本發(fā)明涉及振動監(jiān)測領域，特別是涉及一種二維電容式低頻振動傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代測試技術(shù)向數(shù)字化和信息化方向的迅猛發(fā)展，作為測試系統(tǒng)的最前端傳感器，已被世界各國列為尖端技術(shù)。在振動測試領域中的占據(jù)重要地位的振動傳感器也得到了日新月異的發(fā)展。

目前，在工程振動測試領域中，測試方法多種多樣，按照測試方法與測量手段的物理性質(zhì)來分，可以分為機械式測量、光學式測量和電學式測量三種方法。它們的物理性質(zhì)不同，但是它們組成的測量系統(tǒng)基本相同，都有拾振環(huán)節(jié)、測量放大環(huán)節(jié)和顯示記錄環(huán)節(jié)三個部分組成。振動傳感器的工作性能是由機械接收部分和機電變換部分的工作性能來決定的。振動傳感器的機械接收原理分為相對式機械接收原理和慣性式機械接收原理。它們都是將要測的機械量作為振動傳感器的輸入量，然后由機械接收部分加以接收，形成另一個適合于變換的機械量，最后由機電變換部分再將變換為電量。由于傳感器內(nèi)部機電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機械量的變化變換為電動勢、電荷的變化，有的是將機械振動量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般說來，這些電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對不同機電變換原理的傳感器，必須附以專配的測量線路。

目前，工程上使用的振動傳感器主要有相對式電動傳感器、電渦流式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、慣性式電動傳感器、壓電式傳感器、壓電式力傳感器、阻抗頭、電阻式應變傳感器和激光傳感器等。但是，對于低頻信號（如地震）的采集往往不是特別準確。市場上開發(fā)的低頻振動傳感器制造工藝比較繁瑣，價格比較昂貴，可用性不好。而且常見的振動傳感器也不能夠監(jiān)測多維的振動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種二維電容式低頻振動傳感器及其制備方法，具有制造簡單、成本低、響應快、精確度高和能夠?qū)ΧS的輸入進行精確的測量的特點。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供一種二維電容式低頻振動傳感器，包括：第一電極板、第二電極板、第三電極板、第四電極板、基底和液滴，基底上設置有第一電極板、第二電極板、第三電極板和第四電極板，第一電極板和第二電極板組成第一組平行板電容器，第三電極板和第四電極板組成第二組平行板電容器，液滴的底部被鑲嵌在基底上，且液滴位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的基底為硅片、石英玻璃或k9玻璃。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的基底上設置有親水疏水相間隔的親水疏水表面。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的液滴的底部鑲嵌在基底的親水部分。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的液滴為為親水性物質(zhì)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是：提供一種二維電容式低頻振動傳感器的制備方法，包括以下步驟：

（1）基底上光刻膠圖形化：基底清洗干凈后，采用勻膠、前烘、曝光、中烘、顯影和后烘的光刻工藝在基底上制作出光刻膠圖形化層；

（2）濺射zno層：利用濺射機，在光刻膠圖形化層表面濺射zno種子層；

（3）水浴生長zno納米結(jié)構(gòu)：利用水浴加熱的方法，在水浴加熱爐中，生長zno納米結(jié)構(gòu)；

（4）氟表面處理：浸入表面處理溶液，高純n2吹干后，置于真空加熱爐中烘烤；

（5）殘余光刻膠去除：將氟表面處理后的基底浸入有機溶劑中，溶解殘余的光刻膠，從而得到親水疏水相間隔的親水疏水表面；

（6）傳感器封裝：在上述的親水疏水表面上滴加液滴，在基底四周上設置有第一電極板、第二電極板、第三電極板和第四電極板，第一電極板和第二電極板組成第一組平行板電容器，第三電極板和第四電極板組成第二組平行板電容器，液滴的底部被鑲嵌在基底上，且液滴位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，步驟（1）中基底上光刻膠圖形化的具體步驟為：基底清洗干凈后，在基底上勻膠，厚度為1.5~3μm；85~95℃前烘55~65s；待其自然冷卻后，在接觸式紫外曝光光刻機下曝光7~8s；105~115℃中烘2~3min；待自然冷卻后用質(zhì)量百分比濃度為5‰naoh顯影30~40s；105~115℃后烘2~3min，自然冷卻。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，步驟（2）中zno種子層濺射厚度為50nm~80nm。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，步驟（3）水浴生長zno納米結(jié)構(gòu)的具體步驟為：利用水浴加熱的方法，在水浴加熱爐中，zno種子層的基底與水浴加熱爐的底面成70°~80°角，加入濃度均為30mmol/l的六水合硝酸鋅溶液和六次甲基四胺溶液混合液，兩種溶液的體積比為1:1，在85~95℃恒溫2.5~3.5h，生長zno納米結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明一個較佳實施例中，步驟（4）中的表面處理溶液為氟硅烷溶液，浸入時間10~24h，真空加熱爐中180~200℃烘烤3h~10h；步驟（5）中的有機溶劑為丙酮或酒精。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明具有制造簡單、成本低、響應快、精確度高和能夠?qū)ΧS的輸入進行精確的測量的特點；能夠?qū)ΧS的振動輸入進行精確快速的檢測，彌補了傳統(tǒng)振動傳感器不能對多維振動進行檢測的不足，具有廣大的工程應用價值和市場前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1是本發(fā)明二維電容式低頻振動傳感器一較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明二維電容式低頻振動傳感器的原理靜態(tài)示意圖；

圖3是本發(fā)明二維電容式低頻振動傳感器的原理動態(tài)示意圖。

具體實施方式

下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1至圖3，實施例1

一種二維電容式低頻振動傳感器，包括：第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1、第四電極板2-2、基底3和液滴4，基底3上設置有第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1和第四電極板2-2，第一電極板1-1和第二電極板1-2組成第一組平行板電容器，第三電極板2-1和第四電極板2-2組成第二組平行板電容器，液滴4的底部被鑲嵌在基底3上，且液滴4位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間，所述的基底3為硅片，所述的基底3上設置有親水疏水相間隔的親水疏水表面，所述的液滴4的底部鑲嵌在基底3的親水部分，所述的液滴4為乙醇。

所述的二維電容式低頻振動傳感器的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）基底3上光刻膠圖形化：選擇硅片作為基底3，基底3清洗干凈后，在基底上勻膠，厚度為2.2μm；90℃前烘60s；待其自然冷卻后，在接觸式紫外曝光光刻機下曝光7s；110℃中烘2.5min；待自然冷卻后用質(zhì)量百分比濃度為5‰naoh顯影35s；110℃后烘2.5min，自然冷卻，最后在基底上制作出光刻膠圖形化層；

（2）濺射zno層：利用濺射機，在光刻膠圖形化層表面濺射厚度為65nmzno種子層，射頻功率為120w，ar氣壓為20sccm；

（3）水浴生長zno納米結(jié)構(gòu)：利用水浴加熱的方法，在水浴加熱爐中，zno種子層的基底與水浴加熱爐的底面成75°角，加入濃度均為30mmol/l的六水合硝酸鋅溶液和六次甲基四胺溶液混合液，兩種溶液的體積比為1：1，在90℃恒溫3h，生長zno納米結(jié)構(gòu)。

（4）氟表面處理：浸入氟硅烷表面處理溶液中16h，高純n2吹干后，置于真空加熱爐中195℃高溫烘烤7h；

（5）殘余光刻膠去除：將氟表面處理后的基底浸入丙酮或酒精有機溶劑中，溶解殘余的光刻膠，從而得到親水疏水相間隔的親水疏水表面，親水疏水表面液體會呈液滴狀，體積為5μl；

（6）傳感器封裝：在上述的親水疏水表面上滴加液滴4，在基底3四周上設置有第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1和第四電極板2-2，第一電極板1-1和第二電極板1-2組成第一組平行板電容器，第三電極板2-1和第四電極板2-2組成第二組平行板電容器，液滴4的底部被鑲嵌在基底3上，且液滴4位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間，第一電極板1-1、第二電極板1-2電極板在封裝時不能相互接觸，第三電極板2-1和第四電極板2-2在封裝時也不能相互接觸。

當外界低頻振動輸入時，液滴4的底部由于溫澤爾效應被鑲嵌在基底3的親水表面5，不能移動，其余部分在超疏水表面6振動方向做往復衰減振動；當液滴4在振動方向振動時，第一組平行板電容器和第二組平行板電容器的電荷密度會發(fā)生相應的改變，據(jù)此，可以計算出外界輸入的振動方向和大小。

請參閱圖1至圖3，實施例2

一種二維電容式低頻振動傳感器，包括：第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1、第四電極板2-2、基底3和液滴4，基底3上設置有第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1和第四電極板2-2，第一電極板1-1和第二電極板1-2組成第一組平行板電容器，第三電極板2-1和第四電極板2-2組成第二組平行板電容器，液滴4的底部被鑲嵌在基底3上，且液滴4位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間，所述的基底3為石英玻璃，所述的基底3上設置有親水疏水相間隔的親水疏水表面，所述的液滴4的底部鑲嵌在基底3的親水部分，所述的液滴4為乙醇。

所述的二維電容式低頻振動傳感器的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）基底3上光刻膠圖形化：選擇石英玻璃作為基底3，基底3清洗干凈后，在基底上勻膠，厚度為1.5μm；85℃前烘65s；待其自然冷卻后，在接觸式紫外曝光光刻機下曝光7s；105℃中烘3min；待自然冷卻后用質(zhì)量百分比濃度為5‰naoh顯影30s；105℃后烘3min，自然冷卻，最后在基底上制作出光刻膠圖形化層；

（2）濺射zno層：利用濺射機，在光刻膠圖形化層表面濺射厚度為50nmzno種子層，射頻功率為120w，ar氣壓為20sccm；

（3）水浴生長zno納米結(jié)構(gòu)：利用水浴加熱的方法，在水浴加熱爐中，zno種子層的基底與水浴加熱爐的底面成70°角，加入濃度均為30mmol/l的六水合硝酸鋅溶液和六次甲基四胺溶液混合液，兩種溶液的體積比為1：1，在85℃恒溫3.5h，生長zno納米結(jié)構(gòu)。

（4）氟表面處理：浸入氟硅烷表面處理溶液中10h，高純n2吹干后，置于真空加熱爐中180℃高溫烘烤10h；

（5）殘余光刻膠去除：將氟表面處理后的基底浸入丙酮或酒精有機溶劑中，溶解殘余的光刻膠，從而得到親水疏水相間隔的親水疏水表面，親水疏水表面液體會呈液滴狀，體積為5μl；

（6）傳感器封裝：在上述的親水疏水表面上滴加液滴4，在基底3四周上設置有第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1和第四電極板2-2，第一電極板1-1和第二電極板1-2組成第一組平行板電容器，第三電極板2-1和第四電極板2-2組成第二組平行板電容器，液滴4的底部被鑲嵌在基底3上，且液滴4位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間，第一電極板1-1、第二電極板1-2電極板在封裝時不能相互接觸，第三電極板2-1和第四電極板2-2在封裝時也不能相互接觸。

當外界低頻振動輸入時，液滴4的底部由于溫澤爾效應被鑲嵌在基底3的親水表面5，不能移動，其余部分在超疏水表面6振動方向做往復衰減振動；當液滴4在振動方向振動時，第一組平行板電容器和第二組平行板電容器上的電荷密度會發(fā)生相應的改變，據(jù)此，可以計算出外界輸入的振動方向和大小。

請參閱圖1至圖3，實施例3

一種二維電容式低頻振動傳感器，包括：第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1、第四電極板2-2、基底3和液滴4，基底3上設置有第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1和第四電極板2-2，第一電極板1-1和第二電極板1-2組成第一組平行板電容器，第三電極板2-1和第四電極板2-2組成第二組平行板電容器，液滴4的底部被鑲嵌在基底3上，且液滴4位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間，所述的基底3為k9玻璃，所述的基底3上設置有親水疏水相間隔的親水疏水表面，所述的液滴4的底部鑲嵌在基底3的親水部分，所述的液滴4為乙醇。

所述的二維電容式低頻振動傳感器的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）基底3上光刻膠圖形化：選擇k9玻璃作為基底3，基底3清洗干凈后，在基底上勻膠，厚度為3μm；95℃前烘55s；待其自然冷卻后，在接觸式紫外曝光光刻機下曝光8s；115℃中烘2min；待自然冷卻后用質(zhì)量百分比濃度為5‰naoh顯影40s；115℃后烘2min，自然冷卻，最后在基底上制作出光刻膠圖形化層；

（2）濺射zno層：利用濺射機，在光刻膠圖形化層表面濺射厚度為80nmzno種子層，射頻功率為120w，ar氣壓為20sccm；

（3）水浴生長zno納米結(jié)構(gòu)：利用水浴加熱的方法，在水浴加熱爐中，zno種子層的基底與水浴加熱爐的底面成80°角，加入濃度均為30mmol/l的六水合硝酸鋅溶液和六次甲基四胺溶液混合液，兩種溶液的體積比為1：1，在95℃恒溫2.5h，生長zno納米結(jié)構(gòu)。

（4）氟表面處理：浸入氟硅烷表面處理溶液中24h，高純n2吹干后，置于真空加熱爐中200℃高溫烘烤3h；

（5）殘余光刻膠去除：將氟表面處理后的基底浸入丙酮或酒精有機溶劑中，溶解殘余的光刻膠，從而得到親水疏水相間隔的親水疏水表面，親水疏水表面液體會呈液滴狀，體積為5μl；

（6）傳感器封裝：在上述的親水疏水表面上滴加液滴4，在基底3四周上設置有第一電極板1-1、第二電極板1-2、第三電極板2-1和第四電極板2-2，第一電極板1-1和第二電極板1-2組成第一組平行板電容器，第三電極板2-1和第四電極板2-2組成第二組平行板電容器，液滴4的底部被鑲嵌在基底3上，且液滴4位于第一組平行板電容器和第二組平行板電容器之間，第一電極板1-1、第二電極板1-2電極板在封裝時不能相互接觸，第三電極板2-1和第四電極板2-2在封裝時也不能相互接觸。

當外界低頻振動輸入時，液滴4的底部由于溫澤爾效應被鑲嵌在基底3的親水表面5，不能移動，其余部分在超疏水表面6振動方向做往復衰減振動；當液滴4在振動方向振動時，第一組平行板電容器和第二組平行板電容器上的電荷密度會發(fā)生相應的改變，據(jù)此，可以計算出外界輸入的振動方向和大小。

本發(fā)明二維電容式低頻振動傳感器及其制備方法的有益效果是：本發(fā)明具有制造簡單、成本低、響應快、精確度高和能夠?qū)ΧS的輸入進行精確的測量的特點；能夠?qū)ΧS的振動輸入進行精確快速的檢測，彌補了傳統(tǒng)振動傳感器不能對多維振動進行檢測的不足，具有廣大的工程應用價值和市場前景。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。