【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水听器，涉及一种基于纳米裂纹的水声传感器及其制备方法。
技术介绍
1、低频水声信号由于在水中吸收少且传播距离较远成为对于远程探测和深海探测的常用手段；一些水下武器和潜艇使用了声隐身技术，噪声级越来越低，噪声频率也随之降低。所以，对于水下声场中低频水声信号的获取和处理是目前海洋声学和水声学领域中的学者较为关注的问题。水声目标探测技术也是水声信号处理与声呐领域的重要研究方向，是环境感知、目标监测、资源勘探、情报收集等海洋应用领域的核心技术之一。研究人员通过对于水下声场中的矢量信息比如质点振速、加速度、位移和声压信息等的分析处理可以实现对于远程目标和隐身目标的检测。
2、水声传感器是将电信号转换为水声信号或将水声信号转换为电信号的器件，其在声纳中的地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的声学器件。将声信号转换成电信号的换能器，用来接收水中的声信号，称为接收换能器，也常称为水听器。水听器可以将水下产生的压力变化转换为电信号，通过对于电信号的进一步分析与处理，可以得到水下低频声场的真实变化情况，低频水听器对于国防安全事业起到极其重要的作用。
3、目前常见的水声传感器传感单元都是制作于硬质基底上，灵敏度低且结构和制作工艺较为复杂，并且通常针对于较为高频的水声信号进行探测，对于低频的水声信号的探测能力较弱。对于使用柔性基底作为水声传感器传感单元探测低频水声信号还没有具体应用。目前尚未有基于柔性基底的纳米裂纹水声传感器被报道。
技术实现思路
1、
2、为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，所述的制备方法第一步，采用薄膜沉积方法在柔性聚合物表面沉积一层金属薄膜；第二步，在柔性聚合物上金属薄膜表面旋涂一层光刻胶，将光刻胶和金属薄膜图案化；第三步对金属薄膜上的光刻胶再次进行图案化；第四步，对柔性聚合物和金属薄膜进行弯曲，使得金属薄膜上产生纳米裂纹，并去除金属薄膜上附着的光刻胶；第五步，将柔性聚合物与激光切割后的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)粘连，随后将其与玻璃片粘连，最后在水声传感器空腔内注入纯水后密封，完成水声传感器的制作。具体包括以下步骤：
4、步骤1)采用薄膜沉积方法在柔性聚合物表面溅射一层金属薄膜。所述的柔性聚合物的基底为聚二甲基硅氧烷(pdms)，金属薄膜为金(au)。所述的薄膜沉积方法为磁控溅射法。
5、步骤2)在金属薄膜表面旋涂一层光刻胶，并将光刻胶和金属薄膜图案化。
6、步骤3)根据金属薄膜上需要的纳米裂纹密度，对金属薄膜上的光刻胶再次图案化，得到光刻胶的图案为具有相同间距、水平排列的光刻胶条纹，以此实现有光刻胶的部分柔性聚合物与没有光刻胶的部分柔性聚合物的中性层处于不同层级。
7、步骤4)将柔性聚合物沿着平行于光刻胶条纹方向进行弯曲，从而使得柔性聚合物上的金属薄膜产生纳米裂纹。该步骤中，由于部分金属薄膜上有光刻胶而部分金属薄膜没有光刻胶，弯曲后，无光刻胶覆盖的部分金属薄膜产生纳米裂纹，即由于光刻胶条纹的保护作用，纳米裂纹仅产生于未被光刻胶覆盖的金属薄膜区域，以此来准确控制纳米裂纹的位置与裂纹密度。
8、步骤5)去除金属薄膜上的光刻胶，得到具有纳米裂纹的条状传感单元，其中条状传感单元两端是传感单元的电极，电极处没有裂纹。该步骤中，对于柔性聚合物使用标准光刻技术将光刻胶进行全曝光后，使用显影液将金属薄膜表面光刻胶去除，得到具有纳米裂纹的条状传感单元。
9、步骤6)通过激光切割机将与柔性聚合物相同大小的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板中间切割出一个贯穿基板的孔洞，孔洞的形状为不受限制，将柔性聚合物与切割后的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板一面通过无影胶粘连，预留部分区域不粘连便于后续操作，在切割后的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板另一表面涂附无影胶，将玻璃片与聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板的另一面粘连，此时在柔性聚合物与玻璃片之间的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板被切割后的空间就会形成一个空腔，通过前述未粘连区域使用注射器向这个空腔内注入液体以平衡部分压力，再次通过无影胶将未粘连区域边缘粘连，完成水声传感器的制作。
10、进一步的，步骤2)中图案化的方法为标准光刻工艺和湿法腐蚀。具体方式为：使用紫外光刻机使柔性聚合物上光刻胶图案化，使用0.5％氢氧化钠溶液作为显影液去除已曝光的光刻胶，未曝光的光刻胶作为保护层，使用金腐蚀液将未被保护的金属薄膜去除。所述光刻胶为bp212正性光刻胶。
11、进一步的，步骤3)中再次图案化的方法为标准光刻工艺。具体方式为：更换掩膜版后通过标准光刻工艺曝光，使用0.5％氢氧化钠溶液作为显影液去除已曝光的光刻胶，完成对光刻胶的图案化，得到光刻胶的图案为具有相同间距、水平排列的光刻胶条纹。
12、进一步的，步骤4)中对于柔性聚合物弯曲使得金属薄膜产生纳米裂纹的具体方式为：将柔性聚合物固定在聚酰亚胺薄膜上，通过电机带动聚酰亚胺薄膜绕在具有一定曲率半径的钢棍上，金属薄膜会产生平行于钢棍方向的纳米裂纹，钢棍曲率半径大小根据纳米裂纹密度不同而选择不同的值。
13、进一步的，步骤5)中所述显影液为质量分数0.5％氢氧化钠溶液。
14、进一步的，步骤6)中所述液体为纯水。
15、一种基于纳米裂纹的水声传感器，采用上述制备方法制得。本专利技术制备得到的基于纳米裂纹的水声传感器，柔性聚合物表面带有纳米裂纹的金属薄膜的电阻会随着低频水下交变压力的变化而发生变化，通过使用导线在电极上连接电阻测量仪可以实现对低频水声的探测。
16、与现有水听器制作方法相比，本专利技术具有以下有益效果：
17、(1)本专利技术通过在柔性聚合物上制作带有纳米裂纹的金属薄膜，在无外加应变状态下，纳米裂纹边缘可以与相对的相邻裂纹边缘连接以传输电子；在垂直于裂纹方向的单轴拉伸下，每对裂纹边缘之间的间隙距离增加，直到超过裂纹粗糙高度而断开。同时由于泊松效应，这些边缘会沿垂直拉伸力的方向收缩，并与它们相对的相邻边缘重新连接。随着应变的增加，连接的边缘数量逐渐减少，直到所有边缘都断开。因此，这种“断开-重连”过程产生了纳米裂纹水声传感器的电阻变化，通过水下声压的不断变化，柔性聚合物表面的纳米裂纹会发生这种“断开-重连”过程，从而实现对于低频水声的超灵敏探测，提高水声传感器的探测范围。
18、(2)本专利技术填补了水听器
内无由柔性聚合物制作水声传感器的空白。
19、(3)另外本专利技术所使用的方法耗时短，工艺流程简洁高效结构简单，可以显著提高低频水声分辨力，可以有力推动我国新型海洋安全保障技术发展和探测能力提升。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，柔性聚合物的基底为聚二甲基硅氧烷PDMS，金属薄膜为金Au；所述的薄膜沉积方法为磁控溅射法。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中图案化的方法为标准光刻工艺和湿法腐蚀；所述光刻胶为BP212正性光刻胶。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中再次图案化的方法为标准光刻工艺。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中对于柔性聚合物弯曲使得金属薄膜产生纳米裂纹的具体方式为：将柔性聚合物固定在聚酰亚胺薄膜上，通过电机带动聚酰亚胺薄膜绕在具有曲率半径的钢棍上，金属薄膜产生平行于钢棍方向的纳米裂纹，钢棍曲率半径大小根据纳米裂纹密度不同而选择不同的值。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中所述液体为纯水。
8.一种基于纳米裂纹的水声传感器，其特征在于，所述的水声传感器采用权利要求1-7任一所权利要求书述制备方法制得，将其与电阻测量仪连接可以实现对低频水声的探测。
...【技术特征摘要】
1.一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，柔性聚合物的基底为聚二甲基硅氧烷pdms，金属薄膜为金au；所述的薄膜沉积方法为磁控溅射法。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中图案化的方法为标准光刻工艺和湿法腐蚀；所述光刻胶为bp212正性光刻胶。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中再次图案化的方法为标准光刻工艺。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米裂纹的水声传感器的制备方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴梦希，兰源，刘梦晶，刘伟怡，刘军山，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。