CN115096499B - 一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器及其组装方法和应用 - Google Patents
一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器及其组装方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器及其组装方法和应用，所述传感器主要包括支撑平台、倾斜悬臂梁、导电纳米粒子点阵、导电微电极和电导测量外电路；倾斜悬臂梁倾斜固定于支撑平台上，在倾斜悬臂梁正反表面相对应位置分布至少一组导电纳米粒子阵列；各组内的导电纳米粒子阵列两侧分布有导电微电极；电导测量外电路与导电微电极电连接。本发明对于气流压力与温度敏感的元件为导电纳米粒子阵列，其量子电导随粒子间距与温度呈指数关联，故对气流压力和引起的形变及温度变化会有极其灵敏的响应；这一结构可同步测量气流的压力与温度、无需集成额外传感器校准，精简了传感结构，纳米粒子点阵的阻抗都处于兆欧量级，功耗极小。
Description
技术领域
本发明属于传感器、检测仪器领域，涉及一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，通过将倾斜悬臂梁正反表面同组内对应的导电纳米粒子点阵电导变化的幅度对比，就可以同步测量出气流压力、气流方向及气流温度，具体为导电纳米粒子点阵与柔性衬底的新型敏感复合结构温压应变传感器及其组装方法和应用。
背景技术
在工业控制、气象检测、航空航天及交通运输等诸多领域，对精密的气流传感器具有广泛的需求，其根本原因是气流传感器能够对气流压力、温度、流向实现精准探测，为操控系统提供必要的数据支撑，经中央处理器分析后做出适当的处理举措。为了能够准确测量端气流的多项信息。传统的气流探测体系往往集成式地在系统内布控不同的传感器，让各个传感器分门别类地测试气流的压力、温度乃至于流向，并最终汇总所有数据，完成对气体流动的全方位探测。然而这种测量模式存在着抗干扰能力弱的缺陷。多数测量气压的传感器往往会对温度敏感，无法区分其信号源于气流压力变化或是气流温度变化，因而需要集成温度传感器对其校准。然而系统中温度传感器与压力传感器的集成位置往往并非一处，校准时会因为位置差异而引入校准误差。此外，所集成的温度传感器也会对气压变化敏感，在不稳定气流作用下，亦不能准确探测到气流温度，因而会加剧整个系统中探测数据的失真。总的来说，现有的多功能气流测量系统的精度仍有提高的空间。
纳米粒子点阵的量子电导对粒子间平均距离异常敏感，可用于开发感知应变、压力的传感器。另外，温度也会影响到在纳米粒子点阵中传输的电子内能，从而改变纳米粒子点阵的导电能力。据此，申请人设计了一种基于纳米粒子点阵的可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器。该传感器通过联立同组内纳米粒子点阵的电导变化，建立准确的解耦方法，原位解析出气流压力、温度与方向，可广泛应用于工业控制、气象观测、交通运输以及微型机器人探测等领域。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器及其组装方法和应用。本发明利用同组内两个纳米粒子点阵的量子电导对气流压力与温度变化的不同响应行为，从而实现对气流压力与温度的不同测量，是一种相较于将压力传感器与温度传感器相互集成技术的改进。在本发明中，不需要额外地在压力传感器中集成温度传感器，取而代之的是从两个纳米粒子点阵的相对电导变化中提取出压力变化和温度变化两个参量。
本发明采用的技术方案如下：
所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，所述传感器包括支撑平台、倾斜悬臂梁、导电纳米粒子点阵、导电微电极和电导测量外电路；其中，倾斜悬臂梁固定在支撑平台上，并与支撑平台之间呈一定夹角；至少一组导电纳米粒子点阵沉积于倾斜悬臂梁正反表面一一对应的相同位置；导电微电极设于各组导电纳米粒子点阵的两侧，在倾斜悬臂梁的正反表面对称分布；电导测量外电路与导电微电极电连接；正反表面纳米粒子点阵的导电能力会随着吹响倾斜悬臂梁的气流方向、压力以及温度的不同呈现出可区分的响应趋势，通过电导测量外电路同步测量处于倾斜悬臂梁正反表面的导电纳米粒子点阵的电导变化，正反表面的导电纳米粒子点阵的电导变化率随温度变化有同幅度的变化；气流压力作用于倾斜悬臂梁会造成悬臂梁弯曲，正反表面的导电纳米粒子点阵的电导随气流压力变化呈趋势相反的变化；切换气体流向，同一面内的导电纳米粒子点阵的电导变化趋势与气体流向切换前相反(其中在相同的气流压力下，同一面内的导电纳米粒子点阵的电导变化幅度也与气体流向切换前不同)，以此同步测量气流压力与气流温度，判断气流方向。具体地，气流压力作用于倾斜悬臂梁会造成倾斜悬臂梁弯曲，会在一个表面产生一定的压缩应变，同时在另一表面产生一定的拉伸应变，不同极性的应变导致同组内正反面的导电纳米粒子点阵的电导同步变化，变化趋势相反；此外，切换气体流向，将导致原本产生拉伸应变的表面产生压缩应变，另一原本产生压缩应变的表面产生拉伸应变，同组内各纳米粒子点阵的电导变化趋势与气体流向切换前相反；温度变化导致正反面的导电纳米粒子点阵的电导有同幅度的变化。
进一步地，支撑平台为具有一定强度的材料，可以使聚合物薄膜或金属夹具，包括：聚二甲基硅氧烷或硬质塑料等常见高分子聚合物或不锈钢、铜等常见金属。
进一步地，所述倾斜悬臂梁衬底为绝缘薄膜，其电阻率≥109Ω·m，弹性模量为100kPa-4000 MPa，厚度为0.05mm-1mm，包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氨酯等常见有机高分子片材或云母、氧化铝等常见无机片材。
进一步地，所述导电纳米粒子点阵材质为金、银、钯、铂、铬或铝等常见导电金属或者氧化铟锡等导电化合物，粒子的平均尺寸为5-30nm，相邻粒子间的平均间隙为0.1-5nm，导电纳米粒子点阵覆盖率为30-90％；电子在粒子间的传输方式为量子隧穿或跳跃，每个点阵的电阻≥10kΩ。
进一步地，导电微电极为叉指电极、平行电极或螺旋电极，材质为金、银、铜、铁、铝等常见导电金属，电极厚度为100-300nm，两极间宽度为4μm-300μm；
所述电导测量外电路采集频率为1-2000Hz，与导电微电极通过直径为10-100μm的漆包线连接。
进一步地，所述传感器的测量温度范围为-20～70℃。
进一步地，所述传感器的测量气流压力范围为0.5-1000Pa。
进一步地，所述传感器能够判断气体正向流动或反向流动。
本发明所述可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器的组装方法，包括以下步骤：
第1步、挑选作为倾斜悬臂梁衬底的高分子聚合物薄膜，其表面光滑洁净、无明显划痕；
第2步、在作为倾斜悬臂梁衬底的高分子聚合物薄膜的正反表面对应位置印刷导电微电极，采用掩模覆盖印刷或蒸镀；
第3步、在作为倾斜悬臂梁衬底的高分子聚合物薄膜的一个表面上的导电微电极之间沉积一定覆盖率的导电纳米粒子点阵，导电纳米粒子由磁控等离子体气体聚集团簇源产生并通过气压差形成纳米粒子束流沉积填充至导电微电极之间；沉积过程中，将相应导电微电极两端接入监测电路以实现导电纳米粒子点阵电导的实时监测；在一面导电纳米粒子点阵沉积完成后，将高分子聚合物薄膜翻面后以相同沉积参数沉积另一面导电纳米粒子点阵；
第4步、导电纳米粒子点阵沉积完成后，将倾斜悬臂梁固定于支撑平台，并将导电微电极的引脚与电导测量外电路的输入端通过漆包线一一对应相连；
第5步、将固定有倾斜悬臂梁的支撑平台处于温度变化环境中，分别测量不同环境温度时，正反表面导电纳米粒子点阵电导的变化率，并绘制曲线，求出各个点阵对温度的灵敏度系数并输入到电导测量外电路，实现传感器对温度测量的标定；
第6步、将固定有倾斜悬臂梁的支撑平台置于气流可调的环境中，并测量吹出不同方向、不同等效压力的气流作用于倾斜悬臂梁表面时，正反表面导电纳米粒子点阵电导的变化率，并绘制曲线，求出各个点阵对不同气流方向、不同等效气流压力的灵敏度系数并输入到电导测量外电路，实现传感器对气流压力和气流方向测量的标定。
以上任一所述基于纳米粒子点阵的量子电导的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器可应用于工业控制、气象观测、交通运输或微型人工智能探测领域。
相对于现有专利CN201910063879.7“基于纳米粒子点阵量子电导的柔性温敏压力传感器及其组装方法和应用”，本发明并非将纳米粒子点阵布置于柔性平面衬底的上下表面，而是沉积在了固定于支撑平台上的倾斜悬臂梁的正反表面。事实上，基于这一结构上的进步调整，我们新发明的传感器同样也可以作为一款对温度敏感的柔性压力传感器，且这一新型传感器的信号还不会受到沿平面衬底施加的的压缩或拉伸应变的干扰，因而具有更高的测量准确性。更重要的是，本发明更倾向于将这一传感器用于气流方向的测量，以及对气流压力乃至于气流温度更精确的测量，这一功能是现有上述专利几乎不能实现的。
本发明取得的有益效果是：(1)本发明所述基于纳米粒子点阵的量子电导的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其中敏感器件为一组位于倾斜悬臂梁正反表面相同位置的两个导电纳米粒子点阵，仅需对比两个点阵电导变化即可解耦气流的压力、方向、温度变化，无需额外集成其他传感器校准，精简了传感结构；(2)纳米粒子点阵的电导以指数式的演变关系响应各类刺激作用，因此传感器具有极高的灵敏度；(3)纳米粒子点阵的阻抗都处于兆欧量级，功耗极小；(4)传感器制造简单、成本低廉，可广泛应用于工业控制、气象观测、交通运输以及微型机器人探测等领域。
附图说明
图1是本发明所述基于纳米粒子点阵的量子电导的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器的结构示意图；
图1中：1-倾斜悬臂梁，2-导电微电极，3-导电纳米粒子点阵，4-支撑平台，5-电导测量外电路；
图2是风压引发的高分子聚合物薄膜形变的结构示意图，其中(1)为初始状态，(2)为风正吹时的形变状态，(2)为风反吹时的形变状态；
图3是本发明所述传感器的温度标定曲线；
图4是本发明所述传感器的压力标定曲线；
图5是本发明所述传感器在风源正、反吹作用下的实时响应曲线；
图6是本发明所述传感器在风源距传感处不同距离条件下正吹的实时响应曲线；
图7是本发明所述传感器对温度与压力耦合响应的电导实时变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
制备本发明所述基于纳米粒子点阵的量子电导的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，包括以下步骤：
第1步、挑选作为倾斜悬臂梁1衬底的高分子聚合物薄膜PET，其表面应光滑洁净、无明显划痕，薄膜的厚度为0.1mm；
第2步、在作为倾斜悬臂梁1衬底的高分子聚合物薄膜的正反表面对应位置印刷导电微电极2，可选掩模覆盖印刷或蒸镀的方法，本发明中的微电极是在3×10-4Pa真空度下调节直流电源至45A左右，蒸镀5min后再静置10-15min而得到的叉指银电极，金属层的厚度为100nm，电极正负两极之间的间隙宽度为100μm；
第3步、在作为倾斜悬臂梁1衬底的高分子聚合物薄膜的一个表面上的导电微电极2之间沉积一定覆盖率的导电纳米粒子点阵3，导电纳米粒子可由磁控等离子体气体聚集团簇源产生并通过气压差形成纳米粒子束流沉积填充至导电微电极2之间；沉积过程中，将相应导电微电极2两端接入监测电路以实现导电纳米粒子点阵3电导的实时监测，本发明金属材料选择为钯，纳米粒子的粒径控制在8～15nm之间，覆盖率为46％，电导为300nS，纳米粒子点阵的电阻≥10kΩ；在一面导电纳米粒子点阵3沉积完成后，将高分子聚合物薄膜翻面后以相同沉积参数沉积另一面导电纳米粒子点阵3；
第4步、导电纳米粒子点阵3沉积完成后，将倾斜悬臂梁1固定于支撑平台4，倾斜角度为45°，并将导电微电机2的引脚与电导测量外电路5的输入端通过漆包线一一对应相连；
第5步、将固定有倾斜悬臂梁1的支撑平台4处于温度变化环境中，分别测量不同环境温度时，正反表面导电纳米粒子点阵3电导的变化率，并绘制曲线，求出各个点阵对温度的灵敏度系数并输入到电导测量外电路5，外电路5的采集频率为1-2000Hz，实现传感器对温度测量的标定；实现传感的纳米粒子点阵处于不同的环境温度中(30～60℃)，利用热电偶测量实时温度，并将正反表面导电纳米粒子点阵3电导率对应记录下来，绘制曲线如图3所示，可以求出正反表面纳米粒子点阵对温度的灵敏度系数分别为：ST1＝0.004572℃-1与ST2＝0.003402℃-1；
第6步、将固定有倾斜悬臂梁1的支撑平台4置于气流可调的环境中，并测量吹出不同方向、不同等效压力的气流作用于倾斜悬臂梁1表面时，正反表面导电纳米粒子点阵电导的变化率，并绘制曲线如附图4所示，求出各个点阵对不同气流方向、不同等效气流压力的灵敏度系数并输入到电导测量外电路5，实现传感器对气流压力测量的标定，可以求出正反表面纳米粒子点阵对压力的灵敏度系数分别为：SP1＝0.2574kPa-1与SP2＝-0.2299kPa-1。
第7步、综合步骤5、6，可以得到温度压力传感器的灵敏度矩阵:
为了检验超灵敏可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器对不同风向的风响应的可靠性(不同方向风压引发的高分子聚合物薄膜形变的结构示意图如图2所示)，我们将制备好的传感器固定在试验台上，用一个家用气喷枪来模拟风源，在距离传感处正反5cm的位置分别进行正反吹测试，由外电路测量正反表面纳米粒子点阵的电导变化信号如附图5所示。整个实验过程如下：室温20℃下，将制备好的传感器接入测试电路，运行测试系统，在传感器初始电导保持稳定后，开启气喷枪，对传感器施加一正向的风压，保持此状态一段时间在传感器电导稳定后关闭气喷枪，保持此状态一段时间在传感器电导稳定后重复一次正吹实验，而后以传感器为旋转中心，将气喷枪在工作平面内旋转180°进行反吹实验，实验操作同前，循环实验2次。从附图5中可以看出，正吹与反吹两者引起的传感器电导变化幅值明显不同，反吹大于正吹，故本传感器可区分风向。
为了检验超灵敏可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器对不同压力风的响应情况，我们将制备好的传感器固定在试验台上，用一个家用气喷枪来模拟风源，在距离传感处正向5cm、8.5cm、11cm的位置分别进行正吹测试，由外电路测量正反表面纳米粒子点阵的电导变化信号如附图6所示。整个实验过程如下：室温20℃下，将制备好的传感器接入测试电路，运行测试系统，在传感器初始电导保持稳定后，在距离传感处正向5cm处开启气喷枪，对传感器施加一正向的风压，保持此状态一段时间在传感器电导稳定后关闭气喷枪，保持此状态一段时间在传感器电导稳定后调整气喷枪位置在距离传感处正向8.5cm、11cm处各重复一次正吹实验。从附图6中可以看出，不同距离风源作用引起的传感器电导变化幅值明显不同，距离风源距离越大，电导变化幅值越小，故本传感器可测试不同的风压。
为了检验超灵敏可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器同时响应温度与压力的变化，在室温20℃的条件下，我们将制备好的传感器固定在试验台上，用陶瓷加热片与步进电机共同对传感器作用并实时测量在这温度与压力同时刺激传感器的过程中正反表面纳米粒子点阵电导的变化。整个实验过程如下：初始时未在传感器施加任何刺激并保持一段时间，控制步进电机对传感器施加压力刺激保持一段时间，对陶瓷加热片加压使之作用于传感器升温并保持一段时间，关闭陶瓷加热片使传感器降温并保持一段时间，对传感器释放压力并保持一段时间。完成这一系列操作过程中上下点阵电导的变化如附图7所示。选取压力与温度同时作用状态切换时的样品电导，得到电导变化分别为ΔG1＝0.016235和ΔG2＝0.004750。由灵敏度系数矩阵写出电导变化关系为：
通过解二元一次方程组可以得到作用于传感器上的压力为17.5Pa，表面温度上升了2.74℃，约为22.7℃。
该试验证明了本发明中的传感器可同时测量风温和风压，具有实际应用价值，后续可投入工业生产。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (10)
1.一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，所述传感器包括支撑平台(4)、倾斜悬臂梁(1)、导电纳米粒子点阵(3)、导电微电极(2)和电导测量外电路(5)；其中，倾斜悬臂梁(1)固定在支撑平台(4)上，并与支撑平台(4)之间呈一定夹角；至少一组导电纳米粒子点阵(3)沉积于倾斜悬臂梁(1)正反表面一一对应的相同位置；导电微电极(2)设于各组导电纳米粒子点阵(3)的两侧，在倾斜悬臂梁(1)的正反表面对称分布；电导测量外电路(5)与导电微电极(2)电连接；正反表面纳米粒子点阵(3)的导电能力会随着吹响倾斜悬臂梁(1)的气流方向、压力以及温度的不同呈现出可区分的响应趋势，通过电导测量外电路(5)同步测量处于倾斜悬臂梁(1)正反表面的导电纳米粒子点阵(3)的电导变化，正反表面的导电纳米粒子点阵(3)的电导变化率随温度变化有同幅度的变化；气流压力作用于倾斜悬臂梁会造成悬臂梁弯曲，正反表面的导电纳米粒子点阵(3)的电导随气流压力变化呈趋势相反的变化；切换气体流向，同一面内的导电纳米粒子点阵(3)的电导变化趋势与气体流向切换前相反，以此同步测量气流压力与气流温度，判断气流方向。
2.如权利要求1所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，支撑平台(4)的材料选择聚合物薄膜或金属夹具，聚合物薄膜包括聚二甲基硅氧烷或硬质塑料，金属夹具包括不锈钢或铜。
3.如权利要求1所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，所述倾斜悬臂梁(1)衬底为绝缘薄膜，其电阻率≥109Ω·m，弹性模量为100kPa-4000MPa，厚度为0.05mm-1mm，其材质包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氨酯、云母或氧化铝。
4.如权利要求1所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，所述导电纳米粒子点阵(3)材质为金、银、钯、铂、铬、铝或者氧化铟锡，粒子的平均尺寸为5-30nm，相邻粒子间的平均间隙为0.1-5nm，导电纳米粒子点阵(3)覆盖率为30-90％；电子在粒子间的传输方式为量子隧穿或跳跃，每个点阵的电阻≥10kΩ。
5.如权利要求1所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，导电微电极(2)为叉指电极、平行电极或螺旋电极，材质为金、银、铜、铁或铝，电极厚度为100-300nm，两极间宽度为4μm-300μm；
所述电导测量外电路(5)采集频率为1-2000Hz，与导电微电极(2)通过直径为10-100μm的漆包线连接。
6.如权利要求1所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，所述传感器的测量温度范围为-20～70℃。
7.如权利要求1所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，所述传感器的测量气流压力范围为0.5-1000Pa。
8.如权利要求1所述的一种可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器，其特征在于，所述传感器能够判断气体正向流动或反向流动。
9.权利要求1～8任一所述可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
第1步、挑选作为倾斜悬臂梁(1)衬底的高分子聚合物薄膜，其表面光滑洁净、无明显划痕；
第2步、在作为倾斜悬臂梁(1)衬底的高分子聚合物薄膜的正反表面对应位置印刷导电微电极(2)，采用掩模覆盖印刷或蒸镀；
第3步、在作为倾斜悬臂梁(1)衬底的高分子聚合物薄膜的一个表面上的导电微电极(2)之间沉积一定覆盖率的导电纳米粒子点阵(3)，导电纳米粒子由磁控等离子体气体聚集团簇源产生并通过气压差形成纳米粒子束流沉积填充至导电微电极(2)之间；沉积过程中，将相应导电微电极(2)两端接入监测电路以实现导电纳米粒子点阵(3)电导的实时监测；在一面导电纳米粒子点阵(3)沉积完成后，将高分子聚合物薄膜翻面后以相同沉积参数沉积另一面导电纳米粒子点阵(3)；
第4步、导电纳米粒子点阵(3)沉积完成后，将倾斜悬臂梁(1)固定于支撑平台(4)，并将导电微电极(2)的引脚与电导测量外电路(5)的输入端通过漆包线一一对应相连；
第5步、将固定有倾斜悬臂梁(1)的支撑平台(4)处于温度变化环境中，分别测量不同环境温度时，正反表面导电纳米粒子点阵(3)电导的变化率，并绘制曲线，求出各个点阵对温度的灵敏度系数并输入到电导测量外电路(5)，实现传感器对温度测量的标定；
第6步、将固定有倾斜悬臂梁(1)的支撑平台(4)置于气流可调的环境中，并测量吹出不同方向、不同等效压力的气流作用于倾斜悬臂梁(1)表面时，正反表面导电纳米粒子点阵(3)电导的变化率，并绘制曲线，求出各个点阵对不同气流方向、不同等效气流压力的灵敏度系数并输入到电导测量外电路(5)，实现传感器对气流压力和气流方向测量的标定。
10.权利要求1～8任一所述可同步测量气流压力与气流温度的柔性传感器在工业控制、气象观测、交通运输或微型人工智能探测中的应用。
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