一种纳米纤维压电式压力传感器的分析与制作.pdf

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传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)
2016年第35卷第1期
DOI:10.13873/J.1000-9787(2016)01-0124-03
种纳米纤维压电式压力传感器的分析与制作
张久超,谭晓兰,康杰
(北方工业大学机械与材料工程学院,北京100144)
摘要:为研究多铁纳米纤维在压力传感器上的应用,基于多铁纳米纤维敏感材料,利用MEMS技术、静
电纺丝技术,设计制作了一种压电式压力传感器。通过对单根纳米纤维压电特性的有限元分析,得出纳米
纤维直径越小,长度越大,即电极间距越大,纤维端电勢越高,灵敏度越好。设计了传感器的结构尺寸和工
艺过程,制作出了传感器样片。分析了在深硅刻蚀中掩蔽层保护出现的问题,提出了可行的工艺方法
关键词:压电式压力传感器;纳米纤维;微机电系统;静电纺丝
中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1000987(2016)01-0124-03
Analysis and fabrication of a nano-fiber piezoelectric
Tressure sensor
ZHANG Jiu-chao. TAN Xiao-lan. KANG Jie
College of Mechanical and Materials Engineering, North China University of Technology, Beiiing 100144, China
Abstract n 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
Key words piezoelectric pressure sensor; nano-fiber; MEMS; electrospinning
0引言
压电特性,设计了多铁纳米纤维压电式压力传感器的结构
压力传感器是工业控制、临床医疗、航天、军事等领域尺寸参数和工艺流程,并制作了传感器样片。
中应用最广泛的传感器之一。基于MEMS技术的压力
多铁纳米纤维压电式压力传感器设计
传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、易与大规模集1.1压力传感器的结构
成电路集成等特点。
纳米纤维压力传感器主要由以下三部分组成:空腔硅
压电式压力传慇器其敏感材料多为块体和薄膜。与块基体、叉指型电极、多铁纳米纤维,如图1所示1。传感器
体和薄膜相比,多铁纳米纤维具有很大的长径比,可以将由的测量范围为0~20kPa。多铁纳米纤维分别为利用静
压电效应引起的位移放大,从而可提高传感器性能。在纳电纺丝法制备的 Bite。(BFO)和错钛酸铅(PZT)纳米纤
米纤维制备方面,一般方法难以生长长度超过100pm、直维,叉指电极既是导电电极又是极化电极,两端由主电极引
径小于50mm的单晶纳米纤维,输出电压也大大受限于纳出。传感器在硅基底上制作,背面刻蚀硅腔。多铁纳米纤
米纤维的长度2。静电纺丝法是能够直接、连续制备各种维横向排列在叉指电极上作为压力传感器的敏感材料。
聚合物纳米纤维最有效的方法],它具有设备简单、成本1.2压力传感器的工作原理
低廉、操作容易以及高效率等优点。
当传感器硅基底方形薄膜受到压力后,会产生弹性变
本文使用有限元方法分析了炳电极间单根纳米纤维的形向上鼓起,并带动其上的叉指电极变形,又指电极又会对
收稿日期:2015-04-21
*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51375017)