仿生纤毛微流量传感器及其制备方法

针对微流体流量测量难度大且精度不高的问题,本文基于压阻原理设计了一种悬臂梁结构的仿生纤毛微流量传感器。本文首先对比分析了现有热线式、压电式和压阻式微流量传感器的优缺点,基于压阻式传感器的应变与阻值之间呈现线性关系的优点,选择压阻应变原理设计微流量传感器;其次,通过有限元数值分析方法确定了微流量传感器最佳仿生纤毛的阵列规模、直径、高度和悬臂梁长度等参数;然后,采用微液滴限制电沉积(Meniscus Confined Electrodeposition,MCED)方法制备了仿生纤毛阵列,并制作了微流量传感器;最后,通过自主设计的实验装置进行验证,结果表明,该传感器可以对大于0.4 m/s的微流速进行灵敏感应并准确测量,且传感器对流体流速测量的非线性误差为2.84%。该仿生纤毛应变式流量传感器在微流量测量领域具有广泛的应用前景。

用于龙舟训练的仿生柔性触觉传感器

为了提高龙舟比赛运动员的训练效果,开发了可用于身体运动识别及压力监测的仿生纤毛柔性触觉传感器。柔性触觉传感器采用了经典的基底-传感层-封装层式“三明治”结构,柔性硅胶基底采用旋涂法制备,传感层为利用Langmuir⁃Blodgett方法得到的大面积碳纳米管传感薄膜,纤毛栽种于传感层,最后封装得到具有仿生纤毛的触觉传感器。由传感器的SEM照片可知,层与层之间的结合特性较好,采用自制的往复测试平台,对传感器进行了测试。传感器耐用性最高可达5500次,最大阻值差可达300%,对于不同方向力的刺激有识别特性,可清晰识别人体的脉搏信号,对未来龙舟训练智能装备开发中的动作识别、力量监测等功能具有较大现实意义。

MEMS仿生矢量水听器微结构力学建模及实验验证

MEMS仿生矢量水听器是一种新型水声传感器,其工作性能决定于内部MEMS声电换能微结构的几何、材料及流体环境参数。为深入探讨该水听器的工作机理并提高其工作性能,针对其内部微结构通过合理的简化建立了相应的单自由度等效力学模型,并推导出理想流体环境下该微结构一阶固有频率与其几何、材料及流体环境参数间的解析表达式。在此基础上,推导出现有水听器微结构的一阶固有频率,并搭建实验平台进行验证,实验结果表明理论值与实验值间的相对误差低于5%,从而验证了该力学模型的有效性,为水听器的设计及优化提供了理论基础和参考依据,同时也为具有类似结构的传感器的性能分析奠定了基础。

杯型MEMS矢量水听器的设计

由于当前四梁纤毛式MEMS矢量水听器的灵敏度与带宽之间相互制约,要想提高水听器的灵敏度往往需要以大幅牺牲带宽为代价,针对此问题提出了杯型矢量水听器,在大幅提高水听器灵敏度的同时仍具有一定的带宽,满足MEMS矢量水听器低频高灵敏度的工程应用要求。通过ANSYS对杯型微结构进行仿真分析,保证水听器的灵敏度及工作带宽。驻波场测试结果表明,杯型矢量水听器的灵敏度在400 Hz可达到-192 dB（前置放大40 dB）,具有20~400 Hz的可测带宽,在满足测试带宽的基础上大幅提高了矢量水听器的灵敏度,同时满足灵敏度每频程6 dB的增长趋势,具有良好的＂8＂字型指向性,凹点深度为31.6 dB。