[發(fā)明專利]一種柔性聚合物封閉膜仿生纖毛微傳感器及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-05-29
• 公開（公告）號: CN111609887B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉武;梁賀龍;訾鵬;許海軍
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明公開了一種柔性聚合物封閉膜仿生纖毛微傳感器及其制備方法，涉及微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，包括纖毛、柔性膜、SOI硅?玻璃電容結(jié)構(gòu)，SOI硅?玻璃電容結(jié)構(gòu)包括上層硅結(jié)構(gòu)(Z向及轉(zhuǎn)角檢測電極、公共電極及支撐層)、中間層硅結(jié)構(gòu)(動梳齒電極的檢驗(yàn)質(zhì)量塊、X向水平電極、靜梳齒電極、硅穿孔銅引線柱)、底層玻璃結(jié)構(gòu)(底層Z向及轉(zhuǎn)角檢測軸向電極、公共電極以及引線、引腳)，能測量纖毛轉(zhuǎn)動角度。纖毛受流場作用后，帶動硅連接柱及檢驗(yàn)質(zhì)量塊發(fā)生角位移偏轉(zhuǎn)，使檢驗(yàn)質(zhì)量塊與四周的電極形成的轉(zhuǎn)角電容變化，轉(zhuǎn)角電容由流場輸入大小、柔性膜扭轉(zhuǎn)剛度和靜電控制力矩決定。通過檢測電容和靜電力矩反饋平衡電壓，測量得到輸入的流速或剪應(yīng)力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，具體涉及一種柔性聚合物封閉膜仿生纖毛微傳感器及其制備方法，尤其涉及一種基于MEMS工藝制作的柔性封閉膜仿生纖毛電容式微傳感器。

背景技術(shù)

流速和壁面剪應(yīng)力傳感器是流體測量中重要的傳感器，它們被廣泛地用于環(huán)境氣象監(jiān)測、流體傳輸?shù)倪^程控制、飛行器和水中航行體的流場檢測和主動流場控制等。傳統(tǒng)的流場測量裝置包括熱線風(fēng)速儀、多普勒超聲測速儀、粒子圖像測速儀(PIV)等，但是它們存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以滿足高精度在線流場工程測試的需求。另外，對于飛行器及水中航行體，周圍流動結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，流動現(xiàn)象具有時間和位置的不確定性特征，流動結(jié)構(gòu)尺度小，生命周期短，而且在大雷諾數(shù)流動條件下，流動對外界的干擾更加敏感。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流體狀態(tài)的檢測，傳感器必須滿足相應(yīng)的時間和空間尺度要求。隨著MEMS技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)大雷諾數(shù)下的實(shí)時的、準(zhǔn)確的流速和壁面剪應(yīng)力測量提供了一種可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。

運(yùn)用纖毛流場感知系統(tǒng)，蟋蟀和魚等動物可以完成導(dǎo)航定位、捕食和躲避捕食者。經(jīng)過長期進(jìn)化和優(yōu)勝劣汰，它們的纖毛感知系統(tǒng)具有對復(fù)雜多變自然流場環(huán)境的高度適應(yīng)性，整體性能極為完善和高效。借鑒蟋蟀和魚的纖毛流場感知系統(tǒng)，近年來各國科研工作者相繼開展了仿生纖毛傳感器的研究工作。目前，報(bào)道的纖毛微傳感器大多數(shù)以開放式的懸臂梁或扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)作為傳感器的變形結(jié)構(gòu)，易在實(shí)際測試環(huán)境中失效。

為此，2014年A.G.P.Kottapalli等人在《BioinspirationBiomimetics》(2014年第9期046011)上發(fā)表的“Touch at a distance sensing:lateral-line inspired MEMSflow sensors”論文中報(bào)道了基于柔性液晶聚合物的壓阻式纖毛微傳感器，但該傳感器對環(huán)境溫度變化敏感，只能開環(huán)工作，較難獲得高靈敏度和大量程兼顧的性能要求。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種柔性聚合物封閉膜仿生纖毛微傳感器及其制備方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種柔性聚合物封閉膜仿生纖毛微傳感器，包括依次設(shè)置的纖毛、柔性膜、SOI硅-玻璃電容結(jié)構(gòu)；所述SOI硅-玻璃電容結(jié)構(gòu)包括上層硅結(jié)構(gòu)、中間層硅結(jié)構(gòu)、底層玻璃結(jié)構(gòu)；

所述上層硅結(jié)構(gòu)包括硅連接柱、上層硅軸向電極、Y向上層硅結(jié)構(gòu)、X向上層硅結(jié)構(gòu)、公共電極上層硅結(jié)構(gòu)；

所述中間層硅結(jié)構(gòu)包括檢驗(yàn)質(zhì)量塊、中間層硅軸向電極、Y向中間層硅結(jié)構(gòu)、X向中間層硅結(jié)構(gòu)、公共電極中間層硅結(jié)構(gòu)、銅柱；所述銅柱嵌設(shè)于中間層硅軸向電極、Y向中間層硅結(jié)構(gòu)、X向中間層硅結(jié)構(gòu)、公共電極中間層硅結(jié)構(gòu)內(nèi)部；用于實(shí)現(xiàn)X向電極、Y向電極、軸向電極、公共電極電信號連接；

所述底層玻璃結(jié)構(gòu)包括pyrex玻璃以及設(shè)置于pyrex玻璃上的底層金屬公共電極(含引線引腳)、底層金屬軸向電極(含引線引腳)、硅軸向電極底層金屬引線引腳、Y向硅結(jié)構(gòu)底層金屬引線引腳、X向硅結(jié)構(gòu)底層金屬引線引腳。

優(yōu)選地，所述硅連接柱位于上層硅結(jié)構(gòu)中央，所述上層硅軸向電極的數(shù)量為4個，所述Y向上層硅結(jié)構(gòu)的數(shù)量為2個，所述X向上層硅結(jié)構(gòu)的數(shù)量為4個，所述公共電極上層硅結(jié)構(gòu)的數(shù)量為1個。