CN110261471A - 一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器 - Google Patents

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刘振东
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Abstract

一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器，包括湿度信号采集单元，信号转换单元，数据处理单元，信号传输单元和信号接收单元；所述湿度信号采集单元用于采集湿度信号，采用一柔性声表面波器件，当外界湿度发生变化时，声表面波传递时将会受到外界湿度的影响，形成不同波形的声表面波；所述柔性声表面波器件包括叉指换能器、反射栅、PVDF压电层薄膜和PDMS柔性衬底，所述PVDF压电层薄膜位于PDMS柔性衬底上，所述叉指换能器、反射栅位于所述PVDF压电层薄膜上。本发明灵敏度较好，器件小巧，性能卓越，适应各种使用环境，拥有广泛的应用前景。

Description

一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器
技术领域
本发明涉及传感器、信号处理技术、声表面波器件、无线传感网络、物联网等领域。尤其涉及到了一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器，属于智能控制领域。
背景技术
声表面波器件是一种将声学技术与电子学技术结合应用与处理的电子器件。它是利用先进的技术手段在压电层上制作出叉指电极，叉指电极通上交变电压，可直接在压电层激发出声表面波。而当外界条件变化时(湿度)，会影响声表面波的传递，得到不同的电信号。凭借声表面波的这个特点，我们可以判断出外界的湿度变化。
而传统的声表面波器件大多制备在玻璃，硅，金刚石等硬性衬底，并且用传统的压电材料例如氧化锌，氮化铝等材料制备压电层。严重制约了声表面波的用途和产能。
现有的湿度传感器存在的缺陷：灵敏度较差。
发明内容
为了克服已有湿度传感器的灵敏度较差的不足，本发明提供了一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器，灵敏度较好，器件小巧，性能卓越，适应各种使用环境，拥有广泛的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器，包括湿度信号采集单元，信号转换单元，数据处理单元，信号传输单元和信号接收单元；
所述湿度信号采集单元用于采集湿度信号，采用一柔性声表面波器件，当外界湿度发生变化时，声表面波传递时将会受到外界湿度的影响，形成不同波形的声表面波；所述柔性声表面波器件包括叉指换能器、反射栅、PVDF压电层薄膜和PDMS柔性衬底，所述PVDF压电层薄膜位于PDMS柔性衬底上，所述叉指换能器、反射栅位于所述PVDF压电层薄膜上。
进一步，所述叉指换能器为金薄膜制成。
再进一步，所述反射栅为金薄膜制成。
更进一步，所述信号转换单元包括一个微型模数转换器，用于将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。
所述数据处理单元是将采集到的信号与存储在数据处理单元中标准压力信号做对比。
所述信号传输单元采用蓝牙发送模块，所述信号接收单元为用户手机，蓝牙发送模块将数据处理结果发送到手机APP中。
所述湿度传感器的供电单元采用纽电源。
本发明所采用的声表面波器件是基于一种柔性高分子材料(PDMS)作为声表面波器件的衬底，而且还采用一种压电性能更好，更柔软的材料(PVDF)作为声表面波器件的压电层。与传统湿度传感器对比，本发明不仅拥有柔性可拉伸的特点，而且由于PVDF的优越压电性能，使得本发明器件湿度传感的精确性优于传统的湿度传感器。本发明制备方法简单，器件小巧，性能卓越，适应各种使用环境，拥有广泛的应用前景。
本发明的有益效果主要表现在：灵敏度较好，器件小巧，性能卓越，适应各种使用环境，拥有广泛的应用前景。
附图说明
图1是声表面波器件结构示意图。
图2是本发明系统的流程框图。
图3是本发明所用声表面波器件性能对比图，其中，★表示PVDF，▲表示氮化铝，■表示氧化锌。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器，包括湿度信号采集单元、信号转换单元、数据处理单元、信号传输单元和信号接收单元；
所述湿度信号采集单元用于采集湿度信号，采用一柔性声表面波器件，如图1所示，所述柔性声表面波器件包括叉指换能器2、反射栅1、压电层薄膜3和柔性衬底4，所述压电层薄膜3位于柔性衬底4上，所述叉指换能器2、反射栅1位于所述压电层薄膜上3。
进一步，所述压电层薄膜3为PVDF高分子材料制成，其厚度约为30μm。再进一步，所述柔性衬底4为PDMS高分子材料制成，其厚度约500μ米。所述叉指换能器2为金薄膜制成，其厚度约为500nm。所述反射栅1为金薄膜制成，其厚度约为500nm。
所述柔性衬底由PDMS构成，该柔性衬底上贴附一层PVDF压电层薄膜；当外界湿度发生变化时，声表面波传递时将会受到外界湿度的影响，形成不同波形的声表面波。本发明基于PDMS作为声表面波的柔性衬底，因此当湿度稍微改变，都会对声表面波在柔性衬底上的传播造成影响，因此基于这种柔性声表面波器件的湿度传感器有着较为灵敏的湿度响应。
信号转换单元，包括一个微型模数转换器，其功能是将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。
数据处理单元是将采集到的信号与存储在数据处理单元中标准湿度信号做对比；
所述信号传输单元采用蓝牙发送模块，所述信号接收单元为用户手机，蓝牙发送模块主要是将数据处理结果发送到手机APP中。
供电单元采用纽电源，纽电源主要是为产品提供稳定持续的电源。
声表面波器件的信号输出是通过叉指电极实现的，叉指电极通过贴附于压电层，两个叉指电极关于声表面波器件中心对称，有利于提高电信号的准确性
所述温度触感器的动作规范监测方法，包括以下步骤：
(1)将所述湿度信号采集单元直接放置在待测环境中，然后采集湿度信号；
(2)将信号传输到所述信号转换单元，将电信号转换为数字信号；
(3)将数字信号传输到数据处理单元中，对数据进行处理，分析和配对；
(4)将分析和配对结果通过蓝牙模块发送到手机APP中；
所述柔性声表面波器件的制备方法如下：
(1)先配置疏水处理溶液，将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照1000:50:20的比例配置成溶液，将该溶液倒进容器中浸泡。
(2)将PDMS与交联剂按10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡。将进行疏水处理的容器表面旋涂与交联剂混合均匀并且无明显气泡的PDMS。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，将容器与上的PDMS在水中剥离；
(3)用电子天平称取P(VDF-TRFE)粉末0.5克将P(VDF-TRFE)和20毫升DMF放入锥形瓶中，进行磁力搅拌2小时待搅拌完成后，将溶液倒入至平底培养皿、将培养皿放入烘箱，60度鼓风干燥成膜后进行140度退火处理2小时；
(4)将步骤(3)所制备的PVDF薄膜贴附在步骤2所制备的柔性衬底上；
(5)在步骤(3)所制备的压电薄膜上沉积金薄膜制备叉指换能器和反射栅。
作为优选的技术方案，所述柔性衬底为500μm左右，所述柔性衬底为500nm左右，有利于提高湿度传感器的精度和灵敏度。
存储在数据处理单元中规范动作的信号通过以下方法获得：采集标准湿度的数字信号范围，再将其存储在数据库中。所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。所述电源可采用纽扣电池，为设备提供稳定持续的电源。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种基于柔性声表面波器件的湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括湿度信号采集单元，信号转换单元，数据处理单元，信号传输单元和信号接收单元；
所述湿度信号采集单元用于采集湿度信号，采用一柔性声表面波器件，当外界湿度发生变化时，声表面波传递时将会受到外界湿度的影响，形成不同波形的声表面波；所述柔性声表面波器件包括叉指换能器、反射栅、PVDF压电层薄膜和PDMS柔性衬底，所述PVDF压电层薄膜位于PDMS柔性衬底上，所述叉指换能器、反射栅位于所述PVDF压电层薄膜上。
2.如权利要求1所述的基于柔性声表面波器件的湿度传感器，其特征在于，所述叉指换能器为金薄膜制成。
3.如权利要求1或2所述的基于柔性声表面波器件的湿度传感器，其特征在于，所述反射栅为金薄膜制成。
4.如权利要求1或2所述的基于柔性声表面波器件的湿度传感器，其特征在于，所述信号转换单元包括一个微型模数转换器，用于将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。
5.如权利要求1或2所述的基于柔性声表面波器件的湿度传感器，其特征在于，所述数据处理单元是将采集到的信号与存储在数据处理单元中标准压力信号做对比。
6.如权利要求1或2所述的基于柔性声表面波器件的湿度传感器，其特征在于，所述信号传输单元采用蓝牙发送模块，所述信号接收单元为用户手机，蓝牙发送模块将数据处理结果发送到手机APP中。
7.如权利要求1或2所述的基于柔性声表面波器件的湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器的供电单元采用纽电源。
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