CN103954394A - 基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器及传感压力的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器及传感压力的方法，该传感器包括介电高弹聚合物薄膜夹层，分别粘接在其上下表面的柔性驻极体正、负电极，分别夹于柔性驻极体正、负电极与介电高弹聚合物薄膜并由介电高弹聚合物薄膜侧面边缘引出的导电迹线，上、下绝缘支撑环将多层薄膜组成的夹心结构固定在其间；其传感压力的方法，利用分别带有一定量正负电荷的柔性驻极体电极提供极化电场，介电弹性聚合物薄膜在外部压力作用下发生曲面变形，电容随之改变，通过测量正负电极的电压可获得外部压力大小；本发明摆脱了传统电容式传感器空气介电层带来的厚度方向尺寸限制，可以通过调节驻极体电极和介电弹性聚合物薄膜的材料组合以适用于不同工作条件，具备高温、高湿恶劣环境下工作的能力，具有能量损耗小、高度集成化、制备成本低的特点。

Description

基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器及传感压力的方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器及传感压力的方法。 

背景技术

传感器技术作为获取信息的主要途径与手段，广泛应用于、国民经济和国防建设的诸多领域。压力传感器作为一种通过薄膜接收外部气体的压力并将其转换为电信号的原件，在许多工程领域的瞬变压力测量中具有重要作用，如用于内燃机气缸内的实时压力场、驻退机液体压力、气液式复进机气液压力、抽气装置压力测试等。根据工作原理不同，压力传感器可分为压电式、压阻式和电容式三种。目前，利用硅体加工制备的压阻式压力传感器具有频率响应高、精度高、灵敏度高等优点，但受温度影响较大、工艺复杂。以PVDF压电薄膜为敏感材料制成的压电式压力传感器具有易加工、工作频带宽、灵敏度高等优点，但PVDF材料随温度升高会发生退极化。传统电容式压力传感器利用敏感薄膜与平行电极组成平板电容，通过测量随内外压差引起的变形而改变的电容来计算外界压力大小，具有输入能量小、灵敏度高、电学参量相对变化大、稳定性好等优点，在一些恶劣工作环境领域具有很大的应用潜力，然而平板电容这一结构形式限制了其应用范围。 

介电高弹聚合物(DE)作为一种电场型电活性聚合物(EAP),在外界电刺激下可以改变形状或体积,产生很大的电致应变(最大可达380%),而当外界电刺激撤销后,又能恢复到原始形状或体积，具有机电转换效率高、弹性能密度大、响 应速度快、质量轻、价格低等优点，广泛应用于各种驱动器和能量收集装置。此外，由于介电高弹聚合物环境适应性强、易于成形和不易疲劳损坏，是一种可用于传感器设计的理想敏感材料。 

发明内容

针对现有压力传感器的不足，本发明的目的在于提供一种基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器及传感压力的方法。本发明采用柔性电极层同弹性聚合物薄膜介电层复合的一体化夹心结构，摆脱了传统电容式传感器空气介电层带来的厚度方向尺寸限制，可以通过调节驻极体电极和介电弹性聚合物薄膜的材料组合以适用于不同工作条件，具备高温、高湿恶劣环境下工作的能力，具有能量损耗小、高度集成化、制备成本低的特点。 

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是： 

基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，包括介电高弹聚合物薄膜夹层2，分别粘接在介电高弹聚合物薄膜夹层2上下两表面的柔性驻极体正电极1和柔性驻极体负电极3，夹于柔性驻极体正电极1、负电极3与介电高弹聚合物薄膜夹层2之间并由介电高弹聚合物薄膜夹层2侧面边缘引出的导电迹线6，所述导电迹线6为检测介电高弹聚合物薄膜两表面电压提供接口，上绝缘支撑环4与下绝缘支撑环5通过外部卡榫501将多层薄膜组成的夹心结构固定在其间。 

所述介电高弹聚合物薄膜夹层2经等双轴预拉伸后在薄膜两表面均匀敷100-200m的碳脂，柔性驻极体正电极1和柔性驻极体负电极3分别通过碳脂与介电高弹聚合物薄膜夹层2粘接形成多层薄膜夹心结构；上绝缘支撑环4与下绝缘支撑环5与多层薄膜夹心结构的接触部分通过A-B胶粘接。 

所述介电高弹聚合物薄膜夹层2采用硅橡胶、聚丙烯酸、聚氨酯或丙烯酸吡咯烷酮乙酯。 

所述介电高弹聚合物薄膜夹层2，在压力变化较慢的场合选择聚丙烯酸，在温度较高的场合选择硅橡胶，在压力较大的场合选择丙烯酸吡咯烷酮乙酯，在油性工作场合选择聚氨酯。 

所述柔性驻极体正电极1和柔性驻极体负电极3选用聚四氟乙烯PTFE或聚丙烯PP,并通过电晕充电法分别冲入等量正电荷和负电荷。 

所述柔性驻极体正电极1和柔性驻极体负电极3，对于工作温度较高的环境选择聚四氟乙烯PTFE,对于湿度较大的环境选择聚丙烯PP。 

所述上绝缘支撑环4和下绝缘支撑环5的材料采用陶瓷材料或采用金属材料，但需经绝缘处理。 

所述导电迹线6采用可溅射或蒸镀的金属材料。 

所述导电迹线6采用银，迹线宽度5mm，厚度100m。 

上述所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器传感压力的方法，利用驻极体能够长期储存电荷的特性，把柔性驻极体膜作为固定电荷的提供源，静止状态下，柔性驻极体正电极1内部储存正电荷Q⁺，而柔性驻极体负电极3内部储存等量负电荷Q^-，从而在介电高弹聚合物薄膜夹层2厚度方向产生极化电场；介电高弹聚合物薄膜夹层2在外部极化电场作用下，内部偶极子从无序状态变为有序状态，电子从一端电极流向另一端,其上下两表面分别带有等量异性电荷Q⁺和Q^-,从而产生电势差U₀=Q/C₀,其中Q=Q⁺=Q^-，C₀为介电高弹聚合物薄膜夹层2的等效电容；由于上下表面压力相等，多层薄膜夹心结构未发生变形，介电高弹聚合物薄膜夹层2厚度均匀，则ε、R₀及H₀分别为介电高弹聚合物薄膜夹层2的介电系数，半径和厚度；在外部压力作用下，多层薄膜夹心结构上下表面的压力差P使其发生曲面变形，多层薄膜夹心结构向负压力的一侧鼓起，介电高弹聚合物薄膜夹层2的面积增大，厚度减小，而其材料 特性保证了介电系数ε不随形状发生改变，此时，对应于该形态介电高弹聚合物薄膜夹层2的等效电容变为C₁；而由于驻极体提供的电荷恒定，介电高弹聚合物薄膜夹层2表面所带电荷不变，则其电势差变为U₁=Q/C₁；由未变形状态时U₀与C₀的关系，C₁可进一步表示为C₁=C₀U₀/U₁；根据外部压力与多层薄膜夹心结构变形而表现出的等效电容改变之间的关系，便可测得压力差P。 

本发明和现有技术相比，具有如下优点： 

1)不需要外部设备提供直流极化电压，简化了电路设计，有利于提高信噪比，减轻重量； 

2)降低了设备的功耗，减少了发热量，有利于长时间工作； 

3)减小了传感器厚度方向的尺寸，采用柔性支撑环还可安装于曲面上进行测量。 

附图说明

图1为本发明基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器爆炸图。 

图2为图1的剖视图。 

图3为本发明柔性压力传感器的多层薄膜夹心结构未变形时示意图。 

图4为外部压力作用下本发明柔性传感器的多层薄膜夹心结构发生曲面变形示意图。 

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。 

如图1和图2所示，本发明基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，包括介电高弹聚合物薄膜夹层2，分别粘接在介电高弹聚合物薄膜夹层2上下两表面的柔性驻极体正电极1和柔性驻极体负电极3，夹于柔性驻极体正电极1、负电极3与介电高弹聚合物薄膜夹层2之间并由介电高弹聚合物薄膜夹层2侧面边 缘引出的导电迹线6，所述导电迹线6为检测介电高弹聚合物薄膜两表面电压提供接口，上绝缘支撑环4与下绝缘支撑环5通过外部卡榫501将多层薄膜组成的夹心结构固定在其间。所述介电高弹聚合物薄膜夹层2经等双轴预拉伸后在薄膜两表面均匀敷100-200m的碳脂，柔性驻极体正电极1和柔性驻极体负电极3分别通过碳脂与介电高弹聚合物薄膜夹层2粘接形成多层薄膜夹心结构；上绝缘支撑环4与下绝缘支撑环5与多层薄膜夹心结构的接触部分通过A-B胶粘接。 

作为本发明的优选实施方式，所述介电高弹聚合物薄膜夹层2可采用硅橡胶、聚丙烯酸、聚氨酯或丙烯酸吡咯烷酮乙酯等；进一步的，在压力变化较慢的场合选择聚丙烯酸，在温度较高的场合选择硅橡胶，在压力较大的场合选择丙烯酸吡咯烷酮乙酯，在油性工作场合选择聚氨酯。 

作为本发明的优选实施方式，所述柔性驻极体正电极1和柔性驻极体负电极3选用聚四氟乙烯PTFE或聚丙烯PP,并通过电晕充电法分别冲入等量正电荷和负电荷；进一步的，对于工作温度较高的环境选择聚四氟乙烯PTFE,对于湿度较大的环境选择聚丙烯PP。 

所述上绝缘支撑环4和下绝缘支撑环5优选采用陶瓷材料，也可选用金属材料，但需经绝缘处理。 

作为本发明的优选实施方式，所述导电迹线6采用可溅射或蒸镀的金属材料；优先选用银，迹线宽度5mm，厚度100m。 

如图3所示，本发明基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器传感压力的方法：静止状态下，柔性驻极体正电极1内部储存正电荷Q⁺，而柔性驻极体负电极3内部储存等量负电荷Q^-，从而在介电高弹聚合物薄膜夹层2厚度方向产生极化电场；介电高弹聚合物薄膜夹层2在外部极化电场作用下，内部偶极子从 无序状态变为有序状态，电子从一端电极流向另一端,其上下两表面分别带有等量异性电荷Q⁺和Q^-,从而产生电势差U₀=Q/C₀,其中Q=Q⁺=Q^-，C₀为介电高弹聚合物薄膜夹层2的等效电容；由于上下表面压力相等，多层薄膜夹心结构未发生变形，介电高弹聚合物薄膜夹层2厚度均匀，则ε、R₀及H₀分别为介电高弹聚合物薄膜夹层2的介电系数，半径和厚度。 

如图4所示，在外部压力作用下，多层薄膜夹心结构上下表面的压力差P使其发生曲面变形，多层薄膜夹心结构向负压力的一侧鼓起，介电高弹聚合物薄膜夹层2的面积增大，厚度减小，而其材料特性保证了介电系数ε不随形状发生改变，此时，对应于该形态介电高弹聚合物薄膜夹层2的等效电容变为C₁；而由于驻极体提供的电荷恒定，介电高弹聚合物薄膜夹层2表面所带电荷不变，则其电势差变为U₁=Q/C₁；由未变形状态时U₀与C₀的关系，C₁可进一步表示为C₁=C₀U₀/U₁；根据外部压力与多层薄膜夹心结构变形而表现出的等效电容改变之间的关系，便可测得压力差P。 

进一步的，对应于该形态介电高弹聚合物薄膜夹层2的等效电容C₁与其切向应变λ₁和环向应变λ₂具有如下关系： 

$C_1=C_0{U}_0/U_1=\frac{2\mathrm{\π\ϵ}}{H_0}\underset{0}{\overset{R_0}{\∫}}{\left({\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2\right)}^2\mathrm{RdR};---\left(1\right)$

变形后介电高弹聚合物薄膜夹层2上任意一环形微元的切向应变λ₁、环向应变λ₂、切向应力δ₁、环向应力δ₂、切向角θ、距离中心点半径r、垂直高度z以及变形前该微元距离薄膜中心的距离R存在如下关系： 

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dR}}=-\frac{{\mathrm{\δ}}_2{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\δ}}_1{\mathrm{\λ}}_{2}R}\sin \mathrm{\θ}+\frac{{\mathrm{\λ}}_1^2{\mathrm{\λ}}_{2}P}{{\mathrm{\σ}}_1{H}_0}---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{d\λ}}_1}{\mathrm{dR}}=\frac{1}{R\frac{\∂({\mathrm{\δ}}_1/{\mathrm{\λ}}_1)}{{\∂\mathrm{\λ}}_1}}[\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}\cos \mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{\∂({\mathrm{\δ}}_1/{\mathrm{\λ}}_1)}{{\∂\mathrm{\λ}}_2}({\mathrm{\λ}}_1\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\λ}}_2)]---\left(3\right)$

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{J_{\lim }\mathrm{\μ}({\mathrm{\λ}}_2^2-{\mathrm{\λ}}_1^{-2}{\mathrm{\λ}}_2^{-2})}{J_{\lim }+3-{\mathrm{\λ}}_1^2-{\mathrm{\λ}}_2^2-{\mathrm{\λ}}_1^{-2}{\mathrm{\λ}}_2^{-2}}-\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{U_1}{H_0}\right)}^2{\mathrm{\λ}}_1^2{\mathrm{\λ}}_2^2---\left(4\right)$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{J_{\lim }\mathrm{\μ}({\mathrm{\λ}}_2^2-{\mathrm{\λ}}_1^{-2}{\mathrm{\λ}}_2^{-2})}{J_{\lim }+3-{\mathrm{\λ}}_1^2-{\mathrm{\λ}}_2^2-{\mathrm{\λ}}_1^{-2}{\mathrm{\λ}}_2^{-2}}-\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{U_1}{H_0}\right)}^2{\mathrm{\λ}}_1^2{\mathrm{\λ}}_2^2---\left(5\right)$

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dR}}={\mathrm{\λ}}_2\sin \mathrm{\θ}---\left(6\right)$ $\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dR}}={\mathrm{\λ}}_1\sin \mathrm{\θ}---\left(7\right)$

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{r}{R}---\left(8\right)$

其中μ和分别J_lim介电高弹聚合物薄膜夹层2的剪切模量和拉伸极限。由式(2)-(8),可以获得压力差P作用下介电高弹聚合物薄膜夹层2发生变形后每一环形微元对应的切向应变λ₁(R)和环向应变λ₂(R)，将λ₁(R)和λ₂(R)带入式(1)便可获得电压U₁与压力差P的关系。 

Claims (10)

1.基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：包括介电高弹聚合物薄膜夹层（2），分别粘接在介电高弹聚合物薄膜夹层（2）上下两表面的柔性驻极体正电极（1）和柔性驻极体负电极（3），分别夹于柔性驻极体正电极（1）、负电极（3）与介电高弹聚合物薄膜夹层（2）并由介电高弹聚合物薄膜夹层（2）侧面边缘引出的导电迹线（6），所述导电迹线（6）为检测介电高弹聚合物薄膜两表面电压提供接口，上绝缘支撑环（4）与下绝缘支撑环（5）通过外部卡榫（501）将多层薄膜组成的夹心结构固定在其间。 

2.根据权利要求1所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述介电高弹聚合物薄膜夹层（2）经等双轴预拉伸后在薄膜两表面均匀敷100-200m的碳脂，柔性驻极体正电极（1）和柔性驻极体负电极（3）分别通过碳脂与介电高弹聚合物薄膜夹层（2）粘接形成多层薄膜夹心结构；上绝缘支撑环（4）与下绝缘支撑环（5）与多层薄膜夹心结构的接触部分通过A-B胶粘接。 

3.根据权利要求1所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述介电高弹聚合物薄膜夹层(2)采用硅橡胶、聚丙烯酸、聚氨酯或丙烯酸吡咯烷酮乙酯。 

4.根据权利要求3所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述介电高弹聚合物薄膜夹层（2），在压力变化较慢的场合选择聚丙烯酸，在温度较高的场合选择硅橡胶，在压力较大的场合选择丙烯酸吡咯烷酮乙酯，在油性工作场合选择聚氨酯。 

5.根据权利要求1所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性驻极体正电极（1）和柔性驻极体负电极（3）选用聚四氟乙烯 PTFE或聚丙烯PP,并通过电晕充电法分别冲入等量正电荷和负电荷。 

6.根据权利要求5所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性驻极体正电极（1）和柔性驻极体负电极（3），对于工作温度较高的环境选择聚四氟乙烯PTFE,对于湿度较大的环境选择聚丙烯PP。 

7.根据权利要求1所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述上绝缘支撑环（4）和下绝缘支撑环（5）的材料采用陶瓷材料或采用金属材料，但需经绝缘处理。 

8.根据权利要求1所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述导电迹线（6）采用可溅射或蒸镀的金属材料。 

9.根据权利要求8所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，其特征在于：所述导电迹线（6）采用银，迹线宽度5mm，厚度100m。 

10.权利要求1至7任一项所述的基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器传感压力的方法，其特征在于： 

利用驻极体能够长期储存电荷的特性，把柔性驻极体膜作为固定电荷的提供源，静止状态下，柔性驻极体正电极（1）内部储存正电荷Q⁺，而柔性驻极体负电极（3）内部U储存等量负电荷Q^-，从而在介电高弹聚合物薄膜夹层（2）厚度方向产生极化电场； 

介电高弹聚合物薄膜夹层（2）在外部极化电场作用下，内部偶极子从无序状态变为有序状态，电子从一端电极流向另一端,其上下两表面分别带有等量异性电荷Q⁺和Q^-,从而产生电势差U₀=Q/C₀,其中Q=Q⁺=Q^-，C₀为介电高弹聚合物薄膜夹层（2）的等效电容；由于上下表面压力相等，多层薄膜夹心结构未发生变形，介电高弹聚合物薄膜夹层（2）厚度均匀，则ε、R₀及H₀分别为介电高弹聚合物薄膜夹层（2）的介电系数，半径和厚度； 

在外部压力作用下，多层薄膜夹心结构上下表面的压力差P使其发生曲面变形，多层薄膜夹心结构向负压力的一侧鼓起，介电高弹聚合物薄膜夹层（2）的面积增大，厚度减小，而其材料特性保证了介电系数ε不随形状发生改变，此时，对应于该形态介电高弹聚合物薄膜夹层（2）的等效电容变为C₁；而由于驻极体提供的电荷恒定，介电高弹聚合物薄膜夹层（2）表面所带电荷不变，则其电势差变为U₁=Q/C₁；由未变形状态时U₀与C₀的关系，C₁可进一步表示为C₁=C₀U₀/U₁；根据外部压力与多层薄膜夹心结构变形而表现出的等效电容改变之间的关系，便可测得压力差P。