CN106885919A - 一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器及其制备方法，模仿鱼侧线在水下识别并定位猎物这一生物行为，即鱼侧线中的神经丘中裸露的侧线沟能机械感知水下动物游动时产生的振动，这种振动波在水下到达不同神经丘的时间和相位差来定位，并将这种运动信号转化为生理电信号传导至感觉细胞来感知外界水流变化，低频振动，温度变化等刺激。利用聚偏氟乙烯正压电效应模仿并感知空间气流变化及定位空间振动源位置。单个微球传感单元利用聚偏氟乙烯受振动大小，并直接转化为电信号有效计算空间气流大小和角度；多个微球传感单元阵列排布，根据振动波到达不同传感单元时间和相位差来计算气流大小及方位，有效提高空间气流大小和方位的计算精度。

Description

一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器及其制备方法，属仿生材料及智能结构领域。
背景技术：
空间流速测量及振元定位在气象监测、生物医药、航空制导及国防武器装备上有广泛的应用。传统测量流速变化的方式采用机械部件的热丝流速传感器，但是这种装置体积大，易磨损。近年来陆续出现基于超声波传播的超声风速计和基于多普勒效应的多普勒流速仪，这两种流速计都有各自的优点,但是由于使用环境条件有限、生产成本高、对振元定位精度低、响应时间慢等原因使其应用推广受到限制。
发明内容：
针对目前测量空间三维流速及振元定位的不足和缺点，模仿鱼侧线在水下识别并定位猎物这一生物行为，本发明提供了一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器及其制备方法。单个的微型球传感单元(Micro ball sensing unit)能够利用其压电薄膜受振动大小，并直接转化为电信号来有效的计算空间气流大小和角度；而多个微型球传感单元的阵列排布，根据振动波到达不同传感单元的时间和相位差来计算气流的大小及方位。
本发明采用如下技术方案：一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器，包括外部球体、微槽、微梁以及微型球体，微槽以外部球体球心为中心点均匀分布在外部球体的外表面上，微槽中沉积有氮化硅薄层，氮化硅薄层上表面沉积有聚酰亚胺，在聚酰亚胺上刻蚀出中间层，在中间层上表面上加工有上衬层，微梁一末端与微型球体表面相垂直固定后位于微槽的中心位置，微梁另一末端与中间层固定，在微梁上采用磁控溅射的方法在其上表面溅射聚偏氟乙烯，在微槽中沉积氧化硅电极层，在微梁上与聚偏氟乙烯不同位置的地方覆盖有与氧化硅电极层相连的导电薄膜。
本发明还采用如下技术方案：一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器的制备方法，包括如下步骤：
第一步：3D打印碳化硅空心外部球体；
第二步：在空心外部球体的外表面均匀光刻18个微槽；
第三步：在微槽中沉积氮化硅薄层；
第四步：在氮化硅薄层上表面沉积聚酰亚胺，并在聚酰亚胺上刻蚀出中间层；
第五步：利用光刻工艺，在中间层上表面加工上衬层；
第六步：利用喷雾造粒的方法制备出空心微型球体；
第七步：利用光刻工艺加工弧形微梁，微梁一末端与微型球体表面相垂直固定后位于微槽的中心位置，微梁另一末端与中间层固定，并采用磁控溅射的方法在微梁上表面溅射聚偏氟乙烯；
第八步：在微槽中沉积氧化硅电极层；
第九步：在微梁上与聚偏氟乙烯不同位置的地方覆盖有与氧化硅电极层相连的导电薄膜；
第十步：完成新型微型球形传感器的制备。
本发明具有如下有益效果：
1.单个的微球传感单元，其结构为中间布置的微型球体与上衬层通过2个PVDF桥以L型水平方式相连。当外部空间流速改变时，微球传感单元中的PVDF桥产生一定方向上的变形，根据正压电效应，通过导电膜捕捉到相应的瞬态的压电信号。
2.弧型结构的PVDF桥能增大变形的转动惯量，放大信号的电压值，有效的捕捉瞬时冲击信号值。
3.在外部球体表面，18个微球传感单元以外部球体球心为中心点均匀分布在其表面，其中任意一个微球传感单元能够感知并计算空间流速大小及方向，任意2片可计算振动元的方位，并对其空间位置定位。通过平均计算的方法，可提高并校正计算空间气流大小和方位的精度。
4.对微球传感单元各层的制备分别采用光刻、沉积及磁控溅射等微结构加工方式，大幅度降低了微球传感单元的整体尺寸，提高了测量的灵敏度和范围，实现了微米级传感阵列布置和测量。
附图说明：
图1为新型微型球形传感器外部球体三维结构图。
图2为新型微型球形传感器内部微球结构图。
图3为微球传感单元主视图。
图4为微球传感单元侧视图。
图5为微球传感单元制备流程图；
其中：
1-外部球体，2-微槽，3-氮化硅薄层，4-聚酰亚胺，5-中间层，6-上衬层，7-氧化硅电极层，8-微梁，9-聚偏氟乙烯，10-导电薄膜，11-微型球体。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明感知空间环境变化的新型微型球形传感器包括外部球体1以及微槽2，微槽2以外部球体1球心为中心点均匀分布在外部球体1的外表面上，微槽2中沉积有氮化硅薄层3，氮化硅薄层3上表面沉积有聚酰亚胺4，在聚酰亚胺4上刻蚀出中间层5，在中间层5上表面上加工有上衬层6。微梁8一末端与微型球体11表面相垂直固定后位于微槽2的中心位置，微梁8另一末端与中间层5固定。在微梁8上采用磁控溅射的方法在其上表面溅射聚偏氟乙烯9。在微槽2中沉积氧化硅电极层7，在微梁8上与聚偏氟乙烯9不同位置的地方覆盖有与氧化硅电极层7相连的导电薄膜10。
在外部球体1表面，由氮化硅薄层3、聚酰亚胺4、中间层5、上衬层6、氧化硅电极层7、微梁8、聚偏氟乙烯9、导电薄膜10以及微型球体11共同构成了微球传感单元，18个微球传感单元以外部球体1球心为中心点均匀分布在其表面。在外部球体1的微槽2上表面布置18个微球传感单元，微球传感单元中的中间布置的微型球体11与上衬层6通过2个弧型结构的微梁8以L型水平方式相连。当外部空间流速改变时，微型球体11带动微球传感单元中的聚偏氟乙烯9产生一定方向上的变形，根据正压电效应，通过导电薄膜10连接氧化硅电极层7与聚偏氟乙烯9来捕捉到4个相应的瞬态的压电信号,即为u，结合微球传感单元的空间几何布置方式，反推出空间流速V大小及方向α，其公式为：[V]＝[F(u1,u2,u3,u4)][α]。
弧型结构的微梁8能增大变形的转动惯量，放大信号的电压值，有效的捕捉瞬时冲击信号值。当外界气流发生变化时，气流可以分解为水平面分量和垂直面分量，微梁8上贴有聚偏氟乙烯9(即PVDF桥)可同时感知并捕捉2个分量的数值并转化为信号值。微米尺寸的聚偏氟乙烯9的厚度为0.05mm，微小的气流波动，在压电效应中的拉伸模式下即可感知。18个微球传感单元一球面均匀阵列的形式布置，可对空间任意方向的振元产生的气流波动感知并捕捉，根据振动波到达不同传感单元的时间和相位差来计算气流的大小及方位。
本发明新型智能微型球形传感器结合了智能仿生材料、机械原理和信号处理技术可实现外界环境中气流变化的信息。
本发明感知空间环境变化的新型微型球形传感器的制备方法，包括如下步骤：
第一步：3D打印碳化硅空心外部球体1；
第二步：在空心外部球体1的外表面均匀光刻18个微槽2；
第三步：在微槽2中沉积氮化硅薄层3；
第四步：在氮化硅薄层3上表面沉积聚酰亚胺4，并在聚酰亚胺4上刻蚀出中间层5；
第五步：利用光刻工艺，在中间层5上表面加工上衬层6；
第六步：利用喷雾造粒的方法制备出空心微型球体11；
第七步：利用光刻工艺加工弧形微梁8，微梁8一末端与微型球体11表面相垂直固定后位于微槽2的中心位置，微梁8另一末端与中间层5固定，并采用磁控溅射的方法在微梁8上表面溅射聚偏氟乙烯9；
第八步：在微槽2中沉积氧化硅电极层7；
第九步：在微梁8上与聚偏氟乙烯9不同位置的地方覆盖有与氧化硅电极层7相连的导电薄膜10；
第十步：完成新型微型球形传感器的制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器，其特征在于：包括外部球体(1)、微槽(2)、微梁(8)以及微型球体(11)，微槽(2)以外部球体(1)球心为中心点均匀分布在外部球体(1)的外表面上，微槽(2)中沉积有氮化硅薄层(3)，氮化硅薄层(3)上表面沉积有聚酰亚胺(4)，在聚酰亚胺(4)上刻蚀出中间层(5)，在中间层(5)上表面上加工有上衬层(6)，微梁(8)一末端与微型球体(11)表面相垂直固定后位于微槽(2)的中心位置，微梁(8)另一末端与中间层(5)固定，在微梁(8)上采用磁控溅射的方法在其上表面溅射聚偏氟乙烯(9)，在微槽(2)中沉积氧化硅电极层(7)，在微梁(8)上与聚偏氟乙烯(9)不同位置的地方覆盖有与氧化硅电极层(7)相连的导电薄膜(10)。
2.一种感知空间环境变化的新型微型球形传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤
第一步：3D打印碳化硅空心外部球体(1)；
第二步：在空心外部球体(1)的外表面均匀光刻18个微槽(2)；
第三步：在微槽(2)中沉积氮化硅薄层(3)；
第四步：在氮化硅薄层(3)上表面沉积聚酰亚胺(4)，并在聚酰亚胺(4)上刻蚀出中间层(5)；
第五步：利用光刻工艺，在中间层(5)上表面加工上衬层(6)；
第六步：利用喷雾造粒的方法制备出空心微型球体(11)；
第七步：利用光刻工艺加工弧形微梁(8)，微梁(8)一末端与微型球体(11)表面相垂直固定后位于微槽(2)的中心位置，微梁(8)另一末端与中间层(5)固定，并采用磁控溅射的方法在微梁(8)上表面溅射聚偏氟乙烯(9)；
第八步：在微槽(2)中沉积氧化硅电极层(7)；
第九步：在微梁(8)上与聚偏氟乙烯(9)不同位置的地方覆盖有与氧化硅电极层(7)相连的导电薄膜(10)；
第十步：完成新型微型球形传感器的制备。
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