本发明涉及角度传感器领域，尤其涉及一种具有各向异性结构的角度传感器及其制备方法。
背景技术：
1、角度传感器在工业领域有着广泛的应用前景，例如设备的稳定性、飞行器飞行姿态、车辆仰角、医疗机器人、高精度天平的工作稳定性检测。目前角度传感器主要有电容式、感应式、光学角度传感，这些设备对于环境要求比较高，而且成本也较高。基于液体基的角度传感器稳定性差、精度不高，限制了其进一步发展。
2、目前研究最多的是镓基液态金属注入各向同性结构形成角度传感器，但是由于各向同性结构自身的缺陷，结构尺寸较小，液体金属流动阻力不够大，形成梯度段所需距离较长，通道内的液态金属较多，导致传感器件的灵敏度较低，无法满足高精度倾角检测。如发明人在先研发的角度传感器，借助各向同性结构（如中空圆柱内）特点，其最大电阻变化率低于1%，检测精度约为5°，因此，在面临检测要求或苛刻度较高的情况下，仍需要进一步提升检测的范围、精度和稳定性等性能。
3、本发明通过将液态金属注入到具有各向异性结构毛细管道中，得到具有各向异性结构的角度传感器，利用其氧化膜和压降，在管道内形成不稳定的液态金属梯度分布段。在发生倾斜时，重力作用下会导致液态金属表面的粗糙度发生变化，从而影响其电阻，获得电阻-倾角对应关系，实现倾角检测功能，可以实现高精度、高灵敏度的角度检测功能。
技术实现思路
1、第一方面，本发明提供第一方面所述的具有各向异性结构的角度传感器的制备方法，包括如下步骤：
2、（1）各向异性结构样品置于柔性高分子材料中，固化得到各向异性结构空腔。
3、所述各向异性结构样品选自植物杆、麦芒、叶穗、动物或人体毛发、昆虫腿的一种。
4、所述柔性高分子材料选自pdms、tpu、pvp或pva中的一种。
5、所述固化是指，在柔性高分子材料和固化剂作用下，复制并固定所述各向异性结构样品，得到所述各向异性空腔结构。
6、在本发明的一个实施例中，所述柔性高分子材料为聚二甲基硅氧烷（pdms），所述固化剂为带乙烯基侧链的预聚物及交联剂。
7、所述聚二甲基硅氧烷（pdms）和固化剂质量比（8-12）：1。
8、所述固化条件60-120℃下保持1-3小时。
9、（2）取出各向异性结构样品，得到各向异性毛细管通道。
10、待固化完成后，取出各向异性结构样品，得到各向异性毛细管通道。
11、（3）逆向注入液态金属，各向异性空腔内形成梯度分布的液态金属。
12、所述液态金属为镓基合金，优选镓金属，镓铟合金，镓锡合金及铟镓锡合金中的任意一种或多种。
13、所述液态金属的注入速度为1-20ml/min。
14、所述液态金属与各向异性空腔内壁之间形成液态金属氧化层，所述液态金属氧化层厚度为0.1-10nm，优选0.5-5nm。
15、空腔结构内部的空气导致注入的所述液态金属表面氧化形成氧化层，随着液态金属逐步注入，产生压降，使得液态金属在微结构内更容易下形成梯度分布，同时，所述氧化层与空腔结构内壁接触也呈现梯度分布。
16、所述各向异性空腔结构包含前端、中端和后端；以此形成各向异性毛细管通道也分为前端、中端和后端。各向异性毛细管通道分为前端、中端和后端；所述前端的液态金属填充比例>75%，中端的液态金属填充率为25-75%，后端的液态金属填充率<25%。
17、具体来说，随着液态金属注入各向异性毛细管通道，由于存在压降，毛细管通道的前端区域，氧化层与毛细管通道内壁的微观结构紧密接触；随着液态金属压力减小，毛细管通道的中端区域，氧化层附着于局部区域的内壁微观结构；随着液态金属压力进一步减小，毛细管通道的后端区域，氧化层仅仅附着于微流道的内壁。
18、液态金属注入过程如图2所示，其中p0为标准大气压，pin为注射液态金属过程中所施加的额外压力，液态金属在毛细管道内的流动速度为v，由于液态金属流动过程中存在流动阻力，随着与注射端口的距离x的增大，液态金属所受压力越小，最远端液态金属液面的曲率半径为r2，管径为d，长度为l。
19、因此，距离注射端口x距离出的压力可以表示为式（i）：
20、 (i)
21、注入液态金属后，形成的金属氧化层（ga2o3）、液态金属（lm）与柔性高分子材料（如pdms）之间的作用情况如图3所示。lm自身表面张力极高难以在柔性高分子材料（如pdms）表面润湿铺展，但是其表面的氧化层赋予了lm一定的机械性能，此外lm氧化层表面的主要成分为氧化镓，柔性高分子材料（如pdms）表面含有大量的硅氧键，o-o原子之间可以形成强大的范德华力，促使氧化层黏附到柔性高分子材料（如pdms）表面，而液态金属可以在涂有氧化层的基底表面润湿铺展。
22、（4）银浆封装固化，得到具有各向异性结构的角度检测器。
23、所述封装是指，将各向异性结构空腔的两端用导电银浆封装，并在60-120℃的温度下，保持1-5小时，使导电银浆凝固，得到所述角度传感器。
24、第二方面，本发明提供一种具有各向异性结构的角度传感器，包括：各向异性空腔结构，所述空腔结构的内部形成各向异性毛细管道，所述各向异性毛细管道内注入液态金属，各向异性空腔结构两端涂覆导电银浆电极。
25、各向异性空腔结构外壁轴向长度为0.5-30cm，径向宽度为0.5-20mm。
26、所述各向异性空腔结构外部包含多个锐角和钝角结构，形成多个圆柱状或角柱状颗粒群结构。
27、进一步地，所述多个圆柱状或角柱状颗粒群结构相互之间呈5-180°排布，例如180°、120°、90°、60°、45°、36°、30°、15°、10°或5°，优选5-60°。
28、所述锐角角度范围为5-65°；所述钝角一般与各向异性结构样品角度相一致，范围可以为115-170°。
29、所述液态金属逆向注入各向异性毛细管通道，所述毛细管通道具有微观结构，液态金属在微观结构的作用下形成梯度分布的状态。
30、所述微观结构为凸起状或凹坑状。
31、进一步地，液态金属液面呈现周期性凸起或凹下的微观结构。
32、相比于各向同性结构总是垂直于外壁面结构，本发明采用各向异性结构相对于外壁面总是会存在多个钝角以及锐角，当液态金属在被注入到通道中经过一个微结构时，如果微结构为凸起状则率先经过锐角区域时为逆向注射：如果微结构为凹坑状则率先经过钝角区域时为逆向注射。而且由于各向异性结构，可以提供足够的液体金属流动阻力，满足液态金属梯度分布段的要求，可以大幅提高角度传感器件的灵敏度和检测精度。
33、所述微观结构还可以为添加到空腔内部的石墨烯微纳米片或球。
34、一般情况下逆向注射会形成更大的流动阻力，可以使液态金属在微结构内更容易下形成梯度分布，更有利于提高传感器件的性能，如果流动阻力小，形成梯度段所需距离就越长，而通道内的液态金属越多则对传感器件的灵敏度越不利。
35、基于镓的液态金属不仅在导电性方面表现良好，而且在迁移率方面也表现良好。因此，液态金属被封闭在包含气隙的封闭固体空间中，液态金属可以在固体内部移动，并且会响应外部振动和压力变化而变形，从而导致电信号的变化。
36、所述液态金属与空腔内壁之间形成液态金属氧化层。所述氧化层厚度为0.1-10nm，优选0.5-5nm。
37、进一步地，各向异性空腔结构包含前端、中端和后端；以此形成各向异性毛细管通道也分为前端、中端和后端。
38、所述前端的液态金属填充比例>75%，中端的液态金属填充率为25-75%，后端的液态金属填充率<25%。
39、所述各向异性空腔为植物杆、麦芒、叶穗、动物或人体毛发、昆虫腿结构等生物组织表皮。
40、第三方面，本发明提供第一方面所述的制备方法得到的角度传感器或第二方面所述的角度传感器在角度检测中的应用。
41、所述具有各向异性结构的角度传感器内的液态金属在重力作用下可自由流动，当所述角度传感器的倾斜角度发生变化时，液态金属会沿各向异性结构的内壁流动，其形状会发生改变，从而改变所述各向异性结构内部电阻值，通过检测电阻值的变化，得到与倾斜角度成正比的电信号输出，即可实现实时角度变化的监测。
42、本发明的有益效果是：
43、1.本发明通过复制自然界各向异性纤维结构，利用其多个圆柱状或角柱状颗粒群结构圆周排布的各向异性特点，获得具有各向异性的毛细管管道，填充液态金属导电流体，充分利用各向异性结构的特异性和微观结构，增大液态金属在管道内的流动阻力，液态金属呈现梯度分布，使得检测电极具有更高的导电效率，可以大幅度的提高信号的灵敏度。当各向异性结构角度传感器电极倾斜时，液态金属在重力的作用下产生明显的电信号变化，从而具有高度灵敏的角度传感功能，采用本发明的所述的具有各向异性结构的角度传感器，能够实现0.005°的高精度倾角传感功能。
44、2.本发明提供的角度传感器，不但可应用于建筑工程、地质勘探、机械制造等工业领域，还可以应用于飞行器领域、医疗机器人、高精度天平等对于倾角检测精度要求更高的领域检测角度变化，通过调整材料和尺寸等参数，形成适宜的各向异性结构，可以实现不同场景下的精准监测，并为相关领域的工作提供支持和保障。
45、3.本发明提供的角度传感器结构设计巧妙，制造工艺简单，主要利用具有天然的生物可降解材料，具有成本低、角度传感器体积较小、环境友好等优势，且由于各向异性结构液态金属角度传感器可以根据不同天然生物的内壁形态选择，实现更广泛的测量范围，能够较好实现自然界作物倾角检测， 可以广泛应用于作物生产与研究。
1.一种具有各向异性结构的角度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述角度传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）中各向异性结构样品选自植物杆、麦芒、叶穗、动物或人体毛发、昆虫腿的一种；
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述聚二甲基硅氧烷（pdms）和固化剂质量比（8-12）：1；所述固化条件为60-120℃下保持1-3小时。
4.根据权利要求1所述角度传感器的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述液态金属选自铟镓合金、铟锡合金、镓锡合金及铟镓锡合金中的一种或多种；
5.根据权利要求4所述的角度传感器的制备方法，其特征在于，各向异性毛细管通道分为前端、中端和后端；所述前端的液态金属填充比例>75%，中端的液态金属填充率为25-75%，后端的液态金属填充率<25%。
6.根据权利要求4所述角度传感器的制备方法，其特征在于，所述液态金属与各向异性空腔内壁之间形成液态金属氧化层，所述液态金属氧化层厚度为0.5-5nm。
7.根据权利要求1所述角度传感器的制备方法，其特征在于，步骤（4）中将各向异性结构空腔的两端用导电银浆封装，并在60-120℃的温度下，保持1-5小时，使导电银浆凝固，得到所述角度传感器。
8.根据权利要求1-7任一项所述角度传感器的制备方法制备得到的角度传感器，其特征在于，所述角度传感器的各向异性空腔结构外壁包含多个锐角和钝角结构，形成多个圆柱状或角柱状颗粒群结构。
9.根据权利要求8所述的角度传感器，其特征在于，多个圆柱状或角柱状颗粒群结构相互之间呈5-180°排布。
10.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法得到的角度传感器或权利要求8-9任一项所述的角度传感器在角度检测中的应用。
