一种基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器及其制备方法，属于材料科学技术领域，本发明专利技术制备特定排布的微条带纳米柱微纳复合结构阵列基底表面，通过气相沉积技术对此基底表面进行修饰，并与带有一个主流体孔道和多个梯形测量孔道的PDMS芯片结合构成流体压力传感器。通过刻蚀等方法制备的微条带纳米柱复合结构阵列表面，在梯形微孔道中形成多个稳定的具有梯度阈值压力的被动阀门，大幅度提高了流体压力传感器的稳定性和灵敏度，测量量程可达2～800mbar，灵敏度可达16.71mbar

【技术实现步骤摘要】
一种基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料科学
，具体涉及一种基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]流体压力传感器在可穿戴设备、电子皮肤、健康医疗、微流体等领域有广泛的应用(D.-H.Kim Science 2011,333,838-843；S.C.B.Mannsfel Nat.Mater.2010,9,859-864)，然而为了制备同时具有高灵敏、超微量、低成本、小体积等特性的流体压力传感器，还有很多问题亟待解决。人们相继提出了液体柱观察的、毛细管辅助的、电子传感的流体压力检测器。其中,液体柱观察的压力传感器准确度较低，毛细管辅助的传感器的灵敏度难以满足如今大部分应用的测量要求，电子传感的检测器的制备成本比较高昂。
[0003]微芯片由于其体积小、损耗低、灵敏度高、检测速率快等优势可为流体压力提供了一种高效的检测方法。压力环境下发冷光的聚合物被聚合到微芯片旁孔道中，从而实现了微芯片流体压力传感器的制备，流体压力的大小可以根据激发光颜色来判断。然而这种合成方法难以集成到复杂的待测装置中，并且这种聚合物合成过程和检测结果无法达到有良好的可重复性。此外，在检测过程中需要昂贵的激发光检测设备，这很大程度地增大了压力检测成本。微孔道中的毛细阀门也被应用于流体的压力检测，但是这种阀门的阈值压力不准确，重复性较差。另外，不同维度毛细阀门的阈值压力差值较小，不具备较宽的检测范围。因此，此类检测手段很难商品化，无法广泛应用于健康医疗等领域。于是探索一种高灵敏、低成本、小体积、可视化的流体压力传感器是迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述缺点，本专利技术的目的是提供一种高灵敏、可视化的基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器及其制备方法。本专利技术在平行排布的微米级形貌条带阵列表面镶嵌纳米柱阵列，通过气相沉积技术对此基底表面进行修饰，进而与带有一个主流体孔道和多个梯形测量孔道的PDMS芯片结合构成流体压力传感器。流体压力传感器的整个制备过程操作简单，传感器占地面积比较小，检测灵敏度高，可以用肉眼直接观察检测结果。基底上每个疏水的微条带纳米柱复合结构可在梯形测量孔道中形成一个被动阀门，这种被动阀门的阈值压力(即所能阻挡的最大流体压力)与其在微孔道中的长度成负相关。通过计算和测量这种被动阀门的阈值压力，对复合结构阵列进行设计排列，可以在梯形测量孔道中形成阈值压力梯度升高的阀门阵列。当流体流经主流体孔道时，不同压力驱动下的流体前端会停留在测量孔道下不同位置的复合结构阵列。通过综合分析各个梯形测量孔道中流体前端的位置，可实现高灵敏的流体压力检测。本专利技术对流体压力的测量主要是通过微条带纳米柱复合结构排布及对其表面气液固三相线的调控来实现的，此种流体测量方法具有良好的重复性和准确性。整个过程不需要外部复杂的电路元件和辅助设备，通过手机自带相机功能即可记录和推算出流体压力测量结果，有效地降低了芯片的制备和运行
成本。
[0005]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0006]一种基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
[0007](1)、微条带纳米柱复合结构表面初始基片的处理：将基片置于丙酮中超声清洗三遍，每次1～2min，再用无水乙醇清洗三遍，每次1～2min，之后用去离子水超声清洗至无有机溶剂残留；随后对基片进行酸性氧化处理(质量分数为98％浓硫酸和质量分数为30％过氧化氢的混合溶液，两者体积比为7：3)，之后用去离子水清洗至无酸液，存放于去离子水中待用；
[0008](2)、将步骤(1)所得的基片置于氧等离子体清洗机中清洗5～10min，使其表面接枝上羟基，再在基片表面旋涂一层光刻胶(旋涂条件为1000～3000rpm,10～60s，胶膜厚度为2～4μm)；随后将基片置于微米级条带阵列掩模板下紫外曝光10～30s，再将基片置于显影液中浸泡10～30s，得到微米级条带阵列图样的光刻胶表面；将所得的微米级条带阵列图样的光刻胶表面置于等离子刻蚀机腔体中，刻蚀时间为2～20min；将基片置于无水乙醇中超声清洗5～10min，再用去离子水超声清洗5～10min，得到形貌微米级条带阵列结构表面；
[0009](3)、将步骤(2)所得的微米级条带阵列结构表面置于氧等离子体清洗机中清洗5～10min，使其表面接枝为羟基，再将基片置于在质量分数为1-5％的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中浸泡2～10min，用去离子水超声清洗2～5min，使基片表面带有正电荷；之后将基片放于负电性金属纳米粒子溶液中浸泡5～60min，得到吸附有金属纳米粒子的微条带表面；将此表面置于等离子刻蚀机腔体中，刻蚀时间为10～120s，随后浸泡于纳米粒子刻蚀液中2～10min，用去离子水超声清洗1～3min，得到微条带纳米柱复合结构表面；再通过气相沉积法使复合结构表面接枝疏水材料，便在基片表面上得到疏水的微条带纳米柱复合结构阵列；
[0010](4)、将带有均匀铬膜和光刻胶层的玻璃板置于微孔道掩膜版下紫外灯曝光10～30s，所述光刻胶层在下层，铬膜在上层，再将玻璃板置于显影液中浸泡10～30s，得到图案化光刻胶的旋有铬层的玻璃表面；之后置于铬刻蚀液中浸泡2～5min除去表面铬层，得到带有图案化的铬层的玻璃表面；将上述表面置于玻璃刻蚀液(质量比HF：HNO3：NH4F：H2O＝25:23.5:9.35:450)中浸泡20～120min即得到微孔道模具；将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与固化剂按质量比10：0.8～1.0的比例混合均匀，真空脱气10～30min后，倾倒至微芯片孔道模具表面，置于温度为60～100℃的烘箱中，固化3～10h，将其揭起便得到了PDMS微流体孔道；将所得到的微流体孔道与步骤(3)中制备的微条带纳米柱复合结构阵列表面低温键合到一起便得到了基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器。
[0011]步骤(1)中使用的基片为玻璃载玻片、石英片、单晶硅片或PDMS基片。
[0012]步骤(2)中使用的光刻胶为正性光刻胶BP212-37s、BP212-45或负性光刻胶SU-8。
[0013]步骤(2)中使用的微条带掩模板为铬层图案化和菲林打印掩膜版，其中，微条带图案由多条微米级线宽平行线排布构成，微米线的数量和间距是根据需要计算和实验测量设计得出的。
[0014]步骤(2)和(3)中刻蚀气压为0～20mTorr，刻蚀温度10～20℃，刻蚀基底气体流速10～50sccm，刻蚀功率为RF为0～400W，ICP为0～400W，刻蚀气体为氧气、三氟甲烷/六氟化硫、三氟甲烷/氩气等单独气体或多组分混合气体。
[0015]步骤(3)中疏水的接枝材料为1H，1H，2H，2H-过氟辛基三氯硅烷(PFS)或三氯十八硅烷(OTS)。
[0016]步骤(3)中所用的纳米粒子带有负电，如金纳米粒子、银纳米粒子或铝纳米粒子。
[0017]步骤(3)中所用的刻蚀液为可以消耗纳米粒子的腐蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)、微条带纳米柱复合结构表面初始基片的处理：将基片置于丙酮中超声清洗三遍，每次1-2min，再用无水乙醇清洗三遍，每次1-2min，之后用去离子水超声清洗至无有机溶剂残留；随后对基片进行酸性氧化处理，之后用去离子水清洗至无酸液，存放于去离子水中待用；(2)、将步骤(1)所得的基片置于氧等离子体清洗机中清洗5-10min，使其表面接枝上羟基，再在基片表面旋涂一层光刻胶；随后将基片置于微米级条带阵列掩模板下紫外曝光10-30s，再将基片置于显影液中浸泡10-30s，得到微米级条带阵列图样的光刻胶表面；将所得的微米级条带阵列图样的光刻胶表面置于等离子刻蚀机腔体中，刻蚀时间为2-20min；将基片置于无水乙醇中超声清洗5-10min，再用去离子水超声清洗5-10min，得到形貌微米级条带阵列结构表面；(3)、将步骤(2)所得的微米级条带阵列结构表面置于氧等离子体清洗机中清洗5-10min，使其表面接枝为羟基，再将基片置于在质量分数为1-5％的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中浸泡2-10min，用去离子水超声清洗2-5min，使基片表面带有正电荷；之后将基片放于负电性纳米粒子溶液中浸泡5-60min，得到吸附有致密纳米粒子的微条带表面；将此表面置于等离子刻蚀机腔体中，刻蚀时间为10-120s，随后浸泡于金属纳米粒子刻蚀液中2-10min，用去离子水超声清洗1-3min，得到微条带纳米柱复合结构表面；再通过气相沉积法使复合结构表面接枝疏水材料，便在基片表面上得到疏水的微条带纳米柱复合结构阵列；(4)、将带有均匀铬膜和光刻胶层的玻璃板置于微孔道掩膜版下紫外灯曝光10-30s，所述光刻胶层在下层，铬膜在上层，再将玻璃板置于显影液中浸泡10-30s，得到图案化光刻胶的旋有铬层的玻璃表面；之后置于铬刻蚀液中浸泡2-5min除去表面铬层，得到带有图案化的铬层的玻璃表面；将上述表面置于玻璃刻蚀液中浸泡20-120min即得到微孔道模具；将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按质量比10：0.8-1.0的比例混合均匀，真空脱气10-30min后，倾倒至微芯片孔道模具表面，置于温度为60-100℃的烘箱中，固化3-10h，将其揭起便得到了PDMS微流体孔道；将所得到的微流体孔道与步骤(3)中制备的微条带纳米柱复合结构阵列表面低温键合到一起便得到了基于微条带纳米柱复合结构阵列表面的流体压力传感器，即通过致密的微纳复合结构的设计实现流体压力传感器的制备。2.如权利要求1所述的一种基于微纳结构阵列表面的流体压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中使用的基片为玻璃载玻片、石英片、单晶硅片或PDMS...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊虎，于年祚，杨柏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：