[發明專利]一種基于微納結構陣列表面的流體壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202011168557.8
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112326100B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 張俊虎;于年祚;楊柏
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純

本發明公開了一種基于微納結構陣列表面的流體壓力傳感器及其制備方法，屬于材料科學技術領域，本發明制備特定排布的微條帶納米柱微納復合結構陣列基底表面，通過氣相沉積技術對此基底表面進行修飾，并與帶有一個主流體孔道和多個梯形測量孔道的PDMS芯片結合構成流體壓力傳感器。通過刻蝕等方法制備的微條帶納米柱復合結構陣列表面，在梯形微孔道中形成多個穩定的具有梯度閾值壓力的被動閥門，大幅度提高了流體壓力傳感器的穩定性和靈敏度，測量量程可達2～800mbar，靈敏度可達16.71mbar^?1。本發明的流體壓力傳感器可以實現高靈敏測量多種環境下流體的壓力值，測量結果可以用手機自帶相機直接記錄，降低了檢測成本。

技術領域

本發明屬于材料科學技術領域，具體涉及一種基于微納結構陣列表面的流體壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

流體壓力傳感器在可穿戴設備、電子皮膚、健康醫療、微流體等領域有廣泛的應用(D.-H.Kim Science 2011,333,838-843；S.C.B.Mannsfel Nat.Mater.2010,9,859-864)，然而為了制備同時具有高靈敏、超微量、低成本、小體積等特性的流體壓力傳感器，還有很多問題亟待解決。人們相繼提出了液體柱觀察的、毛細管輔助的、電子傳感的流體壓力檢測器。其中,液體柱觀察的壓力傳感器準確度較低，毛細管輔助的傳感器的靈敏度難以滿足如今大部分應用的測量要求，電子傳感的檢測器的制備成本比較高昂。

微芯片由于其體積小、損耗低、靈敏度高、檢測速率快等優勢可為流體壓力提供了一種高效的檢測方法。壓力環境下發冷光的聚合物被聚合到微芯片旁孔道中，從而實現了微芯片流體壓力傳感器的制備，流體壓力的大小可以根據激發光顏色來判斷。然而這種合成方法難以集成到復雜的待測裝置中，并且這種聚合物合成過程和檢測結果無法達到有良好的可重復性。此外，在檢測過程中需要昂貴的激發光檢測設備，這很大程度地增大了壓力檢測成本。微孔道中的毛細閥門也被應用于流體的壓力檢測，但是這種閥門的閾值壓力不準確，重復性較差。另外，不同維度毛細閥門的閾值壓力差值較小，不具備較寬的檢測范圍。因此，此類檢測手段很難商品化，無法廣泛應用于健康醫療等領域。于是探索一種高靈敏、低成本、小體積、可視化的流體壓力傳感器是迫切需要解決的問題。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述缺點，本發明的目的是提供一種高靈敏、可視化的基于微納結構陣列表面的流體壓力傳感器及其制備方法。本發明在平行排布的微米級形貌條帶陣列表面鑲嵌納米柱陣列，通過氣相沉積技術對此基底表面進行修飾，進而與帶有一個主流體孔道和多個梯形測量孔道的PDMS芯片結合構成流體壓力傳感器。流體壓力傳感器的整個制備過程操作簡單，傳感器占地面積比較小，檢測靈敏度高，可以用肉眼直接觀察檢測結果。基底上每個疏水的微條帶納米柱復合結構可在梯形測量孔道中形成一個被動閥門，這種被動閥門的閾值壓力(即所能阻擋的最大流體壓力)與其在微孔道中的長度成負相關。通過計算和測量這種被動閥門的閾值壓力，對復合結構陣列進行設計排列，可以在梯形測量孔道中形成閾值壓力梯度升高的閥門陣列。當流體流經主流體孔道時，不同壓力驅動下的流體前端會停留在測量孔道下不同位置的復合結構陣列。通過綜合分析各個梯形測量孔道中流體前端的位置，可實現高靈敏的流體壓力檢測。本發明對流體壓力的測量主要是通過微條帶納米柱復合結構排布及對其表面氣液固三相線的調控來實現的，此種流體測量方法具有良好的重復性和準確性。整個過程不需要外部復雜的電路元件和輔助設備，通過手機自帶相機功能即可記錄和推算出流體壓力測量結果，有效地降低了芯片的制備和運行成本。

本發明通過如下技術方案實現：

一種基于微納結構陣列表面的流體壓力傳感器的制備方法，具體步驟如下：

(1)、微條帶納米柱復合結構表面初始基片的處理：將基片置于丙酮中超聲清洗三遍，每次1～2min，再用無水乙醇清洗三遍，每次1～2min，之后用去離子水超聲清洗至無有機溶劑殘留；隨后對基片進行酸性氧化處理(質量分數為98％濃硫酸和質量分數為30％過氧化氫的混合溶液，兩者體積比為7：3)，之后用去離子水清洗至無酸液，存放于去離子水中待用；