专利名称：一种ZnO微/纳米材料柔性应变传感器的构建方法
技术领域：
本发明涉及纳米技术和半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种ZnO微/纳米材料柔性应变传感器的构建方法。
背景技术：
随着国防、医疗器械和电子工业的不断发展，微机/纳机系统领域(MEMS/NEMS ) 的研究正呈现突飞猛进地增长。一维纳米材料，包括纳米线/棒、纳米带、纳米针、纳米同轴电缆和纳米管等，具有独特的电学、力学、光学以及它们之间的交互耦合效应等性质，被认为是构筑下一代电子、光电子、纳机电器件的基础。氧化锌是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，具有特殊的导电、导热性能，化学性质非常稳定。同时，氧化锌具有压电特性，在非轴向应力下能够在微/纳米线内部产生压电电势并影响载流子的浓度，实现机械能向电能的转化。目前，国际上已有基于ZnO纳米材料压电性能制备微机/纳机系统的研究 (Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays. 《Science》， 2006，Vol. 312，no. 5771，242-246 ；Piezoelectric Gated Diode of a Single ZnO Nanowire .《Advanced Materials》，2007, Vol 19，Issue 6，781 - 784)。但是，上述研究通常要借助原子力显微镜(AFM)或纳米操控系统。这些设备对环境和材料的要求都比较高，操作复杂，不适合大量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度柔性应变传感器的构建方法，以适应不同粗糙度的工作表面，对微小应变有很高的快速响应，从而对设备的断裂、震动和老化起到检测和预警作用。同时，简化工艺和降低成本也是我们的重要目的。一种ZnO微/纳米材料柔性应变传感器的构建方法，主要由以下三部分实现 1.微/纳米ZnO材料的制备
a)将硅(1O 0)基片用去离子水和酒精分别冲洗干净，40 60°C烘干。然后在硅片表面喷涂5-20nm厚的金薄膜，作为沉积基片；
b)将Si粉(纯度>99.9%)和C粉按原子比0. 5:广1:2混合，充分研磨均勻并将其置于瓷舟中，将硅基片倒扣于瓷舟上；
c)把瓷舟放入管式炉中的石英管中部，调节流量计向管中通入氩气氧气 =50:广50:2。在此气氛下将管式炉升温至970°C 1000°C并保温20 30分钟，得到所需微/ 纳米线ZnO材料。制备的微/纳米线ZnO为单晶，长度为2_8mm，直径为0. 5_5 μ m。2.柔性应变传感器的搭建
a)采用酒精为溶剂，将微/纳米线ZnO超声分散，然后将分散的微/纳米线ZnO溶液滴在硅片上；b)采用接触印刷法将硅片上的微/纳米线ZnO转移到柔性基底上，其中柔性基底厚度为0. 5^4mm,以确保良好的柔韧性。此方法使微/纳米线ZnO与柔性基底形成紧密接触；所采用柔性基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亚胺薄膜(PI)。c)用银胶将微/纳米线ZnO的两端固定，并在10(Tl20°C下干燥30 50min，使银胶电极与微/纳米线SiO间良好的接触界面。3.柔性应变传感器的封装
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂覆在电极和微/纳米线ZnO表面，室温真空条件下静置 30 60min，70 90°C下保温2 3h，完成对器件的封装和构建。本发明采用气相法制备了长度为毫米级的宏观可见ZnO —维微/纳米材料，并在特殊的透明柔性基底上构建了应变传感器。器件的制作工艺简单，尺寸小巧，灵敏度高，可用于桥梁检测、汽车减震检测和生物医疗器械等方面。本发明的优点在于
1.本发明制备了微/纳米ZnO材料，长度为2-8mm，直径为0.5-5 μ m。此微/纳米线为单晶材料，结晶性好，晶体生长取向为
，具有优异的压电特性，可应用于压电微机 /纳机系统的研究。2.本发明采用柔性基底(PDMS、PI等)，并用PDMS封装器件。因此，克服了 ZnO纳米线的脆性，延长了器件的寿命；并且可在酸/碱等腐蚀性环境下使用，拓展了金属基传感器的应用范围；同时，柔性基底提高了器件对应变或震动的灵敏度。3.本发明构建的应变传感器可在宏观条件下借助普通光学显微镜组装完成，不需纳米操控平台等精密设备。
图1柔性应变器的结构示意图
图2为柔性应变传感器的扫描电镜照片。从中可看出ZnO微米线的形貌和ZnO与电极间的接触情况。图3为柔性应变传感器对外界频率的电流响应曲线。从中可看出ZnO对微小应变有良好的电流响应。
具体实施例方式现结合图示与实例进一步说明本发明的技术方案。以下实施例完全按照上述说明的操作步骤进行，为使行文简洁，下列的每个实施例仅罗列关键的技术参数。实施例1
首先，将硅基片用去离子水和酒精分别冲洗干净，40°C烘干。在硅片表面喷涂8nm厚的金薄膜。将S1粉(纯度>99. 9%)和C粉按原子比1:1混合，充分研磨均勻并将其置于瓷舟中，将硅基片倒扣于瓷舟上。把瓷舟放入管式炉中的石英管中部，调节流量计向管中通入氩气氧气=50:1。在此气氛下将管式炉升温至970°C并保温30分钟，完成ZnO微/纳米材料的制备。然后，将ZnO微/纳米材料分散在硅片上，采用接触印刷法将微/纳米线ZnO转移到PDMS基底上，用银胶将微/纳米线SiO的两端固定，并在120°C下干燥30min。最后， 将PDMS涂覆在电极和ZnO表面，室温真空条件下静置30min，70°C下保温2小时，完成对器件的封装。将两个银电极接入外部电路即可完成信号检测。
实施例2:
首先，将硅基片用去离子水和酒精分别冲洗干净，40°C烘干。在硅片表面喷涂8nm厚的金薄膜。将S1粉(纯度>99. 9%)和C粉按原子比混合，充分研磨均勻并将其置于瓷舟中，将硅基片倒扣于瓷舟上。把瓷舟放入管式炉中的石英管中部，调节流量计向管中通入氩气 氧气=50:1。在此气氛下将管式炉升温至970°C并保温30分钟，完成微/纳米材料SiO的制备。然后，将微/纳米材料ZnO分散在硅片上，采用接触印刷法将微/纳米线ZnO转移到 PI薄膜基底上，用银胶将微/纳米线SiO的两端固定，并在120°C下干燥30min。最后，将 PDMS涂覆在电极和ZnO表面，室温真空条件下静置30min，70°C下保温2小时，完成对器件的封装。将两个银电极接入外部电路即可完成信号检测。
权利要求
1.一种ZnO微/纳米材料柔性应变传感器的构建方法，其特征由以下三部分实现微/纳米ZnO材料的制备将硅(1 0 0)基片用去离子水和酒精分别冲洗干净，40 60°C烘干；然后在硅片表面喷涂5-20nm厚的金薄膜，作为沉积基片；将Si粉(纯度>99. 9%)和C粉按原子比0. 5:广1:2混合，充分研磨均勻并将其置于瓷舟中，将硅基片倒扣于瓷舟上；把瓷舟放入管式炉中的石英管中部，调节流量计向管中通入氩气氧气=50:广50:2， 在此气氛下将管式炉升温至970°C 1000°C并保温2(Γ30分钟，得到所需微/纳米线ZnO材料；柔性应变传感器的搭建采用酒精为溶剂，将微/纳米线ZnO超声分散，然后将分散的微/纳米线ZnO溶液滴在娃片上；采用接触印刷法将硅片上的微/纳米线ZnO转移到柔性基底上，其中柔性基底厚度 0. 5^4mm,以确保良好的柔韧性，此方法使微/纳米线ZnO与柔性基底形成紧密接触；用银胶将微/纳米线ZnO的两端固定，并在10(T12(TC下干燥30 50min，使银胶电极与SiO间良好的接触界面；柔性应变传感器的封装将聚二甲基硅氧烷涂覆在电极和微/纳米线ZnO表面，室温真空条件下静置30 60min,70 90°C下保温2 汕，完成对柔性应变传感器的封装和构建。
2.如权利要求1所述ZnO微/纳米材料柔性应变传感器的构建方法，其特征在于制备的微/纳米线ZnO为单晶，长度为2-8_，直径为0. 5-5 μ m。
3.如权利要求1所述ZnO微/纳米材料柔性应变传感器的构建方法，其特征在于所采用柔性基底为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种基于ZnO微/纳材料的柔性应变传感器的构建方法，涉及纳米技术和半导体器件制造技术领域。本发明提供的应变传感器包括ZnO单晶微/纳米材料、银电极、封装层聚二甲基硅氧(PDMS)和柔性衬底(PDMS、聚酰亚胺PI薄膜)。其中，长度为2-8mm、直径为0.5-5μm的ZnO单晶微/纳米材料由气相法制得，并采用接触印刷法转移至柔性基底上。封装后的器件可在酸/碱等腐蚀性环境下使用，并对不同粗糙度的工作表面有较高契合度，对小应变有很高的信号响应，可用于桥梁检测、汽车减震检测和生物医疗器械等方面。
文档编号B81C1/00GK102285634SQ20111020757
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月23日 优先权日2011年7月23日
发明者廖庆亮, 张跃, 张铮, 李萍, 马斯威 申请人:北京科技大学