許多水下汽車(chē)都會(huì )采用高功耗的主動(dòng)傳感方法來(lái)探測和識別周?chē)Ｑ蟓h(huán)境中的物體。印度 PSG 技術(shù)學(xué)院的研究團隊在盲眼洞穴魚(yú)的啟發(fā)下設計了一款壓力傳感器，并借助數值仿真分析了此設計，希望做出一個(gè)節能型的替代方案。在本篇博客中，我們將近距離分析該款被動(dòng)型 MEMS 壓力傳感器。
壓力傳感器的本質(zhì)
水下環(huán)境絕非人造車(chē)輛的理想駕駛環(huán)境，由于缺乏光照再加上水體渾濁，水下的能見(jiàn)度極差，有時(shí)甚至完全無(wú)法視物；所以類(lèi)似潛艇等水下車(chē)輛就需要通過(guò)探測和監控來(lái)避開(kāi)水下環(huán)境中的各類(lèi)物體。如果您覺(jué)得這樣難度還不算高的話(huà)，那不妨再想一下潛艇的能源情況，它的能源供應有限，所以需要盡量減少能耗。
無(wú)人駕駛潛艇的照片。（圖片由 CSIRO ICT 中心提供，已獲Creative Commons Attribution 3.0 Unported授權，并通過(guò)Wikimedia Commons分享。）
常規潛艇一般會(huì )采用聲吶和光學(xué)方法進(jìn)行水下導航。這些方法的效果不錯，但存在一些問(wèn)題。聲吶可能傷害甚至殺死一些海洋生物，而光學(xué)方法在低能見(jiàn)度下的表現一般。此外，這兩種方法都會(huì )進(jìn)行主動(dòng)感應，效率較低，但能耗很高。
在為水下車(chē)輛尋找更高效的環(huán)境監測方法時(shí)，印度 PSG 技術(shù)學(xué)院（位于印度泰米爾納德邦，哥印拜陀市）從盲眼洞穴魚(yú)的身上得到了啟發(fā)。
墨西哥盲眼洞穴魚(yú)身上有許多我們稱(chēng)作側線(xiàn)的神經(jīng)丘，因此能有效在黑暗混亂的水域中避開(kāi)障礙，而且游動(dòng)速度很快。具體來(lái)說(shuō)，這類(lèi)魚(yú)能通過(guò)表層神經(jīng)丘感應流動(dòng)變化，并能通過(guò)管器神經(jīng)丘感應壓力變化，借以實(shí)現在周?chē)h(huán)境中的導航。
盲眼洞穴魚(yú)的圖片，用陰影表示側線(xiàn)。側線(xiàn)中的點(diǎn)表示管器神經(jīng)丘。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們在 COMSOL 用戶(hù)年會(huì ) 2013 班加羅爾站提交的論文。
洞穴魚(yú)最重要的特點(diǎn)也許是它能通過(guò)被動(dòng)感應探查周?chē)h(huán)境；也就是說(shuō)，它無(wú)需消耗能量發(fā)出聲波就能實(shí)現在周?chē)h(huán)境中的導航，避免了因為發(fā)出聲波可能造成的傷害或因此暴露位置的風(fēng)險。所以說(shuō)，洞穴魚(yú)可以被動(dòng)檢測周?chē)乃鳌?/p>
研究人員據此開(kāi)發(fā)了一款節能型被動(dòng)感應方法，并使用 COMSOL Multiphysics 的層流接口來(lái)預測這款水下壓力傳感器的性能。
開(kāi)發(fā)被動(dòng)型水下壓力傳感器
為了開(kāi)發(fā)出一款能夠有效實(shí)現被動(dòng)工作的壓力傳感器，研究人員模擬了洞穴魚(yú)的側線(xiàn)。
設計壓力傳感器時(shí)，他們參照洞穴魚(yú)在一個(gè)陣列中安裝了 10 個(gè)傳感器，傳感器之間留有一定的間隔以避免串擾。設計中還包括一個(gè)安裝在傳感器底座上的柔性感應膜片。感應層由液晶高分子 (LCP) 制作，這是一種很堅韌的柔性材料，抗腐蝕能力很好。
感應膜片的上方是應變儀，用于將壓力變化轉換為金制壓阻器中的電阻變化。最后，使用一個(gè)立式結構來(lái)模擬魚(yú)的體表神經(jīng)丘并測量速度。
MEMS 壓力傳感器的幾何。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們在 COMSOL 用戶(hù)年會(huì ) 2013 班加羅爾站提交的論文。
壓力傳感器可以探測周?chē)w中的擾動(dòng)。例如，假設安裝了該傳感器的潛艇正接近一艘沉船。沉船造成了水流的變化，因此會(huì )在傳感器的膜片中產(chǎn)生一個(gè)壓力差。因為壓力差會(huì )使膜片發(fā)生彎曲，所以傳感器能夠識別出這個(gè)變化，如下圖所示。
施加壓力后產(chǎn)生的膜片位移。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們在 COMSOL 用戶(hù)年會(huì ) 2013 班加羅爾站提交的論文。
彎曲會(huì )造成壓阻器電阻值的變化，可以作為電壓漂移讀取。這樣，壓力傳感器將能被動(dòng)地檢測環(huán)境的改變，比如由于沉船造成的變化。
傳感器使潛艇能夠輕松在周邊環(huán)境中進(jìn)行導航，而且不會(huì )浪費太多能量。不過(guò)，研究人員首先應確認該壓力傳感器的工作性能。
借助仿真檢查壓力傳感器的設計
研究人員計算了作用在傳感器上的各級邊界應力的速度及壓力分布，借以分析壓力傳感器對周?chē)h(huán)境變化的檢測性能。在他們的仿真中，當有物體接近傳感器時(shí)，邊界應力會(huì )增加。邊界應力的變化還會(huì )造成傳感器所經(jīng)歷的速度及壓力發(fā)生變化。
左：傳感器上的速度分布。右：傳感器上的壓力分布。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們在 COMSOL 用戶(hù)年會(huì ) 2013 班加羅爾站提交的論文。
仿真表明當邊界應力增加時(shí)，傳感器將經(jīng)歷速度及壓力的變化，這也是盲眼洞穴魚(yú)檢測到的變化，那么壓力傳感器對此類(lèi)變化的敏感度如何呢？
研究人員將靈敏度定義為每單位應力變化所對應的應變儀內的電阻變化。他們觀(guān)察到電阻在壓力變化時(shí)增大了，從而確定傳感器足夠靈敏可檢測到小至 5 N/m的壓力變化。
整體而言，被動(dòng)壓力傳感器不僅具備可正常工作的靈敏度，還兼具節能、安全與隱蔽等優(yōu)點(diǎn)。在水下壓力感應類(lèi)應用中，這款設計是一個(gè)非常不錯的節能型替代方案。借助 COMSOL 軟件中的流固耦合特征、壓敏電阻物理場(chǎng)接口和超彈性材料模型，我們能夠輕松地模擬此類(lèi)傳感器。
