微型热式流量传感器专利技术综述

饶红 田翠萍

摘要：流量测量广泛应用于各个领域，其中基于微型化、无干扰、集成化的流量测量需求以及技术的进步，微型热式流量传感器开始了长足发展。本文利用专利数据库，分析了微型热式流量传感器的专利申请态势，包括全球申请量年度分布、各国专利布局、技术原创、主要技术分支、重要专利和技术发展路线等，从专利的视角分析了该领域的技术发展历程和发展趋势，有助于微型热式流量传感器领域的技术应用和技术改进。

关键词：流量;MEMS;微型;热式

中图分类号：TP2121 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）06-0112-04

1 引言

流量是工业中三大检测参数之一，早在古代，流量测量就应用于水利和农业灌溉，19世纪中叶到20世纪中叶，化工、冶金和石油工业的发展促进了流量传感器的发展，相继出现了差压式、热线式和容积式流量传感器，20世纪50至80年代，随着电子技术的进步，又相继发展出超声波、涡轮式、科里奥利和流体振动等新型流量传感器。20世纪50年代末的微电子机械系统（MEMS）設想的提出使流量传感器的发展发生重大转变：一方面，发展微型化、无干扰、集成化流量传感器是提高传统接触式流量测量精度的重要发展方向;另一方面，MEMS技术的发展更提出了如何在微小尺度下进行流量精确测量的问题。强大的市场需求和迅速的技术进步使微型流量传感器得到长足的发展[1]。

微型流量传感器根据测量原理分为：热线式（hotwire）或传热式（heat transfer）、差压式（differentialpressure）、升力式（lift force）、流体振动型（fluid oscillatory）、科里奥利（Coriolis ）及仿生（bionic）微型流量传感器等。

本文主要针对微型热式流量传感器进行相关分析。

2 专利技术状况分析

根据对专利分析的统计和分析，结合非专利文献，如表1所示，对微型热式流量传感器专利技术进行技术分解。

针对去噪后的专利数据样本，结合数据库中申请日、申请人、公司代码、摘要、权利要求、被引证次数和同族情况等信息，对微型热式流量传感器的专利申请量、申请区域、重要专利和技术分支发展演进情况等进行了重点分析。

2.1 申请量年度分布分析

微型热式流量传感器专利申请的年度分布如图1所示。

由图中可以看出，全球范围内有关微型热式流量传感器的专利申请始于20世纪80年代，由于微加工和微电子工艺技术还未完全成熟，微型热式流量传感器处于探索阶段，专利申请量较少;进入20世纪90年代后，由于微加工工艺和微电子工艺的逐步成熟，微型热式流量传感器的结构、材料和工艺等方面均有相关研究和改进[2-3]，这一时期有关微型热式流量传感器的申请量开始逐渐上升，并在随后的十年期间进入相对稳定的发展阶段，其中1993、1996年由于金融危机的爆发，日本、美国等发达工业国家的汽车行业受到影响，因此微型热式流量传感器的申请量有所下降。进入21世纪以来，这一阶段的专利申请量保持在年均30件以上，之后，随着微型热式流量传感器技术趋于成熟，全球申请量开始回落。

我国对基于MEMS技术的微型热式流量传感器的研究较国外晚十多年，但研究的起点较高。1995年清华大学邓岳等人[4]研究出半导体微型流速/流量传感器，此后对于微型热式流量传感器的研究开始增加，国内专利申请量也随之逐渐增加，并在21世纪之后进入快速发展阶段，其中由于1997、2008年金融危机的影响有所下降。近十年来则随着微型热式流量传感器技术开始趋于成熟与稳定，国内专利申请量趋于回落。

2.2 专利申请区域分布分析

为了比较各国在微型热式流量传感器技术领域的研发能力与水平，对专利申请所在国家和地区产权组织分布进行统计，如图2所示，可以看出，日本、美国、德国和中国申请量较高，共同占据了所有专利申请的86%，其中日本占37%，美国占21%，德国占16%，中国占12%。这主要是因为日本、美国、德国和中国均属于汽车制造大国，而热式流量传感器的最广泛的应用之一即为内燃机进气流量的测量，对于微型热式流量传感器的需求较高，因此这些国家也成为微型热式流量传感器最主要的技术市场。

图3为专利申请原创国和地区/目标国和地区，由图中可以看出，在原创国和地区中，日本专利申请量居于首位，美国技术产出比重仅次于日本，居于第二位，其次是德国和中国，分别位居第三位和第四位。以上排名基本体现了目前国际上微型热式流量传感器在各个国家的技术能力。根据专利申请的公开号进行分析，全球专利申请的主要目的地是美、日、中、德、欧、韩，如图3所示。

2.3 技术演进

为了探究微型热式流量传感器技术发展演变情况，了解主要技术路线，本文结合本领域的技术领域特点，选择被引频次、布局情况、保护范围大小、专利有效性、申请人情况等作为综合判断重要专利的因素，然后以技术分支和时间作为横纵坐标，绘制技术演进路线图，如图4所示。

20世纪80年代，微加工和微电子工艺尚未完全成熟，对于微型热式流量传感器的研究处于探索阶段，这一时期的专利申请主要集中在美国、日本和德国，并主要针对传感器和加热元件的结构进行改进，其中热分布式微型流量传感器发展较早，早期多采用金属薄膜制作加热元件。这一时期受MEMS工艺的限制，传感器整体尺寸都在厘米量级，流量下限和响应速度也没有明显提高。

进入20世纪90年代后，由于微加工工艺和微电子工艺的成熟，这一时期的专利申请较多，涉及不同结构和多种材料的改进，例如微型热线风速计、微型热膜探头、微型热分布式流量传感器等。在传感器件的材料上也有了更多选择，除了金属薄膜电阻外，还可以采用多晶硅掺杂形成加热元件;而对于热敏感元件，可以采用二极管、多晶硅、热电偶或热电堆等。同时还有专利申请针对传感器工作模式进行了研究，例如恒温差工作模式和恒功率工作模式。

此后一段时期，由于微加工工艺和微电子工艺趋于成熟，这一时期的专利申请量有所回落，且对于微型热式流量传感器的研究逐渐倾向于信号处理和温度补偿方面，主要涉及测量电路的优化、流量信号的补偿和校正以及多维度测量。未来微型热式流量传感器将朝向微型化、智能化、数字化和网络化方向发展。

3 结论

本文针对微型热式流量传感器的专利技术进行了整理、归纳和分析，着重关注了该领域的申请量年度分布、专利申请区域分布、重要专利和技术演进发展路线。由上述结果可以看出，微型热式流量传感器技术首先在日本、美国、德国等汽车制造大国兴起，中国虽然起步较晚，但研究的起点较高，国内相关企业、科研院所等机构对于微型热式流量传感器技术的研究也日趋成熟。另一方面，由本次数据分析的结果来看，下一阶段的研究目标主要是在已有基础上探索新的器件模型、材料与工艺，使得灵敏度、量程、稳定性等指标进一步提高，同时逐渐与检测设备、物联网等相关企业开展合作，积极推进微型热式流量传感器的产业化。

参考文献：

[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] 邓岳，王东生，周兆英等.半导体热式流速/流量传感器.中国铁道科学，1995，10（1）：50-54.