CN106872727B - 一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于加速度传感器领域的一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法。该自供电加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体‑正电极‑隔膜‑负电极‑集流体。该自供电加速度传感器通过复合材料电极薄膜的压阻效应实现加速度冲击信号的传感。本发明的集流体采用钛等金属材料，通过激光焊接完成极针与集流体的可靠连接。多孔电极的制备采用干法工艺，通过聚四氟乙烯与碳材料的复合制备具有压阻特性的电极材料。该自供电加速度传感器采用柔性封装结构和工艺，采用层间气密封装和柔性树脂胶灌封将器件封装在金属或塑料外壳中。本发明解决了高g加速度信号的自供电传感问题，在汽车工业、航空航天和武器装备领域具有广阔应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于加速度传感器领域，特别涉及一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及制备方法。
技术背景
加速度传感器是一种基础传感器，广泛应用于汽车工业、航空航天、武器装备等领域。目前上述应用领域正经历快速的产业发展和技术进步，对于加速度传感器的性能提出了以下三点迫切的发展需求：一、高达数万g的加速度信号的测量范围，应用于汽车碰撞实验、侵彻武器等领域；二、少或无杂峰震荡的加速度传感器输出信号，应用于侵彻武器领域对间隔时间较短的连续多个加速度冲击信号的识别等场景；三、自供电加速度传感器件，无源化的加速度传感器能够显著减小系统的功耗和体积，提高系统的集成度，从而满足汽车、航空航天等领域高系统集成程度的要求。
针对上述领域对于加速度传感器自供电、高量程的需求，目前发展较为成熟的压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器和电化学加速度传感器均存在缺陷，难以直接应用。压电式加速度计基于压电效应，其代表性专利如绵阳铭宇电子有限公司的《一种微型压电加速度传感器》(CN 103364582 B)。压电式加速度传感器的主要不足在于压电效应的弛豫时间较长，在一次冲击后零点恢复需要较长的时间，传感信号的杂峰震荡较多，在经历连续多次加速度冲击时传感信号粘连严重。压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器和电化学加速度传感器分别利用加速度冲击时的压阻效应、电容结构变化、溶液离子浓度敏感效应实现加速度信号的测量，其代表性专利如中北大学的《压阻式单片集成四梁三轴加速度计》(CN 102768291 B)、南京信息工程大学的《Z轴电容式微机械加速度计》(CN 103675348 B)和中国科学院电子学研究所的《基于MEMS技术的电化学地震检波器》(CN 103048680 B)。但是，这三种类型的加速度传感器均存在共同的缺点，即它们均需要外部电源供电，不利于提高微系统整体的集成度。
针对目前对于自供电高量程加速度传感器的需求，本发明提出了一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法。
发明内容
本发明的目的是提出了一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法，其特征在于，基于压阻效应的自供电加速度传感器采用叠层式结构，依次层叠集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体为一个加速度传感器单体，其中，采用钛或其他金属材料(如铂、不锈钢等)作为集流体；采用聚四氟乙烯-碳材料复合压阻薄膜作为正负电极，采用聚四氟乙烯或其他聚合物多孔材料(如聚丙烯等)作为隔膜；采用硫酸或硫酸钠作为电解质溶液，填充于正负电极和隔膜的孔隙中；然后各层之间经过气密封装后由柔性树脂胶灌封在金属或塑料壳体中；该自供电加速度传感器通过双电层效应实现电能的存储和释放；双电层效应是指电极和电解液中的正负离子在静电吸附力的作用下，在电极材料的表面形成有序的双电层结构；由于正负电极为高比表面积的孔隙结构，因此器件可以通过双电层效应实现大能量密度的电能存储。
所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的制作步骤如下：
(1)集流体的制造工艺
1)金属表面的表面处理。采用体积分数的硫酸溶液，将金属集流体材料钛片或其他(如铂、不锈钢等)浸泡个小时；
2)切割，将处理后的钛片按照所设计尺寸切割成集流体；
3)激光焊接。通过激光焊接将极针焊接到集流体上，保障高加速度瞬间极针与集流体之间不发生脱落或断路现象；
(2)电极薄膜的制造工艺
1)将聚四氟乙烯粉末送入空气粉碎机内，通过高压空气冲击将聚四氟乙烯粉末打散拉成丝状结构；
2)将经过空气粉碎机处理的聚四氟乙烯粉末与活性炭、碳纳米管和石墨烯碳材料混合，其中聚四氟乙烯在总体积中占比2％～30％，在总体积中活性炭占比70％～98％，在总体积中碳纳米管及石墨烯占比0％～50％；
3)上述混合物经过聚四氟乙烯丝状微结构的粘接作用，形成聚四氟乙烯-碳材料复合材料，其疏松的微观空间结构；该复合材料经过压制成型形成具有压阻效应的电极薄膜，即制成正负电极；
(3)注液及封装工艺
1)将集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体依次层叠为一个加速度传感器单体，各层之间紧密贴合，进行气密性封装；
2)向多孔电极和隔膜的孔隙中添加0.1mol/L～10mol/L的硫酸溶液或硫酸钠电解液，确保空隙空间完全被电解液填充；
3)将加速度传感器放置在金属或塑料外壳内，向外壳内的剩余空间填充柔性树脂胶，待柔性树脂胶固化完成。
所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的性能测试
对封装好的加速度传感器进行10A/m2～200A/m2的恒流充电，直至充满状态，电压达到1V，实现储能功能；然后先进行足够长时间的自放电，使加速度传感器内部的离子分布达到平衡状态后，进行10A/m2～200A/m2的恒流放电；若放电过程中发生高加速度过载冲击，加速度传感器的的输出电压将在冲击瞬间出现电压上升峰，上升峰的幅值可用于测量加速度冲击的大小，实现加速度传感器的加速度传感功能；该自供电加速度传感器通过双电层效应实现电能的存储和释放；双电层效应是指电极和电解液中的正负离子在静电吸附力的作用下，在电极材料的表面形成有序的双电层结构；由于正负电极为高比表面积的孔隙结构，因此器件可以通过双电层效应实现大能量密度的电能存储。
所述电化学加速度传感器单体的尺寸小于1cm*1cm*5mm，充电电压能够达到1V，加速度响应范围可达12500g，有望应用于汽车工业、航空航天和武器装备领域
本发明的有益效果是利用双电层电容基础结构，采用叠层结构、一体化封装、并结合柔性灌封技术，确保器件气密性封装，并确保弹性薄膜能够灵敏的感应过载冲击。本发明的单体的充电电压能够达到1V，加速度响应范围可达12500g；能够实现高量程下加速度信号的自供电传感，通过电压上升峰幅值实现对加速度冲击信号的感知识别和测量，有望应用于汽车工业、航空航天和武器装备领域。
附图说明
图1a为基于压阻效应的自供电加速度传感器结构示意图。
图1b为A部放大图。
图2为自供电加速度传感器多孔电极的导电微观机理图。
图3中(a)为基于压阻效应的自供电加速度传感器在加速度冲击瞬间的实测电压峰响应信号；(b)为商用压电式加速度传感器的加速度响应信号。
图4为基于压阻效应的自供电加速度传感器电压峰信号幅值与加速度冲击大小的实测对应关系。
图5为聚四氟乙烯-碳材料复合薄膜的显微电镜照片。
图6为基于压阻效应的自供电加速度传感器柔性封装工艺示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法，该自供电加速度传感器具有超级电容器储能性能和充放电特性，同时能够感知放电过程中的加速度冲击信号，在加速度冲击瞬间产生电压上升峰信号响应，并可通过电压峰的幅值测量加速度冲击的大小。下面结合附图对本发明予以进一步说明。
图1a、图1b所示为基于压阻效应的自供电加速度传感器结构示意图。图中，自供电加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体4、正电极1、隔膜2、负电极3和集流体4为一个加速度传感器单体。其中，采用钛或其他金属材料(如铂、不锈钢等)作为集流体；采用聚四氟乙烯-碳材料复合压阻薄膜作为正负电极，采用聚四氟乙烯或其他聚合物多孔材料(如聚丙烯等)作为隔膜；采用硫酸或硫酸钠作为电解质溶液，填充于正负电极和隔膜的孔隙中；然后各层之间经过气密封装后由柔性树脂胶灌封在金属或塑料壳体中(如图6所示)；该自供电加速度传感器通过双电层效应实现电能的存储和释放(如图1b所示)；双电层效应是指电极和电解液中的正负离子在静电吸附力的作用下，在电极材料的表面形成有序的双电层结构；由于正负电极为高比表面积的孔隙结构，因此器件可以通过双电层效应实现大能量密度的电能存储。
所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的制作步骤如下：
(1)集流体的制造工艺
1)金属表面的表面处理。采用体积分数的硫酸溶液，将金属集流体材料钛片或其他(如铂、不锈钢等)浸泡个小时；
2)切割，将处理后的钛片按照所设计尺寸切割成集流体；
3)激光焊接。通过激光焊接将极针焊接到集流体上，保障高加速度瞬间极针与集流体之间不发生脱落或断路现象；
(2)电极薄膜的制造工艺，
如图5所示，多孔电极的制备采用干法工艺制备聚四氟乙烯-碳材料复合压阻薄膜，采用聚四氟乙烯材料为功能薄膜核心骨架，采用多孔碳材料作为填充材料，形成一种弹性三维框架结构。在加速度冲击下，复合压阻材料的微观结构发生变化，使材料的电导率发生急剧变化，实现对加速度冲击信号的电压上升峰响应；具体包括：
1)将聚四氟乙烯粉末送入空气粉碎机内，通过高压空气冲击将聚四氟乙烯粉末打散拉成丝状结构；
2)将经过空气粉碎机处理的聚四氟乙烯粉末与活性炭、碳纳米管和石墨烯碳材料混合，在总体积中，聚四氟乙烯体积占比2％～30％，活性炭占比70％～98％，碳纳米管及石墨烯占比0％～50％；
3)上述混合物经过聚四氟乙烯丝状微结构的粘接作用，形成聚四氟乙烯-碳材料复合材料，其疏松的微观空间结构；该复合材料经过压制成型形成具有压阻效应的电极薄膜，即制成正负电极；
本发明通过电极薄膜的压阻效应实现加速度冲击信号的传感。如图2所示的电极薄膜的微观导电机制，其导电能力和电阻的大小依赖于薄膜材料内部的导电链的多少。在加速度冲击瞬间，加速度惯性作用使电极薄膜内部产生巨大的压强，在压强作用下电极薄膜的微观结构发生变化，导电颗粒之间的更易发生接触和靠近，使电极薄膜的导电链急剧增多、电阻急剧降低，进而使器件的输出电压发生瞬时波动，实现对加速度冲击信号的传感。
(3)注液及封装工艺
如图6所示，采用叠层结构、一体化封装、并结合柔性灌封技术，确保器件气密性封装，并确保弹性薄膜能够灵敏的感应过载冲击；具体包括：
1)将集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体依次层叠为一个加速度传感器单体，各层之间紧密贴合，进行气密性封装；
2)向多孔电极和隔膜的孔隙中添加0.1mol/L～10mol/L的硫酸溶液或硫酸钠电解液，确保空隙空间完全被电解液填充；
3)将器件放置在金属或塑料外壳内，向外壳内的剩余空间填充柔性树脂胶，待柔性树脂胶固化完成。
所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的性能测试
所述电化学加速度传感器单体的尺寸小于1cm*1cm*5mm，对封装好的加速度传感器进行10A/m2～200A/m2的恒流充电，直至充满状态，电压达到1V，实现储能功能；然后先进行足够长时间的自放电，使加速度传感器内部的离子分布达到平衡状态后，进行10A/m2～200A/m2的恒流放电；若放电过程中发生高加速度过载冲击，加速度传感器的的输出电压将在冲击瞬间出现电压上升峰，上升峰的幅值可用于测量加速度冲击的大小，实现加速度传感器的加速度传感功能；该自供电加速度传感器通过双电层效应实现电能的存储和释放；双电层效应是指电极和电解液中的正负离子在静电吸附力的作用下，在电极材料的表面形成有序的双电层结构；由于正负电极为高比表面积的孔隙结构，因此器件可以通过双电层效应实现大能量密度的电能存储。其实验结果如图3所示的(a)为基于压阻效应的自供电加速度传感器在加速度冲击瞬间的实测电压峰响应信号；(b)为商用压电式加速度传感器的加速度响应信号。图4所示的为基于压阻效应的自供电加速度传感器电压峰信号幅值与加速度冲击大小的实测对应关系。实验结果表明器件两极间电压在加速度冲击瞬间出现了显著的电压上升峰，而且其传感信号的杂峰震荡情况显著的优于目前商用的压电式加速度传感器，如图3所示。进一步的实验结果证明，本发明的基于压阻效应的自供电加速度传感器的加速度传感范围可达12500g,且器件所输出的电压峰幅值信号与加速度冲击大小，具有近似的线性关系。加速度响应范围可达12500g，有望应用于汽车工业、航空航天和武器装备领域。
Claims (3)
1.一种基于压阻效应的自供电加速度传感器的制作方法，所述基于压阻效应的自供电加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体为一个加速度传感器单体，采用钛、铂或不锈钢作为集流体；采用聚四氟乙烯-碳材料复合压阻薄膜作为正负电极，采用多孔材料聚四氟乙烯或聚丙烯作为隔膜；采用硫酸钠作为电解质溶液，填充于正负电极和隔膜的孔隙中；然后各层之间经过气密封装后由柔性树脂胶灌封在金属或塑料壳体中；该自供电加速度传感器通过双电层效应实现电能的存储和释放；其特征在于，所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的制作步骤如下：
(1)集流体的制造工艺
1)金属表面的表面处理，采用体积分数5%〜40%的硫酸溶液，将金属集流体材料钛片、铂或不锈钢浸泡1〜5个小时；
2)切割，将处理后的钛片、铂或不锈钢按照所设计尺寸切割成集流体；
3)激光焊接，通过激光焊接将极针焊接到集流体上，保障高加速度瞬间极针与集流体之间不发生脱落现象；
(2)电极薄膜的制造工艺
1)将聚四氟乙烯或聚丙烯粉末送入空气粉碎机内，通过高压空气冲击将聚四氟乙烯或聚丙烯粉末打散拉成丝状结构；
2)将经过空气粉碎机处理的聚四氟乙烯或聚丙烯粉末与活性炭、碳纳米管和石墨烯碳材料混合，其中聚四氟乙烯或聚丙烯在总体积中占比2%~30%，在总体积中活性炭占比70%~98%，在总体积中碳纳米管及石墨烯占比0%~50%；
3)上述混合物经过聚四氟乙烯丝状微结构的粘接作用，形成聚四氟乙烯-碳材料复合材料，形成疏松的微观孔隙结构；该复合材料经过压制成型形成具有压阻效应的电极薄膜，即制成正负电极；
(3)注液及封装工艺
1)将集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体依次层叠为一个加速度传感器单体；各层之间紧密贴合，进行气密性封装；
2)向正电极、负电极和隔膜的孔隙中添加0.1mol/L~10mol/L的硫酸溶液或硫酸钠电解液，确保孔隙完全被电解液填充；
3)将器件放置在金属或塑料外壳内，向外壳内的剩余空间填充柔性树脂胶，待柔性树脂胶固化完成。
2.根据权利要求1所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的制作方法，其特征在于，基于压阻效应的自供电加速度传感器的性能测试如下：
对封装好的加速度传感器进行10A/m2~200A/m2的恒流充电，直至充满状态，电压达到1V，实现储能功能；然后先进行足够长时间的自放电，使加速度传感器内部的离子分布达到平衡状态后，进行10A/m2~200A/m2的恒流放电；若放电过程中发生高加速度过载冲击，加速度传感器的输出电压将在冲击瞬间出现电压上升峰，上升峰的幅值可用于测量加速度冲击的大小，实现加速度传感器的加速度传感功能；该自供电加速度传感器通过双电层效应实现电能的存储和释放；双电层效应是指电极和电解液中的正负离子在静电吸附力的作用下，在电极材料的表面形成有序的双电层结构；由于正负电极为高比表面积的孔隙结构，因此器件可以通过双电层效应实现大能量密度的电能存储。
3.根据权利要求1所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的制作方法，其特征在于，所述自供电加速度传感器单体的尺寸小于1cm*1cm*5mm，充电电压能够达到1V，加速度响应范围可达12500g，能够应用于汽车工业、航空航天和武器装备领域。
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