一种柔性气流传感器及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种柔性气流传感器及其制备方法和应用 (Flexible airflow sensor and preparation method and application thereof ) 是由 沈忱 张晖 张忠 孙帅 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种柔性气流传感器及其制备方法和应用,所述柔性气流传感器自下而上依次包括基底、叉指电极、粘合剂层和碳纤维绒毛阵列结构；所述碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维穿透粘合剂层与叉指电极接触。本发明柔性气流传感器的碳纤维绒毛阵列结构能够在微弱的气流作用下发生形变,使得绒毛间的接触电阻发生改变,从而实现对外界气流的响应。本发明的柔性气流传感器能够探测气体流速,具有响应速度快、检测极限低、检测范围宽、稳定性好等特性,且制备工艺简单,无需复杂设备,成本低。(The invention provides a flexible airflow sensor and a preparation method and application thereof, wherein the flexible airflow sensor sequentially comprises a substrate, an interdigital electrode, an adhesive layer and a carbon fiber fluff array structure from bottom to top; and the carbon fibers in the carbon fiber fluff array structure penetrate through the adhesive layer and are in contact with the interdigital electrodes. The carbon fiber fluff array structure of the flexible airflow sensor can deform under the action of weak airflow, so that the contact resistance among the fluff is changed, and the response to the external airflow is realized. The flexible airflow sensor can detect the flow velocity of gas, has the characteristics of high response speed, low detection limit, wide detection range, good stability and the like, and is simple in preparation process, free of complex equipment and low in cost.)
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种柔性气流传感器及其制备方法和应用，尤其涉及一种基于碳纤维绒毛阵列结构的柔性气流传感器及其制备方法和应用。
背景技术
气流传感器在气象、生物医学、工业生产等众多领域应用广泛。很多应用领域要求气流传感器必须小巧、轻便、柔性、可靠性高、易制造、低成本。目前的气流传感器包括机械式气流传感器、热线热膜式气流传感器、激光多普勒流速检测传感器等。这些测量装置比较复杂，体积和重量都较大，难以满足诸多应用场景的要求。
自然界中，生物通过长期进化，发展出许多巧妙的微型传感结构，值得研究和借鉴。例如，很多动植物表皮或表面由纤毛(或毛发)覆盖，微弱气流或振动能够引起纤毛形变，微小的形变引发纤毛下方神经细胞的冲动，从而获得感知能力。其微小尺寸、柔性、灵敏、快捷的特点往往是人造传感器所不能同时具备的。
目前有许多相关的工作被公开。CN112858717A公开了一种仿生气流传感器，在气流作用下，通孔内的毛杆结构相对于基座产生偏转，对测量区域的至少一个狭缝进行挤压，实现对气流流速检测。该发明的结构较为简单，还是难以满足小巧、轻便以及柔性的要求，同时检测极限较高。CN112858716A公开了一种微气流传感器。当微气体作用在石墨烯层上时，使石墨烯层发生形变，引起石墨烯层载流子密度改变，并通过输入电流来测得气流流速。此方法单元过多不易操作，且针对微气流，检测范围较窄。CN112881478A公开了一种基于硅微/纳米线的微型化双功能气流传感器，其利用单根硅微/纳米线形成导电回路进行气流传感，此方法制备工艺简单，且灵敏度高，若是基底采用柔性高分子可以实现可穿戴的要求，但是采用单根硅微米/纳米线，可能存在稳定性的问题。CN109322147A公开了一种负载有碳纳米管的碳化织物及其气流传感器的制备方法，该发明虽然具有柔性且优异的气流传感性能，但制备过程温度过高(>500℃)，且附着力可能较差。
因此，在本领域中，期待开发一种高效、简便的柔性气流传感器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性气流传感器及其制备方法和应用，特别是提供一种基于碳纤维绒毛阵列结构的柔性气流传感器及其制备方法和应用。本发明的柔性气流传感器具有优异的气流传感性能，能够探测气体流速，响应速度快、检测极限低、范围宽、稳定性好，且可操作性好，其具有柔性、可贴合在任意形状基底表面，并且制备方法简单，不需要高温条件。本发明的柔性气流传感器在监测流速、判断复杂管道漏气位置等实际场景中具有很大的应用前景。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种柔性气流传感器，所述柔性气流传感器自下而上依次包括基底、叉指电极、粘合剂层和碳纤维绒毛阵列结构；
所述碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维穿透粘合剂层与叉指电极接触。
本发明柔性气流传感器上的碳纤维绒毛阵列结构类似于自然界中昆虫的纤毛结构，可以在微弱气流的作用下发生形变，使得传感器对于气流的反应迅速、精确。
本发明中碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维绒毛之间相互搭接接触，形成导电网络，其取向具有准垂直的特点，同时碳纤维扎透粘合剂层与叉指电极接触。因为粘合剂层是不导电的，碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维需要与叉指电极接触，才能将电流传输到叉指电极，形成电流回路，从而实现传感功能。本发明的“准垂直”指的是碳纤维取向大体上与粘合剂层垂直，即，相对于粘合剂层(或基底)的取向角大于45°的纤维的数量超过90％。
本发明提供的柔性气流传感器的传感原理是：碳纤维绒毛阵列结构类似于自然界中昆虫的纤毛结构，因为碳纤维具有优异的导电性能，准垂直取向的碳纤维之间相互搭接而形成导电网络。碳纤维绒毛阵列结构形成的导电网络在受到不同流速气流的作用下发生形变，而不同的形变量导致碳纤维绒毛阵列之间的接触电阻发生相应的改变，从而实现对气流的感知。
优选地，所述碳纤维绒毛阵列结构由碳纤维组成。
优选地，所述碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
优选地，所述碳纤维的直径为7-10μm，例如7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm或10μm等。
优选地，所述碳纤维的长度为100-500μm，例如100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等。
如果碳纤维的长度小于100μm，碳纤维在静电场中的取向太差，碳纤维几乎完全倒伏，在气流作用下的形变微小，传感性能差，如果碳纤维的长度大于500μm，碳纤维在电场中取向优异，从而导致面密度增加，过大的面密度阻碍了碳纤维在受到气流吹拂时的形变，导致传感性能下降。
可通过将原始碳纤维剪碎得到上述长度的碳纤维，将原始碳纤维剪碎后，为了得到长度相近的碳纤维绒毛，可通过机械振动的方式采用筛网对碳纤维绒毛进行分筛，具体操作如下：
将切割好的碳纤维绒毛置于机械振动筛中，筛网目数从上到下依次为：100目、200目、300目，机械振动筛分1-3h。在每个目数筛网上的碳纤维的长度接近，例如，在100目筛网上的碳纤维的长度大体一致，在200目筛网上的碳纤维的长度大体一致，在300目筛网上的碳纤维的长度大体一致。
优选地，所述基底为柔性聚合物薄膜。
优选地，所述柔性聚合物薄膜包括聚酰亚胺(PI)薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，优选聚酰亚胺薄膜。
优选地，所述粘合剂层的厚度为5-20μm，例如5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm等。如果粘合剂层的厚度小于5μm，则无法维持住碳纤维绒毛阵列结构，碳纤维会在气流作用下脱落，导致传感器失效。而如果粘合剂层的厚度大于20μm，碳纤维无法扎透粘合剂层，无法实现传感性能。
优选地，所述粘合剂层的杨氏模量为500-1500kPa，例如500kPa、600kPa、700kPa、800kPa、900kPa、1000kPa、1100kPa、1200kPa、1300kPa、1400kPa或1500kPa等。
优选地，所述粘合剂层由粘合剂固化而成，所述粘合剂的制备方法包括以下步骤：
将柔性聚合物和固化剂混合，得到所述粘合剂。
优选地，所述柔性聚合物包括道康宁184硅橡胶A组分。加入固化剂固化后的柔性聚合物模量(即粘合剂层的杨氏模量)与人体皮肤的模量较为接近，利于碳纤维绒毛阵列结构在受到气流吹动时发生形变，且其无毒无味，具有生理惰性以及良好的化学稳定性，亲和人体，利于在可穿戴电子器件中的应用。
优选地，所述固化剂包括道康宁184硅橡胶B组分。
优选地，所述柔性聚合物和固化剂的质量比为(10-20):1，例如10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1等。
优选地，所述混合在脱泡搅拌机中进行。
优选地，所述混合之后还包括真空脱泡的步骤。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述的柔性气流传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在基底上固定叉指电极的金属掩模板，放入热蒸镀仪中沉积金属靶材，得到沉积有叉指电极的基底；
(2)将粘合剂涂覆在步骤(1)得到的基底上，覆盖叉指电极的叉指部分，得到涂覆有粘合剂层的基底；
(3)将碳纤维附着在步骤(2)得到的基底的粘合剂层上，得到附着有碳纤维绒毛阵列结构的基底，后处理，得到所述柔性气流传感器。
在本发明中，柔性气流传感器的制备方法简单，制备条件温和，不需要高温条件，甚至在常温下即可制备。
优选地，步骤(1)所述在基底上固定叉指电极的金属掩模板之前还包括对基底进行清洗处理的步骤。例如，可以使用丙酮清洗基底的表面。
优选地，步骤(1)所述固定的方式包括用胶带固定。
优选地，步骤(1)所述金属靶材包括铬或金。
优选地，步骤(2)所述涂覆的方式包括涂膜器涂覆或线棒涂覆。
步骤(2)所述覆盖叉指电极的叉指部分指的是粘合剂的涂覆区域大于叉指电极部分。
优选地，步骤(3)所述将碳纤维附着在步骤(2)得到的基底的粘合剂层上，具体包括以下步骤：
将碳纤维分散在高压静电装置的下极板，将步骤(2)得到的基底固定在高压静电装置的上极板，打开高压静电装置的电源开关，碳纤维在高压静电场的作用下飞向基底，得到附着有碳纤维绒毛阵列结构的基底。
优选地，步骤(3)所述分散的方式包括震动分散。
优选地，步骤(3)所述固定的方式包括用胶带固定。
优选地，步骤(3)所述高压静电装置的电压为10-30kV，例如10kV、15kV、20kV、25kV或30kV等，通电时间为10-20s，例如10s、11s、12s、13s、14s、15s、16s、17s、18s、19s或20s等。
优选地，步骤(3)所述上极板和下极板的间距为5-15cm，例如5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm、12cm、13cm、14cm或15cm等。
优选地，所述高压静电装置的电场强度为1-3kV/cm，例如1kV/cm、1.2kV/cm、1.5kV/cm、1.8kV/cm、2kV/cm、2.2kV/cm、2.5kV/cm、2.8kV/cm或3kV/cm等。
通过控制高压静电装置的电压和上下极板的间距，即电场强度碳纤维在下极板被极化，获得一定初速度，并在高压静电场的作用下加速飞向基底，具有一定长度的碳纤维能以准垂直的特点穿透厚度适中的粘合剂层，与叉指电极接触。
如果上极板和下极板的间距小于5cm，上下极板之间易被击穿，损坏设备，如果上极板和下极板的间距大于15cm，则极板之间电场强度较小，导致碳纤维在电场中运动的加速度较小，碳纤维可能无法扎透粘合剂层。
优选地，步骤(3)所述后处理包括固化。
优选地，所述固化在烘箱中进行。
优选地，所述固化的温度为70-90℃，例如70℃、73℃、75℃、78℃、80℃、83℃、85℃、88℃或90℃等。
优选地，所述固化的时间为100-130min，例如100min、105min、110min、115min、120min、125min或130min等。
本发明将基底放入烘箱中固化，是为了较快地实现粘合剂层的固化。本发明的粘合剂层可在70-90℃下固化100-130min，也可在常温下固化，不过固化时间要更久，即，本发明的柔性气流传感器在常温下即可制备得到。
优选地，所述固化之后还包括使用高压气枪或吸尘设备除去碳纤维绒毛阵列结构表面多余的碳纤维。有些碳纤维并不能穿透粘合剂层，会浮于碳纤维绒毛阵列结构表面，可使用高压气枪或吸尘设备将其除去。
第三方面，本发明提供第一方面所述的柔性气流传感器在气体流速检测中的应用。
优选地，所述柔性气流传感器可检测的外界信号为气流信号。
优选地，所述气流信号包括空气、氮气或氩气。
优选地，所述柔性气流传感器可检测的气流信号的流量范围为1-50L/min，例如1L/min、5L/min、10L/min、20L/min、30L/min、40L/min或50L/min等。
优选地，所述气流信号的作用角度为0-90°，例如0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°或90°等。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明柔性气流传感器上的碳纤维绒毛阵列结构类似于自然界中昆虫的纤毛结构，可以在微弱气流的作用下发生形变，使得传感器对于气流的反应迅速、精确。本发明的柔性气流传感器响应速度快、检测极限低(1L/min)、检测范围宽(1L/min～50L/min)、稳定性好，且其具有柔性、可贴合在任意形状基底的表面。
附图说明
图1为实施例1提供的柔性气流传感器的结构示意图，其中，1-基底、2-叉指电极、3-粘合剂层、4-碳纤维绒毛阵列结构。
图2为实施例1提供的柔性气流传感器的碳纤维绒毛阵列结构的俯视扫描电镜图。
图3为实施例1提供的柔性气流传感器的碳纤维绒毛阵列结构的横截面扫描电镜图。
图4为实施例1-3提供的柔性气流传感器的碳纤维绒毛阵列结构的面密度图。
图5为实施例1-3提供的柔性气流传感器在不同流速下的空气气流测试灵敏度图。
图6为实施例1提供的柔性气流传感器响应时间和恢复时间的检测结果示意图。
图7为实施例1提供的柔性气流传感器在气流量为20L/min的作用下500次吹气循环的稳定性测试图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
在本实施例中提供一种如图1所示的柔性气流传感器，所述柔性气流传感器自下而上依次包括基底1、叉指电极2、粘合剂层3和碳纤维绒毛阵列结构4。
其中，基底为聚酰亚胺薄膜；碳纤维绒毛阵列结构由聚丙烯腈基碳纤维组成，碳纤维的直径为8μm，平均长度约为300μm，碳纤维能够穿透粘合剂层与叉指电极接触；粘合剂层的厚度为10μm，杨氏模量为500kPa。
粘合剂层由粘合剂固化而成，粘合剂的制备方法包括以下步骤：
将道康宁184硅橡胶A组分和道康宁184硅橡胶B组分按照20:1的质量比在脱泡搅拌机中混合，真空脱泡，得到所述粘合剂。
柔性气流传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)将基底裁剪成合适的尺寸，用丙酮将其表面反复清洗干净后，在其上用胶带固定叉指电极的金属掩模板，放入热蒸镀仪中沉积铬，得到沉积有叉指电极的基底；
(2)采用涂膜器将粘合剂涂覆在步骤(1)得到的基底上，覆盖在叉指电极的叉指部分，得到涂覆有粘合剂的基底；
(3)采用震动分散的方法将1g碳纤维分散在高压静电装置的下极板，将步骤(2)得到的基底用胶带固定在高压静电装置的上极板，上下极板的间距为10cm，打开高压静电装置的电源开关，电压设置为30kV，碳纤维在高压静电场的作用下飞向基底，10s后关闭电源，取出上极板的基底，置于80℃的烘箱中固化120min，固化结束后，使用高压气枪除去表面多余碳纤维，得到所述柔性气流传感器。
利用扫描电子显微镜对本实施例提供的柔性气流传感器的碳纤维绒毛阵列结构的微观形貌进行表征，结果如图2和图3。从图中可以清晰地看到碳纤维绒毛具有准垂直的特点，由于碳纤维绒毛的倾斜，碳纤维绒毛之间相互搭接，形成导电网络结构。而碳纤维绒毛的直径很小，且拥有相当大的长径比，且其根部扎在柔软的粘合剂层上，很容易在气流的作用下发生摆动，从而导致接触电阻的改变。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，碳纤维的平均长度约为500μm，其他条件均与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，碳纤维的平均长度约为100μm，其他条件均与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，碳纤维的直径为7μm，粘合剂层的厚度为5μm，其他条件均与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，碳纤维的直径为10μm，粘合剂层的厚度为20μm，其他条件均与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，柔性气流传感器的制备方法步骤(2)中上下极板的间距为5cm，电压为10kV，其他条件均与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，柔性气流传感器的制备方法步骤(2)中上下极板的间距为15cm，电压为15kV，其他条件均与实施例1相同。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处仅在于，粘合剂层的厚度为30μm，其他条件均与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处仅在于，将碳纤维替换为尼龙纤维，其他条件均与实施例1相同。
将实施例1-3中柔性气流传感器的碳纤维绒毛阵列结构中的碳纤维的重量使用分析天平进行称量，再计算出单位面积内的重量，即得到碳纤维绒毛阵列结构的面密度，如图4所示。从图中可以看出，实施例2的面密度最大，实施例1的面密度次之，实施例3的面密度最小，这是因为随着碳纤维长度的增加，碳纤维在静电场中越容易取向，导致其在扎入胶层时具有更加垂直的阵列形貌，使得在单位面积内有更多的碳纤维，从而导致有更大的面密度。
为了具体测量本实施例1-3中的气流传感器对气流的传感性能，使用Keithley-DMM7510半导体特性分析系统测量实施例1-3在不同空气流速下的传感性能，通过气体转子流量计控制施加气体的气体流量，测试的空气流量范围为1L/min～50L/min,结果如图5所示，可以看出，随着气体流量增加，实施例1-3的柔性气流传感器的灵敏度均增加，且检测范围宽，但实施例1和2的检测极限较低(1L/min)。并且可以看出，实施例1的传感性能最佳，实施例2中当空气流速超过30L/min时，传感性能线性下降，这是因为实施例2的碳纤维绒毛阵列结构中碳纤维的面密度太大，当气流速度超过30L/min之后，碳纤维绒毛阵列本应发生大的形变，但是由于碳纤维阵列的面密度过大，其在形变的过程中会被其他的纤维所阻挡，从而导致阻碍了形变过程。而越短的碳纤维绒毛受到气流作用时产生的形变越小，因此，实施例3提供的柔性气流传感器的灵敏度低于实施例1-2。
实施例1提供的柔性气流传感器在气流流量为30L/min时，响应时间和恢复时间的示意图如图6所示，可以看出其具有较快的响应时间(1.7s)和恢复时间(3.4s)。
实施例1提供的柔性气流传感器在流速为20L/min的空气气体流量下，进行500次吹气循环的稳定性测试图如图7所示，可以看出实施例1提供的柔性气流传感器具有优异的循环稳定性。
采用与实施例1相同的方法对实施例4-7进行性能测试，发现实施例4-7制备的柔性气流传感器均可以在微弱气流的作用下发生形变，并且传感器对于气流的反应迅速、精确。
采用与实施例1相同的方法对对比例1-2进行性能测试，由于对比例1中的粘合剂层厚度过厚，使得碳纤维绒毛在飞升到粘合剂层的时候无法扎透粘合剂层与电极接触，导致无法形成导电通路，从而对于气流的作用没有电信号的响应。对比例2中，虽然尼龙纤维绒毛也能形成与碳纤维绒毛类似的阵列结构，而且也能在气流的作用下产生形变，但是因为尼龙纤维本身并不导电，因此，尼龙纤维自身的形变信号无法转换成电信号，对比例2无法实现对气流信号的感知。
由此可见，本发明开发了一种可用于检测气体流速信号的基于碳纤维绒毛阵列结构的柔性气流传感器，所述气流传感器制备简单、快捷，具有响应速度快、检测的极限低、检测范围宽、稳定性好等特性，且所述气流传感器整体为柔性，可裁剪任意大小，可贴合在不同类型的基底上，适用于可穿戴设备电子设备。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的柔性气流传感器及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
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