CN109696260A - 一种新型压力敏感元结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型压力敏感元结构，涉及柔性压力传感器技术领域，包括柔性压电聚合物薄膜、贴合于柔性压电聚合物薄膜上表面的第一平面电极板和贴合于柔性压电聚合物薄膜下表面的第二平面电极板，且第一平面电极板与第二平面电极板之间不设置直接的电气接触。柔性压电聚合物薄膜的结构选自但不限于弯折式结构、桥式结构、弧式结构中的一种或多种，受力方式但不限于拉伸、扭曲、挤压。弯折式柔性压电聚合物薄膜在发生拉伸、扭曲、挤压时，在平行和垂直于弯折式柔性压电聚合物薄膜内部偶极子取向的方向上，均产生有显著形变，从而提高了纵向压电效应对该薄膜整体的压电响应，达到增大柔性压电聚合物薄膜压电响应的目的，具有很大的应用前景。

Description

一种新型压力敏感元结构

技术领域

本发明涉及柔性压力传感器技术领域，具体涉及一种新型压力敏感元结构。

背景技术

柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，能贴附于各种不规则物体表面，在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景。随着科学技术的发展，柔性压力传感器能否兼具柔韧性和准确测量压力分布信息等功能成为人们关注的焦点。由于微结构不仅能够提高传感器的灵敏度，还能更快地恢复传感器的弹性形变，具备快速响应能力。因此，构建微结构是提高柔性压力传感器综合性能的有效途径，成为学术界和工业界的关注重点。

基于压电材料的柔性压力传感器具有相应速度快，制造成本相对较低的优点，传统的压力传感器因采用压电陶瓷为敏感材料，使得其结构刚性，加工难度较大，而基于铁电聚合物的柔性压力传感器不但具有传统压力传感器的优点，还具有轻质、柔性、耐冲击、耐腐蚀、易加工等优点，具有极大的应用前景。

柔性铁电聚合物材料本身的压电效应以材料内部偶极子取向为标准，分为横向压电效应和纵向压电效应(与偶极子取向平行为横向压电效应，垂直为纵向压电效应)，并且纵向压电效应一般大于横向压电效应。但因聚合物材料制成的柔性压电聚合物薄膜拉伸延展性较差，使其产生纵向形变较为困难，而且过大的纵向形变容易损伤薄膜结构，因此，传统的平面型柔性压电聚合物薄膜的响应主要来自于横向压电效应。若能够通过结构设计来使柔性压电聚合物薄膜更容易产生纵向形变，提高柔性聚合物材料纵向压电响应的利用率，则将会明显提高柔性压电聚合物薄膜的压电响应。

发明内容

本发明的目的在于：为解决现有柔性压电薄膜难以产生纵向形变，导致柔性聚合物材料纵向压电响应利用率低、柔性压电薄膜的压电响应较低的问题，提供了一种新型压力敏感元结构。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型压力敏感元结构，包括柔性压电聚合物薄膜、完全贴合于柔性压电聚合物薄膜上表面的第一平面电极板和完全贴合于柔性压电聚合物薄膜下表面的第二平面电极板，所述柔性压电聚合物薄膜各处厚度均相等，所述柔性压电聚合物薄膜各个部分与水平面的距离不完全相同，且第一平面电极板与第二平面电极板之间不设置直接的电气接触。

进一步地，所述柔性压电聚合物薄膜的结构选自但不限于弯折式结构、桥式结构、弧式结构中的一种或多种。

进一步地，所述弯折式结构的柔性压电聚合物薄膜的弯折次数大于等于1。

进一步地，所述弯折式结构的柔性压电聚合物薄膜的弯折角度范围为0°-180°。

进一步地，所述第一平面电极板的所有折痕不相交，所述第二平面电极板的所有折痕不相交。

进一步地，所述柔性压电聚合物薄膜形状包括但不限于矩形、圆形。

进一步地，所述柔性压电聚合物薄膜的受力方式但不限于拉伸、扭曲、挤压。

进一步地，所述第一平面电极板、第二平面电极板的形状包括但不限于平面电极、叉指电极、螺旋状电极。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，弯折式柔性压电聚合物薄膜在发生拉伸、扭曲、挤压时，在平行和垂直于弯折式柔性压电聚合物薄膜内部偶极子取向的方向上，均产生有显著形变，从而提高了纵向压电效应对所述薄膜整体的压电响应，达到增大该薄膜压电响应的目的，具有很大的应用前景。

2、本发明中，弯折式柔性压电聚合物薄膜的弯折角度范围大，位置也没有明确限制，并且其制备方案选择多，制备难度较低。该压力敏感元结构从力学角度来说，纵向可延展性强，对该结构进行纵向拉伸等操作时，柔性压电聚合物薄膜本身的纵向形变较小，柔性压电聚合物薄膜内部不易发生结构断裂，提高了柔性聚合物材料纵向压电响应利用率，从而保证了该压力敏感元结构具有更高的压电效应。

3、本发明中，贴合于柔性压电聚合物薄膜上表面的第一平面电极板和下表面的第二平面电极板的形状包括但不限于平面电极、叉指电极、螺旋状电极，二者可完全覆盖薄膜，也可不完全覆盖薄膜，二者只需要保证能够作为两端电极进行信号引出，二者的形状、面积大小可相同也可不同，本发明对二者条件限制少，结构简便，所以使用时电气连接方式简单，使用难度低。

4、本发明中，通过结构设计实现柔性压电聚合物薄膜响应的提升，只需要改进薄膜制备工艺中的一部分即可实现，如采用特制流延台，制作工艺简便，可推广性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的实施例一的压力敏感元结构示意图；

图2为本发明的实施例二的压力敏感元结构示意图；

图3为本发明的实施例一的压力敏感元结构模型图；

图4为本发明的实施例二的压力敏感元结构模型图；

图5为传统非弯折压力敏感元结构模型图A；

图6为传统非弯折压力敏感元结构模型图B；

图7为本发明的实施例一的压力敏感元结构模型的压电响应-Y向形变曲线变化图；

图8为本发明的实施例二的压力敏感元结构模型的压电响应-Y向形变曲线变化图；

图9为传统非弯折压力敏感元结构模型图A的横向压电响应-Z向形变曲线变化图；

图10为传统非弯折压力敏感元结构模型图B的纵向压电响应-Y向形变曲线变化图。

图中标记：1-柔性压电聚合物薄膜、2-第一平面电极板、3-第二平面电极板、4-前侧边、5-后侧边。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种新型压力敏感元结构，包括弯折式柔性压电聚合物薄膜1、设置于弯折式柔性压电聚合物薄膜1上表面的第一平面电极板2和设置于弯折式柔性压电聚合物薄膜1下表面的第二平面电极板3。其制作方法步骤如下：

步骤A1：首先将柔性压电聚合物完全溶解成溶液，接着将溶液均匀覆于两块相同平整基板上，然后放入恒温箱中，烘烤至溶剂部分挥发，使柔性压电聚合物形成半凝固态，再将平整基板之间以相邻的边为轴沿各自平面法线缓慢旋转45°，使相邻基板之间夹角为90°。旋转过程中，需保证半凝固态的柔性压电聚合物不破裂。

步骤A2：将步骤A1得到的柔性压电聚合物连同平整基板放入恒温箱中，烘烤至溶剂全部挥发，形成弯折式柔性压电聚合物薄膜1。

步骤A3：将步骤A2形成的弯折式柔性压电聚合物薄膜1从平整基板上刮下，再在弯折式柔性压电聚合物薄膜1上表面蒸镀第一平面电极板2、在下表面蒸镀第二平面电极板3。

步骤A4：从步骤A3蒸镀完成的第一平面电极板2、第二平面电极板3各引出一根导线接入极化装置，升温至80℃后，通过两根从第一平面电极板2、第二平面电极板3引出的导线加恒定压电对弯折式柔性压电聚合物薄膜1进行极化，形成弯折型压力敏感元结构。

步骤A5：步骤A4得到的弯折型压力敏感元结构如图1所示，将其第一平面电极板2、第二平面电极板3引出的导线接入信号读出电路，然后固定弯折型压力敏感元结构的前侧边4，再对后侧边5进行周期性往复拉伸，可得到弯折型压力敏感元结构的压电响应。

按图1所示的弯折一次的弯折型压力敏感元结构，对其建立模型，模型弯折角度为90°。按步骤A5的方式固定模型的前侧边4，沿图3中Y方向对模型的后侧边5进行拉伸来产生不同大小的形变，如图7所示的压电响应-Y向形变曲线变化图，显示了不同Y向形变时的压电响应。

建立传统非弯折压力敏感元结构模型，如图5和图6所示，使该模型沿图5的Z向和图6的Y向产生不同大小的形变，得到如图9中的横向压电响应-Z向形变曲线变化图和图10中的纵向压电响应-Y向形变曲线变化图。

实施例2

本发明较佳实施例提供的一种新型压力敏感元结构，包括弯折式柔性压电聚合物薄膜1、设置于弯折式柔性压电聚合物薄膜1上表面的第一平面电极板2和设置于弯折式柔性压电聚合物薄膜1下表面的第二平面电极板3。其制作方法步骤如下：

步骤B1：首先将柔性压电聚合物完全溶解成溶液，接着将溶液均匀覆于用作第二平面电极板3的平整铝平面电极上，然后放入恒温箱中，烘烤至溶剂挥发，使柔性压电聚合物形成凝固态薄膜，再将凝固态薄膜从平整铝平面电极上刮下。

步骤B2：将步骤B1得到的凝固态薄膜放入热压机，使用折弯夹具加热压得到弯折式柔性压电聚合物薄膜1。

步骤B3：将步骤B2得到的弯折式柔性压电聚合物薄膜1从夹具上刮下，再在弯折式柔性压电聚合物薄膜1上表面蒸镀第一平面电极板2。

步骤B4：从步骤B3得到的第一平面电极板2、第二平面电极板3各引出一根导线接入极化装置，升温至80℃后，通过两根从第一平面电极板2、第二平面电极板3引出的导线加恒定压电对弯折式柔性压电聚合物薄膜1进行极化，得到弯折型压力敏感元结构。

步骤B5：步骤B4得到的弯折型压力敏感元结构如图2所示，将其第一平面电极板2、第二平面电极板3引出的导线接入信号读出电路，然后固定弯折型压力敏感元结构的前侧边4，再对后侧边5进行周期性往复拉伸，可得到弯折型压力敏感元结构的压电响应。

按图2所示的弯折两次的弯折型压力敏感元结构，对其建立模型，模型弯折角度为90°。按步骤B5的方式固定模型的前侧边4，沿图4中Y方向对模型的后侧边5进行拉伸来产生不同大小的形变，如图8所示的压电响应-Y向形变曲线变化图，显示了不同Y向形变时的压电响应。

由图3～图10中的形变曲线变化图可知，在等效形变下，弯折型压力敏感元结构的压电响应大于传统非弯折压力敏感元结构模型的横向压电响应，小于非弯折压力敏感元结构模型的纵向压电响应。这一结果说明弯折型压力敏感元结构的最终压电响应中，纵向压电效应的贡献相较于传统非弯折压力敏感元结构有了很大提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型压力敏感元结构，包括柔性压电聚合物薄膜(1)、完全贴合于柔性压电聚合物薄膜(1)上表面的第一平面电极板(2)和完全贴合于柔性压电聚合物薄膜(1)下表面的第二平面电极板(3)，其特征在于：所述柔性压电聚合物薄膜各处厚度均相等，所述柔性压电聚合物薄膜各个部分与水平面的距离不完全相同。

2.根据权利要求1所述的一种新型压力敏感元结构，其特征在于：所述柔性压电聚合物薄膜(1)的结构选自但不限于弯折式结构、桥式结构、孤式结构中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的一种新型压力敏感元结构，其特征在于：所述弯折式结构的柔性压电聚合物薄膜(1)的弯折次数大于等于1。

4.根据权利要求2或3所述的一种新型压力敏感元结构，其特征在于：所述弯折式结构的柔性压电聚合物薄膜(1)的弯折角度范围为0°-180°。

5.根据权利要求2-4所述的一种新型压力敏感元结构，其特征在于：所述第一平面电极板的所有折痕不相交，所述第二平面电极板的所有折痕不相交。

6.根据权利要求1所述的一种新型压力敏感元结构，其特征在于：所述柔性压电聚合物薄膜(1)形状包括但不限于矩形、圆形。

7.根据权利要求1所述的一种新型压力敏感元结构，其特征在于：所述柔性压电聚合物薄膜(1)的受力方式但不限于拉伸、扭曲、挤压。

8.根据权利要求1所述的一种新型压力敏感元结构，其特征在于：所述第一平面电极板(2)、第二平面电极板(3)的形状包括但不限于平面电极、叉指电极、螺旋状电极。