一种基于pvdf纳米纤维的柔性振动传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开提供一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，包括电极本体和PDMS封装层；电极本体是自下而上依次分布的PDMS基层、PVDF纳米纤维、叉指电极，其中PDMS基层是厚度1.5～2mm的聚二甲基硅氧烷胶体、PVDF纳米纤维是通过静电纺丝法制备并用硅片收集的PVDF纳米纤维、叉指电极通过磁控溅射方法在PVDF纳米纤维上溅射制成、PDMS封装层是封装在所述电极本体外部表面的聚二甲基硅氧烷胶体，叉指电极的长20～25mm、宽10～12mm，叉指宽度为200～300um，叉指长度为6～8mm，叉指间的间距为400～600um。所述柔性振动传感器具备：对于不同的振动幅度或者是振动频率，其输出响应敏感性强，可以用来很好的描述一些物体的振动以及运动状态等优点。
【专利说明】
-种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，具体设及一种基于 PVDF(聚偏氣乙締)纳米纤维压电发电效应的自供电振动传感器，属于有机一维纳米功能材 料及传感器领域。
【背景技术】
[0002] 传感器是将物理量、化学量或生物量转换为可测量电信号的器件，其中振动传感 器包括:机械式、光学式、电测式等Ξ种，一般的振动传感需要外部电源供电，运对微应用领 域来说，增加了制作成本，限制了它的应用场合。PVDF作为一种有机压电材料，其柔性非常 好，是作为超柔性振动传感器的最佳选择;公知的巧铁矿结构压电材料虽然压电性能相对 较好，但是运类材料中运用得比较多的PZT(错铁酸铅KPMN-PT(妮儀酸铅铁酸铅)等含有对 环境污染较严重的Pb(铅)元素，且运些材料相对来说脆性比较大，并不适合制作超柔性振 动传感器。另外PVDF通过静电纺丝法可W将没有压电性能的α相的PVDF粉末制备成一种具 有压电性能的0相多孔纤维薄膜，并且在器件的制作过程中是用生物相容性、柔性、耐久性 都非常好的PDMS进行包裹，因此整个器件结构非常稳定，耐久性非常好，形状可W根据需求 不同而改变，传感器的厚度理论上可W做到十几个微米，并可将多个传感器叠加串联W提 高压电信号输出。
[0003] 2011年7月22日王中林等人申请的发明专利《基于ZnO纳米纤维的自供电振动传感 器及其制作方法》W及相应的文章（。化nogenerator as self-powered vibration sensor"，《化no Energy》，1:418-423(2012))中虽然也提供了一种自供电振动传感器的制 作方法，但该方法制作过程比较复杂并且所用半导体型压电材料化0脆性较高；另一方面因 它采用上下电极并且上下电极的封装材料不同，且没有整体封装，因此器件厚度相对较厚， 结构相对不稳固。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是针对【背景技术】提出的问题，提供一种基于PVDF纳米纤维的柔 性振动传感器，所述柔性振动传感器包括：电极本体和PDMS封装层;所述电极本体包括：自 下而上依次分布的PDMS基层、PVDF纳米纤维层、叉指电极，所述叉指电极引出端连接有导出 电极;所述PDMS基层是设定厚度的聚二甲基硅氧烷胶体、所述PVDF纳米纤维是通过静电纺 丝法制备并用娃片收集的PVDF纳米纤维、所述叉指电极是通过磁控瓣射方法在所述PVDF纳 米纤维层上瓣射的一层叉指电极、所述PDMS封装层是封装在所述电极本体外部表面的聚二 甲基硅氧烷胶体。本实用新型制得的柔性振动传感器具备:对于不同的振动幅度或者是振 动频率，其输出响应敏感性强，可W用来很好的描述一些物体的振动W及运动状态。
[0005] 为了达到上述目的，本实用新型采用W下方案：
[0006] -种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，其特征在于:所述柔性振动传感器包 括：电极本体和PDMS封装层;所述电极本体包括：自下而上依次分布的PDMS基层(5)、PVDF纳 米纤维层（1)、叉指电极(2)，所述叉指电极(2)引出端连接有导出电极(3);所述PDMS基层是 设定厚度的聚二甲基硅氧烷胶体、所述PVDF纳米纤维是通过静电纺丝法制备并用娃片收集 的PVDF纳米纤维、所述叉指电极是通过磁控瓣射方法在所述PVDF纳米纤维层（1)上瓣射的 一层叉指电极、所述PDMS封装层是封装在所述电极本体外部表面的聚二甲基硅氧烷胶体。
[0007] 如上所述一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，其特征在于:所述PVDF纳米 纤维层（1)是边长为10X10~30 X 30cm的正方形，所述PDMS基层（5)的厚度为1.5~2mm， PDMS基层(5)用于涂覆在所述PVDF纳米纤维层（1)上，W及，将PVDF纳米纤维层（1)转移到 PDMS基层(5)基层上；
[0008] 如上所述一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，其特征在于:所述叉指电极 (2)的长为20~25mm、宽为10~12mm，叉指宽度为200~300um，叉指长度为6~8mm，叉指间的 间距为400~600皿。
[0009] 所述电极本体和PDMS封装层的制作方法按如下步骤进行：
[0010] 步骤1:静电纺丝法制备PVDF纳米纤维层
[001。1.1口￥0尸前驱液的配置:将二甲基甲酯胺(01尸)与丙酬按体积百分比为10%:90% ~50% : 50%的比例混合并揽拌均匀;按PVDF的浓度为0.09~0.15g/ml的比例向所述DMF和 丙酬的混合液中加入PVDF粉末，并在50~80°C的条件下密封揽拌30~90min，直至整个溶液 为澄清透明状；
[0012] 1.2静电纺丝接受板的制作:设定接受极板是边长为10 X 10~30 X 30cm的正方形 有机玻璃板，所述有机玻璃板中屯、并列贴两块尺寸相同的侣锥片，设定侣锥片宽1~3cm、长 5~8cm，两侣锥片之间长边平行并相距5~25mm，宽边在同一条直线上；
[001引1.3静电纺丝:将步骤1.1制备的PVDF前驱液吸入注射器中，并将注射器安装到微 量注射累上，再将注射器针头接入直流电压源的正极，贴在接受极板上的两片侣锥接直流 电压源负极;针头的方向与接受极板面垂直，针头与接收极板的距离为10~20cm，直流电压 源电压为9~20kV，微量注射累的推进速度为20~80ul/min，环境湿度控制在40%W下、溫 度控制在25~35°C;PVDF纳米线用洗净的娃片进行接收，所述娃片置于贴在接受极板上的 两片侣锥片之间;静电纺丝时间为5~30min;
[0014] 步骤2:转移PVDF纳米纤维层
[001引2.1PDMS胶体配制:将固化剂和PDMS预聚物按质量比为1:8~12的比例混合并揽拌 5~lOmin后静置30~90min;
[0016] 2.2PDMS涂覆:将带有PVDF纳米纤维层的娃片置于培养皿中，并将步骤2.1配好的 PDMS胶体注入培养皿中，设定PDMS胶体在培养皿中的厚度为1.5~2mm，注入PDMS胶体后将 培养皿置于水平的桌面上，待气泡全部排出后，再将培养皿置于烘箱中并水平放置，在60~ l〇〇°C溫度下烘烤30~120min;
[0017] 2.3掲膜:烘烤完毕后，静置冷却至常溫，再将PDMS从培养皿W及娃片上掲下来后， 切除边缘多余的部分，此时PVDF纳米纤维层就成功的转移到一层PDMS薄膜上；
[0018] 步骤3:制作叉指电极
[0019] 3.1选取叉指电极掩膜板:选定叉指电极的长为20~25mm、宽为10~12mm，叉指宽 度为200~300um，叉指长度为6~8mm，叉指间的间距为400~600um;所述掩膜板尺寸可根据 需求来设计，并非仅限于本实用新型中的矩形的叉指电极；
[0020] 3.2磁控瓣射制作叉指电极:选取步骤2.3制得的已转移PVDF纳米纤维的PDMS薄膜 置于磁控瓣射托上，安装上步骤3.1制作的金属掩膜板，在Ar气氛、70~90W瓣射功率条件 下，采用标准的瓣射工艺瓣射一层侣电极；
[0021 ]步骤4:安装导出电极并封装
[0022] 4.1安装导出电极:将导出电极一端的卡口分别卡住PDMS薄膜上叉指电极的两端， 并用银浆将叉指电极和导出电极焊接紧密，置于烘箱中在50~6(TC的溫度下烘烤30~ 60min，直至银浆干燥，制成带导出电极的电极本体；
[0023] 4.2封装:按步骤2.1所述方法，再次配置PDMS胶体，静置待气泡排出后，将步骤4.1 制得的带导出电极的电极本体置于培养皿中，再加入PDMS胶体，直至PDMS胶体完全浸没电 极本体，然后水平放置培养皿并静置30~90min，待气泡全部排出后，将培养皿放烘箱中并 水平放置，在60~100°C的溫度条件下烘烤30~120min;
[0024] 4.3裁剪:烘烤完取出培养皿静置至冷却至室溫，再将封装PDMS后的带导出电极的 电极本体从培养皿中剥离出来，用小刀切除多余部分并露出导出电极，在导出电极上用焊 锡焊上导线;制成基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器；
[00剧步骤5:器件测试
[0026] 器件测试包括敲击测试和振动测试，测试所需设备和仪器包括:旋转马达、激振 器、铜片，当进行振动测试时，所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器贴在所述铜片上；
[0027] 5.1现聯方法:将步骤4.3制成的基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的两根导线 接入信号放大器，信号放大器接入数据采集卡，所述数据采集卡接入计算机信号输入端，通 过计算机进行采集并存储分析所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的输出信号;分别 测试所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的输出电压与时间关系曲线；
[0028] 5.2敲击测试:通过马达敲击样品进行测试，马达的头部安装了两个可变长度的敲 击棒，通过马达的旋转不停地敲击基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的输出电压信号， 并用计算机对数据进行采集存储分析;测试所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的输 出电压与时间关系曲线；
[0029] 5.3振动测试:将基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器贴在一块铜片上，将铜片斑 到一定角度后再松开，让铜片进行阻尼振动，同时对基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器 的输出信号进行采集;用激振器W扫频模式激励铜片振动，并对输出信号进行采集。
[0030] 本实用新型的有益效果是：
[0031 ] 1、所述振动传感器是通过形变产生压电信号输出，因此无需外加电源供电；
[0032] 2、振动传感器所用的压电材料具有较好的柔初性的PVDF，相比于其他的压电材料 能够承受大幅度的形变量；
[0033] 3、振动传感器整体都是通过PDMS进行封装，因此其柔性、耐久性、生物相容性较 好，可W适应于不同环境的需求；
[0034] 4、振动传感器的形状、大小、厚度并非固定不变，因此可W适应不同条件的需求；
[0035] 5、单个器件可W做到很薄，理论上可W做到十几个微米，因此可W将多个器件进 行叠加串连提高压电信号输出。
【附图说明】
[0036] 图1是静电纺丝的PVDF纳米线的沈Μ图片；
[0037] 图2是柔性振动传感器的拆分结构3D模型图；
[0038] 图3是柔性振动传感器的完整结构3D模型图；
[0039] 图4是柔性振动传感器进行敲击测试时的敲击装置模型图；
[0040] 图5是敲击装置的两个敲击棒的长度不同时，被测柔性振动传感器的输出电压与 时间的关系图；
[0041] 图6是柔性振动传感器W不同的弯曲角度弯曲释放后，被测柔性振动传感器输出 电压与时间关系图；
[0042] 图7是柔性振动传感器进行振动测试时的测试装置图；
[0043] 图8是振动测试装置中的激振器W扫频模式从甜Ζ到30化激励铜板进行振动时，被 测柔性振动传感器输出电压与激振频率之间的关系图；
[0044] 图9是将振动测试装置中的铜板弯曲到一定程度后释放做阻尼振动时，柔性振动 传感器的电压输出与时间关系图。
[0045] 图中的标记说明：1-PVDF纳米纤维层，2-叉指电极，3-导出电极，4-底部封装 层，5-PDMS基层，6-上部封装层，7-旋转马达，8-柔性振动传感器，9-铜片，10-激振 器。
【具体实施方式】
[0046] W下结合附图对本实用新型实施例作进一步说明：
[0047] 如附图1~3,本实用新型一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，所述柔性振 动传感器包括：电极本体和PDMS封装层;所述电极本体包括：自下而上依次分布的PDMS基层 5、PVDF纳米纤维层1、叉指电极2,所述叉指电极巧I出端连接有导出电极3;所述PDMS基层5 是设定厚度的聚二甲基硅氧烷胶体、所述PVDF纳米纤维层1是通过静电纺丝法制备并用娃 片收集的PVDF纳米纤维层1、所述叉指电极2是通过磁控瓣射方法在所述PVDF纳米纤维层1 上瓣射的一层叉指电极、所述PDMS封装层是封装在所述电极本体外部表面的聚二甲基娃氧 烧胶体;本实用新型实施例的附图中仅标出了上部封装层6和底部封装层4。
[004引所述PVDF纳米纤维层1是边长为10 X 10~30 X 30cm的正方形，PDMS基层5的厚度为 1.5~2mm，PDMS基层5用于涂覆在所述PVDF纳米纤维层1上，W及，将PVDF纳米纤维层1转移 到PDMS基层5基层上。所述叉指电极2的长为20~25mm、宽为10~12mm，叉指宽度为200~ 300皿，叉指长度为6~8mm，叉指间的间距为400~600皿。
[0049]作为本实用新型技术方案的一个实施例，所述电极本体和PDMS封装层的制作方法 按如下步骤进行：
[0化0] 步骤1:静电纺丝法制备PVDF纳米纤维层
[0051] 1.1口￥0尸前驱液的配置:将二甲基甲酯胺(01尸)与丙酬按体积百分比为30%:70% 的比例混合并揽拌均匀；按PVDF的浓度为0.12g/ml的比例向所述DMF和丙酬的混合液中加 入PVDF粉末，并在60°C的条件下密封揽拌60min，直至整个溶液为澄清透明状；
[0052] 1.2静电纺丝接受板的制作:设定接受极板是边长为20 X 20cm的正方形有机玻璃 板，所述有机玻璃板中屯、并列贴两块尺寸相同的侣锥片，设定侣锥片宽1cm、长5cm，两侣锥 片之间长边平行并相距20mm，宽边在同一条直线上；
[0053] 1.3静电纺丝:将步骤1.1制备的PVDF前驱液吸入注射器中，并将注射器安装到微 量注射累上，再将注射器针头接入直流电压源的正极，贴在接受极板上的两片侣锥接直流 电压源负极;针头的方向与接受极板面垂直，针头与接收极板的距离为15cm，直流电压源电 压为15kV，微量注射累的推进速度为50ul/min，环境湿度控制在40%W下、溫度控制在25~ 35°C;PVDF纳米线用洗净的娃片进行接收，所述娃片置于贴在接受极板上的两片侣锥片之 间;静电纺丝时间为lOmin;
[0化4] 步骤2:转移PVDF纳米纤维层
[0055] 2.1PDMS胶体配制：将固化剂和PDMS预聚物按质量比为10:1的比例混合并揽拌 lOmin 后静置 90min;
[0056] 2.2PDMS涂覆:将带有PVDF纳米纤维层的娃片置于培养皿中，并将步骤2.1配好的 PDMS胶体注入培养皿中，设定PDMS胶体在培养皿中的厚度为2mm，注入PDMS胶体后将培养皿 置于水平的桌面上，待气泡全部排出后，再将培养皿置于烘箱中并水平放置，在90°C溫度下 烘烤60min;
[0057] 2.3掲膜:烘烤完毕后，静置冷却至常溫，再将PDMS从培养皿W及娃片上掲下来后， 切除边缘多余的部分，此时PVDF纳米纤维层就成功的转移到一层PDMS薄膜上；
[0058] 步骤3:制作叉指电极
[0059] 3.1选取叉指电极掩膜板：选定叉指电极的长为20mm、宽为12mm，叉指宽度为 200皿，叉指长度为8mm，叉指间的间距为500皿；
[0060] 3.2磁控瓣射制作叉指电极:选取步骤2.3制得的已转移PVDF纳米纤维的PDMS薄膜 置于磁控瓣射托上，安装上步骤3.1制作的金属掩膜板，在Ar气氛、80W瓣射功率条件下，采 用标准的瓣射工艺瓣射一层侣电极；
[0061 ]步骤4:安装导出电极并封装
[0062] 4.1安装导出电极:将导出电极一端的卡口分别卡住PDMS薄膜上叉指电极的两端， 并用银浆将叉指电极和导出电极焊接紧密，置于烘箱中在50°C的溫度下烘烤30min，直至银 浆干燥，制成带导出电极的电极本体；
[0063] 4.2封装:按步骤2.1所述方法，再次配置PDMS胶体，静置待气泡排出后，将步骤4.1 制得的带导出电极的电极本体置于培养皿中，再加入PDMS胶体，直至PDMS胶体完全浸没电 极本体，然后水平放置培养皿并静置60min，待气泡全部排出后，将培养皿放烘箱中并水平 放置，在90°C的溫度条件下烘烤60min;
[0064] 4.3裁剪:烘烤完取出培养皿静置至冷却至室溫，再将封装PDMS后的带导出电极的 电极本体从培养皿中剥离出来，用小刀切除多余部分并露出导出电极，在导出电极上用焊 锡焊上导线;制成基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器；
[00化]步骤5:器件测试
[0066] 器件测试包括敲击测试和振动测试，测试所需设备和仪器包括:旋转马达、激振 器、铜片，当进行振动测试时，所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器贴在所述铜片上；
[0067] 5.1现聯方法:将步骤4.3制成的基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的两根导线 接入信号放大器，信号放大器接入数据采集卡，所述数据采集卡接入计算机信号输入端，通 过计算机进行采集并存储分析所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的输出信号;分别 测试所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的输出电压与时间关系曲线；
[0068] 5.2敲击测试:参见图4,通过马达7敲击样品进行测试，马达7的头部安装了两个可 变长度化1和L2)的敲击棒，图4中，L1的小长小于L2的长度，通过马达7的旋转不停地敲击 基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器8的输出电压信号，并用计算机对数据进行采集存储 分析;测试所述基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器的输出电压与时间关系曲线；
[0069] 5.3振动测试:参见图7,将基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器贴在一块铜片9 上，将铜片9斑动弯曲到一定角度后再松开，让铜片9进行阻尼振动，同时对基于PVDF纳米纤 维的柔性振动传感器的输出信号进行采集，由图9可看出共有5个循环。如图7,再用激振器 10W扫频模式激励铜片振动，并对输出信号进行采集，测试结果如图8所示，激振器10W扫 频模式从5Hz到30化激励铜片进行振动时，输出电压与激振频率之间的关系图，可W看出， 在20化时传感器的输出电压最高，说明铜片9在安装了柔性振动传感器8后的共振频率为 20Hz。
[0070] 通过W上实施例、W及附图5、6可W看出，本实用新型基于PVDF纳米纤维的柔性振 动传感器在不同的形变条件下其输出电压的幅值不同，具体的形变量对应着具体的输出电 压值。
[0071] 图9为将本实用新型基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器贴在一块铜片9上，将铜 片9斑动弯曲到一定角度后再松开，让铜片9进行阻尼振动，同时对基于PVDF纳米纤维的柔 性振动传感器的输出信号进行采集，通过对采集的的输出电压进行分析，可W很好的描述 整个铜片9的运动状态。例如阻尼振动的公式为：\'=/1 6'胃（-仍）cos(w"<p)，通过线性拟合 可W得到公式中的β值，通过傅里叶变换可W得到公式中的ω值，而A、巧与振动的初始状态 有关系，因此也可W得到。所W通过输出电压就能很好的描述铜片的运动状态。
[0072] W上仅为本实用新型的一个具体实施例，但并不用于限制本实用新型，凡在本实 用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的 权利要求范围之内。
【主权项】
1. 一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，其特征在于:所述柔性振动传感器包括： 电极本体和PDMS封装层;所述电极本体包括：自下而上依次分布的PDMS基层(5)、PVDF纳米 纤维层(1)、叉指电极(2)，所述叉指电极(2)引出端连接有导出电极(3);所述PDMS基层是设 定厚度的聚二甲基硅氧烷胶体、所述PDMS封装层是封装在所述电极本体外部表面的聚二甲 基硅氧烷I父体。2. 如权利要求1所述一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，其特征在于:所述PVDF 纳米纤维层（1)是边长为10 X 10~30 X 30cm的正方形，所述PDMS基层（5)的厚度为1.5~ 2mm，PDMS基层(5)用于涂覆在所述PVDF纳米纤维层（1)上，以及，将PVDF纳米纤维层（1)转移 至IjPDMS基层(5)基层上；3. 如权利要求1所述一种基于PVDF纳米纤维的柔性振动传感器，其特征在于:所述叉指 电极(2)的长为20~25mm、宽为10~12mm，叉指宽度为200~300um，叉指长度为6~8mm，叉指 间的间距为400~600um〇
【文档编号】G01H11/08GK205483252SQ201620023475
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月12日
【发明人】顾豪爽, 潘绪敏, 王钊, 胡永明
【申请人】湖北大学