CN111190024B - 基于柔性非对称薄膜的气体流向和流速的检测装置 - Google Patents

基于柔性非对称薄膜的气体流向和流速的检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于柔性非对称薄膜的气体流向和流速的检测装置。所述柔性非对称薄膜正面为蜂窝状多孔结构，反面为平面结构；并给出了柔性非对称薄膜的制备方法。所述检测装置包括柔性非对称薄膜；所述柔性非对称薄膜的正面与带叉指电极的第一柔性薄膜相对放置；所述柔性非对称薄膜的反面与第二柔性薄膜相对放置；所述叉指电极位于柔性非对称薄膜的正面和第一柔性薄膜之间；所述叉指电极的两端分别与第一导线和第二导线连接。本发明的气体流向和流速的检测装置测试气体流速和流向的原理与现有传感器不同，利用非对称薄膜形变方向和形变量所引起的电阻变化，测量气体的流向和流速；利用同一装置可以同时实现流向和流速测定。

Description

基于柔性非对称薄膜的气体流向和流速的检测装置
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及基于柔性非对称薄膜的气体流向和流速的检测装置。
背景技术
气体流速的检测涉及于人们日常生活、生产中的各个方面。现有的气流检测装置一般用于固定方向的流速检测，能判断气流流向和流速的装置鲜有报道；并且气流检测装置一般基于比较复杂的机械结构和压电材料，导致了高昂的应用成本，以及有限的适用范围，对低流速的气体不敏感，也不能检测气流的方向。所以，现在亟需使用成本低，能够检测低流速气体并能判断气体流动方向的检测装置。
不对称膜是指膜的化学结构或物理结构随膜的部位而异的薄膜。非对称薄膜是不对称膜的一种，即膜的两面具有不同的化学结构或物理结构。现有的非对称薄膜一般用于反渗透或超滤，还未见柔性非对称薄膜用于气体流速和流向检测的报道。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供基于柔性非对称薄膜的气体流向和流速的检测装置。本发明的检测装置测试气体流速和流向的原理与现有传感器不同，利用柔性非对称薄膜形变方向和形变量所引起的电阻变化，不仅可以测量气体的流速，还能判断气体的流向。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种柔性非对称薄膜，所述薄膜的正面为蜂窝状多孔结构，反面为平面结构；所述蜂窝状多孔结构中孔的直径为亚微米级，孔的深度为微米级，孔的密度为18～22个/μm2。
本发明的第二方面，提供柔性非对称薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)原料混合：将导电材料分散于第一DMF溶液得到A溶液，将骨架材料溶于第二DMF溶液得到B溶液，将A溶液与B溶液混合均匀得到黑色浆料；
(2)制备ZnO纳米棒阵列模板：在衬底板上旋涂ZnO种子液，退火后得到ZnO种子层，将ZnO种子层置于硝酸锌和六甲基四胺的混合液中保温，得到ZnO纳米棒阵列模板；
(3)倒模：将步骤(1)得到的黑色浆料涂敷在步骤(2)得到的ZnO纳米棒阵列模板上，黑色浆料固化后用稀盐酸腐蚀掉ZnO纳米棒阵列模板，再将衬底板分离，得到柔性非对称薄膜。
优选的，步骤(1)中，所述导电材料为导电单体或导电聚合物，所述骨架材料为PMMA或PVDF。更为优选的，所述导电材料为碳纳米管。
优选的，步骤(1)中，所述导电材料与第一DMF溶液的加入量的比值为2mg:1mL；所述骨架材料与第二DMF溶液的加入量的比值为0.2g:1mL；所述A溶液与B溶液的体积比为1:10。
优选的，步骤(2)中，所述衬底板为FTO玻璃板；所述退火的温度为350～550℃，退火时间为30min；所述保温的温度为90℃，时间为6h。
本发明的第三方面，提供柔性非对称薄膜在制备气体流向和流速的检测装置中的用途。
本发明的第四方面，提供一种气体流向和流速的检测装置，所述检测装置包括柔性非对称薄膜；所述柔性非对称薄膜的正面与带叉指电极的第一柔性薄膜相对放置；所述柔性非对称薄膜的反面与第二柔性薄膜相对放置；所述叉指电极位于柔性非对称薄膜的正面和第一柔性薄膜之间；所述叉指电极的两端分别与第一导线和第二导线连接。
优选的，所述第一柔性薄膜和第二柔性薄膜为PDMS膜或硅胶膜。
优选的，所述叉指电极为金电极，银电极，铂电极，铝电极或铜电极中的一种；所述叉指电极上设有若干叉指，叉指的宽度为50μm～1mm，叉指的厚度为50nm～1μm，叉指的间距为50μm～2mm；所述第一导线和第二导线均为漆包铜线。
本发明的第五方面，提供的气体流向和流速的检测装置使用方法，所述方法为：
(1)将检测装置垂直固定于待检测气体流速和/或流向的管道内壁上，含有第一导线和第二导线的一端朝上；
(2)将第一导线与设置在管道外的电源连接，第二导线与设置在管道外的电流表连接；
(3)管道内先通入已知流速和流向的气体，根据电流变化率，做出校准曲线；
(4)管道内通入气体，通过电流变化率，根据校准曲线得出气体流速或判断气体流向。
本发明的有益效果：
1.本发明的非对称薄膜一面为蜂窝纳米多孔结构，另一面为粗糙度不做要求的平面结构；非对称薄膜具有导电性。
2.本发明的气体流向和流速的检测装置测试气体流速和流向的原理与现有传感器不同，利用非对称薄膜形变方向和形变量所引起的电阻变化，测量气体的流向和流速。
3.本发明的气体流向和流速的检测装置对低流速气体非常敏感，使用于测试低流速气体的流速和流向。本发明利用同一装置可以同时实现流向和流速测定，具有多功能性。
附图说明
图1是本发明的柔性非对称薄膜是扫描电子显微镜的俯视图；
图2是本发明的柔性非对称薄膜是扫描电子显微镜的侧视图；
图3是本发明的气体流速和流向测试装置示意图，其中，1.第一柔性薄膜，2.叉指电极，3.柔性非对称薄膜；4.第二柔性薄膜，5.第一导线，6.第二导线；
图4是本发明的气体流速和流向测试装置测试时的示意图；
图5是气体流速和流向测试装置对不同方向气流的响应；
图6是气体流速和流向测试装置前弯折时柔性非对称膜形变示意图；
图7是气体流速和流向测试装置后弯折时柔性非对称膜形变示意图；
图8是不同流速气流吹过时电流变化率曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
术语说明，本发明中PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，PVDF为聚偏氟乙烯，PDMS为聚二甲基硅氧烷。
正如背景技术所述，现有的气体流速和流向测试装置对低流速气体不敏感，并且流速和流向需要用不同的装置进行检测。基于此，本发明提供一种柔性非对称薄膜。所述柔性非对称薄膜所述薄膜的正面为蜂窝状多孔结构，反面为平面结构。蜂窝状多孔结构和平面结构为同一种原料制备，即掺杂导电材料的骨架材料。导电材料可以是导电单体和导电聚合物中的一种,优选的，所述导电材料为碳纳米管；骨架材料为PMMA或PVDF。制备柔性非对称薄膜时，第一步先将导电材料与骨架材料混合均匀，第二步制备纳米阵列模板，第三步将混合均匀的原料涂敷或旋涂在纳米阵列模板上，固化成型后，除去纳米阵列模板，剩下的就是柔性非对称薄膜，柔性非对称薄膜的扫描电镜图见图1和图2。
本发明的柔性非对称薄膜可用于制备气体流速和流向测试装置，制备步骤如下：
(1)制备叉指电极：将叉指电极掩膜版置于第一柔性薄膜上，利用离子溅射将金属溅射到叉指电极掩膜版上，金属固定后，除去叉指电极掩膜版，利用银浆将第一导线和第二导线分别固定在叉指电极的两个电极上，得到带有叉指电极的第一柔性薄膜；
(2)封装：将带有叉指电极的第一柔性薄膜、柔性非对称薄膜和第二柔性薄膜依次放置，叉指电极与柔性非对称薄膜的正面相对放置，然后封装到一起；得到本发明的气体流速和流向测试装置。
所述第一柔性薄膜和第二柔性薄膜为PDMS膜或硅胶膜，当第一柔性薄膜和第二柔性薄膜为PDMS膜时，可以PDMS溶液作为粘结液，将带有叉指电极的第一柔性薄膜、柔性非对称薄膜和第二柔性薄膜封装在一起；封装时，柔性非对称薄膜的正面与叉指电极封装在一起。得到的检测装置包括柔性非对称薄膜3；所述柔性非对称薄膜3的正面与带叉指电极2的第一柔性薄膜1相对放置；所述柔性非对称薄膜3的反面与第二柔性薄膜4相对放置；所述叉指电极2位于柔性非对称薄膜3的正面和第一柔性薄膜1之间；所述叉指电极2的两端分别与第一导线5和第二导线6连接。所述第一柔性薄膜1和第二柔性薄膜4为PDMS膜或硅胶膜。所述叉指电极2为金电极，银电极，铂电极，铝电极或铜电极中的一种；所述叉指电极2上设有若干叉指，叉指的宽度为50μm～1mm，叉指的厚度为50nm～1μm，叉指的间距为50μm～2mm；所述第一导线5和第二导线6均为漆包铜线。结构示意图见图3。
本发明的气体流速和流向测试装置检测气体流速和流向时，要先将检测装置垂直固定，含有第一导线和第二导线的一端朝上；将第一导线与电源连接，第二导线与电流表连接；先通入已知流速和流向的气体，根据电流变化率，做出校准曲线；然后将气体流速和流向测试装置置于待测试气体流速和/或流向的环境中，当气流从前方吹入，气体流速和流向测试装置受到由前向后的推力，发生弯折，非对称薄膜发生撕裂效应，导致与叉指电极连接的非对称薄膜的电阻增加，电流呈现减小趋势。当气流由后向前吹入，传感器向前弯折，蜂窝状多孔结构收到挤压，部分蜂窝孔洞受压变形，孔道消失，叉指间的非对称薄膜的电阻减小，电流呈现增加趋势(见图5、图6和图7)。从电流的变化趋势可以判断气流的流向。
本发明的气体流速和流向测试装置的原理为：第一导线与电源连接，启动电源，电流通过第一导线进入叉指电极和与叉指电极连接的非对称薄膜，然后通过第二导线流出。第一导线、叉指电极和第二导线可以看做一根完整的导线，非对称薄膜就是这根完整导线上的一个电阻，而这个电阻的阻值是根据气流吹动所产生的形变大小而变化的；最后电阻值的变化通过电流表的数值反映出来。所以，叉指电极必须与柔性非对称薄膜的正面封装在一起，才能制备气体流速和流向测试装置。
气流的流速不同，对气体流速和流向测试装置的推力不同，流速越快，推力越大。气流从前方吹入，非对称薄膜向后弯折一定角度，正面表面产生一定裂缝形变，电流减小到一个稳定区间，从电流的大小可以得出气流的流速。相反，气流从后方吹入，蜂窝状多孔结构中的受挤压的孔道到达一定数量后稳定，电流上升到一个稳定区间，从电流的大小判断出气流的流速。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
实施例1：制备柔性非对称薄膜
非对称薄膜的正面为蜂窝状多孔结构，反面为平面结构，制备过程如下：
1)将分散好的碳纳米管DMF分散溶液(2mg/mL)与溶解的PMMA的DMF溶液(0.2g/mL)按照1：10的比例混合，得到均匀的黑色浆料；
2)选用FTO玻璃为衬底，旋涂ZnO种子液，退火后得到ZnO种子层，在硝酸锌和六甲基四胺溶液中90℃保温6h，得到ZnO纳米棒阵列模板。
3)将黑色浆料旋涂或涂敷在ZnO纳米棒阵列上，利用稀盐酸腐蚀ZnO后得到柔性非对称薄膜；其中，柔性非对称薄膜的厚度为10μm，蜂窝状多孔结构中孔的直径为300nm，孔的深度为5μm，孔的密度为20个/μm2。
最终得到的非对称薄膜如图1和图2所示。
实施例2：制备气体流速和流向测试装置
1)在PDMS柔性薄膜上制备叉指电极。将叉指电极掩模版覆盖在PDMS薄膜上，利用离子溅射仪溅射50nm厚的Au电极。利用Ag浆将漆包铜线粘附在叉指电极上，引出电极。制备的叉指电极上叉指的宽度为0.1mm，叉指的厚度为50nm，叉指的间距为0.1mm；漆包铜线的直径为0.1mm；PDMS薄膜的厚度为0.5mm。
2)器件的封装。将实施例1制备的柔性非对称薄膜、PDMS薄膜和叉指电极按顺序放置，由上至下依次为：PDMS薄膜、叉指电极、柔性非对称薄膜和PDMS薄膜，叉指电极与柔性非对称薄膜的正面相对放置。利用PDMS溶液进行封装，固化后得到气体流速和流向测试装置。
实施例3：气体流速和流向的测试
将实施例2制备的气体流速和流向测试装置垂直固定于管道内壁上，含有漆包铜线的一端朝上；将一根铜线与电源连接，另一根铜线与电流表连接(见图4)，电源和电流表均置于管道外；将气体流速和流向测试装置中柔性非对称薄膜正面的朝向定义为前，柔性非对称薄膜反面的朝向定义为后，当气流从前方吹入，传感器收到由前向后的推力，发生弯折，柔性非对称薄膜发生撕裂效应，导致叉指电极中的柔性非对称薄膜的电阻增加，电流呈现减小趋势。当气流由后向前吹入，传感器向前弯折，蜂窝状多孔结构收到挤压，部分孔道受压变形，孔道消失，叉指间的非对称薄膜的电阻减小，电流呈现增加趋势。从电流的变化趋势可以判断气流的流向。
气流从前方流入，以减压阀控制气流量分别为2.5,5.0,7.510.0,12.5,15.0,17.520.0,22.5和25.0L/min，同样流速的气流反方向流过，得到的电流如图8所示。气流的流速不同，对传感器的推力不同，流速越快，推力越大。气流从前方吹入，探测器向后弯折一定角度，蜂窝状多孔结构表面产生一定裂缝形变，电流减小到一个稳定区间，从电流的大小可以得出气流的流速。相反，气流从后方吹入，蜂窝状多孔结构中的受挤压的孔道到达一定数量后稳定，电流上升到一个稳定区间，从电流的大小判断出气流的流速。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性非对称薄膜，其特征在于，所述薄膜的正面为蜂窝状多孔结构，反面为平面结构；所述蜂窝状多孔结构中孔的直径为亚微米级，孔的深度为微米级，孔的密度为18～22个/μm2；
所述柔性非对称薄膜由以下方法制备：
(1)原料混合：将导电材料分散于第一DMF溶液得到A溶液，将骨架材料溶于第二DMF溶液得到B溶液，将A溶液与B溶液混合均匀得到黑色浆料；
(2)制备ZnO纳米棒阵列模板：在衬底板上旋涂ZnO种子液，退火后得到ZnO种子层，将ZnO种子层置于硝酸锌和六甲基四胺的混合液中保温，得到ZnO纳米棒阵列模板；
(3)倒模：将步骤(1)得到的黑色浆料涂敷在步骤(2)得到的ZnO纳米棒阵列模板上，黑色浆料固化后用稀盐酸腐蚀掉ZnO纳米棒阵列模板，再将衬底板分离，得到柔性非对称薄膜。
2.根据权利要求1所述的柔性非对称薄膜，其特征在于，步骤(1)中，所述导电材料为导电单体或导电聚合物，所述骨架材料为PMMA或PVDF。
3.根据权利要求1所述的柔性非对称薄膜，其特征在于，步骤(1)中，所述导电材料与第一DMF溶液的加入量的比值为2mg:1mL；所述骨架材料与第二DMF溶液的加入量的比值为0.2g:1mL；所述A溶液与B溶液的体积比为1:10。
4.根据权利要求1所述的柔性非对称薄膜，其特征在于，步骤(2)中，所述衬底板为FTO玻璃板；所述退火的温度为350～550℃，退火时间为30min，所述保温的温度为90℃，时间为6h。
5.一种气体流向和流速的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括权利要求1～4中任一项所述的柔性非对称薄膜；所述柔性非对称薄膜的正面与带叉指电极的第一柔性薄膜相对放置；所述柔性非对称薄膜的反面与第二柔性薄膜相对放置；所述叉指电极位于柔性非对称薄膜的正面和第一柔性薄膜之间；所述叉指电极的两端分别与第一导线和第二导线连接。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述第一柔性薄膜和第二柔性薄膜为PDMS膜或硅胶膜。
7.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述叉指电极为金电极，银电极，铂电极，铝电极或铜电极中的一种；所述叉指电极上设有若干叉指，叉指的宽度为50μm～1mm，叉指的厚度为50nm～1μm，叉指的间距为50μm～2mm；所述第一导线和第二导线均为漆包铜线。
8.权利要求5～7中任一项所述的检测装置的使用方法，其特征在于，所述方法为：
(1)将权利要求5～7中任一项所述的检测装置垂直固定于待检测气体流速和/或流向的管道内壁上，含有第一导线和第二导线的一端朝上；
(2)将第一导线与设置在管道外的电源连接，第二导线与设置在管道外的电流表连接；
(3)管道内先通入已知流速和流向的气体，根据电流变化率，做出校准曲线；
(4)管道内通入气体，通过电流变化率，根据校准曲线得出气体流速或判断气体流向。
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