部分16沿相反方向扭转。该扭转特征称为科里奥利效应，而管14的独立式部分16在振动周期期间由于科里奥利效应而偏转的程度可关联于流过管14的流体的质量流速，而流体的密度与共振的振动频率的平方成反比。管14的共振频率受其机械设计(形状、尺寸、构造和材料)控制。对于图1和图2中所示的微加工管14的典型共振频率将大致在大约1kHz至大约100kHz的范围内。振幅可通过定位在管14下方的驱动电极22进行调整。如果由掺杂硅形成，则管14可用作可电容性地联接到驱动电极22上的电极，从而使驱动电极22能够电容性地(以静电方式)驱动管14。如果管14由非传导性材料形成，则单独的电极可形成在管14上而与驱动电极22相对，用于以静电方式使管14振动。一种备选的驱动技术用来在管14的上表面上提供压电元件，以便在管14的平面内产生交变力，该交变力使管14的独立式部分16沿正交于管14平面的方向弯曲。其它备选方案是以磁性方式、热方式或由其它促动技术来驱动管14的独立式部分16。传感电极24向驱动电极22提供反馈，以便能够利用适合的电路来控制振动频率，同时还感测管14相对于基底12的偏转。传感电极24可以电容方式或能够感测管14的接近或运动的任何其它适合的方式感测管14。
在图2中，微流体装置10示意性地示为由帽盖30封住而形成传感组件(package)。帽盖30容许降低管振动的空气阻尼的真空包装。存在且公知的用于真空包装电子装置的多种包装和晶片级方法，且因此将不会在此阐述任何细节。这些方法包括软钎焊或焊接的气密性包装，以及使用玻璃粉、钎焊料、共晶合金、粘合剂和阳极结合的晶片结合。用于帽盖30的适合材料为硅，但可预见的是，还可使用多种其它材料，包括金属和玻璃材料，后者包括硼硅玻璃(例如，派热克斯玻璃(Pyrex))。在本发明的优选实施例中，帽盖30与基底12之间的结合是气密性的，且抽空由基底12和帽盖30所形成的封壳，以便在没有阻尼的情况下能够以高质量(Q)值来高效地驱动管14，例如，当管14填充有空气时，Q值为大约10,000至大约64,000。在这种实施例中，优选在封壳中放入消气材料34，以便有助于降低和保持较低的空腔压力。作为对于气密密封包装的备选方案，可将管14封住，以便在期望时通过使用泵来抽真空。
诸如密度的材料性质随温度变化，如同材料的杨氏模量和剪切模量那样。为此，装置10还可包括用于测量流过管14的流体的温度的元件。例如，图1示出了安放在管14的基部28上的温度传感元件35，其能够在许多工作状态下以适合的精度监测管14及其流体内含物的温度。可归因于温度变化的管14的机械性质和其中流体的性质的变化然后可由适合的电路(未示出)予以补偿。适合的温度传感元件35可根据公知的实施方式构造，例如，此类型的一个或多个金属层用来形成电极22和24，以及结合衬垫32及其相关的传导性滑槽(runner)。作为备选或此外，电势可用于使电流穿过管14，以便通过焦耳加热来升高和保持管14和流过其间的流体的温度，其中，温度传感元件35用作对于适合的控制电路(未示出)的反馈。
管14的形状和尺寸优选选择成用以提供适合的流动能力，且具有适合的振动参数以便利用微流体装置10评估流体。由于使用了微加工技术来制造管14，故管14的尺寸可极小，如大约0.5mm的长度和大约250平方微米的截面面积，而更小或更大的管也在本发明的范围内。由于能够以如此小型的尺寸制造出管14，故装置10可用于处理很少量的流体用于分析。这种小型化可使得装置10不适于希望对以相对较高流速或在较大通路内流动的流体进行性质测量的应用。
图3和图4示出了根据本发明实施例改进的图1和图2中的微流体装置10的截面视图(图3和图4对应于经过基部28和横切于图2截面的装置10的截面)。流体经由单独的流体入口通路36a和出口通路36b进入和离开各装置10，入口通路36a和出口通路36b与装置10的外部以及端口26a和26b(图2中共同以参考标号26标示)成流体连通，流体在进入和离开管14时流经端口26a和26b。各装置10还构造成具有与穿过管14的通路20以流体方式并联的内部旁通通路40，从而容许经由入口通路36a进入装置10中的过量流体直接引至出口通路36b，而非经由管14。
入口通路36a和出口通路36b以及旁通通路40可完全限定在如图3中所示基底12的基体内，或在如图4中所示的附接到基底12上的单独基底38内。作为备选，通路40可部分地或完全地由基底12与管14基部28之间的间隙限定。旁通通路40优选形成为具有用作流量限制器的凸起46，从而确保经由管14的通路20的充足流量。为了提供适合的旁通功能，旁通通路40的其余部分优选具有截面面积大于管12内的通路20的截面面积。
图3和图4中所示的微流体装置10可用于评估各种流体，包括气体和液体。本发明的特定影响在于，流体流过显著大于装置10内的通路20，36a，36b和40的通路。非限制性实例包括工业设施，在其中，石化产品、气体、水、空气和其它流体流过直径可为一米或更大的相对大的管路，以及需要流动流体的机动车辆和航空应用，这些流动流体例如为液态燃料和气态燃料(包括石化产品、氢气和乙醇)、进气、水、润滑剂、液压流体(包括传动流体和制动流体)、冷却剂、发动机排出气体等。根据本发明的一个方面，微流体装置10可通过安装在保护性壳体内而用来感测此类情形中的流体性质，其中，保护性壳体可安放在流动流体中，使得入口通路36a的进口定向为面对上游。例如，装置10可如图4中所示那样构造，且安装成使得基底38凸出穿过导管壁中的开口，待感测的流体在面向上游的入口通路36a进入流体流中的情况下经由该导管流动。图5和图6中示出的另一实例容许装置10进一步安放在导管52内的流动流中。在图5中，装置10示为安装在漏斗50内的流动通路48的内表面中，该漏斗50大致起到图4中的基底38的作用。漏斗50优选为成轴对称，且示为与流体流过导管52的方向沿轴向对准，该导管52可为较大的管路、通道或其它相对大的流体收容通路。漏斗50的上游端54具有入口56，该入口56的截面相比于定位在漏斗50下游端58处的出口60更大。入口56的尺寸旨在促进流体在各种流动条件下流过通路48。尽管图5将入口56示为具有弯曲的截面形状，但也可使用其它截面形状。
漏斗50由构架62支承在导管52内，该构架62优选为将漏斗50安放成远离有可能存在边界层状态的导管52壁。为了最大限度地减小流场中的扰动，构架62可构造成具有泪珠形截面，且构架62的钝端面向上游。在图5和图6中，漏斗50示为安放在管路52中心附近，在该处，在导管52内的完全层流状态下有可能存在流体的最大流动速度。接线64穿过构架62而到达漏斗50，在此形成通向微流体装置10的电性连接。类似于图3和图4的旁通通路40内的凸起46，漏斗50内的通路48也可包含定位成与装置10在直径方向上相对的凸起66，用以促进流体从通路48并进入装置10的入口通路36a中的流动。入口通路36a可定向成横切或平行于漏斗50的轴线。作为备选，可预见的是，图1和图2中的微流体装置10可结合漏斗50使用，在此情况下，省略了旁通通路40，且进出管14的流动可直接穿过端口26a和26b。然而，图3和图4中所示的装置10的优点认为是降低了悬浮在流体中的颗粒将进入管14中的风险。如图5和图6中所示，通过将网筛70安放在入口56的进口处而进一步降低了因悬浮颗粒造成破坏的风险。
图5和图6示出了处理单元68，其安装成与装置10分离且在导管52外部，使得单元68不会经受可存在于导管52内的不利环境和/或化学状况。此外，在估定可燃流体和气体的情况下，将单元68安放在导管52外部减小了爆炸或火灾的风险，同时容许电压较低的装置10安放在流体中。尽管单元68示为连接到单个装置10上，但多个装置10也可由单元68连接和监测。基于由传感电极24感测到的管14的独立式部分16的运动，装置10产生至少对应于流过管14的流体的密度的一个或多个输出，且可选的是流体的质量流速、体积流速、比重等。然后，处理单元68内的电路可用于计算流体密度和/或流体的其它可选性质，包括化学浓度(如果流体为混合物的话)。
图7为图1至图4中所示类型的微流体装置的共振频率对温度的示图。图7证明装置10在至少150℃的温度下的工作能力，以及共振频率和温度之间的线性关系。因此，本发明的微流体装置10能够浸没在宽广温度范围内的流动流体中。
如图3至图6中所示的那样，装置10构造成用于各种流体系统，包括其流体系统超过了微加工管14的能力的工业应用和交通工具应用。此外，可利用装置10测量各种流体性质，包括但不限于流速(包括质量流速和体积流速)、密度及可与密度相关的性质如比重、流体组分的相对化学浓度。装置10还可用于感测不期望的污染物的存在，如液体(例如，发动机油中的燃料和水)、气体或气泡(例如，在燃料和制动流体中)、固体颗粒(例如，在发动机油中)等。
尽管已就一些实施例描述了本发明，但很明显，本领域普通技术人员还可采用其它形式，且本发明的范围仅由所附权利要求限定。