[發明專利]一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器

有效

• 申請號: 202010635028.8
• 申請日: 2020-07-04
• 公開（公告）號: CN111780908B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 趙玉龍;劉元;張國棟;任煒;韋學勇;李慧;余旺;張一中
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L5/14
• 分類號: G01L5/14
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器，其特征在于：包括基底(1)，基底(1)上通過MEMS工藝濺射有下層輸出電極(2-1)及下層焊盤(2-2)，下層輸出電極(2-1)與下層焊盤(2-2)通過下層導線(2-3)連接，構成下層輸出層(2)；下層輸出層(2)上通過MEMS工藝旋涂并固化形成聚偏二氟乙烯－三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)薄膜層，并對PVDF-TrFE薄膜層進行硅油浴極化，通過離子刻蝕(RIE)得到PVDF-TrFE敏感元件(3-1)，構成PVDF-TrFE壓電層(3)；PVDF-TrFE壓電層(3)上再次通過MEMS工藝濺射有上層輸出電極(4-1)及上層焊盤(4-2)，上層輸出電極(4-1)與上層焊盤(4-2)通過上層導線(4-3)連接，構成上層輸出層(4)；下層輸出電極(2-1)和上層輸出電極(4-1)采用上下軸向對齊的布置方式；下層焊盤(2-2)與上層焊盤(4-2)采用由下層導線(2-3)、上層導線(4-3)連接并垂直的布置方式；上層輸出層(4)上通過MEMS工藝涂覆有保護層(5)。

2.根據權利要求1所述的一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器，其特征在于：所述的PVDF-TrFE敏感元件(3-1)形狀為圓形，直徑為100μm，厚度為2μm，PVDF-TrFE敏感元件(3-1)與下層輸出電極(2-1)、上層輸出電極(4-1)采取中心軸重合的布置方式。

3.根據權利要求1所述的一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器，其特征在于：所述的PVDF-TrFE敏感元件(3-1)為陣列式結構，除中心點處PVDF-TrFE敏感元件(3-1)外，其他PVDF-TrFE敏感元件(3-1)均位于多個同心圓圓周上，每一同心圓圓周分布多個PVDF-TrFE敏感元件(3-1)，具體個數根據進行測試的藥柱尺寸與藥劑種類進行確定。

4.根據權利要求1所述的一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器，其特征在于：所述的下層輸出電極(2-1)與上層輸出電極(4-1)具有相同的形狀和尺寸；下層焊盤(2-2)與上層焊盤(4-2)具有相同的形狀和尺寸；下層導線(2-3)與上層導線(4-3)具有相同的線寬；其中下層輸出電極(2-1)與上層輸出電極(4-1)呈圓形，直徑均為200μm，厚度均為1μm；其中下層焊盤(2-2)與上層焊盤(4-2)呈圓形，直徑均為5mm；其中下層導線(2-3)與上層導線(4-3)線寬為50μm。

5.根據權利要求3所述的一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器，其特征在于：所述的下層輸出電極(2-1)與上層輸出電極(4-1)為陣列化結構，依據PVDF-TrFE敏感元件(3-1)相應位置進行陣列化排布；下層焊盤(2-2)與上層焊盤(4-2)為陣列化結構，依據相應的下層輸出電極(2-1)與上層輸出電極(4-1)位置進行陣列化排布；下層導線(2-3)與上層導線(4-3)分別對陣列化結構的下層輸出電極(2-1)與下層焊盤(2-2)、上層輸出電極(4-1)與上層焊盤(4-2)進行陣列化連接。

6.根據權利要求1所述的一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器，其特征在于：所述的基底(1)和保護層(5)均采用聚酰亞胺(PI)材料；基底(1)采用液態聚酰亞胺(PI)通過MEMS工藝多次旋涂勻膠固化制成，厚度為20μm；保護層(5)采用負性光敏聚酰亞胺(PSPI)通過MEMS工藝曝光固化制成，厚度為20μm。

7.根據權利要求1所述的一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器，其特征在于：所述的PVDF-TrFE敏感元件(3-1)在爆轟波陣面的作用下處于受壓狀態，將爆轟波陣面壓力信號轉換為電信號，下層焊盤(2-2)與上層焊盤(4-2)連接高速數字記錄設備進行電信號的采集與存儲。

8.根據權利要求5所述的一種測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：在干凈的硅片載體(7)上磁控濺射一層聚四氟乙烯(PTFE)疏水薄膜層(6)作為釋放層；

步驟2：在聚四氟乙烯(PTFE)疏水薄膜層(6)上多次旋涂液態聚酰亞胺(PI)預聚物，加熱固化后形成聚酰亞胺(PI)薄膜作為柔性的基底(1)；

步驟3：在基底(1)上先光刻圖形化，隨后在其上用磁控濺射的方法一次沉積成型下層輸出電極(2-1)陣列、下層焊盤(2-2)陣列與下層導線(2-3)陣列，形成下層輸出層(2)；

步驟4：利用掩膜版光刻圖形化，采用旋涂的方法將溶解在甲基乙基酮(MEK)中的PVDF-TrFE旋涂在下層輸出層(2)上形成PVDF-TrFE薄膜層，隨后在烘箱中固化，固化后在硅油浴中進行PVDF-TrFE薄膜層極化，再次涂覆光刻膠進行圖形化，通過離子刻蝕(RIE)去除掉非圖形區的PVDF-TrFE，最終得到PVDF-TrFE敏感元件(3-1)陣列，形成PVDF-TrFE壓電層(3)；

步驟5：同步驟3一樣，先光刻圖形化，隨后在PVDF-TrFE壓電層(3)上用磁控濺射的方法一次沉積成型上層輸出電極(4-1)陣列、上層焊盤(4-2)陣列與上層導線(4-3)陣列，形成上層輸出層(4)；

步驟6：在上層輸出層(4)表面多次旋涂負性光敏聚酰亞胺(PSPI)預聚物，然后曝光固化負性光敏聚酰亞胺(PSPI)預聚物形成保護層(5)，未曝光區域被露出，包括上層焊盤(4-2)陣列與下層焊盤(2-2)陣列，部分上層導線(4-3)陣列與部分下層導線(2-3)陣列；

步驟7：先沿著劃片槽將傳感器劃開，然后浸泡至丙酮溶液中，使聚四氟乙烯(PTFE)疏水薄膜層(6)與硅片載體(7)分離，傳感器被釋放，從而得到測定微尺度裝藥爆轟波陣面曲率的MEMS壓電式傳感器。