一种适合高低温工况的冷膜传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于传感器测量相关技术领域，其公开了一种适合高低温工况的冷膜传感器及其制备方法，所述冷膜传感器分为X向温差型冷膜传感器及Y向原位损耗型冷膜传感器；所述X向温差型冷膜传感器包括基底层、以及间隔设置在所述基底层上的第一测温单元、降温单元及第二测温单元；所述Y向原位损耗型冷膜传感器包括基底层、设置在所述基底层表面上的降温单元及设置在所述降温单元上的测温单元。本发明专利技术具有可弯折、表贴式等特点，降温单元可以通过帕尔贴效应降温或者利用微流道散热来进行降温，且其是可以适用于高温

【技术实现步骤摘要】
一种适合高低温工况的冷膜传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于传感器测量相关
，更具体地，涉及一种适合高低温工况的冷膜传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在航空航天、涡轮发动机、表皮电子、核能等领域中，了解来流速度和壁面剪切应力有助于飞行状态调控和减阻设计。以航空领域为例，大攻角下飞行器表面会发生分离、转捩甚至失速，严重时会发生坠机事故；在高超声速状态下除激波分离等现象，近壁面气体会与壁面剧烈摩擦，发热严重，阻力陡增。因此，在高低温、高低速工况下流速测量和摩擦阻力测量有迫切需求。
[0003]目前测量流速的传感器有风速仪、皮托管、微柱传感器、热膜(Huang Y A，et al.Flexible smart sensing skin for"Fly
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Feel"morphing aircraft[J].Science China:Technological Sciences，2021.)等。风速仪结构简单，价格低廉，但尺寸大、不易加热、易结冰，同时易受雨、雪、雹、霜、雾、沙尘等障碍物影响；皮托管在一定的速度范围之内，可以达到较高的测速精度，但体积较大，本身对流场会产生扰动；微柱传感器体积小，但对近壁面流场有影响，需要外接拍摄装备，成本高且无法进行实时测量；而对于壁面剪切应力测量，目前常用的方式有普雷斯顿管、摩阻天平、热膜等，同流速测量一样，普雷斯顿管和摩阻天平会对流场和飞行器结构产生破坏。热膜传感器是一种集成在薄膜基底上的热式传感器，相较于传统硬质基板具有显著优势，它具有柔性，可弯折，经裁剪能与被测表面完美贴合以减少测量误差。这种表贴式的传感器不破坏飞行器结构且对流场干扰较小，对流速和壁面剪应力测量有重要意义。
[0004]然而，常见的实际工况复杂，具体可以分为低温低速状态、低温高速状态、高温低速状态、高温高速状态。其中，温度对传统热膜传感器的适用范围有诸多限制。传统热式传感器多采用Ni和Pt作为传感单元材料。因Ni在高温状态下极易氧化，且可能产生二次退火，会对传感器性能造成极大破坏，甚至可能被完全氧化而不导电造成失效，因此不适用于高温环境。而Pt材质的流速传感器虽然不易被氧化，但随温度的增加，其电阻温度曲线的线性度会明显下降，在高温状态下通过加热的方式并不能进行精准测量，因而这种方法只适用于低速状态。不仅如此，为了实现与曲面共形，减小测量误差，大都采用柔性基底，如深受研究人员欢迎的聚酰亚胺基底。但是在高温环境下，聚酰亚胺受限于自身性能，在超过450℃时会碳化，导致传感器直接失效。在很多实际应用中，对高温低速、高温高速环境下风速的感知至关重要，目前缺乏相关高精度的测量仪器设备和解决方案，这正是提出该研究的重要原因。
[0005]综上所述：研究制备在柔性基底上，具备可弯折、表贴式等特点且可适用于高温
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低温环境作业的流速/剪应力传感器，具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种适合高低温工况的冷膜传感器及其制备方法，其为制备在柔性基底上，具备可弯折、表贴式等特点，且可以适用于高温
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低温环境作业的测量流速/剪应力的传感器，解决了传感器不耐高温问题及热膜传感器的精准度受温度影响问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种适合高低温工况的冷膜传感器，所述冷膜传感器分为X向温差型冷膜传感器及Y向原位损耗型冷膜传感器；所述X向温差型冷膜传感器包括基底层、以及间隔设置在所述基底层上的第一测温单元、降温单元及第二测温单元；所述Y向原位损耗型冷膜传感器包括基底层、设置在所述基底层表面上的降温单元及设置在所述降温单元上的测温单元。
[0008]进一步地，所述第一测温单元及所述第二测温单元的测温方式有两种，分别为利用塞贝克效应构建的热电偶测温、以及利用热电阻测温。
[0009]进一步地，所述降温单元的降温方式包括利用帕尔贴效应降温、以及利用微流道散热。
[0010]进一步地，所述X向温差型冷膜传感器通过上下游电压差信号拟合出流速/剪应力，以实现高精度稳定的测量。
[0011]进一步地，所述Y向原位损耗型冷膜传感器通过电压信号变化拟合壁面剪切应力；同时其供电模式分为持续供电模式和间断供电模式，持续供电模式能够反应高温环境下壁面剪切应力的大小，间断供电模式下根据层流和湍流换热速度不同来寻找转捩位置。
[0012]进一步地，所述Y向原位损耗型冷膜传感器进行持续降温时，其工作原理对应的表达式为：
[0013][0014]其中Q代表其热量损耗，τ为壁面剪切应力，T为来流温度，T0为初始温度，A、B为拟合系数。
[0015]进一步地，所述基底为柔性基底，且其耐高温。
[0016]进一步地，所述第一测温单元及所述第二测温单元为铂和铂铑组成的热电偶。
[0017]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种如上所述的适合高低温工况的冷膜传感器的制备方法。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的适合高低温工况的冷膜传感器及其制备方法主要具以下有益效果：
[0019]1.降温单元采用多种方式，如利用珀耳帖效应或微流道来构建降温端，其原理与热膜传感器相反，通过热量消耗来代替热量产生，在可以测量相同量的基础上，提高了适应性。
[0020]2.本专利技术提出了多种工作模式，模式一，通过X向间隔放置降温单元和测温单元来构建温度差以拟合流速；模式二，同时通过Y向原位放置降温单元和测温单元来构建原位的热损耗，其在恒电源模式下可以拟合壁面剪应力；模式三，在Y向设计中通过给降温单元脉冲信号，由于层流湍流换热速度差异，通过反应时间可判断高温流体的稳定状态；模式四，该传感器可以只工作在温度模式下，以测量流体的温度。
[0021]3.耐高温超薄柔性：本专利技术的柔性传感器所有部分均采用了耐高温基底，如云母；耐高温无机胶水，如石墨胶水，金属部分为耐高温薄膜金属，并采用微米量级低厚度以保持柔性。同时，本专利技术中所有传感器部分优先采用MEMS工艺和光刻工艺，传感器和引线的栅丝宽度小、整体尺寸小利于共形，传感器厚度薄，可置于边界层内，对流场干扰小。
[0022]4.高稳定性、准确性：热电阻传感器在变温度的过程中，基底的热膨胀会引起电阻的变化影响其稳定性，不同于传统热膜传感器的电阻感知，本专利技术中测温方式之一的热电偶(塞贝克效应)信号以及降温方式中的帕尔贴效应和微流道冷却方式只受冷热两端影响，因此可以获得更准确的信号。
[0023]5.测温单元和降温单元：测温单元为利用塞贝克效应构建的由两种材质组合而成的传感器敏感区，材质的两接触点温度不同时，由于塞贝克效应，两种材质间会产生电压差。降温单元可为由两种金属或者半导体(N型
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P型)组成的逆热电偶(珀耳帖效应)，由于电荷载体在不同材料中处于不同的能级，在工作过程中，通单向电流促使电荷载体从低能级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适合高低温工况的冷膜传感器，其特征在于：所述冷膜传感器分为X向温差型冷膜传感器及Y向原位损耗型冷膜传感器；所述X向温差型冷膜传感器包括基底层、以及间隔设置在所述基底层上的第一测温单元、降温单元及第二测温单元；所述Y向原位损耗型冷膜传感器包括基底层、设置在所述基底层表面上的降温单元及设置在所述降温单元上的测温单元。2.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器，其特征在于：所述第一测温单元及所述第二测温单元的测温方式有两种，分别为利用塞贝克效应构建的热电偶测温、以及利用热电阻测温。3.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器，其特征在于：所述降温单元的降温方式包括利用帕尔贴效应降温、以及利用微流道散热。4.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器，其特征在于：所述X向温差型冷膜传感器通过上下游电压差信号拟合出流速/剪应力，以实现高精度稳定的测量。5.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器，其特征在于：所述Y向原位损耗型冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永安，郭栋梁，黄怡卓，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：