仿生纖毛微流量傳感器及其制備方法

李俊忠，廖曉波，*，許世林，莊 健，蔡 勇

（1.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引 言

在各種醫(yī)療、工業(yè)和環(huán)境的流體測(cè)量中，對(duì)微流量（流速）大小及其方向測(cè)量的傳感器不可或缺。當(dāng)前，微流量傳感器主要分為熱線(xiàn)式、壓電式和壓阻式三種［1］。這三種微流量傳感器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：熱線(xiàn)式微流量傳感器是利用傳熱強(qiáng)度來(lái)感知流體速度，這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是能夠在不需要任何機(jī)械形變的情況下感知流體流速，但是它也存在缺點(diǎn)，由于感知元件具有較大比熱容，因此，很難對(duì)低速流體進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量；壓電式微流量傳感器是利用一些天然或合成介電材料所表現(xiàn)出的壓電特性來(lái)對(duì)流體進(jìn)行測(cè)量，壓電材料在外力作用下產(chǎn)生的形變能夠產(chǎn)生電荷，所以不需要額外供電［2］，但是其只能對(duì)動(dòng)態(tài)流量進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)穩(wěn)定流量進(jìn)行感知［3］；壓阻材料在受到外部應(yīng)力時(shí)電阻會(huì)發(fā)生變化，其能夠根據(jù)施加的應(yīng)力產(chǎn)生不同應(yīng)變，應(yīng)變使其電阻發(fā)生變化［4］，并且應(yīng)變與電阻的變化成線(xiàn)性關(guān)系，這使其很適合做流量傳感器。在壓阻式微流量傳感器中，電阻的變化可以轉(zhuǎn)換為電壓，電壓隨流速而變化。目前，壓阻式微流量傳感器被研究用于各種應(yīng)用，包括空氣流量監(jiān)測(cè)［5］與水流監(jiān)測(cè)［6-7］。

通過(guò)對(duì)比三種微流量傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，可知壓阻式傳感器的應(yīng)變與阻值之間呈現(xiàn)優(yōu)越的線(xiàn)性關(guān)系，因此本文重點(diǎn)對(duì)壓阻式微流量傳感器進(jìn)行研究。在基于壓阻材料制備的微流量傳感器中，主要有兩種傳感方式：（1）基于電阻懸臂梁應(yīng)變感知，該方法通過(guò)微制造的方法制造微懸臂梁，在流體的沖擊下懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變得到流速大??；（2）在現(xiàn)有開(kāi)發(fā)的大多數(shù)仿生傳感器中，流量測(cè)量通常依靠傳遞流體在纖毛上產(chǎn)生的動(dòng)量來(lái)測(cè)量［8］。當(dāng)流體流過(guò)纖毛時(shí)會(huì)帶動(dòng)纖毛產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)使得纖毛根部的電阻膜產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變并使用惠斯通電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出，間接測(cè)量流體的流速。為提高應(yīng)變的靈敏性，就需要纖毛具有大的長(zhǎng)徑比。因此，如何制造高長(zhǎng)徑比的纖毛成為該類(lèi)傳感器的關(guān)鍵。當(dāng)前，各種MEMS技術(shù)制備和裝配工藝已經(jīng)證明可以用于制造高長(zhǎng)徑比的纖毛結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常由聚合物或非聚合物傳感材料組成。這些技術(shù)主要包括線(xiàn)鍵合、塑料變形磁組裝［9］、3D打?。?0］和光刻等。Alfadhel等人受纖毛啟發(fā)，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和鐵納米線(xiàn)開(kāi)發(fā)了觸覺(jué)傳感器，纖毛是從帶有激光鉆孔的母模中鑄造出來(lái)［11］。Kottapalli等人受纖毛啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種全聚合物的MEMS流量傳感器［12］，其纖毛是通過(guò)3D打?。Ⅲw光刻）聚碳酸酯進(jìn)行制備。Asadnia等人采用3D打印，制作了具有復(fù)雜3D特征的金屬模具，通過(guò)在模具內(nèi)澆鑄PDMS，以獲得所需柔性纖毛［13］。

以上討論的仿生纖毛研發(fā)的微流量傳感器大多采用傳統(tǒng)的微加工技術(shù)，這些技術(shù)繁瑣，特別是在制作大規(guī)模、高長(zhǎng)徑比纖毛結(jié)構(gòu)時(shí)涉及多層沉積和光刻步驟。此外，它們受到制造的材料（通常是硅或SU-8聚合物）的限制，不適合用于柔性傳感應(yīng)用。

目前MCED技術(shù)在微納制造領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的關(guān)注［14］，本文借助其制備大規(guī)模、高長(zhǎng)徑比金屬仿生纖毛（銅線(xiàn)）的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、壓阻式懸臂梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)變與電阻的線(xiàn)性關(guān)系和仿生纖毛的高靈敏度的特點(diǎn)。提出采用電阻應(yīng)變?cè)碓O(shè)計(jì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的仿生纖毛陣列微流量傳感器。傳感器使用MCED方法制作大規(guī)模與高長(zhǎng)徑比的纖毛陣列，纖毛陣列與基底一體化成型，使用電阻應(yīng)變?cè)砗蛻冶哿航Y(jié)構(gòu)制備了仿生纖毛式微流量傳感器。通過(guò)COMSOL有限元分析軟件對(duì)纖毛陣列規(guī)模、直徑和高度等參數(shù)進(jìn)行了有限元分析，并根據(jù)仿真參數(shù)制作了傳感器，對(duì)微流量傳感器樣機(jī)做了初步測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，制備的微流量傳感器能夠穩(wěn)定測(cè)量0.4 m/s以上的流體流速。

2 傳感器設(shè)計(jì)原理及理論計(jì)算

2.1 傳感器設(shè)計(jì)原理

微流量傳感器制備原理如圖1所示，其仿生纖毛制備原理如圖1（a）所示。本文采用MCED方法制備大規(guī)模、高長(zhǎng)徑比的纖毛陣列，將內(nèi)徑為1 mm的玻璃管通過(guò)探針拉伸器制備成玻璃探針，使用壓電陶瓷位移平臺(tái)帶動(dòng)尖端開(kāi)口為微米級(jí)的玻璃探針進(jìn)行精細(xì)移動(dòng)［15］，控制相應(yīng)的沉積區(qū)域環(huán)境溫濕度［16］。玻璃探針中填充金屬陽(yáng)離子溶液（CuSO4），玻璃探針在壓電平臺(tái)的帶動(dòng)下接近導(dǎo)電基底（銅箔），在探針尖端與導(dǎo)電基底之間將形成微液滴橋。將直流電源的正極連接到伸入探針內(nèi)部的銅電極上，負(fù)極連接到導(dǎo)電基底上，在電場(chǎng)的作用下，微液滴橋接觸基底的位置將發(fā)生金屬陽(yáng)離子的還原反應(yīng)，銅離子被還原為銅單質(zhì)?？刂瞥练e電流的大小和探針向上提升的速度，可以在基底上沉積出單根高長(zhǎng)徑比的仿生纖毛。將玻璃探針移動(dòng)到下一個(gè)位置繼續(xù)進(jìn)行沉積，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次沉積，在銅箔的一端沉積出大規(guī)模、高長(zhǎng)徑比的仿生纖毛陣列。

將應(yīng)變片粘接在銅箔尾端，并將尾端固定，沉積出仿生纖毛陣列的一端作為自由端，形成懸臂梁式仿生纖毛微流量傳感器。將傳感器放置于流道中，當(dāng)流體平行于懸臂梁流動(dòng)的過(guò)程中，流體微弱沖擊作用力被仿生纖毛陣列感知后，并將沖擊力放大傳遞給懸臂梁，使得懸臂梁彎曲，從而帶動(dòng)尾端應(yīng)變片產(chǎn)生形變（如圖1（b）所示）。由于電阻應(yīng)變片本身的“壓阻效應(yīng)”，其電阻會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)惠斯通電橋把電阻的變化量轉(zhuǎn)化為電壓，使用采集器采集電壓的變化值信號(hào)，最終根據(jù)采集的信號(hào)可反求出微流體的流速。

2.2 懸臂梁應(yīng)變分析

本文使用有限元軟件分析了傳感器對(duì)微流體的流量（流速）的感知，即懸臂梁尾端（固定端）應(yīng)變與流量（流速）之間的關(guān)系，仿真過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化處理，將流速對(duì)懸臂梁尾端應(yīng)變簡(jiǎn)化為懸臂梁自由端（尖端）垂直方向的位移。其簡(jiǎn)化依據(jù)如下。

懸臂梁示意圖如圖2所示，當(dāng)尖端受到壓力時(shí)，由材料力學(xué)理論可知，其梁上距離尾端距離為x的各點(diǎn)的豎直位移y如式（1）所示，負(fù)號(hào)代表方向向下。

圖2 懸臂梁示意圖Fig.2 Schematic diagram of cantilever beam

其中：F為尖端受到的載荷，L為懸臂梁的長(zhǎng)度，x為到固定端的距離，h為懸臂梁的厚度，E為彈性模量，I為慣性矩。由梁的長(zhǎng)度可計(jì)算出尖端的豎直位移如式（2）：

懸臂梁的彎矩M=F(L-x)，及x處的應(yīng)變，應(yīng)力，對(duì)于矩形截面而言W=，可以得到尖端位移與距離尾端為x處應(yīng)變的關(guān)系，如式（3）所示：

綜上，當(dāng)應(yīng)變片與懸臂梁尖端之間的相對(duì)位置確定后，懸臂梁尖端的位移與應(yīng)變之間為線(xiàn)性關(guān)系。

3 傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 邊界條件與網(wǎng)格劃分

經(jīng)過(guò)對(duì)目前文獻(xiàn)調(diào)研，本文將針對(duì)0.1~2 m/s的流體流速范圍進(jìn)行測(cè)量。采用COM?SOL5.5有限元軟件對(duì)仿生纖毛流量傳感器進(jìn)行仿真分析，尋求此條件下最佳的纖毛陣列規(guī)模、高度、直徑和懸臂梁長(zhǎng)度等參數(shù)，為微流量傳感器制作提供理論依據(jù)。

本文使用的三維仿真物理模型如圖3所示。物理場(chǎng)為流固耦合（層流與固體力學(xué)），同時(shí)配合動(dòng)網(wǎng)格；流道結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)50 mm，寬15 mm，高5 mm；流道中間的懸臂梁厚度為0.05 mm，使用的材料為銅（其楊氏模量為110 GPa，密度為8 960 kg/m3，泊松比為0.35），設(shè)定了固定邊界，將薄板右側(cè)根部進(jìn)行固定；流體選擇為空氣，氣流從入口輸入層流，從出口自由輸出（壓力為0）；由于懸臂梁應(yīng)變最大位置靠近固定端，微應(yīng)變片對(duì)應(yīng)放置于此處。

圖3 仿真物理模型Fig.3 Simulation physical model

網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)有限元分析計(jì)算的準(zhǔn)確性和速度均有重要影響。由于電阻應(yīng)變式懸臂梁結(jié)構(gòu)的微流量傳感器在流體的流動(dòng)動(dòng)量作用下會(huì)產(chǎn)生形變，其會(huì)帶動(dòng)仿生纖毛和懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變。在懸臂梁和仿生纖毛產(chǎn)生形變的過(guò)程中，其會(huì)帶動(dòng)流道內(nèi)的流體產(chǎn)生形變。因此，在系統(tǒng)中設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，將流道分為三部分，如圖3所示。對(duì)于流道中的動(dòng)網(wǎng)格部分，網(wǎng)格劃分采用自由四面體網(wǎng)格，而流道中非動(dòng)網(wǎng)格部分采用自由六面體網(wǎng)格，且進(jìn)行粗化處理，以減小網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量。仿生纖毛是柱狀結(jié)構(gòu)，其尺度相對(duì)比較小，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，同時(shí)網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分，這樣有利于有限元分析計(jì)算。對(duì)于懸臂梁部分，由于其剛度較小，其在仿生纖毛動(dòng)量的沖擊帶動(dòng)下，產(chǎn)生較大應(yīng)變，因此，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分采用自由四面體網(wǎng)格。對(duì)于層流的有限元分析，流道內(nèi)部邊界和懸臂梁邊界，均選擇邊界層網(wǎng)格進(jìn)行劃分，且選擇壁面無(wú)滑移，這樣有利于流體的準(zhǔn)確計(jì)算。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真分析了不同條件下微流量傳感器流速與懸臂梁尖端位移的關(guān)系，如圖4。首先仿真分析不同纖毛陣列規(guī)模（無(wú)纖毛、3×3、4×4、5×5、8×8）條件下，在流速為0.1~2 m/s范圍內(nèi)懸臂梁尖端的豎直位移（纖毛高度50μm，直徑5μm，梁長(zhǎng)度20 mm），因其端點(diǎn)位移與應(yīng)變?yōu)榫€(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)尖端豎直位移的變化可以間接表示應(yīng)變的變化。由圖4（a）可知，在給定的風(fēng)速范圍內(nèi)，懸臂梁在無(wú)纖毛時(shí)，懸臂梁前端的位移為0μm。隨著陣列規(guī)模不斷變大，懸臂梁前端隨著風(fēng)速產(chǎn)生的尖端位移越大，懸臂梁尾端產(chǎn)生的應(yīng)變也將越大。因此，在實(shí)際微流量傳感器制備過(guò)程中，懸臂梁陣列規(guī)模至少在5×5以上較為合適。

圖4 不同條件下微流量傳感器流速與懸臂梁尖端位移的關(guān)系Fig.4 Flow rate of micro flow sensor versus cantilever beam tip displacement under different conditions

其次，分析在5×5纖毛陣列下，不同纖毛高度對(duì)懸臂梁尖端位移變化（纖毛陣列5×5，纖毛直徑5μm，梁長(zhǎng)度20 mm）。仿真五種不同纖毛高度對(duì)懸臂梁尖端位移產(chǎn)生的響應(yīng)如圖4（b）所示，從仿真曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)纖毛高度小于10μm時(shí)，傳感器對(duì)研究范圍內(nèi)的流速無(wú)響應(yīng)，隨著纖毛高度變高，流體速度不斷變大，梁的尖端位移不斷變大，且響應(yīng)越靈敏（曲線(xiàn)斜率變大）。因此，在微流量傳感器制備過(guò)程中，選擇纖毛高度50μm以上較為合適。

然后，為探究纖毛直徑對(duì)懸臂梁應(yīng)變的影響，本文針對(duì)5種不同直徑的纖毛陣列（5×5，高度50μm）對(duì)懸臂梁尖端位移的響應(yīng)做了仿真分析，懸臂梁尖位移與流速曲線(xiàn)如圖4（c）所示，從圖中可知：對(duì)于直徑10μm以上的纖毛，纖毛直徑越小，其對(duì)速度的響應(yīng)越明顯。同時(shí)，隨著速度的增加，懸臂梁尖端的位移不斷變大。但是對(duì)于10μm以下的纖毛，直徑為2μm的纖毛陣列，懸臂梁尖端位移變化不如5μm和8μm。因此，在微流量傳感器制備過(guò)程中，纖毛傳感器的直徑選擇在5~8μm之間。

最后，由于懸臂梁寬度受應(yīng)變片大小限制（1.5 mm×1.3 mm），探究了懸臂梁長(zhǎng)度對(duì)尖端位移的影響：懸臂梁長(zhǎng)度太長(zhǎng)，自身重力會(huì)使懸臂梁大幅度彎曲；太短則會(huì)降低系統(tǒng)的靈敏度。本文選取6 mm、10 mm、14 mm與18 mm四個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行分析，其尖端位移與流速的關(guān)系如圖4（d）所示。隨著梁的長(zhǎng)度不斷變大，傳感器對(duì)流速的敏感性不斷增加，在梁的長(zhǎng)度從10 mm變化到14 mm時(shí)，其敏感性有了較大變化，因此在微流量傳感器制備過(guò)程中，梁的長(zhǎng)度為15 mm比較合適。

綜上所述，可得如下結(jié)論：

（1）懸臂梁電阻式纖毛流量傳感器對(duì)纖毛陣列的規(guī)模有一定要求，纖毛陣列規(guī)模大于5×5較為合適，且纖毛陣列傳感器對(duì)高速的敏感性大于低速；

（2）在同等速度下，纖毛的高度對(duì)懸臂梁的形變有著重要影響，但是仿真發(fā)現(xiàn)并非高度越高越好，建議纖毛高度在50μm較為合適；

（3）纖毛直徑在5μm以上較為合適；

（4）懸臂梁長(zhǎng)度為15 mm比較合適。

4 傳感器與測(cè)試平臺(tái)制作

根據(jù)現(xiàn)有電阻應(yīng)變片的尺寸，選用AKE?MOND型號(hào)為T(mén)SK-05R-120-1A-11L1M2S的 電阻應(yīng)變片，該應(yīng)變片的尺寸為1.5 mm×1.3 mm，阻值為120Ω，傳感器制備主要分為如圖5所示的4個(gè)步驟。

仿生纖毛陣列生長(zhǎng)，采用前文提出的MCED方法。沉積過(guò)程中選用0.1 M的硫酸銅溶液，探針尖端開(kāi)口直徑為2μm，控制沉積電流為23 nA，沉積速度為0.3μm/s。沉積的纖毛陣列如圖6所示，圖6右側(cè)為單根纖毛結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)SEM成像圖，從圖6中可以看出，纖毛結(jié)構(gòu)的直徑約為5μm，長(zhǎng)度約為50μm，其生長(zhǎng)的纖毛陣列的大小和長(zhǎng)徑比等參數(shù)，皆滿(mǎn)足仿真分析得出的最佳參數(shù)，由此可見(jiàn)，制備的仿生纖毛陣列滿(mǎn)足流量傳感器的要求。

為了對(duì)設(shè)計(jì)的仿生纖毛傳感器進(jìn)行測(cè)試，本文設(shè)計(jì)并研制的仿生纖毛傳感器的測(cè)試平臺(tái)如圖7所示，主要包括微流量泵，研制的測(cè)試通道，無(wú)線(xiàn)應(yīng)變傳感器和玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。測(cè)量系統(tǒng)選用0.05 mm厚的銅箔制作15 mm×1 mm的懸臂梁，懸臂梁一端采用本文提出的MCED方法生長(zhǎng)出纖毛陣列，另一端固定并粘接上電阻應(yīng)變片。通過(guò)控制風(fēng)速的大小來(lái)改變懸臂梁的形變。懸臂梁上的應(yīng)變由電阻應(yīng)變片的阻值變化反應(yīng)，通過(guò)自制的應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（在以下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若沒(méi)有特殊說(shuō)明，其纖毛的直徑均為5μm，陣列規(guī)模為5×5，纖毛高度為50μm）。

圖5 微流量傳感器制作示意圖Fig.5 Schematic diagram of micro flow sensor fabrication

圖6 纖毛陣列SEM圖像Fig.6 SEM image of the cilia array

圖7 測(cè)試平臺(tái)Fig.7 Test platform

5 實(shí) 驗(yàn)

5.1 流速測(cè)量實(shí)驗(yàn)

圖8為對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試不同仿生纖毛陣列與纖毛高度的傳感器對(duì)不同流速的響應(yīng)。初始狀態(tài)將微流量傳感器應(yīng)變調(diào)零，在100 s時(shí)刻將流速設(shè)置為2 m/s，然后每隔100 s流速減小0.4 m/s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。圖8（a）為無(wú)/有（2根）纖毛時(shí)的應(yīng)變響應(yīng)曲線(xiàn)，從圖中可以看出，在纖毛較少的條件下，含有纖毛的微流量傳感器對(duì)流速的響應(yīng)不敏感，在流速2 m/s時(shí)，有/無(wú)纖毛的微流量傳感器的微應(yīng)變均可以達(dá)到-15，然后隨著流速不斷變小，微流量傳感器應(yīng)變不斷減小，且有/無(wú)纖毛效果不明顯。圖8（b），（d）分別為2×2和5×5陣列無(wú)/有纖毛時(shí)的應(yīng)變響應(yīng)曲線(xiàn)。對(duì)比圖8（b），（d）可發(fā)現(xiàn)，隨著纖毛陣列不斷增大，有/無(wú)纖毛對(duì)流速變化的差異越來(lái)越大。由圖8（c），（d）可知在纖毛高度為30μm時(shí)，有/無(wú)纖毛的微流量傳感器對(duì)流速的響應(yīng)的差異為20個(gè)微應(yīng)變，而在纖毛高度為50μm時(shí)，有/無(wú)纖毛的微流量傳感器的應(yīng)變差異為40個(gè)微應(yīng)變。因此，纖毛高度越大，有/無(wú)纖毛時(shí)微流量傳感器的差異也越大。

表1為不同纖毛陣列對(duì)不同流速的應(yīng)變響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)條件的流速范圍為0.1~2 m/s，每次測(cè)試流速的間隔為0.4 m/s，其中測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)為每次改變流速后等待150 s后直到下一次調(diào)整流速前的數(shù)據(jù)均值（在穩(wěn)定值中取樣100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)求均值），每次傳感器實(shí)際需要的穩(wěn)定時(shí)間為

140 s。

表1 不同纖毛陣列和高度條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results under different cilia array and height conditions

5.2 纖毛陣列規(guī)模對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為對(duì)比不同陣列規(guī)模的傳感器對(duì)不同風(fēng)速的響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)制備了四種纖毛陣列規(guī)模的微流量傳感器。根據(jù)風(fēng)速范圍共進(jìn)行了11組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)取20個(gè)測(cè)量值的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)測(cè)試通道內(nèi)風(fēng)速為0 m/s時(shí)，在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，不同規(guī)模的纖毛陣列傳感器的應(yīng)變測(cè)量值均不為0。其原因是在調(diào)零的過(guò)程中，應(yīng)變儀的電阻與本系統(tǒng)的數(shù)字電位器的精度不夠高，無(wú)法達(dá)到絕對(duì)的零值。

如圖9所示，隨著風(fēng)速的不斷的增加，微流量傳感器的應(yīng)變值不斷增大，且陣列規(guī)模越大，系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)越明顯（曲線(xiàn)斜率不斷變大）。同時(shí)，在風(fēng)速小于0.4 m/s時(shí)，傳感器對(duì)風(fēng)速的敏感性較低，當(dāng)風(fēng)速大于0.4 m/s后，系統(tǒng)的對(duì)風(fēng)速敏感度有所提升。因此，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性；但本系統(tǒng)在8×8陣列實(shí)驗(yàn)時(shí)，其測(cè)量值擬合線(xiàn)性曲線(xiàn)非線(xiàn)性誤差為5.75%，這是因?yàn)閷?duì)于懸臂梁式纖毛傳感器，風(fēng)速和應(yīng)變之間并非線(xiàn)性關(guān)系，且電橋受到應(yīng)變片零漂和蠕變的影響會(huì)引起非線(xiàn)性。

圖8 不同纖毛陣列與高度傳感器對(duì)流速的響應(yīng)Fig.8 Response of different cilia array and height sensors to flow rate

圖9 纖毛陣列規(guī)模對(duì)流速的響應(yīng)Fig.9 Response of cilia array size to flow rate

5.3 纖毛高度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證纖毛高度對(duì)微流量傳感器性能的影響，分別對(duì)風(fēng)速范圍內(nèi)，陣列大小為5×5，纖毛高度分別為10μm、20μm、50μm、80μm的傳感器進(jìn)行測(cè)試，流速范圍為0 m/s~2 m/s，分成11組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在風(fēng)速為0 m/s時(shí)，微流量傳感器的應(yīng)變測(cè)量值也不為0。不同速度下，不同高度纖毛陣列對(duì)風(fēng)速產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)鐖D10所示，觀察發(fā)現(xiàn)，隨著高度不斷增加微流量傳感器對(duì)流速的敏感性不斷增加（直線(xiàn)斜率不斷變大），同時(shí)，隨著高度變大，微流量傳感器的非線(xiàn)性越明顯。這和仿真結(jié)論也一致。纖毛高度在50μm時(shí)，微流量流速在0.4 m/s以上時(shí)微流量傳感器的線(xiàn)性度較好，直線(xiàn)擬合后的非線(xiàn)性誤差為2.84%。

圖10 纖毛高度對(duì)流速的響應(yīng)Fig.10 Response of cilia height to flow rate

6 結(jié) 論

本文采用MCED方法制備大規(guī)模高長(zhǎng)徑比的纖毛陣列，將該纖毛陣列和微懸臂梁結(jié)合，研制了仿生纖毛微流量傳感器。研制過(guò)程中，通過(guò)有限元仿真方法對(duì)纖毛陣列的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終制備出了長(zhǎng)徑比為10∶1（直徑5μm，高度50 μm），面積在毫米級(jí)的纖毛陣列結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了0.1~2 m/s范圍內(nèi)空氣流速的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明，制備的微流量傳感器隨著纖毛陣列規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)微流量的靈敏性不斷增強(qiáng)。在大于0.4 m/s的流速測(cè)量中非線(xiàn)性度為2.84%，該微流量傳感器的制備，驗(yàn)證了仿生纖毛陣列對(duì)氣流感知的有效性，展示了新型MCED制備方法的穩(wěn)定性和廣泛的應(yīng)用前景，豐富了現(xiàn)有微流量傳感器的制備方法。