[發明專利]基于柔性鐵電薄膜的流體驅動式壓電傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201510419074.3
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105067835B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 國世上;趙興中;張玲玲;劉暢
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01P5/08
• 分類號: G01P5/08;G01N11/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 胡艷

技術領域

本發明屬于壓電傳感器技術領域，特別涉及一種基于柔性鐵電薄膜的流體驅動式壓電傳感器及其制備方法。

背景技術

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學領域的重要應用。微流控芯片技術起源于20世紀90年代，最初應用于分析化學領域，它以微通道為結構特征，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。

目前基于鐵電共聚物P(VDF-TrFE)的流體驅動式壓電傳感器中，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，但是驅動這種壓電傳感器需要大量的流體，在微量流體驅動下該壓電傳感器難以有較大的信號輸出。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種低流速流體驅動下也有較大信號輸出的、基于柔性鐵電薄膜的流體驅動式壓電傳感器及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：

一、基于柔性鐵電薄膜的流體驅動式壓電傳感器，包括：

玻璃基片和微流控芯片基片；

玻璃基片上集成有兩相平行的P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條；

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，第三電極凹槽和第四電極凹槽位于微溝道另一側；

微流控芯片基片還設有進樣口、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；

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。

作為優選，P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條的紡絲直徑為300nm-500nm、厚度為5μm～10μm、寬度為0.3mm～1mm，P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條間距5mm～25mm。

作為優選，微溝道為直溝道，長20mm～30mm、寬500μm～800μm、高50μm～70μm。

二、基于柔性鐵電薄膜的流體驅動式壓電傳感器的制備方法，包括：

(1)制備P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜；

(2)將P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜轉移至玻璃基片，經刻蝕獲得兩相平行的P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜條；

(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側，另2個電極凹槽位于微溝道另一側；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；

(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。

步驟(1)具體為：

配置質量分數為20％-25％的P(VDF-TrFE)溶液，注射器吸取P(VDF-TrFE)溶液后固定于注射泵，放置接收P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜的金屬轉筒，注射器針頭和金屬轉筒離注射器針頭最近的母線的距離為10cm～15cm；注射器針頭接電場正極，金屬轉筒接地，注射器針頭和金屬轉筒間高壓電場為12～13kV，P(VDF-TrFE)溶液以0.2mL/h～0.3mL/h的速度注射，金屬轉筒以1500r.p.m～2000r.p.m的速度旋轉，即得到P(VDF-TrFE)電紡絲薄膜。

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。

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。

步驟(3)具體為：

采用軟刻蝕法或反應離子刻蝕法將微溝道和電極凹槽轉移到單晶硅片，獲得陽模模板；將液態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，經脫模，得到微流控芯片基片。其中，液態聚二甲基硅氧烷與其固化劑按(5-20)：1的比例混合。