使用整體力偏壓以便改進線性的力傳感器的制造方法
【專利說明】使用整體力偏壓以便改進線性的力傳感器
[0001]相關申請的交叉引用
通過在本文內進行參考，本申請完全包含以下在先提交的申請的公開內容，這些申請具有相關的主題和共同的發明人:
13/429，280 Force Sensor 2012 年 3 月 23 日
13/628, 673 Mechanically Coupled Force Sensor on Flexible Platform AssemblyStructure 2012 年 9 月 27 日。
技術領域
[0002]各個實施例一般地涉及力傳感器，更具體地涉及具有線性修正方法的力傳感器。
【背景技術】
[0003]力傳感器被廣泛使用在當今高科技世界的許多領域中。力傳感器被使用在先進機器人中，以提供對力做出響應的電信號。這樣的機器人可使用力傳感器以根據由在機器人控制下的運動機械施加的力而對處理器提供反饋。但是力傳感器還可以用于根據從外部施加至機器人的力而對處理器提供反饋。例如，如果機器人的構件被運動，其可能會碰撞外部物體。例如，力傳感器可用于為機器人提供擬人的觸感。
[0004]而且，力傳感器還可被用在許多醫學裝置中。在許多應用中，力傳感器用于測量流體壓力。例如，兩個力傳感器可被定位在柔性管中的約束部的任一側。當流體流動經過該柔性管時，流體的壓力在管上產生力，當力傳感器與管道接觸時，力傳感器能夠探測該力。當液體流動經過該管時，可由于兩個力傳感器之間的約束部而產生壓力差。這個壓力差可導致下游的傳感器報告相比柔性管內無流動時更小的力。上游和下游的力傳感器所測得的力之間的差可表示柔性管內的流體的流量。例如，力傳感器可用于測量從IV袋給予病人的藥物量以及由透析機清潔的血液體積。
【發明內容】
[0005]設備和相關的方法涉及預加載力傳感器，預加載力大于力閾值，該力閾值把傳感器工作的非線性響應區與傳感器工作的大體線性響應區分開。在說明性實施例中，總施加力包括預加載力和外施加力，預加載力被如此預定，使得對于正的外施加力，電信號響應是大體線性的，外施加力在與預加載力相加時不會超過最大力。在一些實施例中，外施加力可經由力傳遞構件被傳遞至力傳感芯片。在示例性實施例中，具有預定彈簧系數的彈簧可施加預定預加載力至力傳遞構件。在示例性實施例中，可簡單地通過使用增益和偏差修正來校準外施加正向力。
[0006]各個實施例可實現一個或多個優點。例如，一些實施例可有利地改進力測量的準確度。這樣的準確度改進可改進醫療處理，例如輸送精確劑量的藥物。一些實施例可增加力傳感器測量的動態范圍。一些實施例可簡化所制造的力傳感裝置的校準。在示例性實施例中，僅使用兩次測量(低力和高力測量)就可準確地執行校準。在一些實施例中，低力測量可以是零力測量。在這樣的實施例中，單個經校準的非零測量可提供良好校準的傳感器。僅需要單個非零測量可允許單個美國國家標準技術研宄所(NIST)的可追蹤力測量。在一些實施例中，預加載力傳感器可改進低力測量的精度。使用力傳感器的力偏壓，測量可重復性可以得到改進。在許多實施例中，完成的傳感器的性能一致性可以有利地得到改進。
[0007]在說明性實施例中，力偏壓傳感器可以被設計成具有更高的準確度。這些高度準確的傳感器可以在需要這種性能的新應用中使用。例如，預加載力傳感器可以用在那些需要精確藥物劑量的應用中，在這些應用中，在沒有預加載力的情況下，劑量可能就不夠準確。在一些實施例中，力傳感器的精度可以得到改進，特別是對于小的外施加力。這些改進可以有助于其在更寬動態范圍的應用的使用。例如，寬動態范圍傳感器可用于成人劑量測量和兒童劑量測量。在一些實施例中，可以通過精確地預先設定預加載力值來最大化傳感器的可用動態范圍。最大化的動態范圍可進而提供這些示例性力傳感器的最大過力(overforce)值。在一些實施例中，預加載力傳感器可被設計成安全地測量最大值更高的的力。
[0008]在一些實施例中，把外部系統聯接到該傳感器可帶來準確的零基準。在示例性應用中，可以用非常小的力將輸注泵管道聯接至示例性預加載力傳感器。預加載力傳感器在小的力值處可具有良好的線性。這樣的傳感器可能甚至能夠在門打開且不在力傳感器上施加額外壓力的情況下確定IV袋是滿的還是空的。
[0009]在示例性實施例中，可以通過使用具有力的預定溫度系數的預加載構件來改進測量的溫度系數。在一些實施例中，可以讓測量的溫度系數是可重復的。在一些實施例中，測量的溫度系數可以是確定的。在示例性實施例中，可以讓測量的溫度系數是小的。在一些實施例中，測量的溫度系數可近似為零。
[0010]在一些實施例中，測量管中的流體壓力的能力可允許力傳感器為流體壓力的醫用泵系統提供反饋。這種測量流體壓力的能力可以使得藥物的恰當運送成為可能，并且改進病人舒適性。在一些實施例中，通過不接觸流體而測量流體，可以不損害流體的無菌性。這樣的非接觸測量可提供一種可以經濟地重復使用的解決方法。
[0011]各種實施例的細節在附圖和以下的描述中得以闡述。從說明書和附圖以及從權利要求，其他特征和優點將是明顯的。
【附圖說明】
[0012]圖1A-1B示出了力傳感器用于監控進入病人體內的藥物流量的示例性場景。
[0013]圖2示出了示例性的預加載力傳感器。
[0014]圖3示出了具有示例性整體力偏壓的示例性力傳感器。
[0015]圖4示出了具有示例性力傳遞構件的示例性整體偏壓的力傳感器。
[0016]圖5示出了具有柱塞型力傳遞構件的示例性預加載力傳感器。
[0017]圖6示出了對于施加力的示例性電響應。
[0018]圖7示出了對于施加力的示例性的相對誤差信號。
[0019]在各個附圖中的相同的參考標記表示相同的元件。
【具體實施方式】
[0020]為輔助理解，本文檔按如下結構組織。第一，參考圖1A-1C，簡要描述了用在醫學環境中的力傳感器的示例性應用以介紹力偏壓力傳感器的一些優點。第二，參考圖2-3，將描述具有包括膠體傳遞構件的力傳遞裝置的示例性預加載力傳感器。接著，參考圖4-5，討論轉至使用機械力傳遞構件的示例性力偏壓。最后，參考圖6-7，將使用響應圖和誤差圖來討論示例性的性能改進，響應圖和誤差圖示出了非預加載的測量結果。將從這些圖描述性能的改進，該改進是由于對用于得到這些測量的傳感器施加預加載而得到的。
[0021]圖1A-1B示出了力傳感器用于監控進入病人體內的藥物流量的示例性場景。在圖1A中，醫院環境100包括輪床105，病人110躺在輪床105上。挨著輪床105的是靜脈(IV)設備115。IV設備115具有通過管件130被連接到輸注泵125的藥物袋120。輸送管件135可把藥物從輸注泵125運送到病人110，并且可通過靜脈連接件140把藥物輸送到病人110。輸注泵125可例如通過使用兩個力傳感器145、150來計算施藥的流量。例如，在上游力傳感器145和下游力傳感器150的測量結果之間的小差別可指示藥物的流量。為了進行準確的測量，可使用力傳遞構件155將管件135內的壓力傳遞到的傳感芯片。在所示實施例中，通過關閉門165使得門的內側表面170將管件135按壓到柱塞160中，可朝向柱塞160按壓管件135。來自每個力傳感器145、150的原始測量結果可建立零流量起始力測量。接著，輸注泵125可被打開。柱塞160隨后可把力聯接到位于力傳感芯片180上方的球體175ο被拉伸的彈簧185可提供把柱塞160拉到球體175中的附加張力，球體175隨后按壓到力傳感芯片180中。即使管件135中幾乎沒有壓力，彈簧動作向力傳感芯片180施加正向力。從彈簧185增加到管件135的壓力的這個總力可入射在力傳感芯片180上。對于力傳感芯片180而言，其當小力發生時可具有不重要的性能，彈簧185的加載可改進對于小的外施加力的測量精度。
[0022]彈簧(在這種情形中處于張力下)可保證在傳感器的機械聯接中不存在內部松弛。如果機械鏈松弛，則一部分施加力變為位移和摩擦，并且損失至力測量芯片。如果機械鏈松弛，則可能導致非線性測量行為。
[0023]在一些實施例中，輸注泵125可精確地測量流到病人110的藥物的流量。輸注泵125可通過從藥物袋120起初被懸掛在IV設備115上的時刻開始累積流量來計算藥物袋120中的剩余藥物。剩余藥物的精確計算可以使得輸注泵125能夠例如在需要更換藥物袋120時發出信號。在一些實施例中，藥物的精確流量例如可實現將藥物安全地輸送到病人110。在一些實施例中，管件135可使用各種方式被聯接到柱塞160。傳感芯片180可提供代表所施加的力的