一种纸基mems新型超疏水振动传感器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及传感技术领域，尤其涉及的是一种纸基mems新型超疏水振动传感器及其制备方法。
背景技术：2.振动传感器广泛应用于各种制造工业领域中，绝大部分的制造设备都存在旋转结构件，这些结构件在运行过程中势必会产生振动信号。因此，振动传感器是判定设备在使用过程中能否实现健康运行的核心传感器件之一。但目前应用在振动监测领域的硅微传感器，因其制造工艺要求严苛，成本高昂，研发难度高，周期长，因此大部分现役振动传感器都是依赖进口。在这些目前国际上成熟的振动传感器中，电阻式硅微振动传感器因其结构较为简单、成本相对较低的特点而被大量使用。电阻式硅微振动传感器的工作原理是：质量块随振动激励的施加而发生振荡响应，在连接质量块的梁结构上出现明显的应力，分布在梁结构上的压敏电阻随应力的变化而呈现出电阻变化，相邻电阻变化方向相反，对角电阻变化大小与方向均相同，共同组成惠斯通电桥输出差分电压信号，从而实现对振动激励信号的测量。
3.现有技术中，电阻式硅微振动传感器的压敏电阻是由n/p型离子掺杂，改变半导体的压阻系数来实现的，要保持压敏电阻的均一和目标阻值，工艺难度大且成本高。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现要素：5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种纸基mems新型超疏水振动传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中现有电阻式硅微振动传感器的工艺难度大且成本高的问题。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，包括：
8.纸基框，设置有通孔；
9.纸基块，位于所述通孔内；
10.4个纸基梁，两端分别连接所述纸基块和所述纸基框；
11.其中，4个所述纸基梁中第一纸基梁上设置有第一微米级v型槽，第二纸基梁上设置有第二微米级v型槽，第三纸基梁上设置有第三微米级v型槽，第四纸基梁上设置有第四微米级v型槽；所述第一微米级v型槽的开口和所述第三微米级v型槽的开口均朝向所述纸基梁的一侧，所述第二微米级v型槽的开口和所述第四微米级v型槽的开口均朝向所述纸基梁的另一侧；
12.所述第一微米级v型槽内设置有第一导电层，所述第二微米级v型槽内设置有第二导电层，所述第三微米级v型槽内设置有第三导电层，所述第四微米级v型槽内设置有第四导电层；
13.所述第一导电层的第一端、所述第二导电层的第一端均与电源的第一电极电连接；
14.所述第一导电层的第二端与所述第四导电层的第一端电连接；
15.所述第二导电层的第二端与所述第三导电层的第一端电连接；
16.所述第三导电层的第二端、所述第四导电层的第二端均与所述电源的第二电极电连接。
17.所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，所述第一导电层的电阻、所述第二导电层的电阻、所述第三导电层的电阻以及所述第四导电层的电阻均相等；
18.所述第一导电层的第二端与所述第二导电层的第二端之间的电压为：
[0019][0020]
其中，uo表示第一导电层的第二端与第二导电层的第二端之间的电压，ui表示电源的电压，m表示第一导电层的电阻的变化百分比，n表示第二导电层的电阻的变化百分比。
[0021]
所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，所述第一导电层的电阻的变化百分比为：
[0022][0023]
其中，r1表示第一导电层的电阻，δr1表示第一导电层的电阻变化量；所述第二导电层的电阻的变化百分比为：
[0024][0025]
其中，r2表示第一导电层的电阻，δr2表示第一导电层的电阻变化量。
[0026]
所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，
[0027]
所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层上均形成岛桥微结构，所述岛桥微结构中的桥包括：
[0028]
第一桥体和第二桥体，所述第一桥体和所述第二桥体分别位于对应的微米级v型槽两侧的内壁上。
[0029]
所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，
[0030]
所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层上均包括：
[0031]
相互连接的第一导电部和第二导电部；所述第一导电部和所述第二导电部分别位于对应的微米级v型槽的两侧的内壁上；
[0032]
所述第一导电部和所述第二导电部之间在对应微米级v型槽的开口处具有间隙，所述间隙的宽度为微米级。
[0033]
所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，
[0034]
所述纸基框选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种；
[0035]
所述纸基块选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种；
[0036]
所述纸基梁选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种。
[0037]
所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，所述纸基mems新型超疏水振动传
感器还包括：
[0038]
第一绝缘层和第二绝缘层；
[0039]
其中，所述第一绝缘层铺满所述纸基框、所述纸基块以及所述纸基梁上除所述第一导电层和所述第三导电层之外的区域；
[0040]
所述第二绝缘层铺满所述纸基框、所述纸基块以及所述纸基梁上除所述第二导电层和所述第四导电层之外的区域；
[0041]
所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层上均包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料；
[0042]
所述第一绝缘层以及所述第二绝缘层均包括：疏水性颗粒材料以及粘弹性材料。
[0043]
所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其中，
[0044]
所述导电功能材料包括：金属纳米材料、碳系纳米材料、金属碳/氮化物材料中的至少一种；
[0045]
所述疏水性颗粒材料包括：疏水性sio2颗粒、疏水性zno颗粒中的至少一种；
[0046]
所述粘弹性材料包括：橡胶、热塑/固性弹性体、环氧树脂、高分子有机硅化合物、水凝胶中的至少一种。
[0047]
一种如上任意一项纸基mems新型超疏水振动传感器的制备方法，其中，包括步骤：
[0048]
提供相互连接的纸基框、纸基块以及纸基梁，并提供导电原材料和绝缘原材料；
[0049]
在第一纸基梁上形成第一微米级v型槽，在第二纸基梁上形成第二微米级v型槽，在第三纸基梁上形成第三微米级v型槽，在第四纸基梁上形成第四微米级v型槽；
[0050]
采用喷涂所述导电原材料的方式，在所述第一微米级v型槽内形成第一导电层，在所述第二微米级v型槽内形成第二导电层，在所述第三微米级v型槽内形成第三导电层，在所述第四微米级v型槽内形成第四导电层；
[0051]
采用所述绝缘原材料形成第一绝缘层和第二绝缘层；
[0052]
连接所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层，得到纸基mems新型超疏水振动传感器。
[0053]
所述的纸基mems新型超疏水振动传感器的制备方法，其中，所述第一微米级v型槽、所述第二微米级v型槽、所述第三微米级v型槽以及所述第四微米级v型槽的形成方法包括：表面afm微纳加工、机械切割、激光雕刻、模具压印成型中的至少一种；和/或
[0054]
所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的形成方法包括：喷涂法、浸泡法或旋涂法中的一种。
[0055]
有益效果：在4个纸基梁上分别设置4个微米级v型槽，且4个微米级v型槽内分别设置4个导电层，由于2个微米级v型槽的开口朝向纸基梁的一侧，另外2个微米级v型槽的开口朝向纸基梁的另一侧。当纸基块受到力移动时，纸基梁弯曲，则2个微米级v型槽的开口张得更开，对应的导电层的电阻增大，另外2个微米级v型槽的开口趋近于闭合，对应的导电层的电阻减小。采用纸作为基底材料并形成导电层，制备步骤简单，且成本较低。
附图说明
[0056]
图1是本发明中纸基mems新型超疏水振动传感器的结构示意图。
[0057]
图2是本发明中纸基mems新型超疏水振动传感器的第一爆炸图。
[0058]
图3是本发明中纸基mems新型超疏水振动传感器的第二爆炸图。
[0059]
图4是本发明中导电层的截面图。
[0060]
图5是本发明中导电层的结构示意图。
[0061]
图6是本发明中惠斯通电桥的示意图。
[0062]
图7是导电层的岛-桥微结构的光学形貌图(其中，a和c为两处岛桥微结构，b为a的放大图，d为c的放大图)。
[0063]
附图标记说明：
[0064]
11、纸基框；12、纸基块；13、第一纸基梁；131、第一微米级v型槽；14、第二纸基梁；141、第二微米级v型槽；15、第三纸基梁；151、第三微米级v型槽；16、第四纸基梁；161、第四微米级v型槽；21、第一导电层；22、第二导电层；23、第三导电层；24、第四导电层；25、第一绝缘层；26、第二绝缘层；201、第一导电部；202、第二导电部；203、第三导电部；204、第四导电部；205、第一桥体；206、第二桥体；r1、第一电阻；r2、第二电阻；r3、第三电阻；r4、第四电阻。
具体实施方式
[0065]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0066]
请同时参阅图1-图7，本发明提供了一种纸基mems新型超疏水振动传感器的一些实施例。
[0067]
如图1-图3所示，本发明的纸基mems新型超疏水振动传感器，包括：
[0068]
纸基框11，设置有通孔；
[0069]
纸基块12，位于所述通孔内；
[0070]
4个纸基梁，两端分别连接所述纸基块12和所述纸基框11；
[0071]
其中，4个所述纸基梁中第一纸基梁13上设置有第一微米级v型槽131，第二纸基梁14上设置有第二微米级v型槽141，第三纸基梁15上设置有第三微米级v型槽151，第四纸基梁16上设置有第四微米级v型槽161；所述第一微米级v型槽131的开口和所述第三微米级v型槽151的开口均朝向所述纸基梁的一侧，所述第二微米级v型槽141的开口和所述第四微米级v型槽161的开口均朝向所述纸基梁的另一侧；
[0072]
所述第一微米级v型槽131内设置有第一导电层21，所述第二微米级v型槽141内设置有第二导电层22，所述第三微米级v型槽151内设置有第三导电层23，所述第四微米级v型槽161内设置有第四导电层24；
[0073]
所述第一导电层21的第一端、所述第二导电层22的第一端均与电源的第一电极电连接；
[0074]
所述第一导电层21的第二端与所述第四导电层24的第一端电连接；
[0075]
所述第二导电层22的第二端与所述第三导电层23的第一端电连接；
[0076]
所述第三导电层23的第二端、所述第四导电层24的第二端均与所述电源的第二电极电连接。
[0077]
值得说明的是，在4个纸基梁上分别设置4个微米级v型槽，且4个微米级v型槽内分别设置4个导电层，由于2个微米级v型槽的开口朝向纸基梁的一侧，另外2个微米级v型槽的
开口朝向纸基梁的另一侧。当纸基块12受到力移动时，纸基梁弯曲，则2个微米级v型槽的开口张得更开，对应的导电层的电阻增大，另外2个微米级v型槽的开口趋近于闭合，对应的导电层的电阻减小。采用纸作为基底材料并形成导电层，制备步骤简单，且成本较低。
[0078]
如图2、图3和图5所示，4个导电层连接形成惠斯通电桥，第一导电层21的电阻为第一电阻r1，第二导电层22的电阻为第二电阻r2，第三导电层23的电阻为第三电阻r3，第四导电层24的电阻为第四电阻r4，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3以及第四电阻r4依次首尾连接；电源的第一电极连接在第一电阻r1和第二电阻r2之间，电源的第二电极连接在第三电阻r3和第四电阻r4之间。当纸基块12受力向内移动时，第一电阻r1和第三电阻r3增大，第二电阻r2和第四电阻r4减小，则通过检测检测端的电压可以计算纸基块12的受力大小，这里的检测端为第一电阻r1和第四电阻r4之间以及第二电阻r2和第三电阻r3之间的两个端点。
[0079]
纸基块12未受到力时，检测端的电压，即第一导电层21的第二端与第二导电层22的第二端之间的电压为：
[0080][0081]
其中，uo表示第一导电层的第二端与第二导电层的第二端之间的电压，ui表示电源的电压，r1表示第一导电层的电阻，r2表示第二导电层的电阻，r3表示第三导电层的电阻，r4表示第四导电层的电阻。gnd表示接地。
[0082]
纸基块12受力移动时，检测端的电压，即第一导电层21的第二端与第二导电层22的第二端之间的电压为：
[0083][0084]
其中，δr1表示第一导电层的电阻变化量，δr2表示第二导电层的电阻变化量，δr3表示第三导电层的电阻变化量，δr4表示第四导电层的电阻变化量。
[0085]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图5所示，为了简化计算过程，所述第一导电层21的电阻、所述第二导电层22的电阻、所述第三导电层23的电阻以及所述第四导电层24的电阻均相等，即r1＝r2＝r3＝r4。当然，第一电阻r1和第三电阻r3位于纸基梁的同一侧，则δr1＝δr3，第二电阻r2和第四电阻r4位于纸基梁的同一侧，则δr2＝δr4。定义r1＝r2＝r3＝r4＝r，δr1＝δr3＝mr，δr2＝δr4＝nr，m≠n，这是由于导电层张开或靠拢时电阻变化量并不相等，因此，m≠n。
[0086]
则纸基块12受力移动时，检测端的电压，即第一导电层21的第二端与第二导电层22的第二端之间的电压为：
[0087][0088]
其中，m表示第一导电层的电阻的变化百分比，n表示第二导电层的电阻的变化百
分比。
[0089]
具体地，所述第一导电层的电阻的变化百分比为：
[0090][0091]
其中，r1表示第一导电层的电阻，δr1表示第一导电层的电阻变化量，r3表示第三导电层的电阻，δr3表示第三导电层的电阻变化量；
[0092]
所述第二导电层的电阻的变化百分比为：
[0093][0094]
其中，r2表示第一导电层的电阻，δr2表示第一导电层的电阻变化量，r4表示第四导电层的电阻，δr4表示第四导电层的电阻变化量。
[0095]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图4-图5以及图7所示，所述第一导电层21、所述第二导电层22、所述第三导电层23以及所述第四导电层24上均形成岛桥微结构，所述岛桥微结构中的桥包括：
[0096]
第一桥体205和第二桥体206，所述第一桥体205和所述第二桥体206分别位于对应的微米级v型槽两侧的内壁上。
[0097]
需要强调的是，如图4-图5以及图7所示，由于导电层对应微米级v型槽位置形成岛桥微结构，以微米级v型槽外部两侧的导电层为岛，在微米级v型槽的内壁上延伸形成第一桥体205和第二桥体206，第一桥体205和第二桥体206的间距小于微米级v型槽的宽度，第一桥体205前端与第二桥体206前端在形状上相匹配，形成完整的桥。当微米级v型槽的宽度因形变而变大时，微米级v型槽内壁两侧的导电层相分离，导电层的电阻增大，微米级v型槽的宽度继续变大时，第一桥体205前端和第二桥体206前端相分离，则导电层的电阻继续增大；当微米级v型槽的宽度因形变而变小时，第一桥体205前端和第二桥体206前端相接触，则导电层的电阻减小，微米级v型槽的宽度继续变小时，微米级v型槽内壁两侧的导电层相接触，则导电层的电阻继续减小。
[0098]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图3所示，所述纸基mems新型超疏水振动传感器还包括：
[0099]
第一绝缘层25和第二绝缘层26；
[0100]
其中，所述第一绝缘层25铺满所述纸基框11、所述纸基块12以及所述纸基梁上除所述第一导电层21和所述第三导电层23之外的区域；
[0101]
所述第二绝缘层26铺满所述纸基框11、所述纸基块12以及所述纸基梁上除所述第二导电层22和所述第四导电层24之外的区域。
[0102]
导电层的电阻增大时，会有两个阶段，一个是以桥的分离为主的阶段，另一个是以内壁的分离为主的阶段，两个阶段的相差较大，从而可以扩宽传感器的检测范围。
[0103]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图5所示，所述第一导电层21、所述第二导电层22、所述第三导电层23以及所述第四导电层24上均包括：
[0104]
相互连接的第一导电部201和第二导电部202；所述第一导电部201和所述第二导电部202分别位于对应的微米级v型槽的两侧的内壁上；
[0105]
所述第一导电部201和所述第二导电部202之间在对应微米级v型槽的开口处具有
间隙，所述间隙的宽度为微米级。
[0106]
具体地，微米级v型槽的内壁为倾斜状内壁，越往微米级v型槽的内部，微米级v型槽两侧内壁的间距越小。微米级v型槽的底部可以是尖角状或曲面状，微米级v型槽的底部的形状与加工方法和加工参数有关。微米级v型槽的两侧内壁的第一导电部201和第二导电部202。微米级v型槽外的两侧边缘分别形成第三导电部203和第四导电部204，第三导电部203与第一导电部201连接，第四导电部204与第二导电部202连接。第三导电部203和第四导电部204即为岛桥结构的岛结构。
[0107]
微米级v型槽的宽度为10μm-100μm，微米级v型槽的深度应≤纸基梁厚度的一半，以保证具有微米级v型槽结构的纸一定的机械强度。微米级v型槽的深度大于微米级v型槽的宽度，也就是说，微米级v型槽的深度》100μm。
[0108]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述纸基框11选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种；
[0109]
所述纸基块12选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种；
[0110]
所述纸基梁选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种。
[0111]
具体地，纸基框11、纸基块12以及纸基梁所采用的纸为下列之一：牛皮纸、相片纸等印刷、包装、办公/文化用纸等中的一种。其中纸的一面粗糙度不可太大，太大不易于微米级v型槽结构的形成，另一面则无特殊要求。同时纸张的柔韧性要好，具有一定的机械强度，受力后能够易于回复，不易起皱、折痕。
[0112]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，微米级v型槽的制备方法可通过减材制造方式实现，如表面afm微纳加工、机械切割、激光雕刻等工艺方法，或在压力、一定温度下使用模具压印成型的方式实现。
[0113]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述第一导电层21、所述第二导电层22、所述第三导电层23以及所述第四导电层24均包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料。所述第一绝缘层25以及所述第二绝缘层26均包括：疏水性颗粒材料以及粘弹性材料；由于绝缘层和导电层均采用疏水性颗粒，使得传感器表面具有超疏水的性质，隔绝水对传感器的影响。具体地，疏水性颗粒材料的粒径为纳米级，导电功能材料的粒径或宽度为纳米级。导电功能材料起到导电作用，使得导电层具有导电功能。疏水性颗粒材料起到疏水作用和增强作用，有利于形成岛桥微结构。粘弹性材料起到粘连作用和弹性作用，使得导电层与纸基梁粘连在一起，且具有一定的粘弹性。
[0114]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述导电功能材料包括：金属纳米材料、碳系纳米材料、金属碳/氮化物材料中的至少一种。金属纳米材料银纳米线等，碳系纳米材料有碳纳米管、石墨烯等，金属碳/氮化物材料有mxene等。mxene材料的化学式为m
n+1
axn，其中(n＝1
–
3)，m代表早期过渡金属，比如sc、ti、zr、v、nb、cr或者mo；a通常代表第三主族和第四主族化学元素；x代表c或n元素。
[0115]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述疏水性颗粒材料包括：疏水性sio2颗粒、疏水性zno颗粒中的至少一种。
[0116]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述粘弹性材料包括：橡胶、热塑/固性弹性体、环氧树脂、高分子有机硅化合物、水凝胶中的至少一种。具体地，高分子有机硅化合物有pdms(聚二甲基硅氧烷)等。
[0117]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1所示，所述纸基mems新型超疏水振动传感器还包括：支撑层，设置在纸基框11、纸基块12以及纸基梁的侧面。
[0118]
具体地，为了对纸基框11进行支撑，在纸基框11、纸基块12以及纸基梁的侧面设置支撑层，支撑层还可以防止纸基框11、纸基块12以及纸基梁的侧面进水。
[0119]
基于上述任意一项实施例的纸基mems新型超疏水振动传感器，本发明还提供了一种纸基mems新型超疏水振动传感器的制备方法的较佳实施例：
[0120]
如图1所示，本发明实施例的纸基mems新型超疏水振动传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0121]
步骤s100、提供相互连接的纸基框、纸基块以及纸基梁，并提供导电原材料。
[0122]
具体地，纸基框、纸基块以及纸基梁可以采用一个整体的纸制成，在纸上形成通孔以及采用激光雕刻等方法，形成一体的纸基框、纸基块以及纸基梁。导电原材料是将导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料溶于溶剂得到的。所述导电功能材料采用碳纳米管，所述疏水性颗粒材料采用直径150～250nm的疏水性sio2粒子，所述碳纳米管与所述疏水性sio2粒子的质量比为1:0.5～1:2；所述粘弹性材料包括：pdms主剂和pdms固化剂，所述pdms主剂和所述pdms固化剂的质量比为1:0.05～1:0.2；所述溶剂包括：六甲基二硅胺烷和乙酸乙酯。
[0123]
步骤s200、在第一纸基梁上形成第一微米级v型槽，在第二纸基梁上形成第二微米级v型槽，在第三纸基梁上形成第三微米级v型槽，在第四纸基梁上形成第四微米级v型槽。
[0124]
具体地，微米级v型槽的形成方法包括：表面afm微纳加工、机械切割、激光雕刻、模具压印成型中的至少一种。
[0125]
步骤s300、采用喷涂所述导电原材料的方式，在所述第一微米级v型槽内形成第一导电层，在所述第二微米级v型槽内形成第二导电层，在所述第三微米级v型槽内形成第三导电层，在所述第四微米级v型槽内形成第四导电层。
[0126]
具体地，通过掩膜版覆盖纸基梁上微米级v型槽以外的区域，将导电原材料喷涂在微米级v型槽内，并干燥形成导电层后去除掩膜版。需要说明的是，由于掩膜版中空白区域的宽度为毫米级，而微米级v型槽的宽度为微米级，微米级v型槽边缘的部分仍然暴露出来了。那么在喷涂过程中微米级v型槽内和微米级v型槽边缘均会喷涂有导电原材料。在微观上来说，喷涂并不是绝对均匀的，在微米级v型槽可能存在较大尺寸的超疏水导电材料的液滴或平膜，溶剂挥发后，会形成搭在微米级v型槽两侧的第一桥体和第二桥体。由于溶剂的挥发以及纸的弯曲变形，液滴或平膜并不能形成完整连接的桥，而是形成断开的第一桥体和第二桥体。微米级v型槽内的导电原材料会在微米级v型槽内形成第一导电部以及第二导电部。微米级v型槽外的导电原材料会在微米级v型槽的边缘形成第三导电部和第四导电部。
[0127]
s400、采用所述绝缘原材料形成第一超疏水绝缘层和第二超疏水绝缘层。
[0128]
通过掩膜版覆盖纸基梁上导电层的区域，然后将绝缘原材料形成在纸基框、纸基块以及纸基梁，并干燥形成超疏水绝缘层后去除掩膜版。
[0129]
具体地，所述第一超疏水绝缘层和所述第二超疏水绝缘层的形成方法包括：喷涂法、浸泡法或旋涂法中的一种。
[0130]
步骤s500、连接所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四
导电层，得到纸基mems新型超疏水振动传感器。
[0131]
具体地，制备好各导电层后，连接各导电层形成惠斯通电桥。在接通电源以及电压采集器后，可以进行测量。当然还可以配置支撑层，得到具有支撑层的传感器。
[0132]
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
技术特征：1.一种纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，包括：纸基框，设置有通孔；纸基块，位于所述通孔内；4个纸基梁，两端分别连接所述纸基块和所述纸基框；其中，4个所述纸基梁中第一纸基梁上设置有第一微米级v型槽，第二纸基梁上设置有第二微米级v型槽，第三纸基梁上设置有第三微米级v型槽，第四纸基梁上设置有第四微米级v型槽；所述第一微米级v型槽的开口和所述第三微米级v型槽的开口均朝向所述纸基梁的一侧，所述第二微米级v型槽的开口和所述第四微米级v型槽的开口均朝向所述纸基梁的另一侧；所述第一微米级v型槽内设置有第一导电层，所述第二微米级v型槽内设置有第二导电层，所述第三微米级v型槽内设置有第三导电层，所述第四微米级v型槽内设置有第四导电层；所述第一导电层的第一端、所述第二导电层的第一端均与电源的第一电极电连接；所述第一导电层的第二端与所述第四导电层的第一端电连接；所述第二导电层的第二端与所述第三导电层的第一端电连接；所述第三导电层的第二端、所述第四导电层的第二端均与所述电源的第二电极电连接。2.根据权利要求1所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，所述第一导电层的电阻、所述第二导电层的电阻、所述第三导电层的电阻以及所述第四导电层的电阻均相等；所述第一导电层的第二端与所述第二导电层的第二端之间的电压为：其中，u
o
表示第一导电层的第二端与第二导电层的第二端之间的电压，u
i
表示电源的电压，m表示第一导电层的电阻的变化百分比，n表示第二导电层的电阻的变化百分比。3.根据权利要求2所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，所述第一导电层的电阻的变化百分比为：其中，r1表示第一导电层的电阻，δr1表示第一导电层的电阻变化量；所述第二导电层的电阻的变化百分比为：其中，r2表示第一导电层的电阻，δr2表示第一导电层的电阻变化量。4.根据权利要求1所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层上均形成岛桥微结构，所述岛桥微结构中的桥包括：第一桥体和第二桥体，所述第一桥体和所述第二桥体分别位于对应的微米级v型槽两侧的内壁上。
5.根据权利要求4所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层上均包括：相互连接的第一导电部和第二导电部；所述第一导电部和所述第二导电部分别位于对应的微米级v型槽的两侧的内壁上；所述第一导电部和所述第二导电部之间在对应微米级v型槽的开口处具有间隙，所述间隙的宽度为微米级。6.根据权利要求1所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，所述纸基框选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种；所述纸基块选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种；所述纸基梁选自印刷用纸、包装用纸、办公用纸和文化用纸中的一种。7.根据权利要求1所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，所述纸基mems新型超疏水振动传感器还包括：第一绝缘层和第二绝缘层；其中，所述第一绝缘层铺满所述纸基框、所述纸基块以及所述纸基梁上除所述第一导电层和所述第三导电层之外的区域；所述第二绝缘层铺满所述纸基框、所述纸基块以及所述纸基梁上除所述第二导电层和所述第四导电层之外的区域；所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层上均包括：导电功能材料、疏水性颗粒材料以及粘弹性材料；所述第一绝缘层以及所述第二绝缘层均包括：疏水性颗粒材料以及粘弹性材料。8.根据权利要求7所述的纸基mems新型超疏水振动传感器，其特征在于，所述导电功能材料包括：金属纳米材料、碳系纳米材料、金属碳/氮化物材料中的至少一种；所述疏水性颗粒材料包括：疏水性sio2颗粒、疏水性zno颗粒中的至少一种；所述粘弹性材料包括：橡胶、热塑/固性弹性体、环氧树脂、高分子有机硅化合物、水凝胶中的至少一种。9.一种如权利要求1～8任意一项纸基mems新型超疏水振动传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：提供相互连接的纸基框、纸基块以及纸基梁，并提供导电原材料和绝缘原材料；在第一纸基梁上形成第一微米级v型槽，在第二纸基梁上形成第二微米级v型槽，在第三纸基梁上形成第三微米级v型槽，在第四纸基梁上形成第四微米级v型槽；采用喷涂所述导电原材料的方式，在所述第一微米级v型槽内形成第一导电层，在所述第二微米级v型槽内形成第二导电层，在所述第三微米级v型槽内形成第三导电层，在所述第四微米级v型槽内形成第四导电层；采用所述绝缘原材料形成第一绝缘层和第二绝缘层；连接所述第一导电层、所述第二导电层、所述第三导电层以及所述第四导电层，得到纸基mems新型超疏水振动传感器。10.根据权利要求9所述的纸基mems新型超疏水振动传感器的制备方法，其特征在于，所述第一微米级v型槽、所述第二微米级v型槽、所述第三微米级v型槽以及所述第四微米级
v型槽的形成方法包括：表面afm微纳加工、机械切割、激光雕刻、模具压印成型中的至少一种；和/或所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的形成方法包括：喷涂法、浸泡法或旋涂法中的一种。
技术总结本发明公开了一种纸基MEMS新型超疏水振动传感器及其制备方法，传感器包括：纸基框，设置有通孔；纸基块，位于所述通孔内；4个纸基梁，两端分别连接所述纸基块和所述纸基框，在4个纸基梁上分别设置4个微米级V型槽，且4个微米级V型槽内分别设置4个导电层，由于2个微米级V型槽的开口朝向纸基梁的一侧，另外2个微米级V型槽的开口朝向纸基梁的另一侧。当纸基块受到力移动时，纸基梁弯曲，则2个微米级V型槽的开口张得更开，对应的导电层的电阻增大，另外2个微米级V型槽的开口趋近于闭合，对应的导电层的电阻减小。采用纸作为基底材料并形成导电层，制备步骤简单，且成本较低。且成本较低。且成本较低。
技术研发人员：卢知来 刘林鹏 宋佳楠 陈思雨 王青山 夏建芳
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
