]圖9A和9B展示了說明所述裝置上形成仿生納米纖絲的顯微鏡圖像。圖9A展示了能夠顯示具有應(yīng)變計(jì)的壓敏電阻956的金屬LCP膜302和被納米纖維308所覆蓋的Si60柱304的裝置的側(cè)視圖的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像900。這些纖維308可以在隨后進(jìn)行的水凝膠滴落涂布過程中充當(dāng)著支架902。如圖9A所示，在所述毛細(xì)胞304上形成的納米纖維308的支架902可以為金字塔形狀。圖9B展示了所述裝置視角的光學(xué)顯微鏡圖像910，說明了在該裝置上的金字塔形納米纖絲形成的均勻性。如圖9A和9B所示，從毛細(xì)胞304的末端至基部可以形成直徑約500~550nm的均勻的纖維308。所述高高寬比的柱304可以防止所述纖維308被沉積于所述LCP膜302上。換言之，從所述毛細(xì)胞304的末端至所述裝置的邊緣，可以金字塔形狀沉積均勻的纖維308。
[0133]現(xiàn)在開始描述關(guān)于通過水凝膠滴落涂布形成的柔軟的聚合物吸盤的加工步驟。在此過程中，所述毛細(xì)胞304和納米纖維308可以被封裝于粘性水凝膠膠囊(吸盤)之內(nèi)。所述吸盤可以在很多方面增強(qiáng)所述流量感應(yīng)性能。例如，所述吸盤可以增加暴露于經(jīng)過所述毛細(xì)胞304的流動中的總表面積，由于增加的阻力而提高所述傳感器的靈敏度。所述水凝膠材料由于與該材料有關(guān)的摩擦系數(shù)的增加而可以增強(qiáng)信號的吸收。此外，所述水凝膠的存在可以增加所述毛細(xì)胞304的有效高度，該有效高度能使整體毛細(xì)胞的高度超過停滯邊界層很多，從而進(jìn)一步增強(qiáng)所述傳感器的靈敏度。
[0134]作為非限制性實(shí)施例，為了滴落涂布過程，使用濃度約1%的透明質(zhì)酸-甲基丙烯酸酐(HA-MA) (16 Da)的水凝膠和約0.1%的引發(fā)劑12959。將注射器固定在三軸微定位器上，該注射器包含用于形成水凝膠的水凝膠前體溶液并具有直徑為0.1 _的針?？蓪椎蜨A-MA精確地滴到傳感器的毛細(xì)胞304上。所述HA-MA因重力可以滑動或流到納米纖維308之上。所述納米纖絲308模仿生物神經(jīng)丘內(nèi)的杯狀纖絲，而對于所述裝置而言，所述納米纖絲308可以向所述柔軟的水凝膠材料提供機(jī)械強(qiáng)度。此外，所述納米纖絲308可以起支架結(jié)構(gòu)的作用，在所述滴落涂布過程中支撐所述粘性水凝膠材料。
[0135]圖10展示了在滴落涂布水凝膠材料時的高速攝像機(jī)的圖像。如圖10的圖像1000所示，可以通過針1004滴落涂布HA-MA水凝膠微滴1002來制造所述人工吸盤，而該針1004被精確地定位于柱或毛細(xì)胞304的上面。如圖10的圖像1010所示，當(dāng)所述水凝膠微滴1002因重力滑落所述柱304時，可以收縮并封裝所述納米纖絲(納米纖維)308。圖10的圖像1020展示了所述水凝膠材料至少基本上封裝所述納米纖絲308的圖像。所述纖絲308可保證在所述毛細(xì)胞304上的共形吸盤的覆蓋范圍，且可以防止所述水凝膠材料蔓延到所述LC怕感應(yīng)基底或膜302上。
[0136]圖11展示了在滴落涂布過程中未采用納米纖絲(如，沒有納米纖維支架)而制造的仿生吸盤傳感器的三維光學(xué)顯微鏡圖像1100。所述水凝膠材料1102因重力可以蔓延到所述LCP膜302上，且可以事實(shí)上增加所述膜302的重量，而且可以局部地改變(增加)所述膜302的厚度。
[0137]通過在UV光線下暴露所述裝置約5分鐘，可以進(jìn)行所述水凝膠材料1102的紫外光聚合反應(yīng)，來引發(fā)水凝膠材料中的交聯(lián)。所述傳感器可以置于水中約24小時，而引發(fā)膨脹，進(jìn)而提高所述吸盤的表面積。
[0138]圖12A和12B展示了當(dāng)所述滴落涂布和膨脹過程結(jié)束時的利用作為支架結(jié)構(gòu)的金字塔形納米纖絲結(jié)構(gòu)制備而成的水凝膠吸盤MEMS傳感器的顯微鏡圖像。圖12A展示了待光聚合反應(yīng)和膨脹過程后的傳感器1201的顯微鏡圖像1200。如觀察可得知，形成水凝膠其中所述納米纖維308可被完全地封裝于該水凝膠306之內(nèi)。如圖12A所示，所述水凝膠306不會滴落到所述LCP膜302上。圖12A還展示了應(yīng)變計(jì)310的壓敏電阻1256。圖12B展示了所述傳感器1201的放大圖的顯微鏡圖像1210，其展示了被封裝于所述水凝膠306內(nèi)的納米纖維308。
[0139]現(xiàn)在開始描述關(guān)于各實(shí)施例的傳感器的結(jié)果。為了在傳感器形成的兩個階段，即在裸毛細(xì)胞傳感器(形成吸盤之前)(如，圖6B的傳感器604)和完整的仿生吸盤傳感器(形成水凝膠吸盤306) 300、1201上的流量感應(yīng)而進(jìn)行所述傳感器的測試。所述傳感器在風(fēng)通道和水通道內(nèi)分別測試所述傳感器對氣流和水流流速這兩者的感應(yīng)。相應(yīng)傳感器的輸出值與外部的惠斯通電橋電路相連，惠斯通電橋電路可以將所述傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。在收集所述傳感器的輸出值時，沒有使用放大或信號處理。可以利用數(shù)據(jù)采集卡來獲得所述輸出值，并利用軟件記錄該輸出值。所述裸毛細(xì)胞傳感器可以分別對氣流和水流感應(yīng)表現(xiàn)出約 0.4-1.4 mV/ms 1 (如，約 0.022 V/ms ”和約 0.015-0.03V/ms 1 (如，約 0.022V/ms 3的超高靈敏度。所述仿生吸盤的增加可以進(jìn)一步增強(qiáng)所述傳感器的靈敏度，對氣流的靈敏度增加約3-5.5 (如，約5)倍，而對水流的靈敏度增加約2-4 (如，約3.5)倍。
[0140]如上所述，各實(shí)施例將從存在于洞穴盲魚characin體表上或體內(nèi)的生物神經(jīng)丘傳感器中獲得的靈感使用在基于MEMS傳感器的柔性聚合物的研發(fā)上。該設(shè)計(jì)基本上采用與所述生物神經(jīng)丘極為相似的結(jié)構(gòu)特征，且將這種仿生設(shè)計(jì)用于人工流量傳感器上而獲利并對流量感應(yīng)應(yīng)用提供增強(qiáng)的靈敏度及高分辨率。在這里說明的制造技術(shù)可用于研發(fā)所述設(shè)備或傳感器。所研發(fā)的設(shè)備可以低成本且輕重量，并可易于制造。
[0141]盡管，過去少數(shù)研究人員將注意力轉(zhuǎn)向能夠模仿所述魚的表面神經(jīng)丘傳感器的人工傳感器的研發(fā)上，然而并沒有研發(fā)出能夠感應(yīng)實(shí)時流量的完整的涉及所述吸盤纖絲的仿生裝置。例如，現(xiàn)有技術(shù)中能夠感應(yīng)流量的超靈敏MEMS毛細(xì)胞傳感器可利用裸毛細(xì)胞傳感器分別對氣流和水流流速的感應(yīng)的獲得了約0.24 mV/ms 1^PO-Ol V/ms 1的靈敏度，為。反之，在本發(fā)明中研發(fā)出的裸毛細(xì)胞傳感器可以分別對氣流和水流感應(yīng)表現(xiàn)出了約0.9 mV/ms 1 (高出~ 4倍)和約0.022 V/ms 1 (高出~ 2.2倍)的靈敏度。
[0142]各實(shí)施例還提供被封裝于水凝膠內(nèi)的仿生納米纖絲。盡管，所述洞穴盲魚的神經(jīng)丘具有嵌入于所述吸盤內(nèi)的纖維，然而過去研發(fā)的仿生MEMS裝置并沒有將這些纖維融入到所述人工吸盤中。如上所述，在人工裝置內(nèi)，這些納米纖絲(與封裝于吸盤內(nèi)的杯狀纖維相似)可以充當(dāng)對所述吸盤的結(jié)構(gòu)性支持網(wǎng)絡(luò)，這具有多方面的優(yōu)勢。所述杯狀纖絲或納米纖維可以幫助增強(qiáng)所述毛細(xì)胞的高寬比，能讓所述毛細(xì)胞延伸進(jìn)入所述周圍流動中并超過所述邊界層，從而讓所述裝置或傳感器具有高靈敏度。這些纖維可以增強(qiáng)所述毛細(xì)胞(如，Si60毛細(xì)胞)與吸盤(水凝膠)的結(jié)合。所述纖維可以向所述柔軟的吸盤提供附加的機(jī)械強(qiáng)度而使之能在水中的高速流動中支撐下來。
[0143]在制造裝置時，所述納米纖絲的金字塔形結(jié)構(gòu)可以起到對所述水凝膠滴落涂布過程的支架作用。這些纖絲可以防止所述凝膠滴落在所述膜上，這可以有效地增加膜的重量和厚度而導(dǎo)致所述裝置的靈敏度降低。此時，可以影響在所述LCP膜上形成任何毛細(xì)胞之前在該膜上實(shí)施的最初裝置校準(zhǔn)。
[0144]對過去研發(fā)的仿生吸盤(沒有封裝纖維)進(jìn)行測試時與對本發(fā)明的各實(shí)施例的傳感器實(shí)進(jìn)行測試相比僅僅測出了 350 mms 1的最高流速，而本發(fā)明的流速則高得多，為約500mms 1O對本發(fā)明的各實(shí)施例的人工吸盤傳感器進(jìn)行測試以承受高達(dá)約650mms 1的水流速。在所述裸毛細(xì)胞上增加所述人工吸盤時會顯示出靈敏度的大幅提高，即對于氣流感應(yīng)的靈敏度提高約5倍，而對于水流感應(yīng)的靈敏度則提高約3.5倍。所述仿生吸盤的增加還可以降低所述傳感器輸出值的隨機(jī)波動，從而提高流量感應(yīng)的準(zhǔn)確度。各實(shí)施例的傳感器可以檢測低至約0.01 ms1的空氣流動。
[0145]各實(shí)施例的感應(yīng)膜能夠使用被稱作液晶聚合物(LCP)的聚合物材料，該材料在各方面優(yōu)于硅(Si)，而硅是一種用于制造MEMS傳感器的常用的結(jié)構(gòu)性材料。將硅用作用于流量感應(yīng)的結(jié)構(gòu)性材料時，會受到一些基本的限制。硅材料具有較低的機(jī)械屈服應(yīng)變，而在流動中對大波動不夠穩(wěn)固，導(dǎo)致所述微結(jié)構(gòu)會受到瞬間撞擊。在各實(shí)施例中，將LCP用作所述傳感器的結(jié)構(gòu)性材料。作為用于流量感應(yīng)的結(jié)構(gòu)性材料，相比娃，所述LCP材料由于其楊氏模量低得多而可以提供很高的靈敏度，且不會使述傳感器的響應(yīng)受損太多。因此，與硅相比，通過采用LCP作為結(jié)構(gòu)性材料可以用較低的制造成本開發(fā)出更可靠、更穩(wěn)(由于更高的斷裂極限)且高度靈敏的(由于楊氏模量較低)壓力傳感器或流量傳感器。當(dāng)對比具有相同膜尺寸及厚度的硅膜傳感器和LCP膜壓力傳感器時，所述LCP傳感器可以比所述硅膜傳感器更靈敏。進(jìn)一步，LCP的吸濕能力很低且耐化學(xué)性高，這使得所述傳感器被應(yīng)用在惡劣環(huán)境如為了監(jiān)控大氣風(fēng)和水的流量時很穩(wěn)固。
[0146]通過立體光刻技術(shù)制造的Si60聚合物毛細(xì)胞的優(yōu)點(diǎn)在于與用SU-8制造的高寬比相比獲得更高的高寬比。立體光刻技術(shù)能夠選擇可用于所述毛細(xì)胞制造中的聚合物材料的柔韌性。此外，所述制造過程與處理厚的SU-8層和進(jìn)行光學(xué)光刻相比可以更容易。
[0147]考慮到能使所述傳感器可操作的水條件下，選擇用于制造所述傳感器的材料。作為非限制性實(shí)施例，作為感應(yīng)膜的液晶聚合物(LCP)和聚碳酸酯Si60柱可以被用于制造所述傳感器中。這些材料可具有高密封性和可適于水下使用。反之，硅(Si)，例如，其機(jī)械屈服應(yīng)變較低，不是用于水下感應(yīng)的理想材料。此外，使用LCP可以與硅材料相比增強(qiáng)傳感器的靈敏度。
[0148]各實(shí)施例的傳感器可以應(yīng)用于流量傳感器工業(yè)。流量傳感器對廣闊的裝置領(lǐng)域很重要，如環(huán)境空氣流量傳感器、大規(guī)模水體中的水流量傳感器、管線、飲用水流量監(jiān)測、在個別單元中的水耗監(jiān)測、從實(shí)驗(yàn)室機(jī)器上所用的極細(xì)化工氣管至輸送大量氣體的巨大管道線路中的氣體流量監(jiān)測，但不限于此。所研發(fā)的用于各實(shí)施例的傳感器的技術(shù)還可以有利于需要在水下或水表面航行工具上進(jìn)行感應(yīng)的領(lǐng)域。可以在自主水下航行器(autonomousunderwater vehicle，AUV)的表面使用一系列這種傳感器，以檢測所述航行器主體周圍的流量，這些傳感器能夠使所述航行器實(shí)現(xiàn)節(jié)能操縱。此外，所述傳感器還可以檢測該航行器周圍的物體而為該航行器提供人工視覺。
[0149]所述傳感器可進(jìn)行各種變型。可以實(shí)現(xiàn)整個裝置的尺寸向更小級別的微型化。例如，所述裝置的尺寸可縮小至約2 _ X 2 _。進(jìn)一步，可以增加傳感器的外部電路，以實(shí)現(xiàn)噪聲過濾、信號放大和后處理，使得所述傳感器為流量傳感器的商業(yè)化應(yīng)用更為人性化。