CN108918906A - 一种流速传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流速传感器及其制备方法。所述流速传感器包括双层聚酰亚胺薄膜基底、石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线；通过在所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面设置仿生纤毛结构和石墨烯/聚酰亚胺压阻单元，从而可以通过测量所述仿生纤毛结构受外部流体作用弯曲引起所述压阻单元应力变化，进而测量流速大小。所述流速传感器结构简单、易于批量化生产，采用仿生毛发感知外界流体流速设计，具有结构灵敏、测量精度高的优点；并且所述流速传感器采用聚酰亚胺薄膜作为柔性基底，更便于将其布置于弧形翼面或其他可能的曲面表面。

Description

一种流速传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及流速测量技术领域，特别是涉及一种流速传感器及其制备方法。

背景技术

流速传感器是水下自主机器人和自稳定微型飞行器感知外界流场变化信息不可或缺的手段。尤其对于体积小、质量轻的微型飞行器来说，复杂环境翼表流场实时感知是提高其抗风能力和实现飞行过程主动控制的关键。

传统的流速测量手段，比如热线风速仪、涡轮流量计、声学多普勒频移测速和粒子图像示踪，由于体积大、灵敏度低、结构复杂等原因不能满足上述微型飞行器应用要求。毛发式传感器作为一种新型微传感器，通过仿生学原理，模仿自然界中生物毛发进行传感器设计，具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，得到研究者的普遍关注。

2017年6月公开的一种毛缝结合的仿生气体流速传感器专利(公开号：CN106872724A)，是基于蝎子缝感受器和感知毛感知机理，采用带有微纳狭缝的石墨烯导电层作为压阻单元，绝缘材料制成的嵌缝毛杆作为气体流速感受器和固定底座，具有较高的灵敏度和精度，但是该仿生毛发结构复杂、不利于微型化，并且其采用的刚性底座不利于布置在微型飞行器柔性翼面表面。

发明内容

本发明的目的是提供一种流速传感器及其制备方法，能够解决现有气体流速传感器结构复杂、不利于布置在微型飞行器柔性翼面表面的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种流速传感器，所述流速传感器包括：双层聚酰亚胺薄膜基底、石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线；所述双层聚酰亚胺薄膜基底包括上层聚酰亚胺薄膜和下层聚酰亚胺薄膜；所述下层聚酰亚胺薄膜的一端具有方形空腔结构；所述上层聚酰亚胺薄膜包括固定部和仿生纤毛结构；所述仿生纤毛结构的根部与所述固定部连接；所述固定部与所述下层聚酰亚胺薄膜紧密键合在一起；所述仿生纤毛结构立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面；所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元布置在所述仿生纤毛结构根部；所述信号引线布置在所述固定部表面，所述信号引线与所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元连接。

可选的，所述仿生纤毛结构为矩形、T字形或者梳齿状的悬臂梁结构。

可选的，所述上层聚酰亚胺薄膜的厚度小于所述下层聚酰亚胺薄膜的厚度。

可选的，所述仿生纤毛结构的表面积小于所述方形空腔结构的面积。

可选的，所述信号引线包括第一信号引线和第二信号引线；所述第一信号引线和所述第二信号引线分别与所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元的两端连接。

本发明还提供一种流速传感器的制备方法，所述制备方法包括：

准备方形结构的下层聚酰亚胺薄膜；

采用模具冲压方法在所述下层聚酰亚胺薄膜的一端冲压出方形空腔结构；

采用喷涂法在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面粘贴上层聚酰亚胺薄膜，形成双层聚酰亚胺薄膜基底；

采用打印技术在所述上层聚酰亚胺薄膜的一端印制石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线；所述信号引线与所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元连接；

采用涂布法及模具冲压方法在所述上层聚酰亚胺薄膜上制备仿生纤毛结构；所述仿生纤毛结构立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面。

可选的，所述采用喷涂法在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面粘贴上层聚酰亚胺薄膜，形成双层聚酰亚胺薄膜基底，具体包括：

在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面均匀喷涂一层3M喷胶，将所述上层聚酰亚胺薄膜粘贴于所述下层聚酰亚胺薄膜上，形成所述双层聚酰亚胺薄膜基底。

可选的，所述采用打印技术在所述上层聚酰亚胺薄膜的一端印制石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线，具体包括：

对所述上层聚酰亚胺薄膜的上表面进行酸化处理，形成具有羧基基团的表面；

将预先配置好的预设质量比的石墨烯/聚酰亚胺混合溶液，通过点胶机打印于所述上层聚酰亚胺薄膜的一端，经过加热固化形成微图案化的石墨烯/聚酰亚胺混合线；

将银微粒/聚酰亚胺混合溶液通过点胶机打印于所述石墨烯/聚酰亚胺混合线的一侧，经过加热固化形成第一信号引线和第二信号引线；所述第一信号引线和所述第二信号引线分别与所述石墨烯/聚酰亚胺混合线的两端连接；

通过所述第一信号引线和所述第二信号引线对所述石墨烯/聚酰亚胺混合线进行放电击穿处理，形成所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元。

可选的，所述采用涂布法及模具冲压方法在所述上层聚酰亚胺薄膜上制备仿生纤毛结构，具体包括：

在所述上层聚酰亚胺薄膜的上表面涂布一层强阳离子聚电解质溶液，待其自然风干；采用模具在所述上层聚酰亚胺薄膜上对应于所述方形空腔结构的位置冲压出悬臂梁结构，保证所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元位于所述悬臂梁结构的根部；所述悬臂梁结构为矩形、T字形或者梳齿状；所述悬臂梁结构自弯曲形成所述仿生纤毛结构；所述仿生纤毛结构立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种流速传感器及其制备方法，所述流速传感器包括双层聚酰亚胺薄膜基底、石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线；通过在所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面设置仿生纤毛结构和石墨烯/聚酰亚胺压阻单元，从而可以通过测量所述仿生纤毛结构受外部流体作用弯曲引起所述压阻单元应力变化，进而测量流速大小。所述流速传感器结构简单、易于批量化生产，并且采用仿生毛发感知外界流体流速设计，具有结构灵敏、测量精度高的优点，以检测电阻变化为表征手段，抗电磁干扰能力强；并且所述流速传感器采用聚酰亚胺薄膜作为柔性基底，更便于将其布置于弧形翼面或其他可能的曲面表面。

此外本发明采用石墨烯/聚酰亚胺打印技术和放电技术制备压阻单元，采用银微粒/聚酰亚胺打印技术制备信号引线，具有制备方法简单、易于微图案化和批量化的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的流速传感器实施例一的立体结构图；

图2为本发明提供的流速传感器实施例一的俯视图；

图3为本发明提供的流速传感器实施例二的立体结构图；

图4为本发明提供的流速传感器实施例三的立体结构图；

图5为本发明提供的流速传感器的工作原理示意图；

图6为本发明提供的流速传感器的制备方法的方法流程图；

图7为本发明提供的石墨烯/聚酰亚胺压阻单元电阻随风速变化的响应图；

图8为本发明提供的石墨烯/聚酰亚胺压阻单元电阻和风速计测得的风速随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种流速传感器及其制备方法，能够解决现有气体流速传感器结构复杂、不利于布置在微型飞行器柔性翼面表面的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的流速传感器实施例一的立体结构图。图2为本发明提供的流速传感器实施例一的俯视图。参见图1和图2，本发明提供的流速传感器通体采用有机材料制成，具体包括：双层聚酰亚胺薄膜基底、石墨烯/聚酰亚胺压阻单元3和信号引线4。所述双层聚酰亚胺薄膜基底为采用聚酰亚胺薄膜制备的柔性传感器基底，具体包括上层聚酰亚胺薄膜2和下层聚酰亚胺薄膜1。所述双层聚酰亚胺基底是下层薄膜具有方形或者矩形空腔结构的柔性传感器基底。

所述下层聚酰亚胺薄膜1的一端具有方形空腔结构102a。所述方形空腔结构102a由所述下层聚酰亚胺薄膜1通过模具冲压形成，所述方形空腔结构102a尺寸为5×5mm。

所述上层聚酰亚胺薄膜2包括固定部201和仿生纤毛结构202。所述仿生纤毛结构202的根部202a与所述固定部201连接。所述仿生纤毛结构202立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面，作为仿生纤毛状流速感受器。

其中所述下层聚酰亚胺薄膜1相比于所述上层聚酰亚胺薄膜2较厚，所述下层聚酰亚胺薄膜1和所述上层聚酰亚胺薄膜2通过喷胶粘贴在一起，因此所述上层聚酰亚胺薄膜2的所述固定部201与所述下层聚酰亚胺薄膜1紧密键合在一起。所述仿生纤毛结构202立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面，是由双层聚酰亚胺薄膜基底的上层薄膜通过自弯曲方法实现，具体是由强阳离子聚电解质(聚二甲基二烯丙基氯化铵)溶液自然风干，对上层聚酰亚胺薄膜表面施加一定的拉应力，经过自弯曲作用形成。

所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元3布置在所述仿生纤毛结构202根部，是经加热固化和放电处理形成的具有较高灵敏度系数的压阻单元。当所述仿生纤毛结构202受外部流体作用而弯曲时，引起所述压阻单元3的应力变化，进而引起压阻单元3的电阻变化。所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元3为“几字形”微图案形状。所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元3是基于石墨烯/聚酰亚胺混合溶液，经过打印技术、加热固化和放电技术制备形成，所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元3经过放电击穿技术处理，具有较高的灵敏度系数。

所述信号引线4布置在所述固定部201表面，所述信号引线4包括第一信号引线401和第二信号引线402，所述第一信号引线401和所述第二信号引线402分别与所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元3几字形结构的两端相连。所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元3和所述信号引线4通过打印技术印制于所述双层聚酰亚胺基底上。所述信号引线4是基于导电微粒/聚合物混合溶液，经过打印技术和加热固化形成的具有高导电率的柔性信号引线。

其中，所述上层聚酰亚胺薄膜2的厚度小于所述下层聚酰亚胺薄膜1的厚度。所述仿生纤毛结构202的表面积小于所述方形空腔结构102a的面积。

所述仿生纤毛结构202可以为矩形、T字形或者梳齿状的悬臂梁结构。图1为本发明提供的流速传感器实施例一的立体结构图。图3为本发明提供的流速传感器实施例二的立体结构图。图4为本发明提供的流速传感器实施例三的立体结构图。所述流速传感器实施例二和实施例三与实施例一的区别仅在于，所述仿生纤毛结构202的形状不同，其余部分均相同。参见图1，所述仿生纤毛结构202设置为矩形。参见图3，所述仿生纤毛结构202设置为T字形。参见图4，所述仿生纤毛结构202设置为梳齿状。

图5为本发明提供的流速传感器的工作原理示意图。参见图5，本发明提供的是一种基于石墨烯/聚酰亚胺压阻单元打印技术的流速传感器，涉及复杂环境翼表流场的实时感知，当处于初始位置501的仿生纤毛结构202受到速度为V的流体扰动时，会摆动到仿生纤毛202所在的当前位置502，并且由于受到纤毛根部拉伸作用，处于初始状态503的压阻单元3的电阻会由R0变化为压阻单元3所在当前位置504的电阻R。电阻变化量R-R0的大小和流体速度V成正相关，因此根据压阻单元3的电阻变化量大小可以表征流速大小。

可见，本发明提供的所述流速传感器通过在所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面设置仿生纤毛结构和石墨烯/聚酰亚胺压阻单元，从而可以通过测量所述仿生纤毛结构受外部流体作用弯曲引起所述压阻单元应力变化，进而测量流速大小。所述流速传感器结构简单、易于批量化生产，并且采用仿生毛发感知外界流体流速设计，具有结构灵敏、测量精度高的优点，以检测电阻变化为表征手段，抗电磁干扰能力强；并且所述流速传感器采用聚酰亚胺薄膜作为柔性基底，更便于将其布置于弧形翼面或其他可能的曲面表面。

本发明还提供一种流速传感器的制备方法。所述方法用于制备所述流速传感器。图6为本发明提供的流速传感器的制备方法的方法流程图。参见图6，所述制备方法包括：

步骤601：准备方形结构的下层聚酰亚胺薄膜；

步骤602：采用模具冲压方法在所述下层聚酰亚胺薄膜的一端冲压出方形空腔结构。所述方形空腔结构的尺寸为5×5mm。

步骤603：采用喷涂法在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面粘贴上层聚酰亚胺薄膜，形成双层聚酰亚胺薄膜基底。具体包括：

在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面均匀喷涂一层3M喷胶，将所述上层聚酰亚胺薄膜粘贴于所述下层聚酰亚胺薄膜上，形成所述双层聚酰亚胺薄膜基底。

步骤604：采用打印技术在所述上层聚酰亚胺薄膜的一端印制石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线。具体包括：

对所述上层聚酰亚胺薄膜的上表面进行酸化处理，形成具有羧基基团的表面；

将预先配置好的适当质量比的石墨烯/聚酰亚胺混合溶液，通过点胶机打印于所述上层聚酰亚胺薄膜的一端，进一步的加热固化，形成微图案化的石墨烯/聚酰亚胺混合线；所述石墨烯/聚酰亚胺混合线为“几字形”微图案形状；

将银微粒/聚酰亚胺混合溶液，通过点胶机打印于所述石墨烯/聚酰亚胺混合线的一侧，经过加热固化形成导电性良好的柔性信号引线，用于连接微图案化的所述石墨烯/聚酰亚胺混合线端部。所述信号引线具体包括第一信号引线和第二信号引线；所述第一信号引线和所述第二信号引线分别与呈几字形的所述石墨烯/聚酰亚胺混合线的两端连接用于信号引出；

进一步的，通过所述第一信号引线和所述第二信号引线对所述石墨烯/聚酰亚胺混合线进行放电击穿处理，经过一定电流大小和一定时间的放电处理后，制备出具有较高灵敏度系数的压阻单元，即所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元。所述压阻单元正对于所述方形空腔结构102a上方。

步骤605：采用涂布法及模具冲压方法在所述上层聚酰亚胺薄膜上制备仿生纤毛结构，具体包括：

在所述上层聚酰亚胺薄膜的上表面涂布一层强阳离子聚电解质溶液，待其自然风干，对所述上层聚酰亚胺薄膜的表面施加预拉伸应力，以使后续冲压形成的悬臂梁结构可自弯曲形成所述仿生纤毛结构。

采用模具在所述上层聚酰亚胺薄膜上对应于所述方形空腔结构的位置冲压出悬臂梁结构，所述悬臂梁结构的面积小于方形空腔结构102a的面积，并保证所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元位于所述悬臂梁结构的根部；所述悬臂梁结构为矩形、T字形或者梳齿状，分别如图1、图3、图4所示。

由于强阳离子聚电解质(聚二甲基二烯丙基氯化铵)的拉应力作用，所述悬臂梁结构自弯曲形成所述仿生纤毛结构，因此所述仿生纤毛结构立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面。当外界流体流过纤毛时，所述仿生纤毛结构202会发生弯曲，并对位于根部的压阻单元3产生拉伸作用，使压阻单元3电阻发生变化。流体速度越大，纤毛弯曲量越大，压阻单元3的电阻变化量也越大，从而实现对流速的感知测量。

可见本发明提供的一种流速传感器的制备方法，基于石墨烯/聚合物打印技术和石墨烯/聚合物放电技术制备微图案化、高灵敏度系数的气体流速传感器，具有精度高、体积小、质量轻、工艺简单、易于批量化生产的优点。

下面通过实验验证本发明流速传感器具有结构灵敏、精度高的优点。图7为本发明提供的石墨烯/聚酰亚胺压阻单元电阻随风速变化的响应图。如图7所示，本发明流速传感器中的石墨烯/聚酰亚胺压阻单元电阻随风速变化而变化，且二者变化趋势一致，压阻单元电阻随风速变化具有较高的线性关系，因此可以准确测量风速变化，从图7中可以看出，本发明提供的仿生纤毛流速传感器可检测风速范围为0-20m/s。

图8为本发明提供的石墨烯/聚酰亚胺压阻单元电阻和风速计测得的风速随时间变化的曲线图。从图8中可以看出，本发明流速传感器中的石墨烯/聚酰亚胺压阻单元电阻和风速计测得的风速随时间变化趋势一致，二者具有对应关系，由此可知本发明提供的仿生纤毛流速传感器对于风速响应具有较好的重复性，灵敏性好且测量精度高。

总的来说，本发明提供的一种流速传感器及其制备方法与现有技术相比，至少具备以下优点：

(1)本发明基于石墨烯/聚酰亚胺压阻单元打印技术的流速传感器可对流速大小进行测量；

(2)所述流速传感器采用聚酰亚胺薄膜作为柔性基底，更便于布置于弧形翼面或其他可能的曲面表面；

(3)采用仿生毛发感知外界流体流速设计，具有结构灵敏、测量精度高的优点，并且以检测电阻变化为表征手段，抗电磁干扰能力强；

(4)采用石墨烯/聚酰亚胺打印技术和放电技术制备压阻单元，采用银微粒/聚酰亚胺打印技术制备信号引线，具有制备简单、易于微图案化和批量化的优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种流速传感器，其特征在于，所述流速传感器包括：双层聚酰亚胺薄膜基底、石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线；所述双层聚酰亚胺薄膜基底包括上层聚酰亚胺薄膜和下层聚酰亚胺薄膜；所述下层聚酰亚胺薄膜的一端具有方形空腔结构；所述上层聚酰亚胺薄膜包括固定部和仿生纤毛结构；所述仿生纤毛结构的根部与所述固定部连接；所述固定部与所述下层聚酰亚胺薄膜紧密键合在一起；所述仿生纤毛结构立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面；所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元布置在所述仿生纤毛结构根部；所述信号引线布置在所述固定部表面，所述信号引线与所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元连接。

2.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述仿生纤毛结构为矩形、T字形或者梳齿状的悬臂梁结构。

3.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述上层聚酰亚胺薄膜的厚度小于所述下层聚酰亚胺薄膜的厚度。

4.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述仿生纤毛结构的表面积小于所述方形空腔结构的面积。

5.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述信号引线包括第一信号引线和第二信号引线；所述第一信号引线和所述第二信号引线分别与所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元的两端连接。

6.一种流速传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

准备方形结构的下层聚酰亚胺薄膜；

采用模具冲压方法在所述下层聚酰亚胺薄膜的一端冲压出方形空腔结构；

采用喷涂法在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面粘贴上层聚酰亚胺薄膜，形成双层聚酰亚胺薄膜基底；

采用打印技术在所述上层聚酰亚胺薄膜的一端印制石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线；所述信号引线与所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元连接；

采用涂布法及模具冲压方法在所述上层聚酰亚胺薄膜上制备仿生纤毛结构；所述仿生纤毛结构立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面。

7.根据权利要求6所述的流速传感器的制备方法，其特征在于，所述采用喷涂法在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面粘贴上层聚酰亚胺薄膜，形成双层聚酰亚胺薄膜基底，具体包括：

在所述下层聚酰亚胺薄膜的上表面均匀喷涂一层3M喷胶，将所述上层聚酰亚胺薄膜粘贴于所述下层聚酰亚胺薄膜上，形成所述双层聚酰亚胺薄膜基底。

8.根据权利要求6所述的流速传感器的制备方法，其特征在于，所述采用打印技术在所述上层聚酰亚胺薄膜的一端印制石墨烯/聚酰亚胺压阻单元和信号引线，具体包括：

对所述上层聚酰亚胺薄膜的上表面进行酸化处理，形成具有羧基基团的表面；

将预先配置好的预设质量比的石墨烯/聚酰亚胺混合溶液，通过点胶机打印于所述上层聚酰亚胺薄膜的一端，经过加热固化形成微图案化的石墨烯/聚酰亚胺混合线；

将银微粒/聚酰亚胺混合溶液通过点胶机打印于所述石墨烯/聚酰亚胺混合线的一侧，经过加热固化形成第一信号引线和第二信号引线；所述第一信号引线和所述第二信号引线分别与所述石墨烯/聚酰亚胺混合线的两端连接；

通过所述第一信号引线和所述第二信号引线对所述石墨烯/聚酰亚胺混合线进行放电击穿处理，形成所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元。

9.根据权利要求8所述的流速传感器的制备方法，其特征在于，所述采用涂布法及模具冲压方法在所述上层聚酰亚胺薄膜上制备仿生纤毛结构，具体包括：

在所述上层聚酰亚胺薄膜的上表面涂布一层强阳离子聚电解质溶液，待其自然风干；采用模具在所述上层聚酰亚胺薄膜上对应于所述方形空腔结构的位置冲压出悬臂梁结构，保证所述石墨烯/聚酰亚胺压阻单元位于所述悬臂梁结构的根部；所述悬臂梁结构为矩形、T字形或者梳齿状；所述悬臂梁结构自弯曲形成所述仿生纤毛结构；所述仿生纤毛结构立于所述双层聚酰亚胺薄膜基底表面。