纤毛式MEMS传感器技术研究

首次综合国内外纤毛式MEMS传感器的研究成果,分别介绍了基于纤毛仿生原理的三维微触觉传感器、三维微力传感器、微声传感器、水流传感器、微几何测量传感器以及矢量水声传感器等。该类型传感器充分地将仿生学和MEMS技术结合起来,具有结构新颖精巧、体积小、功耗低、响应快、温漂小、精度高等优点,为开发具有自主知识产权的新型器件提供了新的思路。

一种仿生壶腹嵴的振动传感特性研究

为了研究人耳半规管中壶腹嵴的振动传感特性,本文采用表面对称电极含金属芯PVDF纤维(SMPF)传感器,代替人体纤毛细胞感受器,并模仿人体壶腹嵴的结构,设计制备了一种仿生壶腹嵴。根据压电方程和振动理论,建立了仿生壶腹嵴的振动传感理论模型。搭建了实验系统,测试了仿生壶腹嵴的振动传感功能。实验结果表明,仿生壶腹嵴在液体压力作用下可以产生相应的变形,而通过SMPF的输出电荷信号,可以感知仿生壶腹嵴受到的振动激励,包括正弦与冲击振动的波形、频率和幅值。实验结果验证了理论模型,同时验证了人体半规管中,壶腹嵴具有振动感知的能力和作用。

仿生毛发气流传感器在流场中的传感特性研究

模仿昆虫感受器的结构,设计制备了一种仿生毛发气流传感器——表面对称电极含金属芯聚偏氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器。基于流体力学理论和第一类压电方程建立了SMPF的气流传感模型。搭建了实验系统,验证了SMPF对于气流速度的传感能力。实验结果表明,SMPF的输出信号和气流速度的平方成线性关系,验证了理论模型,表明SMPF具有感知气流速度的能力。将纤维呈阵列排布置于风洞流场中,用气流对纤维阵列进行冲击,搭建实验系统,验证了纤维在流场中的传感特性,并进行有限元仿真分析。实验结果表明,在风洞装置中,当有气流流过时,会产生流动边界层,且沿着气流速度方向边界层厚度越来越厚,同一截面上的气流速度差也越来越大。实验结果验证了理论模型,表明SMPF具有感知流场分布的能力。