本發(fā)明總體涉及一種不依賴于流體熱特性來確定流體流量的方法；一種用于確定待確定流量的流體的熱導(dǎo)率（κ）和熱容（cp）的方法；一種與熱流量傳感器配合使用的熱特性傳感器，其中，在使用期間，待確定流量的流體流過所述熱流量傳感器；一種用于測量流體流的熱流量傳感器；以及一種熱特性傳感器的制造方法。

背景技術(shù)：

1、熱流量傳感器用于測量氣體和液體的流量。熱流量傳感器主要有三種類型：風(fēng)速計式、量熱式和飛行時間式。當(dāng)今，這些傳感器可以是微型裝置。

2、所有三種提及的熱流量傳感器類型通常由加熱器和溫度傳感器組成；并且遵循類似的工作原理，即，向所述加熱器供電以升高溫度，然后測量所述傳感器結(jié)構(gòu)上的溫度分布的變化作為流速的度量。諸如在功率保持恒定并且加熱器同時用作溫度傳感器的情況下能夠有多種變體。

3、熱流量傳感器具有簡單的工作原理和較低的制作成本。然而，它們?nèi)Q于流動介質(zhì)的類型，更具體地，取決于氣體或液體的熱特性。這意味著必須知道流體及其特性以進行精確的流動測量。

4、在y.?q.?zhu于的《用于測定二元氣體混合物的流速和熱特性的熱流傳感器的模擬與仿真》（“modelling?and?simulation?of?a?thermal?flow?sensor?for?determiningthe?flow?speed?and?thermal?properties?of?binary?gas?mixtures”）（歐洲傳感器會議，第1028-2031頁（eurosensors?2016,?pp.?1028-1031））中，使用由加熱器和下游溫度傳感器組成的熱流傳感器來測量氣體的熱導(dǎo)率。特定流動區(qū)域內(nèi)下游溫度傳感器的溫度僅取決于熱導(dǎo)率（κ）。

5、在christoph?j.?hepp等人的《二元氣體混合物多參數(shù)監(jiān)測：基于熱傳感器陣列的直流激勵的濃度與流速》（?“multi-parameter?monitoring?of?binary?gas?mixtures:concentration?and?flow?rate?by?dc?excitation?of?thermal?sensor?arrays”）（傳感器與制動器a，第32-39頁，2017（sensors?and?actuators?a,?p.?32-39,?2017））中，公開了一種能夠在流動條件下同時確定二元氣體混合物的氣體濃度及其流量的熱傳感器。熱容是在流量傳感器對流量不敏感的流量范圍內(nèi)確定的，這限制了所述傳感器的適用性（即，傳感器首先需要被置于相對“高流量范圍”）。

6、在d.f.?reyes的《熱流量傳感器在不同流速下頻率響應(yīng)的測量與仿真》（“measurement?and?simulation?of?the?frequency?response?of?a?thermal?flowsensor?at?different?flow?speeds”）（傳感器與制動器a，203，第225-233頁，2013（sensors?and?actuators?a,?203,?pp.?225-233,?2013））中，使用交流勵磁來測量加熱器附近傳感器的電壓。他們利用了這樣的事實：通過提高頻率，熱邊界層會變薄，并且可以被壓縮到靠近壁的位置。因此，由于壁上的無滑移條件，加熱器與傳感器之間的熱交換不取決于流速，所以熱傳遞僅受氣體或流體物理性質(zhì)的影響，而不受流動的影響。

7、美國專利4,685,331?b1公開了一種熱式質(zhì)量流量計及控制器，具有一系列流動通道和封閉通道，這些通道是從硅襯底上微蝕刻而成的，蝕刻后留下橫跨這些通道而懸掛的整體薄膜。熱式質(zhì)量流量計的傳感器包括靜止氣體通道，所述靜止氣體通道平行于蝕刻而成的流動通道（也稱為“封閉通道”）延伸。美國專利4,685,331?b1中所述的傳熱方程不依賴于傳感器流量，因為測量是在封閉的靜止通道中進行的。因此，如果流動通道中的流體的組成改變，則其將花費相當(dāng)長的時間擴散到封閉通道中。此外，不同的流體能夠具有進入封閉通道的不同擴散速率。該領(lǐng)域需要對氣體（混合物）成分的變化做出即時響應(yīng)，因此強烈優(yōu)選使用在線傳感器。

8、因此，不依賴于流體，特別是不依賴于氣體的流量測量仍然是重大挑戰(zhàn)。本發(fā)明的目的

9、因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠不依賴于流體、特別是不依賴于氣體來測量流量的方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種不依賴于流體熱特性來確定所述流體流量的方法，包括：

2、-將熱流量傳感器放置成與流體流熱接觸；

3、-測量流量；

4、-將熱特性傳感器放置在測量腔中，所述測量腔與流體流相連通，且優(yōu)選鄰近所述流體流；

5、-將所述流體的一部分接收在所述熱特性傳感器的所述測量腔中，使得所述流體的所述部分在所述測量腔中基本上靜止，其中所述測量腔對所述流體流完全開放；

6、-測量所述流體的至少一種熱特性（），或所述流體熱特性的組合（）；以及

7、-根據(jù)所測得的所述至少一種熱特性，對所測得的流量進行補償。

8、上述方法的顯著優(yōu)勢在于，將熱特性傳感器設(shè)置在“死體積”（dead?volume）中，從而能夠測量所述流體的至少一種熱特性（）或熱特性的組合（）。所述腔特意對所述流體完全開放。通過從測量獲知此類熱特性，能夠建立一種不依賴流體的流量測量。

9、上述技術(shù)特別適用于通道內(nèi)的熱流量傳感器，特別適用于微機械通道中的微機電熱流量傳感器，以及其他“流體芯片”或“芯片實驗室”應(yīng)用。然而，該技術(shù)還能夠與例如固定到流動通道的外壁的加熱器和/或傳感器元件一起使用，其中，“間接地”建立與所述流體的熱接觸。根據(jù)傳感器類型的不同，熱流量傳感器與所述流體流之間能夠直接或間接熱接觸；例如，熱線式傳感器會直接接觸，而毛細(xì)管傳感器的繞組會間接接觸。

10、在本專利申請的文本中，“基本靜止”是指所述流體基本上“靜止”，但允許所述測量腔中的流體粒子存在較小程度的擴散和移動，甚至這種擴散和移動對于反映流體成分的變化而言是必要的。在本發(fā)明中，發(fā)現(xiàn)在不影響測量的準(zhǔn)確性的情況下實現(xiàn)。凹槽，特別是v型槽和u型槽，被發(fā)現(xiàn)特別適用于此目的。最有利地，它們能夠在面向流動或背離流動時使用。

11、關(guān)于前述方法的一實施例，包括：

12、-使用所述流體流中的所述熱流量傳感器來額外地測量至少一種熱特性。

13、關(guān)于在所述流體流中添加第二熱流量傳感器的一實施例。

14、優(yōu)選地，使用所述熱流量傳感器測量的所述熱特性是熱容量（cp）或密度（）或體積熱容量（）。

15、關(guān)于前述方法的一實施例中，在所述基本上靜止的流體上測量的所述熱特性是熱導(dǎo)率（κ）。

16、關(guān)于上述方法的另一實施例中，在所述流體流中和所述基本上靜止的流體上同時測量熱特性的組合，其中，在所述流中測量的所述熱特性為熱容（cp）、密度（）或體積熱容（），在所述基本上靜止的流體上測量的所述熱特性為熱導(dǎo)率（κ）。在所述基本上靜止的流體上也可以測量體積熱容（）。此外，能夠確定（）。

17、關(guān)于前述方法的一實施例中，壓力傳感器額外地測量壓力和/或壓差，以從所述測量的流量和所述測量的壓力和/或壓差推導(dǎo)出粘度。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠參考例如johnvan?baar的《用于流體流的分布式微型熱傳感器》（“distributed?thermal?micro?sensorsfor?fluid?flow”）第2章2（2002?isbn?90-36518288），和/或j.j.?van?baar等人的《用于流體和流動參數(shù)的熱測量的微型機械結(jié)構(gòu)》（?“micro-machined?structures?for?thermalmeasurements?of?fluid?and?flow?parameters”?）（微機械與微工程雜志，第11卷第4期（7月），第311-318­頁，2021（journal?of?micromechanics?and?microengineering,volume?11,?issue?4?(july),?pp.?311-318,?2001））。后者與美國專利4,685,331?b1一樣，均披露了一種必然含有靜止的流體的“死體積”中的傳感器。在這種設(shè)置中，所述通道中的流體變化也將花費相當(dāng)長的時間擴散到所述封閉通道中。此外，不同的流體能夠具有進入封閉通道的不同擴散速率。van?baar（2001）還公開了1mm長×25μm寬×1μm厚的較大的熱導(dǎo)率傳感器以及1mm長×150μm寬×100μm厚的厚硅梁的tcr（“電阻熱系數(shù)”）傳感器。體積越大，結(jié)構(gòu)的熱容越大，因此，傳感器的響應(yīng)越慢。

18、關(guān)于上述方法的一實施例中，所述熱特性傳感器包括加加熱絲（例如一對加加熱絲）、探針或繞組。這種加加熱絲（與所述測量腔的體積相比）較薄，因此，不會顯著影響所述基本上靜止的流體的熱特性?？蛇x地，所述熱特性傳感器包括兩個或更多個加加熱絲，所述加加熱絲能夠用作彼此的備用或檢查偏差。導(dǎo)絲的特別優(yōu)點是它們的快速響應(yīng)，通常＜1ms，本發(fā)明使用這種快速響應(yīng)來提高測量速度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，能夠使用具有低熱質(zhì)量的其他元件代替加熱絲。

19、關(guān)于前述方法的另一實施例中，所述熱特性傳感器包括探針，優(yōu)選地具有由鉑制成的傳感器元件。

20、關(guān)于前述方法的一實施例，其中，熱導(dǎo)率（κ）通過以下測量：

21、-用恒定電流（dc）或極低頻交流電（ac）加熱所述加熱絲，用于加熱所述流體的所述部分，以及

22、-在對所述流體的所述部分進行加熱的過程中，利用與所述加熱絲相連的電壓測量裝置測量所述加熱絲的電壓，并且將所測得的電壓與熱導(dǎo)率相關(guān)聯(lián)。

23、關(guān)于前述方法的一實施例中，熱容量（cp）通過以下測量：

24、-用交流電（ac）激活所述加熱絲；以及

25、-在對所述流體的所述部分進行加熱的過程中，利用與所述加熱絲相連的電壓測量裝置測量所述加熱絲的所測得的交流（ac）電壓的三次諧波（3ω）的相位和振幅，并將所測得的ac電壓的三次諧波的所測得的相位和振幅與熱容相關(guān)聯(lián)。

26、因此，ac勵磁能夠有利地用于測量所述熱特性傳感器的電壓。采用的見解是通過提高頻率，熱邊界層厚度會變薄，并且能夠被壓縮到靠近壁的位置。因此，由于壁上的無滑移條件，加熱器與傳感器之間的熱交換不取決于流速，所以熱傳遞僅受氣體或流體物理性質(zhì)的影響，而不受流動的影響。兩個物理參數(shù)，熱導(dǎo)率（κ）和體積熱容（），是從所測得的ac電壓三次諧波的相位和振幅推導(dǎo)出的。本領(lǐng)域技術(shù)人員在選擇合適的頻率時，會考慮傳感器的類型以及其他環(huán)境因素。流量本身能夠通過dc勵磁進行測量，dc勵磁取決于κ和。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，如果所述頻率足夠低，使得測量能夠在周期的小部分時間內(nèi)，諸如半個周期或更短時間內(nèi)完成，極低頻交流ac勵磁能夠用作dc勵磁的替代方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然會考慮流體的類型，以及任何用于補償?shù)念~外測量。因此，通過從ac測量獲知這些特性，能夠?qū)崿F(xiàn)不依賴于流體/氣體的流量測量。

27、本發(fā)明的另一方面關(guān)于一種用于確定待確定流動的流體的熱導(dǎo)率（κ）和/或比熱容（cp）的方法，包括：

28、-將熱流量傳感器放置成與流體流熱接觸；

29、-測量流量；

30、-將熱特性傳感器放置在測量腔中，所述測量腔與所述流體流相連通，且優(yōu)選鄰近所述流體流，其中，所述測量腔對所述流體流完全開放，諸如面向（或背向）所述流，例如布置在所述流體流（的流動路徑）中；

31、-將所述流體的所述部分接收在所述熱特性傳感器的所述測量腔中，使得所述流體的所述部分在所述測量腔中基本上靜止，

32、-用恒定電流（dc）或極低頻交流電（ac）加熱所述熱特性傳感器的加熱絲，用于加熱所述流體的一部分，以及

33、-在對所述流體的所述部分進行加熱的過程中，利用與所述加熱絲相連的電壓測量裝置測量所述加熱絲的電壓，并且將所測得的電壓與熱導(dǎo)率相關(guān)聯(lián)；和/或

34、-用交流電（ac）加熱所述熱特性傳感器的所述加熱絲；以及

35、-在對所述流體的所述部分進行加熱的過程中，利用與所述加熱絲相連的電壓測量裝置測量所述加熱絲的所測得的交流電（ac）電壓的三次諧波的相位和振幅，并將所測得的ac電壓三次諧波的所測得的相位和振幅與熱容（優(yōu)選為體積熱容，）相關(guān)聯(lián)。

36、在一實施例中，將熱流量傳感器放置成與流體流熱接觸，流體流包括通過流動通道的外壁的熱接觸。

37、本發(fā)明的另一方面關(guān)于一種用于與熱流量傳感器配合使用的熱特性傳感器，其中，在使用期間，待確定流量的流體流過所述熱流量傳感器，包括：

38、-加熱絲，配置為放置在用于容納所述流體的一部分的測量腔中，其中，所述流體的所述部分在所述測量腔中基本上靜止；所述加熱絲還配置為通過以下方式進行加熱：

39、-恒定電流（dc）或極低頻交流電（ac），用于加熱所述流體的所述部分；其中，在對所述流體的所述部分進行加熱的過程中，利用與所述加熱絲相連的電壓測量裝置測量所述加熱絲的電壓，其中，所測得的電壓與熱導(dǎo)率相關(guān)聯(lián)；和/或

40、-交流電（ac），其中，在對所測得的所述流體的所述部分進行加熱的過程中，利用與所述加熱絲相連的電壓測量裝置測量所述加熱絲的交流電（ac）電壓的三次諧波的相位和振幅，其中，所測得的ac電壓的三次諧波的所測得的相位和振幅與熱容（優(yōu)選為體積熱容，）相關(guān)聯(lián)。

41、關(guān)于上述熱特性傳感器的一實施例中，所述測量腔為凹槽，凹槽具有u形或v形橫截面，其中，所述加熱絲懸置于具有u形或v形橫截面的測量腔中。該實施例特別適合于保持流體“基本上靜止”，同時允許流體交換所必需的擴散。

42、關(guān)于上述熱特性傳感器的一實施例中，所述加熱絲的橫截面小于10?μm，諸如約9μm、約8?μm、7?μm、約6?μm、5μm、約4?μm、3?μm、約2?μm或約1?μm，以便實現(xiàn)小的體積，因此獲得小的熱容，從而實現(xiàn)快速響應(yīng)。

43、關(guān)于上述熱特性傳感器的一實施例中，所述加熱絲的橫截面一側(cè)為扁平的，諸如方形、三角形、半圓形，或者最優(yōu)選為矩形。扁平橫截面的平坦部分優(yōu)選地具有小于10?μm的寬度，諸如約9?μm、約8?μm、7?μm、約6?μm、5?μm、約4?μm、3?μm、約2μm或約1?μm。此外，根據(jù)材料和條件的穩(wěn)定性，橫截面優(yōu)選地具有0.1至1?μm的厚度。小體積的傳感器允許極高的速度。對此，已針對硅進行了評估：在硅中，時間常數(shù)與體積呈線性關(guān)系，因此，若所有其他變量保持不變，將體積減小一半，傳感器的速度會提高至現(xiàn)在的兩倍。在流量傳感器領(lǐng)域，兩倍快的響應(yīng)速度是所期望的，而通過將體積減少一半以上，甚至可能實現(xiàn)更大幅度的提升。

44、關(guān)于上述熱特性傳感器的一實施例中，具有u形或v形橫截面的測量腔和/或加熱絲的長度為1至3?mm，諸如1.5至2.5?mm，和/或具有u形或v形橫截面的測量腔的寬度為20至60?μm。

45、關(guān)于上述熱特性傳感器的一實施例，其中，放置所述熱特性傳感器以縮短其與所述熱流量傳感器的距離，即，不將所述熱特性傳感器從所述腔體內(nèi)取出。

46、本發(fā)明的另一方面關(guān)于一種用于測量流體流的熱流量傳感器，包括：

47、-測量腔，與所述流體流流體連接，且優(yōu)選鄰近所述流體流，其中，所述測量腔對所述流體流完全開放；

48、-前述熱特性傳感器，其中，所述加熱絲被放置在所述測量腔中以用于容納所述流體的一部分，其中，所述流體的所述部分在所述測量腔中基本上靜止。

49、關(guān)于上述熱流量傳感器的一實施例，其中，所述熱流量傳感器可釋放地插入到流動通道中，在使用期間流體流存在于所述流動通道中，或者，當(dāng)通過流動通道的外壁實現(xiàn)（間接）熱接觸時固定在流動通道的外壁上。

50、關(guān)于上述熱流量計或控制器的一實施例，熱流量計或控制器包括上述熱特性傳感器和/或熱流量傳感器。

51、關(guān)于上述熱流量計或控制器的一實施例，其中，所述熱特性傳感器或所述熱流量傳感器中的至少一個是微機電（mems）設(shè)備。

52、關(guān)于上述熱流量計或控制器的一實施例，還包括粘度傳感器、（外部）濕度傳感器、co2傳感器、（外部）溫度傳感器、介電或介電常數(shù)傳感器、附加壓力傳感器、流體成分傳感器或多參數(shù)傳感器。

53、本發(fā)明的另一方面關(guān)于上述熱流量計或控制器在醫(yī)療設(shè)備中的用途。

54、該用途能夠用于呼吸設(shè)備。

55、本發(fā)明的另一方面關(guān)于一種用于制造上述熱傳感器流量傳感器的方法，包括以下步驟：

56、（1）在晶圓的兩側(cè)沉積支撐層，

57、（2）在所述晶圓的一側(cè)上沉積金屬層，

58、（3）將所述金屬層圖案化，

59、（4）將所述支撐件圖案化，以形成用于蝕刻下方si的開口，

60、（5）在所述晶圓的另一側(cè)重復(fù)步驟2至4，

61、（6）蝕刻所述si晶圓，以在所述晶圓內(nèi)部實現(xiàn)v形槽和流量感測元件腔。

62、關(guān)于前述制備方法的一實施例中：

63、（4）蝕刻所述支撐層以形成用于蝕刻所述下方si晶圓的開口。

64、關(guān)于前述制備方法的一實施例中，所述金屬層包括cr/pt層。

65、前述制備方法的一實施例中，所述支撐層為sirn支撐層。

66、關(guān)于前述方法的一實施例中：

67、（1）所述支撐層的厚度為1μm。

68、關(guān)于前述方法的一實施例中：

69、（2）所述cr/pt層的厚度為20nm/200nm，

70、關(guān)于前述方法的一實施例中：

71、（3）圖案化所述支撐層，所述支撐層包括蝕刻所述cr/pt層。

72、關(guān)于前述方法的一實施例中：

73、（2）通過濺射沉積所述cr/pt層。

74、在一實施例中，步驟1使用低壓化學(xué)氣相沉積（lpcvd）。

75、在一實施例中，步驟6使用koh用于蝕刻，優(yōu)選使用在蒸餾水中1:3的koh。

76、在一關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例中，熱流量傳感器包括：

77、-具有流動區(qū)段的傳感器主體，在使用過程中，待確定流量的流體在流動方向上流過所述流動區(qū)段，

78、-流量傳感器裝置，包括布置在所述流動區(qū)段中的一個或多個位置處的一個或多個流量感測元件。

79、在一關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例中，熱流量傳感器包括：

80、-主體部分；

81、-從所述主體部分延伸的第一主體部分；

82、-從所述主體部分延伸的第二主體部分；

83、其中，所述流動區(qū)段形成在所述主體部分、所述第一主體部分和所述第二主體部分之間。

84、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述測量腔布置在所述主體部分。

85、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述測量腔沿著所述流動區(qū)段的一側(cè)延伸。

86、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述流量傳感器裝置包括布置在所述流動區(qū)段中的多個位置處的多個流量感測元件。

87、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述流動區(qū)段在所述流動區(qū)段的不由所述主體部分、所述第一主體部分和/或所述第二主體部分界定的一側(cè)處開口。

88、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述第一主體部分和所述第二主體部分彼此平行。

89、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述流動區(qū)段在橫向于所述流動方向的平面中具有正方形或矩形形狀。

90、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述多個流量感測元件在所述第一主體部分和所述第二主體部分之間延伸。

91、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述多個流量感測元件以均勻方式在所述流動區(qū)段中間隔開。

92、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述多個流量感測元件包括三個或更多個流量感測元件。

93、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，每個流量感測元件包括流量感測導(dǎo)線對。

94、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述流量感測導(dǎo)線對之間的相互距離為300至500?μm、優(yōu)選為350至450?μm，更優(yōu)選為375至425?μm。

95、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述熱流量傳感器的流量感測導(dǎo)線對在所述第一主體部分和所述第二主體部分之間延伸。

96、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述傳感器主體形成為芯片。

97、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述傳感器主體附接到或布置在印刷電路板（pcb）上。

98、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述傳感器、優(yōu)選地是流量感測導(dǎo)線中的至少一個形成惠斯通電橋的一部分。

99、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，一對或多對所述傳感器、優(yōu)選地是流量感測導(dǎo)線中的每一個形成惠斯通電橋的一半。

100、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，布置在所述傳感器主體上的固定電阻器形成所述惠斯通電橋的另一半。

101、一種關(guān)于前述熱流量傳感器的實施例，其中，所述熱流量傳感器是微機電系統(tǒng)（mems）部件。