CN106225811B - 一种带发电功能的柔性压电传感器阵列及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带发电功能的柔性压电传感器阵列及其制作方法，该传感器阵列包括封装在柔性保护膜内，依次设置的阵列层、柔性绝缘层及柔性发电膜。与现有技术相比，本发明将柔性压电传感器阵列与机械能俘获单元有机结合在一起，同时具有传感和机械能俘获功能。用该方法制备的成品器件具有柔韧性好、轻薄、灵敏度高、成本低、自供能等特点，可用于机器人肌肤、触觉传感系统、柔性键盘、智能坐垫、智能地板等。

Description

一种带发电功能的柔性压电传感器阵列及其制作方法
技术领域
本发明属于功能器件技术领域，尤其是涉及一种带发电功能的柔性压电传感器阵列及其制作方法。
背景技术
电子器件朝着柔性、轻薄和低功耗方向发展，通过收集周围环境中的废弃能源，例如风能、太阳能、振动能、热能，并将其转化为有用的电能，用以驱动电子器件并与相关控制中心进行无线数据通信，实现无线传感网络节点、可穿戴设备的自供能是物联网发展的关键问题之一。
压电驻极体是一种具有强压电效应的微孔结构空间电荷驻极体材料，它的压电性源于双极性空间电荷在聚合物基体上的取向排列，以及材料特殊的微孔结构。压电驻极体膜的压电系数高、质量轻、柔韧性好，并且可以制成任意的形状和尺寸，是制备柔性压电传感器的理想材料。
单极性驻极体是一类能够长期保持极化状态并且能在周围空间激发稳定、持久静电场的一类功能电介质材料。利用单极性驻极体的静电场效应可以将周围环境的机械能(例如风能、波浪能、振动能、人体运动能等等)转化为电能，进而实现小型电子设备的自主供电。该技术可以完全取代传统电池，绿色无污染，即使在恶劣的环境中也能实现能源的持久供应。
中国专利CN 103515525A公开了一种柔性贴片传感器，包括：压电材料层，其发生压电效果；第一电极层，其邻接所述压电材料层的上部形成；第二电极层，其邻接所述压电材料层的下部形成；第一电介质粘合剂层，其在所述第一电极层的上部形成；第二电介质粘合剂层，其在所述第二电极层的下部形成；第一聚酰亚胺薄膜层，其在所述第一电介质粘合剂层的上部形成；第二聚酰亚胺薄膜层，其在所述第二电介质粘合剂层的下部形成；所述压电材料层相互隔离地水平排列有由压电纤维复合材料构成的多个压电长板；所述压电长板之间的间隙用环氧树脂填充。该专利主要涉及测量技术领域，其压电材料层由压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)构成，而本申请属于功能器件技术领域，其阵列层(传感层)由压电驻极体构成，压电驻极体除了具有和压电陶瓷相当甚至更高的压电系数外，还拥有聚合物的柔顺性、可大面积成膜、低成本、低电容率以及与空气和水相匹配的低声阻抗等突出特性，在柔性压电传感器领域中有更广阔的应用前景。此外，以本申请所述的方法制备的成品器件兼具传感和机械能俘获功能，弥补了上述专利单一功能的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带发电功能的柔性压电传感器阵列及其制作方法，将柔性压电传感器阵列与机械能俘获单元有机结合在一起，同时具有传感和机械能俘获功能。用该方法制备的成品器件具有柔韧性好、轻薄、灵敏度高、成本低、自供能等特点，可用于机器人肌肤、触觉传感系统、柔性键盘、智能坐垫、智能地板等。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，包括封装在柔性保护膜内，依次设置的阵列层、柔性绝缘层及柔性发电膜。
所述的阵列层为上下表面对称设置导电电极的压电驻极体薄膜，上表面位于同一排上的导电电极用导线连接起来，并引出导线，下表面位于同一列上的导电电极用导线连接起来，并引出导线。
所述的压电驻极体薄膜为PTFE、FEP、COC、PET、PEN或PP材质的压电驻极体薄膜，所述的导电电极的材质包括铝、金、银、合金、石墨或石墨烯。其中，聚丙烯(PP)在制备压电驻极体膜中更具优势，PP膜是一种可商业获得的薄膜，它价格低，厚度小，质量轻、可大面积成膜，无污染，并且以其制备的PP压电驻极体有较高的压电系数，是制备压电驻极体的理想原材料。
所述的柔性绝缘层为PET膜层。
所述的柔性发电膜包括断面为凹凸结构的薄膜，上表面覆盖导电电极，下表面注入真实电荷，薄膜的下表面贴合有柔性导电板，导电电极及柔性导电板上各引出一根导线。
所述的断面为凹凸结构的薄膜的材质为PTFE、FEP、COC、PET、PI、PE、PEN或PP。其中聚全氟乙炳烯(FEP)由于具有热塑性塑料的良好加工特性(可供模压、挤出和注射成型用)，是制备凹凸结构薄膜的首选材料，并且FEP膜有较强的电荷储存能力，在相同条件下制备的柔性发电膜有更高的电能输出。
带发电功能的柔性压电传感器阵列的制作方法，采用以下步骤：
(1)在压电驻极体薄膜的上下两个表面对称位置覆盖导电电极；
(2)将上表面位于同一排上的导电电极用导线连接起来，并引出导线；
(3)将下表面位于同一列上的导电电极用导线连接起来，并引出导线，得到阵列层；
(4)通过流延、压印或浇注制成断面为凹凸结构膜；
(5)在凹凸结构薄膜的上表面覆盖导电电极；
(6)通过电晕极化、接触法充电、离子注入、电子束注入在未覆导电电极表面和近表面注入真实电荷；
(7)将凹凸结构膜平放在柔性导电板上，从导电电极和导电板上各引出一根导线和，得到柔性发电膜；
(8)将柔性绝缘膜放在阵列层与柔性发电膜之间，并用柔性保护膜将三者封装起来，得到带发电功能的柔性压电传感器阵列。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明将基于压电驻极体高压电活性制备的传感器阵列层与基于单极性驻极体静电场效应制备的机械能俘获单元有机结合在一起，获得的传感器阵列兼具传感和振动能量俘获功能。
2、以本发明所述的方法制备的成品器件的基材是都是柔性聚合物材料，故器件的柔韧性好、厚度小、成本低、工艺简单，压电驻极体的高压电活性以及单极性驻极体的强静电场效应又使得成品器件具有灵敏度高和自供能的特点。
3、以本发明所述的复合结构柔性压电传感器阵列为功能单元可用于制备机器人肌肤、触觉传感系统、柔性键盘、智能坐垫以及智能地板等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为阵列层上表面的结构示意图；
图3为阵列层下表面的结构示意图；
图4为柔性发电膜的结构示意图。
图中，1-柔性保护膜，2-阵列层，3-柔性绝缘层，4-柔性发电膜，5-压电驻极体薄膜，6-上导电电极，7-上导电电极引线，8-下导电电极，9-下导电电极引线，10-上电极，11-上电极引线，12-凹凸结构薄膜，13-负电荷，14-柔性导电板(下电极)，15-下电极引线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，其结构如图1所示，包括封装在柔性保护膜1内，依次设置的阵列层2、柔性绝缘层3及柔性发电膜4。
阵列层2为上下表面对称设置导电电极的压电驻极体薄膜5，上表面位于同一排上的上导电电极6用导线连接起来，并引出上导电电极引线7，下表面位于同一列上的下导电电极8用导线连接起来，并引出下导电电极引线8。柔性绝缘层3为PET膜层。柔性发电膜包括断面为凹凸结构薄膜12，上表面覆盖上电极10，下表面注入负电荷13，薄膜的下表面贴合柔性导电板14，上电极10及柔性导电板14上分别引出上电极引线11及下电极引线15。
带发电功能的柔性压电传感器阵列的制作方法，采用以下步骤：
(1)选取一种压电驻极体薄膜(例如PTFE、FEP、COC、PET、PEN、PP等压电驻极体薄膜)，在膜的上下两个表面对称位置覆盖一定大小和形状的上导电电极6和下导电电极8(电极材料：铝、金、银、合金、石墨、石墨烯、以及其他非金属导电材料)；
(2)在薄膜的上表面将位于同一排上的导电电极用导线连接起来，并引出上导电电极引线7；
(3)在薄膜的下表面将位于同一列上的导电电极用导线连接起来，并引出下导电电极引线9，得到柔性压电传感器阵列(见图2-3)；
(4)选取一种聚合物(例如PTFE、FEP、COC、PET、PI、PE、PEN、PP等)，通过流延、压印、浇注等方法制成断面为凹凸结构膜；
(5)在凹凸结构薄膜的一面覆盖上电极10；
(6)通过电晕极化、接触法充电、离子注入、电子束注入等方式通过未覆电极的自由面向膜的表面和近表面注入真实电荷；
(7)将凹凸结构薄膜(覆盖上电极10的一面朝上)平放在一块大小合适的柔性导电板14上，从上电极10和导电板14上分别引出上电极引线11及下电极引线15，得到柔性发电膜(见图4)；
(8)选择一种柔性绝缘膜(例如PET膜)，将其放在阵列层2与柔性发电膜4之间，并用柔性保护膜1将三者封装起来，得到带发电功能的柔性压电传感器阵列(见图1)。
实施例2
带发电功能的柔性压电传感器阵列的制作方法，采用以下步骤：
(1)利用表面刻有圆形小孔的模具在PP压电驻极体薄膜的上下两个表面对称位置通过真空蒸镀方法覆100nm厚的铝导电电极；
(2)在PP压电驻极体薄膜的上表面将位于同一排上的圆形导电电极用导线连接起来，并引出导线；
(3)在PP压电驻极体薄膜的下表面将位于同一列上的圆形导电电极用导线连接起来，并引出导线，得到柔性压电传感器阵列；
(4)将上表面贴有FEP膜的具有周期性沟槽结构的金属模板放置于一块钢板上，在FEP膜上依次放置软橡胶膜、硅橡胶以及平行钢板，把它们放在平板硫化机中，在30℃和2Mpa的条件下热压4min，得到凹凸结构FEP膜；
(5)在凹凸结构FEP膜的一面通过真空蒸镀方法覆100nm厚的铝导电电极；
(6)通过电晕极化系统对FEP膜没有覆电极的面(即自由面)在室温下进行电晕充电，电晕电压-9kV，反复充电3次；
(7)将凹凸结构FEP薄膜(覆盖导电电极的一面朝上)平放在一块大小合适的柔性导电板上，从导电电极和导电板上各引出一根导线，得到柔性发电膜；
(8)将PET柔性绝缘膜放在柔性压电传感器阵列与柔性发电膜之间，并用柔性保护膜将三者封装起来，得到带发电功能的柔性压电传感器阵列。

Claims (6)

1.一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，其特征在于，该传感器阵列包括封装在柔性保护膜内，依次设置的阵列层、柔性绝缘层及柔性发电膜，采用以下方法制作得到：
(1)在压电驻极体薄膜的上下两个表面对称位置覆盖导电电极；
(2)将上表面位于同一排上的导电电极用导线连接起来，并引出导线；
(3)将下表面位于同一列上的导电电极用导线连接起来，并引出导线，得到阵列层；
(4)通过流延、压印或浇注制成断面为凹凸结构膜；
(5)在凹凸结构薄膜的上表面覆盖导电电极；
(6)通过电晕极化、接触法充电、离子注入、电子束注入在未覆导电电极表面和近表面注入真实电荷；
(7)将凹凸结构膜平放在柔性导电板上，从导电电极和导电板上各引出一根导线，得到柔性发电膜；
(8)将柔性绝缘膜放在阵列层与柔性发电膜之间，并用柔性保护膜将三者封装起来，得到带发电功能的柔性压电传感器阵列。
2.根据权利要求1所述的一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，其特征在于，所述的阵列层为上下表面对称设置导电电极的压电驻极体薄膜，上表面位于同一排上的导电电极用导线连接起来，并引出导线，下表面位于同一列上的导电电极用导线连接起来，并引出导线。
3.根据权利要求2所述的一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，其特征在于，所述的压电驻极体薄膜为PTFE、FEP、COC、PET、PEN或PP材质的压电驻极体薄膜，所述的导电电极的材质包括铝、金、银、合金、石墨或石墨烯。
4.根据权利要求1所述的一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，其特征在于，所述的柔性绝缘层为PET膜层。
5.根据权利要求1所述的一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，其特征在于，所述的柔性发电膜包括断面为凹凸结构的薄膜，上表面覆盖导电电极，下表面注入真实电荷，薄膜的下表面贴合柔性导电板，导电电极及柔性导电板上各引出一根导线。
6.根据权利要求5所述的一种带发电功能的柔性压电传感器阵列，其特征在于，所述的断面为凹凸结构的薄膜的材质为PTFE、FEP、COC、PET、PI、PE、PEN或PP。
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