一种柔性驻极体传感器

本技术属于驻极体传感器，更具体地，涉及一种柔性驻极体传感器。

背景技术：

1、压电式柔性驻极体传感器主要利用的是驻极体的压电效应，极化后的驻极体内部形成了准永久性的电偶极子，在外部金属电极形成了电性相反的补偿电荷，当压电驻极体在受到垂直于电极方向的外部挤压时，孔洞被压缩导致了内部偶极矩减小，偶极子密度降低，表面电极中的补偿电荷相应减少，因此在两片金属极板之间产生了短路电流信号，如果薄膜表面的两个电极开路，则在两电极间会产生电势差，这个过程实现了力电转换，达到将力学信号转换成电信号的效果。驻极体是一类能长期存储电荷的电介质材料的总称，将具有微结构的驻极体材料进行极化(充电)处理后，其结构内部可存储大量电荷，具有微结构的驻极体基材相比较没有微结构的基材进行极化处理后可存储更多的电荷，但现有具有微小孔洞的驻极体基材大都是进行膨化处理后的，但其膨化过程需要充入氮气形成高压环境，这一方法在去掉加热和加压条件后，聚合物内部孔洞会产生缩小或塌陷，内部空间减小，存储电荷的空间也相应减小，导致存储的电荷量减少。而且当前驻极体传感器最常见的结构是三明治结构的：即两层同样种类的驻极体材料中间夹着一层其他种类的驻极体材料，这使得组成的驻极体传感器厚度增加，灵敏度下降，成本上升。

2、驻极体是指那些能够长期存储空间电荷和偶极电荷的电介质材料，不仅具有和压电陶瓷相当的强压电效应而且具有聚合物的柔韧性，现有技术一般是在对具有储存电荷功能的介电材料通过极化(充电)处理，驻极体内部形成了准永久性的电偶极子，在外部金属电极形成了电性相反的补偿电荷，当压电驻极体在受到垂直于电极方向的外部挤压时，孔洞被压缩导致了内部偶极矩减小，偶极子密度降低，表面电极中的补偿电荷相应减少，因此在两片金属极板之间产生了短路电流信号。驻极体最常见的极化方法有热极化、电晕极化和接触法极化，热极化在去掉外加电场后会出现部分自发退极化现象，电晕极化其具体过程为:电晕针上的外加电场超过了电晕针和驻极体间空气层的击穿强度，导致空气电离产生了大量的带电离子，在电晕电场的作用下，这些离子电荷将被注入到驻极体中，在此过程中会导致极化不均匀。因此，选用接触法极化的方式对柔性驻极体进行极化。市面上大部分的压电系数测试系统大多只能用于测量压电陶瓷类，而能用于测量薄膜类传感器的设备复杂且昂贵。因此，亟需搭建了一种测试压电系数的装置。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的缺点和不足之处，本实用新型首要目的在于提供一种柔性驻极体传感器，该传感器具有单层结构，压电系数大、电荷密度更高、灵敏度高、热稳定性好且电荷更加稳定。

2、本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

3、一种柔性驻极体传感器，所述柔性驻极体传感器包括表面电极、柔性传感层和底面电极；所述柔性传感层设于表面电极和底面电极之间；所述柔性传感层由若干半球形微结构的单元阵列和驻极体组成；所述柔性传感层的半球形微结构层的表面充满电位相反、电荷量相等的双极性电荷；所述表面电极和底面电极上均引出有导线作为传感器接口。

4、优选地，所述半球形微结构和驻极体的材料均为聚全氟乙烯丙烯共聚物。

5、优选地，所述半球形微结构的直径为45～55微米；所述半球形微结构的单元阵列的间距为20～25微米。

6、优选地，所述表面电极和底面电极均为铜、金或银。

7、优选地，所述柔性传感层的厚度为150～180微米。

8、现有具有微小孔洞的驻极体基材大都是进行膨化处理后，但其膨化过程需要充入氮气形成高压环境，在去掉加热和加压条件后，聚合物内部孔洞会产生缩小或塌陷，内部空间减小，存储电荷的空间也相应减小，导致存储的电荷量减少。而本实用新型将带有电极的柔性传感层用接触法极化的方法进行极化，在对两面带有金属电极的柔性传感层进行极化时，将柔性传感层的两个电极之间用10kv的直流电压进行接触法极化，高压极化的针接触柔性传感材料上表面电极，底面电极接触极化装置的下极板，通电后驻极体内部的孔洞之间的空气被击穿，产生了大小相同极性相反的电荷附着在孔洞的上下表面，极化后就获得了柔性驻极体传感器，然后在导线与表面电极和底面电极相连接，制得柔性驻极体传感器。

9、与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

10、1.本实用新型通过采用具有半球形微结构层的柔性传感材料制作成柔性驻极体传感器，测得压电系数为1700～2200pc/n，与现有的传统商用的pvdf传感器薄膜相比较，柔性驻极体传感器的压电系数是商用pvdf薄膜传感器(压电系数为50～80pc/n)的数十倍。

11、2.本实用新型的柔性驻极体传感器可存储更多电荷、稳定性更好，可通过调节微结构的尺寸进而调控微结构的存储空间，调节电荷储存量，电荷密度越大，灵敏度越高，无需聚合物膨化过程。这是由于微结构进行极化(充电)处理后，其结构内部可存储大量偶极电荷，具有微结构的驻极体基材相比较没有微结构的基材进行极化处理后可存储更多的电荷，在薄膜内部制造孔洞，相当于增加更多的宏观偶极子，导致电荷密度的增加，从而提高性能。

技术特征：

1.一种柔性驻极体传感器，其特征在于，所述柔性驻极体传感器包括表面电极、柔性传感层和底面电极；所述柔性传感层设于表面电极和底面电极之间；所述柔性传感层由若干半球形微结构的单元阵列和驻极体组成；所述柔性传感层的半球形微结构层的表面充满电位相反、电荷量相等的双极性电荷；所述表面电极和底面电极上均引出有导线作为传感器接口。

2.根据权利要求1所述的柔性驻极体传感器，其特征在于，所述半球形微结构和驻极体的材料均为聚全氟乙烯丙烯共聚物。

3.根据权利要求1所述的柔性驻极体传感器，其特征在于，所述半球形微结构的直径为45~55微米；所述半球形微结构的单元阵列的间距为20~25微米。

4.根据权利要求1所述的柔性驻极体传感器，其特征在于，所述表面电极和底面电极均为铜、金或银。

5.根据权利要求1所述的柔性驻极体传感器，其特征在于，所述柔性传感层的厚度为150~180微米。

技术总结
本技术属于驻极体传感器技术领域，公开了一种柔性驻极体传感器，所述柔性驻极体传感器包括表面电极、柔性传感层、底面电极和导线；所述柔性传感层设于表面电极和底面电极之间；所述柔性传感层由若干半球形微结构的单元阵列和驻极体材料层组成；所述柔性传感层的半球形微结构层的表面充满电位相反、电荷量相等的双极性电荷；所述表面电极和底面电极上均引出有导线。本技术柔性驻极体传感器的微结构可存储更多电荷、稳定性更好，可通过调节微结构的尺寸进而调控微结构的存储空间，调节电荷储存量，电荷密度越大，灵敏度越高；该柔性驻极体传感器的压电系数是商用PVDF薄膜的数十倍。

技术研发人员：魏建文,鲁圣国,周磊,杨东儒,赵小波,姚英邦,陶涛,梁波
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：20230224
技术公布日：2024/1/13