CN110589754B - 一种柔性水下压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压力测量技术领域，具体为一种柔性水下压力传感器及其制备方法。本发明的压力传感器包括从下而上紧密贴合的下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，其下表面设有圆柱状空腔，空腔的腔壁上设置用以与外部水环境连通的微流道；力敏结构层从下至上包括下部电极层、柔性压电材料层和上部电极层，柔性压电材料层是具有压电特性的聚偏氟乙烯材料；上层柔性封装层是具有防水性的聚对二甲苯材料。本发明工艺简单、易于阵列化制造；制得的传感器具有柔性好、超薄超轻、可测量水下动态压力信号等优点。
Description
技术领域
本发明属于压力测量技术领域，具体涉及一种柔性水下压力传感器及其制备方法。
背景技术
在水下探测活动中，水声技术是对水下目标进行探测、定位、跟踪、识别的主要手段，是水下活动的眼睛与耳朵，应用较为广泛。水声传感器能拾取详细的流场与声场信息进行处理分析并做出判断，确定目标的存在、状态和参数等。高性能的柔性压力传感器对水下航行器具有重要意义，能协助其实现高隐蔽，低噪音的环境探测，自动巡航和自主避障活动，在军事与民用上都具有重要的应用前景。
压电式水下压力传感器具有能耗低、检测频率范围大和压力灵敏度高等优点。近年来，国内外多家研究机构制备以锆钛酸铅（PZT）为传感材料的压电式水下压力传感器，成功地检测到水下动压与流速信号，阵列化后可实现振动源位置的探测。然而，基于PZT的压电传感器其柔性较差，制作工艺复杂，阵列化装配与封装工艺复杂。因此，一种更加经济实用的方法是压力传感器的基底、传感层和封装层均使用柔性材料。
发明内容
本发明旨在提供一种柔性水下压力传感器及其制备方法；本发明通过采用自下而上的微纳制造技术制备可测量水下动态压力信号的柔性压力传感器，工艺简单、易于阵列化制造；制得的传感器具有柔性好、超薄超轻等优点。
本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种柔性水下压力传感器，其包括从下至上紧密贴合的下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；所述的下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，其下表面设有圆柱状空腔，空腔的腔壁上设置用以与外部水环境连通的微流道；所述的力敏结构层从下至上包括下部电极层、柔性压电材料层和上部电极层，下部电极层为圆形，其直径与圆柱状空腔直径相同；上部电极层为外圆直径与圆柱状空腔直径相同、内圆直径为外圆直径 0.5~0.9倍的圆环形或者直径为圆柱状空腔直径 0.5~0.9倍的圆形。
本发明中，聚酰亚胺薄膜下表面上的圆柱状空腔和微流道通过等离子体刻蚀工艺制备，空腔深度为10~30 μm。
本发明中，下部电极层的厚度为100 ~1000 nm，其材料为导电金属，其通过溅射或蒸镀技术图案化制造于下层柔性基底的上表面上。
本发明中，柔性压电材料层为聚偏氟乙烯PVDF、PVDF的共聚物P(VDF-TrFE)或石墨烯掺杂PVDF的复合材料；其通过将预先配制好的PVDF溶液、P(VDF-TrFE)溶液或石墨烯/PVDF混合溶液，旋涂于下层柔性基底的上表面，加热固化成膜后进一步进行热处理与极化处理形成。
本发明中，上部电极层的材料为导电金属，通过溅射或蒸镀技术图案化制造于柔性压电材料层的上表面上。
本发明中，上层柔性封装层的厚度为1~20 μm，其采用具有防水性的聚对二甲苯parylene材料，由聚对二甲苯parylene经过蒸镀工艺制备在力敏结构层上。
本发明还提供一种上述的柔性水下压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
（1）旋涂聚酰亚胺溶液于硅晶圆上后，固化冷却制备成聚酰亚胺薄膜，作为下层柔性基底；
（2）通过溅射或蒸镀技术制造圆形金属电极于下层柔性基底的上表面上，与下层柔性基底紧密贴合，形成压力传感器的下部电极层；
（3）将聚偏氟乙烯PVDF、PVDF的共聚物P(VDF-TrFE)或石墨烯掺杂PVDF的复合材料在二甲基甲酰胺DMF中混合均匀，旋涂混合溶液于下层柔性基底上，加热固化成膜，再加热至130~140℃进行热处理；
（4）通过溅射或蒸镀技术制造与下部电极层同心的圆环形金属电极或圆形金属电极于柔性压电材料层的上表面上，形成压力传感器的上部电极层，圆环形金属电极的外圆直径与圆柱状空腔直径相同、内圆直径为外圆直径 0.5~0.9倍，圆形金属电极的直径为圆柱状空腔直径 0.5~0.9倍，再在上部电极层和下部电极层之间加一直流电压进行极化处理；
（5）由柔性聚合物聚对二甲苯parylene经过蒸镀工艺将上层柔性封装层制备在力敏结构层上；
（6）将所得到的柔性薄膜从硅晶圆上剥离，使用图案化的铬板作为掩膜，对下层柔性基底的下表面进行等离子体刻蚀加工，刻蚀气体使用O2和SF6，在下表面上刻蚀出圆柱状空腔和用以与外部水环境接触的微流道。
本发明中，上部电极层与对应的下部电极层用于测量柔性压电材料层的电压及其变化，根据电压值及其变化可以检测动态压力的大小和频率。柔性水下压力传感器受到动态压力作用时，由于柔性基底底面空腔结构的存在，空腔结构处的柔性基底会发生弯曲变形，并且弯曲幅度会随着外界压力的增加而增大。当空腔结构处的柔性基底会发生弯曲变形，柔性压电材料层沿直径方向被拉伸或压缩，表现为上部电极层和下部电极层之间输出电压，从而反映动态压力的大小与频率。
本发明还提供一种上述的柔性水下压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
（1）旋涂聚酰亚胺溶液于硅晶圆上后，固化冷却制备成聚酰亚胺薄膜，作为下层柔性基底；
（2）通过溅射或蒸镀技术制造圆形金属电极于下层柔性基底的上表面上，与下层柔性基底紧密贴合，形成压力传感器的下部电极层；
（3）将聚偏氟乙烯PVDF、PVDF的共聚物P(VDF-TrFE)或石墨烯掺杂PVDF的复合材料在二甲基甲酰胺DMF中混合均匀，旋涂混合溶液于下层柔性基底上，加热固化成膜，再加热至130~140℃进行热处理；
（4）通过溅射或蒸镀技术制造与下部电极层同心的圆环形金属电极于柔性压电材料层的上表面上，形成压力传感器的上部电极层，圆环的外圆直径与下部电极层直径相同，在上部电极层和下部电极层之间加一直流电压进行极化处理；
（5）由柔性聚合物聚对二甲苯parylene经过蒸镀工艺将上层柔性封装层制备在力敏结构层上；
（6）将所得到的柔性薄膜从硅晶圆上剥离，使用图案化的铬板作为掩膜，对下层柔性基底的下表面进行等离子体刻蚀加工，刻蚀气体使用O2和SF6，在下表面上刻蚀出圆柱状空腔和用以与外部水环境接触的微流道。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明柔性水下压力传感器可对水下动态压力信号进行测量；
（2）传感器各部分均使用柔性材料，更便于布置于水下航行器曲面表面；
（3）传感材料采用PVDF压电材料，具有灵敏度高、频率响应范围大和稳定性好的优点；
（4）传感器采用微纳制造技术制备而成，具有工艺简单、超薄超轻、应用性强和易于实现阵列化制造的优点。
附图说明
图1为本发明的柔性水下压力传感器结构示意图。
图2为本发明的压力传感器截面图。
图3为本发明的力敏结构层受力变形示意图。
图4为压力传感器的共振频率与空腔结构处的柔性基底厚度之间的关系。
图5为压力传感器的电压输出与动态压力之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种柔性水下压力传感器，压力传感器整体为薄膜结构，通体采用柔性材料制成。如图1所示，压力传感器包括下层柔性基底1、力敏结构层2和上层柔性封装层3。力敏结构层2包括下部电极层201、柔性压电材料层202和上部电极层203。传感器具有结构简单，易于阵列化制造的优点。本发明传感器的制备工艺具体如下：
（1） 旋涂聚酰亚胺溶液于硅晶圆上，固化温度和时间分别为120℃ 30 min、180℃30 min和250℃ 30 min。固化后聚酰亚胺薄膜的厚度可根据聚酰亚胺溶液的浓度与旋涂转速调整，也可通过旋涂固化多层聚酰亚胺溶液以增大聚酰亚胺薄膜的厚度。冷却后制备成压力传感器下层柔性基底1。
（2）通过溅射或蒸镀技术制造圆形金属电极于下层柔性基底1的上表面上，与下层柔性基底1紧密贴合，形成压力传感器的下部电极层201，电极的厚度为100 nm~1000 nm。
（3）将聚偏氟乙烯（PVDF）、PVDF的共聚物P(VDF-TrFE)或石墨烯掺杂PVDF的复合材料在二甲基甲酰胺(DMF)中混合均匀，旋涂混合溶液于下层柔性基底1上，加热固化后形成柔性压电材料层202，柔性压电材料层202的厚度可根据混合溶液浓度和旋涂转速调整。压电材料成膜后加热至135 ℃保持2 h，以增强其压电特性。
（4）通过溅射或蒸镀技术制造与下部电极层201同心的圆环形或圆形金属电极于柔性压电材料层202的上表面上，形成压力传感器的上部电极层203。圆环形电极的外圆直径与下部电极层201直径相同，内圆直径为外圆直径的0.71倍，圆形电极的直径为下部电极层直径的0.71倍，电极厚度为100 nm~1000 nm。在上部电极层203和下部电极层201之间加一直流电压，使得竖直向下通过柔性压电材料层202的电场强度为50 MV/m，保持1h，以增强其压电特性。
（5）上层柔性封装层3由柔性聚合物聚对二甲苯（parylene）经过蒸镀工艺制备在力敏结构层2上，用以防水处理。考虑其实用性，上层柔性封装层3厚度为1~20 μm。
（6）将所得到的柔性薄膜从硅晶圆上剥离，使用图案化的铬板作为掩膜，对下层柔性基底1的下表面进行等离子体刻蚀加工，刻蚀气体使用O2和SF6。在下表面上刻蚀出圆柱状空腔和用以与外部水环境接触的微流道，微流道和空腔的刻蚀深度相同。下层柔性基底1、力敏结构层2和上层柔性封装层3三者紧密贴合，如图2所示。
实施例中，采用Comsol仿真软件对压电传感器进行了仿真测试，具体如下：
在上层柔性封装层3厚度为2μm，柔性压电材料层202厚度为20 μm时，压力传感器的共振频率与空腔结构处的柔性基底厚度之间的关系如图4所示，结果表明，一阶共振频率的最小值为13179 Hz， 远超过水下常用的动压感知信号的频率范围0.1-100 Hz。说明在实际的动压信号测量中，动压传感器不会出现共振现象。
在上层柔性封装层3厚度为2 μm、柔性压电材料层202厚度为20 μm、空腔结构处的柔性基底厚度为21 μm、下部电极层201直径为2 mm、上部电极层203外直径为2 mm、内直径为1.414 mm时，压力传感器的电压输出与动态压力之间的关系如图5所示，结果表明，传感器的输出电压随压力的增大而线性增大。
本发明的工作原理：
如图3所示，柔性压电材料层为具有压电特性的PVDF、P(VDF-TrFE)或石墨烯掺杂PVDF的复合材料，下部电极层201和上部电极层203之间的电势差，即为柔性压电材料层202的输出电压。在外界压力为零或保持不变时，柔性压电材料层202不产生。当外界压力增大了P时，由于下层柔性基底1底部存在空腔，柔性压电材料层202在压力作用下，会向下发生弯曲，柔性压电材料层202的上部电极层203覆盖区域沿半径方向被拉伸。由于压电薄膜材料在水平方向上被拉伸时，其竖直方向上的上下电极间存在压电输出。最终柔性压电材料层201的下部电极层201接地，上部电极层203会产生正电势，输出电压和动态压力P呈正相关。进一步的，根据输出电压的变化，可以反应外界水环境动态压力的大小和频率。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种柔性水下压力传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性水下压力传感器包括从下至上紧密贴合的下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；所述的下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，其下表面设有圆柱状空腔，空腔的腔壁上设置用以与外部水环境连通的微流道；所述的力敏结构层从下至上包括下部电极层、柔性压电材料层和上部电极层，下部电极层为圆形，其直径与圆柱状空腔直径相同；上部电极层为外圆直径与圆柱状空腔直径相同、内圆直径为外圆直径 0.5~0.9倍的圆环形或者直径为圆柱状空腔直径 0.5~0.9倍的圆形；聚酰亚胺薄膜下表面上的圆柱状空腔深度为10~30 μm；上层柔性封装层的厚度为1~20 μm；
所述柔性水下压力传感器通过下述方法制得：
（1）旋涂聚酰亚胺溶液于硅晶圆上后，固化冷却制备成聚酰亚胺薄膜，作为下层柔性基底；
（2）通过溅射或蒸镀技术制造圆形金属电极于下层柔性基底的上表面上，与下层柔性基底紧密贴合，形成压力传感器的下部电极层；
（3）将聚偏氟乙烯PVDF、PVDF的共聚物P(VDF-TrFE)或石墨烯掺杂PVDF的复合材料在二甲基甲酰胺DMF中混合均匀，旋涂混合溶液于下层柔性基底上，加热固化成膜，再加热至130~140℃进行热处理；
（4）通过溅射或蒸镀技术制造与下部电极层同心的圆环形金属电极或圆形金属电极于柔性压电材料层的上表面上，形成压力传感器的上部电极层，圆环形金属电极的外圆直径与圆柱状空腔直径相同、内圆直径为外圆直径 0.5~0.9倍，圆形金属电极的直径为圆柱状空腔直径 0.5~0.9倍，再在上部电极层和下部电极层之间加一直流电压进行极化处理；
（5）由柔性聚合物聚对二甲苯parylene经过蒸镀工艺将上层柔性封装层制备在力敏结构层上；
（6）将所得到的柔性薄膜从硅晶圆上剥离，使用图案化的铬板作为掩膜，对下层柔性基底的下表面进行等离子体刻蚀加工，刻蚀气体使用O2和SF6，在下表面上刻蚀出圆柱状空腔和用以与外部水环境接触的微流道。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：下部电极层的厚度为100 ~1000 nm，其材料为导电金属。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上部电极层的材料为导电金属。
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