基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋅納米陣列應(yīng)變傳感器及其測量電路、標(biāo)定系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋅納米陣列應(yīng)變傳感器、測量電路、標(biāo)定系統(tǒng)，包括受力底座和壓電式傳感單元，壓電式傳感單元包括兩個(gè)水平方向平行且間隔設(shè)置的傳感器芯片；傳感器芯片包括依次層疊設(shè)置的基底層、粘合層、氧化鋅種子層、PR窗口層、PDMS保護(hù)層、金屬電極層；氧化鋅種子層設(shè)有一個(gè)下電極；PR窗口層設(shè)有深槽，深槽中垂直生長著氧化鋅納米陣列，氧化鋅納米陣列與金屬電極層之間接觸形成應(yīng)變敏感的肖特基勢壘；金屬電極層設(shè)有兩個(gè)電極。本實(shí)用新型采用了垂直結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米陣列，利用氧化鋅納米陣列與金電極形成的肖特基異質(zhì)結(jié)的巨壓電效應(yīng)極大地提升了傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了更高靈敏度與精確度的應(yīng)變檢測。
【專利說明】
基于巨壓電效應(yīng)的氧化巧納米陣列應(yīng)變傳感器及其測量電 路、標(biāo)定系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于微納電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS/肥MS)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種 基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒垂直納米陣列應(yīng)變傳感器及其測量電路、標(biāo)定系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的金屬或娃應(yīng)變傳感器形變范圍較小、柔初性差、響應(yīng)速度較慢、應(yīng)變系數(shù)也 很低，已不能滿足諸多超高靈敏應(yīng)變測量領(lǐng)域的需求，因而在過去10年中基于可拉伸彎曲 的納米材料與高分子復(fù)合材料的應(yīng)變傳感器已被人們廣泛關(guān)注與研究。目前一些納米材料 例如娃納米線、石墨締和氧化鋒納米結(jié)構(gòu)都陸續(xù)被應(yīng)用于MEMS/肥MS應(yīng)變傳感器。由于尺寸 縮小導(dǎo)致納米尺度效應(yīng)增強(qiáng)，運(yùn)些基于納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器通常靈敏度都比較高、響應(yīng) 速度快、功耗也低、抗沖擊能力很強(qiáng)，在個(gè)人便攜式與穿戴式消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有巨大 的潛在應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 盡管如此，現(xiàn)階段很多應(yīng)用都是基于單根納米線或者水平排列的納米線陣列，運(yùn) 類納米線應(yīng)變傳感器存在如下問題：（1)基于單純壓電效應(yīng)或者壓阻效應(yīng)的納米線應(yīng)變傳 感器的靈敏度雖然相對于傳統(tǒng)金屬或娃應(yīng)變傳感器有了很大的提升，但是受傳感器工作原 理的限制，其靈敏度仍然很難達(dá)到超微量和高質(zhì)量檢測的要求；（2)運(yùn)些納米線應(yīng)變傳感器 的感測信號受外加應(yīng)變和環(huán)境溫度的雙重影響，尤其在超微量檢測中，環(huán)境溫度對結(jié)果的 影響更大，導(dǎo)致靈敏度、測量精度和穩(wěn)定性能下降，而目前的納米應(yīng)變傳感器通常都缺少溫 度補(bǔ)償措施。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 針對上述問題，本實(shí)用新型提出一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感 器及其測量電路、標(biāo)定系統(tǒng)和制備方法，該全新結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器采用了基于MEMS技術(shù)制 備的垂直結(jié)構(gòu)的氧化鋒納米陣列，利用了氧化鋒納米陣列與金電極形成的肖特基異質(zhì)結(jié)的 巨壓電效應(yīng)(結(jié)合壓電效應(yīng)與半導(dǎo)體效應(yīng)的壓電電子學(xué)效應(yīng))極大地提升了傳感器的靈敏 度，并且本實(shí)用新型采用了參考電路，通過差分信號處理排除了溫度等共模噪聲信號的影 響，實(shí)現(xiàn)了更高靈敏度與精確度的應(yīng)變檢測。
[0005] 實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本實(shí)用新型通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器，包括受力底座和壓電式傳感 單元;所述受力底座位于壓電式傳感單元下方，壓電式傳感單元包括兩個(gè)水平方向平行且 間隔設(shè)置的傳感器忍片;所述傳感器忍片包括依次層疊設(shè)置的基底層、粘合層、氧化鋒種子 層、PR窗口層、PDMS保護(hù)層、金屬電極層;所述氧化鋒種子層設(shè)有一個(gè)下電極;所述PR窗口層 設(shè)有深槽，深槽中垂直生長著氧化鋒納米陣列，氧化鋒納米陣列與金屬電極層之間接觸形 成應(yīng)變敏感的肖特基勢壘;所述金屬電極層設(shè)有兩個(gè)電極。
[0007] 所述壓電式傳感單元中的其中一個(gè)傳感器忍片作為測試模塊，另一個(gè)傳感器忍片 作為差分參考電路模塊;所述金屬電極層上的兩個(gè)電極均設(shè)有金屬引線，分別用于連接電 源和信號測量電路。
[0008] 所述受力底座由聚對苯二甲酸乙二醋塑料材料構(gòu)成，粘合層由銘材料構(gòu)成;PDMS 保護(hù)層由聚二甲基硅氧烷材料構(gòu)成。
[0009] -種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器的測量電路，包括信號調(diào)理電 路和信號控制電路，所述信號調(diào)理電路包括依次連接的差動放大器、帶通濾波器、中間級放 大電路和低通濾波器，差動放大器的輸入端分別與氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器中的兩個(gè)傳 感器忍片的輸出端連接;所述信號控制電路包括ADC轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源隔離器、信號隔離器、 微處理器控制忍片和LC的夜晶顯示器;ADC轉(zhuǎn)換器的輸入端與信號測量電路的輸出端連接， 其輸出端通過穩(wěn)壓電源隔離器和信號隔離器與微處理器控制忍片相連，微處理器控制忍片 與LCD液晶顯示器電連接。
[0010] -種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于:包 括傳感器標(biāo)定裝置、信號調(diào)理電路、控制箱、計(jì)算機(jī)、信號源和功率放大器;所述傳感器標(biāo)定 裝置包括:固定支架、電機(jī)驅(qū)動模塊、移動桿，固定支架用于固定應(yīng)變傳感器的一端，電機(jī)驅(qū) 動模塊通過移動桿使應(yīng)變傳感器發(fā)生彎曲；所述信號調(diào)理電路將應(yīng)變傳感器的輸出信號轉(zhuǎn) 換成電壓量模擬信號傳遞給控制箱;控制箱內(nèi)單片機(jī)采集電壓量模擬信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，通過RS232總線傳遞給計(jì)算機(jī)，控制箱同時(shí)接收計(jì)算機(jī)的傳送指令，傳遞給信號源，信 號源輸出信號經(jīng)功率放大器放大后傳遞給傳感器標(biāo)定裝置，為傳感器標(biāo)定裝置提供交流電 壓信號。
[0011] -種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器的制備方法，包括W下步驟：
[0012] SI:選用柔性材料作為受力底座，其表面長2-3畑1，寬為1-2畑1，厚度為250-300皿；
[0013] S2:對受力底座的表面進(jìn)行清潔處理，得到干凈的柔性受力底座；
[0014] S3:對受力底座表面進(jìn)行風(fēng)干，并利用直流瓣射法在其表面形成基底層；
[0015] S4:在基底層上表面依次放置40-60nm的粘合層和150-200nm的氧化鋒種子層；
[0016] S5:在氧化鋒種子層表面旋涂2-3WI1光刻膠，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式開窗，形成PR窗口層； [0017] S6:利用熱液法，在設(shè)定的環(huán)境溫度和時(shí)間下，在PR窗日層中得到垂直的氧化鋒納 米陣列；
[0018] S7:在氧化鋒納米陣列表面旋涂保護(hù)層得到PDMS保護(hù)層，并進(jìn)行加熱固化處理；
[0019] S8: W氧氣與四氣化碳為1:3的比例，刻蝕15-20分鐘暴露納米線的頂部，起到電極 連接的作用；
[0020] S9:通過直流瓣射法放置一層IOO-ISOnm的金屬作為金屬電極層；
[0021] S10:在金屬電極層的頂面做封裝處理，完成基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng) 變傳感器的制作。
[0022] 所述柔性材料選自聚對苯二甲酸乙二醋、聚對苯二甲酸下二醇醋、聚異戊二締中 的一種。
[0023] 所述步驟S2中，清潔處理包括:采用丙酬與異丙醇混合溶液和去離子水各沖洗聚 對苯二甲酸乙二醋4-8分鐘;步驟S3中采用氮?dú)膺M(jìn)行風(fēng)干處理。
[0024] 所述步驟S6中，所述熱液法包括:將步驟S5中得到的材料放置在16-22mmmol/L的 六亞甲基四胺和16-22mmmol/L氧化鋒和4%-6%體積的氨混合液里，所述設(shè)定的環(huán)境溫度 90°-105°，設(shè)定的時(shí)間為15-17小時(shí)。
[0025] 所述步驟S7中，加熱固化處理包括在80-95攝氏度下固化1.5-2.5小時(shí)。
[00%]本實(shí)用新型的有益效果：
[0027] 1、本實(shí)用新型的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器采用垂直方向的陣列式結(jié)構(gòu)，具有單 根納米線或水平納米線陣列不具備的超高的靈敏度，柔初性和穩(wěn)定性。
[0028] 2、本實(shí)用新型采用金屬電極層與氧化鋒納米陣列接觸形成肖特基勢壘，比傳統(tǒng)選 用銀電極的單納米傳感器具有更高的應(yīng)變能力。
[0029] 3、本實(shí)用新型的其中一個(gè)傳感器忍片作為參考電路，受力并不發(fā)生形變，另一個(gè) 傳感器忍片受力發(fā)生形變，兩個(gè)忍片通過電路連接，通過差分信號處理，可極大改善溫度干 擾帶來的影響。
[0030] 4、本實(shí)用新型采用垂直結(jié)構(gòu)的氧化鋒納米陣列和結(jié)構(gòu)上的溫度補(bǔ)償，方法簡單， 成本低，容易在產(chǎn)業(yè)上實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
[0031] 5、本實(shí)用新型提供了應(yīng)變傳感器標(biāo)定裝置，W保證量值的準(zhǔn)確傳遞，檢測了傳感 器是否可W進(jìn)行動態(tài)測量，在后期對其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，W確保其性能指標(biāo)達(dá)到要 求。
[0032] 6、本實(shí)用新型大幅度提高了氧化鋒應(yīng)變傳感器的靈敏度和分辨率，同時(shí)減小溫度 外界環(huán)境的影響，并且采用傳感器標(biāo)定裝置提高了檢測數(shù)據(jù)的精度、靈敏度和可靠性。
【附圖說明】
[0033] 圖1(a)為應(yīng)變傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖1(b)為應(yīng)變傳感器的金屬電極層、氧化鋒納米陣列和肖特基勢壘形成的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0035] 圖2為應(yīng)變傳感器忍片頂層俯視圖。
[0036] 圖3為應(yīng)變傳感器忍片與測量電路連接的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0037] 圖4為基于應(yīng)變傳感器的標(biāo)定裝置原理結(jié)構(gòu)圖。
[0038] 圖5(a)(b)為標(biāo)定應(yīng)力與對數(shù)電流(iiA)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其擬合曲線圖。
[0039] 圖6(a) (b) (CKdKe)為應(yīng)變傳感器忍片制備流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對本 實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本實(shí)用 新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0041] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
[00創(chuàng)實(shí)施例一.
[0043] 如圖1(a)所示，一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器，包括受力底 座11和壓電式傳感單元;所述受力底座位于壓電式傳感單元下方；
[0044] 所述壓電式傳感單元包括兩個(gè)水平方向平行且間隔設(shè)置的傳感器忍片;所述傳感 器忍片包括依次層疊設(shè)置的基底層1、粘合層2、氧化鋒種子層3、PR窗口層4、PDMS保護(hù)層5、 金屬電極層6;所述氧化鋒種子層3設(shè)有一個(gè)下電極12;所述PR窗口層4設(shè)有深槽，深槽中垂 直生長著氧化鋒納米陣列7,氧化鋒納米陣列7與金屬電極層6之間接觸形成應(yīng)變敏感的肖 特基勢壘10,具體見圖1(b);所述金屬電極層設(shè)有兩個(gè)上電極8。
[0045] 所述壓電式傳感單元中的其中一個(gè)傳感器忍片作為測試模塊(通過將受力底座11 的底部與物體如皮膚等接觸，此傳感器忍片由于與物體接觸受力，發(fā)生彎曲，從而導(dǎo)致氧化 鋒納米陣列7與金屬電極層6之間的肖特基勢壘10發(fā)生改變，從而導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的應(yīng)變電 壓/電流特性發(fā)生顯著改變），另一個(gè)傳感器忍片作為差分參考電路模塊(其處于懸空裝置， 在與物體接觸后，由于存在間隙，因而不發(fā)生應(yīng)變響應(yīng)，被用來作為環(huán)境溫度補(bǔ)償），二者通 過電路連接，通過差分信號處理，可極大改善溫度干擾帶來的影響；所述金屬電極層6上的 兩個(gè)上電極8均設(shè)有金屬引線9,分別用于連接電源和信號測量電路。
[0046] 本實(shí)用新型提出的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器的應(yīng)變電流I為：
[0047] Cl)
[004引
[0049] 其中S為接觸面積，A為查理森常量，T為溫度，q為電荷量，(I)BO為在零電場時(shí)的肖特 基勢壘，K為玻爾茲曼常數(shù)，V為外置偏壓，A (I)E為肖特基勢壘的壓降，它可由公式(2)可得， 其中P為應(yīng)變相關(guān)的極化電荷密度，W為肖特基接觸界面上的極化層的寬度，Es為氧化鋒的 介電常數(shù);應(yīng)變傳感器受到應(yīng)變作用后，正比于應(yīng)變的極化電荷密度P發(fā)生明顯的變化，由 公式(2)可知，進(jìn)而導(dǎo)致氧化鋒納米陣列7與金屬電極層6之間肖特基勢壘A (I)E顯著變化， 由上述公式（1)可知，電流I隨之劇烈增加，導(dǎo)致應(yīng)變傳感器忍片伏安特性劇烈變化，因此靈 敏度極高。圖2為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例的應(yīng)變傳感器的俯視圖，其設(shè)有垂直的6X4氧化 鋒納米陣列。
[0050] 作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述受力底座11由聚對苯二甲酸乙二醋塑料材 料構(gòu)成，粘合層2由儀銘材料構(gòu)成;PDMS保護(hù)層5由聚二甲基硅氧烷材料構(gòu)成。
[0051] 實(shí)施例二：
[0052] 如圖3所示，一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器的測量電路，包括 信號調(diào)理電路和信號控制電路，所述信號調(diào)理電路包括依次連接的差動放大器、帶通濾波 器、中間級放大電路和低通濾波器，所述差動放大器的輸入端分別與應(yīng)變傳感器中的兩個(gè) 傳感器忍片的輸出端連接;所述信號控制電路包括ADC轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源隔離器、信號隔離 器、微處理器控制忍片和LC的夜晶顯示;ADC轉(zhuǎn)換器的輸入端與測量電路的輸出端連接，其輸 出端通過穩(wěn)壓電源隔離器和信號隔離器與微處理器控制忍片相連，微處理器控制忍片與 LC的夜晶顯示電連接;所述測量電路還包括恒流源和LDO線性電源，恒流源的輸出端分別與 信號調(diào)理電路和LDO線性電源連接，LDO線性電源輸出端分別與微處理器控制忍片、穩(wěn)壓電 源隔離器、信號隔離器相連，并對其進(jìn)行供電，當(dāng)器件受力時(shí)，通過對信號的處理，最終數(shù)據(jù) 通過微處理器控制忍片在LC的夜晶顯示上顯示。
[0053] 實(shí)施例
[0054] 如圖4所示，一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器的標(biāo)定裝置，包括 傳感器標(biāo)定裝置、信號調(diào)理電路、控制箱、計(jì)算機(jī)、信號源和功率放大器;所述傳感器標(biāo)定裝 置包括：固定支架、電機(jī)驅(qū)動模塊、移動桿，固定支架用于固定應(yīng)變傳感器的一端，如圖4中 (b)處所示，由電機(jī)驅(qū)動模塊通過移動桿使應(yīng)變傳感器發(fā)生彎曲；所述信號調(diào)理電路將應(yīng)變 傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成電壓量模擬信號傳遞給控制箱;控制箱內(nèi)單片機(jī)采集電壓量模擬 信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過RS232總線傳遞給計(jì)算機(jī)，控制箱同時(shí)接收計(jì)算機(jī)的傳送指 令，傳遞給信號源，信號源輸出信號經(jīng)功率放大器放大后傳遞給傳感器標(biāo)定裝置，為傳感器 標(biāo)定裝置提供交流電壓信號。本實(shí)用新型的標(biāo)定裝置，探究了電流與應(yīng)變的關(guān)系，W保證量 值的準(zhǔn)確傳遞，檢測了傳感器是否可W進(jìn)行動態(tài)測量，并且傳感器使用、存儲一段時(shí)間后， 也須對其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，W確保其性能指標(biāo)達(dá)到要求。
[0化5] 立:生田就遜的獻(xiàn)巧佑咸黑的獻(xiàn)巧態(tài)獄TiF責(zé).
[0化6]
(3)
[0057]其中IiO為第個(gè)納米線為在一個(gè)固定的正向偏壓下的無應(yīng)變電流，A Ii為第i個(gè)納 米線受應(yīng)變力時(shí)在同一正向偏壓下對應(yīng)電流的變化，q為電荷量，A d)i(〇為第i個(gè)納米線 肖特基勢壘的變化電勢量，N為納米線敬量為固吿數(shù)，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，e為在傳 感器的表面上的縱向正常應(yīng)變且
，其中a為受力底座厚度的一半，D為應(yīng)變 傳感器的最大彎曲曉度，1為無應(yīng)變作用時(shí)如圖4中（b)處固定端至如圖4中（a)處自由端的 距離，X為應(yīng)變作用后上述固定端和自由端之間的平均距離。由公式(3)可得，即使發(fā)生很小 的應(yīng)變，肖特基勢壘的電勢量A (6(0顯著變化，因此導(dǎo)致電流顯著增大，當(dāng)N個(gè)納米線組成 陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，通過對N個(gè)納米線應(yīng)變勢壘的疊加導(dǎo)致更大電流變化，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.6%時(shí)，應(yīng)變 系數(shù)已達(dá)到1810,運(yùn)比傳統(tǒng)的金屬和娃傳感器應(yīng)變系數(shù)提高了 1-2個(gè)數(shù)量級，該巨壓電效應(yīng) 可W使得應(yīng)變傳感器達(dá)到超高靈敏度檢測的要求。
[005引如圖5(a)所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)測試的偏置電壓都為1.5V時(shí)，先后3次由電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動 移動桿W500WI1/S的速度向前推移，數(shù)據(jù)通過信號調(diào)理電路和控制箱后傳遞給計(jì)算機(jī)，由計(jì) 算機(jī)分析處理，得到=次測試的應(yīng)變與電流的關(guān)系，=次測試數(shù)據(jù)線性擬合后幾乎在同一 條直線上，可知應(yīng)變傳感器的重復(fù)性誤差很小。而且由于巨壓電效應(yīng)的作用，應(yīng)變導(dǎo)致電流 顯著變化，由公式(3)可知應(yīng)變電流變化越大，應(yīng)變系數(shù)也就越大，從而使得該應(yīng)變傳感器 的靈敏度越高。
[0059] 如圖5(b)所示，再W500皿/s的速度向前推移使傳感器逐漸發(fā)生形變，分別施加 1V、1.5V、2V電壓時(shí)，將數(shù)據(jù)通過信號調(diào)理電路和控制箱后傳遞給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)分析處 理，分別得到應(yīng)變與對數(shù)電流的關(guān)系，雖然施加不同的電壓，但是斜率大致恒定，靈敏度較 高沒有變化，即感應(yīng)到的力信號能夠比較準(zhǔn)確、快速的轉(zhuǎn)化為電信號。
[0060] 換言之，當(dāng)對氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，利用微處理器控制忍 片對輸出的電流進(jìn)行對數(shù)處理，并可根據(jù)此線性關(guān)系得到相應(yīng)的應(yīng)變傳感器實(shí)際受到的應(yīng) 變的大小，達(dá)到超靈敏準(zhǔn)確測量的目的。
[0061] 如圖6所示，一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng)變傳感器的制備方法，包括 W下步驟：
[0062] SI:選用柔性材料作為受力底座，其表面長2-3cm，寬為l-2cm，厚度為250-300皿， 優(yōu)選的，所述柔性材料選自聚對苯二甲酸乙二醋、聚對苯二甲酸下二醇醋、聚異戊二締中的 一種，更優(yōu)選地，所述柔性材料為聚對苯二甲酸乙二醋;采用聚對苯二甲酸乙二醋作為基底 材料，其有良好的力學(xué)性能，沖擊強(qiáng)度是其他薄膜的3-5倍，耐折性好;耐油、耐脂肪、耐締 酸、稀堿，耐大多數(shù)溶劑;耐熱老化性好，脆化溫度為-70°C，在-30°C時(shí)仍具有一定初性;氣 體和水蒸氣滲透率低，既有優(yōu)良的阻氣、水、油及異味性能。
[0063] S2:對受力底座的表面進(jìn)行清潔處理，得到干凈的柔性受力底座;優(yōu)選地，清潔處 理包括:采用丙酬與異丙醇混合溶液和去離子水各沖洗聚對苯二甲酸乙二醋4-8分鐘；
[0064] S3:對受力底座表面進(jìn)行風(fēng)干，并利用直流瓣射法在其表面形成基底層;優(yōu)選地， 采用氨氣對聚對苯二甲酸乙二醋表面進(jìn)行風(fēng)干。
[00化]S4:在基底層上表面依次放置40-60nm的粘合層和150-20化m的氧化鋒種子層;優(yōu) 選地，所述粘合層為銘粘合層，如圖6(a)所示，采用銘作為粘合劑其促使粒子之間的粘結(jié)， 故而保證顆粒的強(qiáng)度和密度W便在后續(xù)的工藝中仍保持完整性。
[0066] S5:在氧化鋒種子層表面旋涂2-3皿光刻膠，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式開窗，形成PR窗口層;優(yōu) 選地，光刻膠為希普利S1813光刻膠，旋轉(zhuǎn)式開窗為W每分鐘旋轉(zhuǎn)6000轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)30s開窗，窗的 長和寬都為50]im，如圖6(b)所示。
[0067] S6:利用熱液法，在設(shè)定的環(huán)境溫度和時(shí)間下，在PR窗口層中得到垂直的氧化鋒納 米陣列;優(yōu)選地，所述熱液法包括:將步驟S5中得到的材料放置化6-22mmmol/L的六亞甲基 四胺和16-22mmmol/L氧化鋒和4%-6%體積的氨混合液里，所述設(shè)定的環(huán)境溫度為90°- 105°，設(shè)定的時(shí)間為15-17小時(shí)，最終在窗口中得到6X4的氧化鋒納米陣列，如圖6(c)所示。
[0068] S7:在氧化鋒納米陣列表面旋涂保護(hù)層得到PDMS保護(hù)層，并進(jìn)行加熱固化處理;優(yōu) 選地，所述保護(hù)層的材料為：15-25WI1的聚二鐘硅氧烷，旋涂過程為:每分鐘旋轉(zhuǎn)1500轉(zhuǎn)，旋 轉(zhuǎn)2分鐘;所述加熱固化處理為在80-95攝氏度下固化1.5-2.5小時(shí)，如圖6(d)所示。
[0069] S8: W氧氣與四氣化碳為1:3的比例，刻蝕15-20分鐘暴露納米線的頂部起到電極 連接的作用；
[0070] S9:通過直流瓣射法放置一層IOO-ISOnm的金屬作為金屬電極層，如圖6(e)所示；
[0071] S10:在金屬電極層的頂面做封裝處理，完成基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋒納米陣列應(yīng) 變傳感器的制作。
[0072] W上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述 的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還 會有各種變化和改進(jìn)，運(yùn)些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型 要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋅納米陣列應(yīng)變傳感器，其特征在于：包括受力底座 (11)和壓電式傳感單元;所述受力底座（11)位于壓電式傳感單元下方，壓電式傳感單元包 括兩個(gè)水平方向平行且間隔設(shè)置的傳感器芯片;所述傳感器芯片包括依次層疊設(shè)置的基底 層（1)、粘合層(2)、氧化鋅種子層(3)、PR窗口層(4)、PDMS保護(hù)層（5)、金屬電極層(6);所述 氧化鋅種子層(3)設(shè)有一個(gè)下電極（12);所述PR窗口層(4)設(shè)有深槽，深槽中垂直生長著氧 化鋅納米陣列（7)，氧化鋅納米陣列（7)與金屬電極層(6)之間接觸形成應(yīng)變敏感的肖特基 勢皇(10);所述金屬電極層(6)設(shè)有兩個(gè)電極(8)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋅納米陣列應(yīng)變傳感器，其特征 在于:所述壓電式傳感單元中的其中一個(gè)傳感器芯片作為測試模塊，另一個(gè)傳感器芯片作 為差分參考電路模塊;所述金屬電極層上的兩個(gè)電極(8)均設(shè)有金屬引線(9)，分別用于連 接電源和測量電路。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋅納米陣列應(yīng)變傳感器，其特征 在于:所述受力底座（11)由聚對苯二甲酸乙二酯塑料材料構(gòu)成，粘合層(2)由鉻材料構(gòu)成； PDMS保護(hù)層(5)由聚二甲基硅氧烷材料構(gòu)成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋅納米陣列應(yīng)變傳感器的測量電 路，其特征在于:包括信號調(diào)理電路和信號控制電路，所述信號調(diào)理電路包括依次連接的差 動放大器、帶通濾波器、中間級放大電路和低通濾波器，差動放大器的輸入端分別與氧化鋅 納米陣列應(yīng)變傳感器中的兩個(gè)傳感器芯片的輸出端連接;所述信號控制電路包括ADC轉(zhuǎn)換 器、穩(wěn)壓電源隔離器、信號隔離器、微處理器控制芯片和LCD液晶顯示器;ADC轉(zhuǎn)換器的輸入 端與信號測量電路的輸出端連接，其輸出端通過穩(wěn)壓電源隔離器和信號隔離器與微處理器 控制芯片相連，微處理器控制芯片與IXD液晶顯示器電連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于巨壓電效應(yīng)的氧化鋅納米陣列應(yīng)變傳感器的標(biāo)定系 統(tǒng)，其特征在于:包括傳感器標(biāo)定裝置、信號調(diào)理電路、控制箱、計(jì)算機(jī)、信號源和功率放大 器;所述傳感器標(biāo)定裝置包括:固定支架、電機(jī)驅(qū)動模塊、移動桿，固定支架用于固定應(yīng)變傳 感器的一端，電機(jī)驅(qū)動模塊通過移動桿使應(yīng)變傳感器發(fā)生彎曲；所述信號調(diào)理電路將應(yīng)變 傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成電壓量模擬信號傳遞給控制箱;控制箱內(nèi)單片機(jī)采集電壓量模擬 信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過RS232總線傳遞給計(jì)算機(jī)，控制箱同時(shí)接收計(jì)算機(jī)的傳送指 令，傳遞給信號源，信號源輸出信號經(jīng)功率放大器放大后傳遞給傳感器標(biāo)定裝置，為傳感器 標(biāo)定裝置提供交流電壓信號。
【文檔編號】B82Y15/00GK205609578SQ201620381887
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】張加宏, 李美蓉, 李敏, 葛益嫻, 陳劍翔
【申請人】南京信息工程大學(xué)