CN102192866A - 流体探针 - Google Patents

Abstract

一种用于检测流体的特性的设备，包括：主体区以及具有第一端和第二端的弹性元件。第一端固定地位于所述主体区上。弹性元件被设置为通过弯曲弹性元件可使其从至少第一结构运动到第二结构。弹性元件包括激励部，该激励部被设置用于使弹性元件在第一结构与第二结构之间运动。该设备还包括运动检测器，用于检测弹性元件的运动。

Description

流体探针

本申请是2004年12月3日提交的中国专利申请No.200480041336.7的发明名称为“流体探针”的分案申请。

技术领域

本发明涉及确定流体特性，尽管未限制，但尤其适于确定诸如血液的流体的粘度。

背景技术

确定流体的特性在广大的工业领域中是至关重要的。例如，在石油工业中知道石油的粘度、在牛奶场要知道牛奶的温度是非常重要的。要么使用适当的“原地(in-situ)”传感器、要么将适当的传感器放置在感兴趣的流体中然后进行读取，可以在指定时间、或实时地连续地进行测量。

很多流体的重要特性是其粘度。例如，血液的粘度对于确定病人的血压是至关重要的。此外，通过对血样的持续监视，可以确定凝血速率。病人的凝血速率可用于诊断特定的状况，诸如深度静脉血栓症。目前的用于测量粘度的设备(“viscometer”或“viscosimeter”)具有很多缺点。这些设备一般较大、容量大，并且对于购买和制造来说都很昂贵。

如果流体样品在例如经济上(一种新药)或者其它(病人的血液)方面很有价值，则不希望在确定其特性时使用或可能浪费大量的样品。由于现有技术的粘度计的大尺寸，因此必需使用相应的大量流体样品。此外，为了进行测量经常必需从本地环境中采样。在这种情况下，经常必需向样品添加稳定剂，以防止在从样品地运输到粘度计过程中对样品的测量产生不利的影响。例如，在从病人抽血时要向血液添加凝结剂以防止血液暴露在空气中时会凝固。任何这种试剂的添加都会污染或降低样品的纯度，经常影响样品的特性，因此这是不希望的。理想地，应该要么原地，要么在不需要添加试剂的情况下进行测量。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种使用传感元件确定流体特性的方法，该传感元件包括弹性元件，通过弯曲该弹性元件可使该弹性元件从第一结构运动到第二结构，该弹性元件包括激励部，被设置用于使该弹性元件在该第一结构与该第二结构之间运动，该方法包括：通过向该弹性元件施加热信号，引起该弹性元件在该第一结构与第二结构之间进行运动；从该传感元件接收信号，该信号表明了在该液体中引起的该弹性元件的运动；并且处理该信号以确定表明该液体的至少一个特性的值。

发明人已经实现了这样一种方法，该方法可用于通过使用热信号使弹性元件运动，来简单地测量流体的粘度、温度、流速和切变率(shear)。此外，传感元件可被构造为微米级的大小。因此，可以对极少量的样品进行原地或现场测量，从而不需要添加稳定剂。

最优选地，该信号被处理以确定表明包括有粘度、温度、流速和切变率的组中的至少一个特性的值。

该方法还包括通过监视所接收的信号随时间的变化，来确定该弹性元件的运动的变化速率，并根据运动变化速率来确定表明该流体的粘度的值。

该方法还包括对于给定的被施加的热信号，根据接收的信号来确定该弹性元件的运动幅度，并且根据该幅度来确定表明该流体的粘度的值。

该方法还包括步骤：通过向传感元件施加多个不同频率的热信号，来确定弹性元件的谐振频率，根据所接收的信号来监视弹性元件的运动幅度以识别弹性元件的谐振频率，并根据所识别的谐振频率来确定表明流体粘度的值。

该方法还包括步骤：确定弹性元件运动中的变化，并根据运动中的变化确定表明流体流速的值；其中运动中的变化是由于流体相对于弹性元件的流动造成的。

该方法还包括通过在该流体中的多个位置确定流速，来确定表明该流体的切变率的值。

弹性元件的激励部包括至少两层的叠层，各层具有不同的热膨胀系数，并且其中该方法还可以包括，在通过施加热信号引起运动之前，对表明该流体的温度的值进行确定。

该设备可以包括多个弹性元件，并且该方法可以进一步包括使得多个弹性元件在多个位置确定表明该流体的至少一个特性的值。

该设备可以包括多个弹性元件，并且该方法可以进一步包括将该多个中的至少一个用于在流体中引起流动，并且该多个中的至少一个用于确定表明该流体的至少一个特性的值。

该方法进一步包括通过磁力将该弹性元件保持在所述两个结构中的至少一个。另选地，该方法可以进一步包括通过静电力将该弹性元件保持在所述两个结构中的至少一个中。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测流体的特性的设备，该设备包括：主体区；弹性元件，具有第一端和第二端，该第一端固定地位于该主体区上，该弹性元件被设置为通过弯曲该弹性元件可使其从至少第一结构运动到第二结构，该弹性元件包括至少两层的叠层以及激励部，该激励部被设置用于使该弹性元件在该第一结构与该第二结构之间运动，该激励部由该叠层的至少第一层提供，该第一层具有与该叠层的第二层不同的热膨胀系数，以便该弹性元件的温度变化使得弹性元件从该第一结构运动到该第二结构，该弹性元件还包括：加热元件，用于对至少该弹性元件加热，从而提供该温度变化；以及运动检测器，被设置用于检测该弹性元件的该运动，并用于提供表明其中浸有该弹性元件的流体的特性的信号。

优选地，该运动检测器被设置以便由于弹性元件的运动而使运动检测器的电特性发生变化。最有选地，该运动检测器包括位于弹性元件上的压阻元件，该压阻元件被设置以便由于弹性元件的运动而使压阻元件的电阻发生变化。

运动检测器可以包括具有两个板的电容器，该弹性元件形成其中一个板，而导电板形成另一个板，以便由于弹性元件的运动而使电容器的电容发生变化。

该设备可以包括锁装置，被设置用于将该弹性元件保持在两个结构中的至少一个。

该运动检测器可以包括电磁辐射源，其被设置用于直接朝该元件辐射，以及电磁辐射检测器，其被设置用于检测以下至少一种电磁辐射：从该弹性元件反射的电磁辐射、通过该弹性元件透射的电磁辐射、从该弹性元件折射的电磁辐射、或由该弹性元件衍射的电磁辐射。

更优选地，叠层的第一层包括聚合物。叠层的第一层可以包括从聚酰亚胺、聚酰胺和丙烯聚合物组成的组中选出的一种材料。叠层的第二层包括聚合物。叠层的第二层可以包括从聚酰亚胺、聚酰胺和丙烯聚合物组成的组中选出的一种材料。

最优选地，该叠层的第二层包括金属。金属可以从金或铝组成的组中选择。

优选地，该弹性元件的从第一端到第二端的长度在100μm至1mm之间，并且其中在该第一结构中该弹性元件的第二端与在该第二结构中该弹性元件的第二端之间的距离在30μm至650μm之间。

该设备可以包括多个弹性元件。优选地，该多个弹性元件排列成第一行和第二行，每行包括至少一个弹性元件，对该弹性元件进行排列以便该第一行的至少一个弹性元件与该第二行的至少一个弹性元件相对地延伸。最优选地，该多个弹性元件是相互交叉的。

附图说明

现在将参照附图，以示例的方式来说明本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明优选实施例的检测设备的透视图；

图2是形成图1的设备的一部分的惠斯通(Wheatstone)电桥电路的电路图；

图3是图1的检测设备的简化透视图；

图4是将检测设备的输入信号与子压阻元件中的阻抗变化联系起来的图形表示；

图5是根据本发明另一实施例的检测设备的透视图；

图6是根据本发明又一实施例的检测设备的透视图；以及

图7是根据本发明再一实施例的检测设备的透视图。

图1中所示的是根据本发明的优选实施例的检测设备1的透视图。检测设备1包括主体区2、弹性元件3、加热器4以及惠斯通电桥电路5。

弹性元件3是主体区2的主要部分并从主体区2延伸。弹性元件的第一端与主体区相结合，弹性元件的远离第一端的第二端相对于主体区可以自由运动。弹性元件是具有矩形表区域的条板(bar)，直角的较长边从主体区延伸。弹性元件3包括由两层3a、3b组成的叠层，各层的材料具有不同的热膨胀系数。这些材料可以是不同的材料，或者是经处理(例如，加压)的相同的材料，以便具有不同的热膨胀系数。

在加热的情况下，对于相同的升温，一层将比另一层更加膨胀，因此弹性元件3将沿具有较低热膨胀系数的材料的方向弯曲。在冷却时，对于相同的降温，一层比另一层收缩得更快，因此，弹性元件3然后将沿具有较大热膨胀系数的材料的方向弯曲。

加热器4位于弹性元件3上，并包括导电材料，该导电材料形成穿过沿弹性元件3的上表面区域的连续导线或轨迹4a。加热器4还包括用于向加热器4传送电流(并导致从加热器4散热)的电触点4b。这些电触点4b位于主体区2的上表面。

在现有技术中已知的惠斯通电桥电路5是特别用于测量电容和电阻的敏感装置。惠斯通电桥电路5位于主体区2和弹性元件3上。惠斯通电桥电路5包括四个“引脚”或“臂”5a、5b、5c、5d，其中的三个5b、5c、5d驻留在主体区2上，而其中的一个5a驻留在弹性元件3上与主体区2直接相邻处。驻留在主体区2上的三个引脚5b、5c、5d个具有已知值的电阻。驻留在弹性元件3上的第四个引脚5a包括压阻元件5a。压阻材料是其电阻基于其上施加机械应力而变化的材料。此外，惠斯通电桥电路5包括在主体区2的上表面上的用于输入和输出电信号的电触点5e、5f。惠斯通电桥电路5在图2中被示出。

在使用时，通过惠斯通电桥电路5经由触点5e来施加电压，从触点5f测量通过中央的电压输出。当电桥5的输出是零时，就是说电桥5是平衡的，并且电阻相等。当引脚5a、5b、5c、5d中的一个的电阻变化时，先前的平衡电桥5现在就不平衡了。该不平衡使得通过电桥5的中央出现电压。根据该值，可以计算电阻变化。然而，电桥5不需要初始就平衡。尽管随后初始输出电压在幅度上不为零，但是可将该非零值用作相对零值。惠斯通电桥电路5的电阻中的唯一实质性变化是由压阻元件引起的，因此，可以假设电压输出中的任何实质性变化都归因于弹性元件3的运动。优选地，三个已知的电阻等同于并且非常近似于补偿任何温度变化等。

薄膜的表面细微加工可用于构造图1所示的设备。在优选实施例中，将聚酰亚胺(polyimide)和金膜用于生产弹性元件3。选择聚酰亚胺(杜邦，珀瑞玲PI2566(DuPont，Pyralene PI2566))是因为它的高热膨胀系数(60×10^-6K^-1)和小的杨氏系数(1.75Gpa)，因此以小的温度变化就能产生大的位移。另外，可以从液相容易地旋转涂覆聚酰亚胺膜，使得能够针对最佳偏移来检测一个厚度范围。也可以使用很多其它的塑料聚合物，也以它们的液相来旋转涂覆，诸如PI2722、PI2723(两者具有的热膨胀系数都为57×10^-6K^-1)或PI2734(热膨胀系数为13×10^-6K^-1)。选择金是因为其相对于PI2566聚酰亚胺具有适合的机械和热特性。例如，金比PI2566具有低得多的热膨胀系数(14×10^-6K^-1)。对弹性元件3的各层的材料进行选择，以便在受热时弹性元件运动的距离相对大些，例如，该运动距离可以具有与弹性元件的大小相似的尺寸。例如，对于微米级尺寸的弹性元件3，对材料进行选择以便弹性元件的运动也是微米级。聚合物和/或金属可用作弹性元件3的组成层的材料。实现基于通过受迫变化来对从底层起的多个薄膜分层进行控制的方法。该方法消除了对在最后的蚀刻消除期间保护多个层以防止化学劣化的需要，另外允许任意大的面积的解除。

分层技术基于光学平版印刷，并采用将金非牢固地粘附到硅、二氧化硅或玻璃。通过在弹性元件3的组成层中引入应力，然后从基板2上的定位层去处该应力，就可以在非固定端弯曲，沿主体区2延伸。三种材料(硅、二氧化硅和玻璃)中的任一种都可很好地用作基板2，基板2(基本上)形成主体区2。

Cr、Ni或N-Cr

的薄层2a是溅射到基板2上的等离子体(plasma)，并用作在基板2与随后等离子体溅射的金屏蔽层2b之间的附着力促进剂。淀积金屏蔽层2b用于防止附着力促进剂2a暴露于空气中时被氧化。然后对第一附着力促进剂层2a和金屏蔽层2b进行构图以限定要放置弹性元件3的区域，即，要去除部分第一附着力促进剂层2a。使用标准的平版印刷和湿蚀刻技术来进行构图，以在第一附着力促进剂层2a中获得开口，用于后来的弹性元件3的受力分层。该图案实质上是定位层图像的反图像，即，将材料淀积在以矩形结构为边界的开口所包围的区域上，这会最终形成弹性元件3，其中在该区域周围淀积材料将会形成弹性元件3从其释放的定位层。该图案是将三个矩形侧面限定为尺寸是500μm×80μm的细轨道，从而“开口边界”是矩形结构。这有效地限定了弹性元件3的大小，也是500μm×80μm。在目前的开口边界中，在进行释放时，弹性元件3的一端保持固定到主体区2，而另一端自由运动，从主体区2延伸。然后在构图的金屏蔽层之上等离子体溅射金结构层(1.2μm厚)2c、3a。金结构层仅用作无源机械层，并通过聚酰亚胺层2d、3b与加热器4电绝缘。聚酰亚胺层2d、3b的淀积在下面说明。在相同的淀积操作中，在金结构层上淀积薄Cr层(未示出)

用作随后的聚酰亚胺层的附着力促进剂。

然后在金结构层2c、3a上从液相旋转涂覆聚酰亚胺层PI2566 2d、3b，并且在烤炉中在120℃进行适当烘烤20分钟。此后，溅射涂覆

厚度的Ni-Cr层，并进行构图以形成加热器轨道4a、接触垫4b和信号线。标准的照相平版印刷是使用正性光刻胶(positive tone photoresist)来进行的，以对弹性元件3进行构图并限定接触垫。使用湿化学蚀刻来进行构图。然而，另选技术是聚酰亚胺层的反应离子刻蚀RIE。这将要求Cr层用作硬掩模。使用类似的技术，也可以淀积电阻惠斯通电桥电路5，包括组成压阻元件5a和接触垫5e、5f。

最后，紧接着最后的淀积，执行湿Au蚀刻，以从定位层释放弹性元件3。由于在弹性元件3的组成层中的具有初始应力，因此不需要具体的释放方法。所引入的力阻止弹性元件3粘贴到基板2。因此，在释放时，弹性元件向上弯曲并离开主体区1。

对弹性元件3的金属结构层2c、3a的厚度(1.2μm)进行选择以提供好的激励结果。值1.2μm是根据经验建立的。也可以建立为，针对弹性元件3的组成材料(Gold，PI2566)的机械特性，厚度比4∶1产生最大的初始偏移，其中厚度比8∶1是最佳的经验结果。应该理解，也可以使用其他的厚度和比例。另外，通过在旋转涂覆期间改变旋转速率来实现聚酰亚胺层2d、3b的厚度改变。应该理解，可以旋转涂覆第二层PI2566，以将加热器4结构嵌入，用于改善热绝缘性以及机械保护。

应该理解，在释放时，在组成层中的应力可以足够大以使弹性元件3弯曲到其可以背靠到自己，形成材料的“卷状物”。检测设备的最优选的制造是避免这样一种情况，即在释放时，弹性元件3未形成这样的卷状物。优选地，弹性元件3的组成层3a、3b的热膨胀系数沿弹性元件3的长度(由从弹性元件3被固定的点到弹性元件3是自由的那个点之间的距离来限定的)应该是不同的，但是沿元件的宽度是相同的，使得弹性元件3沿其长度弯曲，而基本上不跨其宽度弯曲。

为了易于说明，现在在弹性元件3是平的而非弯曲的情况下对检测设备1进行说明。主体区2的不与弹性元件3附着以及不在弹性元件3周围的那些部分将不再示出，以便突出弹性元件3。另外，图3至5不如图1详细，没有示出设备1的组成层。在每个图中，相似的部件给出相同的附图标记。

当经由施加通过加热器触电4b的电势差，使得电流通过图1所示的加热器4的轨道4a时，由于轨道4a中的电阻而使热量散发。该热量使得弹性元件3的温度增加。在对弹性元件3进行加热中，由于各自不同的热膨胀系数，使得分层3b的一层以比另外的3a以更大的速率膨胀。因此，如图3所示，弹性元件3将弯曲并变得更直-弹性元件3已经被从第一结构运动到了第二结构。该实施例的弹性元件3的末端可以运动200μm至250μm范围内的距离。在弯曲中，弹性元件3在压阻元件5a上引入了应力，这将引起压阻元件5a的电阻的变化。因此，与压阻元件协作，惠斯通电桥5可以用作应变仪，惠斯通电桥电路5的输出电压反映压阻元件5a的电阻(输出电压随该电阻而变)。

对于给定的加热器4的输入信号(热信号)，弹性元件3将运动(偏移)指定量。如果热信号是反复的，从“电流接通”到“电流低”进行变化，或者甚至是“电流零”值，则弹性元件3在受热时将会继续弯曲，因此当不加(或少加)热时，弹性元件3会朝其平衡位置释放。弹性元件3将有效地振荡。如果施加与弹性元件3的运动相反的阻尼力，则对于给定输入，将会用更长的时间到达唯一最大可能的偏移。此外，如果热信号是脉冲振动，则该元件可能达不到该最大偏移，因为由于热信号的变化该元件会在另一方向上弯曲。这些效果可用于检测和确定流体的粘度。

较粘的流体比较稀的流体对弹性元件3的运动具有更大的阻尼力。偏移的变化与压阻元件5a上的应变的变化相对应，其反过来改变其电阻。当压阻元件5a是惠斯通电桥5的引脚时，该变化则反映在惠斯通电桥5的输出电压的变化中。因此，根据惠斯通电桥5的输出，可以直接测量出偏移的变化，这对应于流体的粘度变化。图4示出了阻尼对弹性元件的运动的影响。

图4有两个曲线图，一个示出了提供给加热器4的电流，对应的图显示了在不同粘度的流体7、8中，压阻元件5a的电阻的相应的绝对变化。方波信号6被提供给加热器4，并因此对弹性元件3进行加热。施加热量引起弹性元件3的运动，其反之引起在压阻元件5a中引起的应变。因此，随弹性元件的运动，压阻元件5a的电阻将变化7，这直接涉及从加热器4施加热量。通过将弹性元件3放置在更粘的流体中，弹性元件3的运动将会受阻。在更粘的流体8中，弹性元件3的电阻将较慢地变化。此外，在示出的示例中，在较粘的流体8中，阻抗的幅度较小。阻抗的变化因此可用于确定流体的粘度的变化。

在信号脉冲结束时的阻抗可用于确定最大偏移，该最大值随不同粘度的流体而变化。然而，可能的情况要解决，即针对偏移的变化，脉冲持续时间(电流“通”时间)太长，即，对于相同的输入信号，弹性元件3在不同粘度的流体中具有相同的最大偏移。这可以通过对给加热器4施加电流(并因此给弹性元件3加热)的时间长度、和/或电流的幅度、和/或连续电流脉冲之间的时间段进行改变来解决。简言之，可以根据情况来适当地特制输入信号。

另选地，压阻元件5a的电阻被连续地监控，以便可以观察其相对于时间的变化。即使在脉冲结束时的电阻(即，弹性元件3的偏移)相同，但是对于不同粘度的流体，电阻的变化速率不同。压阻元件5a的电阻对于第一粘度的流体的变化速率比对于更高粘度的第二流体的更快。这仅仅是以下事实的结果，即利用恒定的驱动力，通过较稀流体时主体的运动比通过较高粘度的流体时更快。最优选地，输入信号使得当未施加电流时，使弹性元件3能够返回其平衡位置，即，使加热器4提供的热能全部散去。优选地，当未向加热器4提供电流时，加热器4就不向弹性元件3提供热量，即，加热器4迅速彻底地散热。如果使弹性元件3进行振荡，那么优选地，输入信号的频率最好为弹性元件的尺寸。对于某些应用可能要求高抽样速率(并因此高频率振荡)。应该容易理解，对于每个实验，根据唯一输入脉冲可以获得相同的结果，引起弹性元件3的唯一偏移。

与使用电阻/偏移变化来测量流体粘度一样，还可以将弹性元件3的谐振频率用于相同的目的。谐振系统即其中通过近似相同频率的小激励来产生大的振荡。对于给定的系统，这发生的频率取决于系统的振荡部分浸入的介质的粘度。因此，检测设备1的弹性元件3具有的固有谐振频率对于其浸入的流体是唯一的。因此，通过改变弹性元件3的驱动频率(至加热器4的输入信号)，同时监视压阻元件5a的电阻(并因此监视弹性元件3的偏移)，弹性元件3的偏移振幅可以直接与驱动频率相关。因此，可以容易地识别弹性元件3的谐振频率，并从中导出流体的粘度。

利用其应变和温度敏感性，清楚地理解，除测量粘度之外，这种检测设备1还有很多应用。例如，设备1可用于测量流体的温度、流速和剪速率。

与从加热器4施加热量一样，环境热量也会引起弹性元件3的组成层相应地膨胀/收缩。该膨胀/收缩引起压阻元件上的应力的变化，该应变从惠斯通电桥电路5的输出中是可检测的，压阻元件是惠斯通电桥电路5的关键部分。因此，在被来自加热器4的热信号驱动之前，监视弹性元件3的初始位置可以用于确定流体的温度。

已经描述了惠斯通电桥电路5作为应变仪如何有效地运作，通过将压阻元件5a的固有特性用于实现这种功能。如果将压阻元件5a放置在流动流体中，则可将弹性元件3的偏移振幅的变化用于确定该流体的流速。流体流动越快，在弹性元件3上每单位时间就有越多的组成材料被关联，因此在弹性元件3上的力就越大。对于给定的所施加的热信号，弹性元件3上的较大的力导致偏移振幅的变化。

可以在多个位置确定流体样品的特性，因此对所述样品的与所述特性有关的分布进行确定。例如，通过在多个位置测量流体样品的流速，可以确定流速分布，并因此确定切变率。获得分布的一种方法是使用单个设备1，并使其运动通过样品，在希望的位置进行测量。然而，这使得存在的可能是在特定位置的特性可能在连续的测量之间发生变化，因此给出不准确的分布，即，在第一位置处的特性可能在经过了在另一位置处进行测量的时间后就发生了变化。理想地，可以同时在所希望的多个位置进行测量。优选地，可以实时地进行测量。实时测量产生进一步的流体样品信息，诸如血液的凝固时间。通过使用多个检测设备1，优选地在每个希望测量的位置都有一个检测设备1，这样进行实时、多位置测量，并且因此可以得到分布。

应该清楚，使用检测设备1仅产生粘度、温度等的相对值。例如，振动的弹性元件3实际上的偏移在电动机润滑油中比在空气中小。为了获得绝对值，对检测设备1的标度、流体和/或检测设备1的弹性元件3的建模有要求。例如，对于给定的输入信号，可以在一种或多种已知粘度的流体中测量弹性元件3的偏移，并且根据此，偏移的具体变化可以与粘度的具体变化相关。还应该理解，弹性元件3的准确的建模及其运动可以产生与其浸入的流体有关的特性。还应该理解，存在着各种可以对给定测量产生很大影响的相互依赖的因素。例如，在对弹性元件3加热以在其中引起运动期间，某些热能无疑被传送到了设备1所浸入的流体中。这种散热将提升流体的温度，并可以改变流体粘度，从而给出了错误的测量。类似地，压阻元件5a的电阻将随温度而变化，其本身的温度与流体的温度加上由于加热器4而产生的影响有关。通过对执行所希望的测量所必需的元件的标度和/或建模的组合可以克服所有这些问题。

在另一实施例中(未示出)，设备1与涉及图1和图2所描述的类似。然而，在该实施例中，惠斯通电桥5现在包括有电容元件而非电阻元件，并且去除了压阻元件。作为替换，导体板位于弹性元件3的上方而非与其接触。其中在图1的设备1中，变化的输出信号是由其上的应变、以及压阻元件的电阻的相应变化而产生的，在该实施例中，将电容的变化用于检测弹性元件3的运动。惠斯通电桥5包括有，在其中三个臂的每一个上的已知电容，并且导电板和弹性元件3形成第四个电容器的板(可变电容)。如果弹性元件3运动，则在弹性元件3与上面的导板之间的间隔会变化，根据基本的静电原理，该第四电容器的电容也会变化。该检测设备1以另外一种与图1和图2的检测设备1相同的方式运行，并具有与其相同的功能。

对于本领域的技术人员应该清楚，仅以示例的方式给出了前面的实施例，并非以任何方式对它们进行限制。例如，所描述的本发明的所有实施例因此还包括具有四个引脚5a、5b、5c、5d的惠斯通电桥5，其中三个5b、5c、5d的每一个都包括有恒定的已知的电阻/电容值。第四引脚5a包括有对弹性元件3的运动敏感的可变电容/电阻值。在惠斯通电桥5的其他引脚中并入更多运动敏感的电阻/电容(即，代替已知且恒定值的组件)，可以提高电桥5的敏感性。惠斯通电桥5的敏感性是通过其输出电压针对其输入参数(即可变电阻)的小变化的变化来限定的。如果对于相同的或更小的输入参数变化来说可以使输出电压更大，就是说其敏感度已经提高了。与使用一个引脚进行比较，使用两个引脚，敏感性增加两倍，使用三个引脚增加三倍，使用四个引脚增加四倍。可以以多种方式来实现这种额外的运动敏感电阻/电容的结合。例如，采用结合有压阻元件的检测设备1，惠斯通电桥5的两个引脚可以每一个都包括有压阻元件。两个相邻弹性元件的压阻元件可以形成惠斯通电桥的两个引脚。另选地，仅使用单个弹性元件3时，另一个压阻元件(除驻留在与主体区2直接相邻的弹性元件3上的那个)可以驻留在弹性元件3上。通过形成将各个压阻元件用作电桥的一个引脚的惠斯通电桥5，创建了更加敏感的应变仪。例如，另外的压阻元件可以驻留在弹性元件的上表面上远离主体区2的点处。

应该理解，压阻元件5a可以驻留在弹性元件3上的任何位置，只要在弹性元件3运动时应力发生变化。例如，压阻元件5a可以在弹性元件3的下面。压阻元件5a可以在弹性元件3上与检测设备1的主体区2的相邻处、在远离主体区2的点处、或者在这些元件之间的某点处。压阻元件5a可以驻留在主体区2和弹性元件3两者上，以便在弹性元件3中引起运动时只有部分压阻元件5a受到应力。压阻元件5a可以是弹性元件3的一部分。压阻元件5a可以是弹性元件3的一层。对于本领域的技术人员还应该清楚，优选地，在最大应力之前压阻元件5a不达到饱和，即压阻元件5a唯一施加的应力(并且相关联的弹性元件3的运动)具有唯一的电阻。

图5和图6是本发明的进一步的实施例，再次利用弹性元件3处于“预受力”状态-初始是直的。在这些实施例中，使用光学技术来执行对弹性元件3的运动的检测，代替了前述实施例的惠斯通电桥电路5和可变的电容/电阻元件。除了该代替之外，主体区2的结构、加热器4和弹性元件3与涉及图1和图2所描述的一致，因此，这些检测设备1的功能性保持不变。因此，对在图5和图6中出现的那些出现在图1和图2中的元件给出了相似的标记。

参照图5，检测设备1包括有主体区2、弹性元件3、加热器4和波导结构9。波导结构9位于检测设置1中，从主体区2延伸，通过了弹性元件3并延伸到弹性元件3远离主体区2的外表面。电磁辐射源10位于主体区2中，以便对波导9的入口进行辐射，并使得电磁辐射通过波导9被传送。被传送的电磁辐射将通过波导9，并将在弹性元件3远离主体区2的外表面处从检测装置1和波导9发射出去。通过使用光电二极管阵列11可以检测被发射的辐射。光电二极管阵列11的分辨率可被制作成所希望的测量分辨率。例如，阵列11中的二极管越小(或者被组装地越密)，其分辨率就越高，因此使得能够检测到弹性元件3的越小的运动。

在使用时，经由加热器4(或者通过本地环境)给弹性元件3供热，以使其从初始的弯曲形状朝着直的形状弯曲。弹性元件3弯曲的程度与被激励的光电二极管11的数量成比例，因此可以确定弹性元件3的运动。

现在参照图6，检测装置1包括主体区2，弹性元件3和加热器4。弹性元件3包括光栅12，光栅12由相互平行的多个透明或不透明段形成。光栅12沿弹性元件3的实际的长、远离主体区2而延伸。光电二极管阵列11位于弹性元件3的一侧上，电磁辐射源10位于相对的一侧上，以便电磁辐射可以从源10被发射、通过光栅12的透明段被透射、并且由光电二极管阵列11来检测。根据不透明段和透明段的尺寸(或其“节距”)，检测设备1可以以两种方式中的其中一种来使用。光栅12可以用作纯粹的滤光器，光栅12的阴影落在了光电二极管阵列11上。另选地，光栅12可被构造为使得入射辐射衍射。在衍射时，电磁辐射与其自身相长干涉或相消干涉，从而在光电二极管阵列11上创建干涉图。最优选地，选择电磁辐射源10以便其发射的辐射不会穿过光栅12的不透明段，即，可见光最优选是x射线。

在使用时，经由加热器4(或者通过本地环境)给弹性元件3供热，以使其从初始的弯曲形状朝着直的形状弯曲。在弯曲时，不透明段和透明段的节距将会变化。这种变化将会对通过光栅12透射的电磁辐射产生影响，并且根据光栅12如何被构造，要么光栅12的阴影、要么光电二极管阵列11上的干涉图将会变化。在该图案/阴影的最大值和最小值中的图案可用于确定光栅12的段的节距的变化，并且该变化与弹性元件3的运动(曲率)成比例。应该理解，可用反射光栅12来替代透射光栅12。设备1以完全相同的方式运行，除以下事实之外，即光栅12的段是反射和非反射的，并且光电二极管阵列11与电磁辐射源10在同一侧上，从而检测反射的电磁辐射，与透射的电磁辐射相对。

对于所有使用光检测方法的实施例，应该理解，优选地选择辐射源10和光电二极管阵列11以便互补。例如，来自峰值发射波长为640nm(红光)的源10的电磁辐射可由峰值敏感性在该波长和该波长附近的光电二极管阵列11进行最好地检测。此外，应该理解，光电二极管阵列11可以是一维或二维的。二维光电二极管阵列11可用于使透射/反射电磁辐射成像。例如，在包括光栅12的实施例的情况下，利用二维阵列11可以检测整个条纹图，其中一维阵列11仅产生穿过所述条纹图的线的信息。尽管一维分析可能足够了，但是检测和捕获二维图像可能有用。对于本领域的技术人员来说显然可以利用就检测范围、分辨率等具有希望特性的任何检测元件来替代光电二极管阵列11。例如，电磁辐射的检测可以涉及光纤以及相关联的处理装置。

对于本领域的技术人员来说显然，前述所有实施例不以任何方式进行限制，仅是通过示例的方式被给出。在不破坏本发明的情况下，可以对检测设备1作出各种修改。

例如，尽管结合使用弹性元件3从平直位置运动到弯曲位置、或从弯曲位置运动到平直位置，来示出了对流体特性的确定，但是使用弹性元件的其它的“初始”和“终止”位置或“结构(configuration)”也是可以的。弹性元件可以从第一弯曲结构运动到第二弯曲结构。为了确定流体的特性，弹性元件必须从第一结构运动到第二结构。也可以随后运动到其它的结构。第一和第二结构可以是相同的。

提供锁装置用于将弹性元件保持或“锁”在希望位置。例如，如果弹性元件3包括有磁性材料(诸如钴)，与设备1相邻地放置的电磁铁可用于将弹性元件3锁到希望位置。另选地，磁性材料可以固定地附着到弹性元件。当电磁铁处于“开通”，则它可以被设置为吸引磁性材料并因此吸引弹性元件3。另选地，可以将弹性元件3设置为排斥电磁铁。

不管电磁铁产生吸引力还是排斥力，如果弹性元件3是有弹性的，则弹性元件3中的势能的增加(由于元件3的弹性)可以与吸引的或排斥的磁力相对。这种能量的增加可以产生可能试图将弹性元件3的位置恢复到其平衡位置的恢复力。如果磁力使得与恢复力平衡，则弹性元件将被“锁”到希望位置。

电磁铁可以与设备是一体的，或者电磁铁可以是单独一件装置。另选地，弹性元件可以包括电磁铁，而磁性材料可以是单独一件装置。应该理解，任何可控制的可变磁场源都可用于代替电磁铁。

在图7所示的另选实施例中，弹性元件3形成了类似电容器的结构的一个板。弹性元件3包括导电层3c(诸如金)，其形成了类似电容器的结构的第一板。另一个导电板13(诸如金)形成了类似电容器的结构的第二板，并且位于设备1的主体区2上。

施加在两个板3c、13之间的电势差使得在各个板3c、13上增加相反的电荷，并且在两个板之间建立了电场。因为相反电荷吸引，所以板3c、13将相互吸引。应该理解，该吸引力(静电力)可用于将弹性元件3保持或锁到希望位置。优选地，第二板3c被固定在适当位置，即不自由运动，以确保在被锁时，因而第二板3c进行任何运动弹性元件3都不运动。

如果弹性元件3是有弹性的，则在弹性元件3中的势能的增加(由于弹性元件3的弹性)可能与吸引的静电力相反。这种能量的增加能够产生可以试图将弹性元件3的位置恢复到其平衡位置的恢复力。如果静电力是与恢复力平衡的力，则弹性元件3将被“锁”在希望位置。

板3c、13之间的电接触是不希望的。可以将设备1构造为使得这种电接触是不可能的。例如，第二板3c可以驻留在主体区2中的凹处，以便即使当弹性元件3是平的时，第一板3c和第二板13也是空间分离的，并且防止了它们之间的电接触。另选地，在某些实施例中，板中的一个(或每个)涂覆有电绝缘层(未示出)，以防止这种电接触。电绝缘体可以是塑料材料。

应该理解，第二板13可以驻留在主体区2上。例如，第二板13的位置仅需要使得可以在板之间建立电场，该电场足够大到将弹性元件3锁到希望位置。

锁弹性元件3具有重要的优点。例如，弹性元件3是由具有不同热膨胀系数的(至少)两层形成。当受热时，弹性元件3从第一结构运动到第二结构。然后可以施加电场或磁场以将弹性元件3保持在适当的位置，随后可以去热。然后弹性元件3的温度可以返回到其环境(即，其浸入的流体)的环境温度。然后，弹性元件将弹性地偏移以返回第一结构。然后可以去除电场或磁场，由于温度变化而产生的恢复力使弹性元件3运动，弹性元件3的运动在该环境温度下被表征。因此，使弹性元件3运动而要求的热量并不影响实验的结果。使用电场或磁场将弹性元件3保持在适当位置比使用热量(或者提供给加热器的电流)更有能效，因此减小了具有这些特征的设备的功耗。

如此前所描述的，应该理解，还可以将类似电容器的结构用作可变电容器。通过在板3c、13之间施加恒定的电势差，可以使用简单的静电理论，根据电容器的电容推出在板3c、13之间的间距。如果板3c、13的间距变化，则电容其的电容也变化。因此，因为弹性元件3包括有电容器的一个板，所以可变电容器可用于检测并表征弹性元件3的运动。

此外，弹性元件3可以不是两种材料的叠层。弹性元件3可以包括多于两种材料或两层，例如，可以由多层压阻材料或其它任何所希望的材料形成。应该理解，弹性元件仅需要在受热时能够从第一结构运动到第二结构。优选地，该运动相对要大。这通过选择具有适当特性地材料来实现(诸如特定的杨氏系数和热膨胀系数)，以便施加小的热信号就产生弹性元件3的相对大的运动。这优选地通过使用两层或更多层的叠层来实现。一层可以包括聚合物。一层可以包括金属。聚合物可以是聚酰亚胺、聚酰胺(polyamide)或丙烯聚合物(acrylic polymer)。金属可以是铝或金。相对大的运动可以便于使用结合有光学方法和/或装置的运动检测器。

应该理解，可以对检测设备1的尺寸进行选择以使具体应用符合情况。应该理解，可以对弹性元件3的尺寸进行选择以适于特定应用。例如，尺寸可以在从微米级到毫米级的范围内，例如，1μm至10mm。弹性元件的长度，被定义为从第一端到第二端的距离，例如可以是100μm至1mm。弹性元件3的形状也是可变的。弹性元件3可以远离主体区2地逐渐变细。弹性元件3可以远离主体区2向外张开。弹性元件3可以不是一个连续的物体。例如，弹性元件3可以是其多个部分被切掉了的薄矩形层。这可以是为了流体力学的目的或其它。弹性元件3甚至可以包括被绑到远离主体区2的一端的另外的元件，例如桨状物。该桨状物可以与弹性元件3是一体的。包括该桨状物可用于增加弹性元件的表区域，这例如可以增加设备对流速和切变率测量的检测敏感性。

加热器和运动检测元件可以分离。另选地，加热器4和运动检测器元件可以组合，以便单个元件执行它们的两个功能。如果加热器4包括压阻材料，则加热器4还可用作运动检测器的压阻元件5a。组合的加热器运动检测器可以包括单一的材料，诸如金。通过使用诸如聚酰亚胺层的弹性支持层，可以大大提高金的压阻行为。

为了形成这种组合的多层加热器-运动弹性检测元件，在弹性元件3上淀积聚酰亚胺轨道，随后在该轨道之上设置金属层。应该理解，为了实现组合的多层加热器运动弹性检测元件，可以有很多种结构。为了操作，加热器-运动检测元件必须散热并显示出压阻行为。

使用指定的制造方法可将弹性元件3构造为在平衡时(未施加信号)是直的。例如，在其加热制造过程中，可以在一层或多层中引入指定的压力。

可以对加热器4的类型、形状和位置进行选择以符合情况或设计标准。例如，加热器4可以在弹性元件3的上表面上。加热器4可以位于弹性元件3的底面上。加热器4可以嵌入弹性元件3中。例如，如果弹性元件3是叠层结构，则加热器4可以驻留在层之间。这可以确保热量的主体是在弹性元件3中散发，这与流体样品相对。这有两个优点，即，增加了效率，更重要地，样品的温度未被人为地升高从而没有不利地影响测量。加热器4可以是散热的导电材料。加热器4可以是分离的设备，诸如不是一体的导电细丝(filament)。加热器4可以是导电材料的薄膜淀积。加热器4可以是导电材料的轨道。例如，加热器4可以是导电轨道，迂回地向前、并且来回地穿过弹性元件3，从而使得在其上均匀地散热。

在弹性元件3上也可以使用冷却元件。通过结合冷却器，如果叠层弹性元件3的组成层拥有不同的热膨胀系数，那么使用分层弹性元件3这些层的不同膨胀可以使弹性元件3弯曲。运动的方向与向弹性元件3加热时相反。

针对流体本身的加热和冷却，检测设备1还可以包括组合的加热器和冷却器，以便在所选温度处进行测量。该加热器和冷却器可以驻留在主体区2或弹性元件3上。施加到加热器4的运动信号(例如，电流)可以是任何预定的功能。例如，该信号可以是正弦波、调制后正弦波、方波、单个脉冲或恒值的连续电流。

应该清楚，通过同时使用多个弹性元件3，可以同时进行多个测量。例如，使用三个独立的弹性元件3，就可以同时测量流体样品的温度、粘度和流速。为了获得希望数量的弹性元件3，可以使用多个设备1，每个设备1包括一个或多个弹性元件3。另选地，可以使用包括有希望数量个弹性元件3(适当地构造)的单个设备1。弹性元件3可以是任何希望的结构。例如，两行弹性元件3可以相互交叉。

通过使用位于流体中不同位置的多个弹性元件3，可以获得流体的特性的空间分布。因此，通过使用包括有多个弹性元件3的设备1，可以容易地得到这种分布。应该理解，可以实时地获得这种分布。例如，通过在多个位置测量流体的流速，可以得到流体的切变率。通过实时地获得分布，可以准确地测量其中的变化。这种变化可能是自然的，例如热能的损失，或者可能是引起的，例如向流体加入化学制品。

应该理解，正像流体可以对弹性元件3有影响一样，弹性元件3可以对流体3有影响。例如，弹性元件3在流体中的运动可以在其中引起了紊乱(turbulence)。弹性元件3在流体中的运动也可以在其中引起了流动。多个弹性元件3的协调的特殊的运动可以在流体中引起特殊的流动。因此，在流体中可以人为地引入流动。例如，为了模仿流体在管中的流动可以在流体中引入流动。在流体进行这样的流动期间然后可以确定流体的特性。

在使用多个弹性元件3时，多个中的某些例如通过周期性地操作元件3可在流体中引起流动。一个或多个其它元件3可用于表征该流动。例如，一设备可以包括有排列成两行的七个弹性元件3。第一行可以包括第一、第三、第五和第七弹性元件3，第二行是第二、第四和第六弹性元件。第一行的弹性元件可以沿第一方向延伸。第二行的弹性元件通常在与第一方向平行但相对的方向上延伸。因此，第一行的弹性元件与第二行的弹性元件相对。在该实施例中，七个弹性元件相互交叉。第一、第三、第五和第七弹性元件3可被排列为在流体中产生流动。

例如，可对第一、第三、第五和第七弹性元件3的运动进行控制以便这些运动是“级联的(cascade)”。因为使第一元件从第一结构运动到第二结构，所以使第三元件从第二结构运动到第一结构，并且因为使第三元件从第一结构运动到第二结构，所以使第五元件从第二结构运动到第一结构等。在第一、第三、第五和第七弹性元件在流体中产生流动期间，第二、第四和第六元件可用于表征该流动。例如，它们可同时用于确定流体的切变率。另选地，或另外，它们可用于确定不同的特性。例如，第二弹性元件3可确定流体的温度，第四弹性元件3确定流体粘度，第六弹性元件3可确定流体的流速。

设备1可驻留在容器中，以便可以准确地监视和控制容器中的环境状态。例如，可以监视和/或控制容器中的压力和/或温度。对驻留在容器中的任何流体都可以实现这种监视并施加控制。应该理解，仅仅是设备1的弹性元件3可以驻留在容器中，而该(或各个)设备1的主体区2驻留在容器的外部。在测量流体的粘度时，控制或掌握流体的温度是有用的。这在测量血液粘度时尤其正确，因为血液的粘度随温度的变化而明显变化。因此，温度控制和传感设备可用于有效地控制容器中流体的温度。例如，可以使用加热器和/或冷却器。加热器和/或冷却器可以是独立的装置，与传感设备1完全分离。另选地，加热器和/或冷却器可以与传感设备1为一体。温度传感设备也可以与传感设备1分离或为一体。应该容易地理解，温度传感设备可以是在此前所描述的包括有由具有不同热膨胀系数的材料组成的多个层。

应该理解，检测设备1可以形成更大更复杂系统的一个完整部分。例如，由于其易于制造，所以可以低成本地制造检测设备1，这使得引入易于处理的设备1成为可能。尽管在例如确定水的特性时，设备1可以或不需要被再次使用，在一次使用之后就将设备1处理掉，这在某些情况下是理想的。对于例如卫生、污染等很多原因这都是实际情况。其中卫生和污染尤其重要的情形是血液测试领域，尤其是测试人的血液。可以将该设备1制造成非常小的尺寸，因此可易于将其结合到抽血和测试系统中。此外，由于小尺寸，因此相应地要求少量流体样品。

例如，血液粘度涉及深度静脉血栓症，深度静脉血栓症与持久地乘飞机飞行有关。理想地，乘客可以测量他/她自己的血液粘度，从而在确定是否需要复用任何稀血剂(例如，阿司匹林)。设备1(或多于一个的设备1)可以与显微针(用于无痛抽血)结合，并具有可方便地拆卸的电连接，这些电连接被设计为将类似的连接接合在小的手持处理终端上。针和设备1可以是附加的，从而电连接到终端，并且乘客可以从他/她的身体无痛抽血。通过受该终端控制，设备1然后会按照前面的描述来运作，并产生与血液有关的信息。该终端可以包括简单的显示器，显示诸如血液粘度的信息，其是否为危险水平等。因为小而便宜，所以然后可低成本地处理掉该针和设备1。利用另外的针和设备1可再次使用该终端。因此，在一次飞行中可使用很多设备1。

应该清楚，设备1的功能、连同它的小尺寸以及低制造成本使得其在很广泛类型的应用中被便利地使用，在这些应用中，要求对流体的特性，例如粘度、温度、流速和切变率进行确定。优选地，该流体是液体。优选地，该液体是血液或其组成部分，诸如血浆。优选地，要确定其特性的流体的体积是1微升级。

Claims (10)

1.一种使用传感元件确定流体特性的方法，该传感元件包括：

弹性元件，通过弯曲所述弹性元件可使所述弹性元件从第一结构运动到第二结构，所述弹性元件包括激励部，被设置用于使所述弹性元件在所述第一结构与所述第二结构之间运动，该方法包括：

通过向所述弹性元件施加热信号，引起所述弹性元件在所述第一结构与第二结构之间进行运动；

从所述传感元件接收信号，所述信号表明了在所述流体中引起的所述弹性元件的运动；以及

处理所述信号以确定表明所述流体的至少一个特性的值；

所述方法还包括，通过静电力将所述弹性元件保持在所述两个结构中的至少一个中。

2.如权利要求1所述的方法，其中对所述信号进行处理以确定表明包括有粘度、温度、流速和切变率的组中的至少一个特性的值。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

通过监视所接收的信号随时间的变化，来确定所述弹性元件的运动的变化速率；以及

根据所述的运动变化速率来确定表明所述流体的粘度的值。

4.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述弹性元件的所述激励部包括至少两层的叠层，各层具有不同的热膨胀系数，并且其中，在通过施加热信号引起运动之前，对表明所述流体的温度的值进行确定。

5.一种用于检测流体的特性的设备，该设备包括：

主体区；

弹性元件，具有第一端和第二端，所述第一端固定地位于所述主体区上，所述弹性元件被设置为通过弯曲所述弹性元件可使其从至少第一结构运动到第二结构；

所述弹性元件包括至少两层的叠层以及激励部，该激励部被设置用于使所述弹性元件在所述第一结构与所述第二结构之间运动，该激励部由所述叠层的至少第一层提供，该第一层具有与所述叠层的第二层不同的热膨胀系数，以便所述弹性元件的温度变化使得弹性元件从所述第一结构运动到所述第二结构；

所述弹性元件还包括加热元件，用于对至少所述弹性元件加热，从而提供所述温度变化；以及

运动检测器，被设置用于检测所述弹性元件的所述运动，并用于提供表明其中浸有所述弹性元件的流体的特性的信号；

其中所述设备还包括锁装置，被设置用于将所述弹性元件保持在所述两个结构中的至少一个中。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述运动检测器包括位于所述弹性元件上的压力电阻元件，该压力电阻元件被设置以便由于所述弹性元件的运动而使压力电阻元件的电阻变化。

7.如权利要求5或6所述的设备，其中所述叠层的第一层和第二层中的至少一层包括从聚酰亚胺、聚酰胺和丙烯聚合物组成的组中选出的一种材料。

8.如权利要求5至7的任一项所述的设备，其中所述叠层的第二层包括金属。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述金属是从金或铝组成的组中选择的。

10.如权利要求5至9的任一项所述的设备，其中所述弹性元件的从所述第一端到所述第二端的长度在100μm至1mm之间，并且其中在所述第一结构中所述弹性元件的第二端与在所述第二结构中所述弹性元件的第二端之间的距离在30μm至650μm之间。

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