基于谐振敏感的多物理量检测仿生毛发传感器及阵列研究

The new generation Micro Autonomous Systems and Technology(MAST) based on biomimetic insect, such as millimeter or centimeter scale Micro Air Vehicle(MAV) and micro-robot, constraints harshly the size, weight and power of sensor system and hopes to achieve a variety of sensing functions in a limited space. At present, even though the conventional sensors based on MEMS technology is difficult to meet the preceding requirements. Inspired by hair sensing system of insect, the project studies mainly hair sensor and arrays(Hair sensors with a three-dimensional structure have high space and mass utilization) with multiple physical signals (flow velocity, acceleration and angular velocity)detecting capability and improve the measurement accuracy of biomimetic hair sensor and arrays by resonance sensitive principle to meet the requirements of a new generation MAST. The research content includes: (1) The sensor structure research; (2) The sensor array structure research; (3)The measurement and control circuit of sensor and array research; (4)The three-dimensional process of sensor and array research; (5) The research of sensor array signal processing algorithm. The main innovation is reflected in: (1) The biomimetic hair sensor and array was first proposed to achieve simultaneous detection of the multiple physical signals; (2) The resonance sensitive principle was first proposed to achieve the signal conversion in the biomimetic hair sensor and array.

基于昆虫仿生的新一代毫米或厘米尺度微飞行器和微纳机器人等微自主系统与技术的研究对传感器系统的体积、重量和功耗限制苛刻，希望在有限空间实现多种传感功能，而目前即使基于MEMS技术的常规传感器也很难满足上述需求。受昆虫毛发传感系统启发，本项目主要研究具有多种物理量检测能力（微流速、加速度和角速度）的仿生毛发传感器及阵列（毛发传感器具有三维结构，有较高的空间和质量利用率），同时通过谐振敏感原理来提高仿生毛发传感器及阵列的测量精度，以满足新一代微自主系统与技术的应用需求。该项目主要研究：（1）传感器结构研究；（2）传感器阵列结构特性研究；（3）传感器及阵列的测控电路研究；（4）传感器及阵列的类似三维加工工艺研究；（5）传感器阵列信号处理算法研究。主要创新体现在：（1）利用仿生毛发传感器和阵列首次提出实现多种物理量的信号同时检测；（2）在仿生毛发传感器和阵列中首次提出利用谐振敏感原理实现信号变换。

在对自然界毛发结构及工作原理进行分析的基础上，提出了四种不同结构的仿生毛发传感器，分别为基于偏心杠杆的谐振式单轴毛发传感器、四质量毛发陀螺、基于弱耦合谐振器的双轴毛发传感器和多物理量敏感的仿生毛发传感器。针对四个毛发传感器结构，分别进行了理论分析和有限元仿真优化，以确定结构设计的可行性。选取了基于偏心杠杆的谐振式单轴毛发传感器作为对象，研究了分别由4个单轴毛发传感器构成的旋转阵列和侧线阵列结构。研究了基于偏心杠杆的谐振式单轴流速/加速度毛发传感器的测控电路，对谐振式毛发传感器谐振系统进行性能仿真分析，验证了谐振控制系统原理可行性，同时设计了谐振式毛发传感器控制系统的硬件电路和软件算法。进行了四质量毛发陀螺的闭环驱动电路和开环检测电路设计和仿真分析，仿真结果验证了检测原理的正确性。进行基于谐振敏感的仿生毛发传感器及阵列的类似三维加工工艺研究，结合DDSOG加工工艺进行了毛发传感器芯片的版图设计和芯片加工，在此基础上，完成了仿生毛发传感器芯片与毛发的微组装，以及四传感器旋转阵列和侧线阵列的微组装。进行了四传感器阵列整体控制系统设计，研究了阵列信号融合和估计算法，仿真结果表明该阵列信号融合算法是可行的。最后，进行仿生毛发传感器进行试验研究。对于基于偏心杠杆的谐振式单轴流速/加速度毛发传感器进行了性能测试。实验结果表明基于偏心杠杆的谐振式单轴毛发传感器能够对加速度和微流速进行敏感。其次，对于四质量角速度敏感毛发陀螺进行了性能测试，实验结果表明，四质量毛发陀螺的性能指标达到了设计要求。最后，对四传感器阵列进行了实验研究，测试结果表明，四传感器旋转阵列，具有较好的方向性，能够实现双轴空气流速的测量；而四传感器侧线阵列能够提高所测量信号的精度、灵敏度和信噪比；四传感器侧线阵列配合高通滤波罩，能够进行简谐振荡空气流的测量，具有较好的高通滤波的功能。