管内三维流速传感器及其制造方法技术

本公开涉及一种管内三维流速传感器及其制造方法。该管内三维流速传感器包括：管状基底和有至少一个分支的传感器主体；各分支包括依次堆叠的支撑层、应变栅层和封装层，应变栅层包括应变栅和所连接的输入电极、输出电极；各分支包括连接部和所连接的第一、第二固定部，第一、第二固定部分别固定于管状基底的内壁的，且各连接部凸起；应变栅至少部分位于连接部，输入、输出电极位于第一固定部，输入、输出电极连接到检测模块；管状基底的外壁与目标管道内壁固定连接，以使得检测模块基于对应变栅的阻值检测结果确定出目标管道内液体的流速。制造简单、快速，且管内三维流速传感器简单通用、成型良好，集成度、精度与灵敏度高，适用范围广。范围广。范围广。

【技术实现步骤摘要】
管内三维流速传感器及其制造方法


[0001]本公开涉及先进制造
，尤其涉及一种管内三维流速传感器及其制造方法。

技术介绍

[0002]复杂的三维微纳结构及其组装器件在材料科学、机械设计与微纳电子等诸多领域备受关注，已成为国内外研究的热点。相关技术中，流速传感器包括机械式流速传感器、电磁式流速传感器、声学式流速传感器等。其流速测量原理是将流速大小的变化转为场信号进行传感。但是相关技术中的流速传感器存在以下问题：结构设计与加工工艺较为复杂，对低流速测量灵敏度较低。对复杂曲面的检测环境适应性较低，对管内测试区域局部流场存在干扰。如何提供一种简单通用、器件成型良好、集成度与灵敏度高、适用范围广泛的流速传感器，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本公开提出了一种管内三维流速传感器及其制造方法。
[0004]根据本公开的一方面，提供了一种管内三维流速传感器，所述传感器包括：管状基底和传感器主体，所述传感器主体包括至少一个分支；
[0005]每个所述分支包括支撑层、位于所述支撑层上的应变栅层和位于所述支撑层上方封装所述应变栅层的封装层，所述应变栅层包括输入电极、输出电极和连接在所述输入电极和所述输出电极之间的应变栅；
[0006]每个所述分支包括第一固定部、第二固定部和连接在所述第一固定部和所述第二固定部之间的连接部，所述第一固定部和所述第二固定部分别固定于所述管状基底的内壁，且每个所述分支的所述第一固定部和所述第二固定部之间的距离小于所述连接部的长度，以使每个所述分支的所述连接部向远离所述内壁的方向凸起；
[0007]所述应变栅至少部分位于所述连接部，所述输入电极和所述输出电极位于所述第一固定部，所述输入电极和所述输出电极用于连接到检测模块；
[0008]所述管状基底的外表面与目标管道内壁固定连接，以使得所述检测模块在所述目标管道内流入液体时，基于对所述应变栅的阻值检测结果确定出所述液体的流速。
[0009]在一种可能的实现方式中，所述传感器包括多个分支，各所述分支依次排列，所述传感器主体呈环状固定在所述管状基底内壁；
[0010]相邻的各所述分支的所述第一固定部之间固定连接，所述应变栅层还包括至少一根导线，每根导线位于所述第一固定部且用于将多个应变栅串联，所述输出电极和所述输入电极分别连接到串联的多个应变栅中最外侧的两个。
[0011]在一种可能的实现方式中，每个所述分支还包括加厚层，所述加厚层覆盖在所述连接部中靠近所述第二固定部的所述封装层的表面，所述连接部覆盖有所述加厚层的第一部分的宽度大于所述连接部除所述第一部分之外的第二部分的宽度。
[0012]在一种可能的实现方式中，每个所述应变栅的形状和/或所述导线的形状为可延展形状，所述可延展形状包括以下至少一种：蛇形、S型、之字形。
[0013]在一种可能的实现方式中，所述管状基底的管壁设置有平行于所述管状基底的轴向的缝隙。
[0014]在一种可能的实现方式中，所述传感器主体中所述支撑层、所述封装层和所述应变栅层分别为一体结构。
[0015]根据本公开的另一方面，提供了一种管内三维流速传感器的制造方法，所述方法包括：
[0016]根据目标管道的结构参数，制造管内三维流速传感器的管状基底和传感器主体的二维前驱体，所述管内三维流速传感器包括上述管内三维流速传感器；
[0017]沿所述管状基底的轴向对所述管状基底进行剪裁，得到剪裁后管状基底，所述剪裁后管状基底的管壁带有平行于所述管状基底的轴向的缝隙；
[0018]对所述剪裁后管状基底施加预应力，得到展平后管状基底；
[0019]将所述二维前驱体转印并固定在所述展平后管状基底的对应于所述管状基底的内壁的一面；
[0020]释放对所述展平后管状基底施加的预应力，使所述展平后管状基底恢复成所述剪裁后管状基底以及使所述二维前驱体在预应力释放过程中变形为具有目标空间构型的传感器主体，得到包括所述剪裁后管状基底和所述传感器主体的管内三维流速传感器。
[0021]在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
[0022]将所述管内三维流速传感器中所述剪裁后管状基底的缝隙两侧的侧壁固定连接在一起。
[0023]在一种可能的实现方式中，根据目标管道的结构参数，制造管内三维流速传感器的管状基底和传感器主体的二维前驱体，包括：
[0024]根据所述目标管道的结构参数，确定出管状基底的目标基底结构参数和传感器主体的目标主体结构参数；
[0025]根据所述目标主体结构参数，确定出对应于所述传感器主体的模拟平面结构体的第一参数；
[0026]基于所述第一参数和所述目标基底结构参数对所述模拟平面结构体进行屈曲组装模拟，得到所述模拟平面结构体组装于所述管状基底之后对应的模拟主体空间结构体的模拟主体结构参数；
[0027]其中，若所述模拟主体结构参数与所述目标主体结构参数之间的相对误差大于误差阈值，则根据所述相对误差调整所述第一参数，并基于调整后的第一参数继续进行组装模拟；或者
[0028]若所述模拟主体结构参数与所述目标主体结构参数之间的相对误差小于或等于误差阈值，则根据当前模拟平面结构体的第一参数制造出所述二维前驱体。
[0029]在一种可能的实现方式中，基于所述第一参数和所述目标基底结构参数对所述模拟平面结构体进行屈曲组装模拟，得到所述模拟平面结构体组装于所述管状基底之后对应的模拟主体空间结构体的模拟主体结构参数，包括：
[0030]基于所述第一参数和所述目标基底结构参数，采用有限元仿真的方式对所述模拟
平面结构体进行屈曲组装仿真模拟，得到所述模拟平面结构体组装于所述管状基底之后对应的模拟主体空间结构体的模拟主体结构参数。
[0031]本公开实施例提供了一种管内三维流速传感器及其制造方法，能够简单、快速、定量设计管内三维流速传感器，且所制造的管内三维流速传感器简单通用、易于定量设计、器件成型良好，集成度、精度与灵敏度高，适用范围广泛。并且，管内三维流速传感器可与信号采集设备集成为测试系统，用于可穿戴柔性电子设备，易于产业化。
[0032]根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
[0033]包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
[0034]图1A
‑
图1C分别示出根据本公开一实施例的具有一个分支的管内三维流速传感器的立体图、结构示意图和结构拆分示意图。
[0035]图2A
‑
图2B分别示出根据本公开一实施例的另一具有一个分支的管内三维流速传感器的结构示意图和结构拆分示意图。
[0036]图3A
‑
图3D分别示出根据本公开一实施例的另一具有三个分支的管内三维流速传感器的结构示意图、结构拆分示意图、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管内三维流速传感器，其特征在于，所述传感器包括：管状基底和传感器主体，所述传感器主体包括至少一个分支；每个所述分支包括支撑层、位于所述支撑层上的应变栅层和位于所述支撑层上方封装所述应变栅层的封装层，所述应变栅层包括输入电极、输出电极和连接在所述输入电极和所述输出电极之间的应变栅；每个所述分支包括第一固定部、第二固定部和连接在所述第一固定部和所述第二固定部之间的连接部，所述第一固定部和所述第二固定部分别固定于所述管状基底的内壁，且每个所述分支的所述第一固定部和所述第二固定部之间的距离小于所述连接部的长度，以使每个所述分支的所述连接部向远离所述内壁的方向凸起；所述应变栅至少部分位于所述连接部，所述输入电极和所述输出电极位于所述第一固定部，所述输入电极和所述输出电极用于连接到检测模块；所述管状基底的外表面与目标管道内壁固定连接，以使得所述检测模块在所述目标管道内流入液体时，基于对所述应变栅的阻值检测结果确定出所述液体的流速。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括多个分支，各所述分支依次排列，所述传感器主体呈环状固定在所述管状基底内壁；相邻的各所述分支的所述第一固定部之间固定连接，所述应变栅层还包括至少一根导线，每根导线位于所述第一固定部且用于将多个应变栅串联，所述输出电极和所述输入电极分别连接到串联的多个应变栅中最外侧的两个。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，每个所述分支还包括加厚层，所述加厚层覆盖在所述连接部中靠近所述第二固定部的所述封装层的表面，所述连接部覆盖有所述加厚层的第一部分的宽度大于所述连接部除所述第一部分之外的第二部分的宽度。4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，每个所述应变栅的形状和/或所述导线的形状为可延展形状，所述可延展形状包括以下至少一种：蛇形、S型、之字形。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述管状基底的管壁设置有平行于所述管状基底的轴向的缝隙。6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器主体中所述支撑层、所述封装层和所述应变栅层分别为一体结构。7.一种管内三维流速传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：根据目标管道的结构参数，制造管内三维流速传感器的管状基底和传感器主体的二维前驱体，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张一慧，金天棨，薛兆国，徐世威，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：