[发明专利]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

说明书

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。

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。