传感器作为现代科技的前沿技术,与通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱。传感技术的进步可以带动工业、农业、交通运输、医疗、环境、军.事等行业的发展,关乎国家的经济命脉,因此,面向传感器性能提升的迫切需求,探索新一代感元件的设计原理与制备工艺具有极其重要的意义。自然界中的生物为了生存和繁衍,体表已进化出超灵敏的感受器,其中,蝎子作为节肢动物中的典型生物代表,具有极强的生存能力,其体表缝感受器能够精准的感知周围20cm范围内细小沙粒的扰动,探讨蝎子缝感受器的感知机理并进行相应仿生设计,制造微尺度、高精度、抗干扰、低功耗的多功能传感器,必将为传感技术的发展开拓新的领域,谱写新的篇章。本文针对蝎子缝感受器感知机理进行仿生类比设计,综合断裂力学、压电效应、平面应力状态分布等理论,从理论和仿真层面验证了基于裂纹尖端应力场开展传感元件仿生设计的合理性,计算得出了裂纹尖端压电薄膜最优摆放形状曲线,并设计、制造了不同参数下的仿生传感元件。本文的主要研究内容如下:根据蝎子体表缝感受器的感知机理进行了仿生传感元件的类比设计,设计模型主要包括具有可控裂纹结构的基底及在裂纹尖端应力场内优化布设的压电薄膜。当传感元件受到外部载荷作用时,裂纹尖端会产生显著的应力集中效应,位于尖端区域的压电薄膜则会发挥将收集到的力信号转换为电信号的功能。运用断裂力学和压电效应理论,对裂纹尖端区域进行了平面应力状态分析,揭示了裂纹尖端区域压电薄膜的输出特性,并比较了相同长度压电薄膜在不同放置姿态下的压电输出。结果表明,压电薄膜的放置姿态对压电输出有很大影响。进一步分析得出在裂纹尖端区域某一点上,当压电薄膜摆放曲线的切线垂直于第一主应力方向时,该点处压电薄膜的电荷输出最大,由此计算得出压电薄膜在裂纹尖端区域摆放的最优形状曲线并对其进行了优化。基于理论分析结果建立了仿生传感元件物理模型,利用COMSOL软件对其进行压电耦合仿真分析,探究了裂纹长度、施加载荷、基底厚度、裂纹宽度、压电薄膜厚度对仿真结果的影响以及对最优压电薄膜摆放形状曲线进行仿真验证。结果表明,仿生传感元件的压电输出与裂纹长度、施加载荷以及压电薄膜厚度成正比,裂纹宽度对压电输出的影响不明显,压电输出随着基底厚度的增大而减小,最优压电薄膜摆放形状曲线上的第一主应力方向垂直于该曲线,仿真与理论分析结果相一致。探索了仿生传感元件的制备工艺,尝试使用激光加工的方式制备了不同几何参数下的传感元件基底,并将压电薄膜嵌入基底之中得到最终传感元件。之后搭建了传感元件测试平台,分析了不同制备参数下传感元件的压电输出结果。结果表明,缝长度越长压电输出越高,越靠近尖端区域的压电薄膜压电输出越高,最优压电薄膜摆放形状曲线下的压电输出相较于圆弧状来说具有更高的压电输出。