[發(fā)明專利]基于雙穩(wěn)態(tài)勢能調(diào)節(jié)的仿生纖毛微傳感器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010768450.0
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號(hào): CN111965384B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉武;梁賀龍;許海軍;訾鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P5/08
• 分類號(hào): G01P5/08;G01L1/14;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明提供了一種基于雙穩(wěn)態(tài)勢能調(diào)節(jié)的仿生纖毛微傳感器及其制備方法。傳感器整體結(jié)構(gòu)為纖毛?上部結(jié)構(gòu)層?中間連接層?下部支撐層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，其中上部結(jié)構(gòu)層包括懸浮梳齒固定端、折疊梁、懸浮梳齒、檢測梳齒和調(diào)制梳齒。本發(fā)明采用在絕緣襯底上的硅上制備纖毛柱和上部結(jié)構(gòu)層，通過刻蝕中間連接層為折疊梁和懸浮梳齒提供運(yùn)動(dòng)間隙。傳感器工作時(shí)，纖毛柱帶動(dòng)下面的懸浮梳齒沿流速/剪應(yīng)力方向移動(dòng)，導(dǎo)致懸浮梳齒和檢測梳齒的間隙發(fā)生變化，根據(jù)電容的變化得到流速/剪應(yīng)力的大小；流速/剪應(yīng)力微弱時(shí)，通過在調(diào)制梳齒施加調(diào)制電壓，系統(tǒng)勢能處于雙穩(wěn)態(tài)，添加適量白噪聲得到可測量位移，即可以檢測到靜梳齒與動(dòng)梳齒之間的電容變化，最終實(shí)現(xiàn)更低閾值的檢測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于雙穩(wěn)態(tài)勢能調(diào)節(jié)的仿生纖毛微傳感器。

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(dòng)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。近年來，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)體積小、功耗低的傳感器制備提供了可靠的技術(shù)途徑。另外，自然界中有許多生物，如節(jié)肢動(dòng)物和水生動(dòng)物，為適應(yīng)在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中生存需求，都進(jìn)化出了高靈敏度的流場傳感器。為此，科研人員開展了仿生纖毛微傳感器研究工作。

2017年，新加坡與麻省理工研究聯(lián)盟Ajay Giri Prakash Kottapalli等人在《Sensors》(2017年第8期1728)上發(fā)表的“Cupula-Inspired Hyaluronic Acid-BasedHydrogel Encapsulation to Form Biomimetic MEMS Flow Sensors”論文中提出一種水凝膠封裝形成的仿生流速傳感器，但該傳感器采用壓阻原理，對環(huán)境溫度變化敏感。

2018年東南大學(xué)楊波等人在《Review of Scientific Instruments》(2018年第4期045002)上發(fā)表的“A novel flow sensor based on resonant sensing with two-stage microleverage mechanism”論文中提出了一種諧振式纖毛流速傳感器，但此類傳感器對低Q值諧振式傳感器來說，由于諧振頻率點(diǎn)處放大倍數(shù)較低，一般的測量電路無法將響應(yīng)信號(hào)與噪聲分離出來。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于雙穩(wěn)態(tài)勢能調(diào)節(jié)的仿生纖毛微傳感器及其制備方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于雙穩(wěn)態(tài)勢能調(diào)節(jié)的仿生纖毛流速傳感器，包括自上而下依次設(shè)置的纖毛、上部結(jié)構(gòu)層、中間連接層以及下部支撐層，其中：

上部結(jié)構(gòu)層包括懸浮梳齒固定端、折疊梁、懸浮梳齒、檢測梳齒以及調(diào)制梳齒，懸浮梳齒與纖毛連接；

懸浮梳齒固定端、檢測梳齒以及調(diào)制梳齒通過中間連接層與下部支撐層緊固連接；

懸浮梳齒通過折疊梁與懸浮梳齒固定端相連，懸浮梳齒和折疊梁懸空布置。

優(yōu)選地，懸浮梳齒包括兩個(gè)部分，一部分和檢測梳齒構(gòu)成差分電容結(jié)構(gòu)來測量流速變化，另一部分和調(diào)制梳齒通過施加電壓調(diào)制實(shí)現(xiàn)傳感器雙穩(wěn)態(tài)。

優(yōu)選地，檢測梳齒設(shè)置在懸浮梳齒左右兩側(cè)，兩側(cè)的檢測梳齒采用不對稱結(jié)構(gòu)，電容間隙產(chǎn)生相反變化，形成差分電容檢測。

優(yōu)選地，調(diào)制梳齒設(shè)置在懸浮梳齒前后兩側(cè)，通過采用周期性調(diào)制梳齒的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的勢能函數(shù)呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種制備上述的基于雙穩(wěn)態(tài)勢能調(diào)節(jié)的仿生纖毛流速傳感器的方法，包括如下步驟：

步驟S1：準(zhǔn)備雙拋導(dǎo)電SOI片作為基片，并清洗干凈；