[外观设计]基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法

权利要求书

1.一种流体传感器，其包括：

一悬臂结构；

一微纳米纤维阵列，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的表面，所述微纳米纤维阵列包括多个微纳米纤维，该多个微纳米纤维的延伸方向基本一致且与所述悬臂结构的表面形成一夹角；以及

一探测装置，所述探测装置用于探测悬臂结构的弯曲变形的程度。

2.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述悬臂结构具有一自由端，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的自由端的表面。

3.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述悬臂结构至少包括一对平行且相对的表面，即第一表面和第二表面，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的第一表面或第二表面。

4.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中的多根微纳米纤维相互间隔设置，每根所述微纳米纤维的直径d为20微米至100微米，每根所述微纳米纤维的长径比为10～1000。

5.如权利要求3所述的流体传感器，其特征在于，每根所述微纳米纤维的延伸方向与所述悬臂结构的第一表面、第二表面的夹角为90度。

6.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列的高度为500微米至10毫米。

7.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中任意相邻两根微纳米纤维的距离L与单根微纳米纤维的直径d的比值，即微纳米纤维阵列的排列密度d/L满足0.1<d/L<1。

8.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维的材料为碳纳米管、碳纤维、光刻胶或聚二甲基硅氧烷。

9.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，每根所述微纳米纤维为一碳纳米管束，该碳纳米管束包括多根平行排列的碳纳米管，该多根平行排列的碳纳米管通过范德华力紧密聚集成束状结构。

10.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述探测装置进一步包括一激光器和一光电探测器位于所述悬臂结构的同侧，该激光器发出的激光入射到所述悬臂结构的表面，该光电探测器接收从该悬臂结构表面反射的激光光线。

11.一种采用如权利要求10所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：

将该流体传感器置于静态环境中，该流体传感器中的悬臂结构为一平板结构，所述悬臂结构的一端为固定端，另一端为自由端；

利用激光器将激光入射到该悬臂结构的表面，再利用该光电探测器接收该激光器入射到该悬臂结构的表面并被反射的光线，记录激光在悬臂结构表面的入射位置，入射夹角α，以及第一次反射光斑的位置；

将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场环境中，保持激光器发出激光的入射方向以及激光器与悬臂结构的相对位置不变，移动光电探测器，以记录第二次反射光斑的位置，得到第一次与第二次反射光斑的位置偏移量Δ；

根据该反射光斑的位置偏移量Δ，激光入射位置到固定端的距离l₂，微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离l₁，光电探测器到悬臂结构表面的垂直投影点D，激光入射位置到投影点D的距离为l₃，以及激光入射夹角α计算得到流场速度                                               ，其中，EI为悬臂结构的弯曲刚度；C_D为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径。

12.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述悬臂结构为一导电平板，所述流体传感器进一步包括另外一导电平板与所述悬臂结构组成一平板电容器，所述微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构远离该另一导电平板的表面，通过该悬臂结构弯曲变形引起的该平板电容器的电容值的变化来测量流体特性。

13.一种采用如权利要求12所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：

将所述流体传感器置于静态环境中；

记录流体传感器置于静态环境中平板电容器的电容值C₀；

将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，记录所述平板电容器的电容值C₁;

又有，C₀= εal₂/d₀ （1）

力矩M= nC_Dρv²dh²/4 （2）

（3）

其中，ε为介电常数，a为所述悬臂结构的宽度， l₂为所述悬臂结构的长度，d₀为所述悬臂结构与另一导电平板的间距；EI为悬臂结构的弯曲刚度；C_D为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径；l₁为微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离；

根据记录平板电容器的电容值C₀、C₁及公式（1）～（3），计算得到流场速度。