基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列及流场测试方法

本发明涉及mems流体传感，特别是涉及基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列及流场测试方法。

背景技术：

1、流体测量技术被广泛应用在我们生活中的各个领域，包括军用，民用和生物医学领域等。流体测量主要包括对典型流场的测量，以及对湍流和边界层分离临界条件等具有挑战性技术的测量。无论水下无人航行器，空中无人机以及生物医学等众多应用领域，都要求流量传感器具备高分辨率、响应时间短、以及低成本和高耐用性等特点。传统的流体传感方法，如热线风速仪(hwa)、声学多普勒频移测速仪和粒子图像测速仪(piv)，由于尺寸大、灵敏度低、设置复杂等原因无法满足这些要求。得益于mems技术微型化、集成化、成本低、可大批量生产等特点，使得基于mems传感器的流体测量成为流体测量技术的重要手段，其中mems仿生纤毛流体传感器是mems流体传感器的一个重要分类。

2、人类和许多生物，如水生动物和两栖动物，都配备了高度敏感的纤毛流体传感系统，以帮助它们在充满挑战的环境中生存。这些传感系统是开发具有高灵敏度和高性能的人工流体传感器的重要灵感来源。以仿生学为基础并结合mems技术，国内外科研机构设计了基于不同仿生学原理和传感器原理的mems纤毛式流体传感器。其中包括模仿鱼类侧线系统、蝙蝠、蟋蟀、海豹和人内耳前庭系统设计出的压阻式，压电式，电容式以及磁式等mems纤毛流体传感器。

3、单个mems纤毛式流体传感器在捕获流场信息时存在分辨率低的问题。在实际应用中，往往以阵列的方法解决单个传感器分辨率低，捕获流场信息不全面的问题。但无论压阻式，压电式或电容式传感器，传感器单元都需要设计特定的电极以实现电气互联。受电极线宽，电极间距，工艺条件限制等因素的影响，电极排布将会占据器件的较大部分空间。阵列式电极布线的复杂性和占据的大量空间将会严重限制传感器阵列的大面积制造并且降低传感器阵列的分辨率。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列及流场测试方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列，所述纤毛光学流体传感器阵列制作方法包括以下步骤：

3、s1、首先通过等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)在单晶硅表面沉积一层氮化硅薄膜(b)作为后续氢氧化钾湿法刻蚀的掩蔽层；

4、s2、利用传统紫外光刻方法将s1中得到的氮化硅薄膜表面做出特定的光刻胶(ar-p 5350)图案；

5、s3、以光刻胶作为掩膜，利用感应耦合等离子体刻蚀技术(rie刻蚀)刻蚀s2中暴露在光刻胶以外的氮化硅薄膜，使无掩膜区域的氮化硅完全刻蚀至硅层暴露；

6、s4、去除s3完成后残余的光刻胶；

7、s5、以氮化硅作为掩膜，利用氢氧化钾(koh)湿法刻蚀各向异性的特点刻蚀s4完成之后暴露在氮化硅掩蔽层以外的硅衬底，形成pdms倒金字塔阵列模具；

8、s6、将道康宁sylgard 184硅橡胶的基本组分与固化剂的两部按:的重量比混合，真空排气，并浇入在s5上形成的硅模版；

9、s7、从硅模板上剥离形成pdms金字塔阵列，在pdms金字塔上表面添加透明的机械力传递层，使纤毛的位移更好的转化为pdms金字塔阵列的变形，并在机械力传递层上制作纤毛。

10、本发明还提供基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列的流场测试方法，测试如上所述的纤毛光学流体传感器阵列，所述测试系统包括光源、相机、电荷耦合器件(ccd)及其连接的电脑、玻璃、固定于玻璃表面的仿生学纤毛光学流体传感器，其利用将流场信息转化为光学信息并结合人工智能进行处理，摒弃复杂电极和信号处理电路。

11、与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：

12、本发明设计了一种基于人工智能和仿生学纤毛光学流体传感器阵列的流场测试技术，该方法通过将流场信息转变为光学信息并结合人工智能处理的方法进行流场测试和处理，完全摒弃了传统仿生纤毛流体传感器阵列将流场信号转化为电学信号带来的复杂电极布线和信号处理电路问题；本发明的纤毛光学流体传感器阵列的制作采用光刻、湿法刻蚀，pdms微结构制作等常规微纳加工工艺，基于该方法可以实现超大面积的传感器阵列制造和更高的测试分辨率，可应用于典型流场测试，湍流测试和预测边界层分离的临界条件等；同时该技术在无人机，水下无人潜航器等领域展现出出色的应用前景。

技术特征：

1.基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列，其特征在于：所述纤毛光学流体传感器阵列制作方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列，其特征在于：在s1中，通过等离子体增强化学气相沉积法在单晶硅(18)表面沉积一层氮化硅(19)薄膜(b)。

3.根据权利要求1所述的基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列，其特征在于：在s2中，利用传统紫外光刻在氮化硅(19)薄膜表面，做出特定的光刻胶(20)图案。

4.根据权利要求1所述的基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列，其特征在于：在s3和s4中，以光刻胶(20)作为掩膜，利用反应离子刻蚀法刻蚀无光刻胶(20)掩盖的氮化硅(19)层，使无掩膜区域的氮化硅(19)完全刻蚀至硅层暴露，并去除残余光刻胶(20)。

5.根据权利要求1所述的基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列，其特征在于：在s5中，以氮化硅(19)作为掩膜进行氢氧化钾湿法刻蚀，形成硅倒金字塔阵列模具。

6.根据权利要求1所述的基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列，其特征在于：在s7中，对于剥离形成的pdms金字塔阵列，在pdms金字塔上表面添加透明的机械力传递层(5)，使纤毛(4)的位移更好的转化为pdms金字塔阵列的变形，并在机械力传递层(5)上制作纤毛(4)。

7.基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列的流场测试方法，其特征在于：测试如权利要求1-6任一项所述的纤毛光学流体传感器阵列，所述测试系统包括光源(8)、相机(2)、电荷耦合器件(1)及其连接的电脑(17)、玻璃(7)、固定于玻璃(7)表面的仿生学纤毛光学流体传感器(3)，其利用将流场信息转化为光学信息并结合人工智能进行处理，摒弃复杂电极和信号处理电路。

技术总结
本发明公开了基于仿生学的纤毛光学流体传感器阵列及流场测试方法，所述纤毛光学流体传感器阵列制作方法包括步骤S1‑S7从硅模板上剥离形成PDMS金字塔阵列，在PDMS金字塔上表面添加透明的机械力传递层，并在机械力传递层上制作纤毛。本发明设计的新型仿生学纤毛光学流体传感器阵列，利用将流场信息转化为光学信息并结合人工智能处理的方法实现流场测试，摒弃了传统仿生纤毛流体传感器阵列将流场信号转化为电学信号带来的复杂电极布线和信号处理电路问题；纤毛光学流体传感器阵列的制作采用光刻、湿法刻蚀，PDMS微结构制作等常规微纳加工工艺；基于该方法可以设计大面积的传感器阵列，并应用于典型流场测试，湍流测试和预测边界层分离的临界条件等。

技术研发人员：胡欢,张兰胜,杭哲义
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15