基于PVDF的微针型压电微力传感器及其制备方法与流程

本发明涉及的是一种微力传感器，更具体的说，涉及一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器及其制备方法。

背景技术：

近年来，随着微电子技术、微机械加工技术的迅速发展，越来越多的应用领域需要高分辨率的微力传感器。传感器的主要形式有压阻式、电容式、光纤式、压电式等，这类传感器主要用来完成传感器与物体间的接触检测。目前，国内外已有很多研究学者通过结合纤毛的结构原理和成熟的MEMS制造技术设计制作出多种新颖精巧的微力传感器，并广泛应用于不同的领域。而这些纤毛式微力传感器多为压阻式，通过纤毛尖端与物体相作用，半导体材料受到应力作用，引起电阻发生变化。此类传感器制作工艺较为复杂，且不适用于测量大气环境或管内中微气流或微流体通过时对物体的作用力。目前对于这类微力一般采用基于压电材料的悬臂梁式以及薄膜式传感器进行测量，此类传感器虽然制作工艺简单，但是对于微力作用的测量具有较高的测量下限，且灵敏度较低。

对现有技术文献的检索发现，马超哲等人在《制造业自动化》撰文“基于PVDF的微力传感器设计”，该文设计了一种基于PVDF悬臂梁的微力传感器，传感器分辨率可以达到sub-μN范围内。

但是上述文献报道的是悬臂梁结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器及其制备方法，采用微针结构，能够测量微流体作用于玻璃微针侧面所引起的微作用力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器，包括：上电极层、下电极层、中心压电层、微针基底，所述中心压电层的压电模式为d₃₁模式；其中：

所述微针基底为玻璃微针尖端；

所述下电极层设置在微针基底上；

所述中心压电层为PVDF及其二元、多元聚合物任一种或多种的混合材料制成，中心压电层覆盖在下电极层上；

所述上电极层设置在中心压电层上；

当外力作用于微针型压电微力传感器的侧壁时，玻璃微针尖端连同中心压电层发生变形，由于压电效应，所述上电极层、下电极层上产生输出电流和电压，通过量测电流及电压大小，从而评估微力的大小。

优选地，所述上电极层、下电极层为导电非金属、金属或金属化合物。

更优选地，所述上电极层、下电极层为Au、Pt、Cu或石墨烯。所述上下电极为导电层，微针发生变形所引起压电效应，在中心压电层表面堆积电荷，上下电极能测量所引起的开路电压和短路电流，从而判断作用力大小。

优选地，所述玻璃微针尖端通过激光加热玻璃毛细管拉制形成。采用激光加热玻璃管拉制工艺，制备工艺简单，较易形成微米级尖端。

优选地，所述下电极层通过溅射、旋涂或蒸发工艺制作在微针基底上。

优选地，所述中心压电层采用刮涂、浸涂或静电纺丝工艺覆盖在下电极层上。

优选地，所述上电极层通过溅射、旋涂或蒸发工艺制作在中心压电层上。

本发明上述传感器通过利用PVDF(聚偏氟乙烯)材料的压电性能，当外力(如流体通过时对物体的作用力)作用于微针传感器的侧壁时，微针连同压电层发生变形，由于压电效应，电极上产生输出电流和电压，通过量测电流及电压大小，从而评估微力的大小；可以非常容易地制备阵列型结构，进一步提高传感器的灵敏度。

根据本发明第二方面，提供一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器制备方法，包括如下步骤：

步骤1、通过激光加热玻璃毛细管拉制形成玻璃微针尖端；

步骤2、在步骤1制得的玻璃微针尖端上，通过溅射、旋涂或蒸发工艺制作下电极层；

步骤3、在步骤2的覆有下电极层的玻璃微针尖端上，采用刮涂、旋涂或静电纺丝工艺，制备PVDF及其二元、多元聚合物材料薄膜；

步骤4、在步骤3的覆有PVDF薄膜的玻璃微针尖端上通过溅射、旋涂或蒸发工艺制作上电极层；

从而得到基于PVDF的微针型压电微力传感器。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明采用PVDF(聚偏氟乙烯)层为压电层，在外界的作用下，压电层内部产生应力和应变的变化，从而电极上产生输出电流和电压，通过量测电流及电压大小，从而评估微力的大小。本发明具有简单易加工的特点，易于批量生产和微型化，同时能制成阵列式结构，提高传感器的灵敏度。

本发明PVDF薄膜，其制备工艺简单，刮涂，浸涂以及静电纺丝工艺都能很好的将PVDF有效的涂覆于微针四周，形成薄膜。而其他压电材料，如压电陶瓷，将面临高温烧结、涂覆困难等问题，或压电薄膜，如ZnO，AlN等，薄膜制备工艺的参数调整稍显复杂，且不能一次性涂覆微针四周。

进一步，本发明可将压电陶瓷材料的粉末掺杂于PVDF中，提高压电材料的性能，进一步提高器件的灵敏度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的结构示意图；

图2是图1的局部图；

图中：1为玻璃微针尖端，2为下电极层，3为中心压电层，4为上电极层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1、图2所示，一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器，所述传感器包括：微针基底1、下电极层2、中心压电层3、上电极层4，所述电极模式为d₃₁模式。

所述玻璃微针尖端1通过激光加热玻璃毛细管拉制形成；所述下电极层2通过溅射、旋涂或蒸发工艺制作在玻璃微针尖端1上；所述中心压电层3为PVDF及其二元、多元聚合物，中心压电层3采用刮涂、旋涂或静电纺丝工艺覆盖在下电极层2上；所述上电极层4通过溅射、旋涂或蒸发工艺制作在中心压电层3上。

作为一优选的实施方式，所述上电极层4、下电极层2为导电非金属、金属或金属化合物。

实施例2

基于上述实施例1的传感器结构，一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1、通过激光加热玻璃毛细管拉制形成玻璃微针尖端1(微米级尖端)；

2、通过溅射在玻璃微针尖端上制作下电极层2；

3、采用刮涂在覆有下电极层2的玻璃微针尖端1上制备PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜，即中心压电层3；

4、通过溅射在覆有PVDF的中心压电层3的玻璃微针尖端1上制作上电极层4。

实施例3

基于上述实施例1的传感器结构，一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1、通过激光加热玻璃毛细管拉制形成玻璃微针尖端1；

2、通过旋涂在玻璃微针尖端上制作下电极层2；

3、采用浸涂在覆有下电极层2的玻璃微针尖端1上制备PVDF(聚偏氟乙烯)及其二元、多元聚合物材料薄膜，即中心压电层3；

4、通过溅射、旋涂或蒸发工艺在覆有PVDF的中心压电层3的玻璃微针尖端1上制作上电极层4。

实施例4

一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1、通过激光加热玻璃毛细管拉制形成玻璃微针尖端1；

2、通过旋涂在玻璃微针尖端上制作下电极层2；

3、采用浸涂在覆有下电极层2的玻璃微针尖端1上制备PVDF二元聚合物材料薄膜，即中心压电层3；

4、通过旋涂在覆有中心压电层3的玻璃微针尖端1上制作上电极层4。

实施例5

一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1、通过激光加热玻璃毛细管拉制形成玻璃微针尖端1；

2、通过蒸发工艺在玻璃微针尖端上制作下电极层2；

3、采用静电纺丝工艺在覆有下电极层2的玻璃微针尖端1上制备PVDF(聚偏氟乙烯)及其二元、多元聚合物材料薄膜，即中心压电层3；

4、通过蒸发工艺在覆有中心压电层3的玻璃微针尖端1上制作上电极层4。

实施例6

一种基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微针型压电微力传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1、通过激光加热玻璃毛细管拉制形成玻璃微针尖端1；

2、通过溅射在玻璃微针尖端上制作下电极层2；

3、将压电陶瓷材料的粉末掺杂于所述PVDF及其二元、多元聚合物中形成压电材料，采用静电纺丝工艺在覆有下电极层2的玻璃微针尖端1上制备压电材料薄膜，即中心压电层3；

4、通过溅射工艺在覆有PVDF的中心压电层3的玻璃微针尖端1上制作上电极层4。

从上述实施例可以看出，本发明传感器具有结构简单、加工工艺实现容易、体积小、灵敏度高等优点，特别适用于微气流以及微流体所引起的微力的检测。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。