一种热式柔性流量传感器及其制备方法

本发明属于柔性传感器技术与流体测量领域，涉及一种热式柔性流量传感器及其制备方法，具体原理基于热温差式与热线式联用。

背景技术：

1、流体测量广泛存在于液压气动管道、飞行状态检测、深海感知中。获取流体的流动速度、流动方向、流场特征等信息，一方面利于管道系统的流量管理，对输送状态进行判断；另一方面可辅助判断机翼是否失速，进而判断飞行是否安全；此外，在无法利用视觉测量的深海条件下，通过流量传感器感知周围海水流动状态也为深海自感知提供了辅助手段。传统的流量传感器多为管道式，无法做到便捷安装，或无法适应复杂的曲面安装条件，且常常安装时伴有刚性连接，改变器件原有表面。因此，柔性的流量传感器在流体检测领域有着重要意义。

2、流量传感器的原理多种多样——压阻、声多普勒、热电等。然而，已有的悬臂梁式压阻流量检测的传感器在流体的液动力作用下产生挠度，由于压阻效应其电阻将产生变化。其主要缺点在于：(1)传感器由于悬臂梁的存在，安装的便捷性会下降；(2)单一悬臂梁无法检测流速的方向；(3)悬臂梁的存在会干扰原有流场的分布状态，即负载效应明显。而声多普勒式多伴随信号收集与处理复杂、易受温度影响等问题。热式结构多以热电偶，即塞贝克效应(seebeck effect)为基础，利用流场对热场的影响，使得上下游出现温度差而后基于热电效应输出该信号，而这种方式往往采用mems工艺，加工复杂且量程较小。

3、柔性热式流量传感器基于的激光一体化技术相比于热电偶基于的mems技术，因激光一体化技术的激光束具有能量密度高、光斑直径方向和位置易精确控制的优势，容易获取传感器敏感层与主体结构，加工环境更广泛；激光一体化技术是指通过激光与物质的相互作用，调节激光的加工模式如功率、速度、波长、脉冲周期等参数，实现增材制造或减材制造，激光一体化技术可与多种加工方式结合，如与无电沉积技术的结合，首先利用激光加工金属种子层，再利用化学镀激光设计出的结构，可制备复杂的二维金属微纳图案；与化学气相沉积法(chemical vapor deposition,cvd)的结合，首先将激光加工的针对性地选择材料作为传感器的敏感层与基本结构，以获取最佳性能和结构三维结构进行热处理，而后通过cvd在三维结构上沉积一定厚度的纳米金属薄膜；与转印技术结合，激光转印技术不需要光刻与刻蚀即可将在多种材料衬底上制备金属微结构器件；此外，激光还可以与界面熔覆转移、图案化沉积等技术结合进行传感器的加工，同时激光一体化技术可适用于各种金属或非金属材料。

4、可以看出，通过激光一体化技术我们可以广泛且针对性地选择材料作为传感器的敏感层与基本结构，以获取最佳性能和结构，本发明即基于此提供一种热式柔性流量传感器。

技术实现思路

1、发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以激光一体化直写加工为制备方法的柔性流量传感器，该传感器具有更便捷的加工方法，更宽广的测量范围。

2、本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

3、一种热式柔性流量传感器，包括柔性基底、导电电路、敏感层以及隔热器件，所述的柔性基底为薄膜状，所述柔性基底可为薄膜或者织物，所述导电电路、敏感层均处于柔性基底的一面上，所述柔性基底的另一面为测量面，所述柔性基底可选用pi、pps或pdms材料，所述的敏感层可为金属材料或半导体材料，所述隔热器件罩在柔性基底非测量面上用于减少外界温度对所述导电电路和敏感层的影响，所述敏感层包括一个热源和若干对温度传感器，每对所述的温度传感器以热源为中心对称分布，每个所述的热源与温度传感器两端均分别通过电极连接区与导电电路相连。

4、本发明的另一种目的是提供一种热式柔性流量传感器的制备方法，步骤包括：

5、步骤1：设计导电电路，并针对不同材料选择合适加工方式使导电电路固定于柔性基底上；

6、步骤2：通过激光器在柔性基底上利用激光一体化技术，通过调整参数来针对不同材料精确加工得到指定图案的敏感层；

7、步骤3：手涂导电银浆修饰导电电路与步骤2中敏感层的接触区使二者接触良好；

8、步骤4：利用pdms材料制备隔热器件罩在步骤3所得样品上。

9、进一步的，步骤1中所述的设计导电电路并固定于柔性基底上，可利用丝网印刷板对柔性基底进行银电路印刷得到导电电路，也可利用激光加工烧结金属材料于柔性基底上得到导电电路，所述的导电电路包括有电极接触区和电路引出区。

10、更进一步的，所述的可利用丝网印刷板对柔性基底进行银电路印刷得到导电电路，根据本发明的一种具体实施例，其具体步骤可以为：

11、(1)将电路印刷网板水平固定于丝网印刷台上，一端用锡纸稍稍垫起保证有一定按压空间；

12、(2)将pet置于丝网印刷台面，防止银浆越界印到金属台面；

13、(3)将待印柔性基底放置于pet和电路印刷网板中间，踩下脚踏开关开启气泵吸附基底；

14、(4)将gc-sp360-a导电银浆搅拌至有流动性，用药勺蘸取足量银浆于电路印刷网板印刷区域；

15、(5)左右手保持一定且相近力度，快速按压银浆覆盖电路印刷网板印刷图案；

16、(6)印刷完毕后取下柔性基底，关闭气泵，使用hieclean清洗剂清洗电路印刷网板上的剩余银浆，同时利用电热鼓风干燥箱烘干印刷电路。

17、更进一步的，所述的可利用激光加工烧结金属材料的方法于柔性基底上得到导电电路，所述激光加工烧结金属材料的方法为将铜、镍等导电金属的氧化物前体油墨通过激光一体化技术烧结到柔性基底上，得到导电金属单质，具体步骤如下：

18、(1)通过采用配方及质量分数比例配制获得金属前体油墨；

19、(2)通过旋涂工艺使金属前体油墨均匀地覆盖在柔性基底表面，得到均匀前体油墨涂层；

20、(3)通过激光一体化技术，利用激光的光热作用及光化学反应，将前体油墨涂层按设计的电路图案烧结在柔性基底上。

21、进一步的，步骤2中通过激光器在柔性基底上利用激光一体化技术精确加工得到指定图案的敏感层，所述敏感层为利用激光一体化技术加工后得到的金属材料或半导体材料。

22、更进一步的，所述敏感层通过激光一体化技术制备得到，所述的半导体材料可以是石墨烯或者碳纳米管，根据本发明的一种具体实施例，所述半导体材料为石墨烯的具体制备步骤为：

23、s1、将带有导电电路的柔性基底置于红外激光平台上，比较预加工图案对齐，保证激光碳化处理后得到的敏感层电极连接区与导电电路的电极接触区对应；

24、s2、选用合适的加工功率和速度激光加工参数，利用激光一体化技术对柔性基底进行激光改性，形成导电碳材料，完成敏感层制备。

25、当所述半导体材料为碳纳米管，其制备可以采用如下：将碳纳米管通过化学沉积cvd等方式先沉积在导电金属上，而后通过激光按指定图案形成稳定的碳纳米管-金属连接，从而加工出碳纳米管敏感层。

26、更进一步的，所述敏感层通过激光一体化技术制备得到，所述敏感层为金属材料的制备方法可参考上述的激光加工烧结金属材料制备导电电路的方法，通过激光一体化技术，将金属前体油墨涂层按设计的敏感层图案烧结在柔性基底上，得到金属材料的敏感层，当导电电路、敏感层均为金属材料时，可以直接采用激光加工一次性制得整体图案，并可省略后续步骤3。当采用激光加工制备半导体材料的敏感层时，往往选用功率大热效应强的红外激光，当敏感层为金属材料时，则往往选择功率较小加工精密的紫外激光或连续绿光激光。

27、进一步的，步骤3手涂导电银浆修饰导电电路与步骤2中敏感层区域的接触区使二者接触良好，具体为：所述的导电电路的电极接触区与对应所述敏感层的电极连接区接触，接触区利用导电银浆修饰用于使得导电电路和敏感层的接触良好。

28、进一步的，根据本发明的一种具体实施例，其步骤4利用pdms材料制备隔热器件具体为：

29、(1)设计pdms空气腔的尺寸图，所述pdms空气腔呈圆形盖子状，因为pdms是在亚克力板模具下固化拔模而成，设计模具图形；

30、(2)切割亚克力板，对齐后利用亚克力粘合剂拼接得到模具；

31、(3)导入配比好的pdms(预聚体：固化剂质量比15：1)；

32、(4)放置于75℃环境固化约50min；

33、(5)固化后放置于fujiwara真空腔内抽离pdms中的气泡30min。

34、本发明的有益技术效果是：

35、1、本发明将热线与热温差的检测原理联用，热线式测量范围宽至25m/s，热温差可测量流速方向。

36、2、以pi、pps或pdms材料为柔性基底，能够适应不同的安装曲面，薄膜状结构能够无损安装于管道中或其他复杂环境中。

37、3、本发明传感器为薄膜式结构，除隔热器件外厚度在100微米以内(本发明中隔热器件厚度约为2mm，其中空气腔高约1.5mm，该器件一般紧贴罩于传感器表面，对流场影响小，若流场对厚度要求高，也可不放置该隔热器件)，而现有的立柱状的压阻式流量传感器多为mm级甚至cm级，相比现有的立柱状压阻式流量传感器，对原流场的干扰较小，同时相比声式流量传感器，薄膜式结构使得信号在传输过程中不容易受阻挡，噪声小；且相比光学流量传感器成本低，无需极其贵重精密的设备，适用范围广。

38、4、本发明的导电电路和敏感层均能通过激光一体化技术实现制备，激光一体化技术能适用于金属与非金属材料，从而使得本发明制备过程更便捷，且能更准确的制备得对应图案的导电电路和敏感层，令装置的检测结果更精确。