CN109932106A - 压电传感器及其制作方法及应用其的电子装置 - Google Patents

压电传感器及其制作方法及应用其的电子装置 Download PDF

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Abstract

一种压电传感器，包括一主干部、一压电材料层以及一电极层，所述主干部为柱状或锥状，所述主干部为弹性材料，所述压电材料层设置于所述主干部的外表面，所述压电材料层包含压电材料，所述电极层设于所述压电材料层远离所述主干部一侧。本发明还提供应用该压电传感器的电子装置及高压电传感器的制作方法。

Description

压电传感器及其制作方法及应用其的电子装置
技术领域
本发明涉及微型电子传感器，尤其涉及压电传感器及其制作方法及应用其的电子装置。
背景技术
机器人和假肢变得和人类越来越相似，越来越逼真，电子皮肤的加入，有助提高机器人和假肢的应用性，但是这种“无毛”的皮肤还不能完全覆盖人类所具有的触觉功能。例如，它们无法感知微风，但人类皮肤上的汗毛，它覆盖了我们人体95％的部位，却能够帮助我们感知到最轻微的风。因此，有必要提供一种类似于人类“汗毛”的微型电子传感器，例如压电传感器。现有的压电型的微型电子传感器由于体积较小往往无法实现量产，如何提供一种压电传感器及其量产制作工艺是本领域技术人员需要考虑的。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种稳定性高、功能性强其适用于量产的压电传感器及其制作方法。
一种压电传感器，包括一主干部、一压电材料层以及一电极层，所述主干部为柱状或锥状，所述主干部为弹性材料，所述压电材料层设置于所述主干部的外表面，所述压电材料层包含压电材料，所述电极层设于所述压电材料层远离所述主干部一侧。
于一实施例中，所述压电材料层的至少部分围绕形成一封闭的圆形或椭圆形。
于一实施例中，所述压电材料层的至少部分表面未被所述电极层覆盖。
于一实施例中，所述压电材料层被所述电极层覆盖的区域为极化区域，所述压电材料层未被所述电极层覆盖的区域为非极化区域，所述压电材料层包括多个相互间隔设置的非极化区域。
本发明还提供一种电子装置，所述电子装置包括一主体以及设置于所述主体上并与所述主体电性连接的多个压电传感器，所述压电传感器为前述的压电传感器。
本发明还提供一种压电传感器的制作方法。
一种压电传感器的制作方法，包括如下步骤：
提供一机台，所述机台包括一容置结构，所述容置结构包括相邻的第一容置腔及第二容置腔，所述第二容置腔中设置有熔融状态的压电材料；
提供一主干部，所述主干部为柱状或锥状，将所述主干部的一端设置于所述第一容置腔中，将所述主干部由所述第一容置腔转移至所述第二容置腔，使所述熔融状态的压电材料附着于所述主干部的外表面；
将附着有所述熔融状态的压电材料的所述主干部转移至所述第二容置腔外部，使所述熔融状态的压电材料凝固形成一压电材料层；以及
在所述压电材料层表面的至少部分形成一电极层。
于一实施例中，还包括如下步骤：将所述主干部通电，所述电极层接地，对所述主干部持续施加电压，随后停止施加电压并使所述主干部降温。
于一实施例中，还包括如下步骤：将所述主干部裁切为多个小段的主干部，使每个所述小段的主干部外表面均设置有所述压电材料层，使所述压电材料层远离所述主干部的表面设置有所述电极层。
于一实施例中，在所述压电材料层表面形成一层导电材料层，使所述导电材料层固化形成所述导电层。
于一实施例中，所述压电材料层的表面形成有多个相互间隔设置的电极层。
本发明的压电传感器，其具有较小的体积使其可以作为模拟人类毛发的微型电子传感器，且本发明的压电传感器结构稳定、功能性强且适用于量产。
附图说明
图1为本发明一实施例的压电传感器的立体结构示意图。
图2为本发明一实施例的压电传感器沿II-II方向的剖视示意图。
图3为应用本发明第一实施例的压电传感器的电子装置的立体示意图。
图4为本发明一实施例的压电传感器的制作流程示意图。
图5为本发明一实施例的压电传感器的制作流程的局部流程示意图。
图6为本发明一实施例的压电传感器的制作流程的局部流程示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可以参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或者相似的元件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所覆盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其实际尺寸按比例进行绘制。
下面参照附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
如图1所示，为本发明一实施例的压电传感器10的立体结构示意图。如图2所示为本发明一实施例的压电传感器10沿II-II方向的剖视示意图。压电传感器10包括一主干部11，一压电材料层12以及一电极层13。所述主干部11为柱状或锥状，所述压电材料层12设置于主干部11的外表面，所述电极层13设于压电材料层12远离主干部11一侧。
压电传感器10可作为模拟人类汗毛的微型电子传感器，压电传感器10可感测气流或触碰等微弱扰动，主干部11为压电传感器10的支撑结构，主干部11为弹性材料，主干部11具备较强的形变能力及耐弯折性。于一实施例中，主干部11的抗拉强度(tensilestrength)Rb大于或等于980MPa，在其他实施例中，主干部11的抗拉强度Rb的数值的范围可以为300MPa至979MPa。于一实施例中，主干部11的屈服强度(yield strength)Rs大于或等于785MPa，在其他实施例中，主干部11的屈服强度Rs的数值的范围可以为200MPa至784MPa。于一实施例中，主干部11的伸长率(elongation)范围为14至21.5。
主干部11可做为压电传感器10的一个电极，主干部11为导电材料，主干部11可以为弹簧、弹性钢纤维以及包含锰(Mn)、铝(Al)、钼(Mo)和钛(Ti)中的一种或者多种的合金材料。
压电材料层12设置于柱状或者锥状的主干部11的侧面，压电材料层12覆盖主干部11的外表面的侧面，压电材料层12的至少部分围绕形成一封闭的圆形或椭圆形。
压电材料层12为压电传感器10将外界扰动转化为电信号的核心元件，压电材料层12依附于主干部11，主干部11发生形变时带动压电材料层12发生形变，压电材料层12包含压电材料，压电材料层12发生形变可使其内部电荷的数量及分布情况发生变化，可将压电材料层12的内部电荷的数量及分布情况的变化转化为电信号。于一实施例中，压电材料层12可包含聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，PVDF)，聚偏氟乙烯为一种有机聚合物，聚偏氟乙烯的物理状态可随温度变化在固态及液态之间进行转换，在其他实施例中，压电材料层12可以为其他具备可形变能力的压电材料。
电极层13覆盖压电材料层12远离主干部11的部分表面，压电材料层12的至少部分表面未被电极层13覆盖。压电材料层12被电极层13覆盖的区域为极化区域121，压电材料层12未被电极层13覆盖的区域为非极化区域122，压电材料层12包括多个相互间隔设置的非极化区域122。
电极层13为导电材料，可以为银浆、包含有铜、金的至少其中一种的合金，或者掺杂有导电颗粒的有机物。电极层13可作为压电传感器10的一个电极，主干部11与电极层13相互配合驱动压电材料层12工作，在主干部11与电极层13通电的情况下使主干部11与电极层13之间产生一个电场，该电场使得极化区域121对应的压电材料层12被极化，压电材料层12发生形变所产生的电荷可受该电场驱动发生移动或者聚集，移动或者聚集的电荷在压电材料层12两端产生电势差，该电势差可作为电信号被主干部11或电极层13感测及收集，可依据该电信号判断压电传感器10所受到的扰动的方向及大小。
如图3所示，为应用本发明第一实施例的压电传感器10的电子装置1的立体示意图，图3所示的电子装置1以一种人体仿生皮肤为例，所述人体仿生皮肤包括一主体30以及多个压电传感器10，多个压电传感器10的一端设置于主体部30并与主体部30电性连接，压电传感器10可作为仿生毛发感测气流等微弱扰动。
如图4所示，为本发明一实施例的压电传感器10的制作流程示意图。如图5所示，为本发明一实施例的压电传感器10的制作流程的局部流程示意图。
步骤S1：提供一机台20，所述机台20包括一容置结构23，所述容置结构23包括相邻的第一容置腔231及第二容置腔232，所述第二容置腔232中设置有熔融状态的压电材料24；
机台20还包括一壳体21，壳体21内部存在一中空部分，该中空部分即为容置结构23，容置结构23中设置有一个活塞22，容置结构23被活塞22隔断为第一容置腔231及第二容置腔232，机台20还包括一出料口25，出料口25可活动的设置于机台20上，出料口25可控制第二容置腔232的一端的开合及关闭。
步骤S2：提供一主干部11，主干部11为柱状或锥状，将主干部11的一端设置于第一容置腔231中，将主干部11由第一容置腔231转移至第二容置腔232，使熔融状态的压电材料24附着于主干部11的外表面；
主干部11的一部分设置于第一容置腔231中并使主干部11的一端被活塞22夹持，活塞22可推动主干部11逐渐转移与第一容置腔231相邻的第二容置腔232中，主干部11进入第二容置腔232后，主干部11的外表面浸入熔融状态的压电材料24中，使得熔融状态的压电材料24均匀覆盖于主干部11的表面。
步骤S3：将附着有熔融状态的压电材料24的主干部11转移至第二容置腔232外部，使熔融状态的压电材料24凝固形成所述压电材料层12；
主干部11由第一容置腔转移至第二容置腔，活塞22持续推动主干部11的一端至出料口25，出料口25保持打开，活塞22继续推动主干部11经由出料口25离开第二容置腔232。对附着于主干部11外表面的熔融状态的压电材料24进行冷却处理，可选用自然降温、风冷、水冷等冷却方式对熔融状态的压电材料24进行冷却，冷却后的压电材料凝固于主干部11的外表面得到压电材料层12。
步骤S4：在压电材料层12表面的至少部分形成电极层13。
在压电材料层12表面形成一层导电材料层，使导电材料层固化形成电极层13，电极层13为导电材料。于一实施例中，电极层13的材料为银浆，使用多个隔板26对主干部11的一端进行隔断，在隔断区域内使用喷涂或者旋涂的方式于压电材料层12的外表面形成一层银浆(导电材料层)，待喷涂完成之后使用固化光源27(可为紫外光)对银浆进行照射使其固化形成电极层13。在其他实施例中，电极层13的材料可为金属单质或合金，可通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)等方式在压电材料层12的外表面形成一层金属膜，该金属膜即为电极层13。电极层13并未完全覆盖压电材料层12的外表面，电极层13的数量为多个，多个电极层13间隔设置于压电材料层12的外表面。
步骤S5：如图6所示，为本发明一实施例的压电传感器10的制作流程的局部流程示意图。将主干部11通电，使电极层13具备接地电压，对主干部11持续施加电压，随后停止施加电压并使主干部11降温。
将经过步骤S1至S4加工后的主干部放置于两个电极板28之间，主干部11连接一个600V的电压，两个电极板28接地，保持主干部11通电使所述压电材料层12发生极化，随后断开电源使主干部11降温冷却。
步骤S6：将主干部11裁切为多个小段的主干部11，使每个小段的主干部11的外表面均设置有压电材料层12，使压电材料层12远离主干部11的表面设置有电极层13。
通过裁切、冲压等方式将主干部11切割为多个小段得到多个压电传感器10。
通过本发明的压电传感器10的制作方法可以实现微型压电传感器的量产。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种压电传感器，其特征在于，包括一主干部、一压电材料层以及一电极层，所述主干部为柱状或锥状，所述主干部为弹性材料，所述压电材料层设置于所述主干部的外表面，所述压电材料层包含压电材料，所述电极层设于所述压电材料层远离所述主干部一侧。
2.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述压电材料层的至少部分围绕形成一封闭的圆形或椭圆形。
3.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述压电材料层的至少部分表面未被所述电极层覆盖。
4.如权利要求3所述的压电传感器，其特征在于：所述压电材料层被所述电极层覆盖的区域为极化区域，所述压电材料层未被所述电极层覆盖的区域为非极化区域，所述压电材料层包括多个相互间隔设置的非极化区域。
5.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括一主体以及设置于所述主体上并与所述主体电性连接的多个压电传感器，所述压电传感器为权利要求1至4任意一项所述的压电传感器。
6.一种压电传感器的制作方法，包括如下步骤：
提供一机台，所述机台包括一容置结构，所述容置结构包括相邻的第一容置腔及第二容置腔，所述第二容置腔中设置有熔融状态的压电材料；
提供一主干部，所述主干部为柱状或锥状，将所述主干部的一端设置于所述第一容置腔中，将所述主干部由所述第一容置腔转移至所述第二容置腔，使所述熔融状态的压电材料附着于所述主干部的外表面；
将附着有所述熔融状态的压电材料的所述主干部转移至所述第二容置腔外部，使所述熔融状态的压电材料凝固形成一压电材料层；以及
在所述压电材料层表面的至少部分形成一电极层。
7.如权利要求6所述的压电传感器的制作方法，其特征在于，还包括如下步骤：将所述主干部通电，使所述电极层具备接地电压，对所述主干部持续施加电压，随后停止施加电压并使所述主干部降温。
8.如权利要求7所述的压电传感器的制作方法，其特征在于，还包括如下步骤：将所述主干部裁切为多个小段的主干部，使每个所述小段的主干部外表面均设置有所述压电材料层，使所述压电材料层远离所述主干部的表面设置有所述电极层。
9.如权利要求6所述的压电传感器的制作方法，其特征在于，在所述压电材料层表面形成一层导电材料层，使所述导电材料层固化形成所述导电层。
10.如权利要求9所述的压电传感器的制作方法，其特征在于，所述压电材料层的表面形成有多个相互间隔设置的电极层。
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