基于蝎子蛊毛感知机理的高灵敏流场传感器研究

作     者：刘建勋 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯涛

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 09[农学] 0802[工学-机械工程] 0901[农学-作物学] 0836[工学-生物工程] 090102[农学-作物遗传育种] 

主      题：仿生学 蝎子蛊毛 有限元分析 流场传感器 莫尔斯电码识别 

摘      要：流场检测领域的发展面临多方面的困难,传统技术存在诸多问题,包括尺寸庞大、精度不高等挑战。这些限制催生了对创新的需求,而自然界的生物毛感受器展现出出色的流场感知能力,成为一个潜在的解决方案。为了克服传统技术的局限,仿生纤毛传感器崭露头角,其设计灵感源自生物毛的作用机制。然而,在仿生学研究中,对毛杆机械结构及其作用机制的理解仍需进一步优化。当前仿生纤毛传感器结构仍需要优化,尤其是需要提升毛杆的灵敏度,以更好地满足实际应用的需求。本文的主要目标是深入探讨仿蝎子蛊毛的流场感知机理,着重研究提升仿生纤毛传感器的灵敏度的相关问题。通过对生物蛊毛的机械结构和感知机制的详研究,期望为改进仿生纤毛传感器的性能提供有效的优化思路,为流场检测领域的技术添砖加瓦。 (1)本研究以彼得异蝎(Heterometrus petersii)的生物特征为基础,着重探讨了蝎子蛊毛感受器的几何特征,并进行了全面的统计分析。研究结果揭示了蝎子蛊毛杆呈现出扁平扭曲的形状,并验证了这种结构与提高感知灵敏度之间的内在联系。在对蝎子蛊毛的结构进行考察中,重点关注了结构优化,并运用有限元分析方法对蝎子蛊毛杆进行等效处理,以阐明扁平扭曲结构与传统圆柱结构的组合配置对流速敏感性的影响。这一过程通过的统计学分析,为我们提供了更详细的了解,从而为仿生器件的设计提供了优化思路。通过理论分析,本研究从一维谐振系统的角度深入探讨了蝎子蛊毛杆结构导致其作用机制的原理。这一理论推导为解释蝎子蛊毛感受器在流场中的高效响应提供了明确的结构。这项研究探讨了当前对于节肢动物蛊毛的作用机制。同时,为当前仿生纤毛器件研究提供了理论支持,为未来流场感知技术的优化方向提供了可行的改进思路。 (2)本文以蝎子蛊毛杆的作用机制理论为基础,结合蝎子蛊毛的形貌特征,提出了一套仿生蛊毛原理模型。通过对蝎子蛊毛杆结构的抽象化和引入特征尺寸的理论模型,详细的分析了仿生纤毛的结构及其工作原理。为了实际应用,设计了传感器原型,明确定义了基于仿生纤毛杆结构的基部传感三层SOI硅基基底,并引入了基底四通道电阻模型,为四通道电阻模型提供了理论基础。在确认传感器的非电量转换原理后,我们确定了相应的尺寸、结构和材料等参数,并通过有限元分析进一步验证了传感器设计的可行性。为了制作完整的传感器,我们制定了一套完整的工艺方案,包括仿生纤毛杆的制备方法、底部换能单元四通道电阻的制备方法以及传感器的整体组装方法。这一系列工艺方案为制备仿生纤毛传感器提供了可行的技术手段。在经过详尽的研究和实践后,最终成功制备了传感器原型,提供了可行性方案和加工手段,以支持仿生纤毛传感器的研究方向和优化思路。 (3)通过搭建风洞实验平台,完成了对传感器包括灵敏度,电阻平衡,可重复性在内的综合性能试验。实验结果显示,传感器在这些方面表现良好的性能。通过对比分析,传感器的风速响应和理论特征尺寸的一致性,清晰突出的显示了传感器在风速感知灵敏度方面的良好表现。在进行多周期的风洞开关反复循环测试时,传感器原型展现出良好的可重复性响应能力,证明其在实际使用中能够稳定可靠地工作。基于本文所制造的传感器模型,成功搭建了口腔气流的莫尔斯电码识别系统。借助传感器的高灵敏特性,该系统实现了对口腔气流中莫尔斯电码的准确识别。实验结果表明,该系统的识别准确率高达99%,充分证明了传感器在识别检测能力和可靠性方面的良好性能。这一研究为风敏传感器在实际应用中的可行性和性能提供了很好的支持,并为口腔气流识别等领域的应用提供了创新性的解决方案。