CN107830877A - 一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，提供一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器。包括压电薄膜、柔性基底、绝缘保护层；压电薄膜传感器的柔性基底为半椭圆柱弧面结构，压电薄膜覆盖在柔性基底，并通过绝缘保护层将薄膜固定；根据柔性基底结构分为等弧长椭圆柔性基底传感器和等弦长椭圆柔性基底传感器两类。该压电薄膜传感器通过仿真计算不同尺寸参数的半椭圆柔性基底的压电薄膜传感器在受到同样的力作用下的输出电压来确定最优的柔性基底尺寸，即以输出电压的高低作为确定传感器柔性基底尺寸的依据。本发明具有更高的灵敏度，便于传感器的微型化和阵列化。

Description

一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种椭圆柔性基底的聚偏氟乙烯压电薄膜传感器。

背景技术

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种新型高强度聚合物，发生拉压变形时可以感应出电荷，具有优异的压电性能；PVDF压电薄膜质地柔软，常见的厚度在20μm～200μm范围内，可根据需要制成任意形状，适用于做大规模的阵列化传感器；声阻抗系数低，与纯净水和人体肌肉的接近，与人体贴合性好，非常适合用于人体生理信号监测的传感器。PVDF压电薄膜传感器已广泛应用于工业自动化、仪器仪表、医疗电子、电声、水声、结构检测等领域。

PVDF压电薄膜非常柔软，当作为传感器的敏感材料时必须将其粘贴在基底上。基底分为刚性和柔性两种，当基底为刚性时薄膜不易产生形变，工作在厚度模式；而当基底为柔性时，薄膜可以产生较大的拉伸形变，因此一般选用柔性材料作为PVDF传感器的基底。从可穿戴传感器应用的角度考虑，聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为一种常见的柔性材料，生物兼容性好，在电子和医学领域应用广泛，是理想的柔性基底材料。

大量研究表明，曲面基底的PVDF压电传感器的灵敏度要高于平面基底 PVDF压电传感器；ZL201110433976.4公开了基底曲率较大时PVDF压电传感器的灵敏度较高，但该专利的传感器基底只是单一曲率的半圆基底；暨南大学的卢威虎发表在测试科学与仪器2016，7(1)的“基于PVDF非均匀曲率半径结构的高灵敏度电子听诊器”文章中用三块曲率半径不同的硅胶拼接成一块曲面基底，这为传感器基底的制作带来了不便。

发明内容

本发明的主要目的是通过采用非均匀曲率的椭圆柔性基底来放大压电薄膜层的应力和应变，在不改变材料参数的前提下，提高曲面PVDF压电薄膜传感器的灵敏度。相较于常见的有平面基底、半圆基底，具有非均匀曲率的椭圆面柔性基底可以使得PVDF压电薄膜产生更大的形变，基于此本发明提供一种聚偏氟乙烯压电传感器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，所述的压电薄膜传感器包括压电薄膜1、柔性基底2、绝缘保护层3；压电薄膜传感器的柔性基底2为半椭圆柱弧面结构，压电薄膜1覆盖在柔性基底2上，并通过绝缘保护层3将薄膜固定，传感器结构示意图如图1所示。该压电薄膜传感器通过ANSYS仿真计算不同尺寸参数的半椭圆柔性基底的压电薄膜传感器在受到同样的力作用下的输出电压来确定最优的柔性基底2尺寸，即以输出电压的高低作为确定传感器柔性基底尺寸的依据。

所述的柔性基底2所用的材料为聚二甲基硅氧烷；所述的绝缘保护层3为环氧薄膜绝缘胶带。所述的压电薄膜1材质为聚偏氟乙烯。

所述的压电薄膜传感器根据柔性基底2结构分为等弧长椭圆柔性基底传感器和等弦长椭圆柔性基底传感器两类，结构介绍如下：

(1)等弧长椭圆柔性基底传感器中压电薄膜1长度一定(柔性基底2的弧长L固定)、柔性基底2的长轴可变。所述的柔性基底2的弧长L范围为2π～8πmm，其中，在最优尺寸下，椭圆弧长越短，传感器灵敏度越高，即传感器尺寸越小集中力作用下的电压灵敏度越高。

根据弧长L值确定柔性基底2轴长的步骤为：

设置多组轴长不同、弧长L相同的半椭圆基底，轴长包括长轴a和短轴b，其中长轴a为水平方向，b值大于0小于L/π，a根据公式确定。将PVDF压电薄膜覆盖在不同轴长的半椭圆柔性基底2基底上，并分别对传感器施加同样大小的力，根据传感器的输出电压确定最优的基底尺寸，即传感器输出电压最高的a、b值组合即为柔性基底2的轴长。

所述的等弧长椭圆柔性基底传感器中长轴a与短轴b的最佳比值约为9:5。

(2)等弦长椭圆柔性基底传感器中椭圆形柔性基底2的长轴a一定，柔性基底2的弧长L可变，即压电薄膜长度可变。所述的柔性基底2的长轴a范围为2～8mm，其中，在最优尺寸下，长轴a越小，传感器灵敏度越高，即传感器尺寸越小集中力作用下的电压灵敏度越高。

根据长轴a值确定柔性基底2的弧长L的步骤为：

设置多组短轴b不同、长轴a相同的半椭圆基底，其中短轴b的值大于0 小于a值，弧长L根据公式L＝πb+2(a-b)确定。将PVDF压电薄膜覆盖在不同轴长的半椭圆柔性基底2基底上，并分别对传感器施加同样大小的力，根据传感器的输出电压确定最优的基底尺寸，即传感器输出电压最高a、b值组合即为柔性基底2的轴长，进而得到弧长L值。

所述的等弦长椭圆柔性基底传感器的长轴a与短轴b的最佳比值约为2:1。

本发明比较了平面、半圆、椭圆基底传感器在集中力作用下的灵敏度。无论等弧长还是等弦长传感器，在集中力作用时且相同尺寸约束下，椭圆基底传感器灵敏度高于半圆基底传感器，半圆基底传感器高于平面基底传感器；椭圆基底传感器尺寸越小灵敏度越高，这有利于传感器的微型化和集成化制造。

椭圆柔性基底的压电薄膜传感器制备方法如下：

(1)首先制作传感器基底的模具。通过Solidworks软件设计了模具的3D 模型并交付3D打印。由于铝合金有良好的导热性能，成本较低，因此基底模具材料选用了铝合金。

(2)第二步进行PDMS柔性基底的制作，将Sylgard 184双组份液体按照 10:1的比例混合均匀静置20分钟，待混合液中气泡消除后注入传感器基底模具中。

(3)第三步，将模具放入恒温箱中，在80℃的温度下放置60分钟使PDMS 固化。从恒温箱中取出模具后，用镊子从模具开口处沿着边缘将柔性的PDMS 从模具拿出，过程应尽量小心，以防损坏柔性基底。

(4)第四步，在PDMS柔性基底上半椭圆结构的两侧用刀片划出两条笔直的可使PVDF压电薄膜通过的缝隙，将PVDF压电薄膜(购买自美国精量电子有限公司)的两端分别穿过半椭圆结构两侧的缝隙后紧贴在柔性PDMS基底的平面部分，然后用绝缘胶带将其两端固定。

本发明具有以下优点：

(1)相比于已有的平面、单一曲率基底的圆弧面压电薄膜传感器，本发明具有更高的灵敏度，适用于人体健康信息的监测。

(2)传感器的尺寸小，且可以与其它结构穿戴式应用，便于传感器的微型化和阵列化。

(3)选用具有良好生物兼容性的PDMS作为柔性基底，这为传感器的可穿戴创造了有利条件。

附图说明

图1是本发明非均匀曲率压电薄膜柔性传感器结构示意图。

图2是等弧长设计方案下PVDF传感器的输出电压；其中每条曲线的左端点代表平面基底，中间各点代表半椭圆基底，右端点代表半圆基底，横轴代表椭圆短轴b，单位是mm，纵轴是压电薄膜传感器的输出电压，单位是V。

图3是等弦长设计方案下PVDF传感器的输出电压；横轴代表椭圆短轴b，单位是mm，纵轴是压电薄膜感器的输出电压，单位是V。

图4是传感器与电荷放大器、示波器的连接示意图。

图5是#1传感器测得的同一个人的脉搏图。其中横轴代表时间，单位为s，每格为1s，纵轴为输出电压，单位为V，每格为0.5V。图(a)为传感器滤波前脉搏图图(b)为传感器滤波后的脉搏图。

图6是#2传感器测得的同一个人的脉搏图。其中横轴代表时间，单位为s，每格为1s，纵轴为输出电压，单位为V，每格为0.5V。图(a)为传感器滤波前脉搏图图(b)为传感器滤波后的脉搏图。

图7是#3传感器测得的同一个人的脉搏图。其中横轴代表时间，单位为s，每格为1s，纵轴为输出电压，单位为V，每格为0.5V。图(a)为传感器滤波前脉搏图图(b)为传感器滤波后的脉搏图。

图中：1压电薄膜；2柔性基底；3绝缘保护层；4人体脉搏力；5压电薄膜传感器；6电荷放大器；7示波器。

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。以下实施例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以现有的形式限制本发明；在不脱离本发明构思的前提下，可以做出有利的改进和变形。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：弧长L固定的情况下，对于半椭圆基底，根据b的值可唯一确定a的值。根据半椭圆弧长公式：L＝πb+2(a-b)；所以可得长轴为：

若PVDF压电薄膜的长度L分别为2π、3π、4π、5π(单位：mm)，每种弧长下半椭圆基底的长轴a和短轴b的取值范围如表1所示。将相应弧长的PVDF 压电薄膜覆盖在不同长、短轴基底上时，在传感器顶部受1N集中力作用时，传感器的开路电压如图2所示。每条曲线的最左端点当b＝0时为平面基底，最右端点当a＝b时为半圆基底，其余点均为椭圆。由图2可见：每种等弧长情况下，半圆基底传感器灵敏度明显高于平面基底；大部分椭圆基底传感器灵敏度高于半圆基底传感器；在高于半圆基底的椭圆基底中，均有一个最优a、b值组合使得传感器输出电压最高；随着椭圆弧长的缩短，传感器最高灵敏度逐渐提高，即传感器尺寸越小集中力作用下的电压灵敏度越高。PVDF压电薄膜长度为2π、 3π、4π、5π(单位：mm)时，最优的长轴a和短轴b分别是(2.4mm，1.3mm)、 (3.57mm，2mm)、(4.8mm，2.6mm)、(5.97mm，3.3mm)。因为便携传感器或穿戴传感器尺寸不会太大，分析PVDF压电薄膜长度延长至6π、7π、8π(单位：mm)时多种尺寸配合下传感器的响应特点，发现等弧长半椭圆压电薄膜传感器的长轴a与短轴b的最佳比值约为9:5。

表1 ANSYS仿真中柔性基底的参数

对等弦长条件下半椭圆柔性基底的压电薄膜传感器做了同样的仿真分析，其结果如图3所示。从图3可知，长轴a分别为2、3、4、5(单位：mm)时，最佳的短轴b分别是1mm、1.5mm、1.9mm、2.5mm。对基底为6mm、7mm、 8mm等长度的PVDF传感器仿真计算后，总结数据规律，等弦长椭圆基底压电薄膜柔性传感器的长轴a与短轴b的最佳比值约为2:1。

实施例2：本发明制作了三种尺寸椭圆柔性基底压电传感器，长、短轴参数如表2所示，在图3中标记了三种传感器在相应曲线上所处的位置。并将三种压电薄膜传感器用于测量人体脉搏，压电薄膜传感器5与电荷放大器6连接，电荷放大器6与示波器7连接。将压电薄膜传感器5套在人体手腕处，人体脉搏力4施加在压电薄膜传感器5上，最终在示波器7上得到脉搏波图形。示波器7记录的三个传感器所测得的人体脉搏如图5～7所示，并对脉搏图进行了滤波处理，通过对比滤波前后的图形，可以发现三个传感器测得的波形光滑平整，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，有较高的信噪比，具有一定的医学研究领域的参考价值。

表2 传感器编号及其参数

ANSYS仿真和上述实施例表明，非均匀曲率椭圆柔性基底PVDF压电薄膜传感器的灵敏度显著高于半圆柔性基底和平面柔性基底的PVDF压电薄膜传感器。本发明的椭圆柔性基底压电薄膜传感器可应用于脉搏测量、微弱振动、微力检测等可穿戴技术领域。

Claims (8)

1.一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的压电薄膜传感器包括压电薄膜(1)、柔性基底(2)、绝缘保护层(3)；柔性基底(2)为半椭圆柱弧面结构，压电薄膜(1)覆盖在柔性基底(2)上，并通过绝缘保护层(3)将薄膜固定；该压电薄膜传感器通过仿真计算不同尺寸参数的半椭圆柔性基底的压电薄膜传感器在受到同样的力作用下的输出电压确定最优的柔性基底(2)尺寸；

所述的压电薄膜传感器根据柔性基底(2)结构分为等弧长椭圆柔性基底传感器和等弦长椭圆柔性基底传感器两类，结构介绍如下：

(1)等弧长椭圆柔性基底传感器中压电薄膜(1)长度固定、柔性基底(2)的弧长L固定，柔性基底(2)的水平方向的长轴a可变；所述的柔性基底(2)的弧长L范围为2π～8πmm；所述的柔性基底(2)竖直方向的短轴b的值大于0小于L/π；

(2)等弦长椭圆柔性基底传感器中椭圆形柔性基底(2)的水平方向的长轴a一定，柔性基底(2)的弧长L可变、压电薄膜(1)长度可变；所述的柔性基底(2)的长轴a范围为2～8mm。

2.根据权利要求1所述的一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的等弧长椭圆柔性基底传感器中长轴a与短轴b的比值为9:5。

3.根据权利要求1或2所述的一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的等弦长椭圆柔性基底传感器的长轴a与短轴b的比值为2:1。

4.根据权利要求1或2所述的一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的柔性基底(2)所用的材料为聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求3所述的一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的柔性基底(2)所用的材料为聚二甲基硅氧烷。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的压电薄膜(1)材质为聚偏氟乙烯。

7.根据权利要求3所述的一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的压电薄膜(1)材质为聚偏氟乙烯。

8.根据权利要求4所述的一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，其特征在于，所述的压电薄膜(1)材质为聚偏氟乙烯。