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一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法技术

技术编号:24329398 阅读:36 留言:0更新日期:2020-05-29 19:06
本发明专利技术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。

A bionic hairy air flow velocity sensor and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法
本专利技术涉及气体流速测量
,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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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是本专利技术中仿生毛状气流流速传感器的制备方法的流程图。图2是本专利技术中仿生毛状气流流速传感器的爆炸图。图3是本专利技术中仿生毛状气流流速传感器的示意图。图4是本专利技术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专利技术的目的、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专利技术进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。请同时参阅图2-图4,本专利技术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,本专利技术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:FLcosθ=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,本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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,...

【专利技术属性】
技术研发人员:韩志武刘林鹏张俊秋牛士超侯涛孙涛张昌超孟宪存刘振宁
申请(专利权)人:吉林大学
类型:发明
国别省市:吉林;22

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