辐射热计流体流动传感器的制作方法

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。

技术实现要素：

公开了一种流体流动传感器。流体流动传感器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；多个吸收器，所述多个吸收器中的每一个吸收器连接到衬底的第一表面，并且布置在腔体内的相应位置处且配置成吸收腔体内的相应位置处的红外辐射；以及多个读出电路，所述多个读出电路中的每一个读出电路连接到所述多个吸收器中的相应吸收器，且配置成提供指示由相应吸收器吸收的红外辐射量的测量信号。

公开了一种操作流体流动传感器的方法，流体流动传感器包括（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，以及（iii）多个吸收器，所述多个吸收器中的每一个吸收器连接到衬底的第一表面，并且布置在腔体内的相应位置处且配置成吸收腔体内的相应位置处的红外辐射。该方法包括从多个读出电路中的每一个读出电路接收测量信号，所述多个读出电路中的每一个读出电路连接到所述多个吸收器中的相应吸收器，且配置成提供指示由相应吸收器吸收的红外辐射量的测量信号；以及确定在盖结构附近流动的流体的流动特性，测量信号来自所述多个读出电路中的至少两个读出电路。

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示出多个吸收器关于中心加热元件的可能布置以使得能够实现多轴流体流动感测。

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包括衬底208。多个吸收器206每一个通过一对电极210悬浮在衬底208上方。流体流动传感器200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。

盖结构212配置成阻挡红外辐射进入腔体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不允许红外辐射从盖结构212外部进入到腔体216中。作为结果，吸收器206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，每一个吸收器206主要对从邻近于相应吸收器206的盖结构212的部分发射的热学辐射敏感，并且因而对盖结构212的所述部分的温度敏感。

在一个实施例中，流体流动传感器200包括布置在盖结构212内的加热元件234。加热元件234布置在盖结构212的顶部部分222的中心中。在一个实施例中，吸收器206围绕加热元件234对称布置。在所示实施例中，其中存在两个吸收器206，吸收器206布置在加热元件234的相对侧上。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。

流体流动传感器200还包括与每一个吸收器206相关联并且配置成提供电压输出的读出电路226，所述电压输出指示由相应吸收器206吸收的辐射量。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流过相应吸收器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还可以包括与相应吸收器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，并且将跨相应吸收器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。

流体流动传感器200的工作原理是基于利用吸收器206检测盖结构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在一个方向上的流动将略微在冷却盖结构212的另一部分之前开始冷却盖结构212的一个部分。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跨盖结构212的温度梯度。例如，当不存在流体流动时，加热元件234配置成加热整个盖结构212近似相同温度。然而，如果存在流体238从左向右的流动，则温度梯度将跨盖结构212的顶部部分222而显现。特别地，当流体238冷却盖结构212的最左部分时，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关于盖结构212的最右部分的冷却效果减弱。以此方式，如果流体238从左向右流动，盖结构212的最左部分将比盖结构212的最右部分冷却更多。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，则跨盖结构212的温度梯度的量值较大。相反，如果流体238缓慢流动，则跨盖结构212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内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。

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示出从与图2中所示的最左吸收器206相关联的读出电路226输出的测量信号312。类似地，图线320示出从与图2所示的最右吸收器206相关联的读出电路226输出的测量信号322。

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，测量信号312和322具有电压v0，其反映由盖结构212辐射的热学辐射量。v0的值一般反映与吸收器206相对的盖结构212的部分处的盖结构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，因为吸收器206围绕加热元件234对称地间隔。

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，因此盖结构212的最左部分略微在盖结构212的最右部分之前开始冷却。特别地，如图3中所示，作为最靠近于最左吸收器206的盖结构212的最左部分的冷却的结果，来自最左吸收器206的测量信号312在时间t1处开始增加。类似地，作为最靠近于最右吸收器206的盖结构212的最右部分的冷却的结果，来自最右吸收器206的测量信号322在随后于时间t1的时间t2处开始增加。要指出的是，时间t1和t2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和t2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测量信号312和322的效果。当盖结构212的最左部分冷却时，来自与最左吸收器206相关联的读出电路226的测量信号312从电压v0增加到电压v1。电压v1和电压v0之间的差反映已经发生在盖结构212的最左部分中的近似冷却量。类似地，当盖结构212的最右部分冷却时，来自与最右吸收器206相关联的读出电路226的测量信号322从电压v0增加到电压v2。电压v2和电压v0之间的差反映已经发生在盖结构212的最右部分中的近似冷却量。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，盖结构212的最右部分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v2和v1的比较以确定流体238的流动方向。还可以执行电压v2和v1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配置成从与每一个吸收器206相关联的读出电路226接收输出230。在一个实施例中，控制器236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。控制器236配置成基于来自与每一个吸收器206相关联的读出电路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。

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以从与每一个吸收器相关联的读出电路接收测量信号（块410）为开始。特别地，当读出电路226上电时，每一个读出电路226在其输出230处提供代表由相应吸收器206吸收的辐射量的测量信号。控制器236配置成从读出电路226接收测量信号。方法400继续以基于测量信号而确定在盖结构附近流动的流体的流动方向（块420）。特别地，如以下进一步详细讨论的，控制器236配置成基于来自读出电路226的测量信号而确定流过盖结构212附近的检测区域232的流体238的流动方向。

在块420的一种实现方式中，方法400基于盖结构中的温度梯度而确定流体的流动方向。特别地，在一个实施例中，控制器236配置成响应于以下而确定流体238在从最左吸收器206朝向最右吸收器206（即从左向右）的方向上流动：（i）来自最左吸收器206的读出电路226的测量信号指示第一红外辐射量被最左吸收器206吸收（反映盖结构212的最左部分的温度），（ii）来自最右吸收器206的读出电路226的测量信号指示第二红外辐射量被最右吸收器206吸收（反映盖结构212的最右部分的温度），以及（iii）第二红外辐射量大于第一红外辐射量（反映盖结构212的最左部分比盖结构212的最右部分更冷）。相反，如果盖结构212的最右部分比盖结构212的最左部分更冷，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v1＞v2则确定流体238从左向右流动，如果v1＜v2则确定流体238从右向左流动。

在块420的一种实现方式中，方法400基于盖结构的哪个部分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吸收器206的读出电路226的测量信号而检测到被最左吸收器206吸收的红外辐射量在第一时间点（反映盖结构212的最左部分开始冷却的时间）处已经开始减小。此外，控制器236配置成基于来自最右吸收器206的读出电路226的测量信号而检测到被最右吸收器206吸收的红外辐射量在第二时间点（反映盖结构212的最右部分开始冷却的时间）处已经开始减小。最后，控制器236配置成响应于第二时间点随后于第一时间点（反映盖结构212的最左部分在盖结构212的最右部分之前开始冷却）而确定流体238在从最左吸收器206朝向最右吸收器206（即从左向右）的方向上流动。相反，如果盖结构212的最右部分在盖结构212的最左部分之前开始冷却，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则确定流体238从左向右流动，并且如果t1＞t2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以从与每一个吸收器相关联的读出电路接收测量信号（块510）为开始。特别地，当读出电路226上电时，每一个读出电路226在其输出230处提供代表被相应吸收器206吸收的辐射量的测量信号。控制器236配置成从读出电路226接收测量信号。方法500继续以基于测量信号而确定在盖结构附近流动的流体的流动速度或流动量值（块520）。特别地，如以下进一步详细讨论的，控制器236配置成基于来自读出电路226的测量信号而确定流过检测区域232的流体238的流动速度。

在块520的一种实现方式中，方法500基于盖结构中的温度梯度的量值而确定流体的流动速度。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以其在从最左吸收器206朝向最右吸收器206（即从左向右）的方向上流动的速度：（i）被最左吸收器206吸收的红外辐射量（反映盖结构212的最左部分的温度）与（ii）被最右吸收器206吸收的红外辐射量（反映盖结构212的最右部分的温度）。更简单地说，关于图4的图线，控制器236基于v2与v1之间的差而确定流体238以其从左向右或从右向左流动的速度。

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21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238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示出多个吸收器206关于中心加热元件234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610包括邻近于加热元件234布置的四个吸收器206。以上描述的原理可以适用于布置610以用于双轴流体流动感测（即左右轴线，和如图6中所示的上下轴线）。布置620包括邻近于加热元件234布置的八个吸收器206。以上描述的原理可以适用于布置620以用于四轴流体流动感测（即左右轴线、上下轴线和如图6中所示的两个对角轴线）。最后，布置630包括围绕加热元件234对称布置的多个吸收器206。以上描述的原理可以适用于布置630以用于n轴流体流动感测（其中n取决于包括多少吸收器206）。

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。

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。