CN109425381A - 一种自供电柔性温度压力传感器系统 - Google Patents

一种自供电柔性温度压力传感器系统 Download PDF

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潘小山
杨璐羽
梁圣法
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种自供电柔性温度压力传感器系统，该系统包括：集成柔性温度压力传感器、多晶硅基柔性太阳能电池、信号调理电路及数据收发天线。具有可弯曲、可折叠、自供电等特点。本发明通过在柔性基底上制备柔性温度压力传感器及太阳能电池，可以在无需外部供电的前提条件下实现对不规则形状物体的温度压力监测，本发明提出的柔性温度压力传感器具有无需外部供电，柔性好，抗干扰能力强，成本低，数据无线传输等突出优点。

Description

一种自供电柔性温度压力传感器系统
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种采用自供电形式的基于柔性衬底的温度压力传感器采集系统。
背景技术
温度传感器无论在工业领域还是个人使用领域都有着广泛的应用。例如热电阻、热电偶、光纤多种温度或压力传感技术在各个领域得到了长足的发展。但是这些温度或压力传感器普遍尺寸较大，对于小型物体的温度及压力监测，很难进行安装布置；而且上述温度或压力传感器是由非柔性材料制备，硬度较大，无法应用于三维物品的表面、用来测量三维物体的表面温度及分布情况。
随着物联网的兴起，越来越多的场景需要用到传感信号的无线传输及无线供电，自供电技术越来越多的得到研究，采用风能、电能、振动及热能等多种新式转换为电能的技术日益受到关注。多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般为12％左右，稍低于单晶硅太阳电池，没有明显效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池。
将柔性传感器同自供电技术结合起来，具有无需外部供电、结构简单、可靠耐用、成本低、重量轻、灵敏度高以及测量范围可调等优点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的温度或压力传感器较难测量特定表面的区域温度，很多场景需要无线供电无限传输，特定情景下温度压力检测精度较低等缺陷，提供一种全柔性、成本低、重量轻、灵敏度高可自供电的无线柔性温度压力传感器。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
该自供电柔性温度压力传感器系统主要包括集成柔性温度压力传感器、多晶硅柔性太阳能电池、信号调理电路及数据收发天线四部分。
所述集成柔性温度压力传感器采用丝网印刷工艺，印制多层纳米温度敏感材料和压力敏感材料制备而成。所述纳米温度敏感材料为硅胶及聚苯胺的混合材料，其配比方案根据传感器量程及精度要求来制定，并通过自组装的形式实现。所述压力传感敏感材料采用PMMA及多壁碳纳米管的混合材料，其配比方案根据传感器量程及精度要求来制定，并通过自组装的形式实现。温度压力传感器同太阳能电池并排或环绕印刷，而不采用上下层方式连接，避免太阳能电池放热影响温度压力传感器的准确性。
所述太阳能电池采用丝网印刷的形式将多晶硅材料制作在柔性衬底之上，然后在其上通过丝网印刷的形式制作纳米银电极，将电极同集成电路的管脚部分相连。集成电路通过焊线机将引脚同太阳能电池和温度压力传感器引脚相连。
所述信号调理电路将太阳能电池电能进行调理供自身供电，并且利用该电能读取温度压力传感器的信号，将温度压力敏感信号通过天线传输给上位机。信号调理电路的调理方式：通过运放将传感器信号调理至指定范围，再通过AD转换为数字信号，编码后，通过天线传输至上位机。
所述结构靠近信号调理电路的引线连接部分采用铜线，而同太阳能电池及柔性温度压力传感器互连引线部分采用银材料。
所述电极及温敏材料的图形均采用丝网印刷方法直接或间接实现。
(三)有益效果
本发明与现有技术相此有以下优点：
1、本发明柔性温度压力传感器的所有制作材料包括基底材料、电极材料、温度敏感材料、压敏材料以及绝缘材料均为柔性材料，满足传感器的全柔性要求；
2、本发明的传感器量程及灵敏度可以由温度敏感材料及压力敏感材料中所含有填料的组分比例及自组装过程的控制实现，调节范围广；
3、通过将太阳能电池材料制作于柔性衬底之上，实现了对柔性温度压力传感器的实时供电。
附图说明
图1是本发明自供电柔性温度压力传感器系统第一实施例的结构示意图；
图2是本发明第一实施例制备的流程图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，示出了自供电柔性温度压力传感器系统第一实施例的结构示意图，包括：
柔性衬底1：位于传感器系统底层的柔性衬底材料，用于整个柔性传感器元件的承载；所述柔性衬底为天然橡胶、聚氨酯、硅橡胶、氟橡胶以及苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯或聚异丁烯聚合物等材料；
温度敏感区域2：位于衬底材料之上的温度敏感区，用于将外部温度信号转化为电信号；
压力敏感区域3：位于衬底材料之上的压力敏感区，用于将外部压力信号转化为电信号；
太阳能收集区域4：位于衬底材料之上的太阳能收集区域，用于将太阳能转换为电能给信号调理电路供电；
信号调理电路5：位于所述柔性衬底材料之上，并与电极紧密接触的处理电路，用于调理太阳能电池的电能，并将温度压力传感器的电信号进行采样，通过天线将传感器信号传输至上位机，所述信号调理电路采用焊锡等材料将信号调理电路电极同柔性衬底的电极区域连接；
收发天线6：位于温度敏感材料之上的收发天线，通过丝网印刷工艺制备，用于信号调理电路与上位机之间的通信，可将传感器信号传输至上位机。
电极7：位于柔性衬底之上，作为连接传感器同信号调理电路的连线以及太阳能电池材料与信号调理电路之间的连线。
参照图2，示出了本发明第一实施例制备的流程，具体包括：
步骤S101：在柔性基材的表面印刷电极及天线结构；
步骤S102：在柔性基材的表面印刷温度敏感材料；其厚度视传感器的可弯曲程度要求而定；
步骤S103：在柔性基材的表面印刷压力敏感材料；其厚度视传感器的可弯曲程度要求而定；
步骤S104：在柔性基材的表面印刷太阳能电池(多晶硅)材料；其厚度视传感器的可弯曲程度要求而定；
步骤S105：将调理电路焊接至柔性衬底，形成完整的体统。
对于前述的各方法实施例，为了描述简单，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域的技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为根据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或同时执行；其次，本领域技术人员也应该知悉，上述方法实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对本发明公开的一种自供电柔性温度压力传感器系统，文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自供电柔性温度压力传感器系统，其特征在于，包括：
集成柔性温度压力传感器、多晶硅柔性太阳能电池、信号调理电路及数据收发天线四部分。
所述集成柔性温度压力传感器采取丝网印刷工艺，印制多层纳米温度敏感材料和压力敏感材料制备而成。所述纳米温度敏感材料为硅胶及聚苯胺的混合材料，其配比方案根据传感器量程及精度要求来制定，并通过自组装的形式实现。所述压力传感器敏感材料采用PMMA及多壁碳纳米管的混合材料，其配比方案根据传感器量程及精度要求来制定，并通过自组装的形式实现。温度压力传感器同太阳能电池并排或环绕印刷，而不采用上下层方式连接，避免太阳能电池放热影响温度传感器的温度准确性。
所述太阳能电池采用丝网印刷的形式将多晶硅材料制作在柔性衬底之上，然后在其上通过丝网印刷的形式制作纳米银电极，将电极同集成电路的管脚部分相连。集成电路通过焊线机将引脚同太阳能电源和温度压力传感器引脚相连。
所述信号调理电路将太阳能电池电能进行调理供自身供电，并且利用该电能读取温度压力传感器的信号，将温度压力敏感信号通过天线传输给上位机。信号调理电路的调理方式：通过运放将传感器信号调理至指定范围，再通过AD转换为数字信号，编码后，通过天线传输至上位机。
所述结构靠近信号调理电路的引线连接部分采用铜线，而同太阳能电池及柔性温度压力传感器互连引线部分采用银材料。
所述电极及温敏材料的图形均采用丝网印刷方法直接或间接实现。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109974907A (zh) * 2019-03-15 2019-07-05 钛深科技(深圳)有限公司 一体化主动供电柔性压力传感器
CN113091823A (zh) * 2021-04-14 2021-07-09 有云信息科技(苏州)有限公司 一种基于云计算平台的柔性传感器系统

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