專利名稱：一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其是涉及一種基于直寫電紡納米壓電纖維的壓力傳感器。
背景技術：
壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，它以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質表面產生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等。 壓電式傳感器具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固，可靠性、穩(wěn)定性高?；谝陨蟽?yōu)點，壓電式傳感器得到了人們大量的關注。如應用于電腦的硬盤抗摔保護、自動調節(jié)相機的聚焦、汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)及牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面的壓電式加速度傳感器；近年來在動壓測量方面得到了非常廣泛應用的壓電式壓力傳感器具有良好的動態(tài)響應(高頻可達400kHz)，還有機械強度高、耐疲勞、耐振動，耐高溫，體積小及壽命長等優(yōu)點；壓電免疫傳感器、壓電DNA傳感器被應用于生物醫(yī)學測量中，以達到對免疫分析、DNA識別的目的。目前，壓電傳感器使用最多的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，其中，壓電晶體主要是石英晶體、水溶性壓電晶體和鈮酸鋰晶體，石英晶體的靈敏度低，且沒有熱釋電效應(由于溫度變化導致電荷釋放的效應)，主要用來測量大量值的力或用于準確度、穩(wěn)定性要求高的場合和用來制作標準傳感器；水溶性壓電晶體易于受潮、機械強度低、電阻率也低，因此只限于在室溫和濕度低的環(huán)境下使用；鈮酸鋰具有明顯的各向異性力學性能，與石英晶體相比它很脆弱，而且熱沖擊性很差，所以在加工裝配和使用中必須小心謹慎，避免用力過猛、 急冷和急熱。采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，但溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英，同時需要較高的工作溫度。壓電高聚物的發(fā)展已經有三四十年的歷史，Peterlin等在1967年觀察了滾延聚偏氟乙烯(PVDF)的ε值，也確認了它的壓電性。PVDF壓電薄膜具有很強的壓電性能，其電荷壓電常數(shù)d比石英高10多倍，電壓壓電常數(shù)g的值比PZT (壓電陶瓷)高約20倍，PVDF 由于其良好的壓電性能、靈活性、化學穩(wěn)定性、生物相容性、低的聲阻抗、高的帶寬、加工容易、輕的質量和低成本等特點，被應用于聲納、生物醫(yī)學、聲學、氣動和液壓系統(tǒng)、MEMS和以 MEMS為基礎的領域.。一些學者以PVDF為基礎制造了不同應用的傳感器。Shrinov等通過將PVDF薄膜封裝在PVDF材料上制造了壓力傳感器，Gonzalez等制造的PVDF壓力傳感器應用在生物醫(yī)學方面，Jingang等模擬并成功地試驗了以PVDF為基礎的形變和運動傳感器。PVDF的壓電性能主要決定于β相PVDF的含量，目前，制備β相PVDF的方法主要有高壓結晶法、電場極化法和單軸熱拉伸法。前兩種方法對實驗條件和設備的要求比較苛刻，而用后一種方法容易產生缺陷。Bhoopesh P. Mahale等人采用旋轉涂布的方法制備β相PVDF，要對旋轉速度和時間進行最優(yōu)控制以獲得理想厚度和β相的PVDF薄膜。以上PVDF薄膜制造工藝過程復雜，溫度、極化電壓等條件都需要嚴格的控制。中國專利CN1250158公開一種壓電式壓力傳感器，兩種壓力傳感器。均使用由非晶體氯化聚乙烯、晶體氯化聚乙烯和壓電陶瓷粉末組成的壓電復合材料。第一種是壓電電纜，包括由金屬螺旋絲及填充其間的絕緣微細聚合物纖維組成的內導電體、環(huán)包內導電體的壓電復合物層、由附在聚合物薄膜上的金屬薄膜構成的外導電體。金屬薄膜與壓電復合物層相觸接但與內導電體相分離，和防護套。第二種是平面式壓力傳感器。包括平面形壓電復合物層，夾在兩聚合物薄膜上的兩金屬薄膜導電體之間。金屬薄膜與復合物層觸接，但相互分離。中國專利CN101573600公開一種壓力傳感器，所述壓力傳感器包括設置在光纖內的光纖布喇格光柵(FBG)應變傳感器、光纖應變傳感器承載桿和壓力增強套管。承載桿由第一玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料形成，所述第一玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料具有在應變感測方向上的第一剛度/彈性模量。套管由第二復合材料形成，所述第二復合材料與承載桿的在應變感測方向上的軸向剛度相比具有更低的在應變感測方向上的軸向剛度。在所施加的靜液壓載荷下，套管將軸向壓縮載荷施加到桿在套管的部分上。桿受到的軸向壓縮應變與如果不存在套管時產生在桿內的軸向壓縮應變相比因此在套管內的區(qū)域內增加。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于為了克服現(xiàn)有技術中存在的PVDF壓電薄膜工藝過程復雜、制造條件嚴格的問題，提供一種靈敏度較高的基于納米壓電纖維的壓力傳感器。本發(fā)明設有硅基底、硼摻雜層、二氧化硅薄膜、金屬電極和PVDF納米壓電纖維；所述硼摻雜層設于硅基底的上表面，硼摻雜層與硅基底連為一體，硅基底內設有空腔，二氧化硅薄膜生長在硅基底無空腔的一側，2個金屬電極固定在二氧化硅薄膜上，PVDF納米壓電纖維直接寫在2個金屬電極之間，PVDF納米壓電纖維與金屬電極之間形成歐姆接觸。所述硅基底的上表面可為正方形結構。所述空腔可為梯臺形空腔。所述二氧化硅薄膜的厚度可為0. 5 1. 5 μ m。所述金屬電極固定在二氧化硅薄膜上，可采用濺射的方法將金屬電極固定在二氧化硅薄膜上；所述金屬電極的厚度可為0. 3 0. 6 μ m。所述PVDF納米壓電纖維直接寫在2個金屬電極之間，可通過靜電紡絲裝置以直寫的方式將PVDF納米壓電纖維直接寫在2個金屬電極之間；所述納米壓電纖維的直徑可為 60 800nm。所述二氧化硅薄膜作為絕緣層。硼摻雜層的作用主要是在自停止腐蝕過程中得到理想厚度的壓力敏感膜。在二氧化硅薄膜上布置兩個金屬電極，將金屬電極固定在二氧化硅薄膜上，PVDF納米壓電纖維是通過靜電紡絲裝置以直寫的方式直接寫在兩個金屬電極之間的。當外界有壓力施加到傳感器的壓力敏感膜上時，PVDF納米壓電纖維受力發(fā)生變形，由于壓電效應，其內部產生極化現(xiàn)象，同時在納米壓電纖維的兩端面上出現(xiàn)正負相反的電荷。 通過電荷放大器和測量電路先后對兩個金屬電極間的電荷進行放大和測量，進而計算出壓力的大小。
本發(fā)明的敏感元件為PVDF納米壓電纖維，與傳統(tǒng)的PVDF薄膜制造工藝相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于過程簡單，成本較低；材料的制備對實驗條件沒有嚴格的要求，可以在室溫下進行。且其形態(tài)為纖維，比表面積比一般的PVDF薄膜大得多，可有效提高傳感器的靈敏度。本發(fā)明采用的壓電材料也是PVDF，但是其形態(tài)是直徑為納米級的纖維。傳感器中靈敏度是一個重要的指標，而傳感膜的靈敏度與每單位質量膜的表面積成正比。由于電紡納米壓電纖維比通用膜的比表面積大得多，因此可提高傳感器的靈敏度。通過靜電紡絲裝置可以直接將PVDF納米壓電纖維寫在電極之間，靜電紡絲裝置主要由毛細管噴頭、纖維收集板(器)、聚合物流體供給系統(tǒng)和高壓發(fā)生裝置四部分組成，設備簡單；對實驗條件沒有嚴格的要求，可以在室溫下進行。


圖1是本發(fā)明的基于納米壓電纖維的壓力傳感器的結構示意圖。圖2是本發(fā)明的基于納米壓電纖維的壓力傳感器的二氧化硅薄膜、金屬電極和 PVDF納米壓電纖維的結構示意圖。圖3為圖2的A-A剖面圖。在圖1 3中，各標記為1、硅基底2、硼摻雜層3、二氧化硅薄膜4、金屬電極 5、PVDF納米壓電纖維。
具體實施例方式參見圖1 3，本發(fā)明實施例設有硅基底1、硼摻雜層2、二氧化硅薄膜3、金屬電極 4和PVDF納米壓電纖維5 ；所述硼摻雜層2設于硅基底1的上表面，硼摻雜層2與硅基底1 連為一體，硅基底1內設有空腔，二氧化硅薄膜3生長在硅基底1無空腔的一側，2個金屬電極4固定在二氧化硅薄膜3上，PVDF納米壓電纖維5直接寫在2個金屬電極4之間，PVDF 納米壓電纖維5與金屬電極4之間形成歐姆接觸。所述硅基底1的上表面為正方形結構。所述空腔為梯臺形空腔。所述二氧化硅薄膜3的厚度為0. 5 1. 5 μ m。所述金屬電極4固定在二氧化硅薄膜3上，采用濺射的方法將金屬電極4固定在二氧化硅薄膜3上；所述金屬電極4的厚度可為0. 3 0. 6 μ m。所述PVDF納米壓電纖維5直接寫在2個金屬電極4之間，通過靜電紡絲裝置以直寫的方式將PVDF納米壓電纖維5直接寫在2個金屬電極4之間；所述納米壓電纖維的直徑為 60 800nm。工藝過程中，首先對硅基底1進行雙面氧化、光刻等步驟，得到二氧化硅薄膜，作為對硼擴散起阻擋作用的掩膜層。其次對二氧化硅薄膜進行窗口化、對硅基底1進行硼摻雜，得到硼摻雜層2，厚度為6 μ m 30 μ m，硼摻雜層2的作用主要是在自停止腐蝕過程中得到理想厚度的壓力敏感膜。硅基底1和硼摻雜層2連為一體，硅基底1內部使用自停止腐蝕技術腐蝕為梯臺型的空腔。然后在無空腔一側生長一層二氧化硅薄膜，膜厚為0. 5 1. 5 μ m，最后通過濺射的方法，將金屬電極4固定在二氧化硅薄膜3上，金屬電極厚度為 0. 3 0. 6 μ m。通過對兩個金屬電極4間的電荷進行放大并測量，計算出壓力的大小。PVDF納米壓電纖維5是通過靜電紡絲裝置以直寫的方式直接寫在兩個金屬電極4之間，纖維直徑為60 SOOnm納米壓電纖維與金屬電極之間形成良好的歐姆接觸。
本發(fā)明的工作過程為當外界有壓力施加到壓力傳感器的壓力敏感膜上時，引起 PVDF納米壓電纖維變形，由于這種材料的壓電效應，其內部發(fā)生極化現(xiàn)象，同時，在纖維的兩個端面上出現(xiàn)正負相反的電荷。通過電荷放大器和測量電路對兩個金屬電極4間的電荷分別進行放大和測量，測量結果的變化間接反映外界壓力的變化，進而計算出壓力的大小。
權利要求
1.一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于設有硅基底、硼摻雜層、二氧化硅薄膜、金屬電極和PVDF納米壓電纖維；所述硼摻雜層設于硅基底的上表面，硼摻雜層與硅基底連為一體，硅基底內設有空腔，二氧化硅薄膜生長在硅基底無空腔的一側，2個金屬電極固定在二氧化硅薄膜上，PVDF納米壓電纖維直接寫在2個金屬電極之間，PVDF納米壓電纖維與金屬電極之間形成歐姆接觸。
2.如權利要求1所述的一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于所述硅基底的上表面為正方形結構。
3.如權利要求1所述的一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于所述空腔為梯臺形空腔。
4.如權利要求1所述的一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于所述二氧化硅薄膜的厚度為0. 5 1.5 μ m。
5.如權利要求1所述的一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于所述金屬電極固定在二氧化硅薄膜上，是采用濺射的方法將金屬電極固定在二氧化硅薄膜上。
6.如權利要求1所述的一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于所述金屬電極的厚度為0.3 0.6 μ m。
7.如權利要求1所述的一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于所述PVDF納米壓電纖維直接寫在2個金屬電極之間，是通過靜電紡絲裝置以直寫的方式將PVDF納米壓電纖維直接寫在2個金屬電極之間。
8.如權利要求1所述的一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，其特征在于所述納米壓電纖維的直徑為60 800nm。
全文摘要
一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，涉及一種壓力傳感器。提供一種靈敏度較高的基于納米壓電纖維的壓力傳感器。設有硅基底、硼摻雜層、二氧化硅薄膜、金屬電極和PVDF納米壓電纖維；所述硼摻雜層設于硅基底的上表面，硼摻雜層與硅基底連為一體，硅基底內設有空腔，二氧化硅薄膜生長在硅基底無空腔的一側，2個金屬電極固定在二氧化硅薄膜上，PVDF納米壓電纖維直接寫在2個金屬電極之間，PVDF納米壓電纖維與金屬電極之間形成歐姆接觸。
文檔編號G01L1/18GK102393264SQ20111034303
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權日2011年11月3日
發(fā)明者占瞻, 孫道恒, 杜曉輝, 王凌云, 蘇源哲 申請人:廈門大學