基于柔性鐵電薄膜的流體驅(qū)動式壓電傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓電傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于柔性鐵電薄膜的流體驅(qū)動式 壓電傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電傳感器早已在生活中得到廣泛應用，但是隨著電子器件向小型化和集成化方 向發(fā)展，基于鐵電薄膜制備的電子器件已逐漸成為當今的研究熱點。目前，具有生物兼容性 的鐵電共聚物為鐵電材料開辟了新的道路，基于有機鐵電材料的電子器件有望成為生物醫(yī) 學領(lǐng)域的重要應用。微流控芯片技術(shù)起源于20世紀90年代，最初應用于分析化學領(lǐng)域，它 以微通道為結(jié)構(gòu)特征，以生命科學為主要研究對象，通過微機電加工工藝（MEMS)，將整個實 驗室的功能包括樣片預處理、反應、分離、檢測等集成在一塊微米尺度的芯片上，使分析速 度得到極大提高，具有集成度高、試劑消耗少、制作成本低分析效率高等特點。
[0003] 目前基于鐵電共聚物P (VDF-TrFE)的流體驅(qū)動式壓電傳感器中，主要采用極化后 的P(VDF-TrFE)鐵電薄膜作為壓電傳感部件。這種鐵電薄膜是旋涂法制備而成，雖然操作 簡單，但是后期的極化過程較難控制，并且需要額外制備極化電極，步驟復雜，耗時耗力。并 且鐵電薄膜一般是集成在直徑較大的管道中，雖然其輸出的電信號較大，但是驅(qū)動這種壓 電傳感器需要大量的流體，在微量流體驅(qū)動下該壓電傳感器難以有較大的信號輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種低流速流體驅(qū)動下也有較大信號輸 出的、基于柔性鐵電薄膜的流體驅(qū)動式壓電傳感器及其制備方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] -、基于柔性鐵電薄膜的流體驅(qū)動式壓電傳感器，包括：
[0007] 玻璃基片和微流控芯片基片；
[0008] 玻璃基片上集成有兩相平行的P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條；
[0009] 微流控芯片基片制作有微溝道、第一電極凹槽、第二電極凹槽、第三電極凹槽、第 四電極凹槽，第一電極凹槽和第二電極凹槽位于微溝道一側(cè)，第三電極凹槽和第四電極凹 槽位于微溝道另一側(cè)；
[0010] 微流控芯片基片還設(shè)有進樣口、出樣口和銀漿注入口，進樣口、出樣口與微溝道兩 端連通，銀漿注入口與電極凹槽連通；
[0011] 玻璃基片和微流控芯片基片鍵合，一P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條兩端分別位于第 一電極凹槽和第三電極凹槽底，另一 P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條兩端分別位于第二電極凹 槽和第四電極凹槽底。
[0012] 作為優(yōu)選，？(￥0?-1'沖￡)電紡絲薄膜條的紡絲直徑為30011111-50011111、厚度為5 11111~ 10 y m、寬度為0? 3謹~1謹，P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條間距5謹~25謹。
[0013] 作為優(yōu)選，微溝道為直溝道，長20mm~30_、寬500 y m~800 y m、高50 y m~ 70 u m〇
[0014] 二、基于柔性鐵電薄膜的流體驅(qū)動式壓電傳感器的制備方法，包括：
[0015] (1)制備P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜；
[0016] (2)將P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜轉(zhuǎn)移至玻璃基片，經(jīng)刻蝕獲得兩相平行的 P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條；
[0017] (3)制作具微溝道和4個電極凹槽的微流控芯片基片，2個電極凹槽位于微溝道一 偵牝另2個電極凹槽位于微溝道另一側(cè)；采用打孔方式制作與電極凹槽連通的銀漿注入口 以及與微溝道兩端連通的進樣口、出樣口；
[0018] (4)將步驟（2)所得玻璃基片和步驟（3)所得芯片基片脫水鍵合。
[0019] 步驟⑴具體為：
[0020] 配置質(zhì)量分數(shù)為20 % -25%的P (VDF-TrFE)溶液，注射器吸取P (VDF-TrFE)溶液 后固定于注射栗，放置接收P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜的金屬轉(zhuǎn)筒，注射器針頭和金屬轉(zhuǎn)筒 離注射器針頭最近的母線的距離為IOcm~15cm;注射器針頭接電場正極，金屬轉(zhuǎn)筒接地， 注射器針頭和金屬轉(zhuǎn)筒間高壓電場為12~13kV，P(VDF-TrFE)溶液以0. 2mL/h~0. 3mL/h 的速度注射，金屬轉(zhuǎn)筒以1500r. p. m~2000r. p. m的速度旋轉(zhuǎn)，即得到P (VDF-TrFE)電紡絲 薄膜。
[0021] 所述的P(VDF-TrFE)溶液中，溶劑為二氮二甲基甲酰胺和丙酮，二氮二甲基甲酰 胺和丙酮的體積比為1:0~3:2。
[0022] 步驟（2)中采用感應耦合等離子體刻蝕法或反應離子刻蝕法進行刻蝕。
[0023] 步驟⑶具體為：
[0024] 采用軟刻蝕法或反應離子刻蝕法將微溝道和電極凹槽轉(zhuǎn)移到單晶硅片，獲得陽模 模板；將液態(tài)聚二甲基硅氧烷與其固化劑的混合物倒在陽模模板上，固化后，經(jīng)脫模，得到 微流控芯片基片。其中，液態(tài)聚二甲基硅氧烷與其固化劑按（5-20) :1的比例混合。
[0025] 采用流體驅(qū)動本發(fā)明壓電傳感器時，集成于微溝道底部的兩片P(VDF-TrFE)電紡 絲薄膜條產(chǎn)生不同的電壓信號。因為壓力傳感器中流體流動屬于壓差驅(qū)動，微溝道內(nèi)部流 體會產(chǎn)生一定的壓力梯度，所以各處流體對微溝道管壁壓力不同，即兩處P(VDF-TrFE)電 紡絲薄膜條所受壓力不同，輸出電壓信號不同。經(jīng)計算，兩處P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條的 電壓差與流體速度成正比例關(guān)系。又因為低壓下P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條輸出的電壓信 號與所受壓力成正比，所以也可以得出兩處P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條的電壓差與流體速
體流量，w為微溝道寬度，h為微溝道高度，h << w，p為壓力值，y表示流體粘度系數(shù)，L 表示兩壓力點間距離。
[0026] 當對本發(fā)明壓電傳感器通以流速一定、粘度系數(shù)不同的流體時，在一定范圍內(nèi)， 兩處P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條的電壓差與流體粘度亦呈正比，同樣滿足微流體公式
因此，利用本發(fā)明壓電傳感器，通過觀察壓力傳感器輸出電壓差值，不僅能測 一定粘度流體流速的大小，也能測一定流速下流體粘度系數(shù)的大小。
[0027] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點和有益效果：
[0028] 1、將柔性P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜集成于微流控芯片，制備過程簡單，成本低廉， 適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0029] 2、在低流速流體驅(qū)動也會產(chǎn)生較大電壓響應（可達到10 1V數(shù)量級），最小響應流 體流速為13 y L/h，流體流速為201 y L/h時，單測試點可輸出0. 16V電壓，因此本發(fā)明應用 時可避免較大的測量誤差。
[0030] 3、不僅能測試驅(qū)動流體的流速，也能測試驅(qū)動流體的粘度系數(shù)。
【附圖說明】
[0031] 圖1是【具體實施方式】中壓電傳感器的俯視圖；
[0032] 圖2是P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜樣品轉(zhuǎn)移至玻璃基片上的俯視示意圖；
[0033] 圖3是P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜刻蝕為兩條P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條的俯視示 意圖；
[0034] 圖4是陽模模板縱剖示意圖；
[0035] 圖5是倒了聚二甲基硅氧烷的陽模模板縱剖面示意圖；
[0036] 圖6是圖1中A-A剖視圖；
[0037] 圖7是P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜的掃描電子顯微鏡照片；
[0038] 圖8是本發(fā)明壓電傳感器被去離子水驅(qū)動時的顯微鏡照片；
[0039] 圖9和圖12是不同壓電傳感器中第一 P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條輸出電壓隨流 速變化的曲線；
[0040] 圖10實施例中壓電傳感器中兩條P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條輸出電壓差隨流速 變化的曲線；
[0041] 圖11是實施例中壓電傳感器中兩條P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條輸出電壓差隨流 體粘度系數(shù)變化的曲線；
[0042] 圖13是實施例中不同P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條寬度下，壓電傳感器中兩條 P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條輸出電壓差隨流速變化的曲線。
[0043] 圖中，1-玻璃基片，2-微流控芯片基片，3. Ia-第一 P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條， 3. Ib-第二P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條，3. 2-P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜樣品，4. 1-第一電極 凹槽，4. 2-第二電極凹槽，4. 3-第三電極凹槽，4. 4-第四電極凹槽，5-微溝道，6-進樣口， 7-出樣口，8-銀漿注入口，9-單晶硅片，10-光刻膠層。
【具體實施方式】
[0044] 下面將結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明技術(shù)方案和技術(shù)效果。
[0045] 見圖1和圖6,兩條相平行的P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條（3. la、3. Ib)集成于玻 璃基片（1)上，P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條（3. la、3. Ib)掃描電子顯微鏡照片見圖7。微 流控芯片基片（2)制作有4個電極凹槽和微溝道（5)，4個電極凹槽均勻分布于微溝道（5) 兩側(cè)，將圖1中位于微溝道（5)上側(cè)的電極凹槽分別記為第一電極凹槽（4. 1)和第二電極 凹槽（4. 2)，位于微溝道（5)下側(cè)的電極凹槽分別記為第三電極凹槽（4.3)和第四電極凹 槽（4.4)。玻璃基片（1)和微流控芯片基片（2)脫水鍵合，鍵合時使得P (VDF-TrFE)電紡 絲薄膜條（3. la、3. lb)位于電極凹槽和微溝道（5)底部，且第一 P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜 條（3. Ia)兩端分別位于第一電極凹槽（4. 1)和第三電極凹槽（4. 3)底，第二P(VDF-TrFE) 電紡絲薄膜條（3. Ib)兩端分別位于第二電極凹槽（4. 2)和第四電極凹槽（4. 3)底。第一 P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條（3.1a)為近進樣口（6)的P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜條，第二 P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條（3. Ib)為近出樣口（7)的P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條。
[0046] 微流控芯片基片（2)還設(shè)有與電極凹槽連通的銀漿注入口（8)、以及與微溝道（5) 兩端連通的進樣口（6)和出樣口（7)，本具體實施中，各電極凹槽均有兩個與其連通的銀漿 注入口（8)。通過銀漿注入口（8)將銀漿灌注于電極凹槽（4. 1、4.2、4.3、4.4)內(nèi)，進樣口 (6)和出樣口（7)分別用來通入和通出驅(qū)動流體。圖8為本發(fā)明壓電傳感器被去離子水驅(qū) 動時的顯微鏡照片。
[0047] 本發(fā)明的一種具體步驟如下：
[0048] (1)制備高度有序的柔性P (VDF-TrFE)電紡絲薄膜