流体探测器的制作方法

专利名称：流体探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定流体特性的探测器，以及该探测器的制造和使用方法。本发 明的实施方式适用于，但不限于确定诸如血液的流体的粘度，且尤其用于监控作为时间的 函数的该流体的粘度变化(例如，由于凝结)。
背景技术：
已知的是传感器使用微小的挠性机械结构，例如集成到微型室中的微型悬臂、微 型桥或微型隔板。例如，US 6575020描述了怎样将各种微型悬臂集成到微型室中。细微的 微型悬臂的机械特性的变化可以用于检测微型悬臂的环境的变化。US 6575020描述了这种 微型悬臂通常如何达到100微米长、10微米宽以及1微米厚的级别并可以由例如硅、氮化 硅、玻璃、金属的材料或这些材料的组合制成。这种传感器可以包括用于将悬臂相对于互动 室移动的致动器(actuator)。该致动器可以以各种方式实施，例如，通过压电元件、用于提 供静电或磁感应运动(movement)的装置、或提供热诱发运动的装置，例如微型悬臂的加热 元件。这些微型悬臂布局的一个缺点是悬臂由相对刚性的材料形成，由此限制了传感器 的偏转范围(以及由此潜在的敏感性)。公开号为WO 2005/054817的国际专利申请No. PCT/GB2004/005079描述了具有 挠性元件的设备，该设备用于检测流体特性。该挠性元件可以由例如聚合物的材料形成， 其与硅相比相对更柔韧。该挠性元件的长度在100微米到Imm之间，且可以在两种结构 (configuration)之间弯曲，该挠性元件的一端的相应移动距离在30微米和650微米之间。 挠性元件由具有不同的热膨胀系数的两个层形成。加热器被结合到该挠性元件中，以用于 将元件从第一结构移动到第二结构。当热被移除时，该元件伸直回到第一结构。合适的压 阻材料可以用于确定元件的偏转度或偏转率。WO 2005/54817的图4示出了施加到加热器 用来驱动该元件的方波脉冲序列，以及之后产生的压阻传感器元件的电阻变化。

发明内容
本发明的实施方式的一个目的是解决这里提及的或没有提及的现有技术存在的 一个或多个问题。在第一个方面，本发明提供用于检测流体特性的设备，该设备包括主体区；具有 第一端和第二端的第一挠性元件，所述第一端被固定设置在所述主体区上，第一挠性元件 至少包括具有第一热膨胀系数的第一层、和具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数 的第二层，以及用于对挠性元件加热以使所述挠性元件弯曲的电加热器，其中该设备还可 以包括加热器控制器，该加热器控制器用于向所述电加热器提供持续时间小于8ms的电脉 冲。持续时间小于8ms的脉冲尤其适用于测量流体(包括例如血液、水和甘油的液体) 特性，特别地适用于确定这些流体的粘度。脉冲导致可测量的挠性元件的机械弯曲(包括伸直状态)，该挠性元件暂时与用于使挠性元件弯曲的热脉冲隔离。这种短脉冲可以使得挠 性元件在用于给加热器供电的电脉冲已经被移除之后可以继续弯曲。对机械弯曲的测量或 感测可以包括在弯曲达到峰值幅度时感测机械弯曲的特性。该测量可以包括对峰值幅度特 性的测量，例如对峰值幅度的计时或弯曲的峰值幅度的大小。另外，这种短脉冲可以导致可测量的机械振荡，其中挠性元件在其伸直时振荡。在 该可测量的机械振荡中，当挠性元件从伸直位置移动到弯曲位置然后在回到伸直位置时 (当元件加热然后冷却时)，相对小幅度的机械振荡被施加在更长时间周期的挠性 元件运 动上。当更长的脉冲还可以产生挠性元件中的机械振荡时，该振荡在出现连续加热挠性元 件时可能难以读出。因此期望加热脉冲在对机械振荡的测量开始前结束。除了传感器的弯 曲率，挠性元件的机械振荡还可以提供至少一个额外参数，该参数可以适用于或以其它方 式被分析用于或被确定用于获得挠性元件周围的流体的参数(例如，粘度)。在一些情况 中，至少一个测量由弯曲率或在机械振荡期间达到极限偏转所用时间构成，或者测量可以 由在机械振荡期间弯曲程度构成。不必生成与挠性元件的谐振频率同相发生的多个脉冲。脉冲可以在相对于彼此的 任意时间被生成，并且不需要暂时连接(即，脉冲暂时分开并且不需要定期出现或根据任 意重复模式出现)。脉冲的持续时间可以小于5ms。脉冲的持续时间可以足够短以使挠性元件的机械 振荡可以区分由于挠性元件的温度导致的弯曲。电脉冲的持续时间可以小于1.5ms。电脉冲的持续时间可以小于lms。电脉冲的 持续时间可以大于100 μ S。例如在挠性元件周围是气体的情况中，脉冲不小于50 μ S是理 想的。控制器可以用于在一频率提供电脉冲序列，该频率比挠性元件的谐振频率低至少两 个量级。例如，在低于IOOHz的频率生成脉冲序列。例如5%、10%或50%的占空比可以被使用。脉冲持续时间以及所述第一层和所述第二层的热膨胀率可以使挠性元件在脉冲 过后继续保持弯曲。脉冲持续时间和脉冲能力可以使挠性元件在脉冲过后弯曲另外的50%。脉冲的持续时间可以足够短以有效实现对挠性元件的加热而不会明显加热挠性 元件周围的环境。脉冲的持续时间可以足够长以使得热形式的足够能力传输到挠性元件从 而致使期望的弯曲度，而不会对设备的其余部分过度加热而损坏设备。提供给挠性元件的热形式的最小能量可以是1 μ J，例如在气体围绕挠性元件的情 况下。提供给挠性元件的热形式的最小能量可以是50 μ J，例如在1厘泊的流体围绕挠性元 件的情况下。提供给挠性元件的热形式的最小能量可以是100μ J，例如在大于2厘泊的流 体围绕挠性元件的情况下。提供给挠性元件的最小能量可以足以使挠性元件弯曲并经受可 测量的机械过冲(overshoot)。提供给挠性元件的热形式的最大能量可以是10 μ J，例如在气体围绕挠性元件的 情况下。提供给挠性元件的热形式的最大能量可以是60 μ J，例如在1厘泊的流体围绕挠性 元件的情况下。提供给挠性元件的热形式的最大能量可以是150μ J，例如在大于2厘泊的 流体围绕挠性元件的情况下。提供给挠性元件的热形式的最大能量可以是250 μ J。提供给 挠性元件的热形式的最大能量应当不足以损坏挠性元件或者使挠性元件的热弯曲掩盖由弯曲产生的机械过冲。所述设备还可以包括传感器，该传感器被设置用于提供指示第一挠性元件运动的信号。
在第二方面，本发明提供用于检测流体特性的操作设备的方法，该设备包括主体 区；具有第一端和第二端的第一挠性元件，所述第一端固定设置在所述主体区上，该挠性元 件包括至少一个具有第一热膨胀系数的第一层、和具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨 胀系数的第二层，以及用于加热挠性元件以使所述元件弯曲的电加热器，该方法包括向所 述电加热器提供持续时间小于8ms的电脉冲以使所述元件弯曲。电脉冲可以具有小于5ms的持续时间。该方法还可以包括感测所述挠性元件的运 动，且由此确定指示挠性元件周围的流体粘度的值。在挠性元件运动过程中挠性元件在特 定点的运动幅度可以被感测。这可以包括热诱发运动和机械运动的元件。可替换地，挠性 元件在提供电脉冲之后完成预定运动所花的时间可以被感测。这种运动可以是挠性元件运 动到极限位置，然后运动回到平衡位置，例如机械振荡。该方法还可以包括跟踪元件的运动以获得指示一段时间内的运动的数据，并使用 该数据来确定指示挠性元件周围的流体粘度的至少一个值。在第三方面，本发明提供用于检测流体特性的设备，该设备包括主体区；具有第 一端和第二端的第一挠性元件，所述第一端被固定设置在所述主体区上；具有第一端和第 二端的第二基准挠性元件，该第一端被固定设置在所述主体区上；每个挠性元件至少包括 具有第一热膨胀系数的第一层、和具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二 层、以及各自的传感器，该传感器被设置用于提供指示各自挠性元件的运动的信号，其中基 准挠性元件的传感器具第一挠性元件的传感器具有不同的结构，至少一个挠性元件包括至 少一个用于平衡所述挠性元件的热导性分布的另外部分的材料。为了保证第一挠性元件和第二挠性元件的温度响应相似，可以在所述挠性元件中 的任何一个挠性元件中(或者在合适的时候两者中)提供一个或多个另外部分的材料。平 衡每个挠性元件内的热导性分布(即，具有特定热导性值或特性的材料的分布)使每个挠 性元件在被加热到相同程度时具有大致均勻的温度分布，尽管挠性元件具有不同的传感器 结构，也具有类似的热交换特性。因此第二挠性元件可以更好地用作第一挠性元件的基准。至少一个另外部分的材料可以具有与传感器类似的热导性。至少一个部分可以由与传感器相同的材料形成。传感器可以由热导体形成。每个传感器可以包括金属。至少一个另外部分的材料还可以由金属形成，且每个挠性元件的金属成分与非金 属成分之间的比率可以基本相同。第二基准挠性元件的传感器可以被配置成对由各自元件的弯曲造成的机械张力 的敏感性比第一挠性元件中的传感器的低。第一挠性元件可以位于第一挠性部件内，第二挠性元件可以位于单独的第二挠性 部件内。第一和第二挠性元件可以位于单个挠性部件内。传感器可以包括康铜。
该设备还可以包括处理器，该处理器被设置用于处理来自第一挠性元件的传感器 的信号，以提供指示所述第一挠性元件周围的介质粘度的信号。第一挠性元件可以具有小于lN/m的弹性系数。第一挠性元件的所述第一端到所述第二端的长度可以在10微米到2mm之间。所述层的热膨胀系数的差可以至少为10X10_6/°C。 第一层的热膨胀系数与第二层的热膨胀系数的比可以至少为10。所述层可以由具有小于IOGPa的杨氏模数(Young，s modulus)的材料形成。在第四方面，本发明提供用于检测流体特性的设备，该设备包括主体区；具有第 一端和第二端的第一挠性元件，所述第一端被固定设置在所述主体区上，挠性元件至少包 括具有第一热膨胀系数的第一层、和具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二 层、以及被设置用于加热挠性元件以使所述挠性元件弯曲的电加热器元件，其中加热器元 件的与第一端相邻的第一部分的电阻比加热器元件的远离第一端的第二部分的电阻大，由 此在使用时，包括加热器元件的第一部分的挠性元件的第一段在每单位时间从加热器元件 接收到的热量比包括加热器元件的第二部分的挠性元件的第二段接收的热量多，第二段与 第一段具有相同的尺寸。提供具有这种结构的加热器元件保证了对挠性元件进行更大地加热发生在靠近 第一端的部分，即挠性元件连接到主体区的点。因此，在该区域中挠性元件的偏转可以被最 大化，致使挠性元件的总偏转比加热发生在其它地方致使挠性元件的总偏转要大，由此允 许更大的设备灵敏性。加热器元件的所述第一部分的截面可以比加热器元件的第二部分的小。加热器元 件的所述第一部分可以比加热器元件的所述第二部分长。所述第一部分可以位于第一端和第二端之间的挠性元件的中间段。所述第一部分可以在挠性元件的第一端。位于第一端和第二端之间的挠性元件的中间段中的加热器元件的至少另外部分 的截面可以比加热器元件的第二部分的小。加热器元件可以由具有基本均勻阻性的材料形成。加热器元件可以从截面较大部分逐渐变细到截面较小部分。在第五方面，本发明提供检测流体特性的设备的制造方法，该方法包括通过提供 所述设备的组成部分来形成以上权利要求中的任意一个要求的设备。


现在通过示例的方式并结合附图来描述本发明的实施方式，其中图IA和IB示出了在第一结构和第二结构中的根据本发明的一个实施方式的具有 单个挠性部件的设备的立体图；图2示出了指示相关传感器和加热元件的具有两个挠性部件的设备的示意性平 面图；图3A和3B分别示出了图2的加热元件和传感器的结构；图4是根据本发明的一个实施方式的挠性部件的示意性平面图，示出了另外部分 的材料的位置；
图5A-5D是图表每个图表示出了响应于相同的预定总能量的脉冲，分别在脉冲 持续时间0. 5ms、1. 0ms,2. Oms以及4. OOms的作为时间函数的挠性部件的偏转幅度；图6A和6B中的每个示出了压阻传感器电压，其指示在分别混合了 0%和30%的 甘油的盐水和水溶液中作为时间函数的挠性部件的偏转幅度；图7是根据本发明的另一实施方式的设备的示意图；
图8示出了在初始激励脉冲之后的图1和7的设备的作为时间函数的相对偏转幅度。
具体实施例方式图IA和IB示出了根据本发明的一个实施方式的用于检测诸如气体或液体的流体 特性的设备100。设备100包括耦合到主体区110的三个挠性元件102、104、106。每个挠性元件的第一端连接到主体区110。每个挠性部件的第二端远离第一端， 并关于主体区自由移动。每个挠性元件是具有矩形面区域的长条，其矩形的长边从主体区 110延伸。每个挠性元件102、104、106包括至少两个层108a、108b的层压板。每层的材料具有不同的热膨胀系数。这些层可以用不同材料形成。可替换地，每 个层可以由相同材料形成，其材料以不同方式被处理(例如在特定方向受压和/或结合到 挠性元件中的其它材料)，由此这些层表现不同的热膨胀系数。例如，在不同方向对材料施 压可以导致具有方向依赖的热膨胀系数。因此，如果不同层由相同的材料形成，但不同的层 在不同方向受压，则不同层将有效地具有不同的热膨胀系数。第一层的热膨胀系数可以是 第二层的热膨胀系数的2倍(或5倍，或者甚至10倍)。这两个热膨胀系数之间的差可以 至少是10X10_6/°C。层可以由具有小于IOGpa的杨氏模数的材料形成。执行每个层的合适的材料包括聚合物、聚酰亚胺、聚酰胺以及丙烯酸聚合物。在施加热后，一个层在上升相同的温度时比其它层膨胀地更多，因此正被加热的 挠性元件向具有低热膨胀系数的材料的方向弯曲(例如，图IA所示的位置)。随着挠性元 件冷却，一个层在下降相同的温度时收缩的程度比其它层更大，因此挠性元件向具有更高 热膨胀系数的材料的方向伸直(例如图IB中所示)。三个挠性元件102、104、106中的每个挠性元件具有基本相同的长度、宽度和厚 度。结合部件120连接到挠性元件102、104，106中的每个自由端(即，挠性元件的第二端， 其远离主体区110)。每个挠性元件侧面可以与相邻挠性元件侧面隔开，即由此在每个挠性 元件102、104、106之间存在间隙。通常，结合部件120还可以由热绝缘材料形成。另外，挠性元件102、104、106和结合部件120形成挠性部件125。挠性部件可以具 有近似lN/m的弹性系数。挠性部件的长度可以是10微米或更长。其长度可以是2mm或小 于 2mm。挠性部件125包括至少一个挠性元件102、104、106，该挠性元件包括加热器，例如 电加热器元件，用于加热挠性元件102、104、106，从而导致挠性部件125的运动。例如，电加 热器元件可以由金属或金属合金形成。加热器元件可以由具有基本均勻阻性的材料形成。 电加热器元件可以由康铜形成。诸如康铜的材料具有相对低的电阻温度系数，即其电阻不 会随着温度明显变化。电加热器元件可以由高导性且相对有弹性的材料(例如，金属或金属合金)形成，例如金、钼、铜或类似物。挠性部件125还包括至少一个挠性元件102、104、106，所述挠性元件包括传感器， 用于感测并提供指示相关挠性元件102、104、106的运动的信号(以及由此的指示挠性部件 125的相应运动的信号)。传感器被设置用于提供指示挠性元件弯曲度的信号。如现有技 术中所述，不同的运动传感器是已知的，且都可以在本发明的实施方式中实施。在特定的实 施方式中，运动传感器采用压阻材料的形式。压阻材料是电阻随施加的机械张力而改变的 材料。例如，传感器的压阻材料可以由镍铬铁合金、铬铜合金、金、钼或聚合物形成。传感器 可以由康铜形成，其电阻是相对温度低灵敏性的。使用相对温度低灵敏性的材料(例如康 铜)减少了加热器和传感器之间的温度串扰(cross-talk)。
从传感器输出的信号可以视为包括热分量(由于传感器/挠性元件随温度膨胀) 和张力分量(由于传感器/挠性元件的运动)。对于流体特性(例如粘度)的测量，期望只 考虑响应于挠性部件激励的张力分量，由此最小化热分量。该张力分量指示挠性元件的弯 曲运动。挠性部件125可以包括三个挠性元件102、104、106，其中心挠性元件104包括传 感器，两个外部挠性元件102、106中的每个包括用于诱发运动的加热器。两个加热器可以 同时操作(例如，通过向每个加热器元件提供同一个/相同的电信号)，用于使挠性部件弯 曲(包括含有传感器的中心挠性元件104)而不会加入扭曲运动。然后监控来自传感器的 信号，之后由处理器分析该信号。处理器提供指示期望流体特性的信号。例如，通过分析作 为时间函数的偏转运动，可以确定挠性部件所处于的流体的粘度。设备100包括控制器130，控制器130包括热控制器，该控制器被设置用于向挠性 部件内的电加热器元件提供电脉冲。如以下参考图5A-5D所描述的，脉冲的持续时间可以 相对较短，例如小于8ms，在一些实施方式中可以小于5ms。脉冲可以是例如100 μ s或更长。 脉冲可以比100 μ s短，例如至少是50 μ s。控制器130还可以包括处理器，该处理器被设置用于接收并处理来自传感器的信 号，且由此确定指示挠性部件周围的流体的特性(例如粘度)的信号。控制器130被设置 用于提供指示确定的特性的输出信号(例如作为时间的函数)。下面参考图2-4描述挠性元件内的挠性部件、传感器和加热器元件的可能的布置。与如图1所示的设备100包括一个挠性部件125不同，如图2所示，设备100可以 包括两个挠性部件125a、125b。当这样实现时，一个挠性部件(125b)作为基准。每个挠性部件125a、125b —般对应于图1所示的挠性部件125。挠性部件125a、 125b中的每一个连接到一个公共主体区。在所示的示例中，挠性部件125a、125b是并排的， 一般在公共面(例如指示该图的纸平面)内延伸。在可替换结构中，挠性部件125a、125b 可以在平行平面中延伸，彼此交叠，例如一个挠性部件在另一个挠性部件的顶上。特别地，该实施方式中的每个挠性部件125a、125b包括三个各自的挠性元件 (102a、104a、106a ；102b、104b、106b)。各自的结合部件 120a、120b 将每个挠性部件 125a、 125b中的挠性元件连接到一起。每个挠性部件125a、125b的外面的两个挠性元件102a、106a ； 102b、106b包括集成 电阻加热器元件103a、103b。加热器元件可以在具有不同热膨胀系数的材料的两个层中的一个层中被形成，或者可以在两层之间被形成。在每个挠性元件(102a、106a、102b、106b) 内形成的每个加热器元件的结构(例如，形状、位置和大小)是相同的。这保证了每个加热 器元件向相关的各自的挠性元件提供相似的加热效果，即由此挠性部件125a、125b都经受 相似的加热效果，从而导致弯曲的量相似。从图2中可以看出挠性元件102a、106a中的电加热器元件103a串联电连接，第二 挠性部件125b中的电加热器元件103b串联电连接。为了方便，挠性加热器元件103a还可 以连接到第二挠性部件125b中的电加热器元件103b。这种连接便于提供相似的激励 脉冲 给每个加热器元件，即提供相似的功率等级以及相似形状和持续时间的脉冲给形成在每个 单独挠性部件上的每个单独加热器元件。中心挠性元件104a、104b各包括传感器元件105a、105b形状的各自的传感器。应 当注意到传感器元件105a、105b的结构不同。尽管每个传感器元件105a、105b基本沿着挠 性元件的整个长度延伸，但是每个传感器元件105a、105b的特定形状不同。这种不同的结 构用于提供不同的功能。具体地，第一挠性部件125a上的传感器元件105a比第二挠性部 件125b上的传感器元件125b对张力更为敏感。通常，第二挠性部件作为基准，即传感器元 件105b提供基准信号。基准传感器元件105b在总材料组成和材料厚度/用量方面与主动传感器元件 105a基本相同。因此，传感器元件105a和105b具有相似的电阻。另外，在下面将解释，传 感器元件105a和105b可以被具有基本相同的热导性的挠性元件围绕、或者可以是该挠性 元件的一部分(由于使用另外的材料250，在下面将参考图4说明)。因此，来自传感器元 件105a和105b的信号输出应当具有基本相同的热分量。换句话说，来自传感器元件105a 和105b的信号中的热分量对每个传感器来说应当基本相同。但是，由于传感器元件105a和105b之间的结构不同(例如，传感器的覆盖区 (footprint)或形状)，各个输出信号的张力分量不同。具体地，一个传感器元件105a被提 供的张力分量比另一个传感器元件105b更大。这些传感器元件可以分别被认为是主动传 感器元件105a和基准传感器元件105b。因此，更方便地，可以从来自主动传感器元件105a 的输出信号中减去来自基准传感器元件105b的输出信号，从而留下基本只具有张力分量 的净信号。换句话说，从主动传感器元件105a的输出信号中减去基准传感器元件105b的 输出信号可以最小化(且可以抵消)净(总)信号的热分量，只留下张力分量。通过将两 个传感器耦合到惠斯登(Wheatstone)桥结构的合适的臂，可以很方便地减去信号，由此在 Wheatstone桥结构中，从来自主动传感器元件105a的电压输出中减去来自基准传感器元 件105b的电压输出。公共控制器(例如130)可以耦合到挠性部件125a、125b。控制器被设置用于提供 相同的电脉冲以激励(即加热)每个部件125a、125b的加热器元件103a、103b。另外，控制 器被设置用于处理来自传感器元件105a、105b的信号，以确定每个流体的粘度。图3A仅示出了加热器元件103a、103b。由于每个加热器元件103a、103b具有相同 的结构(即，大小和形状)，因此对结构的描述可以参考加热器中的一个(103a)。但是，应 当理解结构的相同的细节可以应用到其它加热器元件103b。从图2中可以看出，每个加热器元件迂回延伸，从接近各自挠性元件的第一端的 位置(靠近主体区)经过挠性元件(即205)的较远的第二端，再回到第一端。在第一端，加热器元件与设备的主体区(110)上的对应的电导部分电连接，且从该电导部分连接到控 制器130 (例如，见图1)。通常，每个加热器元件具有均勻厚度，以便于在单个沉积层中形成元件。通常，形 成每个加热器元件的材料还具有基本均勻的电阻率。但是，与沿着加热器元件的距离成函 数关系的电阻可以很方便地变化。长度为1、截面面积为A的一段电导材料的电阻R可以从等式中计算
R= ρ 1/A其中P是材料的电阻率。换句话说，一段材料的电阻与该段的截面面积成反比。电加热元件103a执行两个功能。除了加热相对的挠性元件，电加热元件103a也 用作热导体，在电脉冲给加热器元件供电已经停止后在挠性元件内散布热能。因此，期望具 有相对大截面面积的加热元件，从而帮助挠性元件内的热能分散。另一方面，期望具有相对 窄的加热元件以提供高的R，从而保证最大可能的热能在加热元件中散出以使挠性元件弯 曲。另外，电加热器元件103a通常由相对刚性材料例如金属形成，其可以在挠性元件中产 生不希望的相对硬的层。与现有技术的散布相比，所有这些参数的相互影响、以及电加热器元件103a的性 能可以得到改善，通过在靠近第一端提供加热器元件的相对较窄的部分201可以最大化该 部分中的挠性和加热效果。加热器元件的相对更窄的部分203位于挠性元件的中间部分/ 位置，以再次最大化该位置周围的加热/挠性元件的挠性，由此进一步增强挠性元件在受 热时弯曲的程度。如果想要的话，可以提供加热器元件的多个这种窄的“腰部”。为了帮助 加热器元件内别处的热分布，这些较窄部分201、203被形成在较宽部分202、204之间。加 热器元件的宽度从较宽部分逐渐缩小到相邻的较窄部分。因此，可以提供相对大的金属化覆盖区(例如加热器元件沿着较宽部分)，以允许 快速热分布和更好的悬臂响应。另外，提供较窄部分(201、203)可以降低这些部分处的机 械硬度，并增强这些部分的加热效果。术语“较窄部分”是指这些部分比较宽部分要窄。类似地，术语“较宽部分”是指 这些部分比较窄部分要宽。在一些实施方式中，较窄部分201、203的至少一些功能可以由加热元件轨迹 (track)的曲折部分来执行。轨迹的曲折部分不是直接沿着挠性元件前进而是前后弯曲， 例如以蜿蜒的方式从而为给定长度的挠性元件提供更长的加热元件轨迹。这导致给包含曲 折部分的挠性元件部分提供更大程度的热量。在包括加热元件轨迹的曲折部分的实施方式 中，轨迹的截面甚至可以沿着加热元件轨迹的长度。现在参考图2和3B简要描述传感器元件105a、105b的结构。通常，传感器元件105a被设置成比基准传感器元件105b对沿挠性元件的纵向张 力更敏感。这种敏感性可以通过改变形成每个传感器的不同传感器轨迹的形状和相对大小 来实现。每个传感器可以有相同的厚度，以便于在一个处理步骤中在每个挠性元件内形成 传感器轨迹。每个传感器元件105a、105b被形成为沿每个挠性元件(例如，挠性元件104a、 104b)纵向延伸的元件。传感器元件105a、105b可以沿元件整个长度延伸，以确定沿元件整 个长度方向的运动。
但是，为了最大化对线性张力的敏感性，传感器元件105a沿挠性元件纵向延伸的 长度所占比例比相应的基准传感器元件105b的大。在图3B所示的特定结构中，传感器元件 105a包括可以被视为由四个纵向延伸部分形成的轨迹，每个纵向延伸部分的一端与相邻部 分的一端连接。因此，只有在纵向延伸部分的端部才有轨迹的横向延伸部分(即，不沿着挠 性元件纵向延伸的部分)。经过对比，基准传感器元件105b的轨迹以蜿蜒的方式沿着挠性元件延伸，其横向 延伸的部分被纵向延伸的部分隔开，由此占轨迹总长度的更大比例的长度沿挠性元件横向 延伸。
由此，基准传感器元件105b比传感器元件105a对纵向张力的敏感性要低，但是具 有相似的热敏感性。另外，通过保证轨迹的纵向延伸部分相对比横向延伸部分要宽(即，比 横向延伸部分宽)可以进一步降低基准传感器元件105b对张力的敏感性(由此电阻率和 截面面积之间的关系，大幅度减少了由于张力导致的总的信号部分)。由此，可以将主动传感器元件105a制造成比基准传感器元件105b对张力更敏感。 如上所述，可以从来自主动传感器元件105a的输出信号中减去来自基准传感器元件105b 的输出信号，产生基本只有张力分量的净输出信号(即，没有明显的热分量)。由于不同的传感器元件105a、105b具有不同结构，因此在每个各自挠性元件 104a、104b中形成传感器的材料的相对分配也不同。关于图3B所示的特定结构，形成基准 传感器元件105b的材料比对应的主动传感器元件105a的多。这种结构差异是不期望的。期望每个挠性元件(例如104a、104b)具有相同的机械和热特性。通常，传感器由 压阻材料形成，例如是热导体但仍然相对刚性的金属。因此，期望每个挠性元件包含相同比 例的材料，例如相同的金属与非金属的比例，这些材料的分布近似相同。因此，为了补偿在 基准传感器元件105b中使用了更多的材料，包括主动传感器元件105a的挠性元件104a填 充有一个或多个另外材料250的被动部分。图4示出了挠性元件104a的特写图，并示出了另外的材料部分250如何沿着挠性 元件104a分布，用于平衡挠性元件104a、104b的热导性分布。另外部分的材料250可以表现出与传感器元件105a材料相似的热导性。另外部 分的材料可以由与传感器元件105a相同的材料形成(针对两种结构的情况并且还保证统 一特性)。当这些被完成时，另外部分的材料还可以产生对两个挠性元件刚性的相应的平 衡。如果另外的材料250是金属，则该两外的材料250可以改变基准挠性元件104a中金属 与非金属成分的比率，使得该比率在两个挠性元件104a、104b中相等。如上所述，控制器130被设置用于提供电脉冲给电加热器元件，并由此诱使挠性 元件弯曲。脉冲可以足够短以使得在挠性元件中被诱发的弯曲达到最大量之前、或由此挠性 元件的明显机械过冲出现之前该脉冲结束。脉冲可以足够短以使得挠性元件的机械偏转的 有效元件在脉冲已经停止后出现。机械偏转可以足够大从而可被测量。脉冲可以诱使挠性元件偏转，该偏转足够快，导致挠性元件的可测量量的机械振 荡的出现(将在下面描述这些机械振荡)。这可以例如经由给挠性元件传递冲量的足够短 且有能量的脉冲来实现，该冲量足够大以发起可测量的机械振荡。脉冲可以足够短，由此该 脉冲以及后续的机械振荡的测量短暂分开。
脉冲可以是所谓的顶帽(top-hat)功能，或近似该功能。由于挠性元件的挠性(例 如与由硅制成的探测器相比)，因此不需要使用例如在谐振频率的正弦波电信号来激励挠 性元件。顶帽或其近似功能包括各种不同频率，且由此可以帮助例如激励在挠性元件中可 测量的机械振荡。可以使用例如5%、10%或20%的占空比。脉冲可以是暂时分离的。不 用规则的占空比，而可以在脉冲之间留下不规则的时间量。电脉冲频率可以比挠性元件的 谐振频率低至少两个量级，例如可以是IOOHz或更低。脉冲的持续时间可以为例如小于8ms、5ms或2ms或更少、Ims或更少、0. 5ms或更少。当使用脉冲递送预定所需量的能量时，如果脉冲的持续时间被缩短，那么脉冲的 强度(即，峰值电压)必须增加。如果脉冲太短，那么脉冲的强度可能太高以使得该脉冲造 成对加热元件和/或周围挠性元件的损坏。这可以通过使用这样的脉冲来避免该脉冲足 够长以向加热元件递送足够的能量，从而使挠性元件弯曲所需的程度而不会造成对加热元 件的损坏。脉冲持续时间可以例如是至少100 μ S持续时间、可以是至少250 μ S持续时间， 以及可以是0. 5ms持续时间。例如在挠性元件被气体围绕的情况下，脉冲持续时间可以至 少是50 μ s持续时间。图5A-5D示出了使用不同持续时间的脉冲的效果，其中图5Α示出了 0.5ms的脉 冲，图5B示出了 1. Oms的脉冲，图5C示出了 2. Oms的脉冲，以及图5D示出了 4. Oms的脉冲。 在每个情况中施加的脉冲电压被调节，以确保总脉冲能量相同。提供给加热元件的最小能量可以是50 μ J，例如在探测器被置于近似1厘泊的流 体中时。提供给加热元件的最大能量可以是60yj，例如对近似1厘泊的流体。对于粘性更 高的流体，最低或最高能量可以更大，对于粘性更低的流体，最小或最大能量可以更小。最 小能量应当足以造成挠性元件中的可测量的机械过冲。最大能量不应当足以损坏挠性部件 或掩盖机械过冲。施加到加热元件的最小能量可以是IyJ或可以是100μ J。施加到加热 元件的最大能量可以是10 μ J、150 μ J或可以是250 μ J。图5A-5D示出了挠性元件内测量传感器的响应。用于执行这些测量的设备100是 图1所示的类型。图5A-5D示出了由传感器(传感器形成惠斯登Wheatstone桥的一部分) 的电阻变化产生的电压幅度。因此，该幅度指示包含传感器的挠性元件的偏转。在每幅图 中，可以观察到出现信号的初始负向部分。该初始负向部分的起点对应于相关的电脉冲。在 每幅图中，还指示了脉冲停止的时间段。可以认为每幅图中的初始负向部分是由于电寄生效应以及在挠性元件弯曲之前 的挠性元件的初始挠曲(buckling)(由后续上升的电压幅度指示)。电压幅度上升到峰值， 该峰值对应于挠性元件的最大偏转，即由热脉冲造成的挠性元件的最大弯曲度。挠性元件 然后放松，即随着之后相对低的幅度下降而伸直。对于较短脉冲，可以观察到存在对应的更大的机械过冲。术语“机械过冲”是指挠 性元件在电脉冲结束后继续弯曲。机械过冲是由于挠性元件的机械惯性导致的挠性元件的 弯曲，直到达到最大偏转点(峰值幅度)。这种效应在0. 5ms和1. Oms的电脉冲最明显，而 在2. Oms和4. Oms的电脉冲出现幅度较低。0. 5ms和1. Oms的电脉 冲产生可测量量的机械振荡(图中标记为“机械振荡”)。 机械振荡是添加到更长时间周期曲线(类似于衰减曲线)上的小幅度振荡，该曲线随着挠性元件伸直并返回到其初始结构而被形成。机械振荡作为由脉冲激励挠性元件的结果而出 现(如果受到脉冲激励，则任何结构都经历机械振荡)。尽管在使用2. Oms和4. Oms的电脉 冲时可能出现一些机械振荡，但是这些振荡的幅度不足以使振荡在图5C和5D中可见，且不
可测量。机械过冲和机械振荡是有用的，这是因为它们提供可用于确定粘度(或其它流体 参数)的另外 的参数/函数。这又是随着挠性部件伸直而出现的相对长期的类衰减函数。 可以观察到对于短电脉冲，机械过冲更大(与总幅度相关)，另外，机械振荡对于短脉冲比 对于长脉冲更明显。因此，期望使用足够短以产生可测量的机械过冲和/或可测量的机械 振荡的脉冲。以上所述的示例脉冲持续时间可以在探测器被置于例如1厘泊的流体中时使用。 但是，当探测器置于具有不同厘泊的流体中时，其它脉冲持续时间可以是合适的(挠性元 件在不同流体中表现不同)。在不同流体中所测量的机械过冲的轮廓不同。此外，在不同流体中机械振荡的时 间周期和振幅不同。因此这些测量可以用于获得流体信息。例如，如果流体粘度更大，那么 机械过冲的峰值出现的更靠后。另外，如果流体粘度更大，那么机械过冲的峰值将更不明 显。这样，可以测量峰值的大小和品质。另外，如果流体粘度更大，那么机械振荡的时间周 期更长，且机械振荡的振幅更小。关于机械过冲上升部分中的时间常数、机械振荡周期或机械振荡振幅的参数可以 通过标准数字拟合技术来确定。这些参数可以用于提供流体特性的指示。例如，参数根据 流体粘度而变化，且由此可以用于监控流体随时间的粘度。使用多个这些参数可以提高粘 度测量(或一些其它流体特性的测量)的精确性，这是由于它们可以允许测量的平均化和 /或相互校验。诸如机械过冲的轮廓或者机械振荡的时间周期和振幅的参数可以比挠性元 件的弯曲/伸直时间周期更快地被测量，从而允许流体瞬时粘度的更好指示被确定。图6A和图6B示出了响应函数针对不同流体如何变化。这两个图示出了向加热器 施加0. 5ms的电脉冲时传感器的电压幅度，导致包含传感器的挠性元件的弯曲以及随后的 伸直。图6A和图6B都示出了在水介质(W)和盐水(B)介质(即盐水溶液)中的响应。图 6A示出了在纯的水溶液和盐水溶液中的响应轮廓，而图6B指示当溶液包含30%的甘油时 的结果(即，与图6A中的溶液相比相对更有粘性)。两幅图中的响应曲线不同。粘性较高的介质导致较低的上升时间(图B)。这可 以体现在电压幅度的峰值比粘性较低的介质中的电压幅度的峰值(图6A)出现得要晚，以 及机械过冲的上升部分的时间常数更长。另外，在粘度较高的介质中出现的机械振荡(图 6B)比在粘度较低的介质中出现的机械振荡(图6A)具有更长的周期和更低的幅度。图6A和图6B还是显示传感器能够区分水介质(W)和盐水介质(B)。盐水介质中 电压幅度的峰值比水介质中电压幅度的峰值出现得要晚(图6A和图6B中)。此外，在盐水 介质中出现的机械振荡比在水介质中出现的机械振荡具有更长的周期。电压幅度的峰值的 移位与机械振荡周期的变化都可以表明盐水介质比水介质粘性更高。在盐水介质中出现的 机械振荡的幅度可以略微小于在水介质中出现的机械振荡的幅度，但是需要曲线拟合分析 来确定这是否确实是所述情况。仅通过示例的方式描述上述实施方式，本领域技术人员清楚各种可替换实施方式也落入本发明的范围。例如，参考挠性部件内的挠性元件的特定设置来描述实施方式。应当理解本发明 关于电脉冲以及加热器轨迹的形状的方面可以在一个实施方式中实施，其中所述设备只包括一个挠性元件(即，一个挠性部件)。此外，本发明的任意方面可以组成任意期望的组合， 例如关于电脉冲、加热轨迹以及基准挠性元件的方面。图7中示出了这种设备的一个示例。设备10包括挠性部件25，在该挠性部件 25中设置有加热器元件3和传感器元件5。这种挠性元件设备的总体构思可以与PCT/ GB2004/005079中公开的相同，其内容结合于此作为引用。但是，参考图1_4示出的设备的 响应(其中设备包括挠性部件，具有感测和加热的离散挠性元件)可以比图7中所示的设 备结构提供更好的结果。例如，图8示出了图1的设备的响应曲线A，以及图7的设备的响 应曲线B。可以观察到图8中的响应曲线A具有更高的峰值。该更高的峰值能够更容易实 现参数拟合以确定相关挠性元件被浸入的流体的特性。这里描述的挠性元件可以具有与PCT/GB2004/005079中所描述的挠性元件相似 的特性。例如，挠性元件端部的运动可以在30微米到650微米之间的距离。同样地，所述 运动可以具有不同范围，例如所述运动可以在1微米到30微米之间的范围，或在1微米到 650微米之间的范围。在上述实施方式中，挠性元件被描述为在彼此的一侧，即每个元件大致并排在公 共平面内延伸。但是，设备可以被形成为具有在平行平面中延伸的挠性元件，例如，一个挠 性元件堆叠在另一个挠性元件的上面。这种挠性元件可以被形成为一个挠性部件的一部 分。例如，挠性部件可以被按照如下形成其中包括各自传感器的第一挠性元件在挠性部件 内的第一位置(例如第一层或“高度”)延伸，而具有各自传感器的第二挠性元件在同一个 挠性部件内的其它位置延伸。例如，基准传感器可以放置在挠性部件内的一位置，其比其它 传感器对张力的敏感性要低。例如基准传感器可以被放置为靠近挠性部件的中轴，由此该 基准传感器不用经受其它传感器那样多的弯曲。因此，基准传感器经受的张力比其它传感 器(例如主动传感器)的更少。在上述实施方式中，探测器被设置为使得当挠性元件被加热时变得更弯(例如见 图1)。但是，探测器可以被设置为使得该探测器从最明显的弯曲开始，并且当被加热时弯曲 程度降低。在这种背景中，以上使用的术语“弯曲”可以理解为挠性元件从平衡结构移动到 非平衡结构，并不必须是指挠性元件变得更弯。
权利要求
一种用于检测流体特性的设备，该设备包括主体区；第一挠性元件，具有第一端和第二端，所述第一端被固定设置在所述主体区上；所述第一挠性元件至少包括具有第一热膨胀系数的第一层、具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二层、以及被设置用于对所述挠性元件加热以使所述元件弯曲的电加热器；其中该设备还包括加热器控制器，该加热器控制器被设置用于向所述电加热器提供持续时间小于8ms的电脉冲。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述脉冲持续时间小于5ms。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述控制器被设置用于在一频率提供一连串 所述电脉冲，该频率比所述第一挠性元件的谐振频率低至少两个量级。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述控制器被设置用于在低于IOOHz的频率 提供一连串所述电脉冲。
5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的设备，其中所述脉冲持续时间和脉冲 能量使得所述挠性元件在所述电脉冲已经停止之后再弯曲50 %。
6.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的设备，其中所述控制器被设置用于提 供电脉冲，该电脉冲使所述挠性元件经历可测量的机械振荡。
7.根据权利要求1-6中任意一项权利要求所述的设备，其中所述控制器被设置用于提 供电脉冲，该电脉冲的持续时间足够短以使所述挠性元件经历可测量的机械过冲。
8.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的设备，其中所述控制器被设置用于 提供电脉冲，该电脉冲的持续时间足够长但不会对所述挠性元件或周围的挠性元件造成损 坏。
9.根据权利要求1-8中任意一项权利要求所述的设备，其中所述控制器被设置用于提 供持续时间为至少50 μ s的电脉冲。
10.根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的设备，该设备还包括传感器，该传感 器被设置用于提供指示所述第一挠性元件的运动的信号。
11.一种用于检测流体特性的设备的操作方法，该设备包括主体区；具有第一端和第 二端的第一挠性元件，所述第一端被固定设置在所述主体区上，所述挠性元件至少包括具 有第一热膨胀系数的第一层、具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二 层、以及被设置用于对挠性元件加热以使所述元件弯曲的电加热器，该方法包括向所述电加热器提供持续时间小于8ms的电脉冲以使所述元件弯曲。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电脉冲持续时间小于5ms。
13.根据权利要求11或12所述的方法，该方法还包括感测所述挠性元件的运动，且由 此确定指示围绕所述挠性元件的流体粘度的值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所确定的值基于在所述挠性元件弯曲中的机械 过冲特性。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述机械过冲特性包括关于所述挠性元件的机 械弯曲的峰值幅度的特性。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述机械过冲特性包括机械弯曲的峰值幅度的计时。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述机械过冲特性包括机械弯曲的峰值幅 度的大小。
18.根据权利要求13-17中任意一项权利要求所述的方法，其中所确定的值基于由所 述挠性元件弯曲造成的挠性元件中的机械振荡的特性。
19.一种用于检测流体特性的设备，该设备包括主体区；第一挠性元件，具有第一端和第二端，该第一端被固定设置在所述主体区上；第二基准挠性元件，具有第一端和第二端，该第一端被固定设置在所述主体区上；每个挠性元件至少包括具有第一热膨胀系数的第一层、和具有与第一热膨胀系数不同 的第二热膨胀系数的第二层、以及被设置用于提供指示各自挠性元件的运动的信号的各自 的传感器，其中，所述基准挠性元件的传感器具有与所述第一挠性元件的传感器不同的结构，所 述挠性元件中的至少一个挠性元件包括至少一个另外部分的材料，该另外部分的材料用于 基本平衡所述挠性元件的热导性分布。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述至少一个另外部分的材料具有与所述传感 器相似的热导性。
21.根据权利要求19或20所述的设备，其中所述至少一部分由与所述传感器相同的材 料形成。
22.根据权利要求19-21中任意一项权利要求所述的设备，其中所述传感器由热导体 形成。
23.根据权利要求19-22中任意一项权利要求所述的设备，其中每个传感器包括金属。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述至少一部分的材料还由金属形成，且每个 挠性元件中金属成分与非金属成分之间的比率基本相同。
25.根据权利要求19-24中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第二基准挠性元 件的传感器被配置成比所述第一挠性元件中的传感器对由各自元件的弯曲导致的机械张 力的敏感性要低。
26.根据权利要求19-25中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第一挠性元件位 于第一挠性部件内，所述第二挠性元件位于单独的第二挠性部件内。
27.根据权利要求19-26中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第一挠性元件和 所述第二挠性元件位于单个挠性部件内。
28.根据权利要求19-27中任意一项权利要求所述的设备，其中所述传感器包含康铜。
29.根据权利要求19-28中任意一项权利要求所述的设备，该设备还包括处理器，该处 理器被设置用于处理来自所述第一挠性元件的传感器的信号，以提供指示围绕所述第一挠 性元件的介质粘度的信号。
30.一种用于检测流体特性的设备，该设备包括主体区；第一挠性元件，具有第一端和第二端，所述第一端被固定设置在所述主体区上；所述挠性元件至少包括具有第一热膨胀系数的第一层、具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二层、以及电加热器元件，该电加热器元件被设置用于加热所述挠性 元件以使该挠性元件弯曲，其中接近所述第一端的加热器元件的第一部分的电阻比远离所述第一端的加热器元 件的第二部分的电阻大，由此在使用时包括所述加热器元件的第一部分的挠性元件的第一段在每单位时间从 所述加热器元件接收到的热量比包括所述加热器元件的第二部分的挠性元件的第二段更 多，所述第二段与所述第一段的尺寸相同。
31.根据权利要求30所述的设备，其中所述加热器元件的第一部分的截面比所述加热 器元件的第二部分的截面小。
32.根据权利要求31所述的设备，其中所述电加热器元件的第一部分比所述电加热器 元件的第二部分长。
33.根据权利要求30-32中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第一部分位于在 所述第一端和所述第二端之间的挠性元件的中间段中。
34.根据权利要求30-32中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第一部分位于所 述挠性元件的第一端处。
35.根据权利要求34所述的设备，其中所述加热器元件的至少另一部分位于所述第一 端和所述第二端之间的挠性元件的中间段中，该至少另一部分的截面比所述加热器元件的 第二部分的截面小。
36.根据权利要求30-35中任意一项权利要求所述的设备，其中所述加热器元件由具 有基本均勻的电阻率的材料形成。
37.根据权利要求31、35、或权利要求31或35的从属权利要求中任意一项权利要求所 述的设备，其中所述加热器元件从截面较大的部分逐渐缩小到截面较小的部分。
38.根据权利要求30-37中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第一挠性元件具 有小于lN/m的弹性系数。
39.根据权利要求30-38中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第一挠性元件从 所述第一端到所述第二端的长度在10微米到2mm之间。
40.根据权利要求30-39中任意一项权利要求所述的设备，其中所述层的热膨胀系数 的差至少是10X10_7°C。
41.根据权利要求30-40中任意一项权利要求所述的设备，其中所述第一层与所述第 二层的热膨胀系数之比至少是10。
42.根据权利要求30-41中任意一项权利要求所述的设备，其中所述层由具有小于 IOGPa的杨氏模数的材料形成。
43.一种用于检测流体特性的设备的制造方法，该方法包括通过提供所述设备的组成 部分来形成上述权利要求中任意一项权利要求所述的设备。
全文摘要
一种检测流体特性的设备及其相关联的方法。该设备包括主体区和具有第一端和第二端的第一挠性元件。第一端被固定设置在主体区上。挠性元件至少包括具有第一热膨胀系数的第一层、和具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二层。电加热器元件可以被设置用于加热挠性元件以使所述挠性元件弯曲。接近第一端的电加热器元件的第一部分的电阻可以比远离第一端的电加热器元件的第二部分的电阻大。所述设备可以包括加热器控制器，该加热器控制器被设置用于向电加热器提供持续时间小于5ms的电脉冲。所述设备可以包括具有第一端和第二端的第二基准挠性元件，其第一端固定设置在主体区上。每个挠性元件可以包括各自的传感器，所述传感器被设置用于提供指示其挠性元件的运动的信号。基准挠性元件的传感器具有与第一挠性元件的传感器不同的结构，所述挠性元件的至少一个挠性元件包括至少一个另外部分的材料，以用于平衡两个挠性元件的热导性分布。
文档编号G01N11/00GK101849174SQ200880103202
公开日2010年9月29日 申请日期2008年8月8日 优先权日2007年8月11日
发明者V·贾科夫 申请人:麦克罗威斯克有限公司