本發(fā)明涉及的是一種微力傳感器，更具體的說，涉及一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著微電子技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域需要高分辨率的微力傳感器。傳感器的主要形式有壓阻式、電容式、光纖式、壓電式等，這類傳感器主要用來完成傳感器與物體間的接觸檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外已有很多研究學(xué)者通過結(jié)合纖毛的結(jié)構(gòu)原理和成熟的MEMS制造技術(shù)設(shè)計(jì)制作出多種新穎精巧的微力傳感器，并廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。而這些纖毛式微力傳感器多為壓阻式，通過纖毛尖端與物體相作用，半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用，引起電阻發(fā)生變化。此類傳感器制作工藝較為復(fù)雜，且不適用于測(cè)量大氣環(huán)境或管內(nèi)中微氣流或微流體通過時(shí)對(duì)物體的作用力。目前對(duì)于這類微力一般采用基于壓電材料的懸臂梁式以及薄膜式傳感器進(jìn)行測(cè)量，此類傳感器雖然制作工藝簡(jiǎn)單，但是對(duì)于微力作用的測(cè)量具有較高的測(cè)量下限，且靈敏度較低。

對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，馬超哲等人在《制造業(yè)自動(dòng)化》撰文“基于PVDF的微力傳感器設(shè)計(jì)”，該文設(shè)計(jì)了一種基于PVDF懸臂梁的微力傳感器，傳感器分辨率可以達(dá)到sub-μN(yùn)范圍內(nèi)。

但是上述文獻(xiàn)報(bào)道的是懸臂梁結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器及其制備方法，采用微針結(jié)構(gòu)，能夠測(cè)量微流體作用于玻璃微針側(cè)面所引起的微作用力。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器，包括：上電極層、下電極層、中心壓電層、微針基底，所述中心壓電層的壓電模式為d₃₁模式；其中：

所述微針基底為玻璃微針尖端；

所述下電極層設(shè)置在微針基底上；

所述中心壓電層為PVDF及其二元、多元聚合物任一種或多種的混合材料制成，中心壓電層覆蓋在下電極層上；

所述上電極層設(shè)置在中心壓電層上；

當(dāng)外力作用于微針型壓電微力傳感器的側(cè)壁時(shí)，玻璃微針尖端連同中心壓電層發(fā)生變形，由于壓電效應(yīng)，所述上電極層、下電極層上產(chǎn)生輸出電流和電壓，通過量測(cè)電流及電壓大小，從而評(píng)估微力的大小。

優(yōu)選地，所述上電極層、下電極層為導(dǎo)電非金屬、金屬或金屬化合物。

更優(yōu)選地，所述上電極層、下電極層為Au、Pt、Cu或石墨烯。所述上下電極為導(dǎo)電層，微針發(fā)生變形所引起壓電效應(yīng)，在中心壓電層表面堆積電荷，上下電極能測(cè)量所引起的開路電壓和短路電流，從而判斷作用力大小。

優(yōu)選地，所述玻璃微針尖端通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成。采用激光加熱玻璃管拉制工藝，制備工藝簡(jiǎn)單，較易形成微米級(jí)尖端。

優(yōu)選地，所述下電極層通過濺射、旋涂或蒸發(fā)工藝制作在微針基底上。

優(yōu)選地，所述中心壓電層采用刮涂、浸涂或靜電紡絲工藝覆蓋在下電極層上。

優(yōu)選地，所述上電極層通過濺射、旋涂或蒸發(fā)工藝制作在中心壓電層上。

本發(fā)明上述傳感器通過利用PVDF(聚偏氟乙烯)材料的壓電性能，當(dāng)外力(如流體通過時(shí)對(duì)物體的作用力)作用于微針傳感器的側(cè)壁時(shí)，微針連同壓電層發(fā)生變形，由于壓電效應(yīng)，電極上產(chǎn)生輸出電流和電壓，通過量測(cè)電流及電壓大小，從而評(píng)估微力的大??；可以非常容易地制備陣列型結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。

根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器制備方法，包括如下步驟：

步驟1、通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成玻璃微針尖端；

步驟2、在步驟1制得的玻璃微針尖端上，通過濺射、旋涂或蒸發(fā)工藝制作下電極層；

步驟3、在步驟2的覆有下電極層的玻璃微針尖端上，采用刮涂、旋涂或靜電紡絲工藝，制備PVDF及其二元、多元聚合物材料薄膜；

步驟4、在步驟3的覆有PVDF薄膜的玻璃微針尖端上通過濺射、旋涂或蒸發(fā)工藝制作上電極層；

從而得到基于PVDF的微針型壓電微力傳感器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為：

本發(fā)明采用PVDF(聚偏氟乙烯)層為壓電層，在外界的作用下，壓電層內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的變化，從而電極上產(chǎn)生輸出電流和電壓，通過量測(cè)電流及電壓大小，從而評(píng)估微力的大小。本發(fā)明具有簡(jiǎn)單易加工的特點(diǎn)，易于批量生產(chǎn)和微型化，同時(shí)能制成陣列式結(jié)構(gòu)，提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明PVDF薄膜，其制備工藝簡(jiǎn)單，刮涂，浸涂以及靜電紡絲工藝都能很好的將PVDF有效的涂覆于微針?biāo)闹?，形成薄膜。而其他壓電材料，如壓電陶瓷，將面臨高溫?zé)Y(jié)、涂覆困難等問題，或壓電薄膜，如ZnO，AlN等，薄膜制備工藝的參數(shù)調(diào)整稍顯復(fù)雜，且不能一次性涂覆微針?biāo)闹堋?/p>

進(jìn)一步，本發(fā)明可將壓電陶瓷材料的粉末摻雜于PVDF中，提高壓電材料的性能，進(jìn)一步提高器件的靈敏度。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的局部圖；

圖中：1為玻璃微針尖端，2為下電極層，3為中心壓電層，4為上電極層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干調(diào)整和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

如圖1、圖2所示，一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器，所述傳感器包括：微針基底1、下電極層2、中心壓電層3、上電極層4，所述電極模式為d₃₁模式。

所述玻璃微針尖端1通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成；所述下電極層2通過濺射、旋涂或蒸發(fā)工藝制作在玻璃微針尖端1上；所述中心壓電層3為PVDF及其二元、多元聚合物，中心壓電層3采用刮涂、旋涂或靜電紡絲工藝覆蓋在下電極層2上；所述上電極層4通過濺射、旋涂或蒸發(fā)工藝制作在中心壓電層3上。

作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，所述上電極層4、下電極層2為導(dǎo)電非金屬、金屬或金屬化合物。

實(shí)施例2

基于上述實(shí)施例1的傳感器結(jié)構(gòu)，一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟：

1、通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成玻璃微針尖端1(微米級(jí)尖端)；

2、通過濺射在玻璃微針尖端上制作下電極層2；

3、采用刮涂在覆有下電極層2的玻璃微針尖端1上制備PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜，即中心壓電層3；

4、通過濺射在覆有PVDF的中心壓電層3的玻璃微針尖端1上制作上電極層4。

實(shí)施例3

基于上述實(shí)施例1的傳感器結(jié)構(gòu)，一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟：

1、通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成玻璃微針尖端1；

2、通過旋涂在玻璃微針尖端上制作下電極層2；

3、采用浸涂在覆有下電極層2的玻璃微針尖端1上制備PVDF(聚偏氟乙烯)及其二元、多元聚合物材料薄膜，即中心壓電層3；

4、通過濺射、旋涂或蒸發(fā)工藝在覆有PVDF的中心壓電層3的玻璃微針尖端1上制作上電極層4。

實(shí)施例4

一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟：

1、通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成玻璃微針尖端1；

2、通過旋涂在玻璃微針尖端上制作下電極層2；

3、采用浸涂在覆有下電極層2的玻璃微針尖端1上制備PVDF二元聚合物材料薄膜，即中心壓電層3；

4、通過旋涂在覆有中心壓電層3的玻璃微針尖端1上制作上電極層4。

實(shí)施例5

一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟：

1、通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成玻璃微針尖端1；

2、通過蒸發(fā)工藝在玻璃微針尖端上制作下電極層2；

3、采用靜電紡絲工藝在覆有下電極層2的玻璃微針尖端1上制備PVDF(聚偏氟乙烯)及其二元、多元聚合物材料薄膜，即中心壓電層3；

4、通過蒸發(fā)工藝在覆有中心壓電層3的玻璃微針尖端1上制作上電極層4。

實(shí)施例6

一種基于PVDF(聚偏氟乙烯)的微針型壓電微力傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟：

1、通過激光加熱玻璃毛細(xì)管拉制形成玻璃微針尖端1；

2、通過濺射在玻璃微針尖端上制作下電極層2；

3、將壓電陶瓷材料的粉末摻雜于所述PVDF及其二元、多元聚合物中形成壓電材料，采用靜電紡絲工藝在覆有下電極層2的玻璃微針尖端1上制備壓電材料薄膜，即中心壓電層3；

4、通過濺射工藝在覆有PVDF的中心壓電層3的玻璃微針尖端1上制作上電極層4。

從上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝實(shí)現(xiàn)容易、體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微氣流以及微流體所引起的微力的檢測(cè)。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。