專利名稱：流體探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定流體特性，盡管未限制，但尤其適于確定諸如血液的流體的粘度。
背景技術(shù)：
確定流體的特性在廣大的工業(yè)領(lǐng)域中是至關(guān)重要的。例如，在石油工業(yè)中知道石油的粘度、在牛奶場(chǎng)要知道牛奶的溫度是非常重要的。要么使用適當(dāng)?shù)摹霸?in-situ)”傳感器、要么將適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞣胖迷诟信d趣的流體中然后進(jìn)行讀取，可以在指定時(shí)間、或?qū)崟r(shí)地連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量。
很多流體的重要特性是其粘度。例如，血液的粘度對(duì)于確定病人的血壓是至關(guān)重要的。此外，通過(guò)對(duì)血樣的持續(xù)監(jiān)視，可以確定凝血速率。病人的凝血速率可用于診斷特定的狀況，諸如深度靜脈血栓癥。目前的用于測(cè)量粘度的設(shè)備(“viscometer”或“viscosimeter”)具有很多缺點(diǎn)。這些設(shè)備一般較大、容量大，并且對(duì)于購(gòu)買和制造來(lái)說(shuō)都很昂貴。
如果流體樣品在例如經(jīng)濟(jì)上(一種新藥)或者其它(病人的血液)方面很有價(jià)值，則不希望在確定其特性時(shí)使用或可能浪費(fèi)大量的樣品。由于現(xiàn)有技術(shù)的粘度計(jì)的大尺寸，因此必需使用相應(yīng)的大量流體樣品。此外，為了進(jìn)行測(cè)量經(jīng)常必需從本地環(huán)境中采樣。在這種情況下，經(jīng)常必需向樣品添加穩(wěn)定劑，以防止在從樣品地運(yùn)輸?shù)秸扯扔?jì)過(guò)程中對(duì)樣品的測(cè)量產(chǎn)生不利的影響。例如，在從病人抽血時(shí)要向血液添加凝結(jié)劑以防止血液暴露在空氣中時(shí)會(huì)凝固。任何這種試劑的添加都會(huì)污染或降低樣品的純度，經(jīng)常影響樣品的特性，因此這是不希望的。理想地，應(yīng)該要么原地，要么在不需要添加試劑的情況下進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種使用傳感元件確定流體特性的方法，該傳感元件包括彈性元件，通過(guò)彎曲該彈性元件可使該彈性元件從第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)，該彈性元件包括激勵(lì)部，被設(shè)置用于使該彈性元件在該第一結(jié)構(gòu)與該第二結(jié)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)，該方法包括通過(guò)向該彈性元件施加熱信號(hào)，引起該彈性元件在該第一結(jié)構(gòu)與第二結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；從該傳感元件接收信號(hào)，該信號(hào)表明了在該液體中引起的該彈性元件的運(yùn)動(dòng)；并且處理該信號(hào)以確定表明該液體的至少一個(gè)特性的值。
發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這樣一種方法，該方法可用于通過(guò)使用熱信號(hào)使彈性元件運(yùn)動(dòng)，來(lái)簡(jiǎn)單地測(cè)量流體的粘度、溫度、流速和切變率(shear)。此外，傳感元件可被構(gòu)造為微米級(jí)的大小。因此，可以對(duì)極少量的樣品進(jìn)行原地或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，從而不需要添加穩(wěn)定劑。
最優(yōu)選地，該信號(hào)被處理以確定表明包括有粘度、溫度、流速和切變率的組中的至少一個(gè)特性的值。
該方法還包括通過(guò)監(jiān)視所接收的信號(hào)隨時(shí)間的變化，來(lái)確定該彈性元件的運(yùn)動(dòng)的變化速率，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)變化速率來(lái)確定表明該流體的粘度的值。
該方法還包括對(duì)于給定的被施加的熱信號(hào)，根據(jù)接收的信號(hào)來(lái)確定該彈性元件的運(yùn)動(dòng)幅度，并且根據(jù)該幅度來(lái)確定表明該流體的粘度的值。
該方法還包括步驟通過(guò)向傳感元件施加多個(gè)不同頻率的熱信號(hào)，來(lái)確定彈性元件的諧振頻率，根據(jù)所接收的信號(hào)來(lái)監(jiān)視彈性元件的運(yùn)動(dòng)幅度以識(shí)別彈性元件的諧振頻率，并根據(jù)所識(shí)別的諧振頻率來(lái)確定表明流體粘度的值。
該方法還包括步驟確定彈性元件運(yùn)動(dòng)中的變化，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)中的變化確定表明流體流速的值；其中運(yùn)動(dòng)中的變化是由于流體相對(duì)于彈性元件的流動(dòng)造成的。
該方法還包括通過(guò)在該流體中的多個(gè)位置確定流速，來(lái)確定表明該流體的切變率的值。
彈性元件的激勵(lì)部包括至少兩層的疊層，各層具有不同的熱膨脹系數(shù)，并且其中該方法還可以包括，在通過(guò)施加熱信號(hào)引起運(yùn)動(dòng)之前，對(duì)表明該流體的溫度的值進(jìn)行確定。
該設(shè)備可以包括多個(gè)彈性元件，并且該方法可以進(jìn)一步包括使得多個(gè)彈性元件在多個(gè)位置確定表明該流體的至少一個(gè)特性的值。
該設(shè)備可以包括多個(gè)彈性元件，并且該方法可以進(jìn)一步包括將該多個(gè)中的至少一個(gè)用于在流體中引起流動(dòng)，并且該多個(gè)中的至少一個(gè)用于確定表明該流體的至少一個(gè)特性的值。
該方法進(jìn)一步包括通過(guò)磁力將該彈性元件保持在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)。另選地，該方法可以進(jìn)一步包括通過(guò)靜電力將該彈性元件保持在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)中。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于檢測(cè)流體的特性的設(shè)備，該設(shè)備包括主體區(qū)；彈性元件，具有第一端和第二端，該第一端固定地位于該主體區(qū)上，該彈性元件被設(shè)置為通過(guò)彎曲該彈性元件可使其從至少第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)，該彈性元件包括至少兩層的疊層以及激勵(lì)部，該激勵(lì)部被設(shè)置用于使該彈性元件在該第一結(jié)構(gòu)與該第二結(jié)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)，該激勵(lì)部由該疊層的至少第一層提供，該第一層具有與該疊層的第二層不同的熱膨脹系數(shù)，以便該彈性元件的溫度變化使得彈性元件從該第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到該第二結(jié)構(gòu)，該彈性元件還包括加熱元件，用于對(duì)至少該彈性元件加熱，從而提供該溫度變化；以及運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，被設(shè)置用于檢測(cè)該彈性元件的該運(yùn)動(dòng)，并用于提供表明其中浸有該彈性元件的流體的特性的信號(hào)。
優(yōu)選地，該運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器被設(shè)置以便由于彈性元件的運(yùn)動(dòng)而使運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器的電特性發(fā)生變化。最有選地，該運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器包括位于彈性元件上的壓阻元件，該壓阻元件被設(shè)置以便由于彈性元件的運(yùn)動(dòng)而使壓阻元件的電阻發(fā)生變化。
運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器可以包括具有兩個(gè)板的電容器，該彈性元件形成其中一個(gè)板，而導(dǎo)電板形成另一個(gè)板，以便由于彈性元件的運(yùn)動(dòng)而使電容器的電容發(fā)生變化。
該設(shè)備可以包括鎖裝置，被設(shè)置用于將該彈性元件保持在兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)。
該運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器可以包括電磁輻射源，其被設(shè)置用于直接朝該元件輻射，以及電磁輻射檢測(cè)器，其被設(shè)置用于檢測(cè)以下至少一種電磁輻射從該彈性元件反射的電磁輻射、通過(guò)該彈性元件透射的電磁輻射、從該彈性元件折射的電磁輻射、或由該彈性元件衍射的電磁輻射。
更優(yōu)選地，疊層的第一層包括聚合物。疊層的第一層可以包括從聚酰亞胺、聚酰胺和丙烯聚合物組成的組中選出的一種材料。疊層的第二層包括聚合物。疊層的第二層可以包括從聚酰亞胺、聚酰胺和丙烯聚合物組成的組中選出的一種材料。
最優(yōu)選地，該疊層的第二層包括金屬。金屬可以從金或鋁組成的組中選擇。
優(yōu)選地，該彈性元件的從第一端到第二端的長(zhǎng)度在100μm至1mm之間，并且其中在該第一結(jié)構(gòu)中該彈性元件的第二端與在該第二結(jié)構(gòu)中該彈性元件的第二端之間的距離在30μm至650μm之間。
該設(shè)備可以包括多個(gè)彈性元件。優(yōu)選地，該多個(gè)彈性元件排列成第一行和第二行，每行包括至少一個(gè)彈性元件，對(duì)該彈性元件進(jìn)行排列以便該第一行的至少一個(gè)彈性元件與該第二行的至少一個(gè)彈性元件相對(duì)地延伸。最優(yōu)選地，該多個(gè)彈性元件是相互交叉的。


現(xiàn)在將參照附圖，以示例的方式來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的檢測(cè)設(shè)備的透視圖；圖2是形成圖1的設(shè)備的一部分的惠斯通(Wheatstone)電橋電路的電路圖；圖3是圖1的檢測(cè)設(shè)備的簡(jiǎn)化透視圖；圖4是將檢測(cè)設(shè)備的輸入信號(hào)與子壓阻元件中的阻抗變化聯(lián)系起來(lái)的圖形表示；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的檢測(cè)設(shè)備的透視圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的檢測(cè)設(shè)備的透視圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的檢測(cè)設(shè)備的透視圖。
圖1中所示的是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的檢測(cè)設(shè)備1的透視圖。檢測(cè)設(shè)備1包括主體區(qū)2、彈性元件3、加熱器4以及惠斯通電橋電路5。
彈性元件3是主體區(qū)2的主要部分并從主體區(qū)2延伸。彈性元件的第一端與主體區(qū)相結(jié)合，彈性元件的遠(yuǎn)離第一端的第二端相對(duì)于主體區(qū)可以自由運(yùn)動(dòng)。彈性元件是具有矩形表區(qū)域的條板(bar)，直角的較長(zhǎng)邊從主體區(qū)延伸。彈性元件3包括由兩層3a、3b組成的疊層，各層的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)。這些材料可以是不同的材料，或者是經(jīng)處理(例如，加壓)的相同的材料，以便具有不同的熱膨脹系數(shù)。
在加熱的情況下，對(duì)于相同的升溫，一層將比另一層更加膨脹，因此彈性元件3將沿具有較低熱膨脹系數(shù)的材料的方向彎曲。在冷卻時(shí)，對(duì)于相同的降溫，一層比另一層收縮得更快，因此，彈性元件3然后將沿具有較大熱膨脹系數(shù)的材料的方向彎曲。
加熱器4位于彈性元件3上，并包括導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料形成穿過(guò)沿彈性元件3的上表面區(qū)域的連續(xù)導(dǎo)線或軌跡4a。加熱器4還包括用于向加熱器4傳送電流(并導(dǎo)致從加熱器4散熱)的電觸點(diǎn)4b。這些電觸點(diǎn)4b位于主體區(qū)2的上表面。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知的惠斯通電橋電路5是特別用于測(cè)量電容和電阻的敏感裝置?；菟雇姌螂娐?位于主體區(qū)2和彈性元件3上?；菟雇姌螂娐?包括四個(gè)“引腳”或“臂”5a、5b、5c、5d，其中的三個(gè)5b、5c、5d駐留在主體區(qū)2上，而其中的一個(gè)5a駐留在彈性元件3上與主體區(qū)2直接相鄰處。駐留在主體區(qū)2上的三個(gè)引腳5b、5c、5d個(gè)具有已知值的電阻。駐留在彈性元件3上的第四個(gè)引腳5a包括壓阻元件5a。壓阻材料是其電阻基于其上施加機(jī)械應(yīng)力而變化的材料。此外，惠斯通電橋電路5包括在主體區(qū)2的上表面上的用于輸入和輸出電信號(hào)的電觸點(diǎn)5e、5f?；菟雇姌螂娐?在圖2中被示出。
在使用時(shí)，通過(guò)惠斯通電橋電路5經(jīng)由觸點(diǎn)5e來(lái)施加電壓，從觸點(diǎn)5f測(cè)量通過(guò)中央的電壓輸出。當(dāng)電橋5的輸出是零時(shí)，就是說(shuō)電橋5是平衡的，并且電阻相等。當(dāng)引腳5a、5b、5c、5d中的一個(gè)的電阻變化時(shí)，先前的平衡電橋5現(xiàn)在就不平衡了。該不平衡使得通過(guò)電橋5的中央出現(xiàn)電壓。根據(jù)該值，可以計(jì)算電阻變化。然而，電橋5不需要初始就平衡。盡管隨后初始輸出電壓在幅度上不為零，但是可將該非零值用作相對(duì)零值。惠斯通電橋電路5的電阻中的唯一實(shí)質(zhì)性變化是由壓阻元件引起的，因此，可以假設(shè)電壓輸出中的任何實(shí)質(zhì)性變化都?xì)w因于彈性元件3的運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，三個(gè)已知的電阻等同于并且非常近似于補(bǔ)償任何溫度變化等。
薄膜的表面細(xì)微加工可用于構(gòu)造圖1所示的設(shè)備。在優(yōu)選實(shí)施例中，將聚酰亞胺(polyimide)和金膜用于生產(chǎn)彈性元件3。選擇聚酰亞胺(杜邦，珀瑞玲PI2566(DuPont，Pyralene PI2566))是因?yàn)樗母邿崤蛎浵禂?shù)(60×10-6K-1)和小的楊氏系數(shù)(1.75Gpa)，因此以小的溫度變化就能產(chǎn)生大的位移。另外，可以從液相容易地旋轉(zhuǎn)涂覆聚酰亞胺膜，使得能夠針對(duì)最佳偏移來(lái)檢測(cè)一個(gè)厚度范圍。也可以使用很多其它的塑料聚合物，也以它們的液相來(lái)旋轉(zhuǎn)涂覆，諸如PI2722、PI2723(兩者具有的熱膨脹系數(shù)都為57×10-6K-1)或PI2734(熱膨脹系數(shù)為13×10-6K-1)。選擇金是因?yàn)槠湎鄬?duì)于PI2566聚酰亞胺具有適合的機(jī)械和熱特性。例如，金比PI2566具有低得多的熱膨脹系數(shù)(14×10-6K-1)。對(duì)彈性元件3的各層的材料進(jìn)行選擇，以便在受熱時(shí)彈性元件運(yùn)動(dòng)的距離相對(duì)大些，例如，該運(yùn)動(dòng)距離可以具有與彈性元件的大小相似的尺寸。例如，對(duì)于微米級(jí)尺寸的彈性元件3，對(duì)材料進(jìn)行選擇以便彈性元件的運(yùn)動(dòng)也是微米級(jí)。聚合物和/或金屬可用作彈性元件3的組成層的材料。實(shí)現(xiàn)基于通過(guò)受迫變化來(lái)對(duì)從底層起的多個(gè)薄膜分層進(jìn)行控制的方法。該方法消除了對(duì)在最后的蝕刻消除期間保護(hù)多個(gè)層以防止化學(xué)劣化的需要，另外允許任意大的面積的解除。
分層技術(shù)基于光學(xué)平版印刷，并采用將金非牢固地粘附到硅、二氧化硅或玻璃。通過(guò)在彈性元件3的組成層中引入應(yīng)力，然后從基板2上的定位層去處該應(yīng)力，就可以在非固定端彎曲，沿主體區(qū)2延伸。三種材料(硅、二氧化硅和玻璃)中的任一種都可很好地用作基板2，基板2(基本上)形成主體區(qū)2。
Cr、Ni或N-Cr(500)的薄層2a是濺射到基板2上的等離子體(plasma)，并用作在基板2與隨后等離子體濺射的金屏蔽層2b(1000)之間的附著力促進(jìn)劑。淀積金屏蔽層2b用于防止附著力促進(jìn)劑2a暴露于空氣中時(shí)被氧化。然后對(duì)第一附著力促進(jìn)劑層2a和金屏蔽層2b進(jìn)行構(gòu)圖以限定要放置彈性元件3的區(qū)域，即，要去除部分第一附著力促進(jìn)劑層2a。使用標(biāo)準(zhǔn)的平版印刷和濕蝕刻技術(shù)來(lái)進(jìn)行構(gòu)圖，以在第一附著力促進(jìn)劑層2a中獲得開(kāi)口，用于后來(lái)的彈性元件3的受力分層。該圖案實(shí)質(zhì)上是定位層圖像的反圖像，即，將材料淀積在以矩形結(jié)構(gòu)為邊界的開(kāi)口所包圍的區(qū)域上，這會(huì)最終形成彈性元件3，其中在該區(qū)域周圍淀積材料將會(huì)形成彈性元件3從其釋放的定位層。該圖案是將三個(gè)矩形側(cè)面限定為尺寸是500μm×80μm的細(xì)軌道，從而“開(kāi)口邊界”是矩形結(jié)構(gòu)。這有效地限定了彈性元件3的大小，也是500μm×80μm。在目前的開(kāi)口邊界中，在進(jìn)行釋放時(shí)，彈性元件3的一端保持固定到主體區(qū)2，而另一端自由運(yùn)動(dòng)，從主體區(qū)2延伸。然后在構(gòu)圖的金屏蔽層(1000)之上等離子體濺射金結(jié)構(gòu)層(1.2μm厚)2c、3a。金結(jié)構(gòu)層僅用作無(wú)源機(jī)械層，并通過(guò)聚酰亞胺層2d、3b與加熱器4電絕緣。聚酰亞胺層2d、3b的淀積在下面說(shuō)明。在相同的淀積操作中，在金結(jié)構(gòu)層上淀積薄Cr層(未示出)(＜500)，用作隨后的聚酰亞胺層的附著力促進(jìn)劑。
然后在金結(jié)構(gòu)層2c、3a上從液相旋轉(zhuǎn)涂覆聚酰亞胺層PI25662d、3b，并且在烤爐中在120℃進(jìn)行適當(dāng)烘烤20分鐘。此后，濺射涂覆1500厚度的Ni-Cr層，并進(jìn)行構(gòu)圖以形成加熱器軌道4a、接觸墊4b和信號(hào)線。標(biāo)準(zhǔn)的照相平版印刷是使用正性光刻膠(positive tonephotoresist)來(lái)進(jìn)行的，以對(duì)彈性元件3進(jìn)行構(gòu)圖并限定接觸墊。使用濕化學(xué)蝕刻來(lái)進(jìn)行構(gòu)圖。然而，另選技術(shù)是聚酰亞胺層的反應(yīng)離子刻蝕RIE。這將要求Cr層用作硬掩模。使用類似的技術(shù)，也可以淀積電阻惠斯通電橋電路5，包括組成壓阻元件5a和接觸墊5e、5f。
最后，緊接著最后的淀積，執(zhí)行濕Au蝕刻，以從定位層釋放彈性元件3。由于在彈性元件3的組成層中的具有初始應(yīng)力，因此不需要具體的釋放方法。所引入的力阻止彈性元件3粘貼到基板2。因此，在釋放時(shí)，彈性元件向上彎曲并離開(kāi)主體區(qū)1。
對(duì)彈性元件3的金屬結(jié)構(gòu)層2c、3a的厚度(1.2μm)進(jìn)行選擇以提供好的激勵(lì)結(jié)果。值1.2μm是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立的。也可以建立為，針對(duì)彈性元件3的組成材料(Gold，PI2566)的機(jī)械特性，厚度比4∶1產(chǎn)生最大的初始偏移，其中厚度比8∶1是最佳的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。應(yīng)該理解，也可以使用其他的厚度和比例。另外，通過(guò)在旋轉(zhuǎn)涂覆期間改變旋轉(zhuǎn)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺層2d、3b的厚度改變。應(yīng)該理解，可以旋轉(zhuǎn)涂覆第二層PI2566，以將加熱器4結(jié)構(gòu)嵌入，用于改善熱絕緣性以及機(jī)械保護(hù)。
應(yīng)該理解，在釋放時(shí)，在組成層中的應(yīng)力可以足夠大以使彈性元件3彎曲到其可以背靠到自己，形成材料的“卷狀物”。檢測(cè)設(shè)備的最優(yōu)選的制造是避免這樣一種情況，即在釋放時(shí)，彈性元件3未形成這樣的卷狀物。優(yōu)選地，彈性元件3的組成層3a、3b的熱膨脹系數(shù)沿彈性元件3的長(zhǎng)度(由從彈性元件3被固定的點(diǎn)到彈性元件3是自由的那個(gè)點(diǎn)之間的距離來(lái)限定的)應(yīng)該是不同的，但是沿元件的寬度是相同的，使得彈性元件3沿其長(zhǎng)度彎曲，而基本上不跨其寬度彎曲。
為了易于說(shuō)明，現(xiàn)在在彈性元件3是平的而非彎曲的情況下對(duì)檢測(cè)設(shè)備1進(jìn)行說(shuō)明。主體區(qū)2的不與彈性元件3附著以及不在彈性元件3周圍的那些部分將不再示出，以便突出彈性元件3。另外，圖3至5不如圖1詳細(xì)，沒(méi)有示出設(shè)備1的組成層。在每個(gè)圖中，相似的部件給出相同的附圖標(biāo)記。
當(dāng)經(jīng)由施加通過(guò)加熱器觸電4b的電勢(shì)差，使得電流通過(guò)圖1所示的加熱器4的軌道4a時(shí)，由于軌道4a中的電阻而使熱量散發(fā)。該熱量使得彈性元件3的溫度增加。在對(duì)彈性元件3進(jìn)行加熱中，由于各自不同的熱膨脹系數(shù)，使得分層3b的一層以比另外的3a以更大的速率膨脹。因此，如圖3所示，彈性元件3將彎曲并變得更直—彈性元件3已經(jīng)被從第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到了第二結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例的彈性元件3的末端可以運(yùn)動(dòng)200μm至250μm范圍內(nèi)的距離。在彎曲中，彈性元件3在壓阻元件5a上引入了應(yīng)力，這將引起壓阻元件5a的電阻的變化。因此，與壓阻元件協(xié)作，惠斯通電橋5可以用作應(yīng)變儀，惠斯通電橋電路5的輸出電壓反映壓阻元件5a的電阻(輸出電壓隨該電阻而變)。
對(duì)于給定的加熱器4的輸入信號(hào)(熱信號(hào))，彈性元件3將運(yùn)動(dòng)(偏移)指定量。如果熱信號(hào)是反復(fù)的，從“電流接通”到“電流低”進(jìn)行變化，或者甚至是“電流零”值，則彈性元件3在受熱時(shí)將會(huì)繼續(xù)彎曲，因此當(dāng)不加(或少加)熱時(shí)，彈性元件3會(huì)朝其平衡位置釋放。彈性元件3將有效地振蕩。如果施加與彈性元件3的運(yùn)動(dòng)相反的阻尼力，則對(duì)于給定輸入，將會(huì)用更長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)唯一最大可能的偏移。此外，如果熱信號(hào)是脈沖振動(dòng)，則該元件可能達(dá)不到該最大偏移，因?yàn)橛捎跓嵝盘?hào)的變化該元件會(huì)在另一方向上彎曲。這些效果可用于檢測(cè)和確定流體的粘度。
較粘的流體比較稀的流體對(duì)彈性元件3的運(yùn)動(dòng)具有更大的阻尼力。偏移的變化與壓阻元件5a上的應(yīng)變的變化相對(duì)應(yīng)，其反過(guò)來(lái)改變其電阻。當(dāng)壓阻元件5a是惠斯通電橋5的引腳時(shí)，該變化則反映在惠斯通電橋5的輸出電壓的變化中。因此，根據(jù)惠斯通電橋5的輸出，可以直接測(cè)量出偏移的變化，這對(duì)應(yīng)于流體的粘度變化。圖4示出了阻尼對(duì)彈性元件的運(yùn)動(dòng)的影響。
圖4有兩個(gè)曲線圖，一個(gè)示出了提供給加熱器4的電流，對(duì)應(yīng)的圖顯示了在不同粘度的流體7、8中，壓阻元件5a的電阻的相應(yīng)的絕對(duì)變化。方波信號(hào)6被提供給加熱器4，并因此對(duì)彈性元件3進(jìn)行加熱。施加熱量引起彈性元件3的運(yùn)動(dòng)，其反之引起在壓阻元件5a中引起的應(yīng)變。因此，隨彈性元件的運(yùn)動(dòng)，壓阻元件5a的電阻將變化7，這直接涉及從加熱器4施加熱量。通過(guò)將彈性元件3放置在更粘的流體中，彈性元件3的運(yùn)動(dòng)將會(huì)受阻。在更粘的流體8中，彈性元件3的電阻將較慢地變化。此外，在示出的示例中，在較粘的流體8中，阻抗的幅度較小。阻抗的變化因此可用于確定流體的粘度的變化。
在信號(hào)脈沖結(jié)束時(shí)的阻抗可用于確定最大偏移，該最大值隨不同粘度的流體而變化。然而，可能的情況要解決，即針對(duì)偏移的變化，脈沖持續(xù)時(shí)間(電流“通”時(shí)間)太長(zhǎng)，即，對(duì)于相同的輸入信號(hào)，彈性元件3在不同粘度的流體中具有相同的最大偏移。這可以通過(guò)對(duì)給加熱器4施加電流(并因此給彈性元件3加熱)的時(shí)間長(zhǎng)度、和/或電流的幅度、和/或連續(xù)電流脈沖之間的時(shí)間段進(jìn)行改變來(lái)解決。簡(jiǎn)言之，可以根據(jù)情況來(lái)適當(dāng)?shù)靥刂戚斎胄盘?hào)。
另選地，壓阻元件5a的電阻被連續(xù)地監(jiān)控，以便可以觀察其相對(duì)于時(shí)間的變化。即使在脈沖結(jié)束時(shí)的電阻(即，彈性元件3的偏移)相同，但是對(duì)于不同粘度的流體，電阻的變化速率不同。壓阻元件5a的電阻對(duì)于第一粘度的流體的變化速率比對(duì)于更高粘度的第二流體的更快。這僅僅是以下事實(shí)的結(jié)果，即利用恒定的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)較稀流體時(shí)主體的運(yùn)動(dòng)比通過(guò)較高粘度的流體時(shí)更快。最優(yōu)選地，輸入信號(hào)使得當(dāng)未施加電流時(shí)，使彈性元件3能夠返回其平衡位置，即，使加熱器4提供的熱能全部散去。優(yōu)選地，當(dāng)未向加熱器4提供電流時(shí)，加熱器4就不向彈性元件3提供熱量，即，加熱器4迅速?gòu)氐椎厣?。如果使彈性元?進(jìn)行振蕩，那么優(yōu)選地，輸入信號(hào)的頻率最好為彈性元件的尺寸。對(duì)于某些應(yīng)用可能要求高抽樣速率(并因此高頻率振蕩)。應(yīng)該容易理解，對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)唯一輸入脈沖可以獲得相同的結(jié)果，引起彈性元件3的唯一偏移。
與使用電阻/偏移變化來(lái)測(cè)量流體粘度一樣，還可以將彈性元件3的諧振頻率用于相同的目的。諧振系統(tǒng)即其中通過(guò)近似相同頻率的小激勵(lì)來(lái)產(chǎn)生大的振蕩。對(duì)于給定的系統(tǒng)，這發(fā)生的頻率取決于系統(tǒng)的振蕩部分浸入的介質(zhì)的粘度。因此，檢測(cè)設(shè)備1的彈性元件3具有的固有諧振頻率對(duì)于其浸入的流體是唯一的。因此，通過(guò)改變彈性元件3的驅(qū)動(dòng)頻率(至加熱器4的輸入信號(hào))，同時(shí)監(jiān)視壓阻元件5a的電阻(并因此監(jiān)視彈性元件3的偏移)，彈性元件3的偏移振幅可以直接與驅(qū)動(dòng)頻率相關(guān)。因此，可以容易地識(shí)別彈性元件3的諧振頻率，并從中導(dǎo)出流體的粘度。
利用其應(yīng)變和溫度敏感性，清楚地理解，除測(cè)量粘度之外，這種檢測(cè)設(shè)備1還有很多應(yīng)用。例如，設(shè)備1可用于測(cè)量流體的溫度、流速和剪速率。
與從加熱器4施加熱量一樣，環(huán)境熱量也會(huì)引起彈性元件3的組成層相應(yīng)地膨脹/收縮。該膨脹/收縮引起壓阻元件上的應(yīng)力的變化，該應(yīng)變從惠斯通電橋電路5的輸出中是可檢測(cè)的，壓阻元件是惠斯通電橋電路5的關(guān)鍵部分。因此，在被來(lái)自加熱器4的熱信號(hào)驅(qū)動(dòng)之前，監(jiān)視彈性元件3的初始位置可以用于確定流體的溫度。
已經(jīng)描述了惠斯通電橋電路5作為應(yīng)變儀如何有效地運(yùn)作，通過(guò)將壓阻元件5a的固有特性用于實(shí)現(xiàn)這種功能。如果將壓阻元件5a放置在流動(dòng)流體中，則可將彈性元件3的偏移振幅的變化用于確定該流體的流速。流體流動(dòng)越快，在彈性元件3上每單位時(shí)間就有越多的組成材料被關(guān)聯(lián)，因此在彈性元件3上的力就越大。對(duì)于給定的所施加的熱信號(hào)，彈性元件3上的較大的力導(dǎo)致偏移振幅的變化。
可以在多個(gè)位置確定流體樣品的特性，因此對(duì)所述樣品的與所述特性有關(guān)的分布進(jìn)行確定。例如，通過(guò)在多個(gè)位置測(cè)量流體樣品的流速，可以確定流速分布，并因此確定切變率。獲得分布的一種方法是使用單個(gè)設(shè)備1，并使其運(yùn)動(dòng)通過(guò)樣品，在希望的位置進(jìn)行測(cè)量。然而，這使得存在的可能是在特定位置的特性可能在連續(xù)的測(cè)量之間發(fā)生變化，因此給出不準(zhǔn)確的分布，即，在第一位置處的特性可能在經(jīng)過(guò)了在另一位置處進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間后就發(fā)生了變化。理想地，可以同時(shí)在所希望的多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量。優(yōu)選地，可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行測(cè)量。實(shí)時(shí)測(cè)量產(chǎn)生進(jìn)一步的流體樣品信息，諸如血液的凝固時(shí)間。通過(guò)使用多個(gè)檢測(cè)設(shè)備1，優(yōu)選地在每個(gè)希望測(cè)量的位置都有一個(gè)檢測(cè)設(shè)備1，這樣進(jìn)行實(shí)時(shí)、多位置測(cè)量，并且因此可以得到分布。
應(yīng)該清楚，使用檢測(cè)設(shè)備1僅產(chǎn)生粘度、溫度等的相對(duì)值。例如，振動(dòng)的彈性元件3實(shí)際上的偏移在電動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中比在空氣中小。為了獲得絕對(duì)值，對(duì)檢測(cè)設(shè)備1的標(biāo)度、流體和/或檢測(cè)設(shè)備1的彈性元件3的建模有要求。例如，對(duì)于給定的輸入信號(hào)，可以在一種或多種已知粘度的流體中測(cè)量彈性元件3的偏移，并且根據(jù)此，偏移的具體變化可以與粘度的具體變化相關(guān)。還應(yīng)該理解，彈性元件3的準(zhǔn)確的建模及其運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生與其浸入的流體有關(guān)的特性。還應(yīng)該理解，存在著各種可以對(duì)給定測(cè)量產(chǎn)生很大影響的相互依賴的因素。例如，在對(duì)彈性元件3加熱以在其中引起運(yùn)動(dòng)期間，某些熱能無(wú)疑被傳送到了設(shè)備1所浸入的流體中。這種散熱將提升流體的溫度，并可以改變流體粘度，從而給出了錯(cuò)誤的測(cè)量。類似地，壓阻元件5a的電阻將隨溫度而變化，其本身的溫度與流體的溫度加上由于加熱器4而產(chǎn)生的影響有關(guān)。通過(guò)對(duì)執(zhí)行所希望的測(cè)量所必需的元件的標(biāo)度和/或建模的組合可以克服所有這些問(wèn)題。
在另一實(shí)施例中(未示出)，設(shè)備1與涉及圖1和圖2所描述的類似。然而，在該實(shí)施例中，惠斯通電橋5現(xiàn)在包括有電容元件而非電阻元件，并且去除了壓阻元件。作為替換，導(dǎo)體板位于彈性元件3的上方而非與其接觸。其中在圖1的設(shè)備1中，變化的輸出信號(hào)是由其上的應(yīng)變、以及壓阻元件的電阻的相應(yīng)變化而產(chǎn)生的，在該實(shí)施例中，將電容的變化用于檢測(cè)彈性元件3的運(yùn)動(dòng)?；菟雇姌?包括有，在其中三個(gè)臂的每一個(gè)上的已知電容，并且導(dǎo)電板和彈性元件3形成第四個(gè)電容器的板(可變電容)。如果彈性元件3運(yùn)動(dòng)，則在彈性元件3與上面的導(dǎo)板之間的間隔會(huì)變化，根據(jù)基本的靜電原理，該第四電容器的電容也會(huì)變化。該檢測(cè)設(shè)備1以另外一種與圖1和圖2的檢測(cè)設(shè)備1相同的方式運(yùn)行，并具有與其相同的功能。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該清楚，僅以示例的方式給出了前面的實(shí)施例，并非以任何方式對(duì)它們進(jìn)行限制。例如，所描述的本發(fā)明的所有實(shí)施例因此還包括具有四個(gè)引腳5a、5b、5c、5d的惠斯通電橋5，其中三個(gè)5b、5c、5d的每一個(gè)都包括有恒定的已知的電阻/電容值。第四引腳5a包括有對(duì)彈性元件3的運(yùn)動(dòng)敏感的可變電容/電阻值。在惠斯通電橋5的其他引腳中并入更多運(yùn)動(dòng)敏感的電阻/電容(即，代替已知且恒定值的組件)，可以提高電橋5的敏感性。惠斯通電橋5的敏感性是通過(guò)其輸出電壓針對(duì)其輸入?yún)?shù)(即可變電阻)的小變化的變化來(lái)限定的。如果對(duì)于相同的或更小的輸入?yún)?shù)變化來(lái)說(shuō)可以使輸出電壓更大，就是說(shuō)其敏感度已經(jīng)提高了。與使用一個(gè)引腳進(jìn)行比較，使用兩個(gè)引腳，敏感性增加兩倍，使用三個(gè)引腳增加三倍，使用四個(gè)引腳增加四倍?？梢砸远喾N方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這種額外的運(yùn)動(dòng)敏感電阻/電容的結(jié)合。例如，采用結(jié)合有壓阻元件的檢測(cè)設(shè)備1，惠斯通電橋5的兩個(gè)引腳可以每一個(gè)都包括有壓阻元件。兩個(gè)相鄰彈性元件的壓阻元件可以形成惠斯通電橋的兩個(gè)引腳。另選地，僅使用單個(gè)彈性元件3時(shí)，另一個(gè)壓阻元件(除駐留在與主體區(qū)2直接相鄰的彈性元件3上的那個(gè))可以駐留在彈性元件3上。通過(guò)形成將各個(gè)壓阻元件用作電橋的一個(gè)引腳的惠斯通電橋5，創(chuàng)建了更加敏感的應(yīng)變儀。例如，另外的壓阻元件可以駐留在彈性元件的上表面上遠(yuǎn)離主體區(qū)2的點(diǎn)處。
應(yīng)該理解，壓阻元件5a可以駐留在彈性元件3上的任何位置，只要在彈性元件3運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)力發(fā)生變化。例如，壓阻元件5a可以在彈性元件3的下面。壓阻元件5a可以在彈性元件3上與檢測(cè)設(shè)備1的主體區(qū)2的相鄰處、在遠(yuǎn)離主體區(qū)2的點(diǎn)處、或者在這些元件之間的某點(diǎn)處。壓阻元件5a可以駐留在主體區(qū)2和彈性元件3兩者上，以便在彈性元件3中引起運(yùn)動(dòng)時(shí)只有部分壓阻元件5a受到應(yīng)力。壓阻元件5a可以是彈性元件3的一部分。壓阻元件5a可以是彈性元件3的一層。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)該清楚，優(yōu)選地，在最大應(yīng)力之前壓阻元件5a不達(dá)到飽和，即壓阻元件5a唯一施加的應(yīng)力(并且相關(guān)聯(lián)的彈性元件3的運(yùn)動(dòng))具有唯一的電阻。
圖5和圖6是本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，再次利用彈性元件3處于“預(yù)受力”狀態(tài)—初始是直的。在這些實(shí)施例中，使用光學(xué)技術(shù)來(lái)執(zhí)行對(duì)彈性元件3的運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，代替了前述實(shí)施例的惠斯通電橋電路5和可變的電容/電阻元件。除了該代替之外，主體區(qū)2的結(jié)構(gòu)、加熱器4和彈性元件3與涉及圖1和圖2所描述的一致，因此，這些檢測(cè)設(shè)備1的功能性保持不變。因此，對(duì)在圖5和圖6中出現(xiàn)的那些出現(xiàn)在圖1和圖2中的元件給出了相似的標(biāo)記。
參照?qǐng)D5，檢測(cè)設(shè)備1包括有主體區(qū)2、彈性元件3、加熱器4和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)9。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)9位于檢測(cè)設(shè)置1中，從主體區(qū)2延伸，通過(guò)了彈性元件3并延伸到彈性元件3遠(yuǎn)離主體區(qū)2的外表面。電磁輻射源10位于主體區(qū)2中，以便對(duì)波導(dǎo)9的入口進(jìn)行輻射，并使得電磁輻射通過(guò)波導(dǎo)9被傳送。被傳送的電磁輻射將通過(guò)波導(dǎo)9，并將在彈性元件3遠(yuǎn)離主體區(qū)2的外表面處從檢測(cè)裝置1和波導(dǎo)9發(fā)射出去。通過(guò)使用光電二極管陣列11可以檢測(cè)被發(fā)射的輻射。光電二極管陣列11的分辨率可被制作成所希望的測(cè)量分辨率。例如，陣列11中的二極管越小(或者被組裝地越密)，其分辨率就越高，因此使得能夠檢測(cè)到彈性元件3的越小的運(yùn)動(dòng)。
在使用時(shí)，經(jīng)由加熱器4(或者通過(guò)本地環(huán)境)給彈性元件3供熱，以使其從初始的彎曲形狀朝著直的形狀彎曲。彈性元件3彎曲的程度與被激勵(lì)的光電二極管11的數(shù)量成比例，因此可以確定彈性元件3的運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6，檢測(cè)裝置1包括主體區(qū)2，彈性元件3和加熱器4。彈性元件3包括光柵12，光柵12由相互平行的多個(gè)透明或不透明段形成。光柵12沿彈性元件3的實(shí)際的長(zhǎng)、遠(yuǎn)離主體區(qū)2而延伸。光電二極管陣列11位于彈性元件3的一側(cè)上，電磁輻射源10位于相對(duì)的一側(cè)上，以便電磁輻射可以從源10被發(fā)射、通過(guò)光柵12的透明段被透射、并且由光電二極管陣列11來(lái)檢測(cè)。根據(jù)不透明段和透明段的尺寸(或其“節(jié)距”)，檢測(cè)設(shè)備1可以以兩種方式中的其中一種來(lái)使用。光柵12可以用作純粹的濾光器，光柵12的陰影落在了光電二極管陣列11上。另選地，光柵12可被構(gòu)造為使得入射輻射衍射。在衍射時(shí)，電磁輻射與其自身相長(zhǎng)干涉或相消干涉，從而在光電二極管陣列11上創(chuàng)建干涉圖。最優(yōu)選地，選擇電磁輻射源10以便其發(fā)射的輻射不會(huì)穿過(guò)光柵12的不透明段，即，可見(jiàn)光最優(yōu)選是x射線。
在使用時(shí)，經(jīng)由加熱器4(或者通過(guò)本地環(huán)境)給彈性元件3供熱，以使其從初始的彎曲形狀朝著直的形狀彎曲。在彎曲時(shí)，不透明段和透明段的節(jié)距將會(huì)變化。這種變化將會(huì)對(duì)通過(guò)光柵12透射的電磁輻射產(chǎn)生影響，并且根據(jù)光柵12如何被構(gòu)造，要么光柵12的陰影、要么光電二極管陣列11上的干涉圖將會(huì)變化。在該圖案/陰影的最大值和最小值中的圖案可用于確定光柵12的段的節(jié)距的變化，并且該變化與彈性元件3的運(yùn)動(dòng)(曲率)成比例。應(yīng)該理解，可用反射光柵12來(lái)替代透射光柵12。設(shè)備1以完全相同的方式運(yùn)行，除以下事實(shí)之外，即光柵12的段是反射和非反射的，并且光電二極管陣列11與電磁輻射源10在同一側(cè)上，從而檢測(cè)反射的電磁輻射，與透射的電磁輻射相對(duì)。
對(duì)于所有使用光檢測(cè)方法的實(shí)施例，應(yīng)該理解，優(yōu)選地選擇輻射源10和光電二極管陣列11以便互補(bǔ)。例如，來(lái)自峰值發(fā)射波長(zhǎng)為640nm(紅光)的源10的電磁輻射可由峰值敏感性在該波長(zhǎng)和該波長(zhǎng)附近的光電二極管陣列11進(jìn)行最好地檢測(cè)。此外，應(yīng)該理解，光電二極管陣列11可以是一維或二維的。二維光電二極管陣列11可用于使透射/反射電磁輻射成像。例如，在包括光柵12的實(shí)施例的情況下，利用二維陣列11可以檢測(cè)整個(gè)條紋圖，其中一維陣列11僅產(chǎn)生穿過(guò)所述條紋圖的線的信息。盡管一維分析可能足夠了，但是檢測(cè)和捕獲二維圖像可能有用。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯然可以利用就檢測(cè)范圍、分辨率等具有希望特性的任何檢測(cè)元件來(lái)替代光電二極管陣列11。例如，電磁輻射的檢測(cè)可以涉及光纖以及相關(guān)聯(lián)的處理裝置。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯然，前述所有實(shí)施例不以任何方式進(jìn)行限制，僅是通過(guò)示例的方式被給出。在不破壞本發(fā)明的情況下，可以對(duì)檢測(cè)設(shè)備1作出各種修改。
例如，盡管結(jié)合使用彈性元件3從平直位置運(yùn)動(dòng)到彎曲位置、或從彎曲位置運(yùn)動(dòng)到平直位置，來(lái)示出了對(duì)流體特性的確定，但是使用彈性元件的其它的“初始”和“終止”位置或“結(jié)構(gòu)(configuration)”也是可以的。彈性元件可以從第一彎曲結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二彎曲結(jié)構(gòu)。為了確定流體的特性，彈性元件必須從第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)。也可以隨后運(yùn)動(dòng)到其它的結(jié)構(gòu)。第一和第二結(jié)構(gòu)可以是相同的。
提供鎖裝置用于將彈性元件保持或“鎖”在希望位置。例如，如果彈性元件3包括有磁性材料(諸如鈷)，與設(shè)備1相鄰地放置的電磁鐵可用于將彈性元件3鎖到希望位置。另選地，磁性材料可以固定地附著到彈性元件。當(dāng)電磁鐵處于“開(kāi)通”，則它可以被設(shè)置為吸引磁性材料并因此吸引彈性元件3。另選地，可以將彈性元件3設(shè)置為排斥電磁鐵。
不管電磁鐵產(chǎn)生吸引力還是排斥力，如果彈性元件3是有彈性的，則彈性元件3中的勢(shì)能的增加(由于元件3的彈性)可以與吸引的或排斥的磁力相對(duì)。這種能量的增加可以產(chǎn)生可能試圖將彈性元件3的位置恢復(fù)到其平衡位置的恢復(fù)力。如果磁力使得與恢復(fù)力平衡，則彈性元件將被“鎖”到希望位置。
電磁鐵可以與設(shè)備是一體的，或者電磁鐵可以是單獨(dú)一件裝置。另選地，彈性元件可以包括電磁鐵，而磁性材料可以是單獨(dú)一件裝置。應(yīng)該理解，任何可控制的可變磁場(chǎng)源都可用于代替電磁鐵。
在圖7所示的另選實(shí)施例中，彈性元件3形成了類似電容器的結(jié)構(gòu)的一個(gè)板。彈性元件3包括導(dǎo)電層3c(諸如金)，其形成了類似電容器的結(jié)構(gòu)的第一板。另一個(gè)導(dǎo)電板13(諸如金)形成了類似電容器的結(jié)構(gòu)的第二板，并且位于設(shè)備1的主體區(qū)2上。
施加在兩個(gè)板3c、13之間的電勢(shì)差使得在各個(gè)板3c、13上增加相反的電荷，并且在兩個(gè)板之間建立了電場(chǎng)。因?yàn)橄喾措姾晌?，所以?c、13將相互吸引。應(yīng)該理解，該吸引力(靜電力)可用于將彈性元件3保持或鎖到希望位置。優(yōu)選地，第二板3c被固定在適當(dāng)位置，即不自由運(yùn)動(dòng)，以確保在被鎖時(shí)，因而第二板3c進(jìn)行任何運(yùn)動(dòng)彈性元件3都不運(yùn)動(dòng)。
如果彈性元件3是有彈性的，則在彈性元件3中的勢(shì)能的增加(由于彈性元件3的彈性)可能與吸引的靜電力相反。這種能量的增加能夠產(chǎn)生可以試圖將彈性元件3的位置恢復(fù)到其平衡位置的恢復(fù)力。如果靜電力是與恢復(fù)力平衡的力，則彈性元件3將被“鎖”在希望位置。
板3c、13之間的電接觸是不希望的?？梢詫⒃O(shè)備1構(gòu)造為使得這種電接觸是不可能的。例如，第二板3c可以駐留在主體區(qū)2中的凹處，以便即使當(dāng)彈性元件3是平的時(shí)，第一板3c和第二板13也是空間分離的，并且防止了它們之間的電接觸。另選地，在某些實(shí)施例中，板中的一個(gè)(或每個(gè))涂覆有電絕緣層(未示出)，以防止這種電接觸。電絕緣體可以是塑料材料。
應(yīng)該理解，第二板13可以駐留在主體區(qū)2上。例如，第二板13的位置僅需要使得可以在板之間建立電場(chǎng)，該電場(chǎng)足夠大到將彈性元件3鎖到希望位置。
鎖彈性元件3具有重要的優(yōu)點(diǎn)。例如，彈性元件3是由具有不同熱膨脹系數(shù)的(至少)兩層形成。當(dāng)受熱時(shí)，彈性元件3從第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)。然后可以施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)以將彈性元件3保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，隨后可以去熱。然后彈性元件3的溫度可以返回到其環(huán)境(即，其浸入的流體)的環(huán)境溫度。然后，彈性元件將彈性地偏移以返回第一結(jié)構(gòu)。然后可以去除電場(chǎng)或磁場(chǎng)，由于溫度變化而產(chǎn)生的恢復(fù)力使彈性元件3運(yùn)動(dòng)，彈性元件3的運(yùn)動(dòng)在該環(huán)境溫度下被表征。因此，使彈性元件3運(yùn)動(dòng)而要求的熱量并不影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。使用電場(chǎng)或磁場(chǎng)將彈性元件3保持在適當(dāng)位置比使用熱量(或者提供給加熱器的電流)更有能效，因此減小了具有這些特征的設(shè)備的功耗。
如此前所描述的，應(yīng)該理解，還可以將類似電容器的結(jié)構(gòu)用作可變電容器。通過(guò)在板3c、13之間施加恒定的電勢(shì)差，可以使用簡(jiǎn)單的靜電理論，根據(jù)電容器的電容推出在板3c、13之間的間距。如果板3c、13的間距變化，則電容其的電容也變化。因此，因?yàn)閺椥栽?包括有電容器的一個(gè)板，所以可變電容器可用于檢測(cè)并表征彈性元件3的運(yùn)動(dòng)。
此外，彈性元件3可以不是兩種材料的疊層。彈性元件3可以包括多于兩種材料或兩層，例如，可以由多層壓阻材料或其它任何所希望的材料形成。應(yīng)該理解，彈性元件僅需要在受熱時(shí)能夠從第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該運(yùn)動(dòng)相對(duì)要大。這通過(guò)選擇具有適當(dāng)特性地材料來(lái)實(shí)現(xiàn)(諸如特定的楊氏系數(shù)和熱膨脹系數(shù))，以便施加小的熱信號(hào)就產(chǎn)生彈性元件3的相對(duì)大的運(yùn)動(dòng)。這優(yōu)選地通過(guò)使用兩層或更多層的疊層來(lái)實(shí)現(xiàn)。一層可以包括聚合物。一層可以包括金屬。聚合物可以是聚酰亞胺、聚酰胺(polyamide)或丙烯聚合物(acrylicpolymer)。金屬可以是鋁或金。相對(duì)大的運(yùn)動(dòng)可以便于使用結(jié)合有光學(xué)方法和/或裝置的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器。
應(yīng)該理解，可以對(duì)檢測(cè)設(shè)備1的尺寸進(jìn)行選擇以使具體應(yīng)用符合情況。應(yīng)該理解，可以對(duì)彈性元件3的尺寸進(jìn)行選擇以適于特定應(yīng)用。例如，尺寸可以在從微米級(jí)到毫米級(jí)的范圍內(nèi)，例如，1μm至10mm。彈性元件的長(zhǎng)度，被定義為從第一端到第二端的距離，例如可以是100μm至1mm。彈性元件3的形狀也是可變的。彈性元件3可以遠(yuǎn)離主體區(qū)2地逐漸變細(xì)。彈性元件3可以遠(yuǎn)離主體區(qū)2向外張開(kāi)。彈性元件3可以不是一個(gè)連續(xù)的物體。例如，彈性元件3可以是其多個(gè)部分被切掉了的薄矩形層。這可以是為了流體力學(xué)的目的或其它。彈性元件3甚至可以包括被綁到遠(yuǎn)離主體區(qū)2的一端的另外的元件，例如槳狀物。該槳狀物可以與彈性元件3是一體的。包括該槳狀物可用于增加彈性元件的表區(qū)域，這例如可以增加設(shè)備對(duì)流速和切變率測(cè)量的檢測(cè)敏感性。
加熱器和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)元件可以分離。另選地，加熱器4和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器元件可以組合，以便單個(gè)元件執(zhí)行它們的兩個(gè)功能。如果加熱器4包括壓阻材料，則加熱器4還可用作運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器的壓阻元件5a。組合的加熱器運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器可以包括單一的材料，諸如金。通過(guò)使用諸如聚酰亞胺層的彈性支持層，可以大大提高金的壓阻行為。
為了形成這種組合的多層加熱器—運(yùn)動(dòng)彈性檢測(cè)元件，在彈性元件3上淀積聚酰亞胺軌道，隨后在該軌道之上設(shè)置金屬層。應(yīng)該理解，為了實(shí)現(xiàn)組合的多層加熱器運(yùn)動(dòng)彈性檢測(cè)元件，可以有很多種結(jié)構(gòu)。為了操作，加熱器—運(yùn)動(dòng)檢測(cè)元件必須散熱并顯示出壓阻行為。
使用指定的制造方法可將彈性元件3構(gòu)造為在平衡時(shí)(未施加信號(hào))是直的。例如，在其加熱制造過(guò)程中，可以在一層或多層中引入指定的壓力。
可以對(duì)加熱器4的類型、形狀和位置進(jìn)行選擇以符合情況或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。例如，加熱器4可以在彈性元件3的上表面上。加熱器4可以位于彈性元件3的底面上。加熱器4可以嵌入彈性元件3中。例如，如果彈性元件3是疊層結(jié)構(gòu)，則加熱器4可以駐留在層之間。這可以確保熱量的主體是在彈性元件3中散發(fā)，這與流體樣品相對(duì)。這有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，增加了效率，更重要地，樣品的溫度未被人為地升高從而沒(méi)有不利地影響測(cè)量。加熱器4可以是散熱的導(dǎo)電材料。加熱器4可以是分離的設(shè)備，諸如不是一體的導(dǎo)電細(xì)絲(filament)。加熱器4可以是導(dǎo)電材料的薄膜淀積。加熱器4可以是導(dǎo)電材料的軌道。例如，加熱器4可以是導(dǎo)電軌道，迂回地向前、并且來(lái)回地穿過(guò)彈性元件3，從而使得在其上均勻地散熱。
在彈性元件3上也可以使用冷卻元件。通過(guò)結(jié)合冷卻器，如果疊層彈性元件3的組成層擁有不同的熱膨脹系數(shù)，那么使用分層彈性元件3這些層的不同膨脹可以使彈性元件3彎曲。運(yùn)動(dòng)的方向與向彈性元件3加熱時(shí)相反。
針對(duì)流體本身的加熱和冷卻，檢測(cè)設(shè)備1還可以包括組合的加熱器和冷卻器，以便在所選溫度處進(jìn)行測(cè)量。該加熱器和冷卻器可以駐留在主體區(qū)2或彈性元件3上。施加到加熱器4的運(yùn)動(dòng)信號(hào)(例如，電流)可以是任何預(yù)定的功能。例如，該信號(hào)可以是正弦波、調(diào)制后正弦波、方波、單個(gè)脈沖或恒值的連續(xù)電流。
應(yīng)該清楚，通過(guò)同時(shí)使用多個(gè)彈性元件3，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)測(cè)量。例如，使用三個(gè)獨(dú)立的彈性元件3，就可以同時(shí)測(cè)量流體樣品的溫度、粘度和流速。為了獲得希望數(shù)量的彈性元件3，可以使用多個(gè)設(shè)備1，每個(gè)設(shè)備1包括一個(gè)或多個(gè)彈性元件3。另選地，可以使用包括有希望數(shù)量個(gè)彈性元件3(適當(dāng)?shù)貥?gòu)造)的單個(gè)設(shè)備1。彈性元件3可以是任何希望的結(jié)構(gòu)。例如，兩行彈性元件3可以相互交叉。
通過(guò)使用位于流體中不同位置的多個(gè)彈性元件3，可以獲得流體的特性的空間分布。因此，通過(guò)使用包括有多個(gè)彈性元件3的設(shè)備1，可以容易地得到這種分布。應(yīng)該理解，可以實(shí)時(shí)地獲得這種分布。例如，通過(guò)在多個(gè)位置測(cè)量流體的流速，可以得到流體的切變率。通過(guò)實(shí)時(shí)地獲得分布，可以準(zhǔn)確地測(cè)量其中的變化。這種變化可能是自然的，例如熱能的損失，或者可能是引起的，例如向流體加入化學(xué)制品。
應(yīng)該理解，正像流體可以對(duì)彈性元件3有影響一樣，彈性元件3可以對(duì)流體3有影響。例如，彈性元件3在流體中的運(yùn)動(dòng)可以在其中引起了紊亂(turbulence)。彈性元件3在流體中的運(yùn)動(dòng)也可以在其中引起了流動(dòng)。多個(gè)彈性元件3的協(xié)調(diào)的特殊的運(yùn)動(dòng)可以在流體中引起特殊的流動(dòng)。因此，在流體中可以人為地引入流動(dòng)。例如，為了模仿流體在管中的流動(dòng)可以在流體中引入流動(dòng)。在流體進(jìn)行這樣的流動(dòng)期間然后可以確定流體的特性。
在使用多個(gè)彈性元件3時(shí)，多個(gè)中的某些例如通過(guò)周期性地操作元件3可在流體中引起流動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)其它元件3可用于表征該流動(dòng)。例如，一設(shè)備可以包括有排列成兩行的七個(gè)彈性元件3。第一行可以包括第一、第三、第五和第七彈性元件3，第二行是第二、第四和第六彈性元件。第一行的彈性元件可以沿第一方向延伸。第二行的彈性元件通常在與第一方向平行但相對(duì)的方向上延伸。因此，第一行的彈性元件與第二行的彈性元件相對(duì)。在該實(shí)施例中，七個(gè)彈性元件相互交叉。第一、第三、第五和第七彈性元件3可被排列為在流體中產(chǎn)生流動(dòng)。
例如，可對(duì)第一、第三、第五和第七彈性元件3的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制以便這些運(yùn)動(dòng)是“級(jí)聯(lián)的(cascade)”。因?yàn)槭沟谝辉牡谝唤Y(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)，所以使第三元件從第二結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第一結(jié)構(gòu)，并且因?yàn)槭沟谌牡谝唤Y(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)，所以使第五元件從第二結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第一結(jié)構(gòu)等。在第一、第三、第五和第七彈性元件在流體中產(chǎn)生流動(dòng)期間，第二、第四和第六元件可用于表征該流動(dòng)。例如，它們可同時(shí)用于確定流體的切變率。另選地，或另外，它們可用于確定不同的特性。例如，第二彈性元件3可確定流體的溫度，第四彈性元件3確定流體粘度，第六彈性元件3可確定流體的流速。
設(shè)備1可駐留在容器中，以便可以準(zhǔn)確地監(jiān)視和控制容器中的環(huán)境狀態(tài)。例如，可以監(jiān)視和/或控制容器中的壓力和/或溫度。對(duì)駐留在容器中的任何流體都可以實(shí)現(xiàn)這種監(jiān)視并施加控制。應(yīng)該理解，僅僅是設(shè)備1的彈性元件3可以駐留在容器中，而該(或各個(gè))設(shè)備1的主體區(qū)2駐留在容器的外部。在測(cè)量流體的粘度時(shí)，控制或掌握流體的溫度是有用的。這在測(cè)量血液粘度時(shí)尤其正確，因?yàn)檠旱恼扯入S溫度的變化而明顯變化。因此，溫度控制和傳感設(shè)備可用于有效地控制容器中流體的溫度。例如，可以使用加熱器和/或冷卻器。加熱器和/或冷卻器可以是獨(dú)立的裝置，與傳感設(shè)備1完全分離。另選地，加熱器和/或冷卻器可以與傳感設(shè)備1為一體。溫度傳感設(shè)備也可以與傳感設(shè)備1分離或?yàn)橐惑w。應(yīng)該容易地理解，溫度傳感設(shè)備可以是在此前所描述的包括有由具有不同熱膨脹系數(shù)的材料組成的多個(gè)層。
應(yīng)該理解，檢測(cè)設(shè)備1可以形成更大更復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)完整部分。例如，由于其易于制造，所以可以低成本地制造檢測(cè)設(shè)備1，這使得引入易于處理的設(shè)備1成為可能。盡管在例如確定水的特性時(shí)，設(shè)備1可以或不需要被再次使用，在一次使用之后就將設(shè)備1處理掉，這在某些情況下是理想的。對(duì)于例如衛(wèi)生、污染等很多原因這都是實(shí)際情況。其中衛(wèi)生和污染尤其重要的情形是血液測(cè)試領(lǐng)域，尤其是測(cè)試人的血液?？梢詫⒃撛O(shè)備1制造成非常小的尺寸，因此可易于將其結(jié)合到抽血和測(cè)試系統(tǒng)中。此外，由于小尺寸，因此相應(yīng)地要求少量流體樣品。
例如，血液粘度涉及深度靜脈血栓癥，深度靜脈血栓癥與持久地乘飛機(jī)飛行有關(guān)。理想地，乘客可以測(cè)量他/她自己的血液粘度，從而在確定是否需要復(fù)用任何稀血?jiǎng)?例如，阿司匹林)。設(shè)備1(或多于一個(gè)的設(shè)備1)可以與顯微針(用于無(wú)痛抽血)結(jié)合，并具有可方便地拆卸的電連接，這些電連接被設(shè)計(jì)為將類似的連接接合在小的手持處理終端上。針和設(shè)備1可以是附加的，從而電連接到終端，并且乘客可以從他/她的身體無(wú)痛抽血。通過(guò)受該終端控制，設(shè)備1然后會(huì)按照前面的描述來(lái)運(yùn)作，并產(chǎn)生與血液有關(guān)的信息。該終端可以包括簡(jiǎn)單的顯示器，顯示諸如血液粘度的信息，其是否為危險(xiǎn)水平等。因?yàn)樾《阋?，所以然后可低成本地處理掉該針和設(shè)備1。利用另外的針和設(shè)備1可再次使用該終端。因此，在一次飛行中可使用很多設(shè)備1。
應(yīng)該清楚，設(shè)備1的功能、連同它的小尺寸以及低制造成本使得其在很廣泛類型的應(yīng)用中被便利地使用，在這些應(yīng)用中，要求對(duì)流體的特性，例如粘度、溫度、流速和切變率進(jìn)行確定。優(yōu)選地，該流體是液體。優(yōu)選地，該液體是血液或其組成部分，諸如血漿。優(yōu)選地，要確定其特性的流體的體積是1微升級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種使用傳感元件確定流體特性的方法，該傳感元件包括彈性元件，通過(guò)彎曲所述彈性元件可使所述彈性元件從第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)，所述彈性元件包括激勵(lì)部，被設(shè)置用于使所述彈性元件在所述第一結(jié)構(gòu)與所述第二結(jié)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)，該方法包括通過(guò)向所述彈性元件施加熱信號(hào)，引起所述彈性元件在所述第一結(jié)構(gòu)與第二結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；從所述傳感元件接收信號(hào)，所述信號(hào)表明了在所述流體中引起的所述彈性元件的運(yùn)動(dòng)；并且處理所述信號(hào)以確定表明所述流體的至少一個(gè)特性的值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行處理以確定表明包括有粘度、溫度、流速和切變率的組中的至少一個(gè)特性的值。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括通過(guò)監(jiān)視所接收的信號(hào)隨時(shí)間的變化，來(lái)確定所述彈性元件的運(yùn)動(dòng)的變化速率；并且根據(jù)所述的運(yùn)動(dòng)變化速率來(lái)確定表明所述流體的粘度的值。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括對(duì)于給定的被施加的熱信號(hào)，根據(jù)所述接收的信號(hào)來(lái)確定所述彈性元件的運(yùn)動(dòng)幅度；并且根據(jù)所述幅度來(lái)確定表明所述流體的粘度的值。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括確定所述彈性元件的所述運(yùn)動(dòng)的變化；并且根據(jù)所述的運(yùn)動(dòng)變化來(lái)確定表明所述流體的流速的值，所述的運(yùn)動(dòng)變化是由于所述流體相對(duì)于所述彈性元件的流動(dòng)而產(chǎn)生的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括通過(guò)在所述流體中的多個(gè)位置確定流速，來(lái)確定表明所述流體的切變率的值。
7.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述彈性元件的所述激勵(lì)部包括至少兩層的疊層，各層具有不同的熱膨脹系數(shù)，并且其中，在通過(guò)施加熱信號(hào)引起運(yùn)動(dòng)之前，對(duì)表明所述流體的溫度的值進(jìn)行確定。
8.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述設(shè)備包括多個(gè)彈性元件，使得多個(gè)彈性元件在多個(gè)位置確定表明所述流體的至少一個(gè)特性的值。
9.如權(quán)利要求1至7的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述設(shè)備包括多個(gè)彈性元件，所述多個(gè)中的至少一個(gè)用于在所述流體中引起流動(dòng)，并且所述多個(gè)中的至少一個(gè)用于確定表明所述流體的至少一個(gè)特性的值。
10.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括通過(guò)磁力將所述彈性元件保持在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)中。
11.如權(quán)利要求1至9的任一項(xiàng)所述的方法，還包括通過(guò)靜電力將所述彈性元件保持在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)中。
12.一種用于檢測(cè)流體的特性的設(shè)備，該設(shè)備包括主體區(qū)；彈性元件，具有第一端和第二端，所述第一端固定地位于所述主體區(qū)上，所述彈性元件被設(shè)置為通過(guò)彎曲所述彈性元件可使其從至少第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)；所述彈性元件包括至少兩層的疊層以及激勵(lì)部，該激勵(lì)部被設(shè)置用于使所述彈性元件在所述第一結(jié)構(gòu)與所述第二結(jié)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)，該激勵(lì)部由所述疊層的至少第一層提供，該第一層具有與所述疊層的第二層不同的熱膨脹系數(shù)，以便所述彈性元件的溫度變化使得彈性元件從所述第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到所述第二結(jié)構(gòu)；所述彈性元件還包括加熱元件，用于對(duì)至少所述彈性元件加熱，從而提供所述溫度變化；以及運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，被設(shè)置用于檢測(cè)所述彈性元件的所述運(yùn)動(dòng)，并用于提供表明其中浸有所述彈性元件的流體的特性的信號(hào)。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器包括位于所述彈性元件上的壓力電阻元件，該壓力電阻元件被設(shè)置以便由于所述彈性元件的運(yùn)動(dòng)而使壓力電阻元件的電阻變化。
14.如權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的設(shè)備，還包括鎖裝置，被設(shè)置用于將所述彈性元件保持在所述兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)。
15.如權(quán)利要求12至14的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器包括電磁輻射源，其被設(shè)置用于直接朝所述元件輻射，以及電磁輻射檢測(cè)器，其被設(shè)置用于檢測(cè)以下至少一種電磁輻射從所述彈性元件反射的電磁輻射、通過(guò)所述彈性元件透射的電磁輻射、從所述彈性元件折射的電磁輻射、或由所述彈性元件衍射的電磁輻射。
16.如權(quán)利要求12至15的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述疊層的第一層和第二層中的至少一層包括聚合物。
17.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述疊層的第一層和第二層中的至少一層包括從聚酰亞胺、聚酰胺和丙烯聚合物組成的組中選出的一種材料。
18.如權(quán)利要求12至17的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述疊層的第二層包括金屬。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述金屬是從金或鋁組成的組中選擇的。
20.如權(quán)利要求12至19的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述彈性元件的從所述第一端到所述第二端的長(zhǎng)度在100μm至1mm之間，并且其中在所述第一結(jié)構(gòu)中所述彈性元件的第二端與在所述第二結(jié)構(gòu)中所述彈性元件的第二端之間的距離在30μm至650μm之間。
21.如權(quán)利要求12至20的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括多個(gè)彈性元件。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)彈性元件排列成第一行和第二行，每行包括至少一個(gè)彈性元件，對(duì)所述彈性元件進(jìn)行排列以便所述第一行的至少一個(gè)彈性元件與所述第二行的至少一個(gè)彈性元件相對(duì)地延伸。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)彈性元件是相互交叉的。
24.一種此前參照

的用于確定流體特性的方法。
25.一種此前參照

的用于確定流體特性的設(shè)備。
全文摘要
一種用于檢測(cè)流體的特性的設(shè)備，包括主體區(qū)以及具有第一端和第二端的彈性元件。第一端固定地位于所述主體區(qū)上。彈性元件被設(shè)置為通過(guò)彎曲彈性元件可使其從至少第一結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到第二結(jié)構(gòu)。彈性元件包括激勵(lì)部，該激勵(lì)部被設(shè)置用于使彈性元件在第一結(jié)構(gòu)與第二結(jié)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備還包括運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，用于檢測(cè)彈性元件的運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)E02F9/22GK1914498SQ200480041336
公開(kāi)日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者弗拉迪斯拉夫·賈可夫, 埃賈茲·霍克, 保羅·弗農(nóng) 申請(qǐng)人:中心實(shí)驗(yàn)室研究委員會(huì)