CN113325198B - 一种柔性热对流式加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性热对流式加速度传感器及其制备方法，传感器包括柔性衬底、柔性密封顶盖、S形加热元件、S形感温元件以及吸热薄层；柔性顶盖设置于柔性衬底上，两者之间形成密封腔体；S形加热元件固定在密封腔体内的柔性衬底中央；两个S形感温元件固定在密封腔体内的柔性衬底上，并对称分布在S形加热元件的两侧；吸热薄层紧密贴附于密封腔体内部的S形加热元件上；其中，柔性密封顶盖带有热绝缘岛结构，两个热绝缘岛结构沿长轴线对称分布在柔性密封顶盖的顶部内侧面上，并分布于S形加热元件与S形感温元件之间的上方。本发明的加速度传感器适用于柔性设备，并具有灵敏度高、响应时间快、功耗低的特点。其制备方法简便，成本低廉，可大规模制备。

Description

一种柔性热对流式加速度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性加速度传感器，具体涉及一种高灵敏度热式柔性加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种测量作用于系统上的加速度大小以及方向的传感装置，广泛应用于各种领域的场合。例如汽车的安全气囊、用于姿态控制的悬架等，都是加速度传感器应用的典型场景。目前，随着物联网的不断建设，它的应用范围呈现快速扩大的态势。越来越多的小型设备如智能手机、平板电脑和运动手环也都装有加速度传感器。随着加速度传感器在先进小型电子设备上的应用，对加速度传感器的性能以及结构特点提出了更高的要求。常见的加速度传感器根据工作原理可以分为电容式、压电式、压阻式和隧道式加速度传感器，但是其中大多数器件的结构都需要可动质量块，依靠检测质量块的位置随加速度的变化关系来监测加速度。由于涉及到机械运动，因此这些传感器普遍存在冲击存活率较低的问题，并且还有粘滞、机械振铃和滞后较大等其他问题。
热对流式加速度传感器通过测量密封腔体中的气体温度分布变化来感应加速度。单轴热加速度传感器的结构一般通过硅晶片的正面批量微加工产生的微腔组成。加热元件固定于腔体的中心，一对感温元件对称放置在加热元件的两边。在平衡状态下密封腔体内的温度分布是对称的，因此两侧的感温元件感测到同样的温度；在受到加速度时，由于惯性，内部温度场分布会变得不均匀，密封腔体中两侧感温元件感测到不同的温度，经过电桥转化为电压信号输出。热对流工作原理的特点是器件不存在可动质量块，耐冲击的性能极大增加，可以简化传感器的结构与制备工艺，降低成本。但是所用的硅材料限制了传感器基底的可形变性，在新兴的智慧医疗、机器人等有曲面特征需求的应用领域中难以有很高的契合度；并且受限于热流体的粘滞和加热功率的限制，热对流式加速度传感器相对于其它工作原理的结构，灵敏度较低，在一定程度上限制了其应用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种柔性加速度传感器及其制备方法，替代传统硅基加速度传感器，使之更加适用于柔性设备；并提高柔性传感器的灵敏度，响应时间、降低功耗。同时提出一种制造工艺简单，成本低廉的可大规模制备方法。
技术方案：一种柔性热对流式加速度传感器，包括柔性衬底、柔性密封顶盖、S形加热元件、S形感温元件以及吸热薄层；柔性顶盖设置于柔性衬底上，两者之间形成密封腔体，所述密封腔体内填充有空气或惰性气体；S形加热元件固定在所述密封腔体内的柔性衬底中央；两个S形感温元件固定在所述密封腔体内的柔性衬底上，并对称分布在所述S形加热元件的两侧；吸热薄层紧密贴附于所述密封腔体内部的S形加热元件上；其中，所述柔性密封顶盖带有热绝缘岛结构，两个热绝缘岛结构沿长轴线对称分布在柔性密封顶盖的顶部内侧面上，并分布于所述S形加热元件与S形感温元件之间的上方。
进一步的，所述热绝缘岛结构采用有机柔性可拉伸材料，其横截面形状为方形、半圆形、梯形。
进一步的，所述吸热薄层采用具备吸热特性的二维材料。
进一步的，所述S形加热元件和S形感温元件贯穿所述密封腔体外的部分作为引出电极，所述引出电极上包覆有隔热薄层。
进一步的，所述柔性密封顶盖以及热绝缘岛结构的材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。
进一步的，所述吸热薄层为碳纳米胶囊薄膜。
进一步的，所述隔热薄层采用聚酰亚胺薄膜胶带。
进一步的，所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺或者聚氟乙烯。
一种柔性热对流式加速度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底上制备一层S形的镍铬合金导电薄膜，作为S形加热元件；
步骤2：通过丝网印刷、旋涂、喷墨打印的方式在柔性衬底上制备一层S形的铂导电薄膜或碳纳米管薄膜或镍导电薄膜，作为S形感温元件；
步骤3：通过丝网印刷、旋涂、滴涂、喷墨打印的方式在S形加热元件上制备一层碳纳米胶囊薄膜，作为吸热薄层，所述碳纳米胶囊薄膜包裹所述S形加热元件的周侧；
步骤4：所述S形加热元件和S形感温元件的端部作为引出电极，用导线连接后在引出电极上覆盖一层聚酰亚胺薄膜胶带，作为隔热薄层；
步骤5：先通过浇筑或纳米压印或3D打印的方式制备具有热绝缘岛结构的柔性密封顶盖，材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，再将柔性密封顶盖与柔性衬底之间用硅橡胶紧密粘接，完成柔性热对流式加速度传感器的制备。
有益效果：本发明的一种高灵敏度热对流式柔性加速度传感器，选择聚二甲基硅氧烷、硅橡胶等柔性材料，采用浇筑、纳米压印或3D打印方式制备传感器的衬底与密封顶盖，与传统硅基加速度传感器相比，器件的可弯折性有了很大提高，可用于多种场合。
第二，由于密封顶盖为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶等柔性材料，利用这类有机材料热绝缘性比较高的特点，在密封空腔中设计热绝缘岛结构，基于密封腔体中热量一定，当存在热绝缘岛结构时，原本处于热绝缘岛两侧靠近加热元件与感温元件的空间聚集，形成与无热绝缘岛结构聚集热场的突出分布。当传感器感知加速度时会使得聚集热场的突出分布产生重新分布的速度变化变快，因此，在顶盖的顶部内侧面上设置热绝缘岛结构可以优化密封腔体内部的温度场分布，进而提高感温元件的感应电阻差值与热场分布变化速度，用于提高器件的响应速度。同时，针对柔性传感器，需要满足基底可弯曲或者形变，因此硅基传感器中惯常的对基底所做的各种较大体积比的结构设计方法，不适用于柔性传感器，本发明对顶盖进行热绝缘岛的结构设计，可解决柔性传感器基底尽量平整，无大体积比的立体结构，有利于传感器贴附于曲面或者可变形环境适用。
第三，将加热元件和感温元件设计成S长条，使得加热元件的温度场整体温度升高，提高了感温元件的温度变化范围，从而提高了电阻差值变化，同时可相应降低功耗。
第四，由于硅基传感器需要通过微纳加工工艺完成制造，而吸热材料的薄膜制备一般用丝网印刷、旋涂、滴涂等方式，与微纳加工工艺不兼容性，使其在硅基传感器中的使用受限，而得益于本发明提出的柔性热对流式加速度传感器结构特点，可以使吸热薄层材料兼容用于本传感器。吸热薄层相对于加热元件面积较大，可以有效的收集加热元件产生的热量，进而辐射到密封腔体，提高密封腔体内部的热利用率，也有助于降低功耗。
综上，本发明的柔性热对流式加速度传感器具有灵敏度高，响应速度快，功耗低的优点，具备较高的器件综合性能。同时，在制造方法上，由于不涉及可动部件制造，极大地减少了制造工艺的复杂度，降低了制备成本，提高了制备稳定性，具备大规模制造的能力。
附图说明
图1为本发明实施例传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中制备方法第一步的结构沿A-A’的截面图；
图3是本发明实施例中制备方法第二步的结构沿A-A’的截面图；
图4是本发明实施例中制备方法第三步的结构沿A-A’的截面图；
图5是本发明实施例中制备方法第五步的结构沿A-A’的截面图；
图6为本发明实施例传感器在工作状态下，无加速度时沿A-A’的截面图；
图7为本发明实施例传感器在工作状态下，有- Y方向加速度时沿A-A’的截面图；
图8为本发明实施例的测量电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至图5所示，一种柔性热对流式加速度传感器，包括柔性衬底1、柔性密封顶盖2、S形加热元件5、S形感温元件4以及吸热薄层6。柔性顶盖2设置于柔性衬底1上，两者之间形成密封腔体3，密封腔体3内填充有空气或惰性气体，作为热流体。S形加热元件5固定在密封腔体3内的柔性衬底1中央。两个S形感温元件4固定在密封腔体3内的柔性衬底1上，并对称分布在S形加热元件5的两侧。吸热薄层6紧密贴附于密封腔体3内部的S形加热元件5上。其中，柔性密封顶盖2带有热绝缘岛结构7，两个热绝缘岛结构7沿长轴线对称分布在柔性密封顶盖2的顶部内侧面上，并分布于S形加热元件5与S形感温元件4之间的上方。
其中，柔性衬底1采用柔性隔热材料制备而成，如聚酰亚胺或者聚氟乙烯。吸热薄层6采用具备吸热特性的二维材料，如碳纳米胶囊薄膜。S形加热元件5为镍铬合金制备而成的导电薄膜，S形加热元件5具有较大的电阻和高热导率，将电能转换为热能，采用S形设计以进一步增加发热量，固定在密封腔体3内的柔性衬底1中央，在无加速度情况下腔体内的热分布呈对称状态。S形感温元件4为石墨烯、碳纳米管、铂或金等高热灵敏度系数的材料制备而成的导电薄膜，通过设计为S形增加感温面积，提高准确度。热绝缘岛结构7采用有机柔性可拉伸的低热导率材料如聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，其横截面形状为方形、半圆形、梯形。带有S形加热元件5与S形感温元件4的柔性衬底1与柔性密封顶盖2通过硅橡胶等胶体紧密贴合。S形加热元件5和S形感温元件4贯穿密封腔体3外的部分作为引出电极9，引出电极9上包覆有隔热薄层8，隔热薄层8采用聚酰亚胺薄膜胶带。吸热薄层6为碳纳米胶囊等具备吸热特性的二维材料，贴附在密封腔体3内的S形加热元件5上。
上述柔性热对流式加速度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底1上制备一层S形的镍铬合金导电薄膜，作为S形加热元件5以及对应的引出电极9；
步骤2：如图3所示，通过丝网印刷、旋涂、喷墨打印的方式在柔性衬底1上制备一层S形的铂导电薄膜或碳纳米管薄膜或镍导电薄膜，作为S形感温元件4以及对应的引出电极9；
步骤3：如图4所示，通过丝网印刷、旋涂、滴涂、喷墨打印的方式在S形加热元件5上制备一层碳纳米胶囊薄膜，作为吸热薄层6，碳纳米胶囊薄膜包裹S形加热元件5；
步骤4：如图1所示，用导线连接引出电极9后，在引出电极9上覆盖一层聚酰亚胺薄膜胶带，作为隔热薄层8；
步骤5：如图5所示，先通过浇筑或纳米压印或3D打印的方式制备具有热绝缘岛结构7的柔性密封顶盖2，材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，再将柔性密封顶盖2与柔性衬底1之间用硅橡胶紧密粘接，完成柔性热对流式加速度传感器的制备。
工作状态下，电流通过位于密封腔体3中部的S形加热元件5，由于其内阻较大，对外放热。S形加热元件5上方的空腔中空气或惰性气体受热膨胀，上升，逐渐远离S形加热元件5，温度较低的气体则填补到上升的热流所留下来的空位，继续受热。最终形成了稳定的热对流传导，在密封腔体3空间中形成较为对称的温度分布。通过关于S形加热元件5对称分布的S形感温元件4，将温度的变化通过不同的电阻值读出。
本实施例中，传感器设有两个S形感温元件4，对称分布于S形加热元件5两侧，其工作原理如下：如图6所示，当传感器平放于水平方向时，整个器件除了重力加速度，不再受额外的加速度的作用。由于对称的热绝缘岛结构，腔体内部的热量会向岛旁边的空间集聚，形成略向中心集聚热场的温度场分布。此时，关于S形加热元件5对称分布的两个S形感温元件4所探测到的温度相同，因此具有相等的电阻阻值，即RT1=RT2=R0。
如图7所示，当传感器施加一个沿-Y方向的加速度时，密封腔体3内的气体在加速度的作用下，使得热对流的形式发生了变化，整个密封腔体3内的温度分布也因此发生改变，聚集热场的突出分布在加速度施加方向上产生较快速度的重新分布，不再关于中部的S形加热元件5对称分布。并且由于低热传导系数热绝缘岛结构的存在，空腔内热量被限制集聚，减少了热耗散，左侧的温度分布明显低于右侧，左右两侧的温度差更大，使得关于S形加热元件5对称的两个S形感温元件4所读出的电阻不再相等，左侧温度相对于无加速度状态下降低了ΔT1，右侧温度相对于无加速度状态下上升了ΔT2；与此对应的：左侧电阻相对于无加速度状态下降低了ΔR1，右侧电阻相对于无加速度状态下上升了ΔR2。其中ΔR1=αΔT1，ΔR2=αΔT2，α为材料的电阻温度系数（TCR），由感温元件的材料确定，即此时RT1=R0-ΔR1，RT2=R0 +ΔR2。
如图8所示，本发明的测量电路由两个固定电阻第一电阻R1和第二电阻R2，和传感器的两个感温元件构成的可变电阻RT1和RT2一起构成惠斯通电桥，电桥两个臂中点的电压V01和V02连接到仪表放大器（IA），输出放大适当比例后的电压差值，通过测量不同加速度下的输出电压值，即可建立加速度值与输出电压值之间的关系规律，实现对加速度的测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，包括柔性衬底（1）、柔性密封顶盖（2）、S形加热元件（5）、S形感温元件（4）以及吸热薄层（6）；柔性密封顶盖（2）设置于柔性衬底（1）上，两者之间形成密封腔体（3），所述密封腔体（3）内填充有空气或惰性气体；S形加热元件（5）固定在所述密封腔体（3）内的柔性衬底（1）中央；两个S形感温元件（4）固定在所述密封腔体（3）内的柔性衬底（1）上，并对称分布在所述S形加热元件（5）的两侧；吸热薄层（6）紧密贴附于所述密封腔体（3）内部的S形加热元件（5）上；其中，所述柔性密封顶盖（2）带有热绝缘岛结构（7），两个热绝缘岛结构（7）沿长轴线对称分布在柔性密封顶盖（2）的顶部内侧面上，并分布于所述S形加热元件（5）与S形感温元件（4）之间的上方。
2.根据权利要求1所述的柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，所述热绝缘岛结构（7）采用有机柔性可拉伸绝热材料，其横截面形状为方形、半圆形、梯形。
3.根据权利要求1所述的柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，所述吸热薄层（6）采用具备吸热特性的二维材料。
4.根据权利要求1所述的柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，所述S形加热元件（5）和S形感温元件（4）贯穿所述密封腔体（3）外的部分作为引出电极（9），所述引出电极（9）上包覆有隔热薄层（8）。
5.根据权利要求2所述的柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，所述柔性密封顶盖（2）以及热绝缘岛结构（7）的材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。
6.根据权利要求3所述的柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，所述吸热薄层（6）为碳纳米胶囊薄膜。
7.根据权利要求4所述的柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，所述隔热薄层（8）采用聚酰亚胺薄膜胶带。
8.根据权利要求4所述的柔性热对流式加速度传感器，其特征在于，所述柔性衬底（1）的材料为聚酰亚胺或者聚氟乙烯。
9.一种根据权利要求1-8任一所述柔性热对流式加速度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底（1）上制备一层S形的镍铬合金导电薄膜，作为S形加热元件（5）；
步骤2：通过丝网印刷、旋涂、喷墨打印的方式在柔性衬底（1）上制备一层S形的铂导电薄膜或碳纳米管薄膜或镍导电薄膜，作为S形感温元件（4）；
步骤3：通过丝网印刷、旋涂、滴涂、喷墨打印的方式在S形加热元件（5）上制备一层碳纳米胶囊薄膜，作为吸热薄层（6），所述碳纳米胶囊薄膜包裹所述S形加热元件（5）的周侧；
步骤4：所述S形加热元件（5）和S形感温元件（4）的端部作为引出电极（9），用导线连接后在引出电极（9）上覆盖一层聚酰亚胺薄膜胶带，作为隔热薄层（8）；
步骤5：先通过浇筑或纳米压印或3D打印的方式制备具有热绝缘岛结构（7）的柔性密封顶盖（2），材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，再将柔性密封顶盖（2）与柔性衬底（1）之间用硅橡胶紧密粘接，完成柔性热对流式加速度传感器的制备。
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