張久超 ， 譚曉蘭， 康　杰

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

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一種納米纖維壓電式壓力傳感器的分析與制作*

張久超 ， 譚曉蘭， 康杰

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

摘要:為研究多鐵納米纖維在壓力傳感器上的應(yīng)用,基于多鐵納米纖維敏感材料，利用MEMS技術(shù)、靜電紡絲技術(shù)，設(shè)計制作了一種壓電式壓力傳感器。通過對單根納米纖維壓電特性的有限元分析，得出納米纖維直徑越小，長度越大,即電極間距越大，纖維端電勢越高，靈敏度越好。設(shè)計了傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸和工藝過程，制作出了傳感器樣片。分析了在深硅刻蝕中掩蔽層保護(hù)出現(xiàn)的問題，提出了可行的工藝方法。

關(guān)鍵詞:壓電式壓力傳感器； 納米纖維； 微機(jī)電系統(tǒng)； 靜電紡絲

0引言

壓力傳感器是工業(yè)控制、臨床醫(yī)療、航天、軍事等領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一[1]?；贛EMS技術(shù)的壓力傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、易與大規(guī)模集成電路集成等特點。

壓電式壓力傳感器其敏感材料多為塊體和薄膜。與塊體和薄膜相比，多鐵納米纖維具有很大的長徑比，可以將由壓電效應(yīng)引起的位移放大，從而可提高傳感器性能。在納米纖維制備方面，一般方法難以生長長度超過100 μm、直徑小于50 nm的單晶納米纖維，輸出電壓也大大受限于納米纖維的長度[2]。靜電紡絲法是能夠直接、連續(xù)制備各種聚合物納米纖維最有效的方法[3]，它具有設(shè)備簡單、成本低廉、操作容易以及高效率等優(yōu)點。

本文使用有限元方法分析了兩電極間單根納米纖維的壓電特性,設(shè)計了多鐵納米纖維壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和工藝流程，并制作了傳感器樣片。

1多鐵納米纖維壓電式壓力傳感器設(shè)計

1.1壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

納米纖維壓力傳感器主要由以下三部分組成：空腔硅基體、叉指型電極、多鐵納米纖維,如圖1所示[4]。傳感器的測量范圍為0～20 kPa[5]。多鐵納米纖維分別為利用靜電紡絲法制備的BiFeO3(BFO)和鋯鈦酸鉛(PZT)納米纖維,叉指電極既是導(dǎo)電電極又是極化電極，兩端由主電極引出。傳感器在硅基底上制作，背面刻蝕硅腔。多鐵納米纖維橫向排列在叉指電極上作為壓力傳感器的敏感材料。

1.2壓力傳感器的工作原理

當(dāng)傳感器硅基底方形薄膜受到壓力后，會產(chǎn)生彈性變形向上鼓起，并帶動其上的叉指電極變形，叉指電極又會對納米纖維產(chǎn)生拉伸和彎曲作用。多鐵納米纖維的產(chǎn)電機(jī)理是壓電效應(yīng)。納米纖維受到拉伸和彎曲作用，電荷向兩端移動，在電極之間形成電勢差。如圖2所示,納米纖維產(chǎn)生的電荷，通過叉指電極傳輸?shù)酵獠?，在外部測量獲得電壓值。因此，通過測量電壓值達(dá)到測量壓力的目的。壓力傳感器使用叉指電極，相鄰電極之間可看作電源，叉指電極形成串并聯(lián)電路，對輸出電壓起到放大作用，便于測量。

圖1　傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Schematic diagram of sensor structure

圖2　傳感器原理圖Fig 2　Principle diagram of sensor

Gao Y F等人[6]對單根ZnO納米線的產(chǎn)電機(jī)理進(jìn)行了理論推導(dǎo)與分析；Chen X等人[2]對單根的PZT納米纖維進(jìn)行試驗，測試了電壓，并利用PZT納米纖維制作了納米纖維發(fā)電機(jī)。本文研究單根納米纖維參數(shù)對電壓輸出的影響和壓力與電壓輸出關(guān)系，探討對微壓力傳感器設(shè)計和制作的影響，并可粗略預(yù)測傳感器電壓輸出。

1.3單根納米壓電纖維有限元分析

以材料PZT—4為例分析單根納米纖維的壓電特性。材料的壓電本構(gòu)方程可以描述為

(1)

其中，T為應(yīng)力向量，D為電位移向量，S為應(yīng)變向量，E為電場向量，c為彈性剛度常數(shù)矩陣，e為壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣，ε為介電常數(shù)矩陣，et為e的轉(zhuǎn)置矩陣。

根據(jù)均勻場理論[7]，壓電納米纖維的極化方向沿z軸方向，即納米纖維長度方向，且均勻分布。PZT—4材料的彈性剛度常數(shù)矩陣C為

1010N/m2.

(2)

壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣e為

(3)

介電常數(shù)矩陣ε為

(4)

其中,ε0=8.854 19×10-12F/m。

使用Abaqus有限元軟件進(jìn)行壓電分析，在軟件中輸入需調(diào)整材料常數(shù)順序，并對常數(shù)和尺寸參數(shù)統(tǒng)一量綱變換。

建立有限元模型時，根據(jù)受力情況，納米纖維模型簡化為兩端固支結(jié)構(gòu)。第一步，需定義材料的正交各項異性屬性，并定義材料方向沿z軸方向；第二步，對納米纖維兩端施加固定約束和電學(xué)邊界條件，x方向施加最大壓力0.02 MPa；第三步，劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元采用六面體壓電單元，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，單元邊長尺寸定義為0.05，從而得到更加準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)。經(jīng)有限元分析得到的納米纖維在受到壓力0.02 MPa時，納米纖維端電勢云圖如圖3所示。

圖3　單根納米纖維電勢分布Fig 3　Potential distribution of single nano-fiber

2多鐵納米纖維壓力傳感器工藝

納米纖維壓電式壓力傳感器使用N型(100)雙拋硅片，硅片規(guī)格為：4in(1in=25.4mm)，厚度390μm，工藝流程，如圖4所示，使用2張掩模板，主要工藝包括：MEMS技術(shù)、靜電紡絲技術(shù)等。傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計如表1。

為了在一定尺寸范圍內(nèi)制備取向有序、近似平行的多鐵納米纖維，采用了雙極板作為接收電極[8]，制備納米纖維，如圖5所示。制作完成的多鐵納米纖維壓電壓力傳感器如圖6所示。

表1　納米纖維壓電式壓力傳感器參數(shù) (μm)

圖4　納米纖維壓電式壓力傳感器的工藝流程Fig 4　Fabrication process flow chart of nano-fiber piezoelectric pressure sensors

圖5　納米纖維在叉指電極上的顯微圖Fig 5　Microscope picture of nano-fibers on interdigitated electrodes

圖6　多鐵納米纖維壓電式壓力傳感器Fig 6　Multiferroic nano-fiber piezoelectric pressure sensors

3結(jié)果分析與討論

3.1纖維參數(shù)對輸出電壓影響

電勢隨長度變化的關(guān)系曲線，如圖7所示。施加最大壓力0.02 MPa?？梢钥闯?隨納米纖維長度增大，電勢逐漸增高，直徑越小增大越快;納米纖維長度相同，直徑越小電勢越高。

圖7　單根納米纖維長度—電勢曲線Fig 7　Curve of length vs potential of single nano-fiber

電勢隨直徑變化的關(guān)系曲線，如圖8所示。施加最大壓力0.02 MPa。可以看出：隨納米纖維直徑減小，電勢逐漸增高，長度越大增大越快;納米纖維直徑相同，長度越大電勢越高。

圖8　單根納米纖維直徑—電勢曲線Fig 8　Curve of diameter vs potential of single nano-fiber

3.2壓力與電壓輸出關(guān)系

將壓力測量范圍0.02 MPa按10等分施加壓力，得到的壓力與電勢關(guān)系如圖9所示，可以看出：隨壓力增大，電勢增大，呈線性關(guān)系且線性度良好。以直徑相同的兩條曲線作比較，長度大的電勢高、靈敏度好;以長度相同的兩條曲線作比較，直徑小的電勢高、靈敏度好；綜合比較得出，納米纖維直徑越小，長度越長，纖維端電勢越高，靈敏度越好。

圖9　單根納米纖維壓力—電勢曲線Fig 9　Curve of pressure vs potential of single nano-fiber

3.3深硅刻蝕保護(hù)與刻蝕方法

本傳感器樣片的制作中，電感耦合等離子體(ICP)刻蝕采用SF6刻蝕系統(tǒng)，經(jīng)實驗，刻蝕中使用氬氣代替氧氣，刻蝕速度較快，且有較好的刻蝕垂直性，這是因為ICP刻蝕是物理刻蝕與化學(xué)反應(yīng)刻蝕的結(jié)合。氬氣高能離子體積和質(zhì)量大，在一定的工作壓力下對硅表面進(jìn)行物理轟擊，使得ICP刻蝕具有很好的各向異性[9]。硅腔較深，需多次刻蝕，掩蔽層為3層BP—212光刻膠，可起到較好的保護(hù)作用。結(jié)合先使用高功率的標(biāo)準(zhǔn)工藝刻蝕，再使用“Bosch”刻蝕的方法，經(jīng)3次勻膠、刻蝕，刻蝕深度可達(dá)300 μm，最終完成刻蝕。該組合方法刻蝕速率相對較快，表面質(zhì)量較好。

4結(jié)論

基于多鐵納米纖維敏感材料，使用MEMS、靜電紡絲技術(shù)，設(shè)計、制作了納米纖維壓電式壓力傳感器。通過對單根納米纖維有限元壓電分析，得出納米纖維直徑越小，長度越長即電極間距越大，纖維端電勢越高，靈敏度越好。實驗中制備的PZT和BFO納米纖維取向較好；在ICP刻蝕中以BP—212光刻膠作為掩蔽層，使用高功率標(biāo)準(zhǔn)工藝刻蝕與“Bosch”刻蝕相結(jié)合的方法，并以氬氣代替氧氣，刻蝕速率較快，刻蝕質(zhì)量較好，傳感器結(jié)構(gòu)較合理，工藝易于實現(xiàn)。

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張久超(1988- )，男，滿族，北京人，碩士，研究方向為MEMS壓力傳感器。

譚曉蘭,通訊作者,E—mail：tanxiaolan2004@126.com。

Analysis and fabrication of a nano-fiber piezoelectric pressure sensor*

ZHANG Jiu-chao, TAN Xiao-lan, KANG Jie

(College of Mechanical and Materials Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

Abstract:In order to study application of multiferroic nano-fiber in pressure sensor，a piezoelectric pressure sensor based on sensitive materials of multiferroic nano-fibers is designed by using micro-electro-mechanical-systems (MEMS) technology and electrospinning technology.Piezoelectric properties of single nano-fiber are analyzed by finite element analysis software,and it is derived that the smaller the diameter of nano-fibers is, and the longer the length is,that is,the larger distance between electrodes is,the higher the potential at fiber end and the sensitivity are.The structure size and process flow of sensor are designed,and then a sample sensor is fabricated.The masking layer protection problems are analyzed during deep silicon etching,feasible process is proposed.

Key words:piezoelectric pressure sensor; nano-fiber; MEMS; electrospinning

作者簡介:

中圖分類號:TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)01—0124—03

*基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51375017)

收稿日期：2015—04—21

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0124—03