专利名称：柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，涉及一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法。
背景技术：
聚偏氟乙烯(英文缩写为PVDF)是一种高结晶度的含氟聚合物，属于一种坚韧的热塑性工程塑料。经拉伸极化后的聚偏氟乙烯薄膜具有压电效应，聚偏氟乙烯薄膜的压电电压常数g几乎在所有压电材料中是最高的；聚偏氟乙烯压电薄膜的厚度可从20 μ m至 200 μ m，质轻柔软，对结构的力学性能影响很小，与结构有着良好的兼容性；具有很宽的频率响应范围，能达到0. IHz到几十MHz。聚偏氟乙烯压电薄膜传感器在工业自动化、仪器仪表、医疗电子、电声、水声、结构检测等领域有广阔的应用前景。聚偏氟乙烯压电薄膜传感器的一般制作方法是将薄膜贴于平面结构上。如果基底是刚性结构，那么聚偏氟乙烯压电薄膜层工作在厚度应变模式，这种模式感应的压电电荷密度小；如果基底结构是柔性，那么聚偏氟乙烯压电薄膜在横向拉伸方向发生较大应变，这种拉伸模式感应的压电电荷密度大，测量微小力值时建议采用该拉伸模式。如中国农业机械化科学研究院机电技术应用研究所的周利明等发表在农业机械学报2010，41 (6)的“联合收获机谷物损失测量PVDF阵列传感器设计与试验”文章中，是在铝合金基底和聚偏氟乙烯压电薄膜之间加入聚酯薄膜和橡胶阻尼层，有效增大传感器的形变，使输出信号增强。在传感器应用中，环境温湿度、电缆噪声、接地回路等都对传感器引入噪声，在生物振动信息检测中体表温度和静电是较强的干扰源，这就要求提高传感器对于微弱力或振动的灵敏度。刚性基底上增加缓冲层的办法增加了制作工序。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有平面聚偏氟乙烯压电传感器灵敏度的不足， 在不改变压电薄膜材料的机电耦合系数和压电常数的前提下，通过采用弧面、全柔性基底结构来放大压电薄膜层的应力和应变，在同样的待测载荷输入下，提高传感器的输出电压和提高传感器的灵敏度。本发明采用的技术方案是一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法，其特征是，用液体双组份硅胶制成具有弧面的柔性硅胶基底，在柔性硅胶基底的弧面上粘覆聚偏氟乙烯压电薄膜，在压电薄膜外表面覆盖硅胶保护层，制成柔性弧面聚偏氟乙烯传感器； 具体制作方法如下第一步制作硅胶柔性基底(1)按照灵敏度要求计算模具的曲率半径R，用不锈钢或塑料制作模具，模具为圆柱体或扇形体、曲率半径等于R，模具底部用玻璃板托住。(2)将液体有机硅胶A组份搅拌均勻，将有机硅胶B组份在包装内摇勻，将A组份和B组份根据配比要求混合，充分搅拌均勻，将混合液体有机硅胶灌填到模具中，灌填高度比聚偏氟乙烯压电薄膜4的宽度大1mm。(3)胶体在模具中凝胶6个小时后，在50°C条件下加温2个小时，凝固成型后脱模，按所需弦长和弧高切割形成柔性基底1，柔性基底1的曲率半径为R，准备传感器组装。(4)操作时间的调整可操作时间除了与产品配方有关之外还受温度影响，温度高则固化速度加快，操作时间相应缩短；温度低固化速度慢，操作时间相应地延长。通过改变B组份的使用量调整可操作时间，增大B组份的用量，可操作时间变短，减少用量则可操作时间延长。根据实际情况需要在士 15%范围内调整。第二步制作柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器(1)裁剪所需尺寸和性能参数的聚偏氟乙烯压电薄膜4，聚偏氟乙烯压电薄膜4的上、下表面分别蒸镀上表面电极5和下表面电极3，铜质上电极贴片13压贴在上表面电极5 的接触端，铜质下电极贴片11压贴在下表面电极3的接触端，上述组件全部用下绝缘防护层2和上绝缘防护层6包覆密封，为防止绝缘防护层2和上绝缘防护层6的贴合边缘剥离， 用上电极铆钉7在上表面电极5的接触端位置将上电极贴片13与上电极压线端子12铆合， 用下电极铆钉8在下表面电极3的接触端位置将下电极贴片11与下电极压线端子10铆合， 上电极引线14焊接在上电极压线端子12上，下电极引线9焊接在下电极压线端子10上。 也可以购买有绝缘防护层和电极引线的聚偏氟乙烯压电薄膜商品。(2)用酒精清洗下绝缘防护层2，用酒精清洗柔性基底1的弧形表面，将绝缘防护好的聚偏氟乙烯压电薄膜4的拉伸方向沿弧长方向放置在柔性基底1的弧面上，用502快干胶将二者平整紧密地粘合在一起。(3)在上绝缘防护层6的表面还可以喷涂或刷涂一薄层液体硅胶，固化后形成约 0. 2mm的硅胶保护层，起到保护传感器15、传递外力和隔离干扰的作用。完成柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器15的制作。(4)将所制柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器15的柔性基底1固定在安装位置上， 外部载荷或振动作用于传感器15的弧面最高点部位，联接上电极引线16和下电极引线10 至电荷放大器16的输入口，采集电荷放大器16的输出口的电压V。ut，可获取载荷或振动信肩、ο本发明具有以下明显效果当有载荷作用于传感器表面时，与柔性平面基底相比， 柔性弧面基底放大了压电薄膜层中的应变，放大倍数基本正比于弧面结构的曲率；最终传感器对相同待测载荷的输出增大，因此灵敏度增大。
图1是平面与两种曲率聚偏氟乙烯传感器输出电压与力的ANSYS仿真结果，其中 横坐标是作用于传感器上的载荷，单位为N，纵坐标是聚偏氟乙烯压电薄膜输出的开路电压，单位为mV。图2是柔性弧面聚偏氟乙烯传感器的主视图。图3是柔性弧面聚偏氟乙烯传感器的俯视图。图4是柔性弧面聚偏氟乙烯传感器的左视图。其中1-柔性基底，2-下绝缘防护层，3-下表面电极，4-聚偏氟乙烯压电薄膜， 5-上表面电极，6-上绝缘防护层，7-上电极铆钉，8-下电极铆钉，9-下电极引线，10-下电弹性等量逻
(N/m2) &
极压线端子，11-下电极贴片，12-上电极压线端子，13-上电极贴片，14-上电极引线，R-曲
率半径。图5是柔性弧面聚偏氟乙烯传感器实物示例。图6是柔性曲面传感器与电荷放大器配接示意图，其中15-图2所示的柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器，16-电荷放大器，V。ut-电荷放大器输出电压。图7是弧面曲率半径为1. 25cm的传感器测量脉搏时示波器输出电压示例图，其中横轴为时间，每小格代表250ms ；纵轴为电荷放大器输出电压，每小格代表200mV。
具体实施例方式结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式
。先将聚偏氟乙烯压电薄膜分别贴在平面和两种不同曲率的柔性基底上，用有限元软件ANSYS/^tructural结构场的压电模块分析聚偏氟乙烯压电薄膜的机电耦合。图1是平面与两种曲率柔性基底的聚偏氟乙烯传感器输出电压与力的ANSYS仿真结果，其中三种柔性基底的参数如表1所示，聚偏氟乙烯薄膜长4mm、厚20μπκ弹性模量为2\10%/!112，压电常数(131为22 (/^。由图1可见，贴于曲率为54. 7m-1的#3结构上的聚偏氟乙烯压电薄膜的灵敏度最高，贴于#1平面结构上的聚偏氟乙烯压电薄膜的灵敏度最低；曲率为29. 3m-1的#2结构上的聚偏氟乙烯压电薄膜的灵敏度居中，是#1平面结构上的聚偏氟乙烯压电薄膜的灵敏度的8倍。因此，柔性基底的曲率较大时聚偏氟乙烯压电传感器的灵敏度较高。表IANSYS仿真中柔性基底的参数
#14 400
#243.6 129.32.14χ106 0.48
#34 31.554.7本发明给出一种采用柔性基底的弧面聚偏氟乙烯压电传感器制作方法，具体实施例1 选用厚度为观μ m、压电常数d31为23pC/N的聚偏氟乙烯压电薄膜，柔性基底由A、B双组份液体有机硅胶混合、固化、切割而成，制作曲率半径为1.0cm的柔性基底传感器。具体制作方法如下第一步制作柔性基底1，选择容易成型、弹性模量低、耐受性好的双组份液体有机娃胶制作柔性基底1。(1)制作半径为1. Ocm的不锈钢或塑料模具，模具为圆柱体或扇形体，模具底部用玻璃板托住。(2)将液体有机硅胶A组份搅拌均勻，将有机硅胶B组份在包装内摇勻，将A组份和B组份根据配比要求混合，充分搅拌均勻，将混合液体有机硅胶灌填到模具中，灌填高度比聚偏氟乙烯压电薄膜4的宽度大1mm。(3)胶体在模具中凝胶6个小时后，在50°C条件下加温2个小时，凝固成型后脱
编号弧长弦长拱高曲f (mm) (mm) (mm) (m )
5模，按所需弦长和弧高切割形成柔性基底1，柔性基底1的曲率半径为R，准备传感器组装。(4)操作时间的调整可操作时间除了与产品配方有关之外还受温度影响，温度高则固化速度加快，操作时间相应缩短；温度低固化速度慢，操作时间相应地延长。通过改变B组份的使用量调整可操作时间，增大B组份的用量，可操作时间变短，减少用量则可操作时间延长。根据实际情况需要在士 15%范围内调整。柔性基底1也可以用其他弹性模量低的材料来制作。第二步装贴聚偏氟乙烯压电薄膜，聚偏氟乙烯压电薄膜轻薄柔软，根据需要被制作成柔顺曲面形状。(1)裁剪所需尺寸的聚偏氟乙烯压电薄膜4，聚偏氟乙烯压电薄膜4的上、下表面分别蒸镀上表面电极5和下表面电极3，铜质上电极贴片13压贴在上表面电极5的接触端， 铜质下电极贴片11压贴在下表面电极3的接触端，上述组件全部用下绝缘防护层2和上绝缘防护层6包覆密封，为防止绝缘防护层2和上绝缘防护层6的贴合边缘剥离，用上电极铆钉7在上表面电极5的接触端位置将上电极贴片13与上电极压线端子12铆合，用下电极铆钉8在下表面电极3的接触端位置将下电极贴片11与下电极压线端子10铆合，上电极引线14焊接在上电极压线端子12上，下电极引线9焊接在下电极压线端子10上。也可以购买有绝缘防护层和电极引线的聚偏氟乙烯压电薄膜商品。(2)用酒精清洗下绝缘防护层2，用酒精清洗柔性基底1的弧形表面，将绝缘防护好的聚偏氟乙烯压电薄膜4的拉伸方向沿弧长方向放置在柔性基底1的弧面上，用502快干胶将二者平整紧密地粘合在一起。(3)在上绝缘防护层6的表面还可以喷涂或刷涂一薄层液体硅胶，固化后形成约 0. 2mm的硅胶保护层，起到保护传感器15、传递外力和隔离干扰的作用。柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器15制作完成。(4)将所制柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器15的柔性基底1固定在安装位置上， 外部载荷或振动作用于传感器15的弧面最高点部位，联接上电极引线16和下电极引线10 至电荷放大器16的输入口，采集电荷放大器16的输出口的电压V。ut，可获取载荷或振动信肩、ο制作完成后的柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器实物如图5所示。聚偏氟乙烯压电薄膜分别选用锦州科信电子材料有限公司和美国精量电子有限公司(Measurement Specialties Inc)的产品。第三步按照上述方法又另外制作了曲率半径分别为1. 25cm、1. 67cm和2. 5cm的硅胶柔性基底的弧面聚偏氟乙烯传感器。第四步对上述四种不同曲率半径的柔性弧面聚偏氟乙烯传感器进行灵敏度对比实验。将台式激振器的加载头分别临界接触到弧面聚偏氟乙烯传感器的弧顶，将各传感器与电荷放大器16按图6联接，固定激振器的振动幅度，激振频率为100Hz，用示波器记录电荷放大器16的输出电压V。ut。按照传感器柔性基底的曲率半径由小到大，Vout的峰-峰值分别为792mV、672mV、536mV和416mV。本实施例表明，同样激振频率和激振幅度下，曲率半径越小(曲率越大)的柔性弧面聚偏氟乙烯传感器响应电压越大，柔性弧面聚偏氟乙烯传感器的灵敏度与柔性基底的曲率大小基本成正比。
实施例2 选曲率半径为1. 25cm,即曲率为SOnT1的硅胶弧面聚偏氟乙烯传感器测量人体脉搏，按照图6所示联接电荷放大器，示波器记录的电荷放大器16的输出电压V。ut如图7所示，该波形较为光滑平整，幅值适中，脉搏的主波、潮波辨别明显，主波与潮波间的幅值差值及时间间隔易于识别，具有一定的医学研究领域的参考价值。ANSYS仿真和上述实施例表明，柔性弧面基底的聚偏氟乙烯压电传感器比柔性平面基底的聚偏氟乙烯压电传感器的灵敏度高，柔性弧面基底的聚偏氟乙烯压电传感器的灵敏度基本正比于弧面结构的曲率。本发明的传感器可应用于脉搏测量、微弱振动、微力检测等领域。
权利要求
1.一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器的制作方法，其特征是，用液体双组份有机硅胶制成具有弧面的柔性硅胶基底(1)，在柔性硅胶基底(1)的弧面上粘覆聚偏氟乙烯压电薄膜G)，在聚偏氟乙烯压电薄膜的上下表面覆盖保护层，作为上绝缘保护层(6)和下绝缘保护层O)，制成柔性弧面聚偏氟乙烯传感器(1 ；具体制作步骤如下第一步制作硅胶柔性基底(1)(1)按照灵敏度要求计算模具的曲率半径(R)，用不锈钢或塑料制作模具，模具为圆柱体或扇形体，用玻璃板托住模具底部；(2)液体双组份有机硅胶是由有机硅胶A组份和有机硅胶B组份组成，将液体有机硅胶 A组份搅拌均勻，将有机硅胶B组份在包装内摇勻，将A组份和B组份根据配比要求混合，充分搅拌均勻，将混合液体有机硅胶灌填到模具中，灌填高度比聚偏氟乙烯压电薄膜4的宽度大Imm ；(3)液体双组份有机硅胶混合胶体在模具中凝胶6个小时后，在50°C条件下加温2个小时，凝固成型后脱模，按所需弦长和弧高切割形成柔性基底(1)；第二步制作柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器(1)按所需尺寸和性能参数裁剪聚偏氟乙烯压电薄膜G)，聚偏氟乙烯压电薄膜(4)的上、下表面分别蒸镀上表面电极( 和下表面电极(3)，铜质上电极贴片(1 压贴在上表面电极(5)的端部，铜质下电极贴片(11)压贴在下表面电极(3)的端部，然后全部用下绝缘防护层( 和上绝缘防护层(6)包覆密封，用上电极铆钉(7)在上表面电极(5)的端部位置将上电极贴片(1 与上电极压线端子(1 铆合，用下电极铆钉(8)在下表面电极(3) 的端部位置将下电极贴片(11)与下电极压线端子(10)铆合，上电极引线(14)焊接在上电极压线端子(12)，下电极引线(9)焊接在下电极压线端子(10)；(2)用酒精清洗下绝缘防护层( 和柔性基底(1)的弧形表面，将绝缘防护好的聚偏氟乙烯压电薄膜的拉伸方向沿弧长方向放置在柔性基底(1)的弧面上，用502快干胶将二者平整紧密地粘合在一起，完成柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器(1 的制作。
2.一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器，其特征是，柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器 (15)中，下绝缘防护层( 用502快干胶紧密地粘合在曲率半径为R的柔性基底(1)上，上表面电极( 和下表面电极C3)分别蒸镀在聚偏氟乙烯压电薄膜的上下表面上，上电极铆钉(7)将上表面电极(5)、上电极贴片(1 和上电极压线端子(1 固定在一起，由上电极引线(14)引出，下电极铆钉⑶将下表面电极(3)、下电极贴片(11)和下电极压线端子(10)固定在一起，由下电极引线(9)引出。
全文摘要
本发明一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法，属于传感器技术领域，涉及一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法。制作方法是用液体双组份有机硅胶制成具有弧面的柔性硅胶基底，在柔性硅胶基底的弧面上粘覆聚偏氟乙烯压电薄膜，在聚偏氟乙烯压电薄膜的上下表面覆盖保护层，作为上绝缘保护层和下绝缘保护层，制成柔性弧面聚偏氟乙烯传感器。本发明的压电薄膜传感器结构紧凑，通过采用弧面、全柔性基底结构来放大压电薄膜层的应力和应变，提高传感器的输出电压和提高传感器的灵敏度。本发明的传感器可应用于脉搏测量、微弱振动、微力检测等领域。
文档编号H01L41/04GK102522496SQ20111043397
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者任程诚, 喻言, 白凤仙, 董维杰 申请人:大连理工大学