一种基于PVDF压电薄膜的管道微应变压力传感器的制作方法

本实用新型涉及一种适合于声呐流量计的传感器装置，具体的说涉及一种基于PVDF压电薄膜的管道微应变压力传感器。

背景技术：

PVDF（Polyvinylidene Fluoride ）作为一种有机压电材料,其柔性好,是作为超柔性振动传感器的最佳选择。公知的钙钛矿结构压电材料虽然压电性能相对较好,但是这类材料中运用得比较多的PZT(锆钛酸铅)、PMN-PT(铌镁酸铅钛酸铅)等含有对环境污染严重的Pb(铅)元素。钙钛矿结构压电材料脆性较大,并不适合制作超柔性振动传感器。PVDF通过静电纺丝法可以将没有压电性能的α相的PVDF粉末制备成一种具有压电性能的β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,形状可以根据需求不同而改变。PVDF压电薄膜的厚度理论上可以做到十几个微米,并可将多个传感器叠加串联以提高压电信号输出。

作为一种新型的结构智能传感元件,PVDF压电薄膜有诸多优点,如:灵敏度高,面检测,质量轻,体积小,响应快,测压范围大,信号衰减小,经济性好等,使其成为一种继电阻应变片和光纤光栅以后,在管道微应变中值得广泛推广的一种新型传感器。由于PVDF压电薄膜厚度很小,大约在100微米左右,其主要成分是聚偏二氟乙烯,抗拉强度低,抗剪能力差,质地脆弱，难以在工业现场的恶劣环境下直接应用,必须采取有效的封装措施进行保护。所以需要一种可靠的结构,既能适合于传感器的布设,保证PVDF压电薄膜的存活,又能保证应变良好的界面传递性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对背景技术提出的问题，发明一种基于PVDF压电薄膜的管道微应变压力传感器，该传感器由自下而上层叠叠放的保护膜、传感器紧固带、PVDF压电薄膜、弹性阻隔带、金属屏蔽网组成。保护膜材质为聚酰亚胺，该材质具有耐高温、防水、防腐蚀等特点，保护膜上粘贴弹性阻隔带，防止PVDF传感器受到挤压。传感器紧固带材质为不锈钢，保证传感器与管道紧密接触。PVDF传感器粘在传感器紧固带上，背面贴有保护膜，防止磨损。金属屏蔽网不仅有保护传感器作用，还可以屏蔽周围电磁干扰。

本实用新型通过形变产生压电信号输出,因此无需外加电源供电，相比于其他的压电材料能够承受大幅度的形变量，适应于不同环境的需求。单个器件可以做到很薄,理论上可以做到十几个微米,因此可以将多个器件进行叠加串连提高压电信号输出。本实用新型具有结构简单、成本低廉、应变监测精度高、抗电磁干扰、防潮、耐腐蚀等优点。

附图说明

图1是PVDF压电薄膜传感器拆分结构3D模型图；

图2是PVDF压电薄膜传感器完整结构3D模型图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步说明。

一种基于PVDF压电薄膜的管道微应变压力传感器，由自下而上层叠叠放的保护膜（1）、传感器紧固带（2）、PVDF压电薄膜（3）、弹性阻隔带（4）、金属屏蔽网（5）组成。保护膜（1）材质为聚酰亚胺，保护膜（1）上粘贴弹性阻隔带（4），防止PVDF压电薄膜（3）受到挤压。传感器紧固带（2）材质为不锈钢，保证传感器与管道紧密接触。PVDF压电薄膜（3）粘在传感器紧固带（2）上，PVDF压电薄膜（3）背面贴有保护膜（1），防止磨损。金属屏蔽网（5）不仅有保护传感器作用，还可以屏蔽周围电磁干扰。

作为本实用新型技术方案的一个实施例，所述的基于PVDF压电薄膜的管道微应变压力传感器本体和封装制作方法按如下步骤进行：

步骤1：薄膜切割

在剪裁PVDF压电薄膜时要注意其极化方向与所设计传感器方向一致, 采用激光切割技术加工。剪裁过程如下：在PVDF压电薄膜上用铅笔标记出所设计的薄膜形状，标记出的形状要比需要的形状稍大一点，留出非金属化边缘和引出电极的部分。用游标卡尺对裁剪下的薄膜进行二次测量，以确保薄膜尺寸的精确。切割后，薄膜表面的铝电极在剪裁过程中易出现毛刺，会导致PVDF压电薄膜在厚度方向上出现短路，影响制作的传感器的性能，因此在剪裁薄膜时，要保持薄膜边缘的平整度。

步骤2：非金属化边缘

切割后，对PVDF压电薄膜剪切边缘要用丙酮作为腐蚀剂处理剪裁下的圆形和方形薄膜，防止由铝电极的边缘毛刺互联、传感器上下电极导通，导致的传感器短路而使传感器失效。实现PVDF压电薄膜的非金属化边缘处理，用测试仪检测处理过的薄膜是否会发生短路。

步骤3：引出电极

由于PVDF压电薄膜表面的电极涂层很薄，仅有几个微米，并且PVDF压电薄膜本身具有较好的柔性，厚度小，因此不能使用常规的焊接方式引出电极。本实例中采用导电银胶把PVDF压电薄膜和薄铜片粘接的方式引出电极，采取同向反面引出PVDF压电薄膜的上下两电极面的方法。在加工中选择薄铜箔作为引出电极的材料，不仅增强了粘着力，也增大了PVDF压电薄膜和电极的接触面积。传感器紧固带防止应力直接传递到电极和导线的连接处造成导线脱落。在粘着之前用丙酮把PVDF压电薄膜和传感器紧固带表面清洗干净。

步骤4：安装导出电极并组装

将加工好的PVDF压电薄膜粘贴在传感器紧固带，压实并保持较好的平整度，以避免传感器在使用过程中出现褶皱。在粘贴之前用丙酮把PVDF压电薄膜和传感器紧固带表面清洗干净。选择聚对苯二甲酸类塑料（PET）对传感器进行封装，保护层和PVDF压电薄膜之间用环氧树脂胶进行粘结。传感器紧固带与保护膜（聚酰亚胺）同样使用环氧树脂胶进行粘结，传感器紧固带空隙处粘弹性带，防止传感器磨损。传感器安装在测量管道后，金属屏蔽网罩在外面起到屏蔽电磁干扰、保护传感器作用。