一种乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法.pdf

本发明公开了一种乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，其特征在于，采用1，2-二氯乙烷为溶剂配制浓度为1-5wt％的PMMA溶液，经多次旋涂达到所需的波导厚度。本发明由于采用挥发性适中的1，2-二氯乙烷作为溶剂配制低浓度旋涂溶液，该溶液流动性好，粘度适中，保证波导膜具有很好的平整度和均匀性，减少了传感器的插损。尽管每次旋涂的厚度很薄，但经多次旋涂后波导层的厚度可以达到2μm以上，并能保持良好的平整度和均匀性。

1、  一种乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，其特征在于，采用1，2-二氯乙烷为溶剂配制浓度为1-5wt％的PMMA溶液，经多次旋涂达到所需的波导厚度。

2、  根据权利要求1所述的乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，其特征在于，旋涂次数为5-20次。

3、  根据权利要求1所述的乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，其特征在于，PMMA波导膜厚度为1～3μm。

一种乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法
技术领域
本发明涉及一种声表面波技术领域，具体涉及一种乐甫波传感器PMMA波导膜的制备方法。
背景技术
在所有的超声传感器中，乐甫波传感器的灵敏度最高，并且还能在液相环境中使用，因此是一种极具发展前途的声表面波传感器。乐甫波传感器由压电晶片-叉指电极(IDT)-波导-敏感膜四层组成，其中波导对乐甫波传感器的灵敏度、插损等性能影响极大。
按照乐甫波传感器的理论模型(参见①Wang Z，Cheeke J D N，Jen C K.Sensitivity analysis for Love mode acoustic gravimetric sensors，Appl Phys lett，64(22)(1994)2940-2942；②McHale G，Newton M I，Martin F，Theoretical masssensitivity of Love wave and layer guided acoustic plate mode sensors，J Appl Phys，91(2002)9701-9710)，波导的密度越低，波导与压电晶片中的波速差别越大，传感器的灵敏度越高；并且当波导的厚度约为波导中波长的1/4时，传感器的灵敏度最大。聚合物材料密度低、声速低，成为波导材料的优选对象。对于目前最常采用的IDT间距为40μm的乐甫波传感器，聚合物波导的最佳理论厚度在2.6-2.9μm左右。
但是随着聚合物波导厚度的增加，传感器的插损先下降，然后快速上升，并最终远远超过无波导时的情况，参见①Harding G L and Du J，Design andproperties of quartz-based Love wave acoustic sensors incorporating silicon dioxideand PMMA guiding layers，Smart Mater Struct，6(1997)716-720；②Gizeli E，Fender F，Rasmusson A，et al，Sensitivity of the acoustic waveguide biosensor toprotein binding as a function of the waveguide properties，Biosensors andBioelectronics 18(2003)1399-1406。因此在波导较厚时，传感器的噪声太大，导致电路无法起振，聚合物波导的“有效厚度”远远达不到理论值。聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)是目前最常用的乐甫波波导材料，文献中报道的可用波导的最大厚度为1.9μm，低于理论值。而熔融石英等无机波导可以达到理论厚度，结果是基于聚合物波导的乐甫波传感器的灵敏度反而更低。主要原因固然是由于聚合物材料本身结构疏松，声损耗大的缘故；但另一方面也和制备工艺相关。
目前乐甫波传感器中PMMA波导的制备都采用旋涂法，如前所述，对于频率在115MHz作用的乐甫波器件，波导厚度在2.6-2.9μm时传感器的灵敏度最高。为了获得2μm以上的波导层薄膜厚度，普遍采用的方法是增加旋涂溶液的粘度和浓度。最常采用的溶剂是2-乙氧基乙酸乙酯(2-EEA)，溶液浓度以10-25％(wt/vol)最为常见。如澳大利亚的Harding G.L小组采用的2-EEA溶液的浓度为20、25％，参见文献Sensors and Actuators A，1998，65(2-3)：152-159；美国Marquette大学的Josse F.小组采用的2-EEA溶液的浓度为15、20％，参见文献Analytical Chemistry，2005，77，4595-4603；英国剑桥大学Gizeli E.小组采用的2-EEA溶液浓度5、7.5、10、15、20、22.5、25％，参见文献①JAppl Phys，2001，90(12)：5911-5914；②Smart Mater Struct 1997，6：700-706；中科院长春光机所采用氯苯为溶剂，PMMA溶液的浓度为15％，参见压电与声光，2007，29(5)：533-536；清华大学使用四氢呋喃配制浓度为10％的PMMA溶液，参见仪表技术与传感器，2003，3：10-12。
乐甫波的波导层要求结构致密、无孔洞气泡、表面平整、厚度均匀。但采用上述高浓度、高粘度的PMMA溶液旋涂的薄膜，由于溶液的流动性差，难以获得较高的表面平整度，内部均匀性也差，缺陷多，导致传感器的插损随波导的厚度增加而快速增大。并且氯苯等溶剂还有毒性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，该方法能克服现有技术所存在的缺陷，制备出的PMMA波导膜表面平整度高、均匀性好，能有效地抑制乐甫波传感器插损的快速增加。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，其特征在于，采用1，2-二氯乙烷为溶剂配制浓度为1-5wt％的PMMA溶液，经多次旋涂达到所需的波导厚度。
按照本发明所提供的乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，其特征在于，旋涂次数为5-20次。
按照本发明所提供的乐甫波传感器PMMA波导膜的旋涂制备方法，其特征在于，PMMA波导膜厚度为1～3μm。
本发明所提供的一种乐甫波传感器聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)波导膜的旋涂制备方法，由于采用粘度适中的1，2-二氯乙烷作为溶剂配制低浓度旋涂溶液，该溶液流动性好，挥发性适中，保证波导膜具有很好的平整度和均匀性，减少了传感器的插损。尽管每次旋涂的厚度很薄，但经多次旋涂后波导层的厚度可以达到2μm以上，并能保持良好的平整度和均匀性。
附图说明
图1为采用本发明的旋涂法制备PMMA波导膜断面的扫描电镜照片；
图2为采用本发明的旋涂法制备PMMA波导膜的表面原子力显微镜照片；
图3为采用本发明的旋涂法制备PMMA波导膜，传感器的插损与膜厚的关系及其与他人的比较曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。
本发明所提供的一种乐甫波传感器聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)波导膜的旋涂制备方法如下(实例)：
表面浅体波(SSBW)器件系实验室自制，压电晶片采用ST石英，叉指电极(IDT)采用双端谐振型结构的铝电极，然后在上旋涂PMMA波导以完成乐甫波器件的制备。PMMA原料的分子量为35,000，采用1，2-二氯乙烷作溶剂配制成浓度为4wt％的溶液，然后以2,000rpm的转速将其旋涂在SSBW器件上，时间180s。根据所需要的厚度，重复旋涂若干次后，在180℃下固化120min，即得到乐甫波器件。
图1为经过13次旋涂，厚度为2.18μm的波导膜的SEM断面照片，图2为AFM表面形貌照片。SEM测试结果表明波导膜厚度均匀，表面平整；AFM测试结果表明波导膜的均方根表面粗糙度约为0.3nm。图3为传感器的插损与波导膜厚度的关系，由图可见在，插损先减少然后上升，表现出与J.Du等人的实验结果一样的规律。波导厚度为1.3μm左右时，插损最低，与SSBW器件相比，插损下降了15dB，而J.Du等人的器件的插损下降的最大幅度仅有10dB。以整条曲线作为比较，采用本发明的方法制备的乐甫波器件的插损的减少量皆比J.Du等人的结果为佳。插损减少的原因在于改进了波导的制备工艺，使得整个波导层具有均匀的厚度和较好的平整度，减少了声损耗。
可见，采用低粘度、低浓度的旋涂液可以改善波导膜的表面平整度和均匀性，降低器件的插损；多次旋涂的工艺简单实用，有利用精确控制波导膜的厚度，并具有良好的重复性。