沿气体流动方向测量气流速度在许多使用环境下都是非常重要的。例如，在海 洋或江河上，沿气体流动方向精确确定风速对预测潮汐形式以及可能产生的气象变 化等都是非常重要的。
在航空学上，风速的测量也至关重要，诸如在风洞中测量飞机设计时的航空动 力学特性。在另一个区域里，对风速的测量也很重要，这就是机场，其特征是，精 确测量风速可增加飞机起飞和降落时的安全系数。还有另一个领域，风速的测量也 很重要，这就是灾害控制领域。风速的精确测量对预测自然灾害如台风、龙卷风和 雪崩发生的潜在可能性也非常有用。
另外，由于气体沿固体材料流动可产生电能之缘故，测定气流速度也有助于能 量的转换。因而，气体的动能可以转换为电能。这种用途在医疗仪器、度量衡学、 污染检测、汽车工业、飞机和显微镜学等领域都有着极大的重要性。
沿气体流动方向测量气流速度的技术，目前已知的就有好几种方法。例如，一 种低速流场速度测量方法，它包含了粒子成像测速法，它是由气体中的悬浮微粒组 成。在沿气体流动的平面横断面上使用一种快速电荷耦合器件，以反映胶体微粒情 况。小晶粒胶体微粒可使用一个激光薄板来照射。电荷耦合器件摄像机以电子的形 式将粒子散射的光记录下来。对所取得的成像进行分析可测定颗粒分离情况，进而 测定了颗粒的速度，而这些颗粒则是假设沿流动通路流动的。
然而，这种方法有着几种不利之处。主要缺点是其基本依据假设，即假设所有 悬浮微粒都是沿流动方向运动。这就是说，在出现大粒度颗粒或流速非常缓慢的情 况下，不一定会是这样。如此以来，这种方法的应用就限定在流速大于每秒2厘米 的流速。这样，同样在采用这种方法时非常重要的是，要确保颗粒粒度很小，小到 能保证其可以随气体流动而流动，但同时又要足够大，大到能足以有效地散射光。 所需要的设备(激光、电荷耦合器件摄像机)体积也要很大。另一个缺点是该方法 完全依赖成像分析，进而也就完全依赖于分析算法。由于粒子成像测速法测量的是 悬浮微粒的速度，没有相对于气流速度的直接数字信号，因而纯气体的流动速度便 得不到测量。另外，该方法不适合缺少光学通道的系统使用。另一个缺点是所要求 的设备诸如激光和电荷耦合器件的价格非常昂贵。
在现有的气流速度测量技术中，人们已知的另一个方法是多普勒测速法，它包 括对来自气体的散射光的多普勒偏移的测量。在气体穿过两个激光光束的交叉点时， 该方法依靠的是从气体接收的散射光强度波动。入射光和散射光之间的多普勒偏移 等同于强度波动频率，因此强度波动频率与位于两个激光光束平面内的气流速度分 量成正比，且垂直于两个光束的二等分线。然而，这个方法还具有其它几个缺点。 该方法在颗粒速度大于每秒0.1厘米时可以操作使用。该方法还需要使用体积大， 价格昂贵的设备，例如使用相当数量的激光器和数字计数器。该方法的另一个重大 缺点是其局限在一个单点测量上。类似于粒子成像测速法，这种方法还要求颗粒粒 度要小到能够很容易地沿气体流路流动，但又要大到能够产生高于噪音门限的所需 信号。另外，如果系统在测量体积点处缺少进入气流通路的光学入口，那么这种方 法也不能在这种系统装置上使用。信号电平取决于检测器的立体角。结果，尽管米 氏散射强度在前向方向上非常好，但仍很难设置前向接收光学装置，因为它必须与 移动的测量体积始终保持对正。可能会出现这样的情况，即射频干扰情况下速度较 高，产生的噪音也较大。另外，类似于峰值反向电压(PIV)法，由于没有对应于气 流速度的直接数字信号，结果非颗粒气体的流速也不能测量。这种方法只适合含有 气体的悬浮微粒，而不适合纯净气体。
美国专利(专利号3,915,572和6,141,086)介绍了一种测量物体速度或 风速的激光多普勒测速仪，用来测量物体的速度或相对速度(如汽车等)或用在测 风时，测量真空速或风梯度，如风的切变等。
测量流体速度的另一种已知方法是使用一种电加热传感器测量传热变化情况， 这种电加热传感器可以是一根金属丝或一个薄膜，通过一个电子控制电路使其保持 在一个预先设定的恒定温度上。
将加热传感器置于将要进行速度测量的流体中。流经传感器的流体就会冷却加 热传感器，后者通过电子控制电路提高电流而得到补偿。这样，流体的流速就根据 电子控制电路加到加热器上的补偿电流情况而进行测量。
但是，采用这种方法时，研究中的流体的温度、压力或成分的轻微变化都可能 导致读数的不正确。为了保持加热传感器的相对精确的测量结果，还必须使用一个 复杂的补偿电子器件，以便根据环境参数的变化情况对传感器不断地进行校准。此 外，这种补偿电子器件甚至也会出现错误。加热传感器一般都是在大于每秒1厘米 的流体流动速度下工作，而不适合在很低的流速下使用。流体流动速度低时，气体 中常规电流则会造成传感器故障。
美国专利(专利号6,470,471)介绍了一种使用加热电阻丝的气体流量传感 器，这种加热电阻丝通常称之为热丝式气流速度计。美国专利(专利号6,112,591) 介绍了一种高响应、传热探测式流量传感器，它是根据IC生产所使用的一种微加工 技术制作的。这种传感器通过控制两个元件之间的气体流动方向或使用其中流体流 动特性，来改善从加热元件到受热(感应)元件之间的热传输效率。
另外，人们为了测量差动压力，在沿集成流体限定面上，使用若干个成对压电 电阻式压力传感器来计算高粘度流体的流速。但是，这种器件测量的是体积流速， 而不是流动速度。再则，这种方法只适合测量小流速。
然而，还有一种测量流速的方法，该方法使用了旋转式流速仪，该旋转式流速 仪依靠若干个涡轮工作。流经涡轮的气体的动作使得涡轮转动，因此，该涡轮又称 为转轮。
转轮的旋转频率取决于气体的速度，而旋转频率的测量则是使用一种光电系统 或通过电子感应方波脉冲来进行，这种方波脉冲是镶嵌在涡轮叶片内的磁铁产生的。 另外，传感器装置的体积大小大约50立方厘米。旋转式流速仪适合在冷却系统中使 用，不论气体性质如何(纯净气体还是带颗粒的气体)，该传感器可以测量气体流动 方向是否为正向流动还是反向流动。
从以上介绍可以看出，目前已知的流速测量方法有多种多样，但这些方法都具 有各种不同的缺点或不利之处。粒子成像测速法和多普勒测速法都要求具备光学通 路，而且使用激光器。结果，它们都不适合在生物系统等设备下使用。设备体积较 大，价格昂贵。热风力和风速测量法需要使用大体积的气体，旨在将对流气流降到 最小，而且一般情况下只适合大速度。
因此，它不适合于某些低流速小体积流体的系统装置。旋转式流速仪、压力传 感器和涡流传感器等都不能直接测量流速，而且只能测量体积流速。
调查研究的另一个重要领域就是能量的转换和能量转换装置，这些装置经济实 用而且使用寿命长。需要能量转换装置的另一个领域就是供电领域，提供生活用电 和工业用电。目前，全球对电能的需求是依赖三种来源：核能、火力和水力发电。 考虑到发生辐射泄漏的潜在可能性，核电力装置要求采取昂贵的安全设备和措施。 火力发电装置则使用矿物燃料，随之而来的是污染问题，同时由于矿物燃料和石油 的损耗而出现供应下降的情况。水力发电则要求建设大型水坝，且完全依赖于江河 或其它水源的水流。要求使用的设备既昂贵又占地方。在流速测量的各种设备和方 法中，只有一种，即旋转式流速仪，它实际上也是通过流经涡轮叶片的流体流速动 作而发电。但是，就其设备的体积而言，所发出的电能幅度使其不适合作为大规模 能量转换设备使用。
另外，已知的发电技术还有风力发电，即风车，利用风的流动来转动风车上的 涡轮发电。但是，这种方法的缺点是需要很大的资本投资和空间。
《科学》杂志Ghosh等人(2999，1042(2003))和美国专利(专利申请号 10/306,838)提出流体流经单壁碳纳米管可以在流动方向上产生电能并可用来测量 流体流速。这项发明还提出感应电压在速度每秒10-7至10-1米的整个范围内与流 速成对数关系。人们相信这是由于纳米管内自由电荷载流子的直接加力所致，而就 脉动不对称棘轮而言，这种直接加力又是因流过纳米管的流体库仑场的波动而产生。 这就形成了感应电压对低流速的亚线性依赖性。然而，这种现象是纳米管内载流子 的一维性所特有的，在其它固体材料如石墨或半导体中是不存在的。Kral & amp； Shapiro，Plys.Rev.Left.，86，131(2001)提出，电压和电流的产生也可通过 将动量作为声子准动量从流动的流体分子传输到纳米管内的声频声子来进行，这反 过来又阻止了纳米管内的自由电荷载流子。这就在感应电流/电压和流速之间就形成 了一个线性关系。
鉴于风和其它气体有着丰富的资源，最好是开发一种方法和装置，进而能够利 用气体的流动来转换能源，不论所要求的能源规模有多大，且能进行低范围的流速 测量，也不论气体的性质如何。

本发明的主要目的是，根据气体流经固体材料时产生的电能情况，提供一种沿 气体流动方向测量气体流速的方法。
本发明的另一目的在于提供一种测量所有气体流速的方法，不论它们的性质如 何，这种方法不要求具备光学通路，甚至不论流量体积如何，仍可在低流速情况下 操作使用。
本发明的另一目的在于提供一种测量所有气流速度的方法，这种方法不要求与 气体中限定粒度的悬浮微粒进行任何外部颗粒选择，对特定流动平面或粘度时出现 的外部参数变化不敏感。
本发明的另一目的在于提供一种发电的方法，这种方法不依赖任何核能、火力 或水力动力源，而是完全基于气体流动。
本发明的再一目的在于提供一种流动传感器，用来测量气体流速，该装置可在 流速非常低的情况下仍能使用，测量精度高，反应时间短。
本发明的再一个目的在于提供一种流动传感器，该装置因结构简单，体积小而 成本低，不会在气体流动中产生任何紊乱，从而保证了流速测量的精度，并且不会 受到外部参数变化如环境温度等的影响。
本发明的另一目的在于提供一种流动传感器；不论气体的性质如何(是否纯净 还是浑浊，是否高粘度还是低粘度)，该流动传感器都能使用，且测量精度高，反应 时间短。
本发明的再一个目的在于提供一种流量传感器装置，该传感器的操作使用不要 求提供任何外部动力源。
本发明的另一目的在于提供一种流量传感器装置，该传感器装置应能作为一种 能源转换装置使用，该装置依靠气体流动来发电。
本发明的再一个目的在于提供一种能量转换装置，该装置因结构简单而成本低， 不会在气体流动中产生任何紊乱，从而保证了流速测量的精度，并且不会受到外部 参数变化如气体或环境温度等的影响。
本发明的再一个目的在于提供一种能量转换装置，该装置的操作使用不要求采 用任何外部动力源。
本发明之上述及其它目的通过本发明的方法来实现，本发明的方法包括使用固 体材料，如石墨、半导体、单壁或多壁碳纳米管和气体具有导电特性的固体材料作 为流动传感器。本发明的两种方法，即气体流速测量和能量转换，都是基于固体材 料中电流/电压的感应原理，而这种感应则是由于气体流经材料表面并沿流动方向所 产生的。
为此，本发明提供了一种气体流速测量方法，不论气体性质如何或气体流速怎 样，这种方法包括在气流中固定一个流动传感器，所述流动传感器又包含至少一个 电导固体材料，其位置与气体流动方向成一个角度，至少一个导电元件，该元件将 所述至少一个导电材料接到电测量设备，由于流经固体材料所形成的压力梯度，气 体流经所述至少一个固体材料，沿气体流动方向产生电流，所述电能是由所述导电 元件传输到所述电测量设备，该设备提供通往气体流动方向的外部接口，从而测量 随所述气流流速而产生的电能。
在本发明的一个实施方案中，固体材料包括一种带高塞贝克系数的材料。
在本发明的另一个实施方案中，固体材料是从掺杂半导体、石墨、单壁式碳纳米管、 多壁式碳纳米管系列中以及具有高塞贝克系数的材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，掺杂半导体材料是从包括n-锗，p-锗，n-硅和 p-硅一类材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，金属材料是从多晶铜、砷化镓、碲和硒材料中 选取。
在本发明的另一个实施方案中，气体是从氮气、氩气、氧气、二氧化碳和空气 等类气体中选取。
在本发明的另一个实施方案中，流动传感器的响应时间小于0.1秒。
在本发明的另一个实施方案中，由于气体流动而在固体材料中感应的电压取决 于沿无粘性流体流动方向在固体材料上出现的温度差。
在本发明的另一个实施方案中，气流速度在1到140米/秒秒范围内。
在本发明的再一个实施方案中，沿固体材料流动的气体成一个角度，其范围在 20度至70度，最好45度。
本发明还提供了一个用来测量气流速度的流动传感器，不论该气体流速或性质 如何，所述传感器包括至少一个气流测量元件和至少一个导电元件，该导电元件将 所述固体材料连接到一个电测量设备上。
在本发明的一个实施方案中，气流测量元件由一个固体材料组成，该材料具有 良好的导电性和很高的塞贝克系数。
在本发明的另一个实施方案中，固体材料是从掺杂半导体、石墨、单壁式碳纳 米管、多壁式碳纳米管材料中以及具有高塞贝克系数的金属材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，掺杂半导体材料是从n-锗，p-锗，n-硅和p- 硅一类材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，金属材料是从多晶铜、砷化镓、碲和硒材料中 选取。
在本发明的另一个实施方案中，气体是从氮气、氩气、氧气、二氧化碳和空气 类气体中选取。
在本发明的再一个实施方案中，电测量设备包括一个电流计或者一个电压计， 电流计用来测量所述至少一个或多个固体材料的相对两端产生的电流，电压计用来 测量所述一个或多个固体材料的相对两端的电位差。
在本发明的另一个实施方案中，流动传感器是由若干个掺杂半导体组成，这些 半导体全部串连或与一个导电元件并联，所述若干掺杂半导体的各自端部均提供有 一个导电元件。
在本发明的再一个实施方案中，所述若干个掺杂半导体均采取串行连接，以便 测量所述多个掺杂半导体端部产生的电位差。
在本发明的另一个实施方案中，所述若干个掺杂半导体彼此并联，以便能够测 定各个导电元件在其端部处形成的两个欧姆接点上产生的电流。
在本发明的另一个实施方案中，气体流动传感器包括一个矩阵，该矩阵由通过 金属线连接的各种固体材料组成，整个矩阵布置在一个高电阻非掺杂半导体底座上， 所述半导体底座连接到一个电测量设备上。
在本发明的再一个实施方案中，电测量设备是从一个电压计和一个电流计中选 取。
在本发明的另一个实施方案中，组成矩阵的气流测量元件和连接所述气流测量 元件的金属线都布置在一个芯片上。
在本发明的另一个实施方案中，气体流动传感器是由交互条状n和p型半导体 组成，每个n和p型半导体条均通过一个非掺杂半导体的薄中间层与其紧邻的半导 体相隔开，所述交互条状n和p型半导体通过一个导电条连接，所述交互条状n和 p型半导体带有中间非掺杂半导体层，导电条布置在半导体底座材料上，半导体底 座材料的相对两端处提供有电接点，电接点与电测量设备连接。
在本发明的另一个实施方案中，现有的传感器由若干个碳纳米管组成，所有碳 纳米管均串行连接或与一个导电元件并联，每个导电元件都位于若干碳纳米管的各 个端部。
在本发明的再一个实施方案中，所述若干个碳纳米管都串行连接，以便测量所 述若干碳纳米管端部产生的电位差。
在本发明的另一个实施方案中，所述若干个纳米管彼此并联，以便能够测定各 个导电元件在其端部处形成的两个欧姆接点上产生的电流。
在本发明的再一个实施方案中，流动传感器位于一个绝缘底座上。
在本发明的一个实施方案中，导电元件由一根金属丝组成。
在本发明的再一个实施方案中，导电元件由一个电极组成。
在本发明的再一个实施方案中，导电元件由一根金属丝与一个电极相连接而组 成。
本发明还涉及一种使用能量转换装置产生电能的方法，该能量转换装置包括至 少一个能量转换设备，至少一个连接所述能量转换设备到储电或用电设备的导电元 件，气体流经能量转换设备引起塞贝克电压的产生，而塞贝克电压又是沿气体流动 方向在每个能量转换设备内产生，因此产生电能，所述电能通过导电元件再输送到 储能或用电设备上。
在本发明的一个实施方案中，能量转换设备由一个具有良好导电性和高塞贝克 系数的固体材料组成。
在本发明的另一个实施方案中，固体材料是从掺杂半导体、石墨、单壁式碳纳 米管、多壁式碳纳米管类材料中以及具有高塞贝克系数的金属材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，掺杂半导体材料是从由n-锗、p-锗、n-硅、p- 硅组成的材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，金属材料是从多晶铜、砷化镓、碲和硒材料中 选取。
在本发明的另一个实施方案中，气体是从氮气、氩气、氧气、二氧化碳和空气 等气体中选取。
在本发明的另一个实施方案中，流动传感器是由若干个掺杂半导体组成，这些 半导体全部串连或与一个导电元件并联，所述若干掺杂半导体的各自端部均提供有 一个导电元件。
在本发明的另一个实施方案中，所述若干个掺杂半导体采取串行连接。
在本发明的再一个实施方案中，所述若干个掺杂半导体均采取并行连接。
在本发明的另一个实施方案中，能量转换装置包括一个矩阵，该矩阵由若干个 气流测量元件组成，这些元件又由通过金属线连接的固体材料组成，整个矩阵布置 在一个高电阻非掺杂半导体底座上，所述半导体底座则连接到一个储电或用电设备 上。
在本发明的另一个实施方案中，组成矩阵的气流测量元件和连接所述气流测量 元件的金属线都布置在一个芯片上。
在本发明的另一个实施方案中，能量转换装置是由交互条状n和p型半导体组 成，每个n和p型半导体条均通过一个非掺杂半导体的薄中间层与其紧邻的半导体 相隔开，所述交互条状n和p型半导体通过一个导电条连接，所述交互条状n和p 型半导体带有中间非掺杂半导体层，导电条布置在半导体底座材料上，半导体底座 材料的相对两端处提供有电接点，电接点与储电或用电设备相连接。
在本发明的另一个实施方案中，能量转换装置由若干个碳纳米管组成，所有纳 米管均串行连接或与一个导电元件并联，每个导电元件都位于若干个碳纳米管的各 个端部处。
在本发明的再一个实施方案中，所述若干个碳纳米管采取串行连接。
在本发明的又一个实施方案中，所述若干个碳纳米管均采取并行连接。
在本发明的另一个实施方案中，能量转换装置位于一个绝缘底座上。
在本发明的一个实施方案中，导电元件由一根金属丝组成。
在本发明的再一个实施方案中，导电元件由一个电极组成。
在本发明的另一个实施方案中，导电元件由一根金属丝与一个电极相连接而组 成。
在本发明的另一个实施方案中，能量储存设备是一个蓄电池。
在本发明的另一个实施方案中，流动传感器的响应时间小于0.1秒。
在本发明的另一个实施方案中，由于气体流动在固体材料中的感应电压取决于 沿无粘性流体流动方向在固体材料上出现的温度差。
在本发明的再一个实施方案中，气流速度在1到140米/秒范围内。
在本发明的再一个具体实施方案中，流经固体材料的气体成一个角度，其范围 在20度至70度，最好45度。
本发明还涉及一种能量转换装置，该能量转换装置包括至少一个能量产生设备， 由至少一个或多个能量转换设备组成，所述一个或多个能量转换设备又由至少一个 具有高塞贝克系数的固体材料组成，至少一个将所述至少一个能量转换设备连接到 储电或用电装置的导电元件，储存或使用由于气体流经能量转换设备而在所述一个 或多个能量转换设备内产生的电能。
在本发明的另一个实施方案中，固体材料是从掺杂半导体、石墨、单壁式碳纳 米管、多壁式碳纳米管等材料中以及具有高塞贝克系数的金属材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，掺杂半导体材料是从由rr-锗、p-锗、n-硅、 p-硅组成的一组材料中选取。
在本发明的另一个实施方案中，金属材料是从多晶铜、砷化镓、碲和硒材料中 选取。
在本发明的另一个实施方案中，气体是从氮气、氩气、氧气、二氧化碳和空气 等气体中选取。
在本发明的再一个实施方案中，提供有一个电测量设备，通过所述导电元件接 到一个或多个能量转换设备，电测量设备由一个电流计或一个电压计组成，电流计 用来测量穿过所述至少一个或多个固体材料相对两端时所产生的电流；电压计用来 测量穿过所述一个或多个固体材料相对两端时的电位差。
在本发明的另一个实施方案中，能量转换设备由若干个掺杂半导体组成，所有 掺杂半导体均串行连接或与一个导电元件并联，每个导电元件都位于所述若干个掺 杂半导体的各个端部。
在本发明的再一个具体实施方案中，所述若干个掺杂半导体采取串行连接。在 本发明的又一个实施方案中，所述若干个掺杂半导体采取并行连接。
在本发明的另一个实施方案中，能量转换装置包括一个矩阵，该矩阵由若干个 能量转换设备组成，这些设备又由通过金属线连接的固体材料组成，整个矩阵提供 有一个高电阻非掺杂半导体底座，所述半导体底座连接到一个储电或用电设备上。 在本发明的另一个实施方案中，组成矩阵的能量转换设备和连接所述能量转换设备 的金属线都布置在一个芯片上。
在本发明的另一个具体实施方案中，能量转换设备交互条状n和p型半导体组 成，每个n和p型半导体条均通过一个非掺杂半导体的薄中间层与其紧邻的半导体 条相隔开，所述交互条状n和p型半导体通过一个导电条连接，所述交互条状n和 p型半导体与中间非掺杂半导体层相连接，导电条布置在半导体底座材料上，半导 体底座材料的相对两端处提供有电接点，电接点与储电或用电设备。成，所有纳米 管均串行连接或与一个导电元件并联，每个导电元件都位于碳纳米管的各个端部。
在本发明的再一个实施方案中，所述若干个碳纳米管采取串行连接。
在本发明的又一个实施方案中，所述若干个碳纳米管采取并行连接。
在本发明的另一个实施方案中，能量转换装置位于一个绝缘底座上。
在本发明的一个实施方案中，导电元件由一根金属丝组成。
在本发明的再一个实施方案中，导电元件由一个电极组成。
在本发明的另一个实施方案中，导电元件由一根金属丝与一个电极相连接而组 成。
在本发明的另一个实施方案中，能量储存设备是一个蓄电池。
正如在本发明上述技术背景中所介绍的那样，Ghosh等人在《科学》杂志 (2999，1042(2003))和美国专利(专利申请号10/306,838)提出，流体在沿单壁 碳纳米管流动时可以在流动方向上产生电能并可用来测量流体流速。这项发明还提 出感应电压在速度每秒10-7至10-1米的整个范围内与流速成对数关系。人们相信 这是由于纳米管内自由电荷载流子的直接加力之原因，但从脉动不对称棘轮方面考 虑，这又是因流过纳米管流体库仑场的波动所致。
这就形成了感应电压对低流速的亚线性依赖性。然而，这种现象是纳米管内载 流子的一维性所特有的，在其它固体材料如石墨或半导体中是不存在的。
另外，人们还注意到，在将碳纳米管以与流动方向成0度布置在流体流动中时， 尽管流体流动会在单壁碳纳米管内发电，但在碳纳米管的角度与流动方向成0度时， 在气体流动中却不会获得类似的结果。这样，很显然，沿纳米管的流体流动中所述 的库仑互作用在沿纳米管的气体流动情况下并不是主要的。然而，人们观察到当纳 米管的角度从0度改变时，沿电压计的端部则会感应到电压，尽管该电压很弱。通 过气流与其它固体材料如石墨、半导体、铂和其它金属材料以及多壁碳纳米管等的 进一步实验，结果发现在某些情况下也会产生同样的结果，即当固体材料角度处于 0度不会产生电压，当固体材料的角度相对于气体流动方向大于0度和90度时，则 会产生电压。令人意想不到的是，当固体材料以大于0度的角度布置在气流中时， 却发现会产生电压，而且在某些情况下还会产生良好的电压。这就清楚地表明，电 压的产生并不是因为流体流动和固体材料自由电荷之间的库仑互作用的结果，正如 流体流动情况一样。进一步实验说明，电压的产生是伯努利定理和塞贝克效应相互 作用的结果。沿气体流线的压力差引起穿过固体材料的温度差，进而产生测定电压。 电信号成平方地取决于马赫数M，其中M＝11/C，其中1z是气体流速，c是气体中 的声速。在甚至很低的速度由于气体流动在各种固体材料如单壁和多壁碳





纳米管、石墨、掺杂半导体、具有高塞贝克系数的金属 材料上都会看到可测量电压和电流的直接产生。例如，塞贝克系数接近0的铂就没 有呈现可产生电压的情况。
因此，本发明提供了一种通过不同气体诸如氮气、氩气、氧气等流经各种固体 材料而产生电能的方法和装置。这些固体材料实际上都是良好的导电体，可从诸如 金属材料、半导体、石墨、纳米管等材料中选择。主要要求就是这些材料应具有良 好的塞贝克系数。
发明的所有具体实施方式都是基于气体流经固体材料而在其内感应电能的原 理，从而在固体材料中产生塞贝克电压。这种情况不考虑气体流动速度，也不考虑 气体性质，即是纯净气体还是浑浊气体，测量点上的气体流动体积，或外部参数如 压力或密度等的任何变化的影响。
下面结合附图对本发明作进一步描述，这些附图对本发明作了解释说明，但本 发明的实施方式不限于此。
图1(a)是按照本发明所述方法的气流速度流动测量所使用装置示意图。在所述 实施方案中，图中所示的唯一一个流动测量元件诸如n掺杂锗半导体(1)为夹心结 构，位于半导体每一端的两个金属电极(2，2’)之间。金属电极(2，2’)组成 了该半导体(1)的欧姆接点。半导体(1)和金属电极(2，2’)结合在一起，被 支撑在一个绝缘材料底座(图中未示)上，该底座由非掺杂半导体材料或任何绝缘 材料如聚四氟乙烯等制成。带有半导体(1)和金属电极(2，2’)的绝缘底座与拟 测速度的气流(3)水平轴线成45度的角度。气流穿过一个管子(4)。该管子可用 于不同的流速的不同气体。
金属电极(2，2’)通过导线(6，6’)与电测量设备(5)连接，如电压计。电测 量设备(5)提供有与管子(4)相接的外部接口。图1(a)中气体流动的方向由箭头 标示，气体流经管子(4)，继续流过流量测量元件(1)。
图1(b)是本发明的流动传感器示意图，其特征在于，导电元件非常清晰地得 到显示，说明与气体流动的水平轴线成45度角度。也可使用20度至70度之间的角 度范围。在图1(b)中，流动测量元件(1)在两个金属电极(2，2’)之间呈夹 心结构，两个金属电极然后又通过导线(4)接到电测量设备(3)的各个接线端子 上。连续箭头表示气体加速流动的方向。d表示与流动方向轴线成45度角度的传感 器的有效作用部分。图1(b)示意图可以用在下面的实施方案3中，实施方案3进 一步解释了专门结构和获得的结果。
图1(c)示出了图1(b)所示传感器在使用时所取得的典型响应示意图，其中 流动测量元件是n型掺杂锗材料。
图1(d)是本发明流动传感器的一个实施方案的示意图，该流动传感器用来在 其固体材料上实现校准气流速度。本发明的流动传感器包括一个流量测量元件(1)， 其每一端分别连接到两个导电元件(2)上，所述导电元件又连接到电测量设备如电 压计(3)的正负接线端子上。流量测量元件(1)与气源(4)气流水平轴线成45 度角度，其气源(4)可以是压缩空气瓶，通过管子(5)输送。管子(5)出口处的 流量可使用旋转式流量计(7)从管子(5)内侧口(6)处所测流量中推算得出。
本发明首次提出了诸如氩气、氮气和氧气流经诸如掺杂半导体材料、石墨、单 壁碳纳米管、多壁碳纳米管等具有高塞贝克系数的材料时可直接产生电压。所使用 的气流速度在1到140米/秒范围内。本发明还说明，电压和电流成平方地取决于流 动速度，电压的幅度和特征取决于固体材料的特性。例如，流速为11米/秒时的氩 气对于n型锗来讲可产生-16.4X的电压，但对单壁碳纳米管来讲却只能产生5.9 auLT。
从表面上看，气体流动可以产生电压的现象与流体流经碳纳米管产生电压的类 似作用不相关，后者是Ghosh等人在《科学》杂志299，1042(2003)[1]中和美国 专利(专利申请号10/306,838)所提出的。在这些文件中，感应电压在10-7至10-1 米/秒速度的整个范围内都与流速成对数关系。流体流动产生电压在一维情况下电荷 载流子迁移性质所特有，正如SWNT中所反映的那样，且在石墨中是不存在的。在气 流感应电压m固体材料的情况下，也不是这样，因为此时它取决于沿无粘性流体流 动方向固体物质上产生的温度差。很显然，这不适合于粘性阻力起支配作用的流体 的流动情况。通过对流体(水)和气体(氮)流动时在S\FNTT内产生的信号的比较， 结果发现u＝10-2m/s(水)时V#3mV，ra＝15mus(氮气)时V＝15μV。
本发明还示范了测量气体流速的传感器可以根据所产生的电信号来制作。本发 明的传感器是指可以对气流做出直接电气响应的有效传感器。
我们应该将这个与广泛使用的气体流动传感器进行比较，后者基于热风力和风 速测量法，其特征是，通过测量处于流体中的小型电加热传感器(金属丝或薄膜) 的热传输变化情况来感应流体速度。热风力和风速测量法是依据热平衡方程，因此 温度、压力或气体成分等的任何微小变化都会造成读数不准确。这种影响在本发明 所述情况下是不存在的或微不足道的，但即使在目前，在传感器材料中基于直接产 生气流感应电压或电流的传感器中，也得考虑这种影响。
虽然本发明只包含了几种固体材料的试验结果，但其作用不仅仅限于这些材料。 选择固体材料的指导原则就是其高塞贝克系数。因此，诸如硒(S~900，u/K)、碲 (S#500V/K)、砷化镓和稀土过渡金属氧化物也都可以使用。在带？-10的低掺杂 半导体材料的情况下，气体流动产生的电压是微不足道的，这表明该固体材料的电 阻系数并不是很高。电压和电流的幅度通过使用一个串行和并行连接相结合的感应 元件来很容易地按比例得出，如附图5所示，若干个气流测量元件(51，51’，51″，...) 通过金属丝(52)将它们相互连接在一起，形成一个矩阵。整个矩阵是在一个高电 阻非掺杂半导体底座(53)上形成的。由于气体(54)流经这个矩阵，所以这种组 成可作为一个能量转换装置使用。所获得的电信号首先加以处理，然后使用一个电 压计/电流计(55)来进行测量。测量元件和连接金属丝可制作在一个芯片上。
按照Allison等人的“传感器与制动器”(A，104，32，2003)和罗的CRC“热 电学手册”(Boca Raton，FL，CRC Press，1，995)，所提出的一种具体实施方式 就是很好地利用n和p型硅或锗的逆塞贝克系数。图6介绍了这种实施方式，其特 征是，n和p型半导体条(61)是相互交替的。
n和p型半导体条(61)采用粒子注入技术制成。非掺杂半导体材料条(62) 在n和p型半导体条(61)之间成夹心结构。n和p型半导体条(61)通过一个导 电材料(63)串行电气连接，以便在试样处于气流(64)中时，可以加上各个塞贝 克电压。整个组件安装在一个半导体底座(65)上，并与电压计/电流计(66)连接。 所获得的结果表明气体流动能量可直接转换成电信号，而不需要进行部件移动，这 样就在发电用途上提供了极大的潜力。
本发明的流动传感器的另一个重大优点是，其工作不需要任何外部动力源。相 反，本发明的装置可以发电。气体流过固体材料的动作就产生电流I。与接点一起 的材料带有电阻R，因而在经过传感器时就可以形成电压。
现结合下面的实施方案对本发明作进一步描述，这些实施方案只是代表性的， 本发明的实施范围并不限于此。

图1(a)为本发明方法中所使用的流动传感器示意图。
图1(b)为本发明流动传感器示意图，其特征在于，导电元件非常清晰地得到显示， 说明与气流的水平轴线成45度角度。也可使用20度至70度范围之间的角度。
图1(c)为传感器所获得的典型响应图，其特征在于，流动测量元件是一个n型掺杂 锗元件，流动气体为氩气，流速7米/秒。
图1(d)为本发明之流动传感器的另一个示意图，其特征在于，提供了一个实验设置， 在流动传感器上实现校准气流速度(u)。
图2是V信号对氮气流速依赖关系示意图，用于(从下往上)n-硅(实心三角形)、 n-锗(星状)、石墨(空心正方形)、铂金属(加号)、SWNT(空心圆)、MWNT(空心三 角形)和p-硅(实心三角形)等材料。
图2中的小图是n-锗的V随流速固定值(％)的有效长度d变化的关系示意图。实 线适合公式V＝a1+a2{(1+d/x1)2/3-1}，其中a1和a2都是配合参数，x＝0.5毫米 (来自试样几何)。
图3是氮气流动的V与马赫数平方示意图(M＝它的，其中c是气体中的声速)。数 据和符号与图2相同。
图4是氩气流动(实心正方形)和氮气(空心圆)的V与M2关系图。内中小图为I 部分的展开关系详图。
图5是根据本发明一个具体实施方案而提供的流量传感器示意图，示出了通过金属 丝连接的矩阵形式各种气体流动传感器元件，这些元件布置在一个高电阻和非掺杂 半导体衬底上。
图6是本发明之传感器另一个实施方案的示意图，介绍了交互条状n和p型半导体 材料并带有穿插层非掺杂半导体材料，交互n和p型半导体材料通过一个导电条连 接，整个组件布置在一个半导体底座上，底座上提供由两个电气接点，用来同电能 储存或电测量设备连接。
具体实施例
实施例1
图1(d)为实施例1中使用的实验布置示意图，以实现本发明流动传感器中的 校准气流速度。所使用的流动传感器沿气体流动方向为3×10-3米，并垂直于气体 流动方向1×10-3米。流量测量元件是用n型锗(掺杂锑，p＝0.01#cm)，n- 硅(p＝0.01#cm)，p-硅(p＝0.01#cm)，单壁碳纳米管，多壁碳纳米管，石墨和 多晶铜制成。电气接点由125×10-6m直径的铜导线组成，使用银感光乳胶制成 (图1(b)中阴影区所示部分)流动传感器的暴露部分并没有用银感光乳胶覆盖， 尺寸沿流动方向为大约2×10-3米，并与气体流动方向成垂直1×10-3米。由单 壁碳纳米管、多壁纳米管和石墨组成的测量元件采用将粉末密集填充在两个电极之 间而制成。有效固体材料的尺寸大约是沿流动方向大约1×10-3m米，2×10-3米 宽和2×10-4米厚。图1(c)示出了一个以n型锗半导体为基础的流动测量元件上 的电压情况，在这里，气流速度是ra＝7米/秒，而且是采用接通、断开的形式。 图2给出了氮气流过p-硅、n-硅、n-锗、SONT、MONT和石墨时的结果。同电流一样， 电压V在u的广大范围内随u2而变化，图中未示出。如图2所示，虽然在低流速时， 气体是不可压缩的，但如果按热速度(即声速)进行衡量可给出V与图3所示马赫 数M平方的关系图。M＝n/c，其中，c是气体的声速，(在300K时，对于氮气，c＝353 米/秒，氩气时，c＝323米/秒，)。图2示出了与V＝du2的匹配情况，其中D是一 个配合参数，如表1给出的12，图3中的实线适合于V＝AM2，其中A是配合参数， 表1同样也给出了这个参数。
以最大压力150巴从压缩气瓶中释放出的气体以给定压力送入直径7×103米 的管子中。在截面积(Q)的管子的端部，平均流速u是从所测量的流量Q乘以v＝ 推算出来的。流动传感器相对于水平轴线成a＝45°的角度。
这样就产生了最佳信号。oc＝0°的角度不会带来影响，因为压力梯度是0， 与此同时，因为对称性，a＝90°的角度也不会带来影响。
实施例2
与实施例1的设置相同，除了流量测量元件的距离距出口点2×10-2米或在管 子外部1×10-2米。所获得的结果与实施例1的结果相似。
实施例3
重复进行了实施例1的同样实验，除了正在研究的材料是一张固体多晶铜板， 其A的斜率很小。
试验结果见表1。
经过对所获得各种实验结果比较，发现p型硅和硒的信号与n-型硅、n-型锗、石墨 和铜的信号相反。SWNT试样通常无意间进行了p-掺杂(见霍恩等人，物理学，修订 版.Lett.，80，1042，1998[4]；和科林斯等人，科学，287，1801，2000)[3]。 这说明流动感应电压的迹象与SWNT和p-硅的情况一样。图3中的小图示出了所使 用固体材料的斜率A与塞贝克系数(5)的关系图。系数24线性地取决于小图中配 合线所示情况，斜率＝60K。
实施例4
本发明的方法在试验时使用了两种不同的气体，即氮气和氩气，以测量在n-型 锗上Mv值较大时产生的电压V。
图4给出了试验结果。图4中的小图清楚地说明，与氮气相比(图4中的实心 方块)，M7<；O.OD(以下简称区域1)的斜率t1要高于氩气(图4中的实线)。 斜率A之比率(氩气)/24(氮气)＝1.2。通过分析气体流经固体物质时产生感应 电信号的机制，决定建立两个M2区域。
对于一种气体的绝热稳定无粘性流，伯努利方程给出了沿流线的压力差，就马 赫数M而言，其中y＝Cp/Cv；Cp(Cv)是恒定压力(容积)时的比热。氩气和氮 气的值分别是1.667和1.4-04。在方程I中，流线上Po是速度为零处的最大压 力。这个点就是流量测量元件气体流经表面上的前沿，并称之为临界点。对于图1 (b)所示之几何形状而言，暴露于气流(没有电极)中试样两端之压力差见下面方 程2。
方程2中的下标L和R表示气体从左向右流动时传感器有效工作部分的左右两 端。轻微的温度差LST/T与压力差AP/P和密度差Ap/p有关，因为AT/T＝AP/P-Ap/p。 当M＜＜1时，气体密度的变化是忽略不计的，即流体是不可压缩的，因此AT/T＝AP/P。 因而，对于M＜＜1(又称区域1)的不可压缩流体来讲，下面方程3给出了距离d隔 离的两点之间沿一个流线的温度差，其中AT＝TL-TR＞0。流过流量测量元件的气体 保持在一个相对于水平轴线的角度，对应于加速流，因此MR＞ML。外流u的速度 的切向分量取决于沿平边界测量的流线距离x，如下面方程4所示。在本发明传感 器情况下，a＝W/4，因此，u a X1/3。
对于非稀薄气体来讲，固体材料表面的边界情况是，气体和固体材料的温度是 相等的。这样，在气流中沿流线的温度差将引起流动方向固体材料中的温度差。该 温度差反过来又产生电压差，由于下面方程5所述塞贝克效应而定义的VL-VR， 即S是固体材料的塞贝克系数，因为是大多数，所以也是p-型的正极，而e使用的 是n-型材料。系数k取决于气体和固体材料表面之间的特定相互作用以及固体材 料和气体之间温度差的边界情况。
在Al的某个值之外，(-0.2)，称之为区域II，气体的密度需要满足。这通过 下面的方程6来解决，因此，上述方程就可在实施例1到实施例4所介绍的实验中 得到验证。
从方程4中可以看出，很明显ML2#x12/3和MR2#(x1+d)2/3。因此，MR2 -ML2#M2，式中M是有效平均马赫数。所以，方程5和方程7预示，在区域I和 区域II中，感应电压与M2成正比，V＝AM2。这与图2至图4所示结果一致。在区域 I(方程5)，斜率A线性取决于S∶A＝kToSy/2。按照图3中的小图，对于不同 材料(表1)来讲，这也是S已知值上A(实心圆)观测值图形所示情况。使用斜率 (＝60K)的配合值以及y＝1.404和To＝300K，k结果是0.28.(iii)。方程5预示 出氩气和氮气in&gamma；(氩气)/&gamma；(氮气)＝1.2在区域I的斜率比，A，与 所观测到的比率是一致的(图4中的小图)。
方程5和方程7表明在图4的区域I和区域II中，斜率的比率应该是y/(y1)。 这个可完全与氩气(实心方块)的观测值3.44相比较。图2中的小图示出了对于 n-型锗和流速n＝10米/秒时在试样长度d上所测V的关系。该数据完全与方程V＝ a1+a2{(1+d/x1)2/3-1}相配合，式中a1和a2时配合参数，x1＝0.5A(根 据试样几何学)。该机制证明对d的依赖关系：从方程4中，对于a＝45°，？g2oc d2/3-。因此，V#[(x1+d)2/3-x]。对于&alpha来讲；＝0°和90°，它是 obs 2/3’，说明电压不是因气流产生的，对1a＞900，信号改变了特征。从方程 4可以弄明白这个发现，该方程说明在ct＝0°时，UL＝gR，在oc＝900时， 它是直角临界点，在cs & lt；0°时，是减速流。所建议机制的另一个结果是气体 在铂金属上流动时所产生的电压是微不足道的，因为对于铂来讲，S#0。确实，通 过实验也展示了这个情况(参见图2和图3中的加号符号)。
表1.具有不同塞贝克系数的材料的斜率A与铂试样的对比
  样品   D(μVs2/m2)   A(μV)   S(μV/K)   参考   n-Si   -0.28   -35697   -587   6.5   p-Si   0.14   14539   574   6.5   n-Ge   -0.013   -17576   -300   6.5   SWNT   0.04   5389   20   3   MWNT   0.04   5538   20   7   石墨   -0.1134   -1810   -8   8   铜   0.0002   23   7.4   6.5