一种柔性气流传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种柔性气流传感器及其制备方法和应用，所述柔性气流传感器自下而上依次包括基底、叉指电极、粘合剂层和碳纤维绒毛阵列结构；所述碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维穿透粘合剂层与叉指电极接触。本发明专利技术柔性气流传感器的碳纤维绒毛阵列结构能够在微弱的气流作用下发生形变，使得绒毛间的接触电阻发生改变，从而实现对外界气流的响应。本发明专利技术的柔性气流传感器能够探测气体流速，具有响应速度快、检测极限低、检测范围宽、稳定性好等特性，且制备工艺简单，无需复杂设备，成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性气流传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于传感器
，涉及一种柔性气流传感器及其制备方法和应用，尤其涉及一种基于碳纤维绒毛阵列结构的柔性气流传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]气流传感器在气象、生物医学、工业生产等众多领域应用广泛。很多应用领域要求气流传感器必须小巧、轻便、柔性、可靠性高、易制造、低成本。目前的气流传感器包括机械式气流传感器、热线热膜式气流传感器、激光多普勒流速检测传感器等。这些测量装置比较复杂，体积和重量都较大，难以满足诸多应用场景的要求。
[0003]自然界中，生物通过长期进化，发展出许多巧妙的微型传感结构，值得研究和借鉴。例如，很多动植物表皮或表面由纤毛(或毛发)覆盖，微弱气流或振动能够引起纤毛形变，微小的形变引发纤毛下方神经细胞的冲动，从而获得感知能力。其微小尺寸、柔性、灵敏、快捷的特点往往是人造传感器所不能同时具备的。
[0004]目前有许多相关的工作被公开。CN112858717A公开了一种仿生气流传感器，在气流作用下，通孔内的毛杆结构相对于基座产生偏转，对测量区域的至少一个狭缝进行挤压，实现对气流流速检测。该专利技术的结构较为简单，还是难以满足小巧、轻便以及柔性的要求，同时检测极限较高。CN112858716A公开了一种微气流传感器。当微气体作用在石墨烯层上时，使石墨烯层发生形变，引起石墨烯层载流子密度改变，并通过输入电流来测得气流流速。此方法单元过多不易操作，且针对微气流，检测范围较窄。CN112881478A公开了一种基于硅微/纳米线的微型化双功能气流传感器，其利用单根硅微/纳米线形成导电回路进行气流传感，此方法制备工艺简单，且灵敏度高，若是基底采用柔性高分子可以实现可穿戴的要求，但是采用单根硅微米/纳米线，可能存在稳定性的问题。CN109322147A公开了一种负载有碳纳米管的碳化织物及其气流传感器的制备方法，该专利技术虽然具有柔性且优异的气流传感性能，但制备过程温度过高(>500℃)，且附着力可能较差。
[0005]因此，在本领域中，期待开发一种高效、简便的柔性气流传感器。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种柔性气流传感器及其制备方法和应用，特别是提供一种基于碳纤维绒毛阵列结构的柔性气流传感器及其制备方法和应用。本专利技术的柔性气流传感器具有优异的气流传感性能，能够探测气体流速，响应速度快、检测极限低、范围宽、稳定性好，且可操作性好，其具有柔性、可贴合在任意形状基底表面，并且制备方法简单，不需要高温条件。本专利技术的柔性气流传感器在监测流速、判断复杂管道漏气位置等实际场景中具有很大的应用前景。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种柔性气流传感器，所述柔性气流传感器自下而上依次包括基底、叉指电极、粘合剂层和碳纤维绒毛阵列结构；
[0009]所述碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维穿透粘合剂层与叉指电极接触。
[0010]本专利技术柔性气流传感器上的碳纤维绒毛阵列结构类似于自然界中昆虫的纤毛结构，可以在微弱气流的作用下发生形变，使得传感器对于气流的反应迅速、精确。
[0011]本专利技术中碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维绒毛之间相互搭接接触，形成导电网络，其取向具有准垂直的特点，同时碳纤维扎透粘合剂层与叉指电极接触。因为粘合剂层是不导电的，碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维需要与叉指电极接触，才能将电流传输到叉指电极，形成电流回路，从而实现传感功能。本专利技术的“准垂直”指的是碳纤维取向大体上与粘合剂层垂直，即，相对于粘合剂层(或基底)的取向角大于45
°
的纤维的数量超过90％。
[0012]本专利技术提供的柔性气流传感器的传感原理是：碳纤维绒毛阵列结构类似于自然界中昆虫的纤毛结构，因为碳纤维具有优异的导电性能，准垂直取向的碳纤维之间相互搭接而形成导电网络。碳纤维绒毛阵列结构形成的导电网络在受到不同流速气流的作用下发生形变，而不同的形变量导致碳纤维绒毛阵列之间的接触电阻发生相应的改变，从而实现对气流的感知。
[0013]优选地，所述碳纤维绒毛阵列结构由碳纤维组成。
[0014]优选地，所述碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
[0015]优选地，所述碳纤维的直径为7
‑
10μm，例如7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm或10μm等。
[0016]优选地，所述碳纤维的长度为100
‑
500μm，例如100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等。
[0017]如果碳纤维的长度小于100μm，碳纤维在静电场中的取向太差，碳纤维几乎完全倒伏，在气流作用下的形变微小，传感性能差，如果碳纤维的长度大于500μm，碳纤维在电场中取向优异，从而导致面密度增加，过大的面密度阻碍了碳纤维在受到气流吹拂时的形变，导致传感性能下降。
[0018]可通过将原始碳纤维剪碎得到上述长度的碳纤维，将原始碳纤维剪碎后，为了得到长度相近的碳纤维绒毛，可通过机械振动的方式采用筛网对碳纤维绒毛进行分筛，具体操作如下：
[0019]将切割好的碳纤维绒毛置于机械振动筛中，筛网目数从上到下依次为：100目、200目、300目，机械振动筛分1
‑
3h。在每个目数筛网上的碳纤维的长度接近，例如，在100目筛网上的碳纤维的长度大体一致，在200目筛网上的碳纤维的长度大体一致，在300目筛网上的碳纤维的长度大体一致。
[0020]优选地，所述基底为柔性聚合物薄膜。
[0021]优选地，所述柔性聚合物薄膜包括聚酰亚胺(PI)薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，优选聚酰亚胺薄膜。
[0022]优选地，所述粘合剂层的厚度为5
‑
20μm，例如5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm等。如果粘合剂层的厚度小于5μm，则无法维持住碳纤维绒毛阵列结构，碳纤维会在气流作用下脱落，导致传感器失效。而如果粘合剂层的厚度大于20μm，碳纤维无法扎透粘合剂层，无法实现传感性能。
[0023]优选地，所述粘合剂层的杨氏模量为500
‑
1500kPa，例如500kPa、600kPa、700kPa、800kPa、900kPa、1000kPa、1100kPa、1200kPa、1300kPa、1400kPa或1500kPa等。
[0024]优选地，所述粘合剂层由粘合剂固化而成，所述粘合剂的制备方法包括以下步骤：
[0025]将柔性聚合物和固化剂混合，得到所述粘合剂。
[0026]优选地，所述柔性聚合物包括道康宁184硅橡胶A组分。加入固化剂固化后的柔性聚合物模量(即粘合剂层的杨氏模量)与人体皮肤的模量较为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性气流传感器，其特征在于，所述柔性气流传感器自下而上依次包括基底、叉指电极、粘合剂层和碳纤维绒毛阵列结构；所述碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维穿透粘合剂层与叉指电极接触。2.根据权利要求1所述的柔性气流传感器，其特征在于，所述碳纤维绒毛阵列结构由碳纤维组成；优选地，所述碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维；优选地，所述碳纤维的直径为7
‑
10μm；优选地，所述碳纤维的长度为100
‑
500μm。3.根据权利要求1或2所述的柔性气流传感器，其特征在于，所述基底为柔性聚合物薄膜；优选地，所述柔性聚合物薄膜包括聚酰亚胺薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，优选聚酰亚胺薄膜。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的柔性气流传感器，其特征在于，所述粘合剂层的厚度为5
‑
20μm；优选地，所述粘合剂层的杨氏模量为500
‑
1500kPa。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的柔性气流传感器，其特征在于，所述粘合剂层由粘合剂固化而成，所述粘合剂的制备方法包括以下步骤：将柔性聚合物和固化剂混合，得到所述粘合剂；优选地，所述柔性聚合物包括道康宁184硅橡胶A组分；优选地，所述固化剂包括道康宁184硅橡胶B组分；优选地，所述柔性聚合物和固化剂的质量比为(10
‑
20):1；优选地，所述混合在脱泡搅拌机中进行；优选地，所述混合之后还包括真空脱泡的步骤。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的柔性气流传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)在基底上固定叉指电极的金属掩模板，放入热蒸镀仪中沉积金属靶材，得到沉积有叉指电极的基底；(2)将粘合剂涂覆在步骤(1)得到的基底上，覆盖叉指电极的叉...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈忱，张晖，张忠，孙帅，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：