傳感器、其形成方法和控制方法
【專利說明】傳感器、其形成方法和控制方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求于2013年I月2日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/748，184的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合到本文中以用于各種目的。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及一種傳感器、其形成方法及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0003]在自然界中發(fā)現(xiàn)的生物感應(yīng)器具有一些理想的設(shè)計(jì)，然而這些設(shè)計(jì)具有令人費(fèi)解的特性。仿生傳感器的發(fā)展涉及各種設(shè)計(jì)特點(diǎn)的學(xué)習(xí)、感應(yīng)現(xiàn)象及來自自然界的物質(zhì)方面，而且能夠?qū)⑺鼈兝玫姜?dú)特的工程中或能讓人造人工傳感器從其中受益。
[0004]從自然體系中獲得的知識(shí)可以明顯讓人工設(shè)備的工程從中獲益。受生物啟發(fā)的研究試圖將目光從傳統(tǒng)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移至天然環(huán)境工藝來尋找核心靈感，以獲得新的工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在過去，無論是在宏觀還是微觀水平上，很多研究人員均對(duì)開發(fā)仿生系統(tǒng)表現(xiàn)出極大的興趣:例如，靈感來自尺蠖的電壓蠕動(dòng)式電機(jī)、靈感來自蟋蟀的谷風(fēng)受體毛狀結(jié)構(gòu)(Cerealwind-receptor hair-like structure)的流量傳感器、靈感來自陸生無肢動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)中的可減少腿部運(yùn)動(dòng)的材料、靈感來自貽貝的粘合材料等。
[0005]洞穴盲魚是一種獨(dú)特的魚類，它可以在水中高速游動(dòng)，雖然無法看見物體，但不會(huì)與其周圍的其他水下障礙物發(fā)生碰撞。洞穴盲魚是依靠其身上的流量與壓力的梯度傳感器的陣列來實(shí)現(xiàn)這一令人驚訝的特征的。與流量和壓力傳感器的陣列類似的人工模擬會(huì)讓水下航行器受益匪淺，使得水下航行器能夠看見其周圍環(huán)境并能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能性操縱。存在于洞穴盲魚的皮膚上和皮膚下的單獨(dú)的生物傳感器被叫作神經(jīng)丘。這些神經(jīng)丘由膠質(zhì)吸盤和被封裝的杯狀纖維組成，且該封裝的杯狀纖維能夠支撐所述杯狀物質(zhì)，該杯狀材料延伸至流動(dòng)中。
[0006]圖1A展示了洞穴盲魚characin 102的照片100。盡管無法看見，洞穴盲魚characin 102展示了高速游動(dòng)而不會(huì)與其他水下障礙發(fā)生碰撞這一不可思議的能力。它依靠其皮膚上和皮膚內(nèi)的被叫作表面神經(jīng)丘和管狀神經(jīng)丘的兩種生物傳感器來獲取其身體周圍的流動(dòng)信息。在圖1A中，虛線104表示洞穴盲魚characin 102身體上的管狀神經(jīng)丘的側(cè)線。
[0007]管狀神經(jīng)丘(CN)被皮下充滿液體的管所圍住，并通過洞穴盲魚characin皮膚上的孔被暴露于外部水中。如圖1B和IC的SEM圖像110和120所示，該魚的身體具有或多或少等距的CN，且每個(gè)CN位于過度包圍的管上的兩個(gè)管孔112之間。
[0008]表面神經(jīng)丘(SN)則在空間上分布于洞穴盲魚characin的身體上，并對(duì)該魚與周圍水之間的凈移動(dòng)作出反應(yīng)。因此，所述SN負(fù)責(zé)流速感應(yīng)并緩慢地作出反應(yīng)。圖1D展示了洞穴盲魚characin的表面神經(jīng)丘130的截面示意圖，說明了表面神經(jīng)丘130的感應(yīng)機(jī)制。單獨(dú)的表面神經(jīng)丘130的形態(tài)由被封裝于膠質(zhì)吸盤134中的毛細(xì)胞132束組成。通過吸盤134的由140所示的外部流動(dòng)與吸盤134生成摩擦力，致使吸盤134彎曲，從而刺激吸盤134內(nèi)的毛細(xì)胞132。所述杯狀結(jié)構(gòu)134的結(jié)構(gòu)在周圍流動(dòng)與毛細(xì)胞132之間起到機(jī)械耦合器的作用，且由于面向水流的表面積的增加，吸盤134會(huì)增加對(duì)毛細(xì)胞132的阻力。所述吸盤134由被稱作杯狀纖絲136的纖維組成，該杯狀纖絲136會(huì)從吸盤134的底部延伸至其末端。所述杯狀纖絲136充當(dāng)著吸盤134的內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐體，是支撐柔軟的杯狀材料的支架。杯狀纖絲136還能使吸盤134長(zhǎng)得更高而超越與所述魚相關(guān)的邊界層。術(shù)語“邊界層”可以指在魚表面附近一帶的靜止或停滯的流動(dòng)層，魚表面可以衰減其附近的水流移動(dòng)的速度。
[0009]管狀神經(jīng)丘(CN)只有在連續(xù)孔與單獨(dú)的CN所處的孔之間存在壓力差異時(shí)才會(huì)被開啟。因此，所述CN不能用于感應(yīng)流速，而能用于感應(yīng)加速。
[0010]在過去，只有少數(shù)研究小組致力于研發(fā)仿生水凝膠吸盤中，以增強(qiáng)流量傳感器的性能。例如，流量傳感器會(huì)與裝在薄的硅膠懸臂梁上的SU-8毛細(xì)胞上一起進(jìn)行研發(fā)。水凝膠吸盤是通過在SU-8毛細(xì)胞上滴落涂布(Drop-casting)聚乙二醇(PEG)聚合物來形成的。然而，通過SU-8處理的高高寬比柱的顯影是非常繁瑣的工藝。而且，還存在一些涉及很高的SU-8柱形狀的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于檢測(cè)流體的流量參數(shù)的傳感器。所述傳感器可以包括聚合物膜、從所述聚合物膜延伸出來的長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)及與所述長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)的至少一部分結(jié)合的水凝膠，其中，所述水凝膠與所述長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)被設(shè)置為相互協(xié)作，以響應(yīng)流體流動(dòng)和流體與傳感器的交互而使所述聚合物膜產(chǎn)生位移，而且所述傳感器會(huì)基于所述聚合物膜的位移提供指示流體的流量參數(shù)的測(cè)量值。
[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種形成用于檢測(cè)流體流量參數(shù)的傳感器的方法。該方法可以包括:提供聚合物膜；形成從所述聚合物膜延伸出來的長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)；和與所述長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)的至少一部分結(jié)合的水凝膠，其中，所述水凝膠與所述長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)被設(shè)置為相互協(xié)作，以響應(yīng)流體流動(dòng)和流體與傳感器的交互而使所述聚合物膜產(chǎn)生位移，而且所述傳感器會(huì)基于所述聚合物膜的位移提供指示流體的流量參數(shù)的測(cè)量值。
[0013]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供控制傳感器的方法。所述方法可以包括:在流動(dòng)的流體中放置傳感器，其中，從所述傳感器的聚合物膜延伸出來的長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)和與所述長(zhǎng)形微結(jié)構(gòu)的至少一部分連接的水凝膠相互協(xié)作，以響應(yīng)于流動(dòng)流體與傳感器的交互，使所述聚合物膜產(chǎn)生位移；及基于所述聚合物膜的位移提供指示流體的流量參數(shù)的測(cè)量值。
【附圖說明】
[0014]在附圖中，相似的參考字符通常表示貫穿不同視圖中的相似部分。所述附圖與大小和重要性沒有必要關(guān)系，而通常根據(jù)說明本發(fā)明的原理來進(jìn)行的排列。在以下說明中，會(huì)結(jié)合以下附圖描述本發(fā)明的各種實(shí)施例，具體如下:
圖1A展示了洞穴盲魚characin的圖片。
[0015]圖1B展示了表示洞穴盲魚characin身體上的單排管狀神經(jīng)丘的側(cè)線的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
[0016]圖1C展示了洞穴盲魚characin頭部的不同區(qū)域上的管狀孔隙的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
[0017]圖1D展示了洞穴盲魚characin的表面神經(jīng)丘的截面示意圖。
[0018]圖2A展示了根據(jù)不同實(shí)施例的用于檢測(cè)流體的流量參數(shù)的傳感器的截面示意圖。
[0019]圖2B展示了說明根據(jù)不同實(shí)施例的形成用于檢測(cè)流體的流量參數(shù)的傳感器的方法的流程圖。
[0020]圖2C展示了說明根據(jù)不同實(shí)施例的控制傳感器的方法的流程圖。
[0021]圖3A展示了根據(jù)不同實(shí)施例的傳感器的透視圖。
[0022]圖3B展示了圖3A實(shí)施例的傳感器的分解圖。
[0023]圖4A展示了根據(jù)不同實(shí)施例的用于處理液晶聚合物(LCP)膜的方法的各階段的截面圖。
[0024]圖4B展示了根據(jù)不同實(shí)施例的用于處理液晶聚合物(LCP)膜的方法的各階段的截面圖。
[0025]圖5展示了通過立體光刻工藝制造的Si60毛細(xì)胞的三維光學(xué)顯微鏡圖像。
[0026]圖6A展示了置于液晶聚合物(LCP)膜上的毛細(xì)胞的90度視角上的光學(xué)顯微鏡圖像。
[0027]圖6B展示了置于液晶聚合物(LCP)膜上Si60柱的裸毛細(xì)胞傳感器的圖片。
[0028]圖7展示了根據(jù)不同實(shí)施例的已形成納米纖絲的靜電設(shè)置。
[0029]圖8A?SC展示了在納米纖維的靜電紡絲最優(yōu)化工藝中的被沉積于平鋁箔上的纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
[0030]圖9A展示了經(jīng)過納米纖維的靜電紡絲之后的裝置的側(cè)視圖的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
[0031]圖9B展示了經(jīng)過納米纖維的靜電紡絲之后的裝置的視角的光學(xué)顯微鏡圖像。
[0032]圖10展示了在滴落涂布水凝膠材料時(shí)的高速攝像機(jī)的圖像。
[0033]圖11展示了在滴落涂布過程中未采用納米纖絲而制造的仿生吸盤傳感器的三維光學(xué)顯微鏡圖像。
[0034]圖12A和12B展示了光聚合反應(yīng)和膨脹過程之后的傳感器的顯微鏡圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面具體說明是指附圖，這些附圖能以舉例說明的方式展示可用來實(shí)施本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)和實(shí)施例。這些實(shí)施例將被充分詳細(xì)地描述，以讓本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明為準(zhǔn)。也可以利用其他實(shí)施例，只要不脫離本發(fā)明的范圍，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)上、邏輯上和用電上的變化。只要某些實(shí)施例可以與其他一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例進(jìn)行組合而形成新的實(shí)施例，各種實(shí)施例未必會(huì)相互排斥。
[0036]在一個(gè)方法或裝置的上下文中所描述的實(shí)施例可近似地適用于其他方法或裝置上。類似地，在一種方法的上下文中所描述的實(shí)施例可近似地適用于一個(gè)裝置上，反之亦然。
[0037]在一個(gè)實(shí)施例的上下文中所表述的特征可相應(yīng)地適用于其他實(shí)施例中的相同或相似的特征上。即使在其他實(shí)施例中并未明確說明，在一個(gè)實(shí)施例的上下文中所表述的特征可相應(yīng)地適用于這些實(shí)施例中的相同或相似的特征上。此外，在一個(gè)實(shí)施例的上下文中所描述的對(duì)一個(gè)特征的增加和/或組合物和/或替換可以相應(yīng)地適用于其他實(shí)施例中的相同或相似的特征上。
[0038]在各種實(shí)施例的上下文中，對(duì)于特征或元件所用的冠詞“一個(gè)”、“一種”和“所述”是指這些特征或元件中的一個(gè)或多個(gè)。
[0039]在各種實(shí)施例的上下文中，用語“至少基本上”可包括“精確值”和合適的方差。
[0040]在各種實(shí)施例的上下文中，用于數(shù)值的術(shù)語“左右”或“約”包括“精確值”和合適的方差。
[0041]這里使用的術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)所列項(xiàng)中的任何和所有的組合。
[0042]這里使用的以“A或B中的至少一個(gè)”這種方式表達(dá)的用語可包括，A或B，或者AB兩者均包括。相應(yīng)地，以“A或B或C中的至少一個(gè)”或包括更多項(xiàng)的方式表達(dá)的用語可包括，一個(gè)或多個(gè)相關(guān)所列項(xiàng)的任何和所有的組合。
[0043]各種實(shí)施例可涉及柔性壓力傳感器陣列和氣流感應(yīng)器。進(jìn)一步，各種實(shí)施例可涉及用于研發(fā)超靈敏MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))流量傳感器的仿生納米纖絲封裝水凝膠吸盤。
[0044]各種實(shí)施例可以提供利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的仿生微傳感器，該仿生微傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)如魚一樣被動(dòng)的水下感應(yīng)并使用與洞穴盲魚上的生物傳感器相似的材料和感應(yīng)原理。各種實(shí)施例的仿生傳感器的靈感來自于洞穴盲魚身體上的能對(duì)魚和周圍水之間的凈移動(dòng)作出反應(yīng)的表面神經(jīng)丘傳感器，并充當(dāng)著流量傳感器。如圖1