[发明专利]传感器、其形成方法和控制方法

说明书

根据本发明的实施例，提供一种用于检测流体的流量参数的传感器。该传感器包括聚合物膜、从所述聚合物膜延伸出来的长形微结构及与所述长形微结构的至少一部分结合的水凝胶，其中，所述水凝胶与所述长形微结构被设置为相互协作，以响应流体流动和流体与传感器的交互而使所述聚合物膜产生位移，而且所述传感器用来基于所述聚合物膜的位移提供指示流体的流量参数的测量值。根据本发明的进一步的实施例，还提供形成该传感器和控制该传感器的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年1月2日提交的申请号为61/748,184的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用结合到本文中以用于各种目的。

技术领域

本发明的各种实施例涉及一种传感器、其形成方法及控制方法。

背景技术

在自然界中发现的生物感应器具有一些理想的设计，然而这些设计具有令人费解的特性。仿生传感器的发展涉及各种设计特点的学习、感应现象及来自自然界的物质方面，而且能够将它们利用到独特的工程中或能让人造人工传感器从其中受益。

从自然体系中获得的知识可以明显让人工设备的工程从中获益。受生物启发的研究试图将目光从传统领域转移至天然环境工艺来寻找核心灵感，以获得新的工程系统的设计。在过去，无论是在宏观还是微观水平上，很多研究人员均对开发仿生系统表现出极大的兴趣：例如，灵感来自尺蠖的电压蠕动式电机、灵感来自蟋蟀的谷风受体毛状结构（Cerealwind-receptor hair-like structure）的流量传感器、灵感来自陆生无肢动物的运动中的可减少腿部运动的材料、灵感来自贻贝的粘合材料等。

洞穴盲鱼是一种独特的鱼类，它可以在水中高速游动，虽然无法看见物体，但不会与其周围的其他水下障碍物发生碰撞。洞穴盲鱼是依靠其身上的流量与压力的梯度传感器的阵列来实现这一令人惊讶的特征的。与流量和压力传感器的阵列类似的人工模拟会让水下航行器受益匪浅，使得水下航行器能够看见其周围环境并能够实现节能性操纵。存在于洞穴盲鱼的皮肤上和皮肤下的单独的生物传感器被叫作神经丘。这些神经丘由胶质吸盘和被封装的杯状纤维组成，且该封装的杯状纤维能够支撑所述杯状物质，该杯状材料延伸至流动中。

图1A展示了洞穴盲鱼characin 102的照片100。尽管无法看见，洞穴盲鱼characin102展示了高速游动而不会与其他水下障碍发生碰撞这一不可思议的能力。它依靠其皮肤上和皮肤内的被叫作表面神经丘和管状神经丘的两种生物传感器来获取其身体周围的流动信息。在图1A中，虚线104表示洞穴盲鱼characin 102身体上的管状神经丘的侧线。

管状神经丘（CN）被皮下充满液体的管所围住，并通过洞穴盲鱼characin皮肤上的孔被暴露于外部水中。如图1B和1C的SEM图像110和120所示，该鱼的身体具有或多或少等距的CN，且每个CN位于过度包围的管上的两个管孔112之间。

表面神经丘（SN）则在空间上分布于洞穴盲鱼characin的身体上，并对该鱼与周围水之间的净移动作出反应。因此，所述SN负责流速感应并缓慢地作出反应。图1D展示了洞穴盲鱼characin的表面神经丘130的截面示意图，说明了表面神经丘130的感应机制。单独的表面神经丘130的形态由被封装于胶质吸盘134中的毛细胞132束组成。通过吸盘134的由140所示的外部流动与吸盘134生成摩擦力，致使吸盘134弯曲，从而刺激吸盘134内的毛细胞132。所述杯状结构134的结构在周围流动与毛细胞132之间起到机械耦合器的作用，且由于面向水流的表面积的增加，吸盘134会增加对毛细胞132的阻力。所述吸盘134由被称作杯状纤丝136的纤维组成，该杯状纤丝136会从吸盘134的底部延伸至其末端。所述杯状纤丝136充当着吸盘134的内部结构支撑体，是支撑柔软的杯状材料的支架。杯状纤丝136还能使吸盘134长得更高而超越与所述鱼相关的边界层。术语“边界层”可以指在鱼表面附近一带的静止或停滞的流动层，鱼表面可以衰减其附近的水流移动的速度。