[發(fā)明專利]一種多功能微流體柔性傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711061055.3
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN107830893B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊曉鋒;卿新林;王奕首;孫虎;李嘉廷;晏子如
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01B7/16;G01L1/20;G01L9/02;G01N27/04;G01K7/00
• 代理公司: 廈門加減專利代理事務(wù)所(普通合伙) 35234
• 代理人: 李強

一種多功能微流體柔性傳感器，涉及傳感器。設(shè)有柔性基體、微流體和電極，柔性基體包括上基體和下基體，上下基體均為氣體滲透基體，上基體中帶有不同形狀的微流道，下基體中帶有電極；所述微流體位于上基體的微流道內(nèi)部，所述電極位于下基體。可用于測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形、結(jié)構(gòu)表面法向壓力、氣動壓力、環(huán)境氧氣濃度和溫度，當(dāng)用于測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形和結(jié)構(gòu)表面法向壓力時，微流道內(nèi)部微流體為導(dǎo)電液體，將微流體柔性傳感器貼于結(jié)構(gòu)表面，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力作用時，微流體的形狀也發(fā)生改變從而引起傳感器電阻發(fā)生變化，通過標定電阻變化與結(jié)構(gòu)表面變形的大小關(guān)系，進而根據(jù)測量傳感器電阻的變化計算出結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變形。制作成本低、可測量變量多、靈敏度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器，尤其是涉及基于MEMS技術(shù)，可集成于任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面，用于測量結(jié)構(gòu)所受法向壓力、結(jié)構(gòu)的面內(nèi)變形，也可用于測量氣體成分、溫度及濕度的一種多功能微流體柔性傳感器。

背景技術(shù)

傳感器作為控制系統(tǒng)的主要信息來源，其應(yīng)用已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、海洋探測、環(huán)境保護、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、宇宙開發(fā)以及智能家居等重要領(lǐng)域。從某種程度上說，傳感器是決定一個系統(tǒng)特性和性能指標的關(guān)鍵部件。目前，傳感器在各個領(lǐng)域主要用于檢測結(jié)構(gòu)的面內(nèi)變形、表面壓力、服役環(huán)境下的氣體成分、溫度、濕度等參數(shù)。

目前，用于測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形和表面壓力的傳感器主要是電阻應(yīng)變片，其原理是將結(jié)構(gòu)上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻應(yīng)變片電阻變化。經(jīng)過多年的發(fā)展，電阻應(yīng)變片的制作工藝成熟、制作成本低、測量精度高，而且還形成了行之有效的溫度補償方法，但是由于電阻應(yīng)變片的傳感原價是金屬絲/箔，其承受變形能力差，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形時電阻應(yīng)變片金屬絲/箔易發(fā)生斷裂失效，造成測量失敗；再者，電阻應(yīng)變片只能測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)變形和面內(nèi)壓力，無法測量結(jié)構(gòu)表面所受的法向壓力，對于飛行器結(jié)構(gòu)表面氣動壓力測量、高層建筑風(fēng)壓測量等重要領(lǐng)域其無能為力([1]潘喜軍.國內(nèi)電阻應(yīng)變片及力學(xué)量傳感器發(fā)展概況[J].傳感器技術(shù),1982,(03):23-37)。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展以及新材料、新工藝不斷的應(yīng)用，近年來涌現(xiàn)出一批新型的柔性傳感器，主要有新型石墨烯柔性傳感器([2]J Yang,Q Ran,D Wei,et al.Three-dimensional conformal graphene microstructure for flexible and highlysensitive electronic skin[J].Nanotechnology.2017,28(11):115501)，微流體傳感器([3]J C Yeo,Kenry,J Yu,et al.Triple-State Liquid-Based Microfluidic TactileSensor with High Flexibility,Durability,and Sensitivity[J].ACS Sensors.2016,1(5):543-551)。新型石墨烯傳感器主要是通過化學(xué)氣相沉積的方法，在柔性基體上沉積一層具有一定厚度石墨烯，而后封裝成型，其原理與電阻應(yīng)變片相似，將傳感器所受力的變化轉(zhuǎn)換為傳感器電阻變化。新型石墨烯傳感器，由于其封裝材料和石墨烯傳感層都是柔性的，其可用于測量結(jié)構(gòu)表面所受的面內(nèi)壓力和法向壓力，當(dāng)受力作用時，傳感器易發(fā)生變形進而導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化，通過建立電阻變化與所受力大小的關(guān)系即可得出所受力的大小。微流體傳感器，通過將導(dǎo)電液體注入預(yù)先成型好的柔性微流道中并封裝成型。當(dāng)傳感器受力的作用而發(fā)生變形時，其微流道內(nèi)導(dǎo)電液體形狀也發(fā)生變化，進而導(dǎo)致微流體傳感器電阻發(fā)生變化，通過標定電阻變化與所受力大小的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過測得的電阻變化計算出所受力的大小。上述兩種柔性傳感器雖然都可以測量結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓力和法向壓力，但都是依靠傳感器自身的變形導(dǎo)致電阻的變化來標定所受力的大小，不但傳感器厚度大，而且靈敏度低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有傳感器存在的上述不足，提供測量精度高、穩(wěn)定性好，可集成于任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面，用于測量結(jié)構(gòu)所受法向壓力、結(jié)構(gòu)的面內(nèi)變形，也可用于測量氣體成分、溫度及濕度的一種多功能微流體柔性傳感器。