CN111208315A - 一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法，所述传感器包括：依次设置的柔性基底薄膜、柔弹性聚合物薄膜、导电薄膜、微/纳米棒阵列；所述微/纳米棒阵列中的微/纳米棒的弹性模量大于所述柔弹性聚合物薄膜的弹性模量。由于在气流形成的外力作用下，微/纳米棒发生摆动，导电薄膜会发生形变，从而影响传感器整体电阻，根据电阻变化得到气流的流速。采用微/纳米棒阵列可以检测到较小的气流，从而提高了气流流速测量的精度。

Description

一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气体流速测量技术领域，尤其涉及的是一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法。

背景技术

目前市面上存在的流体流速传感器按工作原理可大致分为：机械式、热线式、多普勒光学式、电磁式等。但是以上的流体流速传感器均存在一定的缺陷，如机械式流速传感器检测精度低，装置大；热线式传感器则由于热线头长期裸露在介质中，会累积胶质积碳，影响测量精度。因此，现有技术中气体流速测量的精度较低，难以满足微弱气体的流速测量。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中气体流速测量的精度较低的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种仿生毛状气流流速传感器，其中，包括：依次设置的柔性基底薄膜、柔弹性聚合物薄膜、导电薄膜、微/纳米棒阵列；所述微/纳米棒阵列中的微/纳米棒的弹性模量大于所述柔弹性聚合物薄膜的弹性模量。

所述的仿生毛状气流流速传感器，其中，所述微/纳米棒的弹性模量是所述柔弹性聚合物薄膜的弹性模量的100倍以上。

所述的仿生毛状气流流速传感器，其中，所述柔性基底薄膜为聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚偏氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜中的一种或多种。

所述的仿生毛状气流流速传感器，其中，所述柔弹性聚合物薄膜为绝缘柔弹性聚合物薄膜。

所述的仿生毛状气流流速传感器，其中，所述柔弹性聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜、橡胶薄膜、环氧树脂薄膜、水凝胶薄膜中的一种或多种。

所述的仿生毛状气流流速传感器，其中，所述导电薄膜采用导电材料制成，所述导电材料包括：碳材料，金属纳米粒子，合金材料中的一种或多种。

所述的仿生毛状气流流速传感器，其中，所述碳材料包括：碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨炔；所述金属纳米粒子包括：金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子；所述合金材料包括铝硼合金、铝铬合金、铁锰合金、铝铬钇合金、银铜钯合金。

所述的仿生毛状气流流速传感器，其中，所述微/纳米棒呈竖直毛杆状，所述微/纳米棒的长径比为50-150。

一种如上述任意一项所述的仿生毛状气流流速传感器的制备方法，其中，包括以下步骤：

提供一柔性基底薄膜；

在所述柔性基底薄膜上依次制备柔弹性聚合物薄膜和导电薄膜；

在所述导电薄膜上制备微/纳米棒阵列得到所述仿生毛状气流流速传感器。

所述的仿生毛状气流流速传感器的制备方法，其中，所述在所述导电薄膜上制备微/纳米棒阵列得到所述仿生毛状气流流速传感器，包括：

在所述导电薄膜制备掩膜版，通过水热反应在所述导电薄膜上生长微/纳米棒阵列得到所述仿生毛状气流流速传感器。

有益效果：由于在气流形成的外力作用下，微/纳米棒发生摆动，导电薄膜会发生形变，从而影响传感器整体电阻，根据电阻变化得到气流的流速。采用微/纳米棒阵列可以检测到较小的气流，从而提高了气流流速测量的精度。

附图说明

图1是本发明中仿生毛状气流流速传感器的制备方法的流程图。

图2是本发明中仿生毛状气流流速传感器的爆炸图。

图3是本发明中仿生毛状气流流速传感器的示意图。

图4是本发明中仿生毛状气流流速传感器检测气流的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图2-图4，本发明提供了一种仿生毛状气流流速传感器的一些实施例。

毛状流速传感器相比于现有的其它结构的气体流速传感器，其具有较大的比表面积，能极大地增加传感器对外界输入的机械量(如加速度、角速度、流速等)的感应面积，从而提高传感器的灵敏度。这一点可以从生物蝎子体表的蛊毛感受器得到证实。生物学家发现蝎子是通过其体表的三大感受器与周围环境进行信息交流，分别为体表螯肢上的蛊毛感受器，腹部的栉器，以及足部的缝感受器。历经四亿多年进化的蝎子，其视觉能力反而逐渐退化掉了，基本与“失明”无异。但是这三类感受器的感知能力进化地尤为强大，远超现有的人造传感器，其中，用于感知气体流速的蛊毛传感器甚至可以检测到0.1μm/s的流速。针对蝎子的蛊毛感受器，进行了深入研究，从材料、结构、运动学等等进行了研究，发现蝎子蛊毛感受器是由弹性模量很大的刚性毛杆和弹性模量很小的蛊毛窝软组织组成。因此，蝎子的蛊毛感受器为设计制造一种仿生超敏气流流速传感器提供了天然的生物蓝本。

如图2-图3所示，本发明的一种仿生毛状气流流速传感器，包括：依次设置的柔性基底薄膜5、柔弹性聚合物薄膜4、导电薄膜2、微/纳米棒阵列；所述微/纳米棒阵列中的微/纳米棒1的弹性模量大于所述柔弹性聚合物薄膜4的弹性模量。

值得说明的是，如图4所示，当测试流速为V的气流时，气流对微/纳米棒1的作用可以简化为一个外力F作用在微/纳米棒1的顶端，使微/纳米棒1绕着支点进行偏转。由于微/纳米棒1的弹性模量大于柔弹性聚合物薄膜4的弹性模量，在外力的作用下微/纳米棒1会发生摆动，而不会发生扰曲偏转。微/纳米棒1的弹性模量与柔弹性聚合物薄膜4的弹性模量之间的差异性越大，越容易发生摆动，而不是发生扰曲偏转。例如，所述微/纳米棒1的弹性模量是所述柔弹性聚合物薄膜4的弹性模量的100倍以上，增加微/纳米棒1与柔弹性聚合物薄膜4之间的弹性模量的差异。两种材料之间的弹性模量巨大差异性下，使得微/纳米棒1的摆动角θ相比与扰曲偏转的偏转角更大。也就是说，具有较大弹性模量的微/纳米棒1在受流体作用时会将外力几乎全部转移到柔弹性聚合物薄膜4上，在微/纳米棒1自身上的损失(自身弯曲形变)很少，可忽略不计，从而提高测量精度与灵敏度。由力矩平衡可得：

F L cosθ＝M₁

其中，L为微/纳米棒1的长度，M₁为柔弹性聚合物薄膜4对微/纳米棒1的力矩。根据力的作用是相互的原理，微/纳米棒1对柔弹性聚合物薄膜4的力矩同样也是一样的。其中F与θ之间应当存在正比关系。当气流流速V增大时，等效外力F相应增大，摆动角θ也随之增大，导致M₁也随之变大。因此气流流速V与M₁之间也是正比关系。

在力矩M₁的影响下，将导致导电薄膜2发生一定形变。由于在外力作用下，该导电薄膜2会发生形变，从而影响传感器整体电阻R。R与之间应当也是正比关系：

R∝M₁

导电薄膜2的两端分别设置有电极引线3，通过电极引线3随时输出导电薄膜2的电阻值，从而得到气流的流速。采用微/纳米棒阵列可以检测到较小的气流，从而提高了气流流速测量的精度。

通过调整柔弹性聚合物薄膜4的弹性模量可以得到不同检测限的传感器，具体地，当柔弹性聚合物薄膜4的弹性模量较小时，检测限较低，也就是说可以检测较小的气流流速；当柔弹性聚合物薄膜4的弹性模量较大时，检测限较高，也就是说可以检测较大的气流流速。

通过改变柔弹性聚合物薄膜4的材料还可以得到不同灵敏度、不同量程的传感器的，例如，通过增大微/纳米棒1与柔弹性聚合物薄膜4之间的弹性模量的差异，增加微/纳米棒1的长径比来得到灵敏度高的传感器。

在本发明的一个较佳实施例中，所述柔性基底薄膜5为聚酰亚胺(PI)薄膜、聚丙烯(PP)薄膜、聚酯(PET)薄膜、聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜、聚乙烯(PE)薄膜、聚氯乙烯(PVC)薄膜中的一种或多种。

具体地，柔性基底薄膜5可提供更好的机械强度。采用柔性基底薄膜5可以便于在其上制备形成传感器，且采用柔性基底薄膜5可以使得传感器贴服在形状各异的采样点上，扩大了传感器的适用范围。

在本发明的一个较佳实施例中，所述柔弹性聚合物薄膜4为绝缘柔弹性聚合物薄膜。

具体地，柔弹性聚合物薄膜4可以感应微/纳米棒1受到气流作用下的摆动，而发生相应的形变，同时，导电薄膜2也会发生形变，相应地，电阻发生改变。柔弹性聚合物薄膜4采用绝缘柔弹性聚合物薄膜，将导电薄膜2隔离开，一方面，避免外界电荷干扰电阻测量，提高传感器的准确性；另一方面，避免导电薄膜2上的电荷泄露到待测点上，影响或损坏待测点。

在本发明的一个较佳实施例中，所述柔弹性聚合物薄膜4为聚二甲基硅氧烷薄膜、橡胶薄膜、环氧树脂薄膜、水凝胶薄膜中的一种或多种。

具体地，橡胶薄膜中的橡胶包括天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶。

在本发明的一个较佳实施例中，所述导电薄膜2采用导电材料制成，所述导电材料包括：碳材料，金属纳米粒子，合金材料中的一种或多种。

具体地，所述碳材料包括：碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨炔；所述金属纳米粒子包括：金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子；所述合金材料包括铝硼合金(AlB)、铝铬合金(AlCr)、铁锰合金(FeMn)、铝铬钇合金(AlCrY)、银铜钯合金(AgCuPd)。

在本发明的一个较佳实施例中，如图2所示，所述微/纳米棒1呈竖直毛杆状，所述微/纳米棒1的长径比为50-150。相邻两个微/纳米棒之间的间距可以设置为大于微/纳米棒的高度，以免微/纳米棒在摆动时相互干扰。

具体地，所有微/纳米棒1均垂直于导电薄膜2，且呈阵列分布。微/纳米棒1采用水热反应生长得到，例如，得到NiCo₂O₄纳米棒，ZnO微/纳米棒。

基于上述任一实施例所述的仿生毛状气流流速传感器，本发明还提供了一种仿生毛状气流流速传感器的制备方法的较佳实施例：

如图1所示，本发明实施例所述一种仿生毛状气流流速传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100、提供一柔性基底薄膜。

具体地，柔性基底薄膜可以采用现有工业生产的，例如，聚氯乙烯薄膜。也可以通过旋涂法制备得到柔性基底薄膜。

步骤S200、在所述柔性基底薄膜上依次制备柔弹性聚合物薄膜和导电薄膜。

具体地，同样可以采用旋涂法来制备柔弹性聚合物薄膜，并采用镀膜的方式制备导电膜。例如，先配置柔弹性聚合物溶液，采用溶剂将柔弹性聚合物溶解；然后移取柔弹性聚合物溶液至旋涂机上，通过旋涂机成膜。在制备导电薄膜时，可以采用溅射镀膜和沉积镀膜的方式，例如，碳沉积镀膜和镍沉积镀膜；又如金属纳米粒子采用粒子溅射镀膜。具体柔弹性聚合物和导电材料可选择如上实施例。

步骤S300、在所述导电薄膜上制备微/纳米棒阵列得到所述仿生毛状气流流速传感器。

具体地，在所述导电薄膜上制备掩膜版，通过水热反应在所述导电薄膜上生长微/纳米棒阵列，然后去掉掩膜版得到所述仿生毛状气流流速传感器。掩膜版上形成有若干个微/纳米孔，微/纳米孔呈阵列分布，这些纳米孔提供了形成微/纳米棒的位置，掩膜版与薄膜(包括柔性基底薄膜、柔弹性聚合物薄膜、导电薄膜)通过机械固定(如夹子)，也可以是通过双面胶固定。当掩膜版与薄膜固定后，放入水热釜中。水热釜中有微/纳米棒材料，以生长NiCo₂O₄纳米棒为例，先将NiCl₂、CoCl₂、尿素用去离子水溶解，并倒入水热釜中，然后加入固定好的掩膜版与薄膜，进行水热反应。掩膜版可以采用硅基材料制成，这样不会在掩膜版上生长NiCo₂O₄纳米棒。即使在掩膜版上生长了微/纳米棒，在去除掩膜版时也可以去除这部分微/纳米棒，从而得到微/纳米棒阵列。

具体地，质量比NiCl₂：CoCl₂：尿素＝0.3-1:1:0.2-0.7，去离子水可以根据需要添加，需要完全溶解微/纳米棒材料，可以通过搅拌的方式加快溶解。水热反应的温度为100-180℃，水热反应时间为3-24小时。

在其他实施例中，还可以通过沉积的方式制备微/纳米棒材料，但是采用沉积的方式时，由于材料界面之间的结合力比水热法的方式要弱，也就是说，微/纳米棒的牢固性较差一点。因此，优选通过水热法制备微/纳米棒。

当然还可以采用其他不需要掩膜版的方式制备微/纳米棒，只要确保微/纳米棒牢固地连接在导电薄膜上。

综上所述，本发明所提供的仿生毛状气流流速传感器及其制备方法，所述传感器包括：依次设置的柔性基底薄膜、柔弹性聚合物薄膜、导电薄膜、微/纳米棒阵列；所述微/纳米棒阵列中的微/纳米棒的弹性模量大于所述柔弹性聚合物薄膜的弹性模量。由于在气流形成的外力作用下，微/纳米棒发生摆动，导电薄膜会发生形变，从而影响传感器整体电阻，根据电阻变化得到气流的流速。采用微/纳米棒阵列可以检测到较小的气流，从而提高了气流流速测量的精度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，包括：依次设置的柔性基底薄膜、柔弹性聚合物薄膜、导电薄膜、微/纳米棒阵列；所述微/纳米棒阵列中的微/纳米棒的弹性模量大于所述柔弹性聚合物薄膜的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，所述微/纳米棒的弹性模量是所述柔弹性聚合物薄膜的弹性模量的100倍以上。

3.根据权利要求1所述的仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，所述柔性基底薄膜为聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚偏氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，所述柔弹性聚合物薄膜为绝缘柔弹性聚合物薄膜。

5.根据权利要求4所述的仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，所述柔弹性聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜、橡胶薄膜、环氧树脂薄膜、水凝胶薄膜中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，所述导电薄膜采用导电材料制成，所述导电材料包括：碳材料，金属纳米粒子，合金材料中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，所述碳材料包括：碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨炔；所述金属纳米粒子包括：金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子；所述合金材料包括铝硼合金、铝铬合金、铁锰合金、铝铬钇合金、银铜钯合金。

8.根据权利要求1所述的仿生毛状气流流速传感器，其特征在于，所述微/纳米棒呈竖直毛杆状，所述微/纳米棒的长径比为50-150。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述的仿生毛状气流流速传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一柔性基底薄膜；

在所述柔性基底薄膜上依次制备柔弹性聚合物薄膜和导电薄膜；

在所述导电薄膜上制备微/纳米棒阵列得到所述仿生毛状气流流速传感器。

10.根据权利要求9所述的仿生毛状气流流速传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述导电薄膜上制备微/纳米棒阵列得到所述仿生毛状气流流速传感器，包括：

在所述导电薄膜制备掩膜版，通过水热反应在所述导电薄膜上生长微/纳米棒阵列得到所述仿生毛状气流流速传感器。

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