基于微纳压印的柔性PDMS薄膜传感器设计

利用性能优异的PDMS薄膜制备的新型柔性传感器柔性好、重复度高,可适应复杂曲面,其应用前景也十分广阔。采用PDMS薄膜为柔性基底,填充导电材料碳纤维制备传感元件,使用微纳压印的方法制备V槽形微结构把灵敏度提高到3.5 kPa~(-1);并总结出柔性PDMS薄膜传感器的制备方案,为柔性PDMS传感器的制备提供参考;最后按照实验设计对PDMS薄膜传感器的性能等方面开展了系统的研究。     

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究（英文）

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感。本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性。该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力。实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值。     

基于中心微泡结构的光纤F-P传感器应力特性研究

硅基材料光纤具有比较小的热膨胀系数,可用来制备具有折射率、应变、应力等敏感特性而温度不敏感特性的传感器件,比如利用光纤F-P传感器可实现高灵敏度的应力传感.本文提出了一种基于化学腐蚀法的低成本、高灵敏光纤F-P传感器件,并分析了其应力传感特性.该方法先利用HF溶液制备凹孔端面光纤,然后采用熔融放电方法制备空心结构的光纤FP传感器,有助于增强光纤器件的应力传感特性和温度不敏感能力.实验结果表明,所设计的F-P传感器其应力变化与光纤F-P传感器干涉谱峰变化呈正比关系,其应力灵敏度可以达到5.2,且成本较低廉,具有一定的应用价值.     

巨磁电阻传感器对铁磁流体的动态检测

研究一种集成微流道的巨磁电阻(GMR)传感器对铁磁流体的动态检测.利用SU-8胶和PDMS键合在巨磁电阻传感器上集成微流道.铁磁流体为直径10 nm的Fe304悬浮溶液.巨磁电阻传感器通过直接测量铁磁流体流过有效检测区域时磁珠的感应场,实现对铁磁流体的动态检测.为使检测的灵敏度最大,综合考虑了外加磁场对传感器灵敏度和磁...     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器研究

对基于Fabry-Perot（F-P）干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺进行了实验研究。在单模光纤端面上直接熔接外径约175μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而在光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔。首先采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片的方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0-3.1MPa压强范围内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09nm/MPa,压强测量分辨率681Pa,并具有很小的温度敏感系数。在30-140℃的温度范围内,温度交差敏感小于1.07KPa/℃。为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料（PSQ）作为压力敏感膜片制作了F-P传感器,室温下在0.1-2.1MPa压强范围内PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到 1 886.85nm/MPa,压强测量分辨率达到53Pa。     

膜片式微型F-P腔光纤压力传感器

为满足工业和生物医学领域对微型化传感器的需求,实验研究了基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪原理的膜片式微型光纤压力传感器的制作工艺.在单模光纤端面上直接熔接外径约175 μm的毛细石英管,在石英管的另一端制作敏感膜片,从而使光纤端面与膜片内表面之间形成F-P干涉腔.采用电弧熔接、切割、腐蚀膜片等方法制作了石英膜片式压力传感器,该传感器在0～3.1 MPa内F-P腔的腔长变化灵敏度为41.09 nm/MPa,压强测量分辨率为681 Pa,并具有很小的温度敏感系数.在30～140 ℃,温度交差敏感＜1.07 kPa/℃.为了克服石英膜片减薄困难的缺点,选用聚合物材料(PSQ)作为压力敏感膜片制作了F-P传感器.室温下在0.1～2.1 MPa,PSQ膜片的F-P腔长变化灵敏度达到1 886.85 nm/MPa,压强测量分辨率达到53 Pa,十分接近人类或其他动物的体内压强测量水平.     

压电喷墨打印头聚合物喷孔制作工艺研究

描述了一种压电喷墨打印头SU-8光刻胶锥形喷孔的制作方法。该方法基于接近式曝光工艺和键合工艺,首先在PDMS基底上旋涂SU-8光刻胶,通过控制曝光量、曝光间隙、后烘、显影等工艺参数,得到带有微小锥形喷孔的SU-8光刻胶喷孔板,再将喷孔板与SU-8光刻胶开放腔室层键合,形成压电喷墨打印头腔室。采用耦合压电物理场和层流流场的方法,数值模拟了喷孔形状对喷墨速度的影响,确定了最佳喷孔形状。通过实验,确定了制作SU-8锥形喷孔的工艺参数为:曝光量110 m J/cm2,曝光间隙110μm,后烘60℃、15 min和显影时间3.5 min;并采用30μm孔径的掩模,制作出了大孔孔径30μm、小孔孔径20μm、孔高45μm的SU-8光刻胶微小锥形喷孔。     

宽范围高灵敏度的碳基柔性电容传感性能北大核心CSCD

为了改善柔性电容式传感器灵敏度与测量范围的问题,提出了一种易制备、无微结构的制备方法。以硅橡胶为柔性基底,碳纳米管和石墨烯为导电填料,采用机械共混和热固化工艺制备了柔性碳基介电层,选用铜箔作为传感器上下电极。研究分析了碳基填料和固化温度对介电层灵敏度与弹性模量的影响,并通过万能试验机与数字电桥构成测试回路对传感器传感性能进行测定分析。实验结果表明,混合填充与单组分填充相比灵敏度提高约10倍,较高的固化温度可以有效降低弹性模量;在30 kPa压力下灵敏度高达1.092 kPa-1且在循环载荷下表现出良好的稳定性,响应时间和恢复时间分别达到300 ms与260 ms,并且拥有较低的迟滞特性。     

SU-8干膜喷墨腔室的制作工艺研究

描述了一种基于干膜层压技术和光刻技术的制作SU-8干膜喷墨腔室的工艺方法:光刻SU-8胶得到开放腔室并使用氧等离子体处理,将PDMS(Polydimethylsiloxane)上的SU-8干膜层压在开放腔室上,使用光刻技术在干膜层上制作出喷孔,从而得到完整的喷墨腔室。该技术简化了喷墨腔室的制作工艺、缩短了制作周期并且只需要常规设备。文章建立了喷墨腔室结构模型,数值仿真模拟了喷墨过程,优化确定了SU-8干膜喷孔板的厚度。分析了层压参数如层压温度和干膜厚度对键合率和通孔率的影响。使用氧等离子体处理工艺提高干膜的键合强度,优化了等离子体射频功率和处理时间。最后对制作的喷墨腔室进行了键合强度测试。     

基于柔性聚合物薄膜的低维材料定点转移研究

针对目前低维材料转移方案中过程复杂和衬底适应性差的难题,提出了一种常温常压下基于柔性聚合物薄膜聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）的低维材料定点转移方法。PDMS柔性膜的受力形变是实现其与不同衬底紧密贴合的基础,针对不同的目标衬底,仅需要更换对应的衬底微调系统盖板,结合三维位移机械系统,即可实现一维和二维材料的通用定点转移。该方法避免了转移过程中的真空吸附及衬底加热等严格条件,降低了材料的定点转移难度并提高了其稳定性和通用性。此外该方法也可实现低维材料同质结或其它垂直结构的构建,从而极大提高低维材料结构的丰富性。     

Fabrication of PDMS micro through-holes for electrochemical micromachining

Surface texture has played a fundamental role in the development of many advanced fields. Through mask electrochemical micromachining (TMEMM) is a feasible alternative for fabricating surface textures. In this paper, polydimethylsiloxane (PDMS) is firstly employed as a mask in TMEMM due to its chemical resistance, low cost, flexibility and high moulding capability. A simple method for fabricating PDMS micro through-holes is proposed. A vacuum-aided process was introduced to fill a PDMS gel into an SU-8 mould, and the PDMS gel was solidified in an oven. Then, the cured PDMS micro through-holes were peeled off of the SU-8 mould. PDMS micro holes with a minimum diameter of 50 μm and a thickness of 200 μm were obtained. Furthermore, the PDMS micro through-holes were then used as a mask to prepare a micro dimple array by TMEMM. Experiments were conducted to verify the feasibility of the proposed approach, and the effect of applied voltage and machining time on the diameter and depth of the micro dimple was investigated. Finally, an array of micro dimples 109 μm in diameter and 9.7 μm deep was successfully fabricated by using PDMS.     

超声时效技术在微注塑模具制作中的应用

针对金属微注塑模具UV-LIGA制作过程中由于SU-8胶内应力过大而引起的胶膜破裂、变形甚至脱落等问题,提出将超声时效技术应用于微注塑模具的制作工艺.首先,利用紫外光刻工艺制备了电铸胶膜,在显影前使用自制的超声时效装置对胶膜进行超声处理.然后,采用无背板生长方法在38CrNiMnMo模具钢基底上直接进行镍金属的电铸生长,讨论并解决了工艺过程中遇到的SU-8胶浮胶变形、非圆形基片的匀胶、胶膜中的气泡以及微电铸层结合不牢等问题.最后,制作出微通道宽度和高度分别为80 μm和35 μm的微注塑模具.实验结果表明,超声时效技术的使用避免了由于SU-8胶内应力过大引起的破裂、变形甚至从基底脱落等缺陷,增强了UV-LIGA技术制作微注塑模具的能力,提高了制作微注塑模具的成功率.     

波导层不连续的Love波延迟线

Love波传感器的波导层和吸附层通常是不同材料的,一般先在整个器件表面覆盖一层声波导层材料,然后在感应区域对应的波导层上涂镀吸附层,但是这样会增大延迟线的插入损耗.文中设计了一种不连续波导层的Love波延迟线,即在感应区域,吸附层直接镀在压电基片上,同时兼作声波导层;在其他区域覆盖声波导层材料.实验器件制作在ST-90°X石英晶体上,中间感应区域用Au作波导层和吸附层,其他区域采用SU-8光刻胶作声波导层,结果表明,采用这种结构的延迟线可以降低损耗2 dB以上.     

UV-LIA制作超高微细阵列电极技术研究

超高金属微细阵列电极在微细加工领域和生命科学领域有广泛应用。本文采用UV-LIGA技术制作超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶、提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数：单次注射式涂胶;前烘110℃/12h;适量曝光剂量;分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min;反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

Electro-magnetically actuated valveless micropump with two flexible diaphragms

We present a parallel dynamic passive valveless micropump, which consists of three layers-valve, diaphragm and electromagnetic coil. The valve is wetly etched in a silicon wafer, the diaphragm is a polydimethyl siloxane (PDMS) film spun on a silicon wafer with embedded permanent magnet posts, and the coil is electroplated on a silicon substrate. Under the actuation of the magnetic field of the coil, the flexible diaphragm can be displaced upwards and downwards. After analyzing magnetic and mechanical characteristic of the flexible membrane and direction-dependence of the nozzle, this paper designed a micropump. And the relative length (L/d) of the micropump's nozzle is 4. A 7×7 array of permanent magnetic posts is embedded in the PDMS film. Two diaphragms work in an anti-step mode, which can relieve the liquid shock and increase the discharge of the micropump. ANSYS and Matlab are adopted to analyze the actuation effect of the coil and the flow characteristic of the micropump. Results show that when actuated under a 0.3 A, 100 Hz current, the displacement of the diaphragm is more than 30 μm, and the discharge of the micropump is about 6 μL/s.     

UV-LIGA制作超高微细阵列电极技术

采用UV-LIGA技术制作了超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶和提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数:单次注射式涂胶,前烘110℃/12h,适量曝光剂量,分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min,反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

基于柔性MEMS皮肤技术温度传感器阵列的研究

采用MEMS皮肤技术,在聚酰亚胺柔性衬底上成功研制出8×8阵列铂薄膜热敏电阻温度传感器。实验采用热氧化硅片为机械载体,以便于旋涂液态聚酰亚胺柔性衬底上器件的加工。最后用湿法腐蚀方法将柔性器件从载体上释放下来。试验表明聚酰亚胺衬底上的铂薄膜热敏电阻与温度的变化具有良好的线性,其电阻温度系数达0.0023/℃。与固态聚酰亚胺膜衬底相比,采用旋涂液态聚酰亚胺解决了制备中遇到的两大主要困难:其一,消除了涂聚酰亚胺衬底与载体界面之间的气泡,聚酰亚胺衬底表面能保持良好平整度;其二,制备过程中由于热循环而使柔性衬底产生的热膨胀明显减小。这种柔性温度传感器阵列易贴于高曲率物体表面以探测小面积温度场分布。     

Micromachined fragment capturer for biomedical applications

Due to changes in modern diet, a form of heart disease called chronic total occlusion has become a serious disease to be treated as an emergency. In this study, we propose a micromachined capturer that is designed and fabricated to collect plaque fragments generated during surgery to remove the thrombus. The fragment capturer consists of a plastic body made by rapid prototyping, SU-8 mesh structures using MEMS techniques, and ionic polymer metal composite (IPMC) actuators. An array of IPMC actuators combined with the SU-8 net structure was optimized to effectively collect plaque fragments. The evaporation of solvent through the actuator's surface was prevented using a coating of SU-8 and polydimethylsiloxane thin film on the actuator. This approach improved the available operating time of the IPMC, which primarily depends on solvent loss. Our preliminary results demonstrate the possibility of using the capturer for biomedical applications.     

Highly sensitive polymer-based cantilever-sensors for DNA detection

We present a technology for the fabrication of cantilever arrays aimed to develop an integrated biosensor microsystem. The fabrication process is based on spin coating of the photosensitive polymer and near-ultraviolet exposure. Arrays of up to 33 microcantilevers are fabricated in the novel polymer material SU-8. The low Young's modulus of the polymer, 40 times lower than that of silicon, enables to improve the sensitivity of the sensor device for target detection. The mechanical properties of SU-8 cantilevers, such as spring constant, resonant frequency and quality factor are characterized as a function of the dimensions and the medium. The devices have been tested for measurement of the adsorption of single stranded DNA and subsequent interstitial adsorption of lateral spacer molecules. We demonstrate that sensitivity is enhanced by a factor of six compared to that of commercial silicon nitride cantilevers.