本發(fā)明涉及一種感知空間環(huán)境變化的新型微型球形傳感器及其制備方法，屬仿生材料及智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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空間流速測量及振元定位在氣象監(jiān)測、生物醫(yī)藥、航空制導及國防武器裝備上有廣泛的應用。傳統(tǒng)測量流速變化的方式采用機械部件的熱絲流速傳感器，但是這種裝置體積大，易磨損。近年來陸續(xù)出現(xiàn)基于超聲波傳播的超聲風速計和基于多普勒效應的多普勒流速儀，這兩種流速計都有各自的優(yōu)點,但是由于使用環(huán)境條件有限、生產(chǎn)成本高、對振元定位精度低、響應時間慢等原因使其應用推廣受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對目前測量空間三維流速及振元定位的不足和缺點，模仿魚側(cè)線在水下識別并定位獵物這一生物行為，本發(fā)明提供了一種感知空間環(huán)境變化的新型微型球形傳感器及其制備方法。單個的微型球傳感單元(Micro ball sensing unit)能夠利用其壓電薄膜受振動大小，并直接轉(zhuǎn)化為電信號來有效的計算空間氣流大小和角度；而多個微型球傳感單元的陣列排布，根據(jù)振動波到達不同傳感單元的時間和相位差來計算氣流的大小及方位。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種感知空間環(huán)境變化的新型微型球形傳感器，包括外部球體、微槽、微梁以及微型球體，微槽以外部球體球心為中心點均勻分布在外部球體的外表面上，微槽中沉積有氮化硅薄層，氮化硅薄層上表面沉積有聚酰亞胺，在聚酰亞胺上刻蝕出中間層，在中間層上表面上加工有上襯層，微梁一末端與微型球體表面相垂直固定后位于微槽的中心位置，微梁另一末端與中間層固定，在微梁上采用磁控濺射的方法在其上表面濺射聚偏氟乙烯，在微槽中沉積氧化硅電極層，在微梁上與聚偏氟乙烯不同位置的地方覆蓋有與氧化硅電極層相連的導電薄膜。

本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：一種感知空間環(huán)境變化的新型微型球形傳感器的制備方法，包括如下步驟：

第一步：3D打印碳化硅空心外部球體；

第二步：在空心外部球體的外表面均勻光刻18個微槽；

第三步：在微槽中沉積氮化硅薄層；

第四步：在氮化硅薄層上表面沉積聚酰亞胺，并在聚酰亞胺上刻蝕出中間層；

第五步：利用光刻工藝，在中間層上表面加工上襯層；

第六步：利用噴霧造粒的方法制備出空心微型球體；

第七步：利用光刻工藝加工弧形微梁，微梁一末端與微型球體表面相垂直固定后位于微槽的中心位置，微梁另一末端與中間層固定，并采用磁控濺射的方法在微梁上表面濺射聚偏氟乙烯；

第八步：在微槽中沉積氧化硅電極層；

第九步：在微梁上與聚偏氟乙烯不同位置的地方覆蓋有與氧化硅電極層相連的導電薄膜；

第十步：完成新型微型球形傳感器的制備。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1.單個的微球傳感單元，其結(jié)構(gòu)為中間布置的微型球體與上襯層通過2個PVDF橋以L型水平方式相連。當外部空間流速改變時，微球傳感單元中的PVDF橋產(chǎn)生一定方向上的變形，根據(jù)正壓電效應，通過導電膜捕捉到相應的瞬態(tài)的壓電信號。

2.弧型結(jié)構(gòu)的PVDF橋能增大變形的轉(zhuǎn)動慣量，放大信號的電壓值，有效的捕捉瞬時沖擊信號值。

3.在外部球體表面，18個微球傳感單元以外部球體球心為中心點均勻分布在其表面，其中任意一個微球傳感單元能夠感知并計算空間流速大小及方向，任意2片可計算振動元的方位，并對其空間位置定位。通過平均計算的方法，可提高并校正計算空間氣流大小和方位的精度。

4.對微球傳感單元各層的制備分別采用光刻、沉積及磁控濺射等微結(jié)構(gòu)加工方式，大幅度降低了微球傳感單元的整體尺寸，提高了測量的靈敏度和范圍，實現(xiàn)了微米級傳感陣列布置和測量。

附圖說明：

圖1為新型微型球形傳感器外部球體三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2為新型微型球形傳感器內(nèi)部微球結(jié)構(gòu)圖。

圖3為微球傳感單元主視圖。

圖4為微球傳感單元側(cè)視圖。

圖5為微球傳感單元制備流程圖；

其中：

1-外部球體，2-微槽，3-氮化硅薄層，4-聚酰亞胺，5-中間層，6-上襯層，7-氧化硅電極層，8-微梁，9-聚偏氟乙烯，10-導電薄膜，11-微型球體。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。

本發(fā)明感知空間環(huán)境變化的新型微型球形傳感器包括外部球體1以及微槽2，微槽2以外部球體1球心為中心點均勻分布在外部球體1的外表面上，微槽2中沉積有氮化硅薄層3，氮化硅薄層3上表面沉積有聚酰亞胺4，在聚酰亞胺4上刻蝕出中間層5，在中間層5上表面上加工有上襯層6。微梁8一末端與微型球體11表面相垂直固定后位于微槽2的中心位置，微梁8另一末端與中間層5固定。在微梁8上采用磁控濺射的方法在其上表面濺射聚偏氟乙烯9。在微槽2中沉積氧化硅電極層7，在微梁8上與聚偏氟乙烯9不同位置的地方覆蓋有與氧化硅電極層7相連的導電薄膜10。

在外部球體1表面，由氮化硅薄層3、聚酰亞胺4、中間層5、上襯層6、氧化硅電極層7、微梁8、聚偏氟乙烯9、導電薄膜10以及微型球體11共同構(gòu)成了微球傳感單元，18個微球傳感單元以外部球體1球心為中心點均勻分布在其表面。在外部球體1的微槽2上表面布置18個微球傳感單元，微球傳感單元中的中間布置的微型球體11與上襯層6通過2個弧型結(jié)構(gòu)的微梁8以L型水平方式相連。當外部空間流速改變時，微型球體11帶動微球傳感單元中的聚偏氟乙烯9產(chǎn)生一定方向上的變形，根據(jù)正壓電效應，通過導電薄膜10連接氧化硅電極層7與聚偏氟乙烯9來捕捉到4個相應的瞬態(tài)的壓電信號,即為u，結(jié)合微球傳感單元的空間幾何布置方式，反推出空間流速V大小及方向α，其公式為：[V]＝[F(u1,u2,u3,u4)][α]。

弧型結(jié)構(gòu)的微梁8能增大變形的轉(zhuǎn)動慣量，放大信號的電壓值，有效的捕捉瞬時沖擊信號值。當外界氣流發(fā)生變化時，氣流可以分解為水平面分量和垂直面分量，微梁8上貼有聚偏氟乙烯9(即PVDF橋)可同時感知并捕捉2個分量的數(shù)值并轉(zhuǎn)化為信號值。微米尺寸的聚偏氟乙烯9的厚度為0.05mm，微小的氣流波動，在壓電效應中的拉伸模式下即可感知。18個微球傳感單元一球面均勻陣列的形式布置，可對空間任意方向的振元產(chǎn)生的氣流波動感知并捕捉，根據(jù)振動波到達不同傳感單元的時間和相位差來計算氣流的大小及方位。

本發(fā)明新型智能微型球形傳感器結(jié)合了智能仿生材料、機械原理和信號處理技術(shù)可實現(xiàn)外界環(huán)境中氣流變化的信息。

本發(fā)明感知空間環(huán)境變化的新型微型球形傳感器的制備方法，包括如下步驟：

第一步：3D打印碳化硅空心外部球體1；

第二步：在空心外部球體1的外表面均勻光刻18個微槽2；

第三步：在微槽2中沉積氮化硅薄層3；

第四步：在氮化硅薄層3上表面沉積聚酰亞胺4，并在聚酰亞胺4上刻蝕出中間層5；

第五步：利用光刻工藝，在中間層5上表面加工上襯層6；

第六步：利用噴霧造粒的方法制備出空心微型球體11；

第七步：利用光刻工藝加工弧形微梁8，微梁8一末端與微型球體11表面相垂直固定后位于微槽2的中心位置，微梁8另一末端與中間層5固定，并采用磁控濺射的方法在微梁8上表面濺射聚偏氟乙烯9；

第八步：在微槽2中沉積氧化硅電極層7；

第九步：在微梁8上與聚偏氟乙烯9不同位置的地方覆蓋有與氧化硅電極層7相連的導電薄膜10；

第十步：完成新型微型球形傳感器的制備。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。