微型熱式流量傳感器專利技術(shù)綜述

饒紅 田翠萍

摘要：流量測量廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中基于微型化、無干擾、集成化的流量測量需求以及技術(shù)的進(jìn)步，微型熱式流量傳感器開始了長足發(fā)展。本文利用專利數(shù)據(jù)庫，分析了微型熱式流量傳感器的專利申請態(tài)勢，包括全球申請量年度分布、各國專利布局、技術(shù)原創(chuàng)、主要技術(shù)分支、重要專利和技術(shù)發(fā)展路線等，從專利的視角分析了該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢，有助于微型熱式流量傳感器領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：流量;MEMS;微型;熱式

中圖分類號：TP2121 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）06-0112-04

1 引言

流量是工業(yè)中三大檢測參數(shù)之一，早在古代，流量測量就應(yīng)用于水利和農(nóng)業(yè)灌溉，19世紀(jì)中葉到20世紀(jì)中葉，化工、冶金和石油工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了流量傳感器的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了差壓式、熱線式和容積式流量傳感器，20世紀(jì)50至80年代，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，又相繼發(fā)展出超聲波、渦輪式、科里奧利和流體振動等新型流量傳感器。20世紀(jì)50年代末的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）設(shè)想的提出使流量傳感器的發(fā)展發(fā)生重大轉(zhuǎn)變：一方面，發(fā)展微型化、無干擾、集成化流量傳感器是提高傳統(tǒng)接觸式流量測量精度的重要發(fā)展方向;另一方面，MEMS技術(shù)的發(fā)展更提出了如何在微小尺度下進(jìn)行流量精確測量的問題。強(qiáng)大的市場需求和迅速的技術(shù)進(jìn)步使微型流量傳感器得到長足的發(fā)展[1]。

微型流量傳感器根據(jù)測量原理分為：熱線式（hotwire）或傳熱式（heat transfer）、差壓式（differentialpressure）、升力式（lift force）、流體振動型（fluid oscillatory）、科里奧利（Coriolis ）及仿生（bionic）微型流量傳感器等。

本文主要針對微型熱式流量傳感器進(jìn)行相關(guān)分析。

2 專利技術(shù)狀況分析

根據(jù)對專利分析的統(tǒng)計和分析，結(jié)合非專利文獻(xiàn)，如表1所示，對微型熱式流量傳感器專利技術(shù)進(jìn)行技術(shù)分解。

針對去噪后的專利數(shù)據(jù)樣本，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中申請日、申請人、公司代碼、摘要、權(quán)利要求、被引證次數(shù)和同族情況等信息，對微型熱式流量傳感器的專利申請量、申請區(qū)域、重要專利和技術(shù)分支發(fā)展演進(jìn)情況等進(jìn)行了重點分析。

2.1 申請量年度分布分析

微型熱式流量傳感器專利申請的年度分布如圖1所示。

由圖中可以看出，全球范圍內(nèi)有關(guān)微型熱式流量傳感器的專利申請始于20世紀(jì)80年代，由于微加工和微電子工藝技術(shù)還未完全成熟，微型熱式流量傳感器處于探索階段，專利申請量較少;進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，由于微加工工藝和微電子工藝的逐步成熟，微型熱式流量傳感器的結(jié)構(gòu)、材料和工藝等方面均有相關(guān)研究和改進(jìn)[2-3]，這一時期有關(guān)微型熱式流量傳感器的申請量開始逐漸上升，并在隨后的十年期間進(jìn)入相對穩(wěn)定的發(fā)展階段，其中1993、1996年由于金融危機(jī)的爆發(fā)，日本、美國等發(fā)達(dá)工業(yè)國家的汽車行業(yè)受到影響，因此微型熱式流量傳感器的申請量有所下降。進(jìn)入21世紀(jì)以來，這一階段的專利申請量保持在年均30件以上，之后，隨著微型熱式流量傳感器技術(shù)趨于成熟，全球申請量開始回落。

我國對基于MEMS技術(shù)的微型熱式流量傳感器的研究較國外晚十多年，但研究的起點較高。1995年清華大學(xué)鄧岳等人[4]研究出半導(dǎo)體微型流速/流量傳感器，此后對于微型熱式流量傳感器的研究開始增加，國內(nèi)專利申請量也隨之逐漸增加，并在21世紀(jì)之后進(jìn)入快速發(fā)展階段，其中由于1997、2008年金融危機(jī)的影響有所下降。近十年來則隨著微型熱式流量傳感器技術(shù)開始趨于成熟與穩(wěn)定，國內(nèi)專利申請量趨于回落。

2.2 專利申請區(qū)域分布分析

為了比較各國在微型熱式流量傳感器技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力與水平，對專利申請所在國家和地區(qū)產(chǎn)權(quán)組織分布進(jìn)行統(tǒng)計，如圖2所示，可以看出，日本、美國、德國和中國申請量較高，共同占據(jù)了所有專利申請的86%，其中日本占37%，美國占21%，德國占16%，中國占12%。這主要是因為日本、美國、德國和中國均屬于汽車制造大國，而熱式流量傳感器的最廣泛的應(yīng)用之一即為內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣流量的測量，對于微型熱式流量傳感器的需求較高，因此這些國家也成為微型熱式流量傳感器最主要的技術(shù)市場。

圖3為專利申請原創(chuàng)國和地區(qū)/目標(biāo)國和地區(qū)，由圖中可以看出，在原創(chuàng)國和地區(qū)中，日本專利申請量居于首位，美國技術(shù)產(chǎn)出比重僅次于日本，居于第二位，其次是德國和中國，分別位居第三位和第四位。以上排名基本體現(xiàn)了目前國際上微型熱式流量傳感器在各個國家的技術(shù)能力。根據(jù)專利申請的公開號進(jìn)行分析，全球?qū)＠暾埖闹饕康牡厥敲?、日、中、德、歐、韓，如圖3所示。

2.3 技術(shù)演進(jìn)

為了探究微型熱式流量傳感器技術(shù)發(fā)展演變情況，了解主要技術(shù)路線，本文結(jié)合本領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)域特點，選擇被引頻次、布局情況、保護(hù)范圍大小、專利有效性、申請人情況等作為綜合判斷重要專利的因素，然后以技術(shù)分支和時間作為橫縱坐標(biāo)，繪制技術(shù)演進(jìn)路線圖，如圖4所示。

20世紀(jì)80年代，微加工和微電子工藝尚未完全成熟，對于微型熱式流量傳感器的研究處于探索階段，這一時期的專利申請主要集中在美國、日本和德國，并主要針對傳感器和加熱元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其中熱分布式微型流量傳感器發(fā)展較早，早期多采用金屬薄膜制作加熱元件。這一時期受MEMS工藝的限制，傳感器整體尺寸都在厘米量級，流量下限和響應(yīng)速度也沒有明顯提高。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，由于微加工工藝和微電子工藝的成熟，這一時期的專利申請較多，涉及不同結(jié)構(gòu)和多種材料的改進(jìn)，例如微型熱線風(fēng)速計、微型熱膜探頭、微型熱分布式流量傳感器等。在傳感器件的材料上也有了更多選擇，除了金屬薄膜電阻外，還可以采用多晶硅摻雜形成加熱元件;而對于熱敏感元件，可以采用二極管、多晶硅、熱電偶或熱電堆等。同時還有專利申請針對傳感器工作模式進(jìn)行了研究，例如恒溫差工作模式和恒功率工作模式。

此后一段時期，由于微加工工藝和微電子工藝趨于成熟，這一時期的專利申請量有所回落，且對于微型熱式流量傳感器的研究逐漸傾向于信號處理和溫度補(bǔ)償方面，主要涉及測量電路的優(yōu)化、流量信號的補(bǔ)償和校正以及多維度測量。未來微型熱式流量傳感器將朝向微型化、智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

3 結(jié)論

本文針對微型熱式流量傳感器的專利技術(shù)進(jìn)行了整理、歸納和分析，著重關(guān)注了該領(lǐng)域的申請量年度分布、專利申請區(qū)域分布、重要專利和技術(shù)演進(jìn)發(fā)展路線。由上述結(jié)果可以看出，微型熱式流量傳感器技術(shù)首先在日本、美國、德國等汽車制造大國興起，中國雖然起步較晚，但研究的起點較高，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、科研院所等機(jī)構(gòu)對于微型熱式流量傳感器技術(shù)的研究也日趨成熟。另一方面，由本次數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來看，下一階段的研究目標(biāo)主要是在已有基礎(chǔ)上探索新的器件模型、材料與工藝，使得靈敏度、量程、穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)一步提高，同時逐漸與檢測設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)企業(yè)開展合作，積極推進(jìn)微型熱式流量傳感器的產(chǎn)業(yè)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] Nguyen N T. Micromachined flow sensor-a review. Flow Meas Insteum， 1997， 8（1）： 7-16.

[2] Jiang F， Tai Y C， Karen R， et al. Theoretical and experimental studies of micromachined hot-wire anemometers. In： Proceedings of international Electron Devices Meeting （IEDM）， San Francisco， 1994：139-142.

[3] Sabate N， Santander J， Fonseca L， et al. Multi-range siliconmicromachined flow sensor. Sensors and Actuators A，2004（110）： 282-288.

[5] 鄧岳，王東生，周兆英等.半導(dǎo)體熱式流速/流量傳感器.中國鐵道科學(xué)，1995，10（1）：50-54.