本申請涉及傳感器，尤其涉及一種陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器及制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在力學(xué)場測量領(lǐng)域，早期以硅基敏感流體壓力傳感器為主，這類傳感器多設(shè)計(jì)有包含剛性空艙管道結(jié)構(gòu)的熱敏感組件，主要用于靜態(tài)流場測量。為了全面描繪模型流場結(jié)構(gòu)信息，需在模型表面進(jìn)行陣列化的二次詳細(xì)測繪布點(diǎn)設(shè)計(jì)。然而，其傳感構(gòu)件因體積和重量問題，易導(dǎo)致局部渦流等不穩(wěn)定流場情況。傳統(tǒng)解決方法是在模型結(jié)構(gòu)上增加測壓孔預(yù)埋傳感器，但這種方式不僅會(huì)破壞待檢測對象的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低疲勞耐受力，增加不穩(wěn)定剪切擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)因過多的測量布點(diǎn)導(dǎo)致傳感器測量費(fèi)用上升，施工工期延長。因此，為避免對測量對象機(jī)械性能造成損失和產(chǎn)生測量誤差，測繪點(diǎn)數(shù)量及表面流場信息描述的完整度常受到限制。

2、隨著技術(shù)發(fā)展，壓敏漆應(yīng)運(yùn)而生。它能夠大面積測量和顯示模型表面壓力分布情況，對獲取測量模型表面壓力數(shù)據(jù)意義重大。與硅基敏感流體壓力傳感器相比，壓敏漆采用涂覆方法，對被測物體表面影響較小。然而，早期穩(wěn)態(tài)壓敏漆技術(shù)尚未成熟，響應(yīng)時(shí)間在1~10?s量級。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著新材料和新測試方法的不斷涌現(xiàn)，動(dòng)態(tài)壓敏漆技術(shù)及其修正方法逐步完善，響應(yīng)時(shí)間達(dá)幾十微秒量級，已成為動(dòng)態(tài)壓力測量和流動(dòng)顯示的重要工具。不過，壓敏漆也存在一些問題，如其數(shù)據(jù)采集依賴高速照相機(jī)，采集后處理需進(jìn)行物理空間位置信息識別，因此存在試驗(yàn)后處理數(shù)據(jù)工作量大、照片信噪比低、受溫濕度影響等問題。這些問題限制了其在更多復(fù)雜場景下的應(yīng)用，尤其是對測量精度和實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域。

3、在介入式手術(shù)以及微創(chuàng)手術(shù)用機(jī)器人領(lǐng)域，由于人體生理環(huán)境相對恒溫，采用溫敏元件檢測空氣對流的流體傳感原理并不適用，目前主要依靠內(nèi)窺鏡等光學(xué)技術(shù)對人體生理內(nèi)環(huán)境進(jìn)行外觀檢查。近年來，在柔性傳感設(shè)計(jì)概念的驅(qū)動(dòng)下，流體力學(xué)測量雖有所發(fā)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，一些基于柔性電敏感材料的研究，如石墨烯堆疊結(jié)構(gòu)、碳管纖維結(jié)構(gòu)等，是從柔性材料特點(diǎn)出發(fā)，將流體力學(xué)敏感結(jié)構(gòu)與壓敏結(jié)合，但因材料天然機(jī)械性能脆弱，制成的傳感器單元僅適用于氣流響應(yīng)，且檢測范圍上限遠(yuǎn)低于實(shí)際生活場景中的氣流速度范圍，同時(shí)其結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)難以陣列化制備量產(chǎn)。而基于聚酰亞胺熱塑變形的設(shè)計(jì)，存在薄膜形變角度、自卷曲程度等力學(xué)敏感結(jié)構(gòu)控制難以精確量化的問題，且聚酰亞胺材料本身的粘彈性與人體組織不匹配，薄膜邊緣銳利，不適用于人體內(nèi)環(huán)境流體力學(xué)測量。

4、綜上，無論是傳統(tǒng)的力學(xué)場測量技術(shù)，還是新興的柔性傳感設(shè)計(jì)，都難以滿足當(dāng)前對生理內(nèi)環(huán)境流體力學(xué)進(jìn)行精確檢測的需求。目前，缺乏能與人體彈性模量實(shí)際有效匹配的生理內(nèi)環(huán)境流體力學(xué)檢測方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本申請的目的是提供一種陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器及制備方法及應(yīng)用，用于解決現(xiàn)有的力學(xué)傳感器難以在生物體內(nèi)環(huán)境開展精準(zhǔn)測量的難題。

2、為達(dá)到上述技術(shù)目的，本申請?zhí)峁┮环N陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，包括依次設(shè)置的超薄傳感結(jié)構(gòu)、硅膠基底膜；

3、超薄傳感結(jié)構(gòu)由硅膠膜和金屬鍍層疊合構(gòu)成，金屬鍍層與硅膠基底膜貼合設(shè)置；

4、金屬鍍層包括傳感區(qū)域和導(dǎo)線區(qū)域；傳感區(qū)域相對應(yīng)的硅膠膜部位開設(shè)有v形切口；在v形切口處，傳感區(qū)域與硅膠膜貼合設(shè)置形成v形貼合層，v形貼合層沿遠(yuǎn)離硅膠基底膜的方向伸展，形成纖毛傳感觸突；

5、纖毛傳感觸突上的傳感區(qū)域用于接收信號并經(jīng)導(dǎo)線區(qū)域進(jìn)行信號傳輸，以實(shí)現(xiàn)對膜外介質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

6、進(jìn)一步地，纖毛傳感觸突呈陣列式排布。

7、進(jìn)一步地，相鄰的纖毛傳感觸突的橫向間距為0.5~5?nm，縱向間距為0.5~5?nm。

8、進(jìn)一步地，纖毛傳感觸突的高度為0.01~3?nm。

9、進(jìn)一步地，纖毛傳感觸突為銳角等邊三角形，且銳角三角形纖毛傳感觸突的底邊與硅膠基底膜貼合設(shè)置。

10、進(jìn)一步地，導(dǎo)線區(qū)域包括橫向?qū)Ь€與縱向?qū)Ь€，橫向?qū)Ь€與縱向?qū)Ь€呈陣列式排布；橫向?qū)Ь€用于橫向連接傳感區(qū)域，縱向?qū)Ь€與傳感區(qū)域縱向交錯(cuò)設(shè)置。

11、進(jìn)一步地，金屬鍍層為cr-au金屬層；cr金屬層的厚度為20?nm，au金屬層的厚度為20?nm。

12、進(jìn)一步地，硅膠膜為pdms膜。

13、本申請?zhí)峁┮环N陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器的制備方法，包括以下步驟：

14、步驟s1：圖案化高精度超薄傳感結(jié)構(gòu)的制備：

15、步驟s1-1：在硅膠膜表面雕刻v形切口的傳感區(qū)域與套刻標(biāo)記，并雕刻包含傳感圖案區(qū)域、導(dǎo)線圖案區(qū)域以及紫外曝光掩膜區(qū)域的掩模板；

16、步驟s1-2：依據(jù)套刻標(biāo)記覆蓋掩模板，采用電子束蒸鍍技術(shù)在傳感圖案區(qū)域、在導(dǎo)線圖案區(qū)域鍍上金屬層，并對紫外曝光掩膜區(qū)域進(jìn)行曝光處理，得到超薄傳感結(jié)構(gòu)；

17、步驟s2，超薄傳感結(jié)構(gòu)與硅膠基底膜鍵合：

18、步驟s2-1：對超薄傳感結(jié)構(gòu)中的硅膠膜進(jìn)行預(yù)拉伸，使超薄傳感器的v形切口處沿垂直于硅膠膜一側(cè)的z軸方向抬高形成纖毛傳感觸突；

19、步驟s2-2：將超薄傳感結(jié)構(gòu)帶有傳感區(qū)域的一側(cè)與經(jīng)等離子體處理的硅膠基底膜貼合，經(jīng)加熱鍵合，得到陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器。

20、本申請?zhí)峁┮环N陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器的應(yīng)用，用于介入式醫(yī)療導(dǎo)管治療、手術(shù)機(jī)器人的末梢力學(xué)傳感、空天曲面繪測。

21、綜上所述，本發(fā)明的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器包括依次設(shè)置的超薄傳感結(jié)構(gòu)、硅膠基底膜；超薄傳感結(jié)構(gòu)由硅膠膜和金屬鍍層疊合構(gòu)成，金屬鍍層與硅膠基底膜貼合設(shè)置；金屬鍍層包括傳感區(qū)域和導(dǎo)線區(qū)域；傳感區(qū)域相對應(yīng)的硅膠膜部位開設(shè)有v形切口；在v形切口處，傳感區(qū)域與硅膠膜貼合設(shè)置形成v形貼合層，v形貼合層沿遠(yuǎn)離硅膠基底膜的方向伸展，形成纖毛傳感觸突，纖毛傳感觸突上的傳感區(qū)域接收信號并經(jīng)導(dǎo)線區(qū)域進(jìn)行信號傳輸，以實(shí)現(xiàn)對膜外介質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明制備的力學(xué)傳感器采用全柔性材料構(gòu)架，由化學(xué)惰性的硅膠與金屬電極組成，與人體組織模量相似，制備過程不涉及化學(xué)組分復(fù)雜的膠黏劑，具有良好的生物安全性和生物相容性；其次，本發(fā)明制備的力學(xué)傳感器分為側(cè)向壓力檢測區(qū)和正向壓力檢測區(qū)，正向壓力檢測區(qū)和側(cè)向壓力檢測區(qū)相互配合使傳感器具備三維空間上的各向異性靈敏度，能通過檢測纖毛傳感觸突垂直于測量面的z軸偏轉(zhuǎn)角度對流體介質(zhì)的情況進(jìn)行擬合和偏轉(zhuǎn)角離散化估計(jì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測；同時(shí)，本申請制備的力學(xué)傳感器可通過調(diào)整v形切口的形狀和大小，實(shí)現(xiàn)纖毛傳感觸突與平面夾角精確可控，且在各種復(fù)雜三維檢測面上具備保型性，即卷繞在介入式醫(yī)療導(dǎo)管上也能對管道內(nèi)腔流體以及管壁壓力進(jìn)行測量。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本傳感器具有良好的生物安全性以及三維空間各向異性靈敏度，能在復(fù)雜的生物環(huán)境中完成流體力學(xué)的精準(zhǔn)監(jiān)測；同時(shí)，本發(fā)明提供的傳感器無熱塑變形造成的非理想化卷曲或邊緣畸變，且纖毛傳感觸突與硅膠膜平面夾角可控，解決了傳統(tǒng)傳感器易因熱塑變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。

技術(shù)特征：

1.一種陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于，包括依次設(shè)置的超薄傳感結(jié)構(gòu)、硅膠基底膜；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于，所述纖毛傳感觸突呈陣列式排布。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于，相鄰的所述纖毛傳感觸突的橫向間距為0.5~5?nm，縱向間距為0.5~5?nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于，所述纖毛傳感器的高度為0.01~3?nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器，其特征在于，所述硅膠膜為pdms膜。

9.一種如權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

10.一種如權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器的應(yīng)用，其特征在于，用于介入式醫(yī)療導(dǎo)管治療、手術(shù)機(jī)器人的末梢力學(xué)傳感部件制備、空天曲面繪測。

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種陣列式大量程生理內(nèi)環(huán)境力學(xué)傳感器及制備方法及應(yīng)用。本發(fā)明的力學(xué)傳感器包括依次設(shè)置的超薄傳感結(jié)構(gòu)、硅膠基底膜；超薄傳感結(jié)構(gòu)由硅膠膜和金屬鍍層疊合構(gòu)成；金屬鍍層包括傳感區(qū)域和導(dǎo)線區(qū)域；傳感區(qū)域相對應(yīng)的硅膠膜部位開設(shè)有V形切口；在V形切口處，傳感區(qū)域與硅膠膜貼合設(shè)置形成V形貼合層，在制備過程中施加應(yīng)力引導(dǎo)V形貼合層沿遠(yuǎn)離硅膠基底膜的平面法線方向伸展，形成纖毛傳感觸突。本申請?zhí)峁┑膫鞲衅鞑捎萌嵝圆牧蠘?gòu)架，具有三維空間各向異性靈敏度，能通過纖毛傳感觸突在Z軸方向的偏轉(zhuǎn)構(gòu)型設(shè)計(jì)對流體介質(zhì)的方向與大小進(jìn)行量化監(jiān)測，且傳感器的保型性良好，可應(yīng)用于介入式醫(yī)療導(dǎo)管等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：楊雷,邵若梅,顏濱,孫樹清,于騰龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳市第二人民醫(yī)院（深圳市轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15