仿生纖毛微流量傳感器及其制備方法

李俊忠，廖曉波，*，許世林，莊 健，蔡 勇

（1.西南科技大學 制造科學與工程學院制造過程測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010；2.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

1 引 言

在各種醫療、工業和環境的流體測量中，對微流量（流速）大小及其方向測量的傳感器不可或缺。當前，微流量傳感器主要分為熱線式、壓電式和壓阻式三種［1］。這三種微流量傳感器有各自的優缺點：熱線式微流量傳感器是利用傳熱強度來感知流體速度，這種傳感器的優點是能夠在不需要任何機械形變的情況下感知流體流速，但是它也存在缺點，由于感知元件具有較大比熱容，因此，很難對低速流體進行準確測量；壓電式微流量傳感器是利用一些天然或合成介電材料所表現出的壓電特性來對流體進行測量，壓電材料在外力作用下產生的形變能夠產生電荷，所以不需要額外供電［2］，但是其只能對動態流量進行檢測，無法對穩定流量進行感知［3］；壓阻材料在受到外部應力時電阻會發生變化，其能夠根據施加的應力產生不同應變，應變使其電阻發生變化［4］，并且應變與電阻的變化成線性關系，這使其很適合做流量傳感器。在壓阻式微流量傳感器中，電阻的變化可以轉換為電壓，電壓隨流速而變化。目前，壓阻式微流量傳感器被研究用于各種應用，包括空氣流量監測［5］與水流監測［6-7］。

通過對比三種微流量傳感器的優缺點，可知壓阻式傳感器的應變與阻值之間呈現優越的線性關系，因此本文重點對壓阻式微流量傳感器進行研究。在基于壓阻材料制備的微流量傳感器中，主要有兩種傳感方式：（1）基于電阻懸臂梁應變感知，該方法通過微制造的方法制造微懸臂梁，在流體的沖擊下懸臂梁產生應變，通過測量應變得到流速大小；（2）在現有開發的大多數仿生傳感器中，流量測量通常依靠傳遞流體在纖毛上產生的動量來測量［8］。當流體流過纖毛時會帶動纖毛產生偏轉，該偏轉使得纖毛根部的電阻膜產生應變，通過測量應變并使用惠斯通電橋電路轉換為電壓輸出，間接測量流體的流速。為提高應變的靈敏性，就需要纖毛具有大的長徑比。因此，如何制造高長徑比的纖毛成為該類傳感器的關鍵。當前，各種MEMS技術制備和裝配工藝已經證明可以用于制造高長徑比的纖毛結構，這些結構通常由聚合物或非聚合物傳感材料組成。這些技術主要包括線鍵合、塑料變形磁組裝［9］、3D打印［10］和光刻等。Alfadhel等人受纖毛啟發，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和鐵納米線開發了觸覺傳感器，纖毛是從帶有激光鉆孔的母模中鑄造出來［11］。Kottapalli等人受纖毛啟發，開發了一種全聚合物的MEMS流量傳感器［12］，其纖毛是通過3D打印（立體光刻）聚碳酸酯進行制備。Asadnia等人采用3D打印，制作了具有復雜3D特征的金屬模具，通過在模具內澆鑄PDMS，以獲得所需柔性纖毛［13］。

以上討論的仿生纖毛研發的微流量傳感器大多采用傳統的微加工技術，這些技術繁瑣，特別是在制作大規模、高長徑比纖毛結構時涉及多層沉積和光刻步驟。此外，它們受到制造的材料（通常是硅或SU-8聚合物）的限制，不適合用于柔性傳感應用。

目前MCED技術在微納制造領域中得到越來越多的關注［14］，本文借助其制備大規模、高長徑比金屬仿生纖毛（銅線）的獨特優勢、壓阻式懸臂梁結構中應變與電阻的線性關系和仿生纖毛的高靈敏度的特點。提出采用電阻應變原理設計懸臂梁結構的仿生纖毛陣列微流量傳感器。傳感器使用MCED方法制作大規模與高長徑比的纖毛陣列，纖毛陣列與基底一體化成型，使用電阻應變原理和懸臂梁結構制備了仿生纖毛式微流量傳感器。通過COMSOL有限元分析軟件對纖毛陣列規模、直徑和高度等參數進行了有限元分析，并根據仿真參數制作了傳感器，對微流量傳感器樣機做了初步測試。實驗證明，制備的微流量傳感器能夠穩定測量0.4 m/s以上的流體流速。

2 傳感器設計原理及理論計算

2.1 傳感器設計原理

微流量傳感器制備原理如圖1所示，其仿生纖毛制備原理如圖1（a）所示。本文采用MCED方法制備大規模、高長徑比的纖毛陣列，將內徑為1 mm的玻璃管通過探針拉伸器制備成玻璃探針，使用壓電陶瓷位移平臺帶動尖端開口為微米級的玻璃探針進行精細移動［15］，控制相應的沉積區域環境溫濕度［16］。玻璃探針中填充金屬陽離子溶液（CuSO4），玻璃探針在壓電平臺的帶動下接近導電基底（銅箔），在探針尖端與導電基底之間將形成微液滴橋。將直流電源的正極連接到伸入探針內部的銅電極上，負極連接到導電基底上，在電場的作用下，微液滴橋接觸基底的位置將發生金屬陽離子的還原反應，銅離子被還原為銅單質。控制沉積電流的大小和探針向上提升的速度，可以在基底上沉積出單根高長徑比的仿生纖毛。將玻璃探針移動到下一個位置繼續進行沉積，經過反復多次沉積，在銅箔的一端沉積出大規模、高長徑比的仿生纖毛陣列。

將應變片粘接在銅箔尾端，并將尾端固定，沉積出仿生纖毛陣列的一端作為自由端，形成懸臂梁式仿生纖毛微流量傳感器。將傳感器放置于流道中，當流體平行于懸臂梁流動的過程中，流體微弱沖擊作用力被仿生纖毛陣列感知后，并將沖擊力放大傳遞給懸臂梁，使得懸臂梁彎曲，從而帶動尾端應變片產生形變（如圖1（b）所示）。由于電阻應變片本身的“壓阻效應”，其電阻會相應的發生變化，再經過惠斯通電橋把電阻的變化量轉化為電壓，使用采集器采集電壓的變化值信號，最終根據采集的信號可反求出微流體的流速。

2.2 懸臂梁應變分析

本文使用有限元軟件分析了傳感器對微流體的流量（流速）的感知，即懸臂梁尾端（固定端）應變與流量（流速）之間的關系，仿真過程中，為了簡化處理，將流速對懸臂梁尾端應變簡化為懸臂梁自由端（尖端）垂直方向的位移。其簡化依據如下。

懸臂梁示意圖如圖2所示，當尖端受到壓力時，由材料力學理論可知，其梁上距離尾端距離為x的各點的豎直位移y如式（1）所示，負號代表方向向下。

圖2 懸臂梁示意圖Fig.2 Schematic diagram of cantilever beam

其中：F為尖端受到的載荷，L為懸臂梁的長度，x為到固定端的距離，h為懸臂梁的厚度，E為彈性模量，I為慣性矩。由梁的長度可計算出尖端的豎直位移如式（2）：

懸臂梁的彎矩M=F(L-x)，及x處的應變，應力，對于矩形截面而言W=，可以得到尖端位移與距離尾端為x處應變的關系，如式（3）所示：

綜上，當應變片與懸臂梁尖端之間的相對位置確定后，懸臂梁尖端的位移與應變之間為線性關系。

3 傳感器結構優化

3.1 邊界條件與網格劃分

經過對目前文獻調研，本文將針對0.1~2 m/s的流體流速范圍進行測量。采用COM?SOL5.5有限元軟件對仿生纖毛流量傳感器進行仿真分析，尋求此條件下最佳的纖毛陣列規模、高度、直徑和懸臂梁長度等參數，為微流量傳感器制作提供理論依據。

本文使用的三維仿真物理模型如圖3所示。物理場為流固耦合（層流與固體力學），同時配合動網格；流道結構尺寸長50 mm，寬15 mm，高5 mm；流道中間的懸臂梁厚度為0.05 mm，使用的材料為銅（其楊氏模量為110 GPa，密度為8 960 kg/m3，泊松比為0.35），設定了固定邊界，將薄板右側根部進行固定；流體選擇為空氣，氣流從入口輸入層流，從出口自由輸出（壓力為0）；由于懸臂梁應變最大位置靠近固定端，微應變片對應放置于此處。

圖3 仿真物理模型Fig.3 Simulation physical model

網格劃分質量對有限元分析計算的準確性和速度均有重要影響。由于電阻應變式懸臂梁結構的微流量傳感器在流體的流動動量作用下會產生形變，其會帶動仿生纖毛和懸臂梁結構產生形變。在懸臂梁和仿生纖毛產生形變的過程中，其會帶動流道內的流體產生形變。因此，在系統中設置動網格區域，將流道分為三部分，如圖3所示。對于流道中的動網格部分，網格劃分采用自由四面體網格，而流道中非動網格部分采用自由六面體網格，且進行粗化處理，以減小網格劃分數量。仿生纖毛是柱狀結構，其尺度相對比較小，在網格劃分過程中，進行了網格細化，同時網格劃分采用映射網格劃分，這樣有利于有限元分析計算。對于懸臂梁部分，由于其剛度較小，其在仿生纖毛動量的沖擊帶動下，產生較大應變，因此，對其進行網格劃分采用自由四面體網格。對于層流的有限元分析，流道內部邊界和懸臂梁邊界，均選擇邊界層網格進行劃分，且選擇壁面無滑移，這樣有利于流體的準確計算。

3.2 仿真結果分析

仿真分析了不同條件下微流量傳感器流速與懸臂梁尖端位移的關系，如圖4。首先仿真分析不同纖毛陣列規模（無纖毛、3×3、4×4、5×5、8×8）條件下，在流速為0.1~2 m/s范圍內懸臂梁尖端的豎直位移（纖毛高度50μm，直徑5μm，梁長度20 mm），因其端點位移與應變為線性關系，通過尖端豎直位移的變化可以間接表示應變的變化。由圖4（a）可知，在給定的風速范圍內，懸臂梁在無纖毛時，懸臂梁前端的位移為0μm。隨著陣列規模不斷變大，懸臂梁前端隨著風速產生的尖端位移越大，懸臂梁尾端產生的應變也將越大。因此，在實際微流量傳感器制備過程中，懸臂梁陣列規模至少在5×5以上較為合適。

圖4 不同條件下微流量傳感器流速與懸臂梁尖端位移的關系Fig.4 Flow rate of micro flow sensor versus cantilever beam tip displacement under different conditions

其次，分析在5×5纖毛陣列下，不同纖毛高度對懸臂梁尖端位移變化（纖毛陣列5×5，纖毛直徑5μm，梁長度20 mm）。仿真五種不同纖毛高度對懸臂梁尖端位移產生的響應如圖4（b）所示，從仿真曲線可以看出，當纖毛高度小于10μm時，傳感器對研究范圍內的流速無響應，隨著纖毛高度變高，流體速度不斷變大，梁的尖端位移不斷變大，且響應越靈敏（曲線斜率變大）。因此，在微流量傳感器制備過程中，選擇纖毛高度50μm以上較為合適。

然后，為探究纖毛直徑對懸臂梁應變的影響，本文針對5種不同直徑的纖毛陣列（5×5，高度50μm）對懸臂梁尖端位移的響應做了仿真分析，懸臂梁尖位移與流速曲線如圖4（c）所示，從圖中可知：對于直徑10μm以上的纖毛，纖毛直徑越小，其對速度的響應越明顯。同時，隨著速度的增加，懸臂梁尖端的位移不斷變大。但是對于10μm以下的纖毛，直徑為2μm的纖毛陣列，懸臂梁尖端位移變化不如5μm和8μm。因此，在微流量傳感器制備過程中，纖毛傳感器的直徑選擇在5~8μm之間。

最后，由于懸臂梁寬度受應變片大小限制（1.5 mm×1.3 mm），探究了懸臂梁長度對尖端位移的影響：懸臂梁長度太長，自身重力會使懸臂梁大幅度彎曲；太短則會降低系統的靈敏度。本文選取6 mm、10 mm、14 mm與18 mm四個長度進行分析，其尖端位移與流速的關系如圖4（d）所示。隨著梁的長度不斷變大，傳感器對流速的敏感性不斷增加，在梁的長度從10 mm變化到14 mm時，其敏感性有了較大變化，因此在微流量傳感器制備過程中，梁的長度為15 mm比較合適。

綜上所述，可得如下結論：

（1）懸臂梁電阻式纖毛流量傳感器對纖毛陣列的規模有一定要求，纖毛陣列規模大于5×5較為合適，且纖毛陣列傳感器對高速的敏感性大于低速；

（2）在同等速度下，纖毛的高度對懸臂梁的形變有著重要影響，但是仿真發現并非高度越高越好，建議纖毛高度在50μm較為合適；

（3）纖毛直徑在5μm以上較為合適；

（4）懸臂梁長度為15 mm比較合適。

4 傳感器與測試平臺制作

根據現有電阻應變片的尺寸，選用AKE?MOND型號為TSK-05R-120-1A-11L1M2S的 電阻應變片，該應變片的尺寸為1.5 mm×1.3 mm，阻值為120Ω，傳感器制備主要分為如圖5所示的4個步驟。

仿生纖毛陣列生長，采用前文提出的MCED方法。沉積過程中選用0.1 M的硫酸銅溶液，探針尖端開口直徑為2μm，控制沉積電流為23 nA，沉積速度為0.3μm/s。沉積的纖毛陣列如圖6所示，圖6右側為單根纖毛結構的細節SEM成像圖，從圖6中可以看出，纖毛結構的直徑約為5μm，長度約為50μm，其生長的纖毛陣列的大小和長徑比等參數，皆滿足仿真分析得出的最佳參數，由此可見，制備的仿生纖毛陣列滿足流量傳感器的要求。

為了對設計的仿生纖毛傳感器進行測試，本文設計并研制的仿生纖毛傳感器的測試平臺如圖7所示，主要包括微流量泵，研制的測試通道，無線應變傳感器和玻璃轉子流量計。測量系統選用0.05 mm厚的銅箔制作15 mm×1 mm的懸臂梁，懸臂梁一端采用本文提出的MCED方法生長出纖毛陣列，另一端固定并粘接上電阻應變片。通過控制風速的大小來改變懸臂梁的形變。懸臂梁上的應變由電阻應變片的阻值變化反應，通過自制的應變儀進行數據采集（在以下實驗過程中，若沒有特殊說明，其纖毛的直徑均為5μm，陣列規模為5×5，纖毛高度為50μm）。

圖5 微流量傳感器制作示意圖Fig.5 Schematic diagram of micro flow sensor fabrication

圖6 纖毛陣列SEM圖像Fig.6 SEM image of the cilia array

圖7 測試平臺Fig.7 Test platform

5 實 驗

5.1 流速測量實驗

圖8為對仿真結果進行驗證，測試不同仿生纖毛陣列與纖毛高度的傳感器對不同流速的響應。初始狀態將微流量傳感器應變調零，在100 s時刻將流速設置為2 m/s，然后每隔100 s流速減小0.4 m/s，實驗數據如圖8所示。圖8（a）為無/有（2根）纖毛時的應變響應曲線，從圖中可以看出，在纖毛較少的條件下，含有纖毛的微流量傳感器對流速的響應不敏感，在流速2 m/s時，有/無纖毛的微流量傳感器的微應變均可以達到-15，然后隨著流速不斷變小，微流量傳感器應變不斷減小，且有/無纖毛效果不明顯。圖8（b），（d）分別為2×2和5×5陣列無/有纖毛時的應變響應曲線。對比圖8（b），（d）可發現，隨著纖毛陣列不斷增大，有/無纖毛對流速變化的差異越來越大。由圖8（c），（d）可知在纖毛高度為30μm時，有/無纖毛的微流量傳感器對流速的響應的差異為20個微應變，而在纖毛高度為50μm時，有/無纖毛的微流量傳感器的應變差異為40個微應變。因此，纖毛高度越大，有/無纖毛時微流量傳感器的差異也越大。

表1為不同纖毛陣列對不同流速的應變響應，實驗條件的流速范圍為0.1~2 m/s，每次測試流速的間隔為0.4 m/s，其中測試結果的數據為每次改變流速后等待150 s后直到下一次調整流速前的數據均值（在穩定值中取樣100個數據點求均值），每次傳感器實際需要的穩定時間為

140 s。

表1 不同纖毛陣列和高度條件下實驗結果Tab.1 Experimental results under different cilia array and height conditions

5.2 纖毛陣列規模對比實驗

為對比不同陣列規模的傳感器對不同風速的響應，實驗制備了四種纖毛陣列規模的微流量傳感器。根據風速范圍共進行了11組實驗，每組實驗取20個測量值的平均值作為實驗結果。當測試通道內風速為0 m/s時，在實際的測試過程中，不同規模的纖毛陣列傳感器的應變測量值均不為0。其原因是在調零的過程中，應變儀的電阻與本系統的數字電位器的精度不夠高，無法達到絕對的零值。

如圖9所示，隨著風速的不斷的增加，微流量傳感器的應變值不斷增大，且陣列規模越大，系統對風速的響應越明顯（曲線斜率不斷變大）。同時，在風速小于0.4 m/s時，傳感器對風速的敏感性較低，當風速大于0.4 m/s后，系統的對風速敏感度有所提升。因此，本實驗應變測量結果驗證了仿真結果的正確性；但本系統在8×8陣列實驗時，其測量值擬合線性曲線非線性誤差為5.75%，這是因為對于懸臂梁式纖毛傳感器，風速和應變之間并非線性關系，且電橋受到應變片零漂和蠕變的影響會引起非線性。

圖8 不同纖毛陣列與高度傳感器對流速的響應Fig.8 Response of different cilia array and height sensors to flow rate

圖9 纖毛陣列規模對流速的響應Fig.9 Response of cilia array size to flow rate

5.3 纖毛高度測試實驗

為了驗證纖毛高度對微流量傳感器性能的影響，分別對風速范圍內，陣列大小為5×5，纖毛高度分別為10μm、20μm、50μm、80μm的傳感器進行測試，流速范圍為0 m/s~2 m/s，分成11組進行實驗。

在風速為0 m/s時，微流量傳感器的應變測量值也不為0。不同速度下，不同高度纖毛陣列對風速產生的應變如圖10所示，觀察發現，隨著高度不斷增加微流量傳感器對流速的敏感性不斷增加（直線斜率不斷變大），同時，隨著高度變大，微流量傳感器的非線性越明顯。這和仿真結論也一致。纖毛高度在50μm時，微流量流速在0.4 m/s以上時微流量傳感器的線性度較好，直線擬合后的非線性誤差為2.84%。

圖10 纖毛高度對流速的響應Fig.10 Response of cilia height to flow rate

6 結 論

本文采用MCED方法制備大規模高長徑比的纖毛陣列，將該纖毛陣列和微懸臂梁結合，研制了仿生纖毛微流量傳感器。研制過程中，通過有限元仿真方法對纖毛陣列的參數進行優化，最終制備出了長徑比為10∶1（直徑5μm，高度50 μm），面積在毫米級的纖毛陣列結構，進而實現了0.1~2 m/s范圍內空氣流速的測量。實驗證明，制備的微流量傳感器隨著纖毛陣列規模的不斷擴大，對微流量的靈敏性不斷增強。在大于0.4 m/s的流速測量中非線性度為2.84%，該微流量傳感器的制備，驗證了仿生纖毛陣列對氣流感知的有效性，展示了新型MCED制備方法的穩定性和廣泛的應用前景，豐富了現有微流量傳感器的制備方法。