CN102393264B - 一种基于纳米压电纤维的压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于纳米压电纤维的压力传感器，涉及一种压力传感器。提供一种灵敏度较高的基于纳米压电纤维的压力传感器。设有硅基底、硼掺杂层、二氧化硅薄膜、金属电极和PVDF纳米压电纤维；所述硼掺杂层设于硅基底的上表面，硼掺杂层与硅基底连为一体，硅基底内设有空腔，二氧化硅薄膜生长在硅基底无空腔的一侧，2个金属电极固定在二氧化硅薄膜上，PVDF纳米压电纤维直接写在2个金属电极之间，PVDF纳米压电纤维与金属电极之间形成欧姆接触。

Description

一种基于纳米压电纤维的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种基于直写电纺纳米压电纤维的压力传感器。

背景技术

压电式传感器是一种自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固，可靠性、稳定性高。

基于以上优点，压电式传感器得到了人们大量的关注。如应用于电脑的硬盘抗摔保护、自动调节相机的聚焦、汽车安全气囊、防抱死***及牵引控制***等安全性能方面的压电式加速度传感器；近年来在动压测量方面得到了非常广泛应用的压电式压力传感器具有良好的动态响应(高频可达400kHz)，还有机械强度高、耐疲劳、耐振动，耐高温，体积小及寿命长等优点；压电免疫传感器、压电DNA传感器被应用于生物医学测量中，以达到对免疫分析、DNA识别的目的。

目前，压电传感器使用最多的材料是压电晶体和压电陶瓷，其中，压电晶体主要是石英晶体、水溶性压电晶体和铌酸锂晶体，石英晶体的灵敏度低，且没有热释电效应(由于温度变化导致电荷释放的效应)，主要用来测量大量值的力或用于准确度、稳定性要求高的场合和用来制作标准传感器；水溶性压电晶体易于受潮、机械强度低、电阻率也低，因此只限于在室温和湿度低的环境下使用；铌酸锂具有明显的各向异性力学性能，与石英晶体相比它很脆弱，而且热冲击性很差，所以在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛、急冷和急热。采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但温度稳定性和机械强度都不如石英，同时需要较高的工作温度。

压电高聚物的发展已经有三四十年的历史，Peterlin等在1967年观察了滚延聚偏氟乙烯(PVDF)的ε值，也确认了它的压电性。PVDF压电薄膜具有很强的压电性能，其电荷压电常数d比石英高10多倍，电压压电常数g的值比PZT(压电陶瓷)高约20倍，PVDF由于其良好的压电性能、灵活性、化学稳定性、生物相容性、低的声阻抗、高的带宽、加工容易、轻的质量和低成本等特点，被应用于声纳、生物医学、声学、气动和液压***、MEMS和以MEMS为基础的领域.。

一些学者以PVDF为基础制造了不同应用的传感器。Shrinov等通过将PVDF薄膜封装在PVDF材料上制造了压力传感器，Gonzalez等制造的PVDF压力传感器应用在生物医学方面，Jingang等模拟并成功地试验了以PVDF为基础的形变和运动传感器。

PVDF的压电性能主要决定于β相PVDF的含量，目前，制备β相PVDF的方法主要有高压结晶法、电场极化法和单轴热拉伸法。前两种方法对实验条件和设备的要求比较苛刻，而用后一种方法容易产生缺陷。Bhoopesh P.Mahale等人采用旋转涂布的方法制备β相PVDF，要对旋转速度和时间进行最优控制以获得理想厚度和β相的PVDF薄膜。

以上PVDF薄膜制造工艺过程复杂，温度、极化电压等条件都需要严格的控制。

中国专利CN1250158公开一种压电式压力传感器，两种压力传感器。均使用由非晶体氯化聚乙烯、晶体氯化聚乙烯和压电陶瓷粉末组成的压电复合材料。第一种是压电电缆，包括由金属螺旋丝及填充其间的绝缘微细聚合物纤维组成的内导电体、环包内导电体的压电复合物层、由附在聚合物薄膜上的金属薄膜构成的外导电体。金属薄膜与压电复合物层相触接但与内导电体相分离，和防护套。第二种是平面式压力传感器。包括平面形压电复合物层，夹在两聚合物薄膜上的两金属薄膜导电体之间。金属薄膜与复合物层触接，但相互分离。

中国专利CN101573600公开一种压力传感器，所述压力传感器包括设置在光纤内的光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器、光纤应变传感器承载杆和压力增强套管。承载杆由第一玻璃纤维环氧树脂复合材料形成，所述第一玻璃纤维环氧树脂复合材料具有在应变感测方向上的第一刚度/弹性模量。套管由第二复合材料形成，所述第二复合材料与承载杆的在应变感测方向上的轴向刚度相比具有更低的在应变感测方向上的轴向刚度。在所施加的静液压载荷下，套管将轴向压缩载荷施加到杆在套管的部分上。杆受到的轴向压缩应变与如果不存在套管时产生在杆内的轴向压缩应变相比因此在套管内的区域内增加。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术中存在的PVDF压电薄膜工艺过程复杂、制造条件严格的问题，提供一种灵敏度较高的基于纳米压电纤维的压力传感器。

本发明设有硅基底、硼掺杂层、二氧化硅薄膜、金属电极和PVDF纳米压电纤维；所述硼掺杂层设于硅基底的上表面，硼掺杂层与硅基底连为一体，硅基底内设有空腔，二氧化硅薄膜生长在硅基底无空腔的一侧，2个金属电极固定在二氧化硅薄膜上，PVDF纳米压电纤维直接写在2个金属电极之间，PVDF纳米压电纤维与金属电极之间形成欧姆接触。

所述硅基底的上表面可为正方形结构。

所述空腔可为梯台形空腔。

所述二氧化硅薄膜的厚度可为0.5～1.5μm。

所述金属电极固定在二氧化硅薄膜上，可采用溅射的方法将金属电极固定在二氧化硅薄膜上；所述金属电极的厚度可为0.3～0.6μm。

所述PVDF纳米压电纤维直接写在2个金属电极之间，可通过静电纺丝装置以直写的方式将PVDF纳米压电纤维直接写在2个金属电极之间；所述纳米压电纤维的直径可为60～800nm。

所述二氧化硅薄膜作为绝缘层。硼掺杂层的作用主要是在自停止腐蚀过程中得到理想厚度的压力敏感膜。在二氧化硅薄膜上布置两个金属电极，将金属电极固定在二氧化硅薄膜上，PVDF纳米压电纤维是通过静电纺丝装置以直写的方式直接写在两个金属电极之间的。当外界有压力施加到传感器的压力敏感膜上时，PVDF纳米压电纤维受力发生变形，由于压电效应，其内部产生极化现象，同时在纳米压电纤维的两端面上出现正负相反的电荷。通过电荷放大器和测量电路先后对两个金属电极间的电荷进行放大和测量，进而计算出压力的大小。

本发明的敏感元件为PVDF纳米压电纤维，与传统的PVDF薄膜制造工艺相比，本发明的优势在于：过程简单，成本较低；材料的制备对实验条件没有严格的要求，可以在室温下进行。且其形态为纤维，比表面积比一般的PVDF薄膜大得多，可有效提高传感器的灵敏度。

本发明采用的压电材料也是PVDF，但是其形态是直径为纳米级的纤维。传感器中灵敏度是一个重要的指标，而传感膜的灵敏度与每单位质量膜的表面积成正比。由于电纺纳米压电纤维比通用膜的比表面积大得多，因此可提高传感器的灵敏度。通过静电纺丝装置可以直接将PVDF纳米压电纤维写在电极之间，静电纺丝装置主要由毛细管喷头、纤维收集板(器)、聚合物流体供给***和高压发生装置四部分组成，设备简单；对实验条件没有严格的要求，可以在室温下进行。

附图说明

图1是本发明的基于纳米压电纤维的压力传感器的结构示意图。

图2是本发明的基于纳米压电纤维的压力传感器的二氧化硅薄膜、金属电极和PVDF纳米压电纤维的结构示意图。

图3为图2的A-A剖面图。

在图1～3中，各标记为：1、硅基底  2、硼掺杂层  3、二氧化硅薄膜  4、金属电极  5、PVDF纳米压电纤维。

具体实施方式

参见图1～3，本发明实施例设有硅基底1、硼掺杂层2、二氧化硅薄膜3、金属电极4和PVDF纳米压电纤维5；所述硼掺杂层2设于硅基底1的上表面，硼掺杂层2与硅基底1连为一体，硅基底1内设有空腔，二氧化硅薄膜3生长在硅基底1无空腔的一侧，2个金属电极4固定在二氧化硅薄膜3上，PVDF纳米压电纤维5直接写在2个金属电极4之间，PVDF纳米压电纤维5与金属电极4之间形成欧姆接触。

所述硅基底1的上表面为正方形结构。所述空腔为梯台形空腔。

所述二氧化硅薄膜3的厚度为0.5～1.5μm。

所述金属电极4固定在二氧化硅薄膜3上，采用溅射的方法将金属电极4固定在二氧化硅薄膜3上；所述金属电极4的厚度可为0.3～0.6μm。

所述PVDF纳米压电纤维5直接写在2个金属电极4之间，通过静电纺丝装置以直写的方式将PVDF纳米压电纤维5直接写在2个金属电极4之间；所述纳米压电纤维的直径为60～800nm。

工艺过程中，首先对硅基底1进行双面氧化、光刻等步骤，得到二氧化硅薄膜，作为对硼扩散起阻挡作用的掩膜层。其次对二氧化硅薄膜进行窗口化、对硅基底1进行硼掺杂，得到硼掺杂层2，厚度为6μm～30μm，硼掺杂层2的作用主要是在自停止腐蚀过程中得到理想厚度的压力敏感膜。硅基底1和硼掺杂层2连为一体，硅基底1内部使用自停止腐蚀技术腐蚀为梯台型的空腔。然后在无空腔一侧生长一层二氧化硅薄膜，膜厚为0.5～1.5μm，最后通过溅射的方法，将金属电极4固定在二氧化硅薄膜3上，金属电极厚度为0.3～0.6μm。通过对两个金属电极4间的电荷进行放大并测量，计算出压力的大小。PVDF纳米压电纤维5是通过静电纺丝装置以直写的方式直接写在两个金属电极4之间，纤维直径为60～800nm纳米压电纤维与金属电极之间形成良好的欧姆接触。

本发明的工作过程为：当外界有压力施加到压力传感器的压力敏感膜上时，引起PVDF纳米压电纤维变形，由于这种材料的压电效应，其内部发生极化现象，同时，在纤维的两个端面上出现正负相反的电荷。通过电荷放大器和测量电路对两个金属电极4间的电荷分别进行放大和测量，测量结果的变化间接反映外界压力的变化，进而计算出压力的大小。

Claims (8)

1.一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于设有硅基底、硼掺杂层、二氧化硅薄膜、金属电极和PVDF纳米压电纤维；所述硼掺杂层设于硅基底的上表面，硼掺杂层与硅基底连为一体，硅基底内设有空腔，二氧化硅薄膜生长在硅基底无空腔的一侧，2个金属电极固定在二氧化硅薄膜上，PVDF纳米压电纤维直接写在2个金属电极之间，PVDF纳米压电纤维与金属电极之间形成欧姆接触。

2.如权利要求1所述的一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于所述硅基底的上表面为正方形结构。

3.如权利要求1所述的一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于所述空腔为梯台形空腔。

4.如权利要求1所述的一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于所述二氧化硅薄膜的厚度为0.5～1.5μm。

5.如权利要求1所述的一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于所述金属电极固定在二氧化硅薄膜上，是采用溅射的方法将金属电极固定在二氧化硅薄膜上。

6.如权利要求1所述的一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于所述金属电极的厚度为0.3～0.6μm。

7.如权利要求1所述的一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于所述PVDF纳米压电纤维直接写在2个金属电极之间，是通过静电纺丝装置以直写的方式将PVDF纳米压电纤维直接写在2个金属电极之间。

8.如权利要求1所述的一种基于纳米压电纤维的压力传感器，其特征在于所述纳米压电纤维的直径为60～800nm。

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