传感器、其形成方法和控制方法
【专利说明】传感器、其形成方法和控制方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年I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
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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characin 102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。
[0007]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IC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。
[0008]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。
[0009]管状神经丘(CN)只有在连续孔与单独的CN所处的孔之间存在压力差异时才会被开启。因此，所述CN不能用于感应流速，而能用于感应加速。
[0010]在过去，只有少数研究小组致力于研发仿生水凝胶吸盘中，以增强流量传感器的性能。例如，流量传感器会与装在薄的硅胶悬臂梁上的SU-8毛细胞上一起进行研发。水凝胶吸盘是通过在SU-8毛细胞上滴落涂布(Drop-casting)聚乙二醇(PEG)聚合物来形成的。然而，通过SU-8处理的高高宽比柱的显影是非常繁琐的工艺。而且，还存在一些涉及很高的SU-8柱形状的问题。
【发明内容】
[0011]根据一个实施例，提供一种用于检测流体的流量参数的传感器。所述传感器可以包括聚合物膜、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，而且所述传感器会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。
[0012]根据一个实施例，提供一种形成用于检测流体流量参数的传感器的方法。该方法可以包括:提供聚合物膜；形成从所述聚合物膜延伸出来的长形微结构；和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，而且所述传感器会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。
[0013]根据一个实施例，提供控制传感器的方法。所述方法可以包括:在流动的流体中放置传感器，其中，从所述传感器的聚合物膜延伸出来的长形微结构和与所述长形微结构的至少一部分连接的水凝胶相互协作，以响应于流动流体与传感器的交互，使所述聚合物膜产生位移；及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。
【附图说明】
[0014]在附图中，相似的参考字符通常表示贯穿不同视图中的相似部分。所述附图与大小和重要性没有必要关系，而通常根据说明本发明的原理来进行的排列。在以下说明中，会结合以下附图描述本发明的各种实施例，具体如下:
图1A展示了洞穴盲鱼characin的图片。
[0015]图1B展示了表示洞穴盲鱼characin身体上的单排管状神经丘的侧线的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0016]图1C展示了洞穴盲鱼characin头部的不同区域上的管状孔隙的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0017]图1D展示了洞穴盲鱼characin的表面神经丘的截面示意图。
[0018]图2A展示了根据不同实施例的用于检测流体的流量参数的传感器的截面示意图。
[0019]图2B展示了说明根据不同实施例的形成用于检测流体的流量参数的传感器的方法的流程图。
[0020]图2C展示了说明根据不同实施例的控制传感器的方法的流程图。
[0021]图3A展示了根据不同实施例的传感器的透视图。
[0022]图3B展示了图3A实施例的传感器的分解图。
[0023]图4A展示了根据不同实施例的用于处理液晶聚合物(LCP)膜的方法的各阶段的截面图。
[0024]图4B展示了根据不同实施例的用于处理液晶聚合物(LCP)膜的方法的各阶段的截面图。
[0025]图5展示了通过立体光刻工艺制造的Si60毛细胞的三维光学显微镜图像。
[0026]图6A展示了置于液晶聚合物(LCP)膜上的毛细胞的90度视角上的光学显微镜图像。
[0027]图6B展示了置于液晶聚合物(LCP)膜上Si60柱的裸毛细胞传感器的图片。
[0028]图7展示了根据不同实施例的已形成纳米纤丝的静电设置。
[0029]图8A?SC展示了在纳米纤维的静电纺丝最优化工艺中的被沉积于平铝箔上的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0030]图9A展示了经过纳米纤维的静电纺丝之后的装置的侧视图的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0031]图9B展示了经过纳米纤维的静电纺丝之后的装置的视角的光学显微镜图像。
[0032]图10展示了在滴落涂布水凝胶材料时的高速摄像机的图像。
[0033]图11展示了在滴落涂布过程中未采用纳米纤丝而制造的仿生吸盘传感器的三维光学显微镜图像。
[0034]图12A和12B展示了光聚合反应和膨胀过程之后的传感器的显微镜图像。
【具体实施方式】
[0035]下面具体说明是指附图，这些附图能以举例说明的方式展示可用来实施本发明的具体细节和实施例。这些实施例将被充分详细地描述，以让本领域的技术人员能够实施本发明为准。也可以利用其他实施例，只要不脱离本发明的范围，可以进行结构上、逻辑上和用电上的变化。只要某些实施例可以与其他一个或多个实施例进行组合而形成新的实施例，各种实施例未必会相互排斥。
[0036]在一个方法或装置的上下文中所描述的实施例可近似地适用于其他方法或装置上。类似地，在一种方法的上下文中所描述的实施例可近似地适用于一个装置上，反之亦然。
[0037]在一个实施例的上下文中所表述的特征可相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征上。即使在其他实施例中并未明确说明，在一个实施例的上下文中所表述的特征可相应地适用于这些实施例中的相同或相似的特征上。此外，在一个实施例的上下文中所描述的对一个特征的增加和/或组合物和/或替换可以相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征上。
[0038]在各种实施例的上下文中，对于特征或元件所用的冠词“一个”、“一种”和“所述”是指这些特征或元件中的一个或多个。
[0039]在各种实施例的上下文中，用语“至少基本上”可包括“精确值”和合适的方差。
[0040]在各种实施例的上下文中，用于数值的术语“左右”或“约”包括“精确值”和合适的方差。
[0041]这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项中的任何和所有的组合。
[0042]这里使用的以“A或B中的至少一个”这种方式表达的用语可包括，A或B，或者AB两者均包括。相应地，以“A或B或C中的至少一个”或包括更多项的方式表达的用语可包括，一个或多个相关所列项的任何和所有的组合。
[0043]各种实施例可涉及柔性压力传感器阵列和气流感应器。进一步，各种实施例可涉及用于研发超灵敏MEMS (微机电系统)流量传感器的仿生纳米纤丝封装水凝胶吸盘。
[0044]各种实施例可以提供利用微机电系统(MEMS)技术的仿生微传感器，该仿生微传感器能够实现如鱼一样被动的水下感应并使用与洞穴盲鱼上的生物传感器相似的材料和感应原理。各种实施例的仿生传感器的灵感来自于洞穴盲鱼身体上的能对鱼和周围水之间的净移动作出反应的表面神经丘传感器，并充当着流量传感器。如图1