CN112162112B - 一种柔性热对流加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性热对流加速度传感器，属于传感器技术领域。该传感器包括由上至下四层结构，分别为导流层1、中间隔板2、粘结层3、柔性基底层4；所述粘结层3中心开有隔热腔5；由于气体导热速率远高于固体导热速率；所述中间隔板上表面贴有加热器6与一对感温元件7，下表面贴有加热补偿8；所述导流层1内设与感温元件7垂直的水平贯穿通道，通道高度为导流层厚度，通道两端开口呈锥形。本发明在继承了微机械热对流传感器优势的基础上，进一步提高了热对流传感器的灵敏度。

Description

一种柔性热对流加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种柔性热对流加速度传感器，属于传感器技术领域，尤其涉及一种柔性热对流加速度传感器领域。

背景技术

加速度传感器是一种用来测量物体运动加速度的惯性器件，MEMS(微机电***)加速度传感器由于其尺寸小、易集成等优点被广泛运用于汽车电子、智能手机、地震监测、仿生生物等领域。随着航空航天、可穿戴电子、电子显示、生物传感等技术的快速发展，对于MEMS加速度传感器可弯曲性、延展性以及生物兼容性的要求越来越突出。因此，研究柔性加速度传感器具有重要的基础理论价值和极具潜力的应用前景。

传统的MEMS加速度传感器通常需要检测质量块。质量块的存在导致传感器的测量范围窄、耐冲击能力弱、可靠性低，同时还导致传感器尺寸较大、加工成本较高。为了解决上述存在的问题，如公开号为CN1161618C的中国专利公开了一种微型硅桥式热对流加速度传感器，包括一密封腔体，在该腔体中心处的一加热丝，对称置于该加热丝两侧的两对温度传感器，以及由该两队温度传感器构成的桥式温度检测电路。该型加速度传感器采用热对流的原理来检测加速度信息，腔体中心的加热丝作为热源，在空腔中产生一个悬浮的热气团，在未受到加速度作用时，温度的下降陡度关于热源中心对称，此时，对称置于该加热丝两侧的温度传感器之间温差为零，由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称，此时温度传感器对因感应温度而产生的输出出现差异，该差异直接与所感应的加速度成比例。该型热对流加速度传感器没有质量块，具有高量程、耐冲击等优点。但是，该型热对流加速度传感器采用硅作为主要材料，一方面，不可避免地需要使用到半导体加工工艺，包含光刻、气相沉积、等离子刻蚀等工序，难以降低制造成本；另一方面，硅基器件无法满足新型应用如可穿戴设备等对传感器的拉伸与弯曲性能要求。为了克服上述问题，如公开号为CN106990262A的中国专利公开了一种热对流加速度传感器，包括密封腔体、加热元件、若干感温元件和测量电路。该型热对流加速度传感器的密封腔体为合成树脂通过注塑、纳米压印或3D打印制备而成。克服了硅基工艺技术中的缺陷，具有制造简单、材料易获取的优点，极大地降低了热对流式加速度传感器的成本。但是，由于传感器与外部环境之间的热传递，腔室内热量不可避免经腔体向外耗散，热耗散严重限制了传感器的灵敏度，同时该方案并未适应热对流加速度传感器在柔性领域的应用。因此，为了保证传感器具有足够柔韧度，进一步提高热对流加速度传感器的灵敏度，本文提出一种柔性热对流加速度传感器。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的上述缺陷，提出一种高灵敏度的柔性热对流加速度传感器。

本发明提出的高灵敏度柔性热对流加速度传感器如参考图1、2所示，其特征在于，包括由上至下四层结构，分别为导流层1、中间隔板2、粘结层3、柔性基底层4；所述粘结层3中心开有通孔，其与上下相邻两层构成一密闭空腔，即隔热腔5；由于气体导热速率远高于固体导热速率，因此隔热腔显著降低了热量由基底耗散的速度。所述中间隔板上表面贴有加热器6与一对感温元件7，下表面贴有加热补偿8，其中，加热补偿8位于隔热腔内顶部正中位置，加热器6位于中间隔板上表面正中位置，且加热器6与加热补偿8位于同一竖直面内，感温元件7关于加热器6对称设置，所述加热器6、加热补偿8、感温元件7皆为条状结构。所述隔热腔5水平宽度不大于俩感温元件7之间的水平距离，保证感温元件7不受隔热腔5 内热对流的影响。所述导流层1内设与感温元件7垂直的水平贯穿通道，通道高度为导流层厚度，通道两端开口呈锥形，锥形区域内通道宽度自外向内逐渐减小至最小宽度，加热器6与感温元件7皆位于该通道的最小宽度区域内。通道两侧的锥形区域为导流槽9，其作用是增大通道最小宽度区域内的气体流速，提高传感器灵敏度。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的一种柔性热对流加速度传感器，其基底由柔性金属材料或柔性有机材料如聚酰亚胺等制备而成，具有良好的可弯曲性与延展性；加热器与基底之间设置隔热腔与加热补偿，有效降低加热器热损耗；通过设置导流槽提高传感器的响应速度与灵敏度。本发明在继承了微机械热对流传感器优势的基础上，进一步提高了热对流传感器的灵敏度。

下面结合图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的横切面图

图2是本发明的轴测图

1-导流层、2-中间隔板、3-粘结层、4-柔性基底层、5-隔热腔、6-加热器、 7-感温元件、8-加热补偿器、9-导流槽，a-加速度方向。

具体实施方式

参考图1～2，本发明提供了一种柔性热对流加速度传感器。包括由上至下四层结构，分别为导流层(1)、中间隔板(2)、粘结层(3)、柔性基底层(4)。本例中四层结构整体尺寸为10mm×10mm×2.8mm，其中，所述粘结层中心开有通孔，其与上下两层构成一密闭空腔，即隔热腔(5)，本例中隔热腔尺寸为5mm ×5mm×1mm。隔热腔内部充填空气等导热系数低的气体，本例中填充气体为空气，由于气体导热系数远低于固体导热系数，因此隔热腔显著降低了热量由基底耗散的速度。所述中间隔板上表面贴有加热器(6)与一对感温元件(7)，下表面贴有加热补偿(8)，其中，加热补偿位于隔热腔内顶部正中位置，加热器位于中间隔板上表面正中位置，且加热器与加热补偿位于同一竖直面内，感温元件关于加热器对称设置，所述加热器、加热补偿、感温元件皆为条状结构，本例中加热器选用金属丝，感温元件为热敏电阻，金属丝与热敏电阻长度皆为8.6mm。(所述隔热腔水平宽度略小于俩感温元件之间的水平距离，本例中两者之差为 0.3mm)，保证感温元件不受隔热腔内热气流动的影响。所述导流层内设与感温元件垂直的水平贯穿通道，通道高度为导流层厚度，本例中导流层厚度为1mm，通道两侧开口呈锥形，锥形区域内通道宽度自外向内逐渐减小至最小宽度，本例中通道最小宽度为6.6mm，锥形区域单边水平宽度为1.2mm，锥度为45°，锥形区域至传感器侧边的距离为0.7mm，加热器与感温元件皆位于该通道的最小宽度区域内。通道两侧的锥形区域为导流槽(9)，其作用是增大通道最小宽度区域内的气体流速，提高传感器灵敏度。

该柔性衬底选用柔性有机材料如PI或者PMMA等或柔性金属材料如金属薄膜，柔性衬底可使传感器可贴附于弯曲表面。隔热腔为多层柔性材料通过纳米压印或3D打印等方式制备而成，内部充填空气等导热系数低的气体，极大地减缓加热器热量经由基底耗散的速度，由于热对流加速度传感器的灵敏度与加热器功率相关，加热器功率越大，传感器灵敏度越高，因此，减缓加热器热耗散有益于提高传感器的灵敏度。导流槽为由外向内逐步缩小的凹槽，当有加速度作用时，传感器运动状态发生变换，由于惯性的作用，加热器加热产生的局部热气团仍保持原状态，导致热气团与传感器固件之间产生相对运动，进而形成热对流，假定参考系为传感器固件，则当热气流经由传感器一端至另一端的过程中，需经过一段横截面积逐渐缩小的导流槽，该导流槽加速了热气流，加剧热气流形成的温度变化，导致两感温元件处的温差增大，提高了传感器的灵敏度。加热补偿器位于隔热腔顶部正中位置，可以补偿加热器的热损耗。

Claims (1)

1.一种柔性热对流加速度传感器，其特征在于，包括由上至下四层结构，分别为导流层(1)、中间隔板(2)、粘结层(3)、柔性基底层(4)；所述粘结层(3)中心开有通孔，其与上下相邻两层构成一密闭空腔，即隔热腔(5)；所述中间隔板上表面贴有加热器(6)与一对感温元件(7)，下表面贴有加热补偿(8)，其中，加热补偿(8)位于隔热腔内顶部正中位置，加热器(6)位于中间隔板上表面正中位置，且加热器(6)与加热补偿(8)位于同一竖直面内，感温元件(7)关于加热器(6)对称设置，所述加热器(6)、加热补偿(8)、感温元件(7)皆为条状结构；所述隔热腔(5)水平宽度不大于俩感温元件(7)之间的水平距离，所述导流层(1)内设与感温元件(7)垂直的水平贯穿通道，通道高度为导流层厚度；所述柔性基底层(4)为柔性有机材料或柔性金属材料，柔性基底层(4)使传感器可贴附于弯曲表面；

所述导流层(1)内设的水平贯穿通道两端开口呈锥形，锥形区域内通道宽度自外向内逐渐减小至最小宽度，加热器(6)与感温元件(7)皆位于该通道的最小宽度区域内；通道两侧的锥形区域为导流槽(9)；所述导流槽(9)为由外向内逐步缩小的凹槽，当有加速度作用时，传感器运动状态发生变换，由于惯性的作用，加热器加热产生的局部热气团仍保持原状态，导致热气团与传感器固件之间产生相对运动，进而形成热对流，假定参考系为传感器固件，则当热气流经由传感器一端至另一端的过程中，经过一段横截面积逐渐缩小的导流槽(9)，导流槽(9)加速了热气流，加剧热气流形成的温度变化，导致两感温元件处的温差增大，提高了传感器的灵敏度。

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