气体传感器作为一种气体检测工具,已广泛地应用到医疗健康、安全、环境保护、工业生产等各个方面。一些气体传感器在长期工作后会出现灵敏度降低、稳定性变差的现象。目前,科研人员主要是从制备新型传感元件表面气敏材料、优化气敏材料分布及结构两个方面提高传感器的灵敏性、稳定性。仿生学是近些年发展较快的一门前沿学科,师法自然,学习自然、模仿自然,带来了工程技术上的原始创新和突破。生物学家测试表明,蝎子具有灵敏的化学感知能力,其栉器是化学感知的重要器官,而蝎子的感知机理及其结构形态的关系至今尚不清楚,从仿生学角度研究蝎子栉器优异的化学感知机理并进行仿生感知结构的设计和制造更是未见报道,是一项创新性工作。本文基于仿生学原理,对比分析具有化学感知能力的三种典型蝎子的气体敏感性,筛选出具有较高气体敏感性蝎子作为研究的生物模本;研究其栉器形态结构特征,分析气体敏感机理;设计制造仿生气敏复合结构表面并进行气体敏感性测试,为制造超灵敏的用于气体检测的仿生传感器进行了新的尝试与探索。本文的主要研究内容及结论如下:首先,对比分析多种蝎子,选取三种具有化学感知能力的典型蝎子(彼得异蝎(Heterometrus petersii)、黑粗尾蝎(Parabuthus transvaalicus)、东亚钳蝎(Buthus Martensii))作为生物原型;通过生物行为学试验对比分析三种蝎子对乙醇、乙醚气体的敏感性,最终确定东亚钳蝎为本文研究的生物模本。接着,采用扫描电镜、原子力显微镜、X射线三维显微镜等多种观测手段,对东亚钳蝎栉器的表面形态及二维、三维结构进行了表征。栉器是一种精巧的生物结构,测试难度大。栉器位于蝎子腹部,由两个分开的梳状结构组成,整体呈“八”字形分布;梳状结构上有一系列整齐排布的梳齿,靠近腹部的梳齿侧面上分布有大量的凹坑与柱状结构组合体。基于栉器形态、结构特征及尺寸参数,利用CATIA软件建立仿生结构模型,并对其进行了ANSYS-FLUENT流体仿真分析,探究蝎子栉器形态结构与其气体敏感性之间的关系,揭示东亚钳蝎栉器基于结构的气体敏感性机理。最后,以东亚钳蝎栉器为原型,结合加工工艺精度,设计9种具有复合结构的仿生表面模型和3种光滑表面模型,同时采用3D非金属打印技术制造。接着,使用化学方法在打印出来的样件表面生成一层均匀的氧化锌,并利用扫描电镜对其表面形貌进行表征。随后自行搭建了仿生样件气体敏感性测试系统,对仿生样件的气体敏感性及电阻变化率进行了测试,分析得到了影响仿生样件电阻变化率(气体敏感性)的主次因素顺序为凹坑直径(B)、基底弧面弧度(A)、凹坑间距(D)、凸起结构横宽/弧线长(C),最优组合为:A=30°、B=2.6 mm、C=1.0mm/1.0 mm、D=2.7 mm,与平面光滑样件相比,最优组合样件气体敏感性增强了1.23倍。同时通过回归分析,得到了样件气体敏感性与各因素之间的回归方程。