一种波浪形结构压电复合器件及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种波浪形结构压电复合器件及其制备方法和应用。本发明的波浪形结构压电复合器件包括：多条并联的压电复合条，每一条压电复合条为具波浪形曲面的长条；相邻的压电复合条的起伏形状相间；压电复合条固化在柔性封装体中；多条并联的压电复合条在两端分别相连；在其中的一端的上表面和下表面分别设置电极引出；本发明采用具有波浪形曲面的压电复合条，从而提供了一个预应力，会极大提高压电复合器件的灵敏度和压电输出信号；在敲打时产生很大的输出开路电压和短路电流，在充电可穿戴设备中具有很好的应用前景；并且能够作为能量回收器件；同时对人体的脉搏信号有良好的响应，能够作为血压脉搏传感器。
【专利说明】
一种波浪形结构压电复合器件及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明涉及压电器件技术，具体涉及一种波浪形结构压电复合器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 可穿戴设备在机器人触觉和人类健康检测等领域具有很重要的发展前景。目前为止，人们获取外界信号和收集运动过程浪费的能量主要基于外力引起的电荷信号的变化， 工作原理包括压电、摩擦起电和压阻等效应。在这些机制中，压电效应由于具有强的机电耦合性能被广泛的利用在能量回收器件和力压传感器上。目前常用的压电材料包括ZnO、 BaTi03、PVDF、PZT等。与传统无机压电陶瓷相比，聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物P(VDF-TrFE)具有压电电压系数较高、柔性、化学稳定、环保和生物相容性，容易被加工成大面积的薄膜等优点，适合将其制作成高灵敏的传感器和能量回收器件。然而，与传统的压电陶瓷材料相比，PVDF的压电性质差得多。科研工作通过各种方法希望提高PVDF的压电性能，其中设计一种新的几何结构提高机电转换是一个简单又实用的方法。
【发明内容】
[0003] 针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种波浪形结构压电复合器件及其制备方法和应用，采用复合薄膜的波浪形结构，使得在相同外力作用下压电结构所受的应力/应变增强，从而使得压电结构生成的输出电压最大化。
[0004] 本发明的一个目的在于提出一种波浪形结构压电复合器件。
[0005] 本发明的波浪形结构压电复合器件包括:多条并联的压电复合条;每一条压电复合条采用复合结构，包括弹性金属薄片和形成在弹性金属薄片上的有机压电薄膜;有机压电薄膜采用聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物;有机压电薄膜的表面偶极子排列有序形成极性;每一条压电复合条为具波浪形曲面的长条;相邻的压电复合条的起伏形状相间； 压电复合条固化在柔性封装体中；多条并联的压电复合条在两端分别相连;在其中的一端的上表面和下表面分别设置电极引出。
[〇〇〇6] 弹性金属薄片的厚度在10讓?2000M1;有机压电薄膜的厚度在lOym?lOOym之间； 有机压电薄膜与弹性金属薄片的面积相同，最小的面积尺寸为lmmX5mm;可根据实际情况增加压电复合条的个数及调整尺寸，波浪形压电复合器件的一个波浪长度在1_?100mm之间。
[0007] 柔性封装体的材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0008] 本发明的另一个目的在于提供一种波浪形结构压电复合器件的制备方法。
[0009] 本发明的波浪形结构压电复合器件的制备方法，包括以下步骤:
[0010] 1)在弹性金属薄片的表面形成有机压电薄膜，并对有机压电薄膜进行极化，形成
复合薄膜；
[0011] 2)将复合薄膜分割成多条复合薄膜长条；
[0012] 3)采用支撑物交替地将多条复合薄膜长条支撑起，每一条复合薄膜长条被周期性地支撑起，相邻的复合薄膜长条的支撑物相间，并将多条并列排列的多条复合薄膜长条的两端分别联接；
[0013] 4)将步骤3)得到的有支撑物支撑的复合薄膜长条放入聚二甲基硅氧烷PDMS溶液中固化封装；
[0014] 5)聚二甲基硅氧烷固化后形成柔性封装体，复合薄膜长条的曲面在柔性封装体中形状固定后，取出支撑物，形成多条并联的具有波浪形曲面的压电复合条；
[0015] 6)在并联的压电复合条的一端的上表面和下表面分别设置电极引出。
[0016] 在步骤1)中，形成复合薄膜包括以下步骤:
[〇〇17] a)将弹性金属薄片固定在真空干燥器内的水平台上，确保弹性金属薄片的表面水平；
[0018] b)将含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的溶液滴加在弹性金属薄片的表面，溶液由于表面张力在弹性金属薄片的表面内逐渐形成具有一定厚度的薄膜；
[0019] c)开启机械栗直到弹性金属薄片表面的大部分溶液的溶剂蒸发；
[0020] d)将弹性金属薄片放入真空干燥箱烘干，温度在100?140°C之间，时间在10? 14h，退火结晶，在弹性金属薄片的表面形成有机压电薄膜；
[0021] e)对有机压电薄膜进行极化，使得表面偶极子排列有序形成极性，从而形成复合
薄膜。
[〇〇22]其中，在步骤b)中，将聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的粉末溶入溶剂中， 从而形成含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的溶液。聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的浓度在5 %?25 %之间。
[〇〇23]在步骤e)中，将形成在弹性金属薄片表面的有机压电薄膜放入60?100°C的硅油中，施加电场，电场强度在50?100MV nf1之间，极化时间在20?60min之间。
[0024] 在步骤2)中，每一条复合薄膜长条的宽度在1?5_之间。
[0025] 本发明的又一目的在于提供一种波浪形结构压电复合器件用于能量回收器件和血压脉搏传感器的用途。
[0026] 经测试表明，本发明的压电复合器件，在不同频率谐振器的敲打下，随着频率增加，输出电压增大，并且用手指敲击下产生很大的输出开路电压和短路电流，在充电可穿戴设备中具有很好的应用前景;对人体走路时能够产生很大的输出电压，可以用作能量回收器件;同时对人体的脉搏信号有良好的响应，能够作为血压脉搏传感器。
[〇〇27]本发明的优点:
[0028] 本发明的压电复合器件采用多条并联的压电复合条，压电复合条为具有波浪形曲面的长条，从而提供了一个预应力，会增强压电复合器件的灵敏度和提高压电输出信号;在敲打时产生很大的输出开路电压和短路电流，在充电可穿戴设备中具有很好的应用前景； 并且能够作为能量回收器件；同时对人体的脉搏信号有良好的响应，能够作为血压脉搏传感器。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的波浪形结构压电复合器件的一个实施例的示意图，其中，图1(a)为立体图，图1(b)为侧视图；
[〇〇3〇]图2(a)?(f)为本发明的波浪形结构压电复合器件的制备方法的一个实施例的流程图；
[0031] 图3为本发明的压电复合器件的一个实施例与平面型结构的电性能对比图，其中， 图3(a)和(b)分别为平面型压电器件和波浪形结构压电复合器件对外界压力的响应，图3 (c)和(d)分别显示了平面型压电器件和波浪形结构压电复合器件在相同拍击下的电压；
[0032] 图4为本发明的波浪形结构压电复合器件的应用的示意图，其中，4(a)和3(b)分别波浪形结构压电复合器件收集用手指敲击器件表面的电压和电流信号的曲线图；图4(c)为波浪形结构压电复合器件记录行走时所产生的电压变化图；图4(d)为波浪形结构压电复合器件记录了人体脉搏的信号图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0034] 如图1所示，本实施例的波浪形结构压电复合器件包括:6条并联的压电复合条;每一条压电复合条采用复合结构，包括弹性金属薄片1和形成在弹性金属薄片上的有机压电薄膜2;有机压电薄膜采用聚偏二氟乙烯的共聚物;有机压电薄膜的表面偶极子排列有序形成极性;每一条压电复合条为具有波浪形曲面的长条;相邻的压电复合条的起伏形状相反； 压电复合条固化封装在柔性封装体3中；6条并联的压电复合条在两端分别相联;在其中的一端的上表面和下表面分别设置电极4引出。柔性封装体3的材料为PDMS。
[0035] 本实施例中，每一条压电复合条的长度为40mm，宽度为4mm。
[0036] 如图2所示，本实施例的波浪形结构压电复合器件的制备方法，包括以下步骤:
[0037] 1)在弹性金属薄片的表面形成有机压电薄膜，并对有机压电薄膜进行极化，形成复合薄膜:
[0038] a)将弹性金属薄片1固定在真空干燥器内的水平台上，确保弹性金属薄片的表面水平；
[〇〇39] b)将聚偏氟乙烯三氟乙烯的粉末溶入N二甲基甲酰胺和丙酮的溶剂中，从而形成含有8 %的聚偏氟乙烯三氟乙烯的溶液，将溶液滴加在弹性金属薄片的表面，溶液由于表面张力在弹性金属薄片的表面内逐渐形成具有一定厚度的薄膜，如图2(a)所示；
[0040] c)开启机械栗直到弹性金属薄片表面的大部分溶液的溶剂蒸发；
[〇〇411 d)将弹性金属薄片放入真空干燥箱在120 °C烘干12h，退火结晶2h，在弹性金属薄片的表面形成有机压电薄膜2,如图2(b)所示；
[0〇42] e)对有机压电薄膜放入80°C的娃油中，施加电场的场强为60MV nf1，极化时间为 30min，使得表面偶极子排列有序形成极性，从而形成复合薄膜，如图2(c)所示。
[〇〇43] 2)将复合薄膜从一端裁剪，另一端保持相联，裁取6条长度为40mm，宽度为4mm的复
合薄膜长条，如图2(d)所示。
[0044] 3)采用直径为5_的半圆柱以垂直于长条的方向交替地穿插在多条复合薄膜长条之间，将复合薄膜长条支撑起，一条复合薄膜长条被周期性的支撑起，将裁开的一头用聚酰亚胺胶带固定住，如图2(e)所示。
[0045] 4)将步骤3)得到的有支撑物支撑的复合薄膜长条放入聚二甲基硅氧烷PDMS溶液中固化封装；
[0046] 5 )PDiK固化形成柔性封装体3后，取出半圆柱，在PDMS中形成具有波浪形曲面的压电复合条；
[0047] 6)在未裁开的一端的上表面和下表面将电极4引出，如图2(f)所示。
[0048] 将制备得到的波浪形结构压电复合器件进行测试:
[0049] 1)利用一个激振器对器件的表面进行不同频率的敲打，利用示波器记录两种器件的电学性能。如图3(a)和(b)所示，压电器件对外界压力有明显的响应，波浪形结构压电复合器件所收集的电压比平面型的大，而且随着频率的增加，电压也逐渐提高。
[0050] 2)利用机械加载装置敲打器件的一端，测试其弯曲所产生的电压。如图3(c)和 (d)，图3(c)和(d)分别显示平面型压电器件和波浪形结构压电复合器件在相同拍击下的电压。图3(c)中的插图显示了在实验中使用的机械加载装置机器的照片，和图3(d)中的插图显示了机械加载过程中，器件阻尼振荡的电压变化放大图。波浪形结构压电复合器件能产生高达60V峰值电压，而平面型压电器件所产生的电压峰值为40V。
[〇〇511本实施例的应用:
[0052] 1)手指敲打下的电学响应，具体步骤如下:将波浪形结构压电复合器件与示波器和电化学工作站相连，用手指敲击器件表面，收集电压和电流信号如图4(a)和4(b)所示。
[0053] 2)行走过程中用作能量回收器件，具体步骤如下:将波浪形结构压电复合器件粘在鞋垫下，如图4(c)中的插图所示，将波浪形结构压电复合器件与示波器相连接，记录行走时所产生的电压变化，如图4(c)所示。
[0054] 3)用作血压脉搏传感器测试脉搏信号，具体步骤如下:波浪形结构压电复合器件通过一个电荷放大器和示波器相连接，将波浪形结构压电复合器件用双面胶粘结在手腕上如图4(d)的左上插图所示，图4(d)中记录了人体脉搏的信号，可以右图中看到脉搏信号的周期以及强弱，图4(d)的右上图是脉搏信号的放大图，明显可以看到一个脉搏周期内不同强度的脉搏信号。
[0055] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1.一种波浪形结构压电复合器件，其特征在于，所述压电复合器件包括:多条并联的压 电复合条;每一条压电复合条采用复合结构，包括弹性金属薄片和形成在弹性金属薄片上 的有机压电薄膜;所述有机压电薄膜采用聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物;所述有 机压电薄膜的表面偶极子排列有序形成极性;每一条压电复合条为具波浪形曲面的长条； 相邻的压电复合条的起伏形状相间；所述压电复合条固化在柔性封装体中；多条并联的压 电复合条在两端分别相连;在其中的一端的上表面和下表面分别设置电极引出。2.如权利要求1所述的压电复合器件，其特征在于，所述弹性金属薄片的厚度在10wii? 2000WI1;所述有机压电薄膜的厚度在lOym?lOOym之间。3.如权利要求1所述的压电复合器件，其特征在于，所述有机压电薄膜与弹性金属薄片 的面积相同，最小的面积尺寸为l_X5mm。4.如权利要求1所述的压电复合器件，其特征在于包含多个波浪型压电复合器件，波浪 形压电复合器件的一个波浪长度在1_?1 〇〇_之间。5.如权利要求1所述的压电复合器件，其特征在于，所述柔性封装体的材料采用聚二甲 基娃氧fePDMS。6.—种波浪形结构压电复合器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步 骤: 1) 在弹性金属薄片的表面形成有机压电薄膜，并对有机压电薄膜进行极化，形成复合 薄膜； 2) 将复合薄膜分割成多条复合薄膜长条； 3) 采用支撑物交替地将多条复合薄膜长条支撑起，每一条复合薄膜长条被周期性地支 撑起，相邻的复合薄膜长条的支撑物相间，并将多条并列排列的多条复合薄膜长条的两端 分别联接； 4) 将步骤3)得到的有支撑物支撑的复合薄膜长条放入聚二甲基硅氧烷PDMS溶液中固 化封装； 5) 聚二甲基硅氧烷固化后形成柔性封装体，复合薄膜长条的曲面在柔性封装体中形状 固定后，取出支撑物，形成多条并联的具有波浪形曲面的压电复合条； 6) 在并联的压电复合条的一端的上表面和下表面分别设置电极引出。7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，形成复合薄膜包括以下步 骤: a) 将弹性金属薄片固定在真空干燥器内的水平台上，确保弹性金属薄片的表面水平； b) 将含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的溶液滴加在弹性金属薄片的表面， 溶液由于表面张力在弹性金属薄片的表面内逐渐形成具有一定厚度的薄膜； c) 开启机械栗直到弹性金属薄片表面的大部分溶液的溶剂蒸发； d) 将弹性金属薄片放入真空干燥箱烘干，退火结晶，在弹性金属薄片的表面形成有机 压电薄膜； e) 对有机压电薄膜进行极化，使得表面偶极子排列有序形成极性，从而形成复合薄膜。8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤b)中，将聚偏二氟乙烯或聚偏二 氟乙烯的共聚物的粉末溶入溶剂中，从而形成含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物 的溶液;所述聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的浓度在5%?25%之间。9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤e)中，将形成在弹性金属薄片表 面的有机压电薄膜放入60?100°C的硅油中，施加电场，电场强度在50?1OOMV nf1之间，极 化时间在20?60min之间。10.—种权利要求1所述的波浪形结构压电复合器件用于能量回收器件和血压脉搏传 感器的用途。
【文档编号】H01L41/18GK106025060SQ201610559925
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】董蜀湘, 游苏健
【申请人】北京大学