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：

近年來，隨著微電子技術、微機械加工技術的迅速發(fā)展，越來越多的應用領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。目前，國內外已有很多研究學者通過結合纖毛的結構原理和成熟的MEMS制造技術設計制作出多種新穎精巧的微力傳感器，并廣泛應用于不同的領域。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，半導體材料受到應力作用，引起電阻發(fā)生變化。此類傳感器制作工藝較為復雜，且不適用于測量大氣環(huán)境或管內中微氣流或微流體通過時對物體的作用力。目前對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行測量，此類傳感器雖然制作工藝簡單，但是對于微力作用的測量具有較高的測量下限，且靈敏度較低。

對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，馬超哲等人在《制造業(yè)自動化》撰文“基于PVDF的微力傳感器設計”，該文設計了一種基于PVDF懸臂梁的微力傳感器，傳感器分辨率可以達到sub-μN范圍內。

但是上述文獻報道的是懸臂梁結構。

技術實現(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，采用微針結構，能夠測量微流體作用于玻璃微針側面所引起的微作用力。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(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；

所述上電極層設置在中心壓電層上；

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

優(yōu)選地，所述上電極層、下電極層為導電非金屬、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。所述上下電極為導電層，微針發(fā)生變形所引起壓電效應，在中心壓電層表面堆積電荷，上下電極能測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管拉制形成。采用激光加熱玻璃管拉制工藝，制備工藝簡單，較易形成微米級尖端。

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，當外力(如流體通過時對物體的作用力)作用于微針傳感器的側壁時，微針連同壓電層發(fā)生變形，由于壓電效應，電極上產生輸出電流和電壓，通過量測電流及電壓大小，從而評估微力的大小；可以非常容易地制備陣列型結構，進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，壓電層內部產生應力和應變的變化，從而電極上產生輸出電流和電壓，通過量測電流及電壓大小，從而評估微力的大小。本發(fā)明具有簡單易加工的特點，易于批量生產和微型化，同時能制成陣列式結構，提高傳感器的靈敏度。

本發(fā)明PVDF薄膜，其制備工藝簡單，刮涂，浸涂以及靜電紡絲工藝都能很好的將PVDF有效的涂覆于微針四周，形成薄膜。而其他壓電材料，如壓電陶瓷，將面臨高溫燒結、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)調整稍顯復雜，且不能一次性涂覆微針四周。

進一步，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非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的結構示意圖；

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。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干調整和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例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)選的實施方式，所述上電極層4、下電極層2為導電非金屬、金屬或金屬化合物。

實施例2

基于上述實施例1的傳感器結構，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管拉制形成玻璃微針尖端1(微米級尖端)；

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。

實施例3

基于上述實施例1的傳感器結構，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。

從上述實施例可以看出，本發(fā)明傳感器具有結構簡單、加工工藝實現(xiàn)容易、體積小、靈敏度高等優(yōu)點，特別適用于微氣流以及微流體所引起的微力的檢測。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。