仿生纤毛微流量传感器及其制备方法

李俊忠; 廖晓波; 许世林; 庄健; 蔡勇

doi:10.37188/OPE.20223016.1968

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

仿生纤毛微流量传感器及其制备方法

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2026-09-11

- 仿生纤毛微流量传感器及其制备方法
- Bionic cilia micro flow sensor and its preparation method
- 光学精密工程 2022年30卷第16期页码：1968-1977
- 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：
  
  李俊忠（1997-），男，四川雅安人，西南科技大学硕士研究生，主要研究方向为微纳制造、机电一体化。E-mail：1352301573@qq.com
  廖晓波（1982-），男，湖北天门人，博士，西南科技大学制造科学与工程学院副教授，主要研究方向为微纳检测与制造、机器视觉伺服控制。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.20223016.1968
  中图分类号： TP212.1
- 收稿：2022-04-04，
  
  修回：2022-06-16，
  
  纸质出版：2022-08-25
- 稿件说明：
移动端阅览
李俊忠,廖晓波,许世林等.仿生纤毛微流量传感器及其制备方法[J].光学精密工程,2022,30(16):1968-1977.

LI Junzhong,LIAO Xiaobo,XU Shilin,et al.Bionic cilia micro flow sensor and its preparation method[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(16):1968-1977.
李俊忠,廖晓波,许世林等.仿生纤毛微流量传感器及其制备方法[J].光学精密工程,2022,30(16):1968-1977. DOI： 10.37188/OPE.20223016.1968.

LI Junzhong,LIAO Xiaobo,XU Shilin,et al.Bionic cilia micro flow sensor and its preparation method[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(16):1968-1977. DOI： 10.37188/OPE.20223016.1968.

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进行验证，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%。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 study， we designed a piezoresistive cantilever beam structure bionic cilia micro flow sensor to address the problem of difficult and low-accuracy micro fluid flow measurement. First， we compared and analyzed the advantages and disadvantages of existing hot-wire， piezoelectric， and piezoresistive micro flow sensors. Then， we designed a cantilever beam structure micro flow sensor based on the piezoresistive principle， given the superior linearity between the strain and the resistance value of the piezoresistive sensor. Second， parameters such as the optimal array size， diameter， height， and cantilever beam length of the bionic cilia were determined using finite-element numerical analysis. Then， the meniscus-confined electrodeposition method was used to prepare bionic cilia arrays and to fabricate the micro flow sensor. Finally， the experimental results were obtained in a self-made device； they demonstrate that the sensor can accurately sense and measure flow velocities that exceed 0.4 m/s with a nonlinear error of 2.84%. The results indicate that the proposed bionic cilia strain gauge flow sensor has a wide range of applications in micro flow measurement.

关键词

Keywords

references

EJEIAN F ， AZADI S ， RAZMJOU A ， et al . Design and applications of MEMS flow sensors： a review ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2019 ， 295 ： 483 - 502 . doi: 10.1016/j.sna.2019.06.020 http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2019.06.020

ANTON S R ， SODANO H A . A review of power harvesting using piezoelectric materials （2003-2006）［J］. Smart Materials and Structures ， 2007 ， 16 （ 3 ）： R1 - R21 . doi: 10.1088/0964-1726/16/3/r01 http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/16/3/r01

GAUTSCHI G . Piezoelectric Sensors ［M］. Springer ， Berlin， Heidelberg ， 2007 .

彭保进，李连琴，马倩倩，等 . 微纳光纤耦合应变传感器［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 5 ）： 958 - 966 . doi: 10.37188/OPE.20212905.0958 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.0958

PENG B J ， LI L Q ， MA Q Q ， et al . Micro-nano optical fiber coupled strain sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 5 ）： 958 - 966 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212905.0958 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.0958

TIAN B ， LI H F ， YANG H ， et al . A MEMS SOI-based piezoresistive fluid flow sensor ［J］. The Review of Scientific Instruments ， 2018 ， 89 （ 2 ）： 025001 . doi: 10.1063/1.5022279 http://dx.doi.org/10.1063/1.5022279

KANHERE E ， WANG N ， KOTTAPALLI A G P ， et al . Crocodile-inspired dome-shaped pressure receptors for passive hydrodynamic sensing ［J］. Bioinspiration & Biomimetics ， 2016 ， 11 （ 5 ）： 056007 . doi: 10.1088/1748-3190/11/5/056007 http://dx.doi.org/10.1088/1748-3190/11/5/056007

KOTTAPALLI A G P ， BORA M ， ASADNIA M ， et al . Nanofibril scaffold assisted MEMS artificial hydrogel neuromasts for enhanced sensitivity flow sensing ［J］. Scientific Reports ， 2016 ， 6 （ 1 ）： 1 - 12 . doi: 10.1038/srep19336 http://dx.doi.org/10.1038/srep19336

KOTTAPALLI A G P ， BORA M ， KANHERE E ， et al . Cupula-inspired hyaluronic acid-based hydrogel encapsulation to form biomimetic MEMS flow sensors ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2017 ， 17 （ 8 ）： 1728 . doi: 10.3390/s17081728 http://dx.doi.org/10.3390/s17081728

ZOU J ， CHEN J ， LIU C ， et al . Plastic deformation magnetic assembly （PDMA） of out-of-plane microstructures： Technology and application ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems ， 2001 ， 10 （ 2 ）： 302 - 309 . doi: 10.1109/84.925791 http://dx.doi.org/10.1109/84.925791

ABBASNEJAD B ， THORBY W ， RAZMJOU A ， et al . MEMS piezoresistive flow sensors for sleep apnea therapy ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2018 ， 279 ： 577 - 585 . doi: 10.1016/j.sna.2018.06.038 http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2018.06.038

ALFADHEL A ， KOSEL J . Magnetic nanocomposite cilia tactile sensor ［J］. Advanced Materials （Deerfield Beach， Fla ）， 2015 ， 27 （ 47 ）： 7888 - 7892 . doi: 10.1002/adma.201504015 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201504015

KOTTAPALLI A G P ， ASADNIA M ， MIAO J ， et al . Touch at a distance sensing： lateral-line inspired MEMS flow sensors ［J］. Bioinspiration & Biomimetics ， 2014 ， 9 （ 4 ）： 046011 . doi: 10.1088/1748-3182/9/4/046011 http://dx.doi.org/10.1088/1748-3182/9/4/046011

ASADNIA M ， KOTTAPALLI A G P ， MIAO J ， et al . Artificial fish skin of self-powered micro-electromechanical systems hair cells for sensing hydrodynamic flow phenomena ［J］. Journal of the Royal Society ， Interface， 2015 ， 12 （ 111 ）： 20150322 . doi: 10.1098/rsif.2015.0322 http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2015.0322

张小舟，王佩红，刘星，等 . 电化学沉积法制备ZnO柔性纳米发电机［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 9 ）： 2223 - 2229 . d oi: 10.3788/ope.20182609.2222 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182609.2222

ZHANG X Z ， WANG P H ， LIU X ， et al . Fabrication of ZnO flexible nanogenerator by electrodeposition ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 9 ）： 2223 - 2229 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182609.2222 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182609.2222

庄健，王志武，廖晓波 . 应用于高速离子电导扫描成像的双压电定位平台［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

ZHUANG J ， WANG Z W ， LIAO X B . Dual-stage piezo nanopositioner for high-speed ion conductance microscopy imaging ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

廖晓波，庄健，程磊，等 . 微移液管探针结构读写的环境湿度控制方法［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 10 ）： 2432 - 2443 . doi: 10.37188/OPE.20212910.2432 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212910.2432

LIAO X B ， ZHUANG J ， CHENG L ， et al . Environmental humidity control method for structural reading and writing based on micropipette probe ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 10 ）： 2432 - 2443 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212910.2432 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212910.2432

浏览量

1309

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

仿生纤毛微流量传感器及其制备

基于灵敏度矩阵的高阶非球面自动干涉检测

中国仪器企业如何突破规模瓶颈

基于通道注意力增强网络的高效消色差超透镜逆向设计

光子晶体激光器掩埋纳米孔结构自动量取