CN108896204A - 基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器及制备与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器及制备与检测方法。传统温度传感器接触式类不能经受恶劣温度环境，而非接触式的测量精度不准确。本发明的传感器本体包括底板层和沿厚度方向层叠布置的多个脊脉层，底板层与各脊脉层一体成型；底板层与中部支架固定；脊脉层包括由尾部至头部平行且等距排布的多个脊脉组，脊脉组包括间距设置的多个脊脉结构；相邻脊脉层通过对应位置处的脊脉立板连接在一起。本发明通过仿照蝴蝶鳞片结构设计具有相似结构的温度传感器，通过温度变化引起传感器的纳米结构变化，从而引起光谱变化来达到检测温度目的，适用于一些恶劣环境。

Description

基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器及制备与检测方法

技术领域

本发明属传感器技术领域，特别涉及一种基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器及制备与检测方法。

背景技术

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。近年来，随着我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40％以上。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。

目前，在相关领域并没基于蝴蝶鳞片结构的仿生温度传感器，如申请专利号为CN201580070617.3的专利公开了一种不论检测对象面的性状如何、都能稳定而准确地检测温度的温度传感器。该温度传感器的特征在于具备：传感器支架，从前端侧朝向后端侧延伸；传感器主体，以在前端侧配置感温元件的方式被传感器支架保持，与感温元件电连接的导线被朝向后端侧引出。传感器主体被传感器支架以前端侧和后端侧两端支承；该温度传感器采用支承的方式，能很好的追随于检测对象面的形状而变形，而且是一种接触式的传感器，有着较高的精度。但该装置适用于接触检测对象，对于一些常见的恶劣的温度环境，其使用范围受限。申请专利号为CN201710545104.4的专利公开了一种可测量高温的具有不同截面积的温度传感器以及温度测量方法。该专利是一种包括测温结区、粗臂和细臂的温度传感器，其中所述粗臂的一端与所述测温结区的一端连接，所述细臂的一端与所述测温结区的另一端连接，组成所述粗臂的材料与组成所述细臂的材料实质相同，组成所述粗臂的材料与组成所述测温结区的材料实质相同，所述粗臂的横截面积大于所述细臂的横截面积；所述测量方法为将所述温度传感器的测温结区与待测物体接触，由所述粗臂和细臂间的电势差计算待测物体的温度。该温度传感器克服了传统热电偶中由合金组成的测温结区熔点低，存在带来误差的接触电阻等问题，提高了测量温度的准确性以及测温范围。但在高温下测量温度时，虽然所采用的传感器的材料可耐高温，但该传感器采用热电偶的方式，在信号的传输方面没有非接触式的安全稳定，同时需要保养维护，在一些工况下，可能随时间腐蚀而降低精度。

发明内容

本发明针对传统温度传感器接触式类不能经受恶劣温度环境，而非接触式的测量精度不准确等问题，在仿生学找寻灵感。蝴蝶在漫长的自然选择过程中，经过数亿年的进化与优化逐渐形成了具有优异性能的复杂功能结构，其卓越性能是绝大多数人工系统无法比拟的。蝴蝶翅膀绚丽的颜色引起了极大的关注，研究发现，大部分颜色是由蝴蝶翅膀鳞片特殊的结构(虹彩纳米结构)导致的。蝴蝶翅膀鳞片无可比拟的纳米结构对外界环境具有极强的敏感性。蝴蝶翅膀鳞片的结构色是其自身纳米结构产生的反射、折射和干涉相互作用形成的。蝴蝶翅膀鳞片的特殊结构与光线相互作用所产生的颜色更加醒目和闪耀。蝴蝶翅膀鳞片的这种颜色是由于其特殊的纳米结构产生的，并且具有角度依赖变色效应；另外结构稳固。

研究发现，蝴蝶翅膀鳞片表面复杂的三维纳米结构能够在不同温度氛围中产生不同的光干涉、衍射效应，从而导致反射光谱发生变化。将其应用于温度变化的检测研究中，结合运用光谱分析等手段，可以实现三维纳米结构对不同环境的温度检测。对于纳米级尺寸的复杂结构，热量很小也会导致大的热膨胀，反射峰会在温度变化之后发生不同的偏移，这表明它们具有不同的热光学性能。同时，反射峰的位移与光子纳米结构的尺寸变化或由温度变化引起的尺度排列变化有关。

本发明可行的原理主要依靠蝴蝶对气体选择特性以及对气体的温度响应原理，蝴蝶翅膀鳞片本身的纳米结构对入射光产生光学效应，如干涉、衍射和色散；当气体分子填充在蝴蝶翅膀鳞片的整个结构中，由于物理吸附等作用，蒸汽发生凝结，在蝴蝶翅膀鳞片结构间隙和表层形成一层纳米薄膜。薄膜的反射率与蒸汽的种类、浓度有关，薄膜的反射率导致了蝴蝶翅膀鳞片光学特性发生改变，而且对于不同种类，不同温度的气体，反射光谱均会不同。蝴蝶翅膀鳞片对气体的高敏感特性对于开发高灵敏度、高选择性的仿生温度传感器提供了可能。只要标定好不同气体下仿生温度传感器在初始温度中的反射率R₀，不同温度相对初始温度的变化对应的ΔR值，然后对气体取样置于设定温度(相对初始温度的变化对应一个ΔR值)下，通过测量反射率R来计算R₀＝R/ΔR，就可以测得气体的性质；测得气体的性质后，通过测量反射率R求得ΔR＝100％×(R/R₀)，然后对照确定气体的温度。

本发明是一种模仿蝴蝶鳞片上虹彩纳米结构的温度传感器；是一种基于蝴蝶鳞片对不同温度有着不同响应原理的仿生温度传感器；是一种可在恶劣温度环境中使用的仿生温度传感器；是一种由温度变化引起传感器尺度排列变化的仿生温度传感器；是一种通过光谱检测来接收传感器尺度排列变化而输出反馈响应的仿生温度传感器；是一种既有接触式温度传感器的高精度测量优点，又有非接触式温度传感器不受耐温程度限制优点的仿生温度传感器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器，主要由中部支架和对称设置在中部支架两侧的两片传感器本体组成；所述的传感器本体包括底板层和沿厚度方向层叠布置的多个脊脉层，底板层与各脊脉层一体成型；底板层与中部支架固定；所述的脊脉层包括由尾部至头部平行且等距排布的多个脊脉组，脊脉组包括间距设置的多个脊脉结构；所述的脊脉结构包括脊脉立板、垂直于脊脉立板的横板和垂直排布在脊脉立板两侧的多块凸板，两侧各有7～8块凸板，且由高到低两侧的凸板交替设置，横板位于最底部；凸板的高度Y1初始值在60～120nm范围内取值，同侧相邻两凸板高度方向的间距Y2初始值在140～180nm范围内取值。相邻脊脉层通过对应位置处的脊脉立板连接在一起。

所述的各脊脉组中脊脉结构数量不同，脊脉结构布满整个传感器本体。

在23℃时，脊脉结构高为1.8μm，横板宽为0.5μm，相邻两个脊脉结构的脊脉间距为0.8μm。

该基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、蝴蝶鳞片样品制备，制备过程具体为：将蝴蝶鳞片依次经脱脂、脱水、粘台和喷金处理后，采用扫描电子显微镜生成蝴蝶鳞片表面的放大形貌图像，然后采用透射电子显微镜生成蝴蝶鳞片的亚显微结构图像。

步骤二、分析蝴蝶鳞片表面的放大形貌图像和蝴蝶鳞片的亚显微结构图像，运用三维绘图软件，构建鳞片微观结构三维模型。

步骤三、根据鳞片微观结构三维模型的各个结构尺寸，采用激光刻蚀的方式制备出基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器。

该基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的温度检测方法，具体如下：将基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器置于目标环境中，开启光源，光源向两片传感器本体发射平行光，温度变化时，脊脉结构的Y1、Y2变化，而Y1、Y2的变化引起脊脉结构的反射光谱的波长变化，且温度升高使反射光谱向更大的波长移动；反射光谱的波长变化在400～1000nm之间，由光纤探头检测接收并传递给光谱仪；光谱仪经过信号转换及放大后传给计算机，在计算机上获得两片传感器本体的反射光谱图；由该反射光谱图得反射率R，通过公式ΔR＝100％×(R/R₀)结合标定好的不同温度相对初始温度变化时对应的ΔR值来确定环境中的温度及温度变化，R₀为传感器本体初始温度中的反射率。

所述的光谱仪采用反射型光纤光谱仪。

任选其中一片传感器本体的反射光谱图得到的反射率作为R，或者两片传感器本体的反射光谱图得到的反射率取均值作为ΔR。

标定好不同气体下仿生温度传感器在初始温度中的反射率R₀，然后对气体取样置于设定温度下，通过测量反射率R来计算R₀＝R/ΔR，测得气体的性质。

本发明的有益效果：

本发明是一种基于仿生学的微纳级传感器，通过仿照蝴蝶鳞片结构设计具有相似结构的温度传感器，通过温度变化引起传感器的纳米结构变化，从而引起光谱变化来达到检测温度目的。本发明不仅检测精度高、对温度有着较好的灵敏性、响应在微纳级，而且该传感器是一种稳定的纳米结构，可适用于一些恶劣环境。

附图说明

图1为本发明实施例中模仿的蝴蝶示意图。

图2为本发明基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器示意图。

图3为图1中A部分或图2中B部分的脊脉结构立体图。

图4为本发明中脊脉结构的二维结构示意图。

图5为本发明基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器用于温度检测的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图2所示，基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器，主要由中部支架和对称设置在中部支架两侧的两片具有大蓝闪蝶翅膀外形的传感器本体4组成，传感器本体的外沿形状没有严格限定，只要大致与大蓝闪蝶翅膀1外形(如图1所示)相似即可；传感器本体包括底板层和沿厚度方向层叠布置的多个(大于或等于2个)脊脉层，底板层与各脊脉层一体成型；底板层与中部支架固定；脊脉层包括由尾部至头部平行且等距排布的多个脊脉组2，脊脉组包括间距设置的多个脊脉结构3，各脊脉组中脊脉结构3数量不同，脊脉结构3布满整个传感器本体，脊脉结构3模仿大自然中的大蓝闪蝶鳞片的虹彩纳米脊脉结构。如图3所示，脊脉结构3包括脊脉立板、垂直于脊脉立板的横板和垂直排布在脊脉立板两侧的多块凸板，两侧各有7～8块凸板，且由高到低两侧的凸板交替设置，横板位于最底部，本实施例在23℃时，脊脉结构3高为1.8μm，横板宽为0.5μm，相邻两个脊脉结构的脊脉间距为0.8μm；凸板的高度Y1初始值在60～120nm范围内取值，同侧相邻两凸板高度方向的间距Y2初始值在140～180nm范围内取值，如图4所示。相邻脊脉层通过对应位置处的脊脉立板连接在一起。

仿蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的脊脉结构3对气体的选择特性以及对气体温度的检测原理如下：脊脉结构3对不同温度的气体有着不同的光谱响应。入射的平行光产生光学效应，如干涉、衍射和色散；当气体分子填充在仿生温度传感器的整个结构中，由于物理吸附等作用，蒸汽发生凝结，在仿生温度传感器的间隙和表层形成一层纳米薄膜。薄膜的反射率与蒸汽的种类、浓度有关，薄膜的反射率导致了仿生温度传感器的脊脉结构3光学特性发生改变，而且对于不同种类，不同温度的气体，反射光谱均会不同。只要标定好不同气体下仿生温度传感器在初始温度中的反射率R₀，不同温度相对初始温度的变化对应的ΔR值，然后对气体取样置于设定温度(相对初始温度的变化对应一个ΔR值)下，通过测量反射率R来计算R₀＝R/ΔR，就可以测得气体的性质；测得气体的性质后，通过测量反射率R求得ΔR＝100％×(R/R₀)，然后对照确定气体的温度。

该基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、蝴蝶鳞片样品制备，制备过程具体为：将蝴蝶鳞片依次经脱脂、脱水、粘台(将蝴蝶鳞片固定在操作台上)和喷金处理后，采用扫描电子显微镜(SEM)生成蝴蝶鳞片表面的放大形貌图像，采用透射电子显微镜(TEM)生成蝴蝶鳞片的亚显微结构图像。

步骤二、分析蝴蝶鳞片表面的放大形貌图像和蝴蝶鳞片的亚显微结构图像，运用三维绘图软件，构建鳞片微观结构三维模型。

步骤三、根据鳞片微观结构三维模型的各个结构尺寸，采用激光刻蚀的方式制备出基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器。

如图5所示，该基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的温度检测方法，具体如下：将基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器4置于目标环境中，开启光源5，光源5向两片传感器本体4发射平行光，温度变化时，脊脉结构3的Y1、Y2变化，而Y1、Y2的变化引起脊脉结构的反射光谱6的波长变化，且温度升高会使反射光谱向更大的波长移动；反射光谱的波长变化在400～1000nm之间，由光纤探头7检测接收并传递给光谱仪9；光谱仪9经过信号转换及放大后传给计算机8，在计算机上获得两片传感器本体4的反射光谱图，由该反射光谱图得反射率R，通过公式ΔR＝100％×(R/R₀)结合标定好的不同温度相对初始温度变化时对应的ΔR值来确定环境中的温度及温度变化，R₀为传感器本体初始温度中的反射率。

光谱仪9采用反射型光纤光谱仪。反射型光纤光谱仪具有高度的灵活性和快速响应性，是用石英光纤将反射光传导到反射型光纤光谱仪中，反射型光纤光谱仪中还包含有光源、光学平台和探头。

Claims (8)

1.基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器，主要由中部支架和对称设置在中部支架两侧的两片传感器本体组成，其特征在于：所述的传感器本体包括底板层和沿厚度方向层叠布置的多个脊脉层，底板层与各脊脉层一体成型；底板层与中部支架固定；所述的脊脉层包括由尾部至头部平行且等距排布的多个脊脉组，脊脉组包括间距设置的多个脊脉结构；所述的脊脉结构包括脊脉立板、垂直于脊脉立板的横板和垂直排布在脊脉立板两侧的多块凸板，两侧各有7～8块凸板，且由高到低两侧的凸板交替设置，横板位于最底部；凸板的高度Y1初始值在60～120nm范围内取值，同侧相邻两凸板高度方向的间距Y2初始值在140～180nm范围内取值；相邻脊脉层通过对应位置处的脊脉立板连接在一起。

2.根据权利要求1所述的基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器，其特征在于：所述的各脊脉组中脊脉结构数量不同，脊脉结构布满整个传感器本体。

3.根据权利要求1所述的基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器，其特征在于：在23℃时，脊脉结构高为1.8μm，横板宽为0.5μm，相邻两个脊脉结构的脊脉间距为0.8μm。

4.根据权利要求1所述的基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一、蝴蝶鳞片样品制备，制备过程具体为：将蝴蝶鳞片依次经脱脂、脱水、粘台和喷金处理后，采用扫描电子显微镜生成蝴蝶鳞片表面的放大形貌图像，然后采用透射电子显微镜生成蝴蝶鳞片的亚显微结构图像；

步骤二、分析蝴蝶鳞片表面的放大形貌图像和蝴蝶鳞片的亚显微结构图像，运用三维绘图软件，构建鳞片微观结构三维模型；

步骤三、根据鳞片微观结构三维模型的各个结构尺寸，采用激光刻蚀的方式制备出基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器。

5.根据权利要求1所述的基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的温度检测方法，其特征在于：该方法具体如下：将基于蝴蝶鳞片虹彩纳米结构的仿生温度传感器置于目标环境中，开启光源，光源向两片传感器本体发射平行光，温度变化时，脊脉结构的Y1、Y2变化，而Y1、Y2的变化引起脊脉结构的反射光谱的波长变化，且温度升高使反射光谱向更大的波长移动；反射光谱的波长变化在400～1000nm之间，由光纤探头检测接收并传递给光谱仪；光谱仪经过信号转换及放大后传给计算机，在计算机上获得两片传感器本体的反射光谱图；由该反射光谱图得反射率R，通过公式ΔR＝100％×(R/R₀)结合标定好的不同温度相对初始温度变化时对应的ΔR值来确定环境中的温度及温度变化，R₀为传感器本体初始温度中的反射率。

6.根据权利要求5所述的基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的温度检测方法，其特征在于：所述的光谱仪采用反射型光纤光谱仪。

7.根据权利要求5所述的基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的温度检测方法，其特征在于：任选其中一片传感器本体的反射光谱图得到的反射率作为R，或者两片传感器本体的反射光谱图得到的反射率取均值作为ΔR。

8.根据权利要求5所述的基于蝴蝶鳞片纳米结构的温度传感器的温度检测方法，其特征在于：标定好不同气体下仿生温度传感器在初始温度中的反射率R₀，然后对气体取样置于设定温度下，通过测量反射率R来计算R₀＝R/ΔR，测得气体的性质。