微型熱式流量傳感器專利技術綜述

饒紅 田翠萍

摘要：流量測量廣泛應用于各個領域，其中基于微型化、無干擾、集成化的流量測量需求以及技術的進步，微型熱式流量傳感器開始了長足發展。本文利用專利數據庫，分析了微型熱式流量傳感器的專利申請態勢，包括全球申請量年度分布、各國專利布局、技術原創、主要技術分支、重要專利和技術發展路線等，從專利的視角分析了該領域的技術發展歷程和發展趨勢，有助于微型熱式流量傳感器領域的技術應用和技術改進。

關鍵詞：流量;MEMS;微型;熱式

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

1 引言

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

微型流量傳感器根據測量原理分為：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行相關分析。

2 專利技術狀況分析

根據對專利分析的統計和分析，結合非專利文獻，如表1所示，對微型熱式流量傳感器專利技術進行技術分解。

針對去噪后的專利數據樣本，結合數據庫中申請日、申請人、公司代碼、摘要、權利要求、被引證次數和同族情況等信息，對微型熱式流量傳感器的專利申請量、申請區域、重要專利和技術分支發展演進情況等進行了重點分析。

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，全球范圍內有關微型熱式流量傳感器的專利申請始于20世紀80年代，由于微加工和微電子工藝技術還未完全成熟，微型熱式流量傳感器處于探索階段，專利申請量較少;進入20世紀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構、材料和工藝等方面均有相關研究和改進[2-3]，這一時期有關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入相對穩定的發展階段，其中1993、1996年由于金融危機的爆發，日本、美國等發達工業國家的汽車行業受到影響，因此微型熱式流量傳感器的申請量有所下降。進入21世紀以來，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趨于成熟，全球申請量開始回落。

我國對基于MEMS技術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年清華大學鄧岳等人[4]研究出半導體微型流速/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，國內專利申請量也隨之逐漸增加，并在21世紀之后進入快速發展階段，其中由于1997、2008年金融危機的影響有所下降。近十年來則隨著微型熱式流量傳感器技術開始趨于成熟與穩定，國內專利申請量趨于回落。

2.2 專利申請區域分布分析

為了比較各國在微型熱式流量傳感器技術領域的研發能力與水平，對專利申請所在國家和地區產權組織分布進行統計，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用之一即為內燃機進氣流量的測量，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市場。

圖3為專利申請原創國和地區/目標國和地區，由圖中可以看出，在原創國和地區中，日本專利申請量居于首位，美國技術產出比重僅次于日本，居于第二位，其次是德國和中國，分別位居第三位和第四位。以上排名基本體現了目前國際上微型熱式流量傳感器在各個國家的技術能力。根據專利申請的公開號進行分析，全球專利申請的主要目的地是美、日、中、德、歐、韓，如圖3所示。

2.3 技術演進

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

20世紀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構進行改進，其中熱分布式微型流量傳感器發展較早，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，流量下限和響應速度也沒有明顯提高。

進入20世紀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，涉及不同結構和多種材料的改進，例如微型熱線風速計、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償方面，主要涉及測量電路的優化、流量信號的補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、數字化和網絡化方向發展。

3 結論

本文針對微型熱式流量傳感器的專利技術進行了整理、歸納和分析，著重關注了該領域的申請量年度分布、專利申請區域分布、重要專利和技術演進發展路線。由上述結果可以看出，微型熱式流量傳感器技術首先在日本、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，國內相關企業、科研院所等機構對于微型熱式流量傳感器技術的研究也日趨成熟。另一方面，由本次數據分析的結果來看，下一階段的研究目標主要是在已有基礎上探索新的器件模型、材料與工藝，使得靈敏度、量程、穩定性等指標進一步提高，同時逐漸與檢測設備、物聯網等相關企業開展合作，積極推進微型熱式流量傳感器的產業化。

參考文獻：

[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.半導體熱式流速/流量傳感器.中國鐵道科學，1995，10（1）：50-54.