(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210546857.8 (22)申请日 2022.05.18 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 黄永安　郭栋梁　黄怡卓　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 专利代理师 孔娜 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种适合高低温工况的冷膜传感器及其制 备方法 (57)摘要 本发明属于传感器测量相关技术领域， 其公 开了一种适合高低温工况的冷膜传感器及其制 备方法， 所述冷膜传感器分为X向温差型冷膜传 感器及Y向原位损耗型冷膜传感器； 所述X向温差 型冷膜传感器包括基底层、 以及间隔设置在所述 基底层上的第一测温单元、 降温单元及第二测温 单元； 所述Y向原位损耗型冷膜传感器包括基底 层、 设置在所述基底层表面上的降温单元及设置 在所述降温单元上的测温单元。 本发 明具有可弯 折、 表贴式等特点， 降温单元可 以通过帕尔贴效 应降温或者利用微流道散热来进行降温， 且其是 可以适用于高温 ‑低温环境作业的测量流速/剪 应力的传感器， 解决了传感器不耐高温问题及热 膜传感器的精准度受温度影响问题。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 115164977 A 2022.10.11 CN 115164977 A 1.一种适 合高低温工况的冷膜传感器， 其特 征在于： 所述冷膜传感器分为X向温差型冷膜传感器及Y向原位损耗型冷膜传感器； 所述X向温差型冷膜传感器包括基底层、 以及间隔设置在所述基底层上的第一测温单 元、 降温单元及第二测温单元； 所述Y向原位损耗型冷膜传感器包括基底层、 设置在所述基 底层表面上的降温单 元及设置在所述降温单 元上的测温单 元。 2.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器， 其特征在于： 所述第 一测温单元 及所述第二测温单元 的测温方式有两种， 分别为利用塞贝克效应构建的热电偶测温、 以及 利用热电阻测温。 3.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器， 其特征在于： 所述降温单元的降 温方式包括利用帕尔贴效应降温、 以及利用微 流道散热。 4.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器， 其特征在于： 所述X向温差型冷 膜传感器通过 上下游电压 差信号拟合出流速 /剪应力， 以实现高精度稳定的测量。 5.如权利要求1所述的适合高低温工况的冷膜传感器， 其特征在于： 所述Y向原位损耗 型冷膜传感器通过电压信号变化拟合壁面剪切应力； 同时其供电模式分为持续供电模式和 间断供电模式， 持续供电模式能够反应高温环境下壁面剪切应力的大小， 间断供电模式下 根据层流和湍流换 热速度不同来 寻找转捩位置 。 6.如权利要求1 ‑5任一项所述的适合高低温工况的冷膜传感器， 其特征在于： 所述Y向 原位损耗型冷膜传感器进行持续降温时， 其工作原理对应的表达式为： 其中Q代表其热量损耗， τ为壁面剪切应力， T为来流温度， T0为初始温度， A、 B为拟合系 数。 7.如权利要求1 ‑5任一项所述的适合高低温工况的冷膜传感器， 其特征在于： 所述基底 为柔性基底， 且其耐高温。 8.如权利要求1 ‑5任一项所述的适合高低温工况的冷膜传感器， 其特征在于： 所述第一 测温单元及所述第二测温单 元为铂和铂铑组成的热电偶。 9.一种权利要求1 ‑8任一项所述的适 合高低温工况的冷膜传感器的制备 方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115164977 A 2一种适合高低温 工况的冷膜传感器及其制备方 法 技术领域 [0001]本发明属于传感器测量相关技术领域， 更具体地， 涉及一种适合高低温工况的冷 膜传感器及其制备 方法。 背景技术 [0002]在航空航天、 涡轮发动机、 表皮电子、 核能等领域中， 了解来流速度和壁面剪切应 力有助于飞行状态调控和减阻设计。 以航空领域为例， 大攻角下飞行器表面会发生分离、 转 捩甚至失速， 严重时会发生坠机事故； 在高超声速状态下除激波分离等现象， 近壁面气 体会 与壁面剧烈摩 擦， 发热严重， 阻力陡增。 因此， 在高低温、 高低速工况下流速测量和摩擦阻力 测量有迫切需求。 [0003]目前测量流速的传感器有风速仪、 皮托管、 微柱传感器、 热膜(Huang  Y A， et  al.Flexible  smart sensing skin for"Fly‑by‑Feel"morphing  aircraft[J].Science   China:Technological  Sciences， 2021.)等。 风速仪 结构简单， 价格低廉， 但尺寸大、 不易加 热、 易结冰， 同时易受雨、 雪、 雹、 霜、 雾、 沙 尘等障碍物影响； 皮托管在一定的速度范围之内， 可以达到较高的测速精度， 但体积较大， 本身对流场会产生扰动； 微柱传感器体积小， 但对 近壁面流场有影响， 需要外接拍摄装备， 成本高且 无法进行实时测量； 而对于壁面剪切应力 测量， 目前常用的方式有普 雷斯顿管、 摩阻天平、 热膜 等， 同流速测量一样， 普雷斯顿管和摩 阻天平会对流场和飞行器结构产生破坏。 热膜传感器是一种集成在薄膜基底上的热式传感 器， 相较于传统硬质基板具有显著优势， 它 具有柔性， 可弯折， 经裁剪能与被测表面完美贴 合以减少测量误差。 这种表贴式的传感器不破坏飞行器结构且对流场干扰较小， 对流速和 壁面剪应力测量有重要意 义。 [0004]然而， 常见的实际工况复杂， 具体可以分为低温低速状态、 低温高速状态、 高温低 速状态、 高温高速状态。 其中， 温度对传统热膜传感器的适用范围有诸多限制。 传统热式传 感器多采用Ni和Pt作为传感单元材料。 因Ni在高温状态下极易氧化， 且 可能产生二次退火， 会对传感器性能造成极大破坏， 甚至可能被完全氧化而不导电造成失效， 因此不适用于高 温环境。 而Pt材质的流速传感器虽然不易被氧化， 但随温度的增加， 其电阻温度曲线的线性 度会明显下降， 在高温状态下通过加热 的方式并不能进行精准测 量， 因而这种 方法只适用 于低速状态。 不仅如此， 为了实现与曲面共形， 减小测量误差， 大都采用柔性基底， 如深受研 究人员欢迎的聚酰亚胺基底。 但是在高温环境下， 聚酰亚胺受限于自身性能， 在超过450℃ 时会碳化， 导致传感器直接失效。 在很多实际应用中， 对高温低速、 高温高速环境下风速的 感知至关重要， 目前缺 乏相关高精度的测量仪器设备和解决方案， 这正是提出该研究的重 要原因。 [0005]综上所述： 研究制备在柔性基底上， 具备可弯折、 表贴式等特点且可适用于高温 ‑ 低温环境作业的流速 /剪应力传感器， 具有十分重要的意 义。说　明　书 1/5 页 3 CN 115164977 A 3