一种压电纤毛微流速传感器

1.本发明属于传感技术领域，涉及微电子机械系统(mems)，特别涉及一种压电纤毛微流速传感器。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，迫切需要体积小、成本低、精度高的微流速传感器。目前，微流速传感器主要有热式传感器和非热式微型传感器，热式传感器测量具有测量简单和工艺易控制的优点，缺点是功耗大，响应时间长和零点随环境温度漂移等问题。
3.非热式微型流速传感器是将流速信息转变为力或压强的信息，再检测力或压强所引起的敏感结构的形变信息测量风速。传感器的结构对灵敏度有很大影响，其中高宽比越大的结构对外界受力反应越明显，灵敏度越高。常见的有压电、压阻和电容等测试方式，其中电容检测具有结构简单、温漂小的优点，但是线性不好；压阻检测适用范围广，但有明显的温度效应；压电检测具有响应快和功耗小的优点，由于压电材料脆性的特点，传统方式难以进行高长宽比结构的加工，并且制作过程相对复杂。因此需要一种简单、高效的方式加工高宽比压电结构，以制备结构简单、灵敏度高的压电流速传感器。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有的技术存在的问题，提出了一种压电纤毛微流速传感器，通过电射流技术打印连续压电陶瓷纤毛，通过电场力约束细化射流实现高长径比结构的打印，压电纤毛在受力时发生形变，产生压电信号，设置在压电纤毛两侧的电极将信号导出，具有结构简单、制作方便和灵敏度高的特点。
5.本发明所采用的技术方案：
6.一种压电纤毛微流速传感器，包括基底1、压电纤毛2、电极ⅰ3、电极ⅱ4、电路电极ⅱ5和电路电极ⅰ6。
7.所述压电纤毛2采用电射流打印装置以电射流打印的方式打印到基底1表面上；所述电射流打印装置包括底座7、注射泵8、注射器9、针头10、摄像机11、高压电源12和电脑13。其中，基底1放置在底座7上，底座7内置加热装置；注射器9安装在注射泵8上，并与针头10连接，注射泵8控制注射器9实现打印溶胶的微量进给；高压电源12与针头10连接，提供高压电场，细化射流；摄像机11用于打印过程的实时检测，电脑13分别与摄像机11和高压电源12连接，用于观测和电压控制。
8.打印过程中针头10靠近基底1表面，注射泵8控制打印溶胶进给，高压电源12施加高压电场，溶胶在电场力和粘性力的作用下逐渐打印到基底1表面，由于电场作用压电纤毛2的直径可以达到微米，并在热场作用下，逐渐固化。针头10缓慢上升，压电纤毛2的高度逐渐增大，由于边打印边固化的特点，压电纤毛2的高度可以达到毫米级别，实现大高宽比压电结构打印。通过连续打印的压电纤毛2表面结构光滑，直径小，可以实现更大角度的弯曲。
9.将打印的压电纤毛2进行高温退火结晶；所述电极ⅰ3和电极ⅱ4通过溅射或聚焦离
子束的方式附着在压电纤毛2两侧表面。所述电路电极ⅱ5和电路电极ⅰ6设置在基底1上，电极ⅰ3与电路电极ⅰ6连接，电极ⅱ4与电路电极ⅱ5连接。电路电极ⅱ5和电路电极ⅰ6通过连接外部测试电路测试压电纤毛2变形过程中产生的电荷。
10.所述压电纤毛2工作前需要进行极化，在电极ⅰ3和电极ⅱ4之间施加高压电场进行极化，使压电纤毛2带有压电性。
11.所述压电纤毛2的高度为h，直径为a，其高宽比为h/a；为提高传感器的灵敏度，设置压电纤毛2的高宽比h/a大于50。
12.本发明的有益效果：本发明提供了一种压电纤毛微流速传感器，通过在基底上沉积压电纤毛，在受力时使压电纤毛发生形变，产生压电信号，从而实现了流速检测；本发明通过打印高宽比压电纤毛结构，增大了压电纤毛变形，提高了传感器的灵敏度。此外，采用mems工艺技术，降低了器件功耗，具有结构简单、制作方便和灵敏度高的优点。
附图说明
13.图1为本发明所述的压电纤毛微流速传感器的结构示意图。
14.图2为本发明提出的压电纤毛微流速传感器的截面图。
15.图3为本发明提出的压电纤毛电射流打印装置示意图。
16.图中：1基底；2压电陶瓷；3电极ⅰ；4电极ⅱ；5电路电极ⅱ；6电路电极ⅰ；7底座；8注射泵；9注射器；10针头；11摄像机；12高压电源；13电脑。
具体实施方式
17.下面结合技术方案和附图对本发明进一步说明。
18.如图1所示，一种压电纤毛微流速传感器，包括基底1、压电纤毛2、电极ⅰ3、电极ⅱ4、电路电极ⅱ5和电路电极ⅰ6。
19.所述压电纤毛2采用电射流打印装置以电射流打印的方式打印到基底1表面上。如图3所示，电射流打印装置包括底座7、注射泵8、注射器9、针头10、摄像机11、高压电源12和电脑13。其中，基底1放置在底座7上，底座7内置加热装置；注射器9安装在注射泵8上，并与针头10连接，注射泵8控制注射器9实现打印溶胶的微量进给；高压电源12与针头10连接，提供高压电场，细化射流；摄像机11用于打印过程的实时检测，电脑13分别与摄像机11和高压电源12连接，用于观测和电压控制。
20.打印过程中针头10靠近基底1表面，注射泵8控制打印溶胶1μl/min进给，高压电源12施加2kv高压电场，溶胶在电场力和粘性力的作用下逐渐打印到基底1表面，由于电场作用压电纤毛2的直径可以达到1μm，并在100℃热场作用下，逐渐固化。针头10以0.05m/s的速度上升，压电纤毛2的高度逐渐增大，由于边打印边固化的特点，压电纤毛2的高度可以达到1mm，实现大高宽比压电结构打印。通过连续打印的压电纤毛2表面结构光滑，直径小，可以实现更大角度的弯曲。
21.将打印的压电纤毛2进行高温退火结晶；所述电极ⅰ3和电极ⅱ4通过溅射或聚焦离子束的方式附着在压电纤毛2两侧表面。所述电路电极ⅱ5和电路电极ⅰ6设置在基底1上，电极ⅰ3与电路电极ⅰ6连接，电极ⅱ4与电路电极ⅱ5连接。外部测试电路通过电路电极测试压电纤毛2变形过程中产生的电荷。
22.所述压电纤毛2工作前需要进行极化，在电极ⅰ3和电极ⅱ4之间施加高压电场进行极化，使压电纤毛2带有压电性。
23.所述压电纤毛2的高度h为1mm，直径a为1μm时，高宽比为1000。
24.工作原理：本发明中将压电纤毛打印到基底上，并进行高温退火结晶，表面电极通过溅射的方式附着在压电纤毛两侧表面，电极ⅰ和电极ⅱ分别与电路电极连接并与外部测试电路连接。当传感器在一定流速下发生形变，压电纤毛一侧受到压力，一侧受到拉力，两个电极间产生电势，当流速不同时形变不同，产生电势不同，根据不同电势可以测试不同流速。
25.综合以上所述内容，本发明提供了一种压电纤毛微流速传感器，通过在基底上沉积压电陶瓷，在受力时使压电纤毛发生形变，产生压电信号，打印高宽比压电纤毛结构，增大了压电纤毛变形，提高了灵敏度。采用mems工艺技术，降低了器件功耗，具有结构简单、制作方便和灵敏度高的优点。


技术特征：
1.一种压电纤毛微流速传感器，其特征在于，该传感器包括基底(1)、压电纤毛(2)、电极ⅰ(3)、电极ⅱ(4)、电路电极ⅱ(5)和电路电极ⅰ(6)；所述压电纤毛(2)以电射流打印的方式打印到基底(1)表面上，并对打印的压电纤毛(2)进行高温退火结晶；所述电极ⅰ(3)和电极ⅱ(4)通过溅射或聚焦离子束的方式附着在压电纤毛(2)两侧表面；所述电路电极ⅱ(5)和电路电极ⅰ(6)设置在基底(1)上，电极ⅰ(3)与电路电极ⅰ(6)连接，电极ⅱ(4)与电路电极ⅱ(5)连接；电路电极ⅱ(5)和电路电极ⅰ(6)通过连接外部测试电路测试压电纤毛(2)变形过程中产生的电荷。2.根据权利要求1所述的一种压电纤毛微流速传感器，其特征在于，所述压电纤毛(2)工作前进行极化，在电极ⅰ(3)和电极ⅱ(4)之间施加高压电场进行极化，使压电纤毛(2)带有压电性。3.根据权利要求1或2所述的一种压电纤毛微流速传感器，其特征在于，采用电射流打印装置将压电纤毛(2)打印到基底(1)表面上；所述电射流打印装置包括底座(7)、注射泵(8)、注射器(9)、针头(10)、摄像机(11)、高压电源(12)和电脑(13)；其中，基底(1)放置在底座(7)上，底座(7)内置加热装置；注射器(9)安装在注射泵(8)上，并与针头(10)连接，注射泵(8)控制注射器(9)实现打印溶胶的微量进给；高压电源(12)与针头(10)连接，提供高压电场，细化射流；摄像机(11)用于打印过程的实时检测，电脑(13)分别与摄像机(11)和高压电源(12)连接，用于观测和电压控制；打印过程中针头(10)靠近基底(1)表面，注射泵(8)控制打印溶胶进给，高压电源(12)施加高压电场，溶胶在电场力和粘性力的作用下逐渐打印到基底(1)表面，由于电场作用压电纤毛(2)的直径达到微米，并在热场作用下，逐渐固化；针头(10)缓慢上升，压电纤毛(2)的高度逐渐增大，由于边打印边固化的特点，压电纤毛(2)的高度达到毫米级别，实现大高宽比压电结构打印。4.根据权利要求1或2所述的一种压电纤毛微流速传感器，其特征在于，所述压电纤毛(2)的高度为h，直径为a，为提高传感器的灵敏度，设置压电纤毛(2)的高宽比h/a大于50。5.根据权利要求3所述的一种压电纤毛微流速传感器，其特征在于，所述压电纤毛(2)的高度为h，直径为a，为提高传感器的灵敏度，设置压电纤毛(2)的高宽比h/a大于50。

技术总结
本发明提供了一种压电纤毛微流速传感器，属于传感技术领域。该传感器包括基底、压电纤毛、电极和电路电极；压电纤毛通过打印的方式打印到基底表面上，电极通过溅射或聚焦离子束的方式附着在压电纤毛两侧表面。当传感器在一定流速下发生形变，两个电极间产生电势，当流速不同时形变不同，产生电势不同，根据不同电势可以测试不同流速。本发明通过打印高宽比压电纤毛结构，增大了压电纤毛变形，提高了传感器的灵敏度；采用MEMS工艺技术，降低了器件的成本，减小器件功耗，具有结构简单、制作方便和灵敏度高的优点。灵敏度高的优点。灵敏度高的优点。


技术研发人员：王大志 李义康 胡鑫 路良坤 徐鹏飞 刘犇 锁刘佳 崔岩
受保护的技术使用者：大连理工大学宁波研究院
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/3/24