一種柔性水下壓力傳感器及其制備方法與流程
本發明屬于壓力測量技術領域，具體涉及一種柔性水下壓力傳感器及其制備方法。
背景技術：
在水下探測活動中，水聲技術是對水下目標進行探測、定位、跟蹤、識別的主要手段，是水下活動的眼睛與耳朵，應用較為廣泛。水聲傳感器能拾取詳細的流場與聲場信息進行處理分析并做出判斷，確定目標的存在、狀態和參數等。高性能的柔性壓力傳感器對水下航行器具有重要意義，能協助其實現高隱蔽，低噪音的環境探測，自動巡航和自主避障活動，在軍事與民用上都具有重要的應用前景。
壓電式水下壓力傳感器具有能耗低、檢測頻率范圍大和壓力靈敏度高等優點。近年來，國內外多家研究機構制備以鋯鈦酸鉛（pzt）為傳感材料的壓電式水下壓力傳感器，成功地檢測到水下動壓與流速信號，陣列化后可實現振動源位置的探測。然而，基于pzt的壓電傳感器其柔性較差，制作工藝復雜，陣列化裝配與封裝工藝復雜。因此，一種更加經濟實用的方法是壓力傳感器的基底、傳感層和封裝層均使用柔性材料。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種柔性水下壓力傳感器及其制備方法；本發明通過采用自下而上的微納制造技術制備可測量水下動態壓力信號的柔性壓力傳感器，工藝簡單、易于陣列化制造；制得的傳感器具有柔性好、超薄超輕等優點。
本發明的技術方案具體介紹如下。
本發明提供一種柔性水下壓力傳感器，其包括從下至上緊密貼合的下層柔性基底、力敏結構層和上層柔性封裝層；所述的下層柔性基底為聚酰亞胺薄膜，其下表面設有圓柱狀空腔，空腔的腔壁上設置用以與外部水環境連通的微流道；所述的力敏結構層從下至上包括下部電極層、柔性壓電材料層和上部電極層，下部電極層為圓形，其直徑與圓柱狀空腔直徑相同；上部電極層為外圓直徑與圓柱狀空腔直徑相同、內圓直徑為外圓直徑0.5~0.9倍的圓環形或者直徑為圓柱狀空腔直徑0.5~0.9倍的圓形。
本發明中，聚酰亞胺薄膜下表面上的圓柱狀空腔和微流道通過等離子體刻蝕工藝制備，空腔深度為10~30μm。
本發明中，下部電極層的厚度為100~1000nm，其材料為導電金屬，其通過濺射或蒸鍍技術圖案化制造于下層柔性基底的上表面上。
本發明中，柔性壓電材料層為聚偏氟乙烯pvdf、pvdf的共聚物p(vdf-trfe)或石墨烯摻雜pvdf的復合材料；其通過將預先配制好的pvdf溶液、p(vdf-trfe)溶液或石墨烯/pvdf混合溶液，旋涂于下層柔性基底的上表面，加熱固化成膜后進一步進行熱處理與極化處理形成。
本發明中，上部電極層的材料為導電金屬，通過濺射或蒸鍍技術圖案化制造于柔性壓電材料層的上表面上。
本發明中，上層柔性封裝層的厚度為1~20μm，其采用具有防水性的聚對二甲苯parylene材料，由聚對二甲苯parylene經過蒸鍍工藝制備在力敏結構層上。
本發明還提供一種上述的柔性水下壓力傳感器的制備方法，具體步驟如下：
（1）旋涂聚酰亞胺溶液于硅晶圓上后，固化冷卻制備成聚酰亞胺薄膜，作為下層柔性基底；
（2）通過濺射或蒸鍍技術制造圓形金屬電極于下層柔性基底的上表面上，與下層柔性基底緊密貼合，形成壓力傳感器的下部電極層；
（3）將聚偏氟乙烯pvdf、pvdf的共聚物p(vdf-trfe)或石墨烯摻雜pvdf的復合材料在二甲基甲酰胺dmf中混合均勻，旋涂混合溶液于下層柔性基底上，加熱固化成膜，再加熱至130~140℃進行熱處理；
（4）通過濺射或蒸鍍技術制造與下部電極層同心的圓環形金屬電極或圓形金屬電極于柔性壓電材料層的上表面上，形成壓力傳感器的上部電極層，圓環形金屬電極的外圓直徑與圓柱狀空腔直徑相同、內圓直徑為外圓直徑0.5~0.9倍，圓形金屬電極的直徑為圓柱狀空腔直徑0.5~0.9倍，再在上部電極層和下部電極層之間加一直流電壓進行極化處理；
（5）由柔性聚合物聚對二甲苯parylene經過蒸鍍工藝將上層柔性封裝層制備在力敏結構層上；
（6）將所得到的柔性薄膜從硅晶圓上剝離，使用圖案化的鉻板作為掩膜，對下層柔性基底的下表面進行等離子體刻蝕加工，刻蝕氣體使用o2和sf6，在下表面上刻蝕出圓柱狀空腔和用以與外部水環境接觸的微流道。
本發明中，上部電極層與對應的下部電極層用于測量柔性壓電材料層的電壓及其變化，根據電壓值及其變化可以檢測動態壓力的大小和頻率。柔性水下壓力傳感器受到動態壓力作用時，由于柔性基底底面空腔結構的存在，空腔結構處的柔性基底會發生彎曲變形，并且彎曲幅度會隨著外界壓力的增加而增大。當空腔結構處的柔性基底會發生彎曲變形，柔性壓電材料層沿直徑方向被拉伸或壓縮，表現為上部電極層和下部電極層之間輸出電壓，從而反映動態壓力的大小與頻率。
本發明還提供一種上述的柔性水下壓力傳感器的制備方法，具體步驟如下：
（1）旋涂聚酰亞胺溶液于硅晶圓上后，固化冷卻制備成聚酰亞胺薄膜，作為下層柔性基底；
（2）通過濺射或蒸鍍技術制造圓形金屬電極于下層柔性基底的上表面上，與下層柔性基底緊密貼合，形成壓力傳感器的下部電極層；
（3）將聚偏氟乙烯pvdf、pvdf的共聚物p(vdf-trfe)或石墨烯摻雜pvdf的復合材料在二甲基甲酰胺dmf中混合均勻，旋涂混合溶液于下層柔性基底上，加熱固化成膜，再加熱至130~140℃進行熱處理；
（4）通過濺射或蒸鍍技術制造與下部電極層同心的圓環形金屬電極于柔性壓電材料層的上表面上，形成壓力傳感器的上部電極層，圓環的外圓直徑與下部電極層直徑相同，在上部電極層和下部電極層之間加一直流電壓進行極化處理；
（5）由柔性聚合物聚對二甲苯parylene經過蒸鍍工藝將上層柔性封裝層制備在力敏結構層上；
（6）將所得到的柔性薄膜從硅晶圓上剝離，使用圖案化的鉻板作為掩膜，對下層柔性基底的下表面進行等離子體刻蝕加工，刻蝕氣體使用o2和sf6，在下表面上刻蝕出圓柱狀空腔和用以與外部水環境接觸的微流道。
和現有技術相比，本發明的有益效果在于：
（1）本發明柔性水下壓力傳感器可對水下動態壓力信號進行測量；
（2）傳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）傳感材料采用pvdf壓電材料，具有靈敏度高、頻率響應范圍大和穩定性好的優點；
（4）傳感器采用微納制造技術制備而成，具有工藝簡單、超薄超輕、應用性強和易于實現陣列化制造的優點。
附圖說明
圖1為本發明的柔性水下壓力傳感器結構示意圖。
圖2為本發明的壓力傳感器截面圖。
圖3為本發明的力敏結構層受力變形示意圖。
圖4為壓力傳感器的共振頻率與空腔結構處的柔性基底厚度之間的關系。
圖5為壓力傳感器的電壓輸出與動態壓力之間的關系。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
本發明提供一種柔性水下壓力傳感器，壓力傳感器整體為薄膜結構，通體采用柔性材料制成。如圖1所示，壓力傳感器包括下層柔性基底1、力敏結構層2和上層柔性封裝層3。力敏結構層2包括下部電極層201、柔性壓電材料層202和上部電極層203。傳感器具有結構簡單，易于陣列化制造的優點。本發明傳感器的制備工藝具體如下：
（1）旋涂聚酰亞胺溶液于硅晶圓上，固化溫度和時間分別為120℃30min、180℃30min和250℃30min。固化后聚酰亞胺薄膜的厚度可根據聚酰亞胺溶液的濃度與旋涂轉速調整，也可通過旋涂固化多層聚酰亞胺溶液以增大聚酰亞胺薄膜的厚度。冷卻后制備成壓力傳感器下層柔性基底1。
（2）通過濺射或蒸鍍技術制造圓形金屬電極于下層柔性基底1的上表面上，與下層柔性基底1緊密貼合，形成壓力傳感器的下部電極層201，電極的厚度為100nm~1000nm。
（3）將聚偏氟乙烯（pvdf）、pvdf的共聚物p(vdf-trfe)或石墨烯摻雜pvdf的復合材料在二甲基甲酰胺(dmf)中混合均勻，旋涂混合溶液于下層柔性基底1上，加熱固化后形成柔性壓電材料層202，柔性壓電材料層202的厚度可根據混合溶液濃度和旋涂轉速調整。壓電材料成膜后加熱至135℃保持2h，以增強其壓電特性。
（4）通過濺射或蒸鍍技術制造與下部電極層201同心的圓環形或圓形金屬電極于柔性壓電材料層202的上表面上，形成壓力傳感器的上部電極層203。圓環形電極的外圓直徑與下部電極層201直徑相同，內圓直徑為外圓直徑的0.71倍，圓形電極的直徑為下部電極層直徑的0.71倍，電極厚度為100nm~1000nm。在上部電極層203和下部電極層201之間加一直流電壓，使得豎直向下通過柔性壓電材料層202的電場強度為50mv/m，保持1h，以增強其壓電特性。
（5）上層柔性封裝層3由柔性聚合物聚對二甲苯（parylene）經過蒸鍍工藝制備在力敏結構層2上，用以防水處理。考慮其實用性，上層柔性封裝層3厚度為1~20μm。
（6）將所得到的柔性薄膜從硅晶圓上剝離，使用圖案化的鉻板作為掩膜，對下層柔性基底1的下表面進行等離子體刻蝕加工，刻蝕氣體使用o2和sf6。在下表面上刻蝕出圓柱狀空腔和用以與外部水環境接觸的微流道，微流道和空腔的刻蝕深度相同。下層柔性基底1、力敏結構層2和上層柔性封裝層3三者緊密貼合，如圖2所示。
實施例中，采用comsol仿真軟件對壓電傳感器進行了仿真測試，具體如下：
在上層柔性封裝層3厚度為2μm，柔性壓電材料層202厚度為20μm時，壓力傳感器的共振頻率與空腔結構處的柔性基底厚度之間的關系如圖4所示，結果表明，一階共振頻率的最小值為13179hz，遠超過水下常用的動壓感知信號的頻率范圍0.1-100hz。說明在實際的動壓信號測量中，動壓傳感器不會出現共振現象。
在上層柔性封裝層3厚度為2μm、柔性壓電材料層202厚度為20μm、空腔結構處的柔性基底厚度為21μm、下部電極層201直徑為2mm、上部電極層203外直徑為2mm、內直徑為1.414mm時，壓力傳感器的電壓輸出與動態壓力之間的關系如圖5所示，結果表明，傳感器的輸出電壓隨壓力的增大而線性增大。
本發明的工作原理：
如圖3所示，柔性壓電材料層為具有壓電特性的pvdf、p(vdf-trfe)或石墨烯摻雜pvdf的復合材料，下部電極層201和上部電極層203之間的電勢差，即為柔性壓電材料層202的輸出電壓。在外界壓力為零或保持不變時，柔性壓電材料層202不產生。當外界壓力增大了p時，由于下層柔性基底1底部存在空腔，柔性壓電材料層202在壓力作用下，會向下發生彎曲，柔性壓電材料層202的上部電極層203覆蓋區域沿半徑方向被拉伸。由于壓電薄膜材料在水平方向上被拉伸時，其豎直方向上的上下電極間存在壓電輸出。最終柔性壓電材料層201的下部電極層201接地，上部電極層203會產生正電勢，輸出電壓和動態壓力p呈正相關。進一步的，根據輸出電壓的變化，可以反應外界水環境動態壓力的大小和頻率。
以上所述僅為本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應該視為本發明的保護范圍。
技術特征：
1.一種柔性水下壓力傳感器，其特征在于：其包括從下至上緊密貼合的下層柔性基底、力敏結構層和上層柔性封裝層；所述的下層柔性基底為聚酰亞胺薄膜，其下表面設有圓柱狀空腔，空腔的腔壁上設置用以與外部水環境連通的微流道；所述的力敏結構層從下至上包括下部電極層、柔性壓電材料層和上部電極層，下部電極層為圓形，其直徑與圓柱狀空腔直徑相同；上部電極層為外圓直徑與圓柱狀空腔直徑相同、內圓直徑為外圓直徑0.5~0.9倍的圓環形或者直徑為圓柱狀空腔直徑0.5~0.9倍的圓形。
2.根據權利要求1所述的柔性水下壓力傳感器，其特征在于：聚酰亞胺薄膜下表面上的圓柱狀空腔和微流道通過等離子體刻蝕工藝制備，空腔深度為10~30μm。
3.根據權利要求1所述的柔性水下壓力傳感器，其特征在于：下部電極層的厚度為100~1000nm，其材料為導電金屬，其通過濺射或蒸鍍技術圖案化制造于下層柔性基底的上表面上。
4.根據權利要求1所述的柔性水下壓力傳感器，其特征在于：柔性壓電材料層為聚偏氟乙烯pvdf、pvdf的共聚物p(vdf-trfe)或石墨烯摻雜pvdf的復合材料；其通過將預先配制好的pvdf溶液、p(vdf-trfe)溶液或石墨烯/pvdf混合溶液，旋涂于下層柔性基底的上表面，加熱固化成膜后進一步進行熱處理與極化處理形成。
5.根據權利要求1所述的柔性水下壓力傳感器，其特征在于：上部電極層的材料為導電金屬，通過濺射或蒸鍍技術圖案化制造于柔性壓電材料層的上表面上。
6.根據權利要求1所述的柔性水下壓力傳感器，其特征在于：上層柔性封裝層的厚度為1~20μm，其采用具有防水性的聚對二甲苯parylene材料，由聚對二甲苯parylene經過蒸鍍工藝制備在力敏結構層上。
7.一種根據權利要求1~6之一所述的柔性水下壓力傳感器的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：
（1）旋涂聚酰亞胺溶液于硅晶圓上后，固化冷卻制備成聚酰亞胺薄膜，作為下層柔性基底；
（2）通過濺射或蒸鍍技術制造圓形金屬電極于下層柔性基底的上表面上，與下層柔性基底緊密貼合，形成壓力傳感器的下部電極層；
（3）將聚偏氟乙烯pvdf、pvdf的共聚物p(vdf-trfe)或石墨烯摻雜pvdf的復合材料在二甲基甲酰胺dmf中混合均勻，旋涂混合溶液于下層柔性基底上，加熱固化成膜，再加熱至130~140℃進行熱處理；
（4）通過濺射或蒸鍍技術制造與下部電極層同心的圓環形金屬電極或圓形金屬電極于柔性壓電材料層的上表面上，形成壓力傳感器的上部電極層，圓環形金屬電極的外圓直徑與圓柱狀空腔直徑相同、內圓直徑為外圓直徑0.5~0.9倍，圓形金屬電極的直徑為圓柱狀空腔直徑0.5~0.9倍，再在上部電極層和下部電極層之間加一直流電壓進行極化處理；
（5）由柔性聚合物聚對二甲苯parylene經過蒸鍍工藝將上層柔性封裝層制備在力敏結構層上；
（6）將所得到的柔性薄膜從硅晶圓上剝離，使用圖案化的鉻板作為掩膜，對下層柔性基底的下表面進行等離子體刻蝕加工，刻蝕氣體使用o2和sf6，在下表面上刻蝕出圓柱狀空腔和用以與外部水環境接觸的微流道。
技術總結
本發明屬于壓力測量技術領域，具體為一種柔性水下壓力傳感器及其制備方法。本發明的壓力傳感器包括從下而上緊密貼合的下層柔性基底、力敏結構層和上層柔性封裝層；下層柔性基底為聚酰亞胺薄膜，其下表面設有圓柱狀空腔，空腔的腔壁上設置用以與外部水環境連通的微流道；力敏結構層從下至上包括下部電極層、柔性壓電材料層和上部電極層，柔性壓電材料層是具有壓電特性的聚偏氟乙烯材料；上層柔性封裝層是具有防水性的聚對二甲苯材料。本發明工藝簡單、易于陣列化制造；制得的傳感器具有柔性好、超薄超輕、可測量水下動態壓力信號等優點。
