[發(fā)明專利]一種橢圓柔性基底的壓電薄膜傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710989603.2
• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107830877B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董維杰;趙昕;白鳳仙
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提供一種橢圓柔性基底的壓電薄膜傳感器。包括壓電薄膜、柔性基底、絕緣保護(hù)層；壓電薄膜傳感器的柔性基底為半橢圓柱弧面結(jié)構(gòu)，壓電薄膜覆蓋在柔性基底，并通過絕緣保護(hù)層將薄膜固定；根據(jù)柔性基底結(jié)構(gòu)分為等弧長橢圓柔性基底傳感器和等弦長橢圓柔性基底傳感器兩類。該壓電薄膜傳感器通過仿真計算不同尺寸參數(shù)的半橢圓柔性基底的壓電薄膜傳感器在受到同樣的力作用下的輸出電壓來確定最優(yōu)的柔性基底尺寸，即以輸出電壓的高低作為確定傳感器柔性基底尺寸的依據(jù)。本發(fā)明具有更高的靈敏度，便于傳感器的微型化和陣列化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種橢圓柔性基底的聚偏氟乙烯壓電薄膜傳感器。

背景技術(shù)

聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜是一種新型高強(qiáng)度聚合物，發(fā)生拉壓變形時可以感應(yīng)出電荷，具有優(yōu)異的壓電性能；PVDF壓電薄膜質(zhì)地柔軟，常見的厚度在20μm～200μm范圍內(nèi)，可根據(jù)需要制成任意形狀，適用于做大規(guī)模的陣列化傳感器；聲阻抗系數(shù)低，與純凈水和人體肌肉的接近，與人體貼合性好，非常適合用于人體生理信號監(jiān)測的傳感器。PVDF壓電薄膜傳感器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、儀器儀表、醫(yī)療電子、電聲、水聲、結(jié)構(gòu)檢測等領(lǐng)域。

PVDF壓電薄膜非常柔軟，當(dāng)作為傳感器的敏感材料時必須將其粘貼在基底上。基底分為剛性和柔性兩種，當(dāng)基底為剛性時薄膜不易產(chǎn)生形變，工作在厚度模式；而當(dāng)基底為柔性時，薄膜可以產(chǎn)生較大的拉伸形變，因此一般選用柔性材料作為PVDF傳感器的基底。從可穿戴傳感器應(yīng)用的角度考慮，聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為一種常見的柔性材料，生物兼容性好，在電子和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是理想的柔性基底材料。

大量研究表明，曲面基底的PVDF壓電傳感器的靈敏度要高于平面基底PVDF壓電傳感器；ZL201110433976.4公開了基底曲率較大時PVDF壓電傳感器的靈敏度較高，但該專利的傳感器基底只是單一曲率的半圓基底；暨南大學(xué)的盧威虎發(fā)表在測試科學(xué)與儀器2016，7(1)的“基于PVDF非均勻曲率半徑結(jié)構(gòu)的高靈敏度電子聽診器”文章中用三塊曲率半徑不同的硅膠拼接成一塊曲面基底，這為傳感器基底的制作帶來了不便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的是通過采用非均勻曲率的橢圓柔性基底來放大壓電薄膜層的應(yīng)力和應(yīng)變，在不改變材料參數(shù)的前提下，提高曲面PVDF壓電薄膜傳感器的靈敏度。相較于常見的有平面基底、半圓基底，具有非均勻曲率的橢圓面柔性基底可以使得PVDF壓電薄膜產(chǎn)生更大的形變，基于此本發(fā)明提供一種聚偏氟乙烯壓電傳感器。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種橢圓柔性基底的壓電薄膜傳感器，所述的壓電薄膜傳感器包括壓電薄膜1、柔性基底2、絕緣保護(hù)層3；壓電薄膜傳感器的柔性基底2為半橢圓柱弧面結(jié)構(gòu)，壓電薄膜1覆蓋在柔性基底2上，并通過絕緣保護(hù)層3將薄膜固定，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該壓電薄膜傳感器通過ANSYS仿真計算不同尺寸參數(shù)的半橢圓柔性基底的壓電薄膜傳感器在受到同樣的力作用下的輸出電壓來確定最優(yōu)的柔性基底2尺寸，即以輸出電壓的高低作為確定傳感器柔性基底尺寸的依據(jù)。

所述的柔性基底2所用的材料為聚二甲基硅氧烷；所述的絕緣保護(hù)層3為環(huán)氧薄膜絕緣膠帶。所述的壓電薄膜1材質(zhì)為聚偏氟乙烯。

所述的壓電薄膜傳感器根據(jù)柔性基底2結(jié)構(gòu)分為等弧長橢圓柔性基底傳感器和等弦長橢圓柔性基底傳感器兩類，結(jié)構(gòu)介紹如下：

(1)等弧長橢圓柔性基底傳感器中壓電薄膜1長度一定(柔性基底2的弧長L固定)、柔性基底2的長軸可變。所述的柔性基底2的弧長L范圍為2π～8πmm，其中，在最優(yōu)尺寸下，橢圓弧長越短，傳感器靈敏度越高，即傳感器尺寸越小集中力作用下的電壓靈敏度越高。

根據(jù)弧長L值確定柔性基底2軸長的步驟為：