[發明專利]一種柔性氣流傳感器及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110912092.0
• 申請日: 2021-08-10
• 公開（公告）號: CN113624290B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 沈忱;張暉;張忠;孫帥
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: G01F1/56
• 分類號: G01F1/56
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 王艷齋

本發明提供一種柔性氣流傳感器及其制備方法和應用，所述柔性氣流傳感器自下而上依次包括基底、叉指電極、粘合劑層和碳纖維絨毛陣列結構；所述碳纖維絨毛陣列結構中的碳纖維穿透粘合劑層與叉指電極接觸。本發明柔性氣流傳感器的碳纖維絨毛陣列結構能夠在微弱的氣流作用下發生形變，使得絨毛間的接觸電阻發生改變，從而實現對外界氣流的響應。本發明的柔性氣流傳感器能夠探測氣體流速，具有響應速度快、檢測極限低、檢測范圍寬、穩定性好等特性，且制備工藝簡單，無需復雜設備，成本低。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種柔性氣流傳感器及其制備方法和應用，尤其涉及一種基于碳纖維絨毛陣列結構的柔性氣流傳感器及其制備方法和應用。

背景技術

氣流傳感器在氣象、生物醫學、工業生產等眾多領域應用廣泛。很多應用領域要求氣流傳感器必須小巧、輕便、柔性、可靠性高、易制造、低成本。目前的氣流傳感器包括機械式氣流傳感器、熱線熱膜式氣流傳感器、激光多普勒流速檢測傳感器等。這些測量裝置比較復雜，體積和重量都較大，難以滿足諸多應用場景的要求。

自然界中，生物通過長期進化，發展出許多巧妙的微型傳感結構，值得研究和借鑒。例如，很多動植物表皮或表面由纖毛(或毛發)覆蓋，微弱氣流或振動能夠引起纖毛形變，微小的形變引發纖毛下方神經細胞的沖動，從而獲得感知能力。其微小尺寸、柔性、靈敏、快捷的特點往往是人造傳感器所不能同時具備的。

目前有許多相關的工作被公開。CN112858717A公開了一種仿生氣流傳感器，在氣流作用下，通孔內的毛桿結構相對于基座產生偏轉，對測量區域的至少一個狹縫進行擠壓，實現對氣流流速檢測。該發明的結構較為簡單，還是難以滿足小巧、輕便以及柔性的要求，同時檢測極限較高。CN112858716A公開了一種微氣流傳感器。當微氣體作用在石墨烯層上時，使石墨烯層發生形變，引起石墨烯層載流子密度改變，并通過輸入電流來測得氣流流速。此方法單元過多不易操作，且針對微氣流，檢測范圍較窄。CN112881478A公開了一種基于硅微/納米線的微型化雙功能氣流傳感器，其利用單根硅微/納米線形成導電回路進行氣流傳感，此方法制備工藝簡單，且靈敏度高，若是基底采用柔性高分子可以實現可穿戴的要求，但是采用單根硅微米/納米線，可能存在穩定性的問題。CN109322147A公開了一種負載有碳納米管的碳化織物及其氣流傳感器的制備方法，該發明雖然具有柔性且優異的氣流傳感性能，但制備過程溫度過高(500℃)，且附著力可能較差。

因此，在本領域中，期待開發一種高效、簡便的柔性氣流傳感器。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種柔性氣流傳感器及其制備方法和應用，特別是提供一種基于碳纖維絨毛陣列結構的柔性氣流傳感器及其制備方法和應用。本發明的柔性氣流傳感器具有優異的氣流傳感性能，能夠探測氣體流速，響應速度快、檢測極限低、范圍寬、穩定性好，且可操作性好，其具有柔性、可貼合在任意形狀基底表面，并且制備方法簡單，不需要高溫條件。本發明的柔性氣流傳感器在監測流速、判斷復雜管道漏氣位置等實際場景中具有很大的應用前景。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供一種柔性氣流傳感器，所述柔性氣流傳感器自下而上依次包括基底、叉指電極、粘合劑層和碳纖維絨毛陣列結構；

所述碳纖維絨毛陣列結構中的碳纖維穿透粘合劑層與叉指電極接觸。

本發明柔性氣流傳感器上的碳纖維絨毛陣列結構類似于自然界中昆蟲的纖毛結構，可以在微弱氣流的作用下發生形變，使得傳感器對于氣流的反應迅速、精確。