使用整体力偏压以便改进线性的力传感器的制造方法
【专利说明】使用整体力偏压以便改进线性的力传感器
[0001]相关申请的交叉引用
通过在本文内进行参考，本申请完全包含以下在先提交的申请的公开内容，这些申请具有相关的主题和共同的发明人:
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。
技术领域
[0002]各个实施例一般地涉及力传感器，更具体地涉及具有线性修正方法的力传感器。
【背景技术】
[0003]力传感器被广泛使用在当今高科技世界的许多领域中。力传感器被使用在先进机器人中，以提供对力做出响应的电信号。这样的机器人可使用力传感器以根据由在机器人控制下的运动机械施加的力而对处理器提供反馈。但是力传感器还可以用于根据从外部施加至机器人的力而对处理器提供反馈。例如，如果机器人的构件被运动，其可能会碰撞外部物体。例如，力传感器可用于为机器人提供拟人的触感。
[0004]而且，力传感器还可被用在许多医学装置中。在许多应用中，力传感器用于测量流体压力。例如，两个力传感器可被定位在柔性管中的约束部的任一侧。当流体流动经过该柔性管时，流体的压力在管上产生力，当力传感器与管道接触时，力传感器能够探测该力。当液体流动经过该管时，可由于两个力传感器之间的约束部而产生压力差。这个压力差可导致下游的传感器报告相比柔性管内无流动时更小的力。上游和下游的力传感器所测得的力之间的差可表示柔性管内的流体的流量。例如，力传感器可用于测量从IV袋给予病人的药物量以及由透析机清洁的血液体积。
【发明内容】
[0005]设备和相关的方法涉及预加载力传感器，预加载力大于力阈值，该力阈值把传感器工作的非线性响应区与传感器工作的大体线性响应区分开。在说明性实施例中，总施加力包括预加载力和外施加力，预加载力被如此预定，使得对于正的外施加力，电信号响应是大体线性的，外施加力在与预加载力相加时不会超过最大力。在一些实施例中，外施加力可经由力传递构件被传递至力传感芯片。在示例性实施例中，具有预定弹簧系数的弹簧可施加预定预加载力至力传递构件。在示例性实施例中，可简单地通过使用增益和偏差修正来校准外施加正向力。
[0006]各个实施例可实现一个或多个优点。例如，一些实施例可有利地改进力测量的准确度。这样的准确度改进可改进医疗处理，例如输送精确剂量的药物。一些实施例可增加力传感器测量的动态范围。一些实施例可简化所制造的力传感装置的校准。在示例性实施例中，仅使用两次测量(低力和高力测量)就可准确地执行校准。在一些实施例中，低力测量可以是零力测量。在这样的实施例中，单个经校准的非零测量可提供良好校准的传感器。仅需要单个非零测量可允许单个美国国家标准技术研宄所(NIST)的可追踪力测量。在一些实施例中，预加载力传感器可改进低力测量的精度。使用力传感器的力偏压，测量可重复性可以得到改进。在许多实施例中，完成的传感器的性能一致性可以有利地得到改进。
[0007]在说明性实施例中，力偏压传感器可以被设计成具有更高的准确度。这些高度准确的传感器可以在需要这种性能的新应用中使用。例如，预加载力传感器可以用在那些需要精确药物剂量的应用中，在这些应用中，在没有预加载力的情况下，剂量可能就不够准确。在一些实施例中，力传感器的精度可以得到改进，特别是对于小的外施加力。这些改进可以有助于其在更宽动态范围的应用的使用。例如，宽动态范围传感器可用于成人剂量测量和儿童剂量测量。在一些实施例中，可以通过精确地预先设定预加载力值来最大化传感器的可用动态范围。最大化的动态范围可进而提供这些示例性力传感器的最大过力(overforce)值。在一些实施例中，预加载力传感器可被设计成安全地测量最大值更高的的力。
[0008]在一些实施例中，把外部系统联接到该传感器可带来准确的零基准。在示例性应用中，可以用非常小的力将输注泵管道联接至示例性预加载力传感器。预加载力传感器在小的力值处可具有良好的线性。这样的传感器可能甚至能够在门打开且不在力传感器上施加额外压力的情况下确定IV袋是满的还是空的。
[0009]在示例性实施例中，可以通过使用具有力的预定温度系数的预加载构件来改进测量的温度系数。在一些实施例中，可以让测量的温度系数是可重复的。在一些实施例中，测量的温度系数可以是确定的。在示例性实施例中，可以让测量的温度系数是小的。在一些实施例中，测量的温度系数可近似为零。
[0010]在一些实施例中，测量管中的流体压力的能力可允许力传感器为流体压力的医用泵系统提供反馈。这种测量流体压力的能力可以使得药物的恰当运送成为可能，并且改进病人舒适性。在一些实施例中，通过不接触流体而测量流体，可以不损害流体的无菌性。这样的非接触测量可提供一种可以经济地重复使用的解决方法。
[0011]各种实施例的细节在附图和以下的描述中得以阐述。从说明书和附图以及从权利要求，其他特征和优点将是明显的。
【附图说明】
[0012]图1A-1B示出了力传感器用于监控进入病人体内的药物流量的示例性场景。
[0013]图2示出了示例性的预加载力传感器。
[0014]图3示出了具有示例性整体力偏压的示例性力传感器。
[0015]图4示出了具有示例性力传递构件的示例性整体偏压的力传感器。
[0016]图5示出了具有柱塞型力传递构件的示例性预加载力传感器。
[0017]图6示出了对于施加力的示例性电响应。
[0018]图7示出了对于施加力的示例性的相对误差信号。
[0019]在各个附图中的相同的参考标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0020]为辅助理解，本文档按如下结构组织。第一，参考图1A-1C，简要描述了用在医学环境中的力传感器的示例性应用以介绍力偏压力传感器的一些优点。第二，参考图2-3，将描述具有包括胶体传递构件的力传递装置的示例性预加载力传感器。接着，参考图4-5，讨论转至使用机械力传递构件的示例性力偏压。最后，参考图6-7，将使用响应图和误差图来讨论示例性的性能改进，响应图和误差图示出了非预加载的测量结果。将从这些图描述性能的改进，该改进是由于对用于得到这些测量的传感器施加预加载而得到的。
[0021]图1A-1B示出了力传感器用于监控进入病人体内的药物流量的示例性场景。在图1A中，医院环境100包括轮床105，病人110躺在轮床105上。挨着轮床105的是静脉(IV)设备115。IV设备115具有通过管件130被连接到输注泵125的药物袋120。输送管件135可把药物从输注泵125运送到病人110，并且可通过静脉连接件140把药物输送到病人110。输注泵125可例如通过使用两个力传感器145、150来计算施药的流量。例如，在上游力传感器145和下游力传感器150的测量结果之间的小差别可指示药物的流量。为了进行准确的测量，可使用力传递构件155将管件135内的压力传递到的传感芯片。在所示实施例中，通过关闭门165使得门的内侧表面170将管件135按压到柱塞160中，可朝向柱塞160按压管件135。来自每个力传感器145、150的原始测量结果可建立零流量起始力测量。接着，输注泵125可被打开。柱塞160随后可把力联接到位于力传感芯片180上方的球体175ο被拉伸的弹簧185可提供把柱塞160拉到球体175中的附加张力，球体175随后按压到力传感芯片180中。即使管件135中几乎没有压力，弹簧动作向力传感芯片180施加正向力。从弹簧185增加到管件135的压力的这个总力可入射在力传感芯片180上。对于力传感芯片180而言，其当小力发生时可具有不重要的性能，弹簧185的加载可改进对于小的外施加力的测量精度。
[0022]弹簧(在这种情形中处于张力下)可保证在传感器的机械联接中不存在内部松弛。如果机械链松弛，则一部分施加力变为位移和摩擦，并且损失至力测量芯片。如果机械链松弛，则可能导致非线性测量行为。
[0023]在一些实施例中，输注泵125可精确地测量流到病人110的药物的流量。输注泵125可通过从药物袋120起初被悬挂在IV设备115上的时刻开始累积流量来计算药物袋120中的剩余药物。剩余药物的精确计算可以使得输注泵125能够例如在需要更换药物袋120时发出信号。在一些实施例中，药物的精确流量例如可实现将药物安全地输送到病人110。在一些实施例中，管件135可使用各种方式被联接到柱塞160。传感芯片180可提供代表所施加的力的