仿生纤毛微流量传感器及其制备

李俊忠; 廖晓波; 许世林; 庄健; 蔡勇

doi:10.37188/OPE.20223000.0158

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仿生纤毛微流量传感器及其制备

更新时间：2022-07-14

- 仿生纤毛微流量传感器及其制备
- Bionic cilia micro flow sensor and its preparation
- 光学精密工程 2022年页码：1-10
- 作者机构：
  
  1.西南科技大学制造科学与工程学院，制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳 621010
  2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049
- 作者简介：
  
  E-mail： liaoxiaobo@swust.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52175515);制造过程测试技术教育部重点实验室开放基金项目(19kfzk01)
- DOI：10.37188/OPE.20223000.0158
  中图分类号： TP212.1
- 收稿日期：2022-04-04，
  
  修回日期：2022-06-16，
  
  网络出版日期：2022-07-14，
- 稿件说明：
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李俊忠,廖晓波,许世林等.仿生纤毛微流量传感器及其制备[J].光学精密工程,

LI Junzhong,LIAO Xiaobo,XU Shilin,et al.Bionic cilia micro flow sensor and its preparation[J].Optics and Precision Engineering,
李俊忠,廖晓波,许世林等.仿生纤毛微流量传感器及其制备[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE.20223000.0158

LI Junzhong,LIAO Xiaobo,XU Shilin,et al.Bionic cilia micro flow sensor and its preparation[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE.20223000.0158

摘要

针对微流体流量测量难度大且精度不高的问题，本文基于压阻原理设计了一种悬臂梁结构的仿生纤毛微流量传感器。本文首先对比分析了现有热线式、压电式和压阻式微流量传感器的优缺点，基于压阻式传感器的应变与阻值之间呈现线性关系的优点，选择压阻应变原理设计微流量传感器；其次，通过有限元数值分析方法确定了微流量传感器最佳仿生纤毛的阵列规模、直径、高度和悬臂梁长度等参数；然后，采用微液滴限制电沉积（Meniscus Confined Electrodeposition， MCED）方法制备了仿生纤毛阵列，并制作了微流量传感器；最后，通过自主设计的实验装置验证，结果表明，该传感器可以对大于0.4 m/s的微流速进行灵敏感应并准确测量，且传感器对流体流速测量的非线性误差为2.84%。因此，该仿生纤毛应变式流量传感器在微流量测量领域具有广泛的应用前景。

Abstract

In this paper， we design a piezoresistive cantilever beam structure bionic cilia micro flow sensor for the problem of difficult and low accuracy micro fluid flow measurement. Firstly， we compare and analyze the advantages and disadvantages of existing hot-wire， piezoelectric and piezoresistive micro flow sensors and design a cantilever beam structure micro flow sensor based on the piezoresistive principle. Because of the superior linearity between the strain and the resistance value of the piezoresistive sensor. Secondly， parameters such as the optimal array size， diameter， height and cantilever beam length of the bionic cilia are determined using finite element numerical analysis. Then， the meniscus-confined electrodeposition （MCED） method to prepare bionic cilia arrays and fabricate micro flow sensor. Finally， the experimental results in self-made device demonstrates that the sensor can accurately sensing and measure the flow velocity more than 0.4 m/s with a nonlinear error of 2.84%. Therefore， this bionic cilia strain gauge flow sensor has a wide range of applications in the field of micro flow measurement.

关键词

Keywords

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