CN108601558B - 弹性丝速度传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于经由线丝的挠度来测量流体流的速度的装置。还公开了一种用于测量流体流的速度的方法，该方法需要使两根或更多根线丝在流体流中发生挠曲，测量两个或更多个电阻，以及使流体流的速度等于上述两个或更多个电阻的函数的结果。在该装置和方法两者中，一根线丝的长度尺寸必须比该线丝在主要感测方向或横向方向上的尺寸中的至少一个尺寸长，以及在整个预定工作范围内该线丝在主要感测方向和/或横向方向上的尺寸小于。

Description

弹性丝速度传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月28日提交的第62/271,855号美国临时申请以及于2016年2月17日提交的第62/296,339号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用结合于此。

背景技术

许多工艺和/或设备都使用或操纵移动的流体。从交通工具(例如汽车、飞机、船舶或潜水艇)到家庭(例如加热和通风系统、水管)到许多现代工业工艺都依赖于各种气体的使用和流动。通常，对于这些工艺和/或设备，准确确定流体的速度是很重要的。因此，已经开发了用于确定流体速度的各种技术。

使用经校准的应变仪来测量流体速度的想法并不是新想法。这些目前已知的想法大多数都涉及利用经校准的、在一个或多个表面上嵌入有应变仪的悬臂或板件。然后对整个构件的弯折和挠度进行测定以得到流体速度。然而，这些设备复杂且昂贵。利用应变仪效应来测量流体速度的较简单且较廉价的技术将是有益的。

发明内容

本发明涉及一种用于通过使适当配置的线丝(filament，细丝、丝状物)发生挠曲来测量速度的系统和方法。这些系统和方法利用下述线，这样的线具有在整个预定工作范围内都小于

的至少一种尺寸，包括但不限于诸如宽度、厚度和直径等尺寸，其中μ是流体流的粘度，ρ是流体流的密度，并且U是流体流相对于至少一根线丝的速度。在一个实施方案中，在整个预定工作范围内，两种尺寸小于

在所预想的许多不同可能性中，线丝也可以在两端受到支撑。还可以设想，线丝是独立式的。进一步设想，线丝的长度介于主要感测尺寸和横向尺寸两者的10倍至100,000倍之间，包括是主要感测尺寸和横向尺寸两者的10倍和100,000倍。更进一步设想，线丝包括下述材料：所述材料具有介于0.001Gpa至500GPa之间的杨氏模量，包括0.001Gpa和500GPa的杨氏模量，并且所述材料具有介于30MPa至3000MPa之间的屈服强度，包括30MPa和3000MPa的屈服强度。

通常期望线丝由具有低热阻系数(“TCR”)的材料构成。在一些实施方案中，线丝由TCR值介于1×10^-2至1×10^-81/℃之间的材料构成。在优选实施方案中，TCR值介于1×10^-4至1×10^-81/℃之间。进一步地，通常期望线丝具有中等至较高的增益因数。例如，在一些实施方案中，线丝具有介于2至1000之间的增益因数。在优选实施方案中，增益因数介于2至6.1之间。

更进一步设想，线丝在主要感测方向上的尺寸小于

其中μ是流体流的粘度，E是线丝的杨氏模量，w是横向方向上的尺寸，L是丝长度，并且U是流体流相对于线的速度。可以设想，该线丝包括在形变时其电阻产生变化的材料，并且可以包括不同材料(包含纯金属或金属合金、导电聚合物或压阻材料)，并且可以进一步包括至少一种附加材料。

进一步设想，传感器可以包括两根或更多根线丝，并且第一线丝对速度或温度中的至少一个的灵敏度可以与第二线丝不同。

还可以设想，传感器可以被适当配置用于各种环境，包括在流体输送系统中测量流率、在通风系统中测量压力差、或者测量交通工具的空气速度或水速。

还设想了各种系统，该系统包括传感器和被配置成测量线丝的电压或电阻的电路。还可以设想，这种传感器系统可以包括被配置成关于温度或电流变化自动调节输出的电路。进一步设想这种系统包括处理器，以用于接收包括线丝的电压或电阻的信号，并输出包括计算出的流体流速度的信号。可以设想，传感器系统还可以包括无线收发器，该无线收发器能够传输包括线丝电压、线丝电阻和/或计算出的流体流速度的信号。可以设想，可能需要传感器壳体来保护至少上述电路，如果不是保护该设备的大部分的话。

附图说明

图1是本发明的线的一个实施方案的图示。

图2是由本发明的一个实施方案测量的校正速度分布图。

图3是惠斯通电桥的图。

图4是一种用于测量速度的方法的一个实施方案的流程图。

图5至图7是传感器实施方案的测量结果相对于理论预测的图。

图8是线丝的一个实施方案的中心线性厚度分布图。

图9是本发明的一个实施方案的正面掩模。

图10是本发明的一个实施方案的背面掩模。

图11是安装在基板上的传感器芯片的一个实施方案的框图。

图12是设置成用于分析本发明的性能的测试图。

图13是空气中的线丝的一个实施方案的共焦图像。

图14是线丝的各种实施方案的截面图示。

具体实施方式

本文描述的设备在设计和操作上远比以前考虑的那些设备要简单，至少部分原因在于经校准的构件和应变仪是同一个。这种设计允许使我们消除现有感测方法中最复杂和最昂贵的方面，致使设计和操作更加简单。

公开了一种传感器，该传感器用于通过使用独立式导电丝(优选纳米丝)来测量流经(passing，经过)的流体的速度。丝应当被配置成使得能够因待测量的流动流体而发生挠曲。然后，来自流经的流的曳力使线丝发生挠曲，引起轴向应变。伸长率和压阻效应的组合将轴向应变与丝上的电阻变化相关联，即应变仪效应。一般，由于丝上的流体曳力随着流体速度而增加，因此流经的流体的速度可以与所测量的电阻变化相关。

传感器的新颖方面之一在于形式和功能简单。在一个实施方案中，独立式线丝暴露于流体流，使其形变并伸长。几何形状简单以及大纵横比能够实现流体载荷和弹性形变的半解析处理，而较小的厚度则能够实现高灵敏度。

为了设计对给定速度范围具有最佳灵敏度的线丝，必须在轴向应变与流体速度之间建立关系。考虑图1所示的线的实施方案。以全域笛卡尔坐标

和

示出的线(10)具有矩形横截面，其中跨距(span)(20)L₀远大于基距(base，轴距、底边距)(30)b和厚度(40)h，其中厚度应被认为是纳米级尺寸。在均匀载荷(50)

下，沿着厚度方向的尺寸，线将经历最大挠度(60)δ达到伸长长度(70)L，产生总伸长率L-L₀。

虽然线在图1中显示为具有矩形截面，但其他截面和构造也是可以接受的。图14中示出了一些变型。这些变型包括但不限于矩形(1610)、圆形(1620)和梯形(1430)截面。另一种线丝选项可以采用多个层(1440)。图14示出了具有三个层(1442，1444，1446)的一个选项，其中每个层都可以由不同的材料构成，并且每个层都可以具有不同的截面。图14示出了其中第一层(1442)的宽度与第二层(1444)或第三层(1446)不同并且第二层的厚度与其他两个层不同的一个实施方案。其他非限制性选项包括空心截面(1450，1460)。在优选实施方案中，至少一根线丝的跨距或长度介于基距和厚度两者或者横向尺寸和主要感测尺寸两者的10倍至100,000倍之间，包括是基距和厚度两者或者横向尺寸和主要感测尺寸两者的10倍和100,000倍。更优选地，该跨距或长度介于基距和厚度两者或者主要感测尺寸和横向尺寸两者的100倍和10,000倍之间，且包括是基距和厚度两者或者主要感测尺寸和横向尺寸两者的100倍和10,000倍。进一步地，尽管在图1中显示为独立式线，但是线丝也可以在两端受到支撑。另外的线也可以是独立式的或者可以不是独立式的。例如，温度测量线或电阻补偿线可以是独立式的，但当不是独立式时也可以起作用。

当考虑纳米级尺寸时，优选的是选择比线的长度小几个数量级的厚度或主要感测方向，以对沿着该尺寸的载荷表现出可忽略的抗弯刚度。这样做的结果是，控制力平衡主要由内部张力主导，而非由经典的欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)弯折理论主导。

在一个实施方案中，至少一根线丝在主要感测方向上的尺寸小于

其中μ是流体流的粘度，E是线丝的杨氏模量，w是横向方向上的尺寸，L是权利要求1所述的传感器的丝长度，并且U是流体流相对于线的速度。

因此，流体流动中与纳米级尺寸对准的任何分量都将使线弹性伸长，直到形变和内部应力足以平衡流体曳力为止。该净伸长率可以被测量为线丝长度上的电阻变化，如果材料是压阻式的，该效应将被放大。可以使用梁理论来确定由外部载荷引起的形变和相应的伸长率。端部铰接(pinned)的、在均匀载荷下具有均匀截面的线丝的稳态挠度取决于：

其中E是材料的弹性模量，I是面积二次矩，并且对具有矩形截面的线给作

w是相对于中性轴(neutral axis，中轴)的挠度，N是由弹性形变产生的梁中的轴向张力。此外，假设线丝具有较大的曲率半径R，其中R>>L₀。该假设(小角度近似)在该分析中被反复调用，并且其对于该传感器的有效性已使用激光扫描共焦显微镜进行评估。

小角度近似允许将线丝坐标系视作与图1中的全域笛卡尔系对准。该假设能够显著简化控制动力学，并且可以考虑特定流参数和线参数对该假设进行验证。在这种情况下，方程1中的N可以被视为在线的跨距上是恒定的。

用无量纲参数和量纲系数对该方程定标度(scale)揭示了Euler-Bernoulli项对内部张力的相对重要性。方程1中的给定参数可以被定标度为

其中带上划线的参数是无量纲的且量级统一，并且其前面有适当的量纲常数。注意，虽然δ是中点挠度，但相对于其他参数的标度还是未知的。假设N是仅由线中的净轴向应变产生的张力(即忽略预张力)，并且A是截面积且由A＝bh给出，则其可以按下述方式定标度为N＝EAδ²L₀ ^-2 N。用这些无量纲参数表示方程1得出：

方括号内的各项仅由无量纲标度函数和变量组成，因此量级统一。这些项中的每一项前面都有一组标度参数，这组标度参数指示每个无量纲标度函数对力平衡的相对重要性。当挠度δ的标度使得δ>>h时，括号内的第一项可以相对整体的力平衡

被忽略。

如果认为外部载荷与h一致，则线上的挠度随时间t的控制方程(governingequation，支配方程)由下式给出：

对于这种线构造，ρ_s是纳米线的密度，A是线的截面积(A＝bh)，I是面积二次矩(I＝bh³/12)，w是相对于中性轴的挠度，x表示沿线的跨向(spanwise，跨距方向)轴，κ是Timoshenko(季莫申科)剪切系数，G是剪切模量，E是弹性模量，η是来自周围流体的线性阻尼系数，q是每单位跨距的载荷，并且N是由弹性形变引起的线中的张力。假设挠度明显小于线的跨距，以确保线的形变是弹性的并且远低于构成线丝的至少一部分(优选是全部)材料的屈服点。在该假设下，N可以被视为在线的长度上是恒定的。

使用几何学、流体流动和材料特性的知识，Timoshenko梁控制方程可以用由量纲系数定标度的无量纲的量和导数来表示。这可以被定标度为

注意，δ和ω还是未知的，但被规定为使得无量纲项量级统一。Q是所施加载荷的标度。对于期望的应用，Q的大小通常在给定范围内是已知的。如果首先假设N是由线中的净轴向应变产生的张力，则其可以按以下方式定标度为

方括号中的各项是无量纲的，并且为统一的量级，并且由量纲常数定标度。为了确定挠度δ的标度，可以考虑均匀外部载荷q与线的弹性形变之间的稳态平衡。所有对时间的求导项都可以忽略，并且所得到的控制方程由以下方程给出：

从该方程形式，揭示了抗弯刚度和内部应力对平衡外部载荷的相对贡献。在挠度远大于线丝的厚度的情况下，抗弯刚度对外部载荷提供的抵抗力是可忽略的，其中大部分抵抗力来自内部应力。在所有抵抗力都来源于内部应力的情况下，可以将δ的标度确定为δ～(QL⁴(Ebh)^-1)^1/3。还应当注意，如果Q不足以大到实现δ>>h，则标度分析会回到经典的Euler-Bernoulli结果。使用这些关系，可以建立用于Q的阈值，以确定弯折何时从经典的Euler-Bernoulli弯折过渡到由伸长率主导的弯折，其中δh^-1>>1＝>Q>>Eb(hL^-1)⁴。此外，为确保梁仍处于小角度近似状态，Q必须足够小以确保δ<<L。使用相同的标度，可将该标准重新表示为关于Q的上限，其中Q<<Eb(hL^-1)。

用稳态挠度的标度考虑完整方程，可以确定时间标度。由于假设局部加速度项为领头阶(leading order)，因此时间标度可以定义为

保留一阶项并适当地归一化得出：

由于粘性曳力是所提出的流体流对线丝施加载荷的方式，因此标度分析揭示了各个粘性项的相对重要性。由于已知I非常小，并且假设G与E同阶，因此显然，领头阶阻尼项是方程右边的最终项。收集领头阶项(以及Euler-Bernoulli弯折项)并用前面讨论的流体施力(forcing)代替载荷项，可以导出修正的阻尼谐振子方程来描述线丝的挠度。完整的动力学方程可以写为：

将N分解为来自预应力的贡献和来自挠曲诱发的应力的贡献，可以将上述方程重新表示为：

使用Chebyshev谱方法和第四阶Runge-Kutta时间推进对由上述方程控制的领头阶Timoshenko挠度的数值模拟进行数值求解。发现结果与低阶模型具有良好的一致性。

此外，可以示出，为了使小角度近似有效，线必须处于δ<<L₀的状态。总体来说，这些限制可以表示为施力标度q的条件，其中

这些标准一起指定最低设计标准，以确保控制方程适用于特定线几何形状并忽略特定材料限制诸如屈服强度。由于N是源自轴向伸长率的张力，方程1可以表示为：

可以调用小角度近似来通过将w视作二阶泰勒近似值来简化积分。使用图1中概述的坐标系，w可以由w(x)≈δ(1–4x²L₀ ^-2)准确地表示。鉴于

方程4中的被积函数也可以简化为二阶泰勒近似值，从而给出：

如果假设了挠曲的形状，则可以实现该方程的封闭形式解。在一个实施方案中，已假设挠度比长度小，并且可以通过抛物曲线将挠曲梁的形状近似为领头阶。将该曲线建模为抛物线有利于均匀载荷与所诱发的应变之间的明确关系。对沿着线丝轴线的抛物线弧长进行简单积分揭示了线丝的应变ε可以用L和δ表示为：

对方程5进行积分呈现了由应变诱发的轴向应力与均匀载荷之间的关系，该关系由下式给出：

上述方程与力平衡一致，其中必须通过施加在线丝的铰接端处的力的竖向分量来平衡外部载荷。中点挠度可以明确地求解为：

并且应变可以求解为：

方程8和方程9的重要结果是，函数关系与从方程2导出的标度分析一致。

为了确保建模可适用，q必须与流体流相关，以确定是否在方程3中拟定出(outline)标准。假设L仍然明显长于挠曲标度δ，则该流体力学可以被视为准2D。该假设允许流体流中的梯度在跨向方向上比主要感测方向和横向方向要小。这意味着梁的挠曲对流体流的影响可以忽略，并且梁上的载荷可以与线丝周围的局部流动速度相关。另外，如果b足够小使得基于b的雷诺数

则可以认为流动是粘性主导的，并且可以使用解析技术准确地描述来自流动的曳力。

在传感器的一个实施方案中，线丝被配置成使得在整个预定工作范围内，线丝在主要感测方向和横向方向上小于

这里，ρ是流体密度，μ是流体的动态粘度，并且

是丝上流的标称速度标度。在这些条件下，来自流体的每单位跨距的局部载荷q(x)可以以线性方式描述为：

q(x)＝C_DU(x)μ(方程10)

其中U(x)是与厚度尺寸对准的流动速度分量，μ是流体的粘度，并且C_D是曳力的系数。虽然在二维形状上没有对低雷诺数流动的解析解，但是对于细长体和圆柱体，存在指定C_D≈1-10的若干近似值。当C_D以这种方式定义时，其应当在Re_b→0的极限处接近恒定值。然而，在一个实施方案中，雷诺数是有限的，并且发现为1≤Re_b≤10。在该范围内，惯性效应变为领头阶，因为在线丝后面可能发生分离，并且确认C_D随Re_b增大。收集方程9和方程10的结果，可以用下式以封闭形式的方式将柔性线丝中的诱发应变与均匀流动速度直接相关：

为了评估上述方程的结果的有效性，对于一个实施方案，对具有均匀载荷的方程1进行数值求解，并且将结果与来自抛物线挠度模型的预测进行比较。为了完全解析边界附近的挠度，由于在边缘附近Euler-Bernoulli项可以成为领头阶，因此使用余弦间隔对梁进行离散化，并且使用Chebyshev谱方法对梁进行求解。用第四阶Runga-Kutta时间方案通过时间推进方程17找到平衡挠度，直到稳态。使用Chebyshev谱方法有利于在域边界附近获得高准确度和高分辨率。将铰接和固定边界条件下的模拟结果与低阶模型进行比较，发现两者都具有误差在几个百分点以内的一致性。数值解与模型之间的一致性表明，小角度近似是对于这种配置的线丝的有效假设，即可以假设Euler Bernoulli项对梁的整体挠度的影响是可忽略的。

此外，利用流体流与载荷之间建立的关系，可以对小角度挠曲和弹性张力主导的弯折的有效性进行评估。使用方程3的标准，对于不同的流体和线配置，可以建立关于速度的新标准，由下式给出：

图2提供了由本发明的一个实施方案测量的边界层的校正速度分布图，该图以内坐标绘制。在图2中，流动条件是Re_τ＝1218，其中

壁面剪切应力为τ_w，流体密度为ρ，层厚度为δ₉₉，并且流体的动态粘度为u。图2还包括壁面和尾流区域的近似拟合，以用于比较。考虑图2，方程12的标准可以用于确定其中弯折由弹性张力主导并且弯折由小角度近似捕获的速度范围。

在该实施方案中，传感器有L₀＝200μm，b＝2μm，h＝100nm，E＝168GPa并且取C_D＝5，发现对于水，不等式12的速度标准为4μm/s<<U<<3.3×10⁴m/s，对于空气，不等式12的速度标准为200μm/s<<U<<1.8×10⁶m/s。很显然，在这两种情况下，最小速度都明显小于许多常见的受关注的流动应用，并且最大速度标准都明显大于实际可测量的任何物理流动。另外，图2中记录的速度安全地在该范围内。最大速度标准的大小表明，其是通过考虑线屈服应力而非考虑与小角度近似值的偏差来适当确定的。在一个实施方案中，从速度为0到速度使给定流体中的线上的应力超过线丝的屈服应力，线丝在主要感测方向或横向方向上的尺寸都小于

令人欣慰的是，该结果表明对于这种特定的线配置，小角度近似应该对所有受关注的速度都有效。

利用与流体流相关的线力学，可以利用经典的应变仪方程来将线丝中的应变与测量的电阻变化相关联。通过简单的泰勒级数近似，一般可以示出：

其中R是以经典方式定义的线电阻

ΔR是由于应变引起的相对于参考电阻的电阻变化，υ是线材料的泊松比，

是线电阻率，并且下标0代表已知温度和应变的特定参考状态。括号中的前两项包含源自应变的几何伸长和收缩，而第三项是来自压电电阻率的贡献。方程13中括号中所含的每一项都是材料特性，并且与线几何形状无关。通常将这些项共同表示为单个材料特定应变因数GF，该应变因数将电阻的微小的(fractional，分数)变化与应变相关联。收集方程11和方程13的结果，流体载荷与测量电阻之间的函数关系由下式给出：

这里，应注意，如果单个传感器采用两根或更多根的线，由此其中至少两根线之间对温度和速度的灵敏度是不同的，则能够区分温度和应变的变化。优选地，在包括两根或更多根线的传感器中，第一线丝的刚度或物理尺寸与第二线丝不同，或者第一线丝对速度或温度中的至少一个的灵敏度与第二线丝不同。

尽管用于推导方程14的关系忽略了预应力或预形变效应，但可以将方程7修正为包括这些效应，并且可以导出针对应变的更复杂的近似。

具有抛物线形轮廓的非线性稳态挠度方程的封闭忽略了未受载的线丝中的有限张力或压缩的效应。对方程7的简单修正得出新的方程：

其中σ₀是未受载的线丝中预先存在的轴向应力。负的σ₀对应于预张力，而正的σ₀将被视为处于未受载状态的线的等效挠度。将方程18和方程6结合给出了挠度的修正方程：

显然，当σ₀→0时，所述关系回到方程8和方程9中的结果。预张力和预挠度两者的总体效应是减少线在载荷下所经受的挠度和应变的净变化。

可以表明，这两种效应的净效应是抑制来自外部载荷的应变变化。此外，如果预应力比流体载荷小，则对力学的影响可以忽略。

利用方程14中建立的流体载荷与线电阻之间的函数关系，优选的是，线丝具有高应变系数GF、低杨氏模量E、大跨距L₀和小截面积A。换言之，对于给定的流体流，细长的线将更加灵敏；精心挑选的低E且高GF材料将进一步提高灵敏度。为了确保流体施力处于粘性主导状态，线的基距b需要较小，优选为微米级。在优选的实施方案中，基距小于200微米。在更优选的实施方案中，基距小于100微米。在更加优选的实施方案中，基距小于50微米。在更加优选的实施方案中，基距介于0.1微米至10微米之间。

许多材料都可以提供所需的功能。在一个实施方案中，线丝包括以下中的至少一种：纯金属(例如铂或金等)或金属合金(例如铂铜、金钯、镍铬合金等)；导电聚合物；或压阻材料。优选地，铂(Pt)作为具有高压阻、高延展性、低热膨胀系数的一个良好候选而突出。在金属中，铂具有中等的杨氏模量，但是铂不起反应且易于使用标准MEMS技术进行处理来形成薄膜。进一步地，作为贵金属，不会形成氧化层而使工艺复杂化。另外，TCR低的材料是优选的。然而，在一些情况下，包含不止一种材料可能是有益的，上述材料包括但不限于金属和介电材料、金属材料的合金或层压体、非导电聚合物和导电聚合物、或者生物材料和压阻材料。

由于这些传感器可以用于各种环境中，因此在设计适当的传感器时需要考虑许多不同的因素——对一种或多种材料的选择、线尺寸、定向、芯片封装等等都起作用。例如，设计成用于测量汽车速度的设备必须具有与为船舶设计的设备(例如，在0℃和40℃之间的盐水中为0至40mph)不同的速度和环境因素的工作范围(例如，在-50℃和50℃之间的空气中为0至120mph)。并且，这两种设备都与以下设备不同：设计为用于测量大风道空气处理系统中的速度的传感器(在15℃和50℃之间的空气中为0至20mph)，或者用于测量地下污水流量、测量工业环境中可燃气体的速度、或在医院中测量穿过导管的血液流量的传感器。在某些环境中，还可能必须需要能够对传感器进行清洁、消毒和/或杀菌。例如，如果传感器在制药工业中用作流量计，则其可能需要与设施的原位清洁(CIP)和/或原位消毒(SIP)能力兼容，并且需要进行某些配置更改以实现这种兼容性。

实施例装置

管流动是研究的最简单流动之一，并且其速度分布在很宽的雷诺数范围内都是很好理解的。在一个示例性装置中，传感器被设计为通过在中心处具有4mm的通孔而与管道直接相接，通孔上跨越有感测线丝。独立式线丝的跨距与基距之比受金属薄膜强度的限制，并保持在150以下，以维持本实施例中处理过程中线的完整性。部署了最小的支撑结构来支承线丝，以使可能改变感测元件附近的流动的阻塞效应最小化。

图9中示出了示例性芯片的紧凑布局，其中感测线(910)具有750×6.5μm的尺寸。黑色圆圈表示4mm孔(920)的位置，但是在其他实施方案中不需要这样的孔，只要线丝可以暴露于流体流即可，并且涂为红色的区域将沉积有铂。在该实施例中，8×8mm的芯片被设计成安装到更大的印刷电路板(PCB)上，该印刷电路板具有相同尺寸的通孔以及电引线以进行测量。

铂的一个主要缺点是其温度系数中等，这意味着其电阻很容易受环境温度的影响。由于铂在大温度范围内具有接近恒定的温度系数，因此常常将该特性用于传感器，诸如热线和冷线。为了将速度和温度对电阻变化的贡献进行分解，在传感器上添加了尺寸为200×2.5μm的第二线(930)，以进行准确的温度测量，这允许将速度信号与温度变化解耦。

该芯片的制造采用标准的半导体和MEMS技术。从抛光的100mm硅晶片开始，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在250℃下沉积500nm的氮化硅层。该氮化硅层用作铂层与硅晶片之间的电绝缘层。使用标准双层抗蚀剂光刻法将大约40个图9所示的芯片图案化到晶片的氮化硅侧上，以允许在金属剥离后特征边缘清晰。然后将150nm的铂溅射到下方带有10nm钛(Ti)的图案上，以帮助粘附于氮化硅。

为了形成用于管流动实验的通孔，使用深反应离子蚀刻(DRIE)从背面(非金属面)对晶片进行蚀刻。DRIE是高度各向异性的蚀刻工艺，用于通过在蚀刻剂和保护气体等离子体之间交替来形成具有直壁的高纵横比特征，该保护气体等离子体是在产生的电场下被驱动朝向晶片。设计掩模，以形成通孔，同时将各个芯片从100mm硅晶片上脱离。这种掩模的一个实例是如图10所示的10×10mm的掩模。该工艺避免使用切割锯，切割锯中产生的碎片可能会破坏独立式特征。由于通孔的堵塞物设计得很小，因此用于支撑被蚀刻掉的硅的结构相对较少。随着蚀刻硅变得非常薄，其可能容易使裂缝蔓延而使线断裂。为了防止这种情况发生，添加了阻塞“岛”(1010)，以形成屏障并将该孔分割成更小的区域。在每个分割区域中，中心倾向于稍微更快地蚀刻，使其成为第一个蚀穿点。在氮化物沉积期间，不同的晶格间距和升温会造成硅晶片与氮化硅的界面处存在残余应力。当晶片被蚀穿时，硅将释放能量并围绕第一开口点破裂。由于铂线丝的厚度仅为150nm，因此破裂很可能导致线断裂并致使感测元件不可用。因此，以不对称的方式放置引入的阻塞“岛”(1010)，促使破裂远离线发生。在通孔蚀刻期间引入不对称的“岛”证明显著增加了传感器制造工艺的收率。

一旦芯片从晶片上脱离，用六氟化硫执行另一硅干法蚀刻，以清除通孔中的多余硅并去除PECVD氮化硅。如图11所示，然后将芯片(1110)安装到PCB(113)上，这可选地使用粘合剂(1120)诸如导电的环氧树脂以进行良好的电连接。可选地，也可以使用冶金连接——诸如使用焊球——来代替粘合剂。在该实施例中，在安装芯片时，将芯片中的通孔(1140)与PCB中的孔中的孔(1150)对准。虽然该图示示出了一种安装好的芯片，但是只要各个孔适当对准，也可以将芯片嵌入PCB或其他基板中，或者可以将芯片安装在其他结构上。该设备还可以包含壳体(未示出)，该壳体防止大部分电子电路暴露于环境，而仅使线丝本身暴露。

优选地，传感器将结合用于诸如通过惠斯通电桥测量电压或电阻的电路，但是本领域技术人员将认识到存在可以使用的其他技术。使用半导体和集成电路行业中已知的技术，PCB还可以可选地包括一个或多个有源和/或无源组件，诸如处理器、存储器或无线收发器，或者可以提供用于键盘、鼠标、显示器或其他用户接口的连接。处理器可以被配置成接收包括线丝的电压或电阻的信号，并且优选地基于先前存储的校准曲线来输出包括计算出的流体流速的信号。然后可以将线丝电压或电阻或者计算出的流体流速显示在用户界面上，可以以有线或无线的方式传输给远程计算机或服务器，或以其他方式通信给另一设备或用户。

优选地，传感器还将结合被配置成关于温度变化或电流变化自动调节输出的电路。这可以在惠斯通电桥中无源式地完成，或者其可以涉及反馈回路，将用于测量电压或电阻的电路与用于控制经过线丝的电流的电路结合使用。如果采用两根或更多根的线，每根线都可以具有其自己的控制电路。

在一个实施例中，使用图12所示的设置评估传感器，该设置被配置成使用水或空气作为工作流体。将由压力调节器(1230)控制的流体流引导通过经校准的光滑管(1270)的一部分。通过使用压力变换器(1250)在使流动充分展开的长度l(1240)上测量压降来确定总体流动速度。离开管(1280)的流将经过传感器(1210)中的线，在流(1260)离开系统之前引起应变和电阻变化。通过将线集成为惠斯通电桥(1220)的一部分来测量微小的电阻变化。通过电桥电路组件的已知值将电桥上的电压与线中的电阻变化直接相关联。

图3示出了惠斯通电桥样本。在一个示例性方法中，电压以下述方式与电阻相关联：

其中R₁，R₃(390，330)是大而已知的电阻器，R₂(370)是接近线丝电阻的可调电阻器，V_G(310)代表点B(340)与点D(380)之间的测量电位差，V_s代表点A(320)与点C(360)之间的测量电位差，并且R_x代表第一线丝(910)的电阻。可以可选地用第二线丝(930)代替R₂(370)，第二线丝暴露于基本上与第一线丝相同的流体流，但是具有不同的配置，使得其具有不同的性能特点(例如，对速度或温度的灵敏度降低或提高)。

在该实施例中，电桥中的这些组件中的每一个都是精心选择的，以使线中的电阻热最少化，同时确保对流动载荷的灵敏度为可测量的水平：惠斯通电桥中的电流限于67μA，这意味着如果线处于水下，则所测量的电阻变化中不足1％是由于焦耳热引起的；然而，在空气中(尤其是在较低的速度下)，焦耳热将贡献更多。在用共聚焦显微镜进行的实验中，将物镜放置在系统出口上方与流(1260)成一直线。

如图13所示，当线暴露于高达20m/s的总体流速时，执行750μm乘6.5μm乘150nm的传感器的共焦成像，以进一步研究和验证建模。参见图13，对于几种不同的氮气流速，记录了线丝挠曲的二维区域绘图(area map，区域映射)。从每个区域绘图中，提取线丝的中心线性厚度分布图，如图8所示。沿着每个分布图的长度执行数值积分，以找到由于流动引起的伸长率，如图5所示。

注意，从图8中，未受载的线丝的分布图指示预先存在的不对称形变。由于当处在流中时线丝受载，因此挠曲的形状更紧密地贴合预期的抛物曲线，并且与未受载的配置相比形变增大。两个三角形铂支撑件的存在可以最好地解释相对于对称的抛物线形状的其余偏差，该两个三角形铂支撑件也是部分独立式的。挠曲的相对大小和形状验证了抛物线形状和小角度近似适合于线力学。此外，挠度相比于厚度的相对大小意味着力平衡由弹性伸长率主导，而不是由抗弯刚度主导。

将由显微镜得到的应变与从方程11对ε的理论预测进行比较。鉴于已知C_D随雷诺数增大，R_e与C_D之间的函数关系对于确定流体施力是必需的。为了近似这个趋势，应用直径为b的圆柱体的R_e与C_D的经验关系。

尽管没有预期圆柱体的C_D应当与阻流带(bluff ribbon)的C_D相匹配，但是该估计应当会在该实施例中考虑的雷诺数的跨度上捕获到曳力的总体幅度和趋势。

图5示出了测量应变与来自近似流体载荷模型的预测之间的对比。尽管C_D不确定，但由模型预测的斜率与实验结果之间存在合理的一致性。然而，当这些结果被因素化(factored)时，这些结果与预应力和预挠度被忽略的情况下的最简单模型形式偏离。

如图6所见，这些传感器的实施方案能够精确地捕捉标度理论。在水中(深色符号)以及在空气中(较浅符号)对几个实施方案进行测试，每个实施方案具有各自的尺寸，并将结果与理论曲线进行比较。图6示出了在载荷下根据电压测量计算出的电阻变化。对于该流动状态，C_D与直径为b的圆柱体的C_D近似，并且对于铂，GF近似为2.4。该实施例中的线大小包括750×6.5μm(正方形)、共焦成像下750×6.5μm(菱形)、375×6.5μm(指向朝上的三角形)和375×2.5μm(指向朝下的三角形)。

一个直接明了的趋势是，灵敏度与线大小的相对关系与理论预测一致。在图6中，最不灵敏的线最终为375×6.5μm的几何形状，而最灵敏的为750×6.5μm的几何形状。这些结果是预期之中的，因为较长的线遭受到更多的施力，而较宽的线则具有较高的抗弯折性。

图7中示出了对单线的更详细的分析，其将750×6.5μm线与理论进行比较。额外的理论线包括因子

以说明由于制造过程导致的任何预应力或预挠曲。实验装置中预拉伸或压缩的准确幅度是未知的，但上述两个附图中显示了一系列可能的值。

另外，所包括的误差条代表线处的流体温度的不确定性。对于用水进行的测量，管壁与总体流动之间的小温差将导致针对不同速度的温度漂移。温度测量位置与线丝不重合，而是实际上向下游移位了几毫米，导致丝实际温度的不确定性。另外的不确定性在于丝本身的温度校准。在一个实施方案中，校准偏移中0.005℃的偏差会导致ΔR/R的变化高达0.0002。

在图7的误差条中可以看到系统的这种温度漂移，注意误差随着流体施力的减小而增大。随着流率降低，从水到系统中的管道的传热变得更加明显，造成流体的温度下降。由于较高的流率将具有较高的温度(由于水箱比系统温度稍高)，因此将记录人为变高的电压。用热电偶近似地反映该温度漂移，但热电偶与丝之间的有限距离会导致测量的温度与线感受到的温度有所不同。由于丝与热电偶之间的温降较小，因此速度越快，使得温度测量越准确。

在空气中获取数据的情况下，由于校准偏移量小以及测量本身的差异，温度具有不确定性。这导致所有测量结果的误差条都非常相似，相比之下，在水中，误差随着速度降低而增大。

一些不确定性在于线上C_D的精准值。随着流动速度增大，C_D将增大。

误差条仅含有这两个温度贡献，表明在特定的线丝选材下，对丝温度的精准测量对于提高传感器的精确度是极其重要的。可替代地，可以采用TCR较低的材料。暴露于流中但被固定以防止任何挠曲的第二线将允许在丝附近进行非常准确的温度测量，实现传感器本身的精准温度校准。

图4中描绘了用于确定流体流的速度的一个示例性方法的流程图。该方法首先需要提供包括两根或更多根线丝的传感器，每根线具有不同的刚度(410)。然后将线丝布置在流体流中，使得丝可以发生挠曲(420)。可选地，将每根线丝维持在基本恒定的温度下(430)。可以相信，这两根丝不必维持在相同的温度下。使用诸如惠斯通电桥的测量电路，测量两根线丝中的每一根线的电阻(440)。然后可以使流体流的速度等于上述两个电阻的函数的结果(450)。优选地，至少一根线丝的长度尺寸比宽度尺寸或厚度尺寸中的至少一个尺寸长，并且能够在暴露于流体流时发生挠曲。在整个预定的设计或工作范围内，至少一根线丝在主要感测方向或横向方向上的尺寸应小于

其中μ是流体流的粘度，ρ是流体流的密度，并且U是流体流相对于线丝的速度。

在不脱离本发明的范围和精神的情况下，除了本文所示和所描述的之外，对本发明的各种修改和变型对于本领域技术人员来说都是明显的，并且落入权利要求的范围内。虽然已经结合具体的优选实施方案描述了本发明，但应当理解，所要求保护的本发明不应当不适当地限于这些具体实施方案。

Claims (20)

1.一种速度传感器，所述速度传感器被配置成测量流体流的速度，所述传感器包括至少一根导电线丝，其中所述至少一根线丝被配置成具有比宽度尺寸或厚度尺寸中的至少一个长的长度尺寸，其中所述至少一根线丝适于在暴露于所述流体流时发生挠曲，

其中，在整个预定工作范围内，所述线丝在主要感测方向或横向方向中的至少一个方向上的尺寸小于

其中μ是所述流体流的粘度，ρ是所述流体流的密度，并且U是所述流体流相对于所述至少一根线丝的速度，以及

其中，所述流体流的速度是根据与由所述丝的挠曲引起的轴向应变相关联的所述丝上的电阻变化来确定的。

2.根据权利要求1所述的速度传感器，其中，所述至少一根线丝在两端受到支撑。

3.根据权利要求1所述的速度传感器，其中，所述至少一根线丝是独立式的。

4.根据权利要求1所述的速度传感器，其中，所述至少一根线丝的长度介于主要感测尺寸和横向尺寸两者的10倍至100,000倍之间，包括是所述主要感测尺寸和横向尺寸两者的10倍和100,000倍。

5.根据权利要求1所述的速度传感器，其中，所述至少一根线丝包括下述材料：所述材料具有介于0.001Gpa至500GPa之间的杨氏模量，包括0.001Gpa和500GPa的杨氏模量，并且所述材料具有介于30MPa至3000MPa之间的屈服强度，包括30MPa和3000MPa的屈服强度。

6.根据权利要求1所述的速度传感器，其中，在整个预定工作范围内，所述至少一根线丝在所述主要感测方向上的尺寸小于

其中μ是所述流体流的粘度，E是所述线丝的杨氏模量，w是所述横向方向上的尺寸，L是根据权利要求1所述的传感器的丝长度，并且U是所述流体流相对于线的速度。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述至少一根线丝包括下述材料：当所述材料形变时，该材料的电阻产生变化。

8.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述至少一根线丝包括下述中的至少一种：纯金属或金属合金；导电聚合物；半导体材料；或压阻材料。

9.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述至少一根线丝包括两种或更多种材料。

10.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器包括至少第一线丝和第二线丝。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述第一线丝对速度或温度中的至少一个的灵敏度中至少之一与所述第二线丝不同。

12.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器适于测量流体输送系统中的流率、通风系统中的压力差或交通工具的速度中的至少一种。

13.一种速度传感器系统，包括：

根据权利要求1所述的速度传感器；以及

电路，所述电路被配置成测量所述速度传感器的至少一根线丝的电压或电阻。

14.根据权利要求13所述的速度传感器系统，还包括：

被配置成关于温度变化自动调节输出的电路。

15.根据权利要求13所述的速度传感器系统，还包括处理器，所述处理器适于接收包括所述线丝的所述电压或电阻的信号，并且输出包括计算出的流体流速度的信号。

16.根据权利要求13所述的速度传感器系统，还包括无线收发器，所述无线收发器能够传输包括所述线丝的电压、所述线丝的电阻或计算出的流体流速度中的至少一个的信号。

17.根据权利要求13所述的速度传感器系统，还包括适于保护至少所述电路的传感器壳体。

18.一种用于确定流体流的速度的方法，包括下述步骤：

提供两根或更多根线丝，各根线丝对速度的灵敏度不同；

测量所述两根线丝中的每一根线丝的电阻；以及

使所述流体流的速度等于两个电阻的函数的结果，

其中，所述线丝中的至少一根线丝的长度尺寸比宽度尺寸或厚度尺寸中的至少一个长，并且至少一根线丝适于在暴露于所述流体流时发生挠曲，并且在整个预定工作范围内，至少一根线丝在主要感测方向或横向方向中的至少一个方向上的尺寸小于

其中μ是所述流体流的粘度，ρ是所述流体流的密度，并且U是所述流体流相对于所述线丝的速度，以及

其中，所述流体流的速度是根据与由所述丝的挠曲引起的轴向应变相关联的所述丝上的电阻变化来确定的。

19.一种用于制造根据权利要求1所述的速度传感器的方法，包括下述步骤：

在基板上沉积绝缘层；

在所述绝缘层上沉积至少一个导电层；以及

蚀刻出从所述至少一个导电层的表面延伸至所述基板的表面的通孔；

其中，在所述通孔中形成所述至少一根线丝和至少一个不对称岛，并且其中，所述至少一个不对称岛被配置成促使破裂远离至少一根线。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括在所述绝缘层与所述至少一个导电层之间沉积粘结层或粘合剂。

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