CN107152967A - 二维电容式低频振动传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维电容式低频振动传感器及其制备方法，该传感器包括：第一电极板、第二电极板、第三电极板、第四电极板、基底和液滴，基底上设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，第一电极板和第二电极板组成第一组平行板电容器，第三电极板和第四电极板组成第二组平行板电容器，液滴的底部被镶嵌在基底上，且液滴位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间。其包括以下步骤：基底上光刻胶图形化；溅射ZnO层；水浴生长ZnO纳米结构；氟表面处理；残余光刻胶去除；传感器封装。本发明稳定性好，响应速度快，准确性高，使外界二维低频振动可以容易测量。
Description
技术领域
本发明涉及振动监测领域，特别是涉及一种二维电容式低频振动传感器及其制备方法。
背景技术
随着现代测试技术向数字化和信息化方向的迅猛发展，作为测试系统的最前端传感器，已被世界各国列为尖端技术。在振动测试领域中的占据重要地位的振动传感器也得到了日新月异的发展。
目前，在工程振动测试领域中，测试方法多种多样，按照测试方法与测量手段的物理性质来分，可以分为机械式测量、光学式测量和电学式测量三种方法。它们的物理性质不同，但是它们组成的测量系统基本相同，都有拾振环节、测量放大环节和显示记录环节三个部分组成。振动传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。振动传感器的机械接收原理分为相对式机械接收原理和惯性式机械接收原理。它们都是将要测的机械量作为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因此针对不同机电变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。
目前，工程上使用的振动传感器主要有相对式电动传感器、电涡流式传感器、电感式传感器、电容式传感器、惯性式电动传感器、压电式传感器、压电式力传感器、阻抗头、电阻式应变传感器和激光传感器等。但是，对于低频信号（如地震）的采集往往不是特别准确。市场上开发的低频振动传感器制造工艺比较繁琐，价格比较昂贵，可用性不好。而且常见的振动传感器也不能够监测多维的振动。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种二维电容式低频振动传感器及其制备方法，具有制造简单、成本低、响应快、精确度高和能够对二维的输入进行精确的测量的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种二维电容式低频振动传感器，包括：第一电极板、第二电极板、第三电极板、第四电极板、基底和液滴，基底上设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，第一电极板和第二电极板组成第一组平行板电容器，第三电极板和第四电极板组成第二组平行板电容器，液滴的底部被镶嵌在基底上，且液滴位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间。
在本发明一个较佳实施例中，所述的基底为硅片、石英玻璃或K9玻璃。
在本发明一个较佳实施例中，所述的基底上设置有亲水疏水相间隔的亲水疏水表面。
在本发明一个较佳实施例中，所述的液滴的底部镶嵌在基底的亲水部分。
在本发明一个较佳实施例中，所述的液滴为为亲水性物质。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种二维电容式低频振动传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）基底上光刻胶图形化：基底清洗干净后，采用匀胶、前烘、曝光、中烘、显影和后烘的光刻工艺在基底上制作出光刻胶图形化层；
（2）溅射ZnO层：利用溅射机，在光刻胶图形化层表面溅射ZnO种子层；
（3）水浴生长ZnO纳米结构：利用水浴加热的方法，在水浴加热炉中，生长ZnO纳米结构；
（4）氟表面处理：浸入表面处理溶液，高纯N2吹干后，置于真空加热炉中烘烤；
（5）残余光刻胶去除：将氟表面处理后的基底浸入有机溶剂中，溶解残余的光刻胶，从而得到亲水疏水相间隔的亲水疏水表面；
（6）传感器封装：在上述的亲水疏水表面上滴加液滴，在基底四周上设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，第一电极板和第二电极板组成第一组平行板电容器，第三电极板和第四电极板组成第二组平行板电容器，液滴的底部被镶嵌在基底上，且液滴位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中基底上光刻胶图形化的具体步骤为：基底清洗干净后，在基底上匀胶，厚度为1.5~3μm；85~95℃前烘55~65s；待其自然冷却后，在接触式紫外曝光光刻机下曝光7~8s；105~115℃中烘2~3min；待自然冷却后用质量百分比浓度为5‰NaOH显影30~40s；105~115℃后烘2~3min，自然冷却。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中ZnO种子层溅射厚度为50nm~80nm。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（3）水浴生长ZnO纳米结构的具体步骤为：利用水浴加热的方法，在水浴加热炉中，ZnO种子层的基底与水浴加热炉的底面成70°~80°角，加入浓度均为30mmol/L的六水合硝酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合液，两种溶液的体积比为1:1，在85~95℃恒温2.5~3.5h，生长ZnO纳米结构。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（4）中的表面处理溶液为氟硅烷溶液，浸入时间10~24h，真空加热炉中180~200℃烘烤3h~10h；步骤（5）中的有机溶剂为丙酮或酒精。
本发明的有益效果是：本发明具有制造简单、成本低、响应快、精确度高和能够对二维的输入进行精确的测量的特点；能够对二维的振动输入进行精确快速的检测，弥补了传统振动传感器不能对多维振动进行检测的不足，具有广大的工程应用价值和市场前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明二维电容式低频振动传感器一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明二维电容式低频振动传感器的原理静态示意图；
图3是本发明二维电容式低频振动传感器的原理动态示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图3，实施例1
一种二维电容式低频振动传感器，包括：第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1、第四电极板2-2、基底3和液滴4，基底3上设置有第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1和第四电极板2-2，第一电极板1-1和第二电极板1-2组成第一组平行板电容器，第三电极板2-1和第四电极板2-2组成第二组平行板电容器，液滴4的底部被镶嵌在基底3上，且液滴4位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间，所述的基底3为硅片，所述的基底3上设置有亲水疏水相间隔的亲水疏水表面，所述的液滴4的底部镶嵌在基底3的亲水部分，所述的液滴4为乙醇。
所述的二维电容式低频振动传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）基底3上光刻胶图形化：选择硅片作为基底3，基底3清洗干净后，在基底上匀胶，厚度为2.2μm；90℃前烘60s；待其自然冷却后，在接触式紫外曝光光刻机下曝光7s；110℃中烘2.5min；待自然冷却后用质量百分比浓度为5‰NaOH显影35s；110℃后烘2.5min，自然冷却，最后在基底上制作出光刻胶图形化层；
（2）溅射ZnO层：利用溅射机，在光刻胶图形化层表面溅射厚度为65nm ZnO种子层，射频功率为120W，Ar气压为20Sccm；
（3）水浴生长ZnO纳米结构：利用水浴加热的方法，在水浴加热炉中， ZnO种子层的基底与水浴加热炉的底面成75°角，加入浓度均为30mmol/L的六水合硝酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合液，两种溶液的体积比为1：1，在90℃恒温3h，生长ZnO纳米结构。
（4）氟表面处理：浸入氟硅烷表面处理溶液中16h，高纯N2吹干后，置于真空加热炉中195℃高温烘烤7h；
（5）残余光刻胶去除：将氟表面处理后的基底浸入丙酮或酒精有机溶剂中，溶解残余的光刻胶，从而得到亲水疏水相间隔的亲水疏水表面，亲水疏水表面液体会呈液滴状，体积为5μL；
（6）传感器封装：在上述的亲水疏水表面上滴加液滴4，在基底3四周上设置有第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1和第四电极板2-2，第一电极板1-1和第二电极板1-2组成第一组平行板电容器，第三电极板2-1和第四电极板2-2组成第二组平行板电容器，液滴4的底部被镶嵌在基底3上，且液滴4位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间，第一电极板1-1、第二电极板1-2电极板在封装时不能相互接触，第三电极板2-1和第四电极板2-2在封装时也不能相互接触。
当外界低频振动输入时，液滴4的底部由于温泽尔效应被镶嵌在基底3的亲水表面5，不能移动，其余部分在超疏水表面6振动方向做往复衰减振动；当液滴4在振动方向振动时，第一组平行板电容器和第二组平行板电容器的电荷密度会发生相应的改变，据此，可以计算出外界输入的振动方向和大小。
请参阅图1至图3，实施例2
一种二维电容式低频振动传感器，包括：第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1、第四电极板2-2、基底3和液滴4，基底3上设置有第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1和第四电极板2-2，第一电极板1-1和第二电极板1-2组成第一组平行板电容器，第三电极板2-1和第四电极板2-2组成第二组平行板电容器，液滴4的底部被镶嵌在基底3上，且液滴4位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间，所述的基底3为石英玻璃，所述的基底3上设置有亲水疏水相间隔的亲水疏水表面，所述的液滴4的底部镶嵌在基底3的亲水部分，所述的液滴4为乙醇。
所述的二维电容式低频振动传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）基底3上光刻胶图形化：选择石英玻璃作为基底3，基底3清洗干净后，在基底上匀胶，厚度为1.5μm；85℃前烘65s；待其自然冷却后，在接触式紫外曝光光刻机下曝光7s；105℃中烘3min；待自然冷却后用质量百分比浓度为5‰NaOH显影30s；105℃后烘3min，自然冷却，最后在基底上制作出光刻胶图形化层；
（2）溅射ZnO层：利用溅射机，在光刻胶图形化层表面溅射厚度为50nm ZnO种子层，射频功率为120W，Ar气压为20Sccm；
（3）水浴生长ZnO纳米结构：利用水浴加热的方法，在水浴加热炉中， ZnO种子层的基底与水浴加热炉的底面成70°角，加入浓度均为30mmol/L的六水合硝酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合液，两种溶液的体积比为1：1，在85℃恒温3.5h，生长ZnO纳米结构。
（4）氟表面处理：浸入氟硅烷表面处理溶液中10h，高纯N2吹干后，置于真空加热炉中180℃高温烘烤10h；
（5）残余光刻胶去除：将氟表面处理后的基底浸入丙酮或酒精有机溶剂中，溶解残余的光刻胶，从而得到亲水疏水相间隔的亲水疏水表面，亲水疏水表面液体会呈液滴状，体积为5μL；
（6）传感器封装：在上述的亲水疏水表面上滴加液滴4，在基底3四周上设置有第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1和第四电极板2-2，第一电极板1-1和第二电极板1-2组成第一组平行板电容器，第三电极板2-1和第四电极板2-2组成第二组平行板电容器，液滴4的底部被镶嵌在基底3上，且液滴4位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间，第一电极板1-1、第二电极板1-2电极板在封装时不能相互接触，第三电极板2-1和第四电极板2-2在封装时也不能相互接触。
当外界低频振动输入时，液滴4的底部由于温泽尔效应被镶嵌在基底3的亲水表面5，不能移动，其余部分在超疏水表面6振动方向做往复衰减振动；当液滴4在振动方向振动时，第一组平行板电容器和第二组平行板电容器上的电荷密度会发生相应的改变，据此，可以计算出外界输入的振动方向和大小。
请参阅图1至图3，实施例3
一种二维电容式低频振动传感器，包括：第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1、第四电极板2-2、基底3和液滴4，基底3上设置有第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1和第四电极板2-2，第一电极板1-1和第二电极板1-2组成第一组平行板电容器，第三电极板2-1和第四电极板2-2组成第二组平行板电容器，液滴4的底部被镶嵌在基底3上，且液滴4位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间，所述的基底3为K9玻璃，所述的基底3上设置有亲水疏水相间隔的亲水疏水表面，所述的液滴4的底部镶嵌在基底3的亲水部分，所述的液滴4为乙醇。
所述的二维电容式低频振动传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）基底3上光刻胶图形化：选择K9玻璃作为基底3，基底3清洗干净后，在基底上匀胶，厚度为3μm； 95℃前烘55s；待其自然冷却后，在接触式紫外曝光光刻机下曝光8s； 115℃中烘2min；待自然冷却后用质量百分比浓度为5‰NaOH显影40s； 115℃后烘2min，自然冷却，最后在基底上制作出光刻胶图形化层；
（2）溅射ZnO层：利用溅射机，在光刻胶图形化层表面溅射厚度为80nm ZnO种子层，射频功率为120W，Ar气压为20Sccm；
（3）水浴生长ZnO纳米结构：利用水浴加热的方法，在水浴加热炉中， ZnO种子层的基底与水浴加热炉的底面成80°角，加入浓度均为30mmol/L的六水合硝酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合液，两种溶液的体积比为1：1，在95℃恒温2.5h，生长ZnO纳米结构。
（4）氟表面处理：浸入氟硅烷表面处理溶液中24h，高纯N2吹干后，置于真空加热炉中200℃高温烘烤3h；
（5）残余光刻胶去除：将氟表面处理后的基底浸入丙酮或酒精有机溶剂中，溶解残余的光刻胶，从而得到亲水疏水相间隔的亲水疏水表面，亲水疏水表面液体会呈液滴状，体积为5μL；
（6）传感器封装：在上述的亲水疏水表面上滴加液滴4，在基底3四周上设置有第一电极板1-1、第二电极板1-2、第三电极板2-1和第四电极板2-2，第一电极板1-1和第二电极板1-2组成第一组平行板电容器，第三电极板2-1和第四电极板2-2组成第二组平行板电容器，液滴4的底部被镶嵌在基底3上，且液滴4位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间，第一电极板1-1、第二电极板1-2电极板在封装时不能相互接触，第三电极板2-1和第四电极板2-2在封装时也不能相互接触。
当外界低频振动输入时，液滴4的底部由于温泽尔效应被镶嵌在基底3的亲水表面5，不能移动，其余部分在超疏水表面6振动方向做往复衰减振动；当液滴4在振动方向振动时，第一组平行板电容器和第二组平行板电容器上的电荷密度会发生相应的改变，据此，可以计算出外界输入的振动方向和大小。
本发明二维电容式低频振动传感器及其制备方法的有益效果是：本发明具有制造简单、成本低、响应快、精确度高和能够对二维的输入进行精确的测量的特点；能够对二维的振动输入进行精确快速的检测，弥补了传统振动传感器不能对多维振动进行检测的不足，具有广大的工程应用价值和市场前景。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种二维电容式低频振动传感器，其特征在于，包括：第一电极板、第二电极板、第三电极板、第四电极板、基底和液滴，基底上设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，第一电极板和第二电极板组成第一组平行板电容器，第三电极板和第四电极板组成第二组平行板电容器，液滴的底部被镶嵌在基底上，且液滴位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间。
2.根据权利要求1所述的二维电容式低频振动传感器，其特征在于，所述的基底为硅片、石英玻璃或K9玻璃。
3.根据权利要求1所述的二维电容式低频振动传感器，其特征在于，所述的基底上设置有亲水疏水相间隔的亲水疏水表面。
4.根据权利要求3所述的二维电容式低频振动传感器，其特征在于，所述的液滴的底部镶嵌在基底的亲水部分。
5.根据权利要求1所述的二维电容式低频振动传感器，其特征在于，所述的液滴为亲水性物质。
6.根据权利要求1所述的二维电容式低频振动传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）基底上光刻胶图形化：基底清洗干净后，采用匀胶、前烘、曝光、中烘、显影和后烘的光刻工艺在基底上制作出光刻胶图形化层；
（2）溅射ZnO层：利用溅射机，在光刻胶图形化层表面溅射ZnO种子层；
（3）水浴生长ZnO纳米结构：利用水浴加热的方法，在水浴加热炉中，生长ZnO纳米结构；
（4）氟表面处理：浸入表面处理溶液，高纯N2吹干后，置于真空加热炉中烘烤；
（5）残余光刻胶去除：将氟表面处理后的基底浸入有机溶剂中，溶解残余的光刻胶，从而得到亲水疏水相间隔的亲水疏水表面；
（6）传感器封装：在上述的亲水疏水表面上滴加液滴，在基底四周上设置有第一电极板、第二电极板、第三电极板和第四电极板，第一电极板和第二电极板组成第一组平行板电容器，第三电极板和第四电极板组成第二组平行板电容器，液滴的底部被镶嵌在基底上，且液滴位于第一组平行板电容器和第二组平行板电容器之间。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中基底上光刻胶图形化的具体步骤为：基底清洗干净后，在基底上匀胶，厚度为1.5~3μm；85~95℃前烘55~65s；待其自然冷却后，在接触式紫外曝光光刻机下曝光7~8s；105~115℃中烘2~3min；待自然冷却后用质量百分比浓度为5‰NaOH显影30~40s；105~115℃后烘2~3min，自然冷却。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中ZnO种子层溅射厚度为50nm~80nm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）水浴生长ZnO纳米结构的具体步骤为：利用水浴加热的方法，在水浴加热炉中，ZnO种子层的基底与水浴加热炉的底面成70°~80°角，加入浓度均为30mmol/L的六水合硝酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合液，在85~95℃恒温2.5~3.5h，生长ZnO纳米结构。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中的表面处理溶液为氟硅烷溶液，浸入时间10~24h，真空加热炉中180~200℃烘烤3h~10h；步骤（5）中的有机溶剂为丙酮或酒精。
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