一种基于纳米裂纹的地震动传感器的制造方法与流程

1.本发明属于微机电系统和微纳米加工技术领域，涉及一种基于纳米裂纹的地震动传感器的制造方法。


背景技术：

2.地震动传感器是一种感应环境中地震动信号的器件，在地震动监测技术中被广泛应用。对地震动进行检测可以有效的预防地震、泥石流、山体滑坡等自然灾害，并可以进行石油探测以及坦克、装甲车、步行人员等地面目标的探测。由于地震波随传播距离的增加会明显衰减，因而地震动传感器的灵敏度越高，其探测范围越大。然而，目前传统机械式与电子式地震动传感器灵敏度有限。
3.基于电阻变化来测量的金属薄膜由于其较低的频率分辨能力以往很少被用于震动传感器的制作，然而最近科学家们提出带有纳米裂纹的金属薄膜对于超微震动具有超高灵敏度，并制作了许多相关的传感器。例如，澳大利亚蒙纳士大学的程文龙等人通过在聚二甲基硅氧烷(pdms)基底上制作带有纳米裂纹的金纳米线薄膜可以测量声波震动信号；韩国首尔大学的mansoo choi等人通过在粘弹性聚合物聚氨酯丙烯酸酯(pua)表面制作带有纳米裂纹的铂(pt)薄膜所制成的传感器可以用于测量不同频率的声波。
4.但是上述基于纳米裂纹的震动传感器均只能测量施加在薄膜上的交变应力，无法应用至地震动领域的测量。目前尚未有基于纳米裂纹的地震动传感器被报道。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于纳米裂纹的地震动传感器的制造方法，该制造方法所制得的地震动传感器对微小震动具有超高的灵敏度，同时该方法由于不需采用硅作为基底以及锆钛酸铅压电陶瓷(pzt)作为敏感材料因而不需要耗时长的体硅工艺和pzt高温退火工艺，操作简单，方便快速。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种基于纳米裂纹的地震动传感器的制造方法，首先采用磁控溅射等薄膜沉积方法在柔性聚合物表面沉积一层金属薄膜，接着在金属薄膜表面旋涂光刻胶并将光刻胶与金属薄膜图形化，再将金属薄膜表面的光刻胶再次图形化，随后对柔性聚合物进行弯曲使金属薄膜产生纳米裂纹，然后去除金属薄膜表面的光刻胶，接着将柔性聚合物基底切割成悬臂梁结构，最后将柔性聚合物与玻璃基板键合。具体包括以下步骤：
8.1)采用薄膜沉积方法在柔性聚合物表面沉积一层金属薄膜。所述的柔性聚合物基底为聚二甲基硅氧烷(pdms)，金属薄膜为金薄膜。
9.2)在金属薄膜表面旋涂光刻胶，并将光刻胶与金属薄膜图形化。
10.3)根据金属薄膜上所需纳米裂纹的结构，采用光刻工艺对光刻胶进行再次图形化，光刻胶图案为一系列平行条纹，以此控制有光刻胶的部分和没有光刻胶的部分材料中性层处在不同高度。
11.4)将柔性聚合物基底沿平行光刻胶条纹方向进行弯曲使金属薄膜产生纳米裂纹。所述的纳米裂纹仅产生在未被光刻胶覆盖的金属薄膜区域，以此可以精确控制纳米裂纹的参数。
12.5)采用去除剂去除金属薄膜表面的光刻胶。
13.6)将柔性聚合物基底切割成悬臂梁结构，所述的悬臂梁结构对地震动信号具有良好的频率响应。
14.7)最后将柔性聚合物与玻璃基板键合：分别对柔性聚合物上没有金属薄膜的表面和玻璃基板的表面进行处理后，将两个表面贴合按压实现键合。
15.进一步的，步骤1)中所述的薄膜沉积方法包括磁控溅射法、化学气相沉积等。
16.进一步的，步骤2)中所述光刻胶为bp212正性光刻胶。
17.进一步的，步骤2)中图形化方法为光刻和湿法腐蚀。
18.进一步的，步骤4)中所述的对柔性聚合物基底进行弯曲使金属薄膜产生纳米裂纹的具体方式为：将柔性聚合物环绕在一定曲率半径的管上，金属薄膜表面出现平行不锈钢管方向的纳米裂纹，其中，曲率半径大小随所需裂纹间隔大小而取值不同，取值范围在0.5mm～12mm。
19.进一步的，步骤5)中所述的光刻胶去除剂为丙酮。
20.进一步的，步骤7)中所述的键合方法为氧等离子体键合。
21.本发明的要求：依照本发明提出的方法制得的基于纳米裂纹的地震动传感器，其聚合物表面的金属薄膜的电阻会随所受地震动的不同而发生变化，通过使用导线在焊盘上连接电阻测量仪器可以实现地震动的探测。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.本发明通过在悬臂梁结构的柔性聚合物基底上制作带有纳米裂纹的金属薄膜，可以实现对于微地震的超灵敏测量，从而可以提高地震动传感器的探测范围。另外本发明中所使用的方法不需耗时长且复杂的体硅工艺，工艺流程简单高效。
附图说明
24.图1是柔性聚合物表面沉积金属薄膜；
25.图2是在金属薄膜表面旋涂光刻胶并将光刻胶与金属薄膜图形化；
26.图3是金属薄膜表面光刻胶的再次图形化；
27.图4是弯曲柔性聚合物；
28.图5是去除金属薄膜表面的光刻胶；
29.图6是将柔性聚合物基底切割成悬臂梁结构并与玻璃键合；
30.图7是基于纳米裂纹的地震动传感器的立体结构示意图。
31.图中：1柔性聚合物，2金属薄膜，3光刻胶，4金属纳米裂纹，5玻璃基板，6焊盘。
具体实施方式
32.以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施方式。
33.该实施例提供的基于纳米裂纹的地震动传感器的制造方法如下：
34.如附图1～6所示。在1mm厚的柔性聚合物1(pdms)表面通过磁控溅射的方法沉积一
层厚度为100纳米的金属薄膜2(au)；在金属薄膜2表面使用匀胶机旋涂一层光刻胶3(bp212)，旋涂参数为1000rpm、30s，前烘温度为室温(25℃)、4h；使用紫外光刻机对光刻胶3曝光，曝光时间为154s，光强为2.5mw/cm2，然后在质量分数为0.5％的naoh溶液中显影30s；将图形化后的光刻胶3作为刻蚀掩膜，使用配比为i2：ki：h2o＝1g：5g：50ml的金腐蚀液将金属薄膜2图形化；再次使用曝光、显影工艺将光刻胶3图形化；弯曲柔性聚合物1，具体方法为将柔性聚合物环绕在曲率半径为2mm的不锈钢管上，金属薄膜表面出现平行不锈钢管方向的纳米裂纹4；使用丙酮去除光刻胶3；将柔性聚合物1切割为需要的悬臂梁结构；分别对柔性聚合物1没有金属薄膜的表面和玻璃基板5的表面进行氧等离子体处理后，将两个表面贴合按压以键合。
35.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。