本發(fā)明屬于水聽器，涉及一種基于納米裂紋的水聲傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、低頻水聲信號(hào)由于在水中吸收少且傳播距離較遠(yuǎn)成為對于遠(yuǎn)程探測和深海探測的常用手段；一些水下武器和潛艇使用了聲隱身技術(shù)，噪聲級(jí)越來越低，噪聲頻率也隨之降低。所以，對于水下聲場中低頻水聲信號(hào)的獲取和處理是目前海洋聲學(xué)和水聲學(xué)領(lǐng)域中的學(xué)者較為關(guān)注的問題。水聲目標(biāo)探測技術(shù)也是水聲信號(hào)處理與聲吶領(lǐng)域的重要研究方向，是環(huán)境感知、目標(biāo)監(jiān)測、資源勘探、情報(bào)收集等海洋應(yīng)用領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。研究人員通過對于水下聲場中的矢量信息比如質(zhì)點(diǎn)振速、加速度、位移和聲壓信息等的分析處理可以實(shí)現(xiàn)對于遠(yuǎn)程目標(biāo)和隱身目標(biāo)的檢測。

2、水聲傳感器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為水聲信號(hào)或?qū)⑺曅盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，其在聲納中的地位類似于無線電設(shè)備中的天線，是在水下發(fā)射和接收聲波的聲學(xué)器件。將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的換能器，用來接收水中的聲信號(hào)，稱為接收換能器，也常稱為水聽器。水聽器可以將水下產(chǎn)生的壓力變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過對于電信號(hào)的進(jìn)一步分析與處理，可以得到水下低頻聲場的真實(shí)變化情況，低頻水聽器對于國防安全事業(yè)起到極其重要的作用。

3、目前常見的水聲傳感器傳感單元都是制作于硬質(zhì)基底上，靈敏度低且結(jié)構(gòu)和制作工藝較為復(fù)雜，并且通常針對于較為高頻的水聲信號(hào)進(jìn)行探測，對于低頻的水聲信號(hào)的探測能力較弱。對于使用柔性基底作為水聲傳感器傳感單元探測低頻水聲信號(hào)還沒有具體應(yīng)用。目前尚未有基于柔性基底的納米裂紋水聲傳感器被報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有問題，本發(fā)明提供一種基于納米裂紋的水聲傳感器及其制備方法，該水聲傳感器對低頻水下交變聲壓具有較高的靈敏度，同時(shí)該方法使用柔性基底上的金屬薄膜作為傳感敏感單元，不需要高溫退火等工藝，制作工藝與結(jié)構(gòu)簡單，對于低頻水聲具有較高的靈敏度。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，所述的制備方法第一步，采用薄膜沉積方法在柔性聚合物表面沉積一層金屬薄膜；第二步，在柔性聚合物上金屬薄膜表面旋涂一層光刻膠，將光刻膠和金屬薄膜圖案化；第三步對金屬薄膜上的光刻膠再次進(jìn)行圖案化；第四步，對柔性聚合物和金屬薄膜進(jìn)行彎曲，使得金屬薄膜上產(chǎn)生納米裂紋，并去除金屬薄膜上附著的光刻膠；第五步，將柔性聚合物與激光切割后的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)粘連，隨后將其與玻璃片粘連，最后在水聲傳感器空腔內(nèi)注入純水后密封，完成水聲傳感器的制作。具體包括以下步驟：

4、步驟1)采用薄膜沉積方法在柔性聚合物表面濺射一層金屬薄膜。所述的柔性聚合物的基底為聚二甲基硅氧烷(pdms)，金屬薄膜為金(au)。所述的薄膜沉積方法為磁控濺射法。

5、步驟2)在金屬薄膜表面旋涂一層光刻膠，并將光刻膠和金屬薄膜圖案化。

6、步驟3)根據(jù)金屬薄膜上需要的納米裂紋密度，對金屬薄膜上的光刻膠再次圖案化，得到光刻膠的圖案為具有相同間距、水平排列的光刻膠條紋，以此實(shí)現(xiàn)有光刻膠的部分柔性聚合物與沒有光刻膠的部分柔性聚合物的中性層處于不同層級(jí)。

7、步驟4)將柔性聚合物沿著平行于光刻膠條紋方向進(jìn)行彎曲，從而使得柔性聚合物上的金屬薄膜產(chǎn)生納米裂紋。該步驟中，由于部分金屬薄膜上有光刻膠而部分金屬薄膜沒有光刻膠，彎曲后，無光刻膠覆蓋的部分金屬薄膜產(chǎn)生納米裂紋，即由于光刻膠條紋的保護(hù)作用，納米裂紋僅產(chǎn)生于未被光刻膠覆蓋的金屬薄膜區(qū)域，以此來準(zhǔn)確控制納米裂紋的位置與裂紋密度。

8、步驟5)去除金屬薄膜上的光刻膠，得到具有納米裂紋的條狀傳感單元，其中條狀傳感單元兩端是傳感單元的電極，電極處沒有裂紋。該步驟中，對于柔性聚合物使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)將光刻膠進(jìn)行全曝光后，使用顯影液將金屬薄膜表面光刻膠去除，得到具有納米裂紋的條狀傳感單元。

9、步驟6)通過激光切割機(jī)將與柔性聚合物相同大小的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板中間切割出一個(gè)貫穿基板的孔洞，孔洞的形狀為不受限制，將柔性聚合物與切割后的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板一面通過無影膠粘連，預(yù)留部分區(qū)域不粘連便于后續(xù)操作，在切割后的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板另一表面涂附無影膠，將玻璃片與聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板的另一面粘連，此時(shí)在柔性聚合物與玻璃片之間的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基板被切割后的空間就會(huì)形成一個(gè)空腔，通過前述未粘連區(qū)域使用注射器向這個(gè)空腔內(nèi)注入液體以平衡部分壓力，再次通過無影膠將未粘連區(qū)域邊緣粘連，完成水聲傳感器的制作。

10、進(jìn)一步的，步驟2)中圖案化的方法為標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝和濕法腐蝕。具體方式為：使用紫外光刻機(jī)使柔性聚合物上光刻膠圖案化，使用0.5％氫氧化鈉溶液作為顯影液去除已曝光的光刻膠，未曝光的光刻膠作為保護(hù)層，使用金腐蝕液將未被保護(hù)的金屬薄膜去除。所述光刻膠為bp212正性光刻膠。

11、進(jìn)一步的，步驟3)中再次圖案化的方法為標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝。具體方式為：更換掩膜版后通過標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝曝光，使用0.5％氫氧化鈉溶液作為顯影液去除已曝光的光刻膠，完成對光刻膠的圖案化，得到光刻膠的圖案為具有相同間距、水平排列的光刻膠條紋。

12、進(jìn)一步的，步驟4)中對于柔性聚合物彎曲使得金屬薄膜產(chǎn)生納米裂紋的具體方式為：將柔性聚合物固定在聚酰亞胺薄膜上，通過電機(jī)帶動(dòng)聚酰亞胺薄膜繞在具有一定曲率半徑的鋼棍上，金屬薄膜會(huì)產(chǎn)生平行于鋼棍方向的納米裂紋，鋼棍曲率半徑大小根據(jù)納米裂紋密度不同而選擇不同的值。

13、進(jìn)一步的，步驟5)中所述顯影液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5％氫氧化鈉溶液。

14、進(jìn)一步的，步驟6)中所述液體為純水。

15、一種基于納米裂紋的水聲傳感器，采用上述制備方法制得。本發(fā)明制備得到的基于納米裂紋的水聲傳感器，柔性聚合物表面帶有納米裂紋的金屬薄膜的電阻會(huì)隨著低頻水下交變壓力的變化而發(fā)生變化，通過使用導(dǎo)線在電極上連接電阻測量儀可以實(shí)現(xiàn)對低頻水聲的探測。

16、與現(xiàn)有水聽器制作方法相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

17、(1)本發(fā)明通過在柔性聚合物上制作帶有納米裂紋的金屬薄膜，在無外加應(yīng)變狀態(tài)下，納米裂紋邊緣可以與相對的相鄰裂紋邊緣連接以傳輸電子；在垂直于裂紋方向的單軸拉伸下，每對裂紋邊緣之間的間隙距離增加，直到超過裂紋粗糙高度而斷開。同時(shí)由于泊松效應(yīng)，這些邊緣會(huì)沿垂直拉伸力的方向收縮，并與它們相對的相鄰邊緣重新連接。隨著應(yīng)變的增加，連接的邊緣數(shù)量逐漸減少，直到所有邊緣都斷開。因此，這種“斷開-重連”過程產(chǎn)生了納米裂紋水聲傳感器的電阻變化，通過水下聲壓的不斷變化，柔性聚合物表面的納米裂紋會(huì)發(fā)生這種“斷開-重連”過程，從而實(shí)現(xiàn)對于低頻水聲的超靈敏探測，提高水聲傳感器的探測范圍。

18、(2)本發(fā)明填補(bǔ)了水聽器技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)無由柔性聚合物制作水聲傳感器的空白。

19、(3)另外本發(fā)明所使用的方法耗時(shí)短，工藝流程簡潔高效結(jié)構(gòu)簡單，可以顯著提高低頻水聲分辨力，可以有力推動(dòng)我國新型海洋安全保障技術(shù)發(fā)展和探測能力提升。

技術(shù)特征：

1.一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述的制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟1)中，柔性聚合物的基底為聚二甲基硅氧烷pdms，金屬薄膜為金au；所述的薄膜沉積方法為磁控濺射法。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中圖案化的方法為標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝和濕法腐蝕；所述光刻膠為bp212正性光刻膠。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中再次圖案化的方法為標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟4)中對于柔性聚合物彎曲使得金屬薄膜產(chǎn)生納米裂紋的具體方式為：將柔性聚合物固定在聚酰亞胺薄膜上，通過電機(jī)帶動(dòng)聚酰亞胺薄膜繞在具有曲率半徑的鋼棍上，金屬薄膜產(chǎn)生平行于鋼棍方向的納米裂紋，鋼棍曲率半徑大小根據(jù)納米裂紋密度不同而選擇不同的值。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中所述顯影液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5％氫氧化鈉溶液。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于納米裂紋的水聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟6)中所述液體為純水。

8.一種基于納米裂紋的水聲傳感器，其特征在于，所述的水聲傳感器采用權(quán)利要求1-7任一所權(quán)利要求書述制備方法制得，將其與電阻測量儀連接可以實(shí)現(xiàn)對低頻水聲的探測。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于納米裂紋的水聲傳感器及其制備方法，屬于水聽器技術(shù)領(lǐng)域。該方法首先，采在柔性聚合物表面沉積一層金屬薄膜，在柔性聚合物上金屬薄膜表面旋涂一層光刻膠，將光刻膠和金屬薄膜圖案化；其次，對金屬薄膜上的光刻膠再次進(jìn)行圖案化；再次，對柔性聚合物和金屬薄膜進(jìn)行彎曲使金屬薄膜上產(chǎn)生納米裂紋；最后，將柔性聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃片粘連，并在空腔內(nèi)注入純水后密封，得到水聲傳感器。本發(fā)明制造的基于納米裂紋的水聲傳感器具有超高的靈敏度，通過將具有超高靈敏度和柔性的納米裂紋傳感單元粘連在具有空腔的基板上，可以實(shí)現(xiàn)對低頻水聲的超靈敏探測，提高了水聲傳感器的探測范圍。

技術(shù)研發(fā)人員：吳夢希,蘭源,劉夢晶,劉偉怡,劉軍山
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26