CN109891249A - 辐射热计流体流动和温度传感器 - Google Patents
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Abstract
传感器包括参考辐射热计和多个感测辐射热计。每一个感测辐射热计邻近于参考辐射热计布置。每一个辐射热计包括（i）衬底，（ii）连接到衬底的盖结构，盖结构配置成限定盖结构的内表面与衬底的第一表面之间的腔体，（iii）连接衬底并且布置在腔体内的吸收器，吸收器配置成吸收腔体内的红外辐射，以及（iv）连接到吸收器并且配置成提供指示由吸收器吸收的红外辐射量的信号的读出电路。参考辐射热计的盖结构阻挡红外辐射从盖结构的外部进入腔体。每一个感测辐射热计的盖结构允许红外辐射从盖结构的外部进入腔体。
Description
技术领域
本文档中所公开的装置和方法涉及基于辐射热计的传感器，并且更特别地，涉及基于辐射热计的流体流动和温度传感器。
背景技术
辐射热计是一种用于测量电磁辐射的传感器类型。辐射热计一般包括经由热学链路连接到热沉或热储（即恒定或接近恒定温度的主体）的吸收元件。温度计或其它温度敏感元件附接到吸收元件或嵌入到其中以便测量吸收元件的温度。在一些辐射热计中，吸收元件可以自身是温度敏感元件。
辐射热计的基本操作原理是，当入射的电磁辐射或光子被吸收元件吸收时，来自辐射的能量升高吸收元件的温度。温度中的改变通过温度敏感元件测量以便测量所吸收的辐射的量值。为了检测某些类型的辐射，吸收元件可以配置用于对不同范围的波长敏感。
图1示出用于检测红外辐射104的微辐射热计100。微辐射热计100包括吸收器108，其包括配置成吸收红外辐射并且作为温度中的小改变的结果而相对地展现电阻中的改变的材料。例如，吸收器108可以包括无定形硅或氧化钒。吸收器108通过一对电极116悬浮在衬底112上方以便将吸收器108与衬底112热学隔离。经由电极116向吸收器108施加电流或电压，并且监视吸收器108的电阻中的改变以便检测辐射104。
针对诸如微辐射热计100之类的传感器的一种常见用途是用于测量热学辐射。处于任何非零温度的物体辐射电磁能量。在接近室温的温度下，物体主要辐射红外辐射，这可以通过诸如微辐射热计100之类的传感器来检测。然而，使用辐射热计传感器来实现除简单的辐射传感器之类的其它种类的传感器将是有利的。
发明内容
公开了一种流体流动传感器。流体流动传感器包括配置成提供参考信号的参考辐射热计，参考辐射热计包括：具有第一表面的衬底；连接到衬底的盖结构，盖结构配置成限定盖结构的内表面与衬底的第一表面之间的腔体，盖结构配置成阻挡红外辐射从盖结构的外部进入腔体；连接到衬底的第一表面并且布置在腔体内的吸收器，吸收器配置成吸收腔体内的红外辐射；以及连接到吸收器并且配置成提供指示由吸收器吸收的红外辐射量的参考信号的读出电路；以及多个感测辐射热计，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计邻近于参考辐射热计布置，并且配置成提供测量信号，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计包括：具有第一表面的衬底；连接到衬底的盖结构，盖结构配置成限定盖结构的内表面与衬底的第一表面之间的腔体，盖结构配置成允许红外辐射从盖结构的外部进入腔体；以及连接到衬底的第一表面并且布置在腔体内的吸收器，吸收器配置成吸收腔体内的红外辐射；以及连接到吸收器并且配置成提供指示由吸收器吸收的红外辐射量的测量信号的读出电路。
公开了一种操作流体流动传感器的方法。该方法包括从参考辐射热计接收参考信号，参考辐射热计包括（i）具有第一表面的衬底，（ii）连接到衬底的盖结构，盖结构配置成限定盖结构的内表面与衬底的第一表面之间的腔体，盖结构配置成阻挡红外辐射从盖结构的外部进入腔体，（iii）连接到衬底的第一表面并且布置在腔体内的吸收器，吸收器配置成吸收腔体内的红外辐射，以及（iv）连接到吸收器并且配置成提供指示由吸收器吸收的红外辐射量的参考信号的读出电路；从多个感测辐射热计中的每一个辐射热计接收测量信号，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计邻近于参考辐射热计布置，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计包括（i）具有第一表面的衬底，（ii）连接到衬底的盖结构，盖结构配置成限定盖结构的内表面与衬底的第一表面之间的腔体，盖结构配置成允许红外辐射从盖结构的外部进入腔体，（iii）连接到衬底的第一表面并且布置在腔体内的吸收器，吸收器配置成吸收腔体内的红外辐射，以及（iv）连接到吸收器并且配置成提供指示由吸收器吸收的红外辐射量的测量信号的读出电路；以及基于参考信号和来自所述多个感测辐射热计中的至少一个辐射热计的辐射热计的测量信号而确定在参考辐射热计和所述多个感测辐射热计附近流动的流体的流动特性。
附图说明
结合随附各图，在以下描述中解释流体流动传感器和操作流体流动传感器的方法的前述方面和其它特征。
图1示出用于检测热学辐射的现有技术微辐射热计。
图2示出基于辐射热计的流体流动传感器。
图3示出在流体开始从左向右流动时，来自图2的流体流动传感器的随时间的示例性输出信号。
图4示出操作图2的流体流动传感器以确定流体的流动方向的方法。
图5示出操作图2的流体流动传感器以确定流体的流动速度的方法。
图6示出操作图2的流体流动传感器以确定检测区域中的温度的方法。
图7示出参考辐射热计和感测辐射热计的可能布置以使得能够实现多轴流体流动感测。
图8示出可以使用根据本公开的流体流动传感器做出其热学图像的感兴趣的区域。
具体实施方式
出于促进本公开的原理理解的目的，现在将参照在各图中图示并且在以下书面说明书中描述的实施例。要理解到，没有由此意图对本公开的范围的限制。还要理解到，本公开包括对所图示的实施例的任何更改和修改，并且包括如本公开所关于的领域中的技术人员正常将想到的本公开的原理的进一步应用。
图2示出流体流动传感器200。流体流动传感器200包括参考辐射热计202和一个或多个感测辐射热计204。每一个辐射热计202、204包括通过一对电极210悬浮在衬底208上方的吸收器206。每一个辐射热计202、204还包括形成在衬底208的上表面214上或连接到衬底208的上表面214的盖结构212。盖结构212具有配置成限定涵盖吸收器206的腔体216的形状。特别地，腔体216被限定在盖结构212的内表面218与衬底208的上表面214之间。在一个实施例中，在腔体216中存在接近真空的压力。在一个实施例中，盖结构212包括从衬底208的上表面214延伸的墙壁部分220。墙壁部分220为位于吸收器206上方、与衬底208相对的盖结构212的顶部部分222提供支撑。
感测辐射热计204的盖结构212包括红外透明材料，诸如硅。相应地，允许红外辐射穿过盖结构212的顶部部分222并且进入感测辐射热计204的腔体216。红外辐射被吸收器206吸收，从而增加吸收器206的温度。作为结果，感测辐射热计204对由流体流动传感器200附近的物体所发射的热学辐射以及因而所述物体的温度敏感。此外，感测结构对从盖结构212自身发射的热学辐射敏感。
相反，参考辐射热计202的盖结构212配置成阻挡红外辐射进入参考辐射热计202的腔体216。特别地，在一个实施例中，将红外不透明材料层224沉积或附接到盖结构212的顶部部分222的上表面。在其它实施例中，可以将红外不透明材料层224夹在盖结构212的顶部部分222内部或沉积在盖结构212的内表面218上。在另外的实施例中，整个盖结构212可以包括红外不透明材料。在任一情况下，盖结构212不允许红外辐射从参考辐射热计202的盖结构212外部进入到腔体216中。作为结果，参考辐射热计202对由流体流动传感器200附近的物体所发射的热学辐射不敏感。而是，参考辐射热计202主要对从盖结构212自身发射的热学辐射敏感，并且因而对盖结构212的温度敏感。
辐射热计202、204中的每一个还包括配置成提供指示由相应吸收器206吸收的辐射量的电压输出的读出电路226。在一个实施例中，读出电路226是构建到衬底208中的集成电路。在其它实施例中，分离地提供读出电路226。在所示实施例中，读出电路226包括配置成提供经由电极210流过吸收器206的恒定电流的恒流源228。读出电路226提供跨吸收器206的电压作为输出230。在可替换的实施例中，读出电路226还可以包括与吸收器206串联布置以形成分压器的电阻（未示出）。在该实施例中，恒压源（未示出）跨分压器施加恒定电压，并且将跨吸收器206的电压或跨串联电阻的电压提供为输出230。
吸收器206包括配置成吸收红外辐射并且作为温度中的小改变的结果而展现电阻中的大改变的材料。例如，吸收器206可以包括无定形硅或氧化钒。当红外辐射被辐射热计202、204之一的吸收器206吸收时，吸收器206的温度增加。在一个实施例中，吸收器206具有负电阻温度系数。相应地，当吸收器206的温度增加时，相应电极210之间的电阻减小。作为恒流源228提供通过吸收器206的恒定电流的结果，跨吸收器206的电压以及因而输出230处的电压随吸收器206的电阻中的减小而成比例地减小。可替换地，在另一实施例中，吸收器206具有正电阻温度系数。相应地，当吸收器206的温度增加时，相应电极210之间的电阻增加。作为恒流源228提供通过吸收器206的恒定电流的结果，跨吸收器206的电压以及因而输出230处的电压随吸收器206的电阻中的增加而成比例地增加。
在图2中所示的实施例中，存在线性布置成行（沿页面上从左向右的轴线）的两个感测辐射热计204和一个参考辐射热计202。然而，以下进一步描述具有附加的感测辐射热计的另外的实施例。每一个盖结构212的顶部部分222的外表面面向共同方向，朝向检测区域232。有效检测区域232可以从盖结构212的顶部部分222的外表面延伸开一定距离。所述两个感测辐射热计204在参考辐射热计202的任一侧上彼此相对地布置。在一个实施例中，辐射热计202、204连接在一起，使得每一个盖结构212的顶部部分222的外表面形成面向检测区域232的平滑表面。在其它实施例中，辐射热计202、204以限定距离间隔开。
在一个实施例中，流体流动传感器200包括布置在辐射热计202、204的盖结构212内的一个或多个加热元件234。不要求加热元件234用于流体流动传感器200的操作。然而，如以下将进一步详细讨论的，针对流体流动测量的灵敏度可以通过操作加热元件234以便将盖结构212暖化到大于周围温度的预定温度来改进。在一个实施例中，加热元件234仅布置在参考辐射热计202的盖结构212中。在其它实施例中，加热元件234布置在感测辐射热计204和参考辐射热计202的盖结构212中。如所示，加热元件234布置在每一个辐射热计202、204的盖结构212的顶部部分222中。然而，在其它实施例中，加热元件234可替换地布置在盖结构212中的一个或多个的墙壁部分220中。
流体流动传感器200的工作原理是基于利用相应吸收器206检测辐射热计202、204的盖结构212中的温度改变。特别地，当流体238流过检测区域232时，盖结构212被流体238冷却。然而，流体238不均匀地冷却盖结构212。特别地，流体238从左向右的流动将略微在冷却参考辐射热计202的盖结构212之前开始冷却最左感测辐射热计204的盖结构212。类似地，流体238从左向右的流动将在冷却最右感测辐射热计204的盖结构212之前开始冷却参考辐射热计202的盖结构212。该时间延迟可以被吸收器206检测到并且用于确定流体238的流动方向。
此外，流体238在一个方向上的流动将倾向于创建辐射热计202、204的盖结构212之间的温度梯度。例如，当不存在流体流动时，加热元件234配置成将每一个盖结构212加热到近似相同温度。然而，如果存在流体238从左向右的流动，则温度梯度将在每一个盖结构212之间显现。特别地，当流体238冷却最左感测辐射热计204的盖结构212时，流体238被暖化并且在它向右流动时随其携带温暖。相应地，流体238的冷却效果关于参考辐射热计202的盖结构212减弱，并且关于最右感测辐射热计204的盖结构212甚至进一步减弱。以此方式，如果流体238从左向右流动，最左感测辐射热计204的盖结构212将比参考辐射热计202的盖结构212冷却更多，这进而比最右感测辐射热计204的盖结构212冷却更多。另外，温度梯度的量值将取决于流体238的流动速度而变化。特别地，如果流体238快速流动，则盖结构212之间的温度梯度的量值较大。相反，如果流体238缓慢流动，则盖结构212之间的温度梯度的量值较小。该温度梯度可以被吸收器206检测到并且用于确定流体238的流动方向和流体238的流动速度。
此外，要指出的是，如果流体238比盖结构212更暖，则它可以暖化盖结构212而不是如以上所描述的那样冷却盖结构212。然而，盖结构212的暖化中的时间延迟和盖结构212之间的温度梯度可以被吸收器206类似地检测到并且用于确定流体238的流动方向。
此外，在具有加热元件234的实施例中，加热元件可以被驱动以维持盖结构中的恒定温度。相应地，当流体238流动时，可以检测维持恒定温度所必需的功率中的改变以用于检测如以上所讨论的时间延迟或梯度的目的。
图3示出当流体238开始从左向右流动时来自流体流动传感器200的随时间的示例性输出信号。图线310示出从图2中所示的最左感测辐射热计204的读出电路226输出的测量信号312。类似地，图线320示出从图2所示的参考辐射热计202的读出电路226输出的参考信号322。最后，图线330示出从图2中所示的最右感测辐射热计204的读出电路226输出的测量信号332。
在时间t1之前，流体238没有沿左右轴线在任一方向上流动。如图3中所示，在该时间期间，参考信号322具有电压V0，其反映由参考辐射热计202的盖结构212辐射的热学辐射量。V0的值一般反映辐射热计202、204中的每一个的盖结构212的温度，其应当粗略地是在没有检测区域232中的任何明显流体流动的情况下的相同温度。
如图3中所示，在时间t1之前，来自感测辐射热计204的测量信号312和332分别具有电压V1和V2。电压V1和V2一般略微小于电压V0。特别地，电压V1和V2不仅反映由相应感测辐射热计204的盖结构212辐射的热学辐射量，而且反映从检测区域232中的物体通过盖结构212进入到腔体216中的热学辐射量。相应地，感测辐射热计204的吸收器206比参考辐射热计202的吸收器206略微更暖并且具有略微更低的电阻。电压V1或V2与电压V0之间的差反映从检测区域232中的物体进入到相应腔体216中的近似热学辐射量。
在时间t1处，流体238开始从左向右流动。当流体238跨盖结构212的顶部部分222的外表面流动时，盖结构212由于热量从盖结构212向流体238并且远离流体流动传感器200的传导和/或对流传递而开始冷却。然而，由于流体238从左向右流动，因此最左感测辐射热计204的盖结构212在参考辐射热计202的盖结构212之前开始冷却，并且参考辐射热计202的盖结构212在最右感测辐射热计204的盖结构212之前开始冷却。特别地，如图3中所示，作为最左感测辐射热计204的盖结构212的冷却的结果，来自最左感测辐射热计204的测量信号312在时间t1处开始增加。类似地，作为参考辐射热计202的盖结构212的冷却的结果，来自参考辐射热计202的参考信号322在随后于时间t1的时间t2处开始增加。最后，作为最右感测辐射热计204的盖结构212的冷却的结果，来自最右感测辐射热计204的测量信号332在随后于时间t1和时间t2的时间t3处开始增加。要指出的是，时间t1、t2和t3之间的差在图3的图线中被夸大以用于图示该现象。可以执行时间t1、t2和t3的比较以确定流体238的流动方向。
如以上所讨论的，流体238的流动还创建温度梯度。在图3中还论证了该温度梯度对参考信号322以及测量信号312和332的效果。当最左感测辐射热计204的盖结构212冷却时，测量信号312从电压V1增加到电压V3。假定进入腔体216的红外辐射量保持类似，电压V3与电压V1之间的差反映已经发生在最左感测辐射热计204的盖结构212中的近似冷却量。类似地，当参考辐射热计204的盖结构212冷却时，参考信号322从电压V0增加到电压V4。电压V4和电压V0之间的差反映已经发生在参考辐射热计202的盖结构212中的近似冷却量。最后，当最右感测辐射热计204的盖结构212冷却时，测量信号332从电压V2增加到电压V5。假定进入腔体216的红外辐射量保持类似，电压V5与电压V2之间的差反映已经发生在最右感测辐射热计204的盖结构212中的近似冷却量。要指出的是，取决于流体238的流动速度和加热元件234的操作温度，最右感测辐射热计204的盖结构212可能实际上完全不冷却，并且可能甚至由于流体238从左向右的流动而略微升温。尽管如此但是，可以执行电压V0、V1、V2、V3、V4和V5的比较以确定流体238的流动方向。还可以执行电压V0、V1、V2、V3、V4和V5的比较以确定流体238的流动速度。
返回到图2，在一个实施例中，流体流动传感器200还包括控制器236。在一个实施例中，控制器236是分立的控制装置，诸如微控制器或其它可编程逻辑装置。在其它实施例中，控制器236的功能通过其中集成流体流动传感器200的电子装置的处理器实现。控制器236配置成从辐射热计202、204的读出电路226接收输出230。在一个实施例中，控制器可操作连接到驱动电路以用于操作加热元件234，并且配置成操作加热元件234以便将盖结构212暖化到特定温度。在一个实施例中，控制器配置成操作加热元件234以维持盖结构212中的恒定温度。控制器236配置成基于来自辐射热计202、204的读出电路226的输出230，确定流过检测区域232的流体238的流动特性，诸如流动方向和流动速度。在一个实施例中，控制器236还配置成至少部分地基于加热元件234维持盖结构中的恒定温度的功率要求而确定流动特性。在一个实施例中，控制器236还配置成基于来自辐射热计202、204的读出电路226的输出230而确定检测区域232中的温度。
以下描述用于操作流体流动传感器200的方法。在该方法的描述中，方法执行某种任务或功能的陈述是指，控制器或通用处理器运行存储在操作连接到控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中的编程指令，以操纵数据或操作一个或多个组件以执行该任务或功能。特别地，以上的控制器236或其中集成流体流动传感器200的电子装置的处理器可以是这样的控制器或处理器。可替换地，该方法可以利用多于一个处理器以及相关联的电路和组件来实现，其中的每一个配置成形成本文所描述的一个或多个任务或功能。此外，可以以任何可行的时间顺序执行该方法的步骤，而不管图中所示的顺序或以其描述步骤的顺序。
图4示出操作流体流动传感器200以确定流体238的流动方向的方法400。方法400以从辐射热计接收参考信号（块410）为开始。特别地，当参考辐射热计202上电时，参考辐射热计202的读出电路226在其输出230处提供代表由参考辐射热计202的吸收器206吸收的辐射量的参考信号。控制器236配置成从参考辐射热计202的读出电路226接收参考信号。方法400继续以从多个感测辐射热计中的每一个辐射热计接收测量信号（块420）。特别地，当感测辐射热计202上电时，感测辐射热计202的读出电路226各自在其相应输出230处提供代表由参考辐射热计202的吸收器206吸收的辐射量的测量信号。控制器236配置成从感测辐射热计204的读出电路226接收测量信号。方法400继续以基于参考信号和测量信号中的至少一个而确定在参考和感测辐射热计附近流动的流体的流动方向（块430）。特别地，如以下进一步详细讨论的，控制器236配置成基于参考信号和测量信号中的至少一个而确定流过检测区域232的流体238的流动方向。
在块430的一种实现方式中，方法400基于哪个盖结构首先开始冷却而确定流体的流动方向。特别地，在一个实施例中，控制器236配置成基于来自最左感测辐射热计204的读出电路226的测量信号而检测到被最左感测辐射热计204的吸收器206吸收的红外辐射量在第一时间点（反映最左感测辐射热计204的盖结构212开始冷却的时间）处已经开始减小。此外，控制器236配置成基于来自参考辐射热计202的读出电路226的参考信号而检测到被参考辐射热计202的吸收器206吸收的红外辐射量在第二时间点（反映参考辐射热计202的盖结构212开始冷却的时间）处已经开始减小。最后，控制器236配置成响应于第二时间点在时间上随后于第一时间点（反映最左感测辐射热计204的盖结构212在参考辐射热计202的盖结构212之前开始冷却）而确定流体238在从最左感测辐射热计204朝向参考辐射热计202（即从左向右）的方向上流动。如果最左感测辐射热计204的盖结构212在最右感测辐射热计204的盖结构212之前开始冷却，或者如果参考辐射热计202的盖结构212在最右感测辐射热计204的盖结构212之前开始冷却，控制器236做出流体238从左向右流动的类似确定。相反，如果最右感测辐射热计204的盖结构212在参考辐射热计202的盖结构212之前开始冷却，如果最右感测辐射热计204的盖结构212在最左感测辐射热计的盖结构212之前开始冷却，或者如果参考辐射热计202的盖结构212在最左感测辐射热计204的盖结构212之前开始冷却，控制器236做出流体238从右向左流动的类似确定。更简单地说，关于图3的图线，控制器236如果t1＜t2、如果t2＜t3和/或如果t1＜t3则确定流体238从左向右流动，并且如果t1＞t2、如果t2＞t3和/或如果t1＞t3则确定流体238从右向左流动。
在块430的一种实现方式中，方法400基于辐射热计的盖结构之间的温度梯度中的改变而确定流体的流动方向。特别地，在一个实施例中，控制器236配置成基于来自最左感测辐射热计204的读出电路226的测量信号而检测到，由最左感测辐射热计204的吸收器206吸收的红外辐射量自从其开始减小以来已经减小了第一量（反映最左感测辐射热计204的盖结构212已经冷却的量）。此外，控制器236配置成基于来自参考辐射热计202的读出电路226的参考信号而检测到，由参考辐射热计202的吸收器206吸收的红外辐射量自从其开始减小以来已经减小了第二量（反映参考辐射热计202的盖结构212已经冷却的量）。最后，控制器236配置成响应于第二减小量小于第一减小量（反映最左感测辐射热计204的盖结构212比参考辐射热计202的盖结构212冷却更多）而确定流体238在从最左感测辐射热计204朝向参考辐射热计202（即从左向右）的方向上流动。如果最左感测辐射热计204的盖结构212比最右感测辐射热计204的盖结构212冷却更多，或者如果参考辐射热计202的盖结构212比最右感测辐射热计204的盖结构212冷却更多，控制器236做出流体238从左向右流动的类似确定。相反，如果最右感测辐射热计204的盖结构212比参考辐射热计202的盖结构212冷却更多，如果最右感测辐射热计204的盖结构212比最左感测辐射热计的盖结构212冷却更多，或者如果参考辐射热计202的盖结构212比最左感测辐射热计204的盖结构212冷却更多，控制器236做出流体238从右向左流动的确定。更简单地说，关于图3的图线，控制器236如果V3-V1＞V4-V0，如果V4-V0＞V5-V2，和/或如果V3-V1＞V5-V2则确定流体238从左向右流动，并且如果V3-V1＜V4-V0，如果V4-V0＜V5-V2，和/或如果V3-V1＜V5-V2则确定流体238从右向左流动。
在块430的一种实现方式中，方法400基于辐射热计的盖结构之间的绝对温度梯度而确定流体的流动方向。特别地，如果假定最左感测辐射热计204的盖结构212和最右感测辐射热计204的盖结构212暴露于来自检测区域232的粗略相同量的外部红外辐射，则可以通过简单地直接比较测量信号而不是检测测量信号中的改变来检测流体的流动方向。在一个实施例中，控制器236配置成响应于以下而确定流体238在从最左感测辐射热计204朝向参考辐射热计202（即从左向右）的方向上流动：（i）来自最左感测辐射热计204的测量信号指示第一红外辐射量被最左感测辐射热计204的吸收器206吸收（反映最左感测辐射热计204的盖结构212的温度），（ii）来自最右感测辐射热计204的测量信号指示第二红外辐射量被最右感测辐射热计204的吸收器206吸收（反映最右感测辐射热计204的盖结构212的温度），以及（iii）第二红外辐射量大于第一红外辐射量（反映最左感测辐射热计204的盖结构212比最右感测辐射热计204的盖结构212更冷）。相反，如果最右感测辐射热计204的盖结构212比最左感测辐射热计204的盖结构212更冷，控制器236做出流体238从右向左流动的类似确定。更简单地说，关于图3的图线，控制器236如果V3＞V5则确定流体238从左向右流动，如果V3＜V5则确定流体238从右向左流动。
图5示出操作流体流动传感器200以确定流体238的流动速度的方法500。方法500以从辐射热计接收参考信号（块510）为开始。特别地，控制器236配置成从参考辐射热计202的读出电路226接收参考信号。方法500继续以从多个感测辐射热计中的每一个辐射热计接收测量信号（块520）。特别地，控制器236配置成从感测辐射热计204的读出电路226接收测量信号。方法500继续以基于参考信号和测量信号中的至少一个而确定在参考和感测辐射热计附近流动的流体的流动速度（块530）。特别地，如以下进一步详细讨论的，控制器236配置成基于参考信号和测量信号中的至少一个而确定流过检测区域232的流体238的流动速度。
在块530的一种实现方式中，方法500基于辐射热计的盖结构之间的温度梯度中的改变量值而确定流体的流动方向。特别地，在一个实施例中，控制器236配置成基于来自最左感测辐射热计204的读出电路226的测量信号而检测到，由最左感测辐射热计204的吸收器206吸收的红外辐射量自从其开始减小以来已经减小了第一量（反映最左感测辐射热计204的盖结构212已经冷却的量）。此外，控制器236配置成基于来自参考辐射热计202的读出电路226的参考信号而检测到，由参考辐射热计202的吸收器206吸收的红外辐射量自从其开始减小以来已经减小了第二量（反映参考辐射热计202的盖结构212已经冷却的量）。最后，控制器236配置成基于第一减小量与第二减小量之间的差（反映最左感测辐射热计204的盖结构212已经冷却的量和最右感测辐射热计204的盖结构212已经冷却的量中的差）而确定流体238以其在从最左感测辐射热计204朝向最右感测辐射热计204（即从左向右）的方向上流动的速度。可替换地，控制器236基于最左感测辐射热计204的盖结构212已经冷却的量与参考辐射热计202的盖结构212已经冷却的量之间的差，或基于最右感测辐射热计204的盖结构212已经冷却的量与参考辐射热计202的盖结构212已经冷却的量之间的差，做出流体238以其流动的速度的类似确定。更简单地说，关于图3的图线，控制器236基于V3-V1与V4-V0之间的差、V4-V0与V5-V2之间的差和/或V3-V1与V5-V2之间的差而确定流体238以其流动的速度。
在块530的一种实现方式中，方法500基于辐射热计的盖结构之间的温度梯度中的改变量值而确定流体的流动方向。特别地，在一个实施例中，控制器236配置成基于以下之间的差而确定流体238以其在从最左感测辐射热计204朝向最右感测辐射热计204（即从左向右）的方向上流动的速度：（i）由最左感测辐射热计204的吸收器206吸收的红外辐射量（反映最左感测辐射热计204的盖结构212的温度）与（ii）由最右感测辐射热计204的吸收器206吸收的红外辐射量（反映最左感测辐射热计204的盖结构212的温度）。可替换地，控制器236基于最左感测辐射热计204的盖结构212的温度与参考辐射热计202的盖结构212的温度之间的差，或基于最右感测辐射热计204的盖结构212的温度与参考辐射热计202的盖结构212的温度之间的差，做出流体238以其流动的速度的类似确定。更简单地说，关于图3的图线，控制器236基于V3与V4之间的差、V4与V5之间的差和/或V3与V5之间的差而确定流体238以其流动的速度。
要指出的是，如果流体238比盖结构212更暖，则其可能暖化盖结构212而不是如以上所描述的那样冷却盖结构212。然而，盖结构212的暖化中的时间延迟和盖结构212内的温度梯度可以类似地被吸收器206检测到并且用于确定流体238的流动方向。此外，要指出的是，用于检测流体流动方向和流动速度的类似方法可以实现在具有冷却元件（而不是加热元件324）的流体流动传感器中，该冷却元件配置成将盖结构212冷却到低于周围温度的温度。在这样的实施例中，流体流动将导致盖结构212的暖化，并且该方法可以检测暖化以确定流体流动方向和速度。此外，在其中流体比周围温度更暖或更冷的情况下，诸如在检测流体流动传感器上的人类呼吸吹气的情况下，这样的方法可以在没有加热元件或冷却元件的情况下实现。
图6示出操作流体流动传感器200以确定检测区域232中的温度的方法600。方法600以从辐射热计接收参考信号（块610）为开始。特别地，控制器236配置成从参考辐射热计202的读出电路226接收参考信号。方法600继续以从多个感测辐射热计中的至少一个辐射热计接收测量信号（块620）。特别地，控制器236配置成从感测辐射热计204的读出电路226接收测量信号。方法600继续以基于参考信号和测量信号中的至少一个而确定在参考和感测辐射热计附近的区域的温度（块630）。特别地，如以下进一步详细讨论的，控制器236配置成基于参考信号和测量信号中的至少一个而确定检测区域232的温度。要指出的是，为了有效的温度感测，被检测的温度一般必须大于辐射热计202、204的温度。相应地，在一些情况下，加热元件234关断并且允许辐射热计202、204在感测温度之前冷却。
在一个实施例中，控制器236配置成基于以下之间的差而确定检测区域232的温度：（i）由最左感测辐射热计204的吸收器206吸收的红外辐射量（反映最左感测辐射热计204的盖结构212的温度，以及检测区域的温度）与（ii）由最右感测辐射热计204的吸收器206吸收的红外辐射量（反映参考辐射热计204的盖结构212的温度）。通过确定该差，从盖结构212辐射的热学辐射效果被移除，并且仅计及从检测区域232进入的热学辐射。在一个实施例中，还基于与参考辐射热计202相比较的最右感测辐射热计204而确定温度。更简单地说，关于图3的图线，控制器236基于V1与V0之间的差或V2与V0之间的差而确定检测区域232的温度。然而，如果流体238充分流动以创建盖结构212中的温度梯度，则由最左感测辐射热计204指示的温度与最右辐射热计指示的温度平均。换言之，关于图3的图线，控制器236基于AVG(V3, V5)与V4之间的差而确定检测区域232的温度。
图7示出参考辐射热计202和多个感测辐射热计204的另外的可能布置，以使得能够实现多轴流体流动感测。布置710包括邻近于参考辐射热计202布置的四个感测辐射热计204。以上描述的原理可以适用于布置710以用于双轴流体流动感测（即左右轴线，和如图7中所示的上下轴线）。布置720包括邻近于参考辐射热计202布置的八个感测辐射热计204。以上描述的原理可以适用于布置720以用于四轴流体流动感测（即左右轴线、上下轴线和如图7中所示的两个对角轴线）。最后，布置730包括围绕参考辐射热计202对称布置的多个感测辐射热计204。以上描述的原理可以适用于布置730以用于n轴流体流动感测（其中n取决于包括多少感测辐射热计204）。
在一个实施例中，将流体流动传感器200集成到诸如智能电话之类的便携式电子装置中。智能电话可以包括利用流体流动传感器200以实现某些功能的应用，诸如显示流动数据、基于流动数据生成弹窗或警告，或响应于流动数据而执行其它操作。这样的操作的一个示例是使用流体流动传感器200来生成热学图像。特别地，通过集成温度感测和流体流动感测的功能，用户可以利用智能电话跨感兴趣的区域“绘图”以生成该区域的热学图像。
图8示出划分成多个子区域820的感兴趣的区域810。用户可以沿覆盖每一个子区域的路径830移动具有流体流动传感器200的智能电话或其它装置。当流体流动传感器200沿路径830移动时，可以基于流体流动传感器前方的空气流动而确定和记录限定路径830的移动。特别地，在一个实施例中，控制器236配置成基于在流体流动传感器附近流动的流体的所确定的流动特性（包括流动方向和流动速度）而确定流体流动传感器200通过空间的移动。
当流体流动传感器200沿路径830移动时，每一个子区域820处的温度可以被确定并且与感兴趣的区域810中的位置或子区域820相关联。特别地，在一个实施例中，控制器236配置成基于来自参考辐射热计202的参考信号和来自至少一个感测辐射热计的测量信号而确定在流体流动传感器200附近的区域的温度。控制器236还配置成基于流体流动传感器200的所确定的移动而将温度与空间中的相对位置相关联。在流体流动传感器200已经沿路径830移动以便覆盖整个感兴趣的区域810之后，与每一个子区域820相关联的温度可以用于生成感兴趣的区域的热学图像或热学地图。
虽然在附图和前述描述中已经详细图示和描述了本公开，但是这应当被视为本质上是说明性的而非限制性的。要理解到，仅呈现了优选实施例，并且期望保护进入本公开的精神内的所有改变、修改和进一步应用。
Claims (19)
1.一种传感器，包括：
配置成提供参考信号的参考辐射热计，所述参考辐射热计包括：
具有第一表面的衬底；
连接到所述衬底的盖结构，所述盖结构配置成限定所述盖结构的内表面与所述衬底的所述第一表面之间的腔体，所述盖结构配置成阻挡红外辐射从所述盖结构的外部进入所述腔体；
连接到所述衬底的所述第一表面并且布置在所述腔体内的吸收器，所述吸收器配置成吸收所述腔体内的红外辐射；以及
连接到所述吸收器并且配置成提供指示由所述吸收器吸收的红外辐射量的参考信号的读出电路；以及
多个感测辐射热计，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计邻近于所述参考辐射热计布置，并且配置成提供测量信号，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计包括：
具有第一表面的衬底；
连接到所述衬底的盖结构，所述盖结构配置成限定所述盖结构的内表面与所述衬底的所述第一表面之间的腔体，所述盖结构配置成至少部分地允许红外辐射从所述盖结构的外部进入所述腔体；以及
连接到所述衬底的所述第一表面并且布置在所述腔体内的吸收器，所述吸收器配置成吸收所述腔体内的红外辐射；以及
连接到所述吸收器并且配置成提供指示由所述吸收器吸收的红外辐射量的测量信号的读出电路。
2.权利要求1所述的传感器，还包括：
配置成加热所述参考辐射热计的所述盖结构和所述多个感测辐射热计中的所述辐射热计的所述盖结构的至少一个加热元件。
3. 权利要求1所述的传感器，其中：
所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计在从所述参考辐射热计的第一方向上邻近于所述参考辐射热计布置；并且
所述多个感测辐射热计中的第二辐射热计在从所述参考辐射热计的方向上邻近于所述参考辐射热计布置，第二方向与所述第一方向相反。
4. 权利要求3所述的传感器，其中：
所述多个感测辐射热计中的第三辐射热计在从所述参考辐射热计的第二方向上邻近于所述参考辐射热计布置，所述第二方向垂直于所述第一方向；并且
所述多个感测辐射热计中的第四辐射热计在从所述参考辐射热计的与所述第二方向相反的方向上邻近于所述参考辐射热计布置。
5.权利要求1所述的传感器，其中所述感测辐射热计中的所述辐射热计围绕所述参考辐射热计对称布置。
6.权利要求1所述的传感器，还包括：
可操作连接到所述参考辐射热计的读出电路和所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计的所述读出电路的控制器，所述控制器配置成：
从所述参考辐射热计接收所述参考信号，并且从所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计接收相应测量信号；并且
基于所述参考信号和来自所述多个感测辐射热计的所述测量信号中的至少一个而确定在所述参考辐射热计和所述多个感测辐射热计附近流动的流体的流动特性。
7.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于来自所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第一辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量在第一时间点处开始改变；
基于所述参考信号，检测到由所述参考辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量在第二时间点处开始改变；并且
基于所述第一时间点和所述第二时间点的比较而确定所述流体在哪个方向上在所述第一辐射热计与所述参考辐射热计之间流动。
8.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于来自所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第一辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量在第一时间点处开始改变；
基于来自所述多个感测辐射热计中的第二辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第二辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量在第二时间点处开始改变；并且
基于所述第一时间点和所述第二时间点的比较而确定所述流体在哪个方向上在所述第一辐射热计与所述第二辐射热计之间流动。
9.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于来自所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第一辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量已经改变了第一量；
基于所述参考信号，检测到由所述参考辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量已经改变了第二量；并且
基于所述第一量和所述第二量的比较而确定所述流体在哪个方向上在所述第一辐射热计与所述参考辐射热计之间流动。
10.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于来自所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第一辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量已经改变了第一量；
基于来自所述多个感测辐射热计中的第二辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第二辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量已经改变了第二量；并且
基于所述第一量和所述第二量的比较而确定所述流体在哪个方向上在所述第一辐射热计与所述第二辐射热计之间流动。
11.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于来自所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计的所述测量信号，检测到第一红外辐射量被所述第一辐射热计的所述吸收器吸收；
基于来自所述多个感测辐射热计中的第二辐射热计的所述测量信号，检测到第二辐射量被所述第二辐射热计的所述吸收器吸收；并且
基于第一量和第二量的比较而确定所述流体在哪个方向上在所述第一辐射热计与所述第二辐射热计之间流动。
12.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于来自所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第一辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量已经改变了第一量；
基于来自所述多个感测辐射热计中的第二辐射热计的所述测量信号，检测到由所述第二辐射热计的所述吸收器吸收的红外辐射量已经改变了第二量；并且
基于所述第一量和所述第二量之间的差而确定所述流体以其在从所述第一辐射热计朝向所述第二辐射热计的方向上流动的速度。
13.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于来自所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计的所述测量信号，检测到第一红外辐射量被所述第一辐射热计的所述吸收器吸收；
基于来自所述多个感测辐射热计中的第二辐射热计的所述测量信号，检测到第二辐射量被所述第二辐射热计的所述吸收器吸收；并且
基于第一量和第二量之间的差而确定所述流体以其在从所述第一辐射热计朝向所述第二辐射热计的方向上流动的速度。
14.权利要求6所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于所确定的流动特性而确定所述传感器通过空间的移动。
15. 权利要求14所述的传感器，所述控制器还配置成：
基于所述参考信号和来自所述多个感测辐射热计中的至少一个辐射热计的所述辐射热计的所述测量信号，确定在所述参考辐射热计和所述多个感测辐射热计的所述盖结构附近的区域的温度；并且
基于所确定的所述传感器的移动而将所述温度与空间中的相对位置相关联。
16.权利要求15所述的传感器，所述控制器还配置成：
在所述传感器移动通过空间时，通过重复确定所述温度和将所述温度与所述空间中的相对位置相关联的过程来生成热学图像。
17.一种操作传感器的方法，所述方法包括：
从参考辐射热计接收参考信号，所述参考辐射热计包括（i）具有第一表面的衬底，（ii）连接到所述衬底的盖结构，所述盖结构配置成限定所述盖结构的内表面与所述衬底的所述第一表面之间的腔体，所述盖结构配置成阻挡红外辐射从所述盖结构的外部进入所述腔体，（iii）连接到所述衬底的所述第一表面并且布置在所述腔体内的吸收器，所述吸收器配置成吸收所述腔体内的红外辐射，以及（iv）连接到所述吸收器并且配置成提供指示由所述吸收器吸收的红外辐射量的所述参考信号的读出电路；
从多个感测辐射热计中的每一个辐射热计接收测量信号，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计邻近于所述参考辐射热计布置，所述多个感测辐射热计中的每一个辐射热计包括（i）具有第一表面的衬底，（ii）连接到所述衬底的盖结构，所述盖结构配置成限定所述盖结构的内表面与所述衬底的所述第一表面之间的腔体，所述盖结构配置成至少部分地允许红外辐射从所述盖结构的外部进入所述腔体，（iii）连接到所述衬底的所述第一表面并且布置在所述腔体内的吸收器，所述吸收器配置成吸收所述腔体内的红外辐射，以及（iv）连接到所述吸收器并且配置成提供指示由所述吸收器吸收的红外辐射量的所述测量信号的读出电路；以及
基于所述参考信号和来自所述多个感测辐射热计的所述测量信号中的至少一个而确定在所述参考辐射热计和所述多个感测辐射热计附近流动的流体的流动特性。
18.权利要求17所述的方法，所述确定所述流体的所述流动特性还包括：
基于所述参考信号和来自所述多个感测辐射热计中的至少一个辐射热计的所述测量信号，确定所述流体在哪个方向上在所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计与所述多个感测辐射热计中的第二辐射热计之间流动。
19.权利要求17所述的方法，所述确定所述流体的所述流动特性还包括：
基于所述参考信号和来自所述多个感测辐射热计中的至少一个辐射热计的所述测量信号，确定所述流体以其在从所述多个感测辐射热计中的第一辐射热计朝向所述多个辐射热计中的第二辐射热计的方向上流动的速度。
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