[發明專利]柔性弧面聚偏氟乙烯壓電傳感器及制作方法

無效

• 申請號: 201110433976.4
• 申請日: 2011-12-21
• 公開（公告）號: CN102522496A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 董維杰;任程誠;喻言;白鳳仙
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01L41/26
• 分類號: H01L41/26;H01L41/04;H01L41/113
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種柔性弧面聚偏氟乙烯壓電傳感器及制作方法。

背景技術

聚偏氟乙烯(英文縮寫為PVDF)是一種高結晶度的含氟聚合物，屬于一種堅韌的熱塑性工程塑料。經拉伸極化后的聚偏氟乙烯薄膜具有壓電效應，聚偏氟乙烯薄膜的壓電電壓常數g幾乎在所有壓電材料中是最高的；聚偏氟乙烯壓電薄膜的厚度可從20μm至200μm，質輕柔軟，對結構的力學性能影響很小，與結構有著良好的兼容性；具有很寬的頻率響應范圍，能達到0.1Hz到幾十MHz。聚偏氟乙烯壓電薄膜傳感器在工業自動化、儀器儀表、醫療電子、電聲、水聲、結構檢測等領域有廣闊的應用前景。

聚偏氟乙烯壓電薄膜傳感器的一般制作方法是將薄膜貼于平面結構上。如果基底是剛性結構，那么聚偏氟乙烯壓電薄膜層工作在厚度應變模式，這種模式感應的壓電電荷密度小；如果基底結構是柔性，那么聚偏氟乙烯壓電薄膜在橫向拉伸方向發生較大應變，這種拉伸模式感應的壓電電荷密度大，測量微小力值時建議采用該拉伸模式。如中國農業機械化科學研究院機電技術應用研究所的周利明等發表在農業機械學報2010，41(6)的“聯合收獲機谷物損失測量PVDF陣列傳感器設計與試驗”文章中，是在鋁合金基底和聚偏氟乙烯壓電薄膜之間加入聚酯薄膜和橡膠阻尼層，有效增大傳感器的形變，使輸出信號增強。

在傳感器應用中，環境溫濕度、電纜噪聲、接地回路等都對傳感器引入噪聲，在生物振動信息檢測中體表溫度和靜電是較強的干擾源，這就要求提高傳感器對于微弱力或振動的靈敏度。剛性基底上增加緩沖層的辦法增加了制作工序。

發明內容

本發明要解決的技術難題是克服現有平面聚偏氟乙烯壓電傳感器靈敏度的不足，在不改變壓電薄膜材料的機電耦合系數和壓電常數的前提下，通過采用弧面、全柔性基底結構來放大壓電薄膜層的應力和應變，在同樣的待測載荷輸入下，提高傳感器的輸出電壓和提高傳感器的靈敏度。

本發明采用的技術方案是一種柔性弧面聚偏氟乙烯壓電傳感器及制作方法，其特征是，用液體雙組份硅膠制成具有弧面的柔性硅膠基底，在柔性硅膠基底的弧面上粘覆聚偏氟乙烯壓電薄膜，在壓電薄膜外表面覆蓋硅膠保護層，制成柔性弧面聚偏氟乙烯傳感器；具體制作方法如下：

第一步制作硅膠柔性基底

(1)按照靈敏度要求計算模具的曲率半徑R，用不銹鋼或塑料制作模具，模具為圓柱體或扇形體、曲率半徑等于R，模具底部用玻璃板托住。

(2)將液體有機硅膠A組份攪拌均勻，將有機硅膠B組份在包裝內搖勻，將A組份和B組份根據配比要求混合，充分攪拌均勻，將混合液體有機硅膠灌填到模具中，灌填高度比聚偏氟乙烯壓電薄膜4的寬度大1mm。

(3)膠體在模具中凝膠6個小時后，在50℃條件下加溫2個小時，凝固成型后脫模，按所需弦長和弧高切割形成柔性基底1，柔性基底1的曲率半徑為R，準備傳感器組裝。

(4)操作時間的調整：可操作時間除了與產品配方有關之外還受溫度影響，溫度高則固化速度加快，操作時間相應縮短；溫度低固化速度慢，操作時間相應地延長。通過改變B組份的使用量調整可操作時間，增大B組份的用量，可操作時間變短，減少用量則可操作時間延長。根據實際情況需要在±15％范圍內調整。

第二步制作柔性弧面聚偏氟乙烯壓電傳感器

(1)裁剪所需尺寸和性能參數的聚偏氟乙烯壓電薄膜4，聚偏氟乙烯壓電薄膜4的上、下表面分別蒸鍍上表面電極5和下表面電極3，銅質上電極貼片13壓貼在上表面電極5的接觸端，銅質下電極貼片11壓貼在下表面電極3的接觸端，上述組件全部用下絕緣防護層2和上絕緣防護層6包覆密封，為防止絕緣防護層2和上絕緣防護層6的貼合邊緣剝離，用上電極鉚釘7在上表面電極5的接觸端位置將上電極貼片13與上電極壓線端子12鉚合，用下電極鉚釘8在下表面電極3的接觸端位置將下電極貼片11與下電極壓線端子10鉚合，上電極引線14焊接在上電極壓線端子12上，下電極引線9焊接在下電極壓線端子10上。也可以購買有絕緣防護層和電極引線的聚偏氟乙烯壓電薄膜商品。

(2)用酒精清洗下絕緣防護層2，用酒精清洗柔性基底1的弧形表面，將絕緣防護好的聚偏氟乙烯壓電薄膜4的拉伸方向沿弧長方向放置在柔性基底1的弧面上，用502快干膠將二者平整緊密地粘合在一起。

(3)在上絕緣防護層6的表面還可以噴涂或刷涂一薄層液體硅膠，固化后形成約0.2mm的硅膠保護層，起到保護傳感器15、傳遞外力和隔離干擾的作用。完成柔性弧面聚偏氟乙烯壓電傳感器15的制作。