CN112394194A - 自排水传感器腔 - Google Patents

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Abstract

一种用于声共振流体流速传感器的主体或包括这种主体的声共振流体流量传感器，该主体包括反射器表面，该反射器表面具有比反射器表面的周围部分更亲水的至少一个部分，以促进水从反射器表面的中心到反射器表面的边缘的移动。

Description

自排水传感器腔
技术领域
本发明涉及一种用于测量流体的流速的装置，尤其涉及一种用 于测量空气和其他流体的运动速度和运动方向的类型的装置。
背景技术
尤其是在气象学中，用于测量流体流动的速度的装置被广泛使 用。这样的使用使测量装置暴露于可能影响由装置实现的测量精度的 广泛环境条件下。期望提供一种流体流量测量装置，尽管装置运行的 环境条件发生了变化，该流体流量测量装置仍以提高的精度提供流体 流速测量。
声共振腔是测量流过腔的流体的速度的装置。腔能够支持声驻 波，并且还包括至少两个声换能器，以用于产生和检测声驻波。
期望提高在不利的环境条件下对流体流动速度的测量精度。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种用于声共振流体流速传感器的主 体，该主体包括反射器表面，反射器表面具有比该反射器表面的周围 部分更亲水的至少一个部分，以促进水从反射器表面的中心向反射器 表面的边缘的运动。
周围部分可以包括疏水涂层。
比反射器表面的周围部分亲水的至少一个部分可以包括布置在 反射器表面上的纤维。
纤维可能能够使用毛细管作用来芯吸液体。
纤维可以包括亲水材料。
纤维可以是天然纤维或合成纤维、或天然纤维和合成纤维的组 合。
纤维具有小于0.2mm的直径。替代地，纤维可以具有大于0.2mm 的直径。
比反射器表面的周围部分更亲水的至少一个部分可以包括亲水 表面。
可以使用烧蚀工艺来形成亲水表面。
可以使用烧蚀工艺来蚀刻疏水涂层以暴露形成比反射器表面的 周围部分更亲水的所述至少一个部分的亲水材料。
比反射器表面的周围部分更亲水的至少一个部分的宽度可以在 从反射器板的中心朝向反射器表面的边缘的方向上增加。
比反射器表面的周围部分更亲水的至少一个部分可以包括具有 恒定的宽度、发散的宽度、或所述恒定的宽度和发散的宽度的组合的 一系列通道。
比反射器表面的周围部分更亲水的至少一个部分包括多个粗糙 特征。
可以通过激光烧蚀在反射器表面上形成粗糙特征。
粗糙特征可以包括多个圆形柱或方形柱或六边形柱、或所述多 个圆形柱、方形柱和六边形柱的组合。
柱可以具有不同的高度。
该装置可以涂覆有疏水材料，并且比周围的部分更亲水的至少 一个部分可以形成在疏水部分的顶部上，或者可以通过选择性去除疏 水涂层而形成。
通道可以以5°至20°之间的角度从反射器的中心朝着反射器的 边缘径向地发散。
通道可以以变化的角度从反射器的中心朝着反射器的边缘径向 地发散。
声共振腔可以由以预定距离隔开的两个反射器表面形成。
两个反射器表面可以通过间隔件间隔开，该间隔件具有包括亲 水部分的外表面。
主体的外表面可以包括亲水部分。
根据本发明的另一方面，提供了一种声共振流体流速传感器， 该声共振流体流速传感器包括如上所述的主体。该装置可以是完整的 声共振流体流速测量装置。在这样的完整装置中，声共振腔能够在垂 直于流体流动方向的方向上支持声驻波。然而，旨在由权利要求书提 供保护以延伸至用于组装以形成这种装置的原始主体。在完全组装装 置之前，因为该第二表面可以至少部分地由换能器的声能发射面形成， 所以这样的原始主体可以不包括完全形成的第二反射器表面。然而， 已经在主体上形成的反射器表面包括比反射器表面的周围部分更亲 水的至少一个部分，以促进水从反射器表面的中心向反射器表面的边 缘的运动。
根据另一个实施例，提供了一种在用于声学共振流体流速传感 器的主体上提供表面的方法，该表面是传感器的反射器表面，并且被 配置为辅助水的从传感器的排放，该方法包括提供比反射器表面的周 围部分更亲水的至少一个部分，以促进水从反射器表面的中心向反射 器表面的边缘的运动。
附图说明
通过以下仅以举例并结合附图的方式进行的详细描述，将更全 面地理解和领会本发明的布置，其中：
图1(a)示出了根据一个实施例的声共振传感器的俯视图；
图1(b)示出了根据一个实施例的声共振传感器的侧视图；
图2示出了根据一个实施例的声共振传感器的透视图；
图3示出了呈螺纹形式并且具有各种扭曲构造的材料；
图4示出了穿过声共振传感器的共振腔的俯视剖视图，示出了 主体的以疏水部分和亲水部分图案化的反射器表面；
图5示出了声共振传感器的侧视图，示出了用疏水部分和亲水 部分图案化的主体；
图6示出了在声共振传感器主体的反射器表面上使用的表面图 案的示例；
图7(a)在俯视图和侧剖视图二者中示出了使用圆形柱的可能 的表面图案几何形状；
图7(b)在俯视图和侧剖视图二者中示出了使用方形柱的可能 的表面图案几何形状；以及
图7(c)在俯视图和侧剖视图二者中示出了使用六边形柱的可 能的表面图案几何形状；
图8(a)至(d)示出了根据实施例的具有表面图案的反射器表 面；
图9(a)至(d)示出了具有和不具有表面特征的表面；
图10(a)和(b)示出了根据实施例的表面特征的高度轮廓；
图11(a)示出了根据一个实施例的亲水通道；
图11(b)示出了说明多种实施例的表面张力的曲线图；
图12示出了根据一个实施例的亲水通道；
图13示出了根据一个实施例的在反射器表面上的水输送动作；
图14示出了根据一个实施例的在反射器表面上的水输送动作。
具体实施方式
从EP0801311中已知诸如声共振风速计的流体流速测量装置。 在一个实施例中，这种流体流速测量装置包括间隔开的、平行的、圆 形的、平面的第一反射器表面16和第二反射器表面18以及布置在第 一反射器表面16中的用于将声能传输到腔4中的声换能器，如图1 (a)所示，该腔4由间隔开的反射器表面16、18限定。
第一反射器16和第二反射器18在第一反射器16和第二反射器 18之间的空间中限定形成传感器1的测量腔的共振腔4。第一反射器 表面16和第二反射器表面18间隔开，使得在腔4中在第一反射器表 面16和第二反射器表面18之间形成声驻波。在使用时，诸如空气的 流体流过腔4，并且腔4在垂直于流体流动方向的方向上支持声驻波。
在附图所示的实施例中，电声换能器(未示出)可以容纳在第 一主体部分10或第二主体部分12内。第二主体部分12连接至支撑 杆14。
在操作时，电声换能器产生声波。换能器中的任何一个接收由 电子单元(未示出)产生的电信号并激发成比例的声信号；通过声共 振腔4的作用，声信号被施加在其他换能器(未示出)上，该其他换 能器接受声信号并产生成比例的电信号，这些电信号又被反馈给电子 单元进行处理。
支持驻波的共振频率取决于流体中的声速以及反射器16和18 之间的间隔(共振器间隙)，该间隔是共振频率下的半波长的整数倍。 从一个换能器A传播到另一个换能器B时，声信号及其微分电信号 会经历时间延迟(和等效相移)，该时间延迟与流体介质中的声速以 及发射换能器A和接收换能器B之间的净距离有关。
在静止的空气中，因为不管信号从发射换能器A传输到接收换 能器B还是从接收换能器B传输到发射换能器A，(a)信号传播的 距离和(b)声速都保持相同，所以当信号传输的方向反向时，即从 接收换能器B到发射换能器A时，会测量到相同的时间延迟。
另一方面，如果空气运动，那么空气会按比例增加在运动方向 上的净声速。相反，空气按比例降低在与运动方向相反的方向上的声 速。因此，当使信号的方向反向时，测量时间延迟或等效地相移的电 子单元检测时间延迟(和相移)的差值。
时间延迟的差值的大小和相移的等效差值的大小与沿着该对换 能器之间的邻接线的空气速度有关。使用其邻接线位于其它方向上的 第二对换能器，可以找到在第二方向上的速度，据此可以使用已建立 的三角公式来计算气流的速度和方向。
如所讨论的，在干燥条件下，驻波的共振频率取决于反射器16 和反射器18之间的间隔。在不利的天气条件下，共振腔4可能充满 雨水。然而，在潮湿条件下，聚积在反射器表面16上的水的上表面 形成水-空气界面，驻波的声能的至少一部分在该水-空气界面处被反 射。这有效地减小了反射器的形成共振腔4的间隔。因此，由共振腔 4支持的声驻波的频率由于共振腔4中的积水的存在而被改变。
而且，因为腔中的空气流动可能会不断干扰积水，所以由积水 形成的空气-水界面在不利的天气条件下将不会保持静止并不会保持 水平的表面。
图1(a)和1(b)所示类型的流体速度测量装置包括电子测量 设备，该测量电子设备跟踪共振腔4内的声驻波的共振频率，以适应 由于诸如温度的变化的环境条件的变化而引起的频率变化。这样的电 子设备能够适应由于积水使共振器间隙变窄而引起的声驻波的共振 频率的变化。当这种聚积的水的空气-水界面在气流的影响下移动时， 电子设备试图跟踪声驻波的共振频率的最终变化。然而，在特别不利 的天气条件下，空气-水界面可能会快速移动，从而导致共振频率相 应地快速变化。这会使跟踪变得困难和/或不准确。因此，由于环境 条件，传感器1评估这种声波的能力可能受到不利影响。已经认识到， 如果可以避免或至少减少共振腔4中的水的聚积，则可以减轻该问题。
已知在下部反射器16上使用均质的超疏水涂层以减少传感器1 的共振腔4中的水的聚积。另外地或替换地，在一个实施例中，如图 1(a)所示，布置纤维22以使纤维22从反射器16的中心延伸反射 器16的边缘。纤维22可以将聚积的水从反射器16的中心芯吸到边缘，在重力的作用下，水可以从边缘沿传感器1的外部流出。因此， 纤维22提供了从共振腔4排出雨水的替代方法。
如图1(a)所示，纤维22可选地定位在间隔件6周围。此外， 如图1(b)所示，纤维22也可以特别是在第二个主体部分12上沿 着主体2的竖直侧壁向下延伸，并通过锚固环24固定在适当的位置 处。
多个间隔件6围绕第一反射器16和第二反射器18的周边间隔 开地被定位。如图所示，图1(a)的纤维22可以分开并在任一侧延 伸通过单独的间隔件6。替代地，纤维22可以缠绕在间隔件6周围， 以确保纤维22在反射器表面16上不横向移动。
通过将纤维22布置成与间隔件6对齐，纤维沿着与间隔件6对 齐的主体12向下延伸。以这种方式，促使沿着间隔件向下流动的水 继续沿纤维22向下流动。
纤维22包括利用毛细管作用力输送与纤维22接触的水的材料。 毛细管作用力使液体渗入亲水壁内的空隙空间，并使液体移位通过亲 水壁。空隙空间是纤维结构内的空间，并且可以包括孔，或者当纤维 22由较小的线、纤维或无孔结构形成的情况下，内部空间是在将较 小的线、纤维或无孔结构缠绕在一起时形成的。毛细管作用力由液体 (在这种情况下为水)的性能、液体-介质表面相互作用(亲水的水 平)以及介质(纤维)中的空隙空间的几何构型所控制。因此，纤维 22具有一定程度的亲水和充分可渗透的结构，这促使液体利用毛细 管作用力在纤维22中行进。纤维22可以是天然纤维(例如棉)、合 成纤维(例如聚酯)或天然纤维(例如棉)和合成纤维(例如聚酯) 的组合。由纤维22在空隙空间中形成的弯月面允许毛细管作用力将 水抽出。如图2所示，纤维22到锚定环24的向下延伸有助于重力作 用下的泵水作用。如图3所示，构成纤维22束的线被扭曲在一起以 形成更大的纤维-改善纤维22的强度、增加表面积、促进吸水并提供 空隙空间以增强流体传输。
在一个实施例中，对于具有在5mm至10mm之间的反射腔间距 的共振腔，通过将纤维22的外径保持小于0.2mm，将纤维22对传感 器1的空气动力学和声学性能的影响最小化。可替代地，具有较大直 径的纤维22或将其他纤维编织在一起可以通过为毛细管作用提供更 大的表面而提供优异的芯吸作用，并且可以在不损害传感器1的性能 的情况下使用。
纤维22可以径向放置在反射器的表面16上的任何地方，以从 腔4中抽水。然而，如图1所示，优选地，因为在下雨期间，水经由 间隔件6从传感器的顶部流到传感器的底部，所以纤维22缠绕在传 感器的间隔器6周围。观察到，与反射器表面16的其他区域相比， 水倾向于优先聚集在间隔件6的内表面附近。
图4示出了替代实施例，其中在反射器表面16上已经形成了亲 水部分和疏水部分的图案。反射器表面16由铝加工而成并且被处理 以形成硬质阳极氧化的表面。为了形成图案，包括反射器表面16的 传感器主体2涂覆有疏水材料。该材料可以是疏水材料，诸如聚合物 或陶瓷。在实施例中，该疏水涂层的选定部分被蚀刻和/或被去除以 暴露下面的硬质阳极氧化的铝表面。例如，这可以使用激光纹理化或 烧蚀工艺来完成。阳极氧化铝的表面自然亲水；从而，该工艺在具有 疏水涂层的传感器主体2上产生了亲水部分26。图4中所示的亲水 部分26呈发散的三角形通道形式，以允许水从反射器表面的内部向 外部移动，并且离开腔4，然而，亲水部分26的其他几何形状也是 可能的。
在传感器1上使用激光纹理化或烧蚀提供两个关键优势：产生 任何复杂的几何图案或形状来促进水的传输作用的可扩展性和灵活 性。
图5示出了传感器1的侧视图。在该实施例中，间隔件6的外 表面以及传感器主体的第一部分10和第二部分12的侧壁的多个部分 也已经被涂覆和蚀刻。从图5可以看出，传感器的主体上部10上的 图案化部分在图形的上部分中围绕主体上部10的整个周向延伸。朝 向间隔件6进一步向下，图案化部分不再在周向上是连续的，而是包 括在周向上定位在亲水图案的多个部分之间的残余疏水部分。亲水图 案的部分本身随着到间隔件6的距离的减小而沿周向逐渐变窄。亲水 图案的部分在图案与间隔件6接触的点处的宽度与间隔件6的宽度是 基本相同的。从图5可以看出，在一个实施例中，间隔件本身也被图 案化以增加间隔件的亲水，并且在实施例中，下主体12的从间隔件 向下延伸的区域也被图案化在从间隔件向下延伸的区域中。
第一主体10和第二主体12的蚀刻部分使得在重力作用下从第 一主体10的顶表面24行进的水将朝着每个间隔件6、沿着每个间隔 件6的外表面向下、然后选择性地沿着第二主体部分12的外表面上 的选择性蚀刻区域被向下引导，其中顶表面24是距支撑杆14最远的 表面。因此，传感器主体2的外部上的水沿着亲水路径并绕过腔4。
尽管在图5中将图案化部分示出为三角形，但是在图6所示的 替代实施例中，图案化部分也可以形成为一系列通道。呈分散的轨道 的形式的亲水区域的图案在图6中示出，并且使用与参照图4描述的 相同的工艺形成。疏水材料28位于通道之间。在该示例中，分散的 亲水通道26在反射器表面16的1.8°的扇区上发散，并且图案包括五 个这样的通道26，通道26在反射器表面16的15°的扇区上从反射器 表面16的中心径向地发散。在反射器表面16上可以存在这样的多组 通道。
通过提供从较窄的区域到在反射器表面16的边缘附近的较大的 横截面区域的压力差，发散轨道的使用提供了用于驱水的附加驱动力。 然而，如先前在图1中所示，成亲水通道26的形式的亲水部分也可 以具有恒定的横截面。亲水通道26的数量不限于五个。
替代地或附加地，激光烧蚀可用于产生复杂的粗糙特征29，如 图7(a)至(c)所示。所示的特征包括圆形柱30(图7(a))、方形 柱32(图7(b))和六边形柱34(图7(c))。柱形成在反射器表面 16的暴露的硬质阳极氧化的铝表面上，以控制和增强水的润湿行为。 反射器板16和/或传感器1的其中不存在复杂的粗糙特征29的区域 可以涂覆疏水涂层。传感器主体可以涂覆有疏水材料，该疏水材料如 关于图4和图5所讨论的那样被选择性地蚀刻以暴露下面的硬质阳极 氧化的铝表面。例如，这可以使用激光纹理化或烧蚀工艺来完成。然 后可以将蚀刻工艺直接应用于暴露的硬质阳极氧化表面，其中激光选 择性地蚀刻表面，以形成例如柱。
包括柱的图案化区域的轮廓在反射器表面16上形成可湿性梯度， 从而利用已知的仿生现象促进流体传输，其中天然材料能够通过控制 其纳米/微结构表面与水之间的相互作用来定向驱动水。
如前所述，阳极氧化铝的表面具有氧化层，使其具有亲水。使 用激光或类似的蚀刻工艺，可以在表面上形成柱，这些柱将亲水氧化 表面保持在其顶表面上。通常，根据Cassie-Baxter公式，微结构化表 面上的水滴将位于柱的顶部上，但不会润湿柱之间的空间。这允许空 气保留在围绕柱的微结构化图案内部，因此形成了由空气和固体组成 的异质表面。
带纹理的表面的结果是水与表面的固体部分之间的粘合力低于 水与连续的固体表面之间的粘合力。这是因为水具有较小的粘合到的 表面，允许水容易滚落。柱的亲水上表面意味着水优先在该区域上聚 积，并且随着更多的水到达，在这些区域上形成的水滴会随着时间而 变大。一旦捕获的水滴的重量超过表面的水粘合力，水滴就会滚落下 来，然后重复此过程。结果是“自清洁”表面。
如图4或图6所示，在反射器表面16上包括柱的纹理化表面形 成具有恒定的宽度的通道或覆盖从反射器表面16的中心朝向外部发 散的三角形截面。然而，本公开不限于这些布置，也可以设想达到相 同效果的其他柱图案。通过使用如图4或图6所示的柱的三角形发散 轨道，水可能会朝三角形图案的较宽部分移动。这可以通过涂覆反射 器表面16以使得包括阳极氧化铝的亲水柱的三角形发散轨道被疏水 表面，即疏水材料，围绕来实现。水滴可能会在三角形轨道的重力和 粘合力达到平衡的狭窄部分处形成。随着水滴优先在图案化表面区域 的亲水部分上形成，水滴的尺寸增大，水滴的质心移向图案化表面的 较宽区域。液滴的运动是由液滴的表面张力和生长的液滴可用的区域 的宽度的克服作用在液滴上的钉扎力的组合所驱动的。
如所讨论的，柱可以是圆形柱30、方形柱32和六边形柱34。 这就是说，许多不同的柱几何形状是可能的，许多不同的柱几何形状 仅受形成柱所采用的制造工艺的能力的限制。本发明不限于所提及的 柱形状的使用。不希望受到理论的束缚，可以通过Cassie-Baxter理论 (Cassie and Baxter 1944)解释小尺度特征对润湿行为的影响，该理 论解释了纹理表面上的水接触角度可以写为：
cosθα＝f1 cos θ1+f2cosθ2 (1)
θα，θ1和θ2分别是异质表面上的视接触角，表面1和2上的固有 接触角。f1和f2分别表示表面1和2的固体分数。在图6所示的示 例中，表面1和2分别为硬质阳极氧化铝表面和空气，并且f1+f2＝1。 为了完全的润湿表面，θ2＝0。因此，Cassie-Baxter公式1变为：
cosθα＝1-f1(1-cosθ1) (2)
f1可以从微尺度粗糙特征的几何形状计算得出。基于图6所示的几何 形状，f1可以写成：
(图7(a))用于圆形柱30的
Figure RE-GDA0002744279140000101
(图7(b))用于方形柱32的
Figure RE-GDA0002744279140000102
(图7(c))用于六边形柱34的
Figure RE-GDA0002744279140000103
对于圆形柱，d表示直径以及P表示特征之间的中心间的距离。 对于正方形柱，a表示边长以及P表示正方形之间的中心间的距离， 并且对于六边形组件，a表示六边形的边长并且t表示六边形的厚度。
上述几何特征由激光系统可达到的特征尺寸控制，但是使用其 他方法(例如3D打印)也可以实现其他几何形状。通常，工业激光 系统可以提供低至40μm的特征尺寸，具有约为80μm的分辨率。使 用Cassie-Baxter公式中的这些约束条件(d＝40，p＝80，a＝40，p＝80和a＝80，t＝40μm)，对于圆形柱、方形柱和六边形柱的纹理，f1分别为0.196、0.25和0.75。因此，利用氧化铝表面上水的典型接触 角约为50°的常识(Bubois，Fournee，Thiel和Belin-Ferre 2008和Moore， Ferraro，Yue和Estes 2007)，可以从理论上估计带纹理的硬质阳极氧 化表面的θα分别为11°、24°和40°。因此，阳极氧化的铝柱的图案提 供比疏水材料(＞90°)低得多的水接触角度。
使表面纹理化的好处是：结构促进了液滴离开表面的运动，由 于选择的表面化学性质和结构，因此在无需施加任何外部能量的情况 下，水被迫沿着限定的轨迹运动。
图4所示的反射器表面16包括涂有市售可得的聚合物28的硬 质阳极氧化表面。涂层28是疏水的，具有约为100°的水接触角度和 约为15°的滚落角度。使用在表面16上的激光烧蚀来产生表面特征 29。如所讨论的，将理解的是，本发明还包括用于产生表面特征的其 他合适的手段，诸如其他蚀刻技术。在一个实施例中，激光烧蚀工艺 包括两个步骤：在第一步骤中，选择性地去除疏水聚合物28，从而 暴露出下面的硬质阳极氧化表面的部分。如图4所示，将激光烧蚀选 择性地施加到被涂覆的表面16上以产生发散的轨道26。在第二步骤 中，对硬质阳极氧化的表面进行选择性地图案化以产生表面粗糙特征 29，例如圆柱形柱或方形柱。在硬阳极化的表面的部分上形成表面特 征29，从而增强了这些区域的亲水。应当理解的是，在整个本公开 中，术语发散通道和发散轨道可以互换使用。
图8(a)示出了涂覆有疏水聚合物的硬质阳极氧化反射器表面 16，反射器表面16具有亲水部分，该亲水部分包括具有表面特征29 的发散通道26。图8(a)中的圆形插图示出了表面特征29的放大图 像，所述表面特征29为具有特征尺寸为80μm和特征间距为240μm的圆形柱30，插图中的比例尺为100μm。在整个本公开中，“特征间 距”P是指相邻表面特征之间的中心到中心的距离。图8(b)的插图 示出了在亲水分散通道26内的表面特征29的放大图像，所述亲水分 散通道26包括圆柱形柱30，圆柱形柱30具有为160μm的特征尺寸 和为480μm的特征间距，比例尺为100μm。图8(c)的插图示出了 在亲水分散通道26内的表面特征的放大图像，该亲水分散通道26包 括圆柱形柱30，圆柱形柱30具有为240μm的特征尺寸、为720μm 的特征间距、为200μm的比例尺。图8(d)的插图示出了在亲水分 散通道26内的表面特征29的放大图像，该亲水分散通道26包括方 形柱32，方形柱32具有为80μm的特征尺寸和为240μm的特征间距， 插图的比例尺为200μm。在一个实施例中，如图8所示，发散通道 26在反射器板16的中心处不汇合。
图9(a)-9(d)展示了在具有表面特征29和没有表面特征29 的情况下，硬质阳极氧化表面对于水滴的润湿行为。在没有表面特征 29的情况下，裸露的硬质阳极氧化表面是微弱亲水的，具有约45° 的接触角度，导致水滴保留在它们沉积的位置，如图9(a)所示。 图9(b)-(d)中所示的表面具有在硬质阳极氧化的表面上蚀刻的表 面特征29。图9(b)包括具有80μm的特征尺寸和240μm的特征间 距的圆柱形柱，图9(c)具有160μm的特征尺寸和480μm的特征间 距，图9(d)具有240μm的特征尺寸和720μm的特征间距。图9 (b)、9(c)和9(d)的所有表面上的接触角度小于10°。从图9(b) -9(d)可以明显看出表面纹理化对润湿的影响，在图9(b)-9(d) 中水滴在表面上扩散。
图10示出了激光烧蚀的硬质阳极氧化表面的高度轮廓的激光显 微图像，并且示出了在硬质阳极氧化层上执行的激光烧蚀工艺并未牺 牲其完整性。图10(a)示出了一个实施例，其中在烧蚀工艺之后保 持方形柱32。图10(b)示出了一个实施例，其中在烧蚀工艺之后保 持圆柱形柱30。图10(a)和10(b)中提供的曲线图示出了沿着在 烧蚀的硬质阳极氧化表面的顶视显微图像中示出的相应直线测量的 相应的高度轮廓。从图10(a)和10(b)的高度轮廓可以看出，硬 质阳极氧化层仍然存在于表面特征之间的区域中。那里，层的高度约为15μm至20μm。表面特征的硬质阳极氧化层/在图案化之前的整个 层的高度约为30μm。因此，即使在蚀刻表面特征29的情况下，反射 器表面也保留了硬质阳极氧化的涂层，因此适用于极端环境。
如图4所示，亲水通道26在反射器表面16的15°扇区上发散(即 扇区角Ψ＝15°)，并且有从反射器表面16的中心径向地发散的六个 这样的通道26。在反射器表面16上有疏水材料40的45°的扇区该扇 区间隔开发散通道。亲水通道26内的表面特征29可以包括任何合适 的几何形状。尽管所示的发散通道26具有15°的角度，但是应当理解， 任何合适的发散角度Ψ都是可以的。特别地，以5°至20°的角度Ψ 发散的发散通道是可以的，但是也可以使用其他的通道发散角度。
通道26发散的角度影响作用在水滴上并随后将水滴推向反射器 表面16的边缘的表面张力。如图11(a)所示，亲水通道从反射器表 面16的中心朝向表面的边缘以角度Ψ发散。所示液滴的中心与亲水 通道26的左顶点相距为d的距离。液滴接触线两次接触疏水边界/亲 水边界：第一个接触点与亲水通道26的中心线成角度Φf，第二接触 点与亲水通道26的中心线成角度Φs。
随着接触角度在亲水通道26和疏水扇区28的表面之间的边界 处发生变化，作用在水滴上的净表面张力F可以从以下公式估算：
Figure BDA0002631637540000131
θp和θ1分别是在涂覆疏水聚合物的表面28和亲水激光纹理化的 表面26上的水接触角。γ是表面张力，R是水滴的半径。知道γ(对于 水来说，γ为0.072N/m的常数)，可以使用上述公式估算表面张力， 以沿亲水通道26传输2毫米大小的水滴。图11(b)描绘了作为距亲水通道的左顶点的距离的函数的净表面张力(F)的图。
如在图11(b)中可以看到的，F随着液滴与反射器表面16的 中心之间的距离增加而减小。对于亲水通道，随着Ψ的值的降低，F 也会降低。因此，随着液滴更多地朝向反射器表面16的边缘移动， 来自疏水边界/亲水边界的净表面张力减小。
具有较高的Ψ(即，较宽的轨道)的发散通道26在较靠近反 射器表面的中心处具有较高的净表面张力，当液滴沿着亲水通道26 朝向反射器16的边缘行进时，该净表面张力迅速衰减。具有较低的 Ψ(即较窄的轨道)的发散通道26提供较低的净表面张力，因此液滴需要更长的时间才能从反射器表面16的中心向图11(a)中的边缘 移动。
在所示的实施例中，图12中的亲水通道包括变化的发散角度θ。 亲水通道以Ψ＝20°的发散角度开始，然后发散角度Ψ逐渐变为15°、 10°和5°。这种几何形状使沿亲水边界/疏水边界行进的2mm大小的 水滴上的表面张力最大化。图11(b)示出了具有变量Ψ的亲水通道 的近似表面张力。
根据应用的要求，较宽的亲水通道26用于提供较高的表面张力， 以将水从反射器表面16的中心输送到反射器表面16的外围。然而， 一些实施例使用较窄的发散通道，使得较少的反射器表面16需要激 光进行烧蚀，从而最小化激光处理时间。此外，因为当与疏水区域相 比时，亲水表面更可能被污染，所以在一些实施例中，期望使亲水区 域最小化。
图13示出了在图14中发生的水输送动作。在液滴沉积到反射 器表面16上之后，液滴形成朝向反射器表面16的边缘成“蝌蚪”形的 水弯月面。由于表面张力基于上面所示的公式而沿着亲水通道26从 中心向外围(在中心处具有相对于外围的较高的值)变化，因而水弯 月面在亲水通道26中不具有均匀的形状。液滴在较靠近中心的位置 处呈球形，在外围处呈圆锥形弯月形，如图所示，形成大致的“蝌蚪” 形。最后，水聚积在反射器表面16的边缘处。所示的实施例在10秒 内将具有典型的雨滴的体积的水滴从反射器表面16的中心传送到反 射器表面16的外围。
图14示出了在反射器表面16上布置发散亲水通道26的另一种 方式。尽管在前面的描述中，发散通道26的各个对称轴在盘中心中 的单个点处汇合。相反，在图14中，不同的发散亲水通道26的对称 轴在盘的中心中的单个点处不相交。反而，一条或多条或全部对称线 (如图14(d)中的虚线所示)彼此相交，使得一条或多条或全部对 称线限定了围绕盘的中心处的点的多边形。多边形的顶点的数量对应 于盘上的发散通道26的数量。
如在图14中可以看到的，发散通道26的定位也提高了水的输 送效率。在一个实施例中，发散通道26在反射器表面的中心部分处 汇合。在这种构造中，如在图14(a)、14(b)和14(c)所示的时 间刻度处所观察到的，水滴在沉积后的7秒内被径向传输。在该实施 例中，通过在反射器表面16的中心处的疏水小岛所产生的附加表面 驱动张力来辅助水的输送。应当理解，尽管示出了六个发散通道26， 但是通道的数量不受限制，并且更多或更少的发散通道26也是可以 的。
尽管图14示出了其中发散通道在盘的中心处或盘的中心附近汇 合的特定布置，但是应当理解，还设想了其中发散通道在盘的中心处 或盘的中心周围汇合的其他布置。
如上所述，水聚积在反射器表面16的边缘处。因此，去除聚积 的水是有利的。传感器主体1的外表面上的亲水部分将水从腔4中抽 离。在一个实施例中，诸如重力的其他外力有助于去除在反射器板 15的边缘处聚积的水。例如，在一个实施例中，在反射器表面16的边缘处设置斜面以允许水暴露于重力下。在一个实施例中，相对于反 射器表面16的斜角大约为45°。
在一个实施例中，传感器1的换能器设置在传感器的主体上部 10内。因此传感器的主体上部10是中空的，以允许容纳换能器。在 传感器的主体制造之后并且在安装换能器之前，下部反射器16的表 面不仅可以从传感器1的侧面通过由间隔件6限定的空间访问，也可 以通过中空的主体上部10访问。可以在将换能器插入主体中之前对 反射器16的表面进行图案化，并且旨在使包括以上述任何方式布置 的下部反射器的表面、但是不包括换能器和/或任何其他电子部件的 传感器主体落入权利要求书所提供的保护范围内。
上面仅以示例的方式描述了本发明。在所附权利要求的范围内， 可以对本发明进行详细的修改。此外，应当理解，本发明决不限于本 文所述实例中所示的特征的组合。关于一个示例公开的特征可以与关 于另一示例公开的特征结合。

Claims (27)

1.一种用于声共振流体流速传感器的主体，所述主体包括反射器表面，所述反射器表面具有朝着所述反射器表面的边缘径向地延伸的至少一个部分，
其中所述至少一个部分比反射器表面的周围部分更亲水，以促进水从反射器表面的中心向反射器表面的边缘的运动。
2.根据权利要求1所述的主体，其中，所述周围部分包括疏水涂层。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的主体，其中，比所述反射器表面的周围部分更亲水的所述至少一个部分包括亲水表面。
4.根据权利要求3所述的主体，其中，所述亲水表面是使用烧蚀工艺形成的。
5.根据权利要求2所述的主体，其中，使用烧蚀工艺来蚀刻疏水涂层，以暴露形成比所述反射器表面的周围部分更亲水的所述至少一个部分的亲水材料。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的主体，其中，比所述反射器表面的周围部分更亲水的所述至少一个部分包括布置在所述反射器表面上的纤维。
7.根据权利要求6所述的主体，其中，所述纤维能够使用毛细管作用来芯吸液体。
8.根据权利要求6或7所述的主体，其中，所述周围部分包括亲水材料。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的主体，其中，所述纤维是天然纤维或合成纤维、或所述天然纤维和合成纤维的组合。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的主体，其中，所述纤维具有小于0.2mm的直径。
11.根据前述权利要求中任一项所述的主体，其中，比所述反射器表面的周围部分更亲水的所述至少一个部分的宽度在从所述反射器板的中心朝向所述反射器表面的边缘的方向上增加。
12.根据前述权利要求中任一项所述的主体，其中，比所述反射器表面的周围部分更亲水的所述至少一个部分包括具有恒定的宽度、发散的宽度、或所述恒定的宽度和发散的宽度的组合的一系列通道。
13.根据前述权利要求中任一项所述的主体，其中，比所述反射器表面的周围部分更亲水的所述至少一个部分包括多个粗糙特征。
14.根据权利要求13所述的主体，其中，所述粗糙特征是通过激光烧蚀形成在所述反射器表面上的。
15.根据权利要求13或14所述的主体，其中，所述粗糙特征包括多个圆形柱或方形柱或六边形柱、或所述多个圆形柱、方形柱和六边形柱的组合。
16.根据权利要求15所述的主体，其中，所述柱具有不同的高度。
17.根据前述权利要求中任一项所述的主体，其中，所述装置被涂覆有疏水性材料，并且比周围的部分更亲水的所述至少一个部分形成在所述疏水性部分的顶部上或者是通过选择性地去除所述疏水性涂层而形成的。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的主体，其中，所述通道从所述反射器表面的中心径向地延伸，
并且其中所述通道在反射器表面的中心部分处彼此重叠。
19.根据权利要求18所述的主体，其中，所述通道从所述反射器的中心朝着所述反射器的边缘径向地发散。
20.根据权利要求18所述的主体部分，其中，所述通道以5°至20°之间的角度从所述反射器的中心朝向所述反射器的边缘径向地发散。
21.根据权利要求18所述的主体部分，其中，所述通道以变化的角度从所述反射器的中心朝着反射器的边缘径向地发散。
22.根据权利要求18或19所述的主体，其中，每个通道具有对称轴，并且其中所述对称轴彼此相交并且限定围绕所述反射器表面的中心的多边形。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的主体，其中，声共振腔由以预定距离隔开的两个反射器表面形成。
24.根据权利要求23所述的主体，其中，两个反射器表面由具有外表面的间隔件间隔开，所述外表面包括亲水部分。
25.根据前述权利要求中任一项所述的主体，其中，所述主体的外表面包括亲水部分。
26.一种声共振流体流速传感器，包括根据权利要求1至25中任一项所述的主体。
27.一种在用于声学共振流体流速传感器的主体上提供表面的方法，所述表面是传感器的反射器表面，并且被配置为辅助水从传感器中排出，所述方法包括提供比反射器表面的周围部分更亲水的至少一个部分，以促进水从反射器表面的中心向反射器表面的边缘的移动。
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