CN112867913A - 压电传感器 - Google Patents
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Abstract
一种压电传感器，包括：至少一个第一电极，至少一个第二电极，和压电材料，其中，压电材料具有各向异性的机电耦合，并且所述至少一个第一电极和第二电极至少部分嵌入压电材料中，压电材料具有第一表面，其中，所述电极从第一表面在压电材料内垂直地延伸。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电传感器。
背景技术
有源传感器通常基于压电效应来检测力。有源传感器是在测量过程中产生电能而不耗散电能的传感器。当力施加在传感器的表面时，机械应力部分地转换为电能，该电能可以是所施加力的定性和定量量度。压电传感器通常包括多个层，其中，有源传感器材料嵌入在顶电极层和底电极层之间，形成垂直层组件。有源传感器材料优选由无机陶瓷或电活性聚合物组成，电活性聚合物例如是聚(偏二氟乙烯)(PVDF)和/或聚(偏二氟乙烯：三氟乙烯)(P(VDF:TrFE))或其任何组合(例如纳米复合材料)。这些聚合物材料具有很高的机械柔韧性，能够以工业规模加工进行处理。在常见的有源传感器中，传感器材料实施为传感器薄膜。施加在传感器表面上的机械应力导致传感器材料变形，从而在电极中产生补偿电荷。这些电荷能够转化成信号。在这种常见的传感器设计中，电荷量以及因此的信号高度依赖于施加的机械应力的方向。在垂直于传感器薄膜的方向(即平行于传感器材料的自发极化的方向)上施加的应力越大，电荷就越多。作用在薄膜的平面(平行于传感器薄膜的表面)中的横向力、张力和扭矩仅产生相对较低的电压，并且不能与具有法向分量的力所产生的信号区分开。
已经研发了一些构思来利用压电传感器测量横向力。例如，利用机械结构来加强形成传感器薄膜的传感器材料，以便在传感器材料内部产生横向力的法向分量。在另一示例中，通过静电纺丝形成传感器薄膜，其中细丝是压电材料，由此实现传感器薄膜的更高的灵敏度。当检测在传感器附接或嵌入的表面上发生的扭矩或剪切力、施加在压电传感器表面上的力的切向分量时，这些构思尚无法提供令人满意的解决方案。
本发明旨在提供一种压电传感器，该压电传感器对引起横向应力的任何力都具有更高的灵敏度。
技术方案在独立权利要求中限定。进一步的有利实施例由从属权利要求限定。
发明内容
本发明提供一种压电传感器，包括至少一个第一电极、至少一个第二电极、压电材料；其中压电材料具有各向异性的机电耦合，并且该至少一个第一电极和第二电极至少部分嵌入压电材料中，压电材料具有第一表面，其中电极从第一表面在压电材料内基本成直角地延伸。
本发明基于使用显示出各向异性的机电耦合的压电材料(PM)，其中各向异性能够是i)固有的，ii)在加工或沉积过程中引入的，或者iii)借助于沉积后的处理实现。在本文中，机电耦合指的是这样一种效果：施加到PM的应力或应变会导致其极化的电可测量的改变。相较于在横向方向上，机电耦合通常在被称为主取向的一个方向上是最高的。对于具有非零自发极化的压电或铁电材料，主取向应定义为整个自发极化的方向。材料示例为铁电驻极体、压电陶瓷、纤维和聚合物、铁电材料、至少一种成分是压电的复合材料等。对于情况(iii)，铁电材料是应特别提到的合适的PM，其中，铁电畴的取向能够通过施加超过矫顽场强的高外部电场来改变。
压电材料的机电耦合能够通过以下线性本构方程来描述(使用爱因斯坦标记法)。
εij＝Sijkl Eσkl+dkijEk (1)
Di＝dikl σkl+∈ikσEk (2)
这里，εij和σkl分别表示二阶应变和应力张量元素，Ek和Di是电场和介电位移矢量的分量，sijkl E是包含在4阶张量中的零电场条件下的弹性柔量常数，∈ik σ表示无应力时介电常数张量的元素，dikl是在压电耦合张量中的压电常数。这些压电常数定量地描述了：作用在压电材料上的机械应力如何转换成介电位移的改变，从而引起表面电荷密度的改变(压电效应)。通过向压电材料的表面施加电极，能够测量表面电荷密度的改变，作为补偿电荷的改变，其中，在电极i上测得的电荷Qi与介电位移之间的关系由下式给出：
Qi＝∫D·dai。
在能够任意弯曲的电极表面上进行积分，其中dai＝dai·n^(表面法向量n^)。根据定义，在材料框架中，压电材料的主取向方向是z-方向(3-方向)。对于铁电材料(FM)，主体的极化以及因此的主取向是可变换的，或者甚至能够在临界温度(居里温度)以下重新定向。下文中，将这种重新定向的过程称为极化处理。
对于要求保护的发明，选择一种压电材料，该压电材料在压电耦合张量中具有至少两个不同于零的不相等分量，其中，最大压电系数是作用在材料的主取向上的应力的压电系数，即d333或d33(Voigt标记法)。依赖于其他压电系数d3jk(j、k≠3)，在与主取向不同的其他方向上施加的应力也可以导致表面电荷密度和极化的改变。压电系数的比值是特定于材料的，并且确定机电耦合多大程度上依赖于方向。为了测量耦合，通常向PM施加电极。PM中机械应力会引起电流(短路状态)、电位降(开路状态)或二者兼有(负载状态)。对于根据本发明的传感器，能够将传感器信号确定为在机械激活下产生的可测量的电流或电压。
根据本发明的传感器包括嵌入在PM中的具交替极性的第一电极和第二电极。PM中的张力或应力会导致PM变形，并在第一电极和第二电极上产生电荷。如果应力在相对于PM的第一表面的横向方向上作用，即在平行于极化的主取向并且基本垂直于从PM第一表面延伸的第一电极和第二电极的方向上作用，则传感器信号会最大。优选地，电极从第一表面垂直延伸，即以90度角延伸。然而，本发明不限于正好为90度的角，电极可以在例如直角+/-10度的范围内的其他角度延伸。换句话说，对于横向力或应力，传感器的灵敏度是最高的。然而，由于PM的各向异性，垂直(即垂直于PM的第一表面的方向)作用的应力会被以较低的灵敏度检测。关于灵敏度，能够通过改变横截面轮廓、横向几何形状、纵横比高度：宽度、第一电极与第二电极的间距以及PM的厚度和排列，来对其进行调整。对于PM是铁电体的情况，使用施加的AC或DC电压和频率以及温度的极化处理方法会进一步影响灵敏度。虽然声明了第一电极和第二电极是嵌入PM中的，但原理也适用于将第一电极和第二电极放置在PM之下或之上的情形，特别是沉积之后PM具有横向对齐的主取向的情况，即沉积之后不需要极化处理的情况。最后一种情况的示例是(聚合物或无机)压电纤维(例如ZnO纳米线)，其与主取向横向对齐并垂直于第一电极和第二电极的边缘。因此，PM的主取向基本平行于PM的第一表面，传感器对导致PM层中高横向应力的任何力都最灵敏，该任何力例如是：a)直接或经由中间层施加在PM表面上的力的切向分量；b)传感器附接或嵌入的表面上发生的剪切力；c)作用在传感器附接或嵌入的表面处或其上的扭矩；d)随时间和空间变化的力，这些力源于传感器附接或嵌入的区域的范围中或界面处的音波和声波(高达GHz)，尤其是声表面波和体波。直接可得出，PM层中横向应变也导致传感器响应，使得压电传感器也可用作有源应变传感器。
在压电传感器的另一实施例中，第一电极和第二电极是在横向上相互叉合的第一电极指和第二电极指，第一电极指和第二电极指在压电材料内形成相互啮合的梳状结构，并且电极指可单独电连接。相互啮合的电极指的数量越多，传感器的灵敏度就越高。
在压电传感器的另一实施例中，第一电极指和第二电极指相对于彼此以α角度布置，其中0<α<90。传感器信号依赖于电极指与PM平面中横向应力的方向之间的角度。能够选择叉指状设计作为第一电极和第二电极的变型。第一电极和第二电极不必须平行对齐。被PM包围或涂覆的第一电极和第二电极覆盖的区域确定传感器的空间分辨率。第一电极和第二电极相对于彼此的横向形状和布置能够被调整到应当检测的机械刺激的类型。
在压电传感器的另一实施例中，第一电极和第二电极相对于第一表面形成星形布置。可以选择星形几何形状，使其对扭矩或径向对称变形特别灵敏。
在压电传感器的另一实施例中，压电材料另外是热释电的。在PM另外是热释电的情况下，材料中的温度变化也会影响传感器信号，因此是可检测的。这种温度变化可能是由被(部分)吸收的热辐射引起的，该热辐射即辐射到传感区域的中红外到近红外(MIR/NIR)范围内的电磁波。由于第一电极和第二电极横向布置并嵌入PM中，第一电极和第二电极通过对所吸收的热辐射进行再散发或耗散而促进这种效果，与单独照射压电材料相比，产生的温度变化更大。
在压电传感器的另一实施例中，第一电极和第二电极是盘形或椭圆形的。电极的这种形状能够增强热辐射的吸收，并且能够使传感器适合于热和/或辐射检测。通过使用所述形状和/或合适的材料，实现了与λ/4波吸收器结构和/或采用等离子体效应相当的吸收率增长。
在压电传感器的另一实施例中，传感器包括基底，其中压电材料形成基底上的层，其中基底是柔性的弹性基底，优选聚合物箔，例如PET。PM被加工并施加到基底上，使得PM的主取向指向与PM和基底之间的界面平行处。所要求保护的传感器能够嵌入或附接到目标体上进行测量。在这种情况下，能够省略基底。借助于传感器的柔性，传感器可附接到具有不同形状的表面。可通过选择合适的基底材料来优化上述力到PM中的耦合。还可以通过改变基底到PM层、到第一电极和第二电极以及到目标体表面的连接和厚度来进一步控制耦合。被PM包围或涂覆的第一电极和第二电极覆盖的区域确定传感器的空间分辨率。
在本发明的另一实施例中，传感器包括第三电极，其中第三电极布置在压电材料的第一表面处或者布置在与第一表面相对的第二表面处，并且其中第三电极与第一电极和第二电极间隔开。在该实施例中，第三电极与传感器结合，以形成多模式传感器。第三电极被添加到包括第一电极和第二电极的传感器。第三电极与第一和第二电极都能够分别连接。第三电极布置在PM的顶(第一)表面或底(第二)表面上(反之亦然)。另外，在第一电极和第二电极之间的区域中存在层(在第一电极和第二电极的顶侧与第三电极之间；该层由PM形成)。借助于第三电极，传感器既能够检测作用在传感器上表面上的法向力又能够检测作用在代表上表面的平面中的横向力(剪切力、扭矩)。
在传感器的另一实施例中，第三电极布置在压电材料和基底之间。第三电极能够布置在PM和基底之间的底部界面中，只要在第一电极和第二电极与PM填充的界面之间存在空间即可。
在本发明的另一实施例中，第三电极与第一电极和第二电极的顶侧之间的压电材料的极化的主取向基本平行于第一电极和第二电极的垂直延伸方向，并且基本垂直于代表第三电极的横向延伸的平面。在第一电极和第二电极(它们的顶侧)与第三电极之间，PM的主取向主要垂直对齐。在FM填充第三电极与第一电极和第二电极的顶侧之间以及在第一电极与第二电极之间的区域的情况下，能够通过极化处理引入这种垂直对齐。法向作用在第三电极上的应力然后会导致第三电极与第一电极和第二电极的顶侧之间的可测量的电荷位移。电荷位移代表作用力的法向分量的量。作用力的切向分量可通过第一电极与第二电极之间的可测量的电荷位移来检测。
在本发明的另一实施例中，传感器包括低功率电路，该电路设置用于收集当压电材料由于机械应力而变形时由压电材料产生的电能，并且其中，该电路设置用于使用无线传输器进行信号处理。传感器是有源的，在测量过程中它不会耗散电能，而是将激活过程中投入的一些机械能和/或热能转换成电能。这些能量能够被收集来提供给用于信号处理的低功率电子电路，甚至提供给无线传输器。当收集到足够的能量时，能够进行信号传输。因此，传感器能够形成自维持传感器网络的重要组成部分。
根据本发明的另一方面，提供了一种传感器阵列，其包括多个根据前述实施例的任何组合的传感器，其中传感器相对于彼此被旋转。将几个被旋转的传感器彼此相邻设置，使得可以分解应力或剪切力的方向以及其数量。
在传感器阵列的另一实施例中，传感器阵列包括第一子阵列和第二子阵列，每个子阵列包括至少两个传感器，其中每个子阵列的两个传感器布置成相对于彼此以一定角度延伸，特别是以45°的角度延伸。从而提供了传感器的移位对齐，以分解横向力的方向。借助于这种布置，作用力产生4种不同的传感器信号电平。由于第一电极与第二电极之间的PM极化的主取向，传感器产生的信号电平依赖于作用力与第一电极和第二电极之间的角度。与力的方向无关，每个子阵列的至少一个传感器的倾斜(优选45°倾斜)导致不同的相对信号电平，因为阵列规定每个子阵列至少在传感器之间的夹角为0<α<90。通过不同的相对信号电平，可以在数量和质量上区分力。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造压电传感器的方法，该方法包括在单个层中提供多个第一电极和第二电极，以及在第一电极和第二电极之上设置活性材料。提供了一种简单且工业上可扩展的流程，其中流程步骤能够通过本领域已知的多种制造技术来执行。该单个层可以是基底的表面，该表面可以与活性材料的表面共面。
在方法的实施例中，通过以下方式之一或其任意组合来执行在单个层中提供多个第一电极和第二电极的操作：印刷工艺；光刻工艺；微流体构造(microfluidicstructuring)。特别地，这些工艺可以是：喷墨印刷、丝网印刷、气溶胶喷射印刷；光刻、电子束光刻或压印光刻与金属剥离和/或电铸相结合以增加电极层的厚度；或者微流体构造工艺，其中导电油墨在微毛细管力的驱动下在预处理的微流体通道中扩散。
在另一实施例中，该方法还包括提供基底，将活性材料设置到基底上，形成压电聚合物层，将通道压印到压电聚合物层中，和/或在通道中沉积电极材料以提供该多个第一电极和第二电极。
在方法的另一实施例中，电极材料是导电油墨，优选Ag或Cu或PEDOT:PSS，其中导电油墨被毛细管力驱入通道。使用微流体构造，创建了非常易于扩展的流程，并取得了非常好的结果。
在另一实施例中，该方法还包括对导电油墨进行热/UV处理或光子烧结。这获得了更好的导电性和表面质量，即耐久性。
在方法的另一实施例中，通过以下方式之一来执行将活性材料设置到基底上的操作：旋铸；滴涂；棒涂；喷墨印刷；丝网印刷；凹版印刷，物理或化学气相沉积，原子层沉积。将PM施加在柔性的弹性基底上，从而针对应检测的机械刺激类型优化厚度和弹性特性(杨氏模量)。合适的基底材料聚合物箔为PET、聚酰亚胺、PEN、PC等，或纺织品、皮革等。在基于聚合物或复合物的PM的情况下，能够通过上述制造流程来实现将PM施加在基底上。
在方法的另一实施例中，通道具有矩形、梯形或三角形轮廓，从而限定第一电极和第二电极的形状，并且压印操作通过热压印(hot embossing)(T-NIL)或UV-NIL(在PM是可UV处理的情况下)、UV-压印、模铸来执行。能够利用改变电极轮廓的形状来创建布置用来检测特定环境中的特定力的传感器。
在另一实施例中，方法还包括在压印之后处理压电聚合物层的表面。这改善了导电油墨的润湿性，并且有助于PM与电极材料(例如固化的导电油墨)之间更好的粘合。
在方法的另一实施例中，压电聚合物层的厚度大于电极的高度。这使得在第一电极和第二电极的顶表面与PM的表面之间形成了层，并且将第一电极和第二电极与可能的第三电极间隔开。第一电极和第二电极与第三电极之间的层是实现以下的先决条件：使层内的PM的极化方向对齐，以对至少部分地垂直于代表第三电极的平面作用的力产生灵敏度。
在另一实施例中，方法还包括极化处理，以将压电聚合物层内的铁电畴对齐。如果使用铁电材料(FM)，则需要极化处理来引入期望的FM中的对齐。例如，如果FM填充第一电极与第二电极之间的区域，则能够通过以下极化处理步骤引入这种对齐：a)将第一电极和第二电极根据其极性连接高压源。执行极化处理过程，以使铁电畴在基本垂直于第一电极和第二电极的竖直表面的主取向上对齐。b)将具有不同极性的第一电极和第二电极在外部连接到相同的电势(例如接地)，而将第三电极连接到另一电势。再次执行极化处理过程，以使第一电极和第二电极与第三电极之间的铁电畴的区域主要垂直定向。这两个步骤的顺序依赖于第一电极和第二电极的几何形状、第一电极和第二电极与第三电极之间的平均竖直间距(层的厚度)以及FM的物理特性。
在另一实施例中，方法还包括形成第三电极，其中，第三电极与第一电极和第二电极间隔开，并且其中，形成第三电极包括：在压电聚合物层基本垂直于第一电极和第二电极的表面沉积电极材料层。由此创建了多模式传感器。为了对第一电极和第二电极与第三电极之间的PM进行极化处理，将具有不同极性的第一电极和第二电极都在外部连接到相同的电势(例如接地)，而将第三电极连接到另一电势。再次执行极化处理过程，以使第一电极和第二电极与第三电极之间的铁电畴的区域主要垂直定向。这创建了对法向力的灵敏度。
在方法的另一实施例中，活性材料是压电材料，其中，压电材料具有各向异性的机电耦合，并且该多个第一电极和第二电极至少部分地嵌入压电材料中。特别地，方法还包括形成从压电材料的第一表面在压电材料内基本成直角延伸的电极。
附图说明
结合以下附图对本发明的示例性实施例进行说明。
图1示出了现有技术的压电传感器；
图2示出了根据本发明的压电传感器的示意性结构；
图3示出了根据本发明的压电传感器的另一实施例的示意性结构；
图4示出了根据图3的压电传感器的示意性结构；
图5至7示出了根据本发明的传感器阵列的示意性结构；
图8a和8b示出了处于操作状态的图3的压电传感器；
图9a至9e示出了根据本发明的压电传感器的示例性制造过程中的过程步骤；
图10示出了根据本发明的一个方面的压印过程的流程图；
图11示出了根据本发明的压电传感器的示例性制造过程中的过程步骤的另一示例性序列；
图12示出了根据本发明的压电传感器的示例性制造过程中的过程步骤的又一示例性序列。
具体实施方式
图1示出了现有技术的压电传感器1。传感器1包括基底2。具有第一极性的第一电极设置在基底2的第一(上)表面4处。传感器1还包括具有第二极性的第二电极5。第二电极设置在压电材料6之上，从而在第一电极4与第二电极5之间形成有源层。压电材料6具有极化7的主取向，该主取向相对于代表第一电极3、第二电极5和基底2的平面垂直。如果力Fn作用在传感器1的上表面8上，则感应到的机械应力会导致压电材料6变形，从而导致压电材料6中的电荷的位移。在第一电极3和第二电极5之间产生的电压表示作用力Fn的定量测量。
图2示出了根据本发明的压电传感器1的示意性结构。第一电极和第二电极布置在基底2上，并且从基底2的上表面4基本成直角(垂直)地延伸到压电材料6中。第一电极和第二电极(3，5)具有基本矩形的轮廓，并且具有交替的极性。第一电极和第二电极在压电材料6内形成叉指状结构。第一电极和第二电极(3，5)嵌入在压电材料6中，并且相对于彼此基本平行地设置。第一电极和第二电极(3，5)与传感器8的上表面间隔开。在第一电极和第二电极的顶侧9之间，形成压电材料6的层10，该层覆盖第一电极和第二电极(3，5)的顶侧9。压电材料6具有各向异性的机电耦合。施加在压电材料6上的应力会导致其极化的电可测量的改变。力F包括法向分量Fn和切向分量Ft。F的基本与第一电极与第二电极(3，5)之间的压电材料6的极化7的主取向平行的分量在压电材料6中的电荷的电可测量位移中占主要份额。Ft是F的分量，其平行于极化7的主取向作用，并且因此在第一电极与第二电极(3，5)之间的压电材料6中的极化的可测量偏移中占主要份额。
图3示出了根据图2的压电传感器的另一实施例的示意性结构。第三电极11设置在压电材料层6上，形成顶电极。第三电极11占用的空间覆盖第一电极和第二电极(3，5)中的每一个的至少一部分。
图4示出了根据图3的压电传感器1的示意性横截面。第三电极11覆盖压电材料6，形成传感器1的上表面8。第三电极与第一电极和第二电极(3，5)的顶侧9被层10间隔开。除了电极(3，5)之间的压电材料6的极化(平行于第三电极11并且基本垂直于电极(3，5))之外，形成第一电极和第二电极(3，5)顶侧上方的层10的压电材料6具有极化7的主取向，该主取向基本平行于第一电极和第二电极(3，5)且基本垂直于第三电极11。
图5至图7示出了根据本发明的传感器阵列12。传感器阵列12包括相同种类的多个传感器1。每个相应传感器的第一电极和第二电极都实施为相互啮合的梳状结构。该多个传感器1中的每个传感器1在第一电极与第二电极(3，5)之间都具有极化7的主取向。每个传感器布置成检测与其极化的主取向相同的方向上的切向力。为了产生作用力的定量和定性测量，传感器被相对于彼此旋转。该多个传感器被细分为第一子阵列13和第二子阵列14。每个子阵列包括至少两个传感器1。每个传感器1代表切向力或剪切力在其中作用的平面的象限。如果平行于虚拟坐标系15的轴施加力F1，如图6所示，则那些具有不平行于力F1的方向的第一电极和第二电极(3，5)的传感器会产生可测量的信号。因此，传感器1会根据其相对于作用力F1的旋转来产生不同的信号电平。在图7中，力F2相对于坐标系15以45°角作用。其第一电极和第二电极垂直于F2方向的传感器1会产生最高的信号电平。其第一电极和第二电极(3，5)平行于F2方向的传感器1不会产生信号(或者产生最小的信号)。其第一电极和第二电极(3，5)相对于F2方向旋转45°角的传感器1各自会产生相同的信号电平，但符号不同。
图8a和8b示出了处于操作状态的图3的压电传感器1。采用第一电极和第二电极(3，5)以及第三电极11(如图3所示)的电连接16来区分横向与法向力(图8a)或应力(图8b)分量。如图所示，第三电极11连接到参考电势Фref，并且在参考电势与不同极性的第一电极和第二电极(3，5)之间测量电势差V+、V-或电流I+、I-。和信号与作用在传感器上的法向力或应力成比例，而差信号与横向力或应力贡献相对应。
图9a至9e示出了根据本发明的压电传感器1的示例性制造过程中的过程步骤；在图9a中，提供基底2。在图9b中，通过印刷工艺在基底2上施加聚合物压电材料6，以形成厚度明显高于第一电极和第二电极(3，5)的高度的层。在图9c中，借助于热压印(例如T-NIL)将微流体通道17压印到压电材料6中，该微流体通道具有限定第一电极和第二电极(3，5)的形状的矩形、梯形或三角形轮廓18。在图9d中，示出了结果—通道。在图9e中，经过可选的表面处理之后，沉积导电油墨19(例如Ag或Cu)，并通过毛细管力将导电油墨驱入微流体通道17内，并进行热处理。
图10示出了用于制造压电传感器1的示例性纳米压印光刻工艺(NIL)的流程图。将可UV处理的树脂施加到基底2上，并用包含电极结构的压模将树脂无残留地压印并进行处理。在树脂顶部沉积金属层。去除树脂，剥离掉树脂顶部的金属层。只有压印区域中的金属保留在基底2上。能够通过电沉积相同或另一种金属来增强被转移的金属层，其中预构造的金属层在电铸过程中充当阴极。
图11示出了根据本发明的压电传感器1的另一示例性制造过程中的过程步骤的另一示例性序列。该过程包括：
a)沉积导电馈线20，以连接第一电极和第二电极(3，5)，例如通过凹版印刷或丝网印刷(可能在R2R上)来沉积。基底2是具有高热稳定性(例如高达180℃)的箔，例如聚酰亚胺。
b)在馈线20之间覆盖作为压电材料6的P(VDF:TrFE)糊状物。
c)根据图9a-9e描述的方案，将微流体通道17热压印到压电材料6中。
d)经过可选的表面处理之后，例如利用臭氧处理几分钟，将导电油墨19(例如溶液中的Ag纳米粒子)经由设置在压印图样上的容器沉积到通道17中。由此，提供了另外的通道(未示出)，从而使得导电油墨可以向外流动以与馈线20接触。之后，在高温下烧结导电油墨19，从而形成嵌入在压电材料6中导电的第一电极和第二电极(3，5)。可选地，能够通过电沉积相同或其他金属来增强第一电极和第二电极(3，5)。应用这一过程，在作为基底2的聚酰亚胺箔上进行丝网印刷之后，以P(VDF:TrFE)＝70:30％mol的浓度形成了深7pm、宽8.8pm的通道。将Ag纳米粒子导电油墨19滴入容器中，然后经由毛细管力将其输送到通道17中，并在150℃下处理。Ag纳米例子导电油墨形成了覆盖通道17的底部和侧壁二者的层，其厚度范围为0.2至1.3pm。
图12示出了用于构造压电传感器1的第一电极和第二电极(3，5)的示例性过程中的过程步骤的另一示例性序列。通过光刻和电铸来构造第一电极和第二电极(3，5)。过程如下：
a)用导电金属层21涂覆基底2，导电金属层21随后用作电铸(例如，使用在Ni或Cu种子层上的氨基磺酸镍浴)的种子层21。
b)以光刻的方式构造抗蚀剂22，用作引导层22
c)将样品放入合适的电解质浴中，并将种子层21进行电连接，使得金属被电沉积在未被抗蚀剂22覆盖的区域中。
d)化学去除抗蚀剂22。
e)通过湿法或干法刻蚀处理没有金属被电铸的种子层。在另一步骤(未示出)中，通过旋铸或丝网印刷在第一电极和第二电极(3，5)上施加P(VDF:TrFE)，以便将电极(3，5)嵌入压电材料6中。
附图标记列表
1.压电传感器
2.基底
3.第一电极
4.基底的上表面
5.第二电极
6.压电材料
7.极化的主取向
8.传感器的上表面
9.第一电极和第二电极的顶侧
10.层
11.第三电极
12.传感器阵列
13.第一子阵列
14.第二子阵列
15.坐标系
16.电连接
17.通道
18.通道轮廓
19.导电油墨
20.馈线
21.金属种子层
22.抗蚀剂/引导层。
Claims (25)
1.一种压电传感器(1)，包括：
至少一个第一电极(3)；
至少一个第二电极(5)；
压电材料(6)；其中
所述压电材料(6)具有各向异性的机电耦合，并且
所述至少一个第一电极和第二电极(3，5)至少部分嵌入所述压电材料(6)中，所述压电材料(6)具有第一表面(4)，其中，所述电极(3，5)从所述第一表面(4)在所述压电材料(6)内基本成直角地延伸。
2.根据权利要求1所述的压电传感器(1)，其中，所述第一电极和第二电极(3，5)是在横向上相互叉合的第一电极指和第二电极指，所述第一电极指和第二电极指在压电材料内形成相互啮合的梳状结构，并且所述电极指能单独电连接。
3.根据前述任一权利要求所述的压电传感器(1)，其中，所述第一电极指和第二电极指(3，5)相对于彼此以α角度布置，其中，0<α<90°。
4.根据前述任一权利要求所述的压电传感器(1)，其中，所述第一电极和第二电极(3，5)相对于所述第一表面(4)形成星形布置。
5.根据前述任一权利要求所述的压电传感器(1)，其中，所述压电材料(6)另外是热释电的。
6.根据权利要求1所述的压电传感器(1)，其中，所述第一电极和第二电极(3，5)是盘形或椭圆形的。
7.根据前述任一权利要求所述的压电传感器(1)，其中，所述传感器(1)包括基底(2)，其中，所述压电材料(6)形成所述基底(2)上的层，并且其中，所述基底(2)是柔性的弹性基底(2)，优选为聚合物箔，例如PET。
8.根据前述任一权利要求所述的压电传感器(1)，其中，所述传感器(1)包括第三电极(11)，其中，所述第三电极(11)布置在所述压电材料(6)的所述第一表面(4)处或者布置在与所述第一表面(4)相对的第二表面处，并且其中，所述第三电极(11)与所述第一电极和第二电极(3，5)间隔开。
9.根据权利要求8所述的压电传感器(1)，其中，所述第三电极(11)布置在所述压电材料(6)与所述基底(2)之间。
10.根据前述任一权利要求所述的压电传感器(1)，其中，所述第三电极(11)与所述第一电极和第二电极(3，5)的顶侧(9)之间的所述压电材料(6)的极化(7)的主取向基本平行于所述第一电极和第二电极(3，5)的垂直延伸方向，并且基本垂直于代表所述第三电极(11)的横向延伸的平面。
11.根据前述任一权利要求所述的压电传感器(1)，其中，所述传感器(1)包括低功率电路，所述电路设置用于收集当压电材料(6)由于机械应力而变形时由压电材料(6)产生的电能，并且其中，所述电路设置用于使用无线传输器进行信号处理。
12.一种传感器阵列(12)，包括多个权利要求1至11任一项所述的传感器(1)，
其中，所述传感器(1)被相对于彼此旋转。
13.根据权利要求12所述的传感器阵列(12)，其中，所述传感器阵列(12)包括第一子阵列和第二子阵列(13，14)，每个子阵列(13，14)包括至少两个传感器(1)，其中，每个子阵列(13，14)的两个传感器(1)布置成相对于彼此以一定角度延伸，特别是以45°的角度延伸。
14.一种制造压电传感器(1)的方法，所述方法包括：
在单个层中提供多个第一电极和第二电极(3，5)；
在所述第一电极和第二电极(3，5)之上设置活性材料(6)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在单个层中提供所述多个第一电极和第二电极(3，5)通过以下方式之一或其任意组合来执行：印刷工艺；光刻工艺；微流体构造。
16.根据权利要求14或15所述的方法，还包括：
提供基底(2)；
将所述活性材料(6)设置到所述基底(2)上，形成压电聚合物层(6)；
将通道(17)压印到所述压电聚合物层(6)中；
在所述通道(17)中沉积电极材料，以提供所述多个第一电极和第二电极(3，5)。
17.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述电极材料是导电油墨(19)，优选是Ag、Cu或PEDOT:PSS，并且其中，导电油墨(19)被毛细管力驱入通道(17)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法还包括：对所述导电油墨(19)进行热/UV处理或光子烧结。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述活性材料(6)设置到所述基底(2)上通过以下方式之一来执行：旋铸；滴涂；棒涂；丝网印刷；喷墨印刷；凹版印刷，物理或化学气相沉积，原子层沉积。
20.根据权利要求16至19所述的方法，其中，所述通道(17)具有矩形、梯形或三角形轮廓(18)，从而限定所述第一电极和第二电极(3，5)的形状，并且其中，所述压印操作通过热压印、UV压印、模铸来执行。
21.根据权利要求14至20所述的方法，还包括：在压印之后处理所述压电聚合物层的表面。
22.根据权利要求14至21所述的方法，其中，所述压电聚合物层(6)的厚度大于所述电极(3，5)的高度。
23.根据权利要求14至22所述的方法，还包括：
极化处理，以使铁电畴在所述压电聚合物层(6)内对齐。
24.根据权利要求14至23所述的方法，还包括：
形成第三电极(11)，其中，所述第三电极与所述第一电极和第二电极(3，5)间隔开，并且其中，形成所述第三电极包括：
在所述压电聚合物层(6)的基本垂直于所述第一电极和第二电极(3，5)的表面沉积电极材料层。
25.根据权利要求14至24所述的方法，其中，所述活性材料是压电材料，其中，
所述压电材料(6)具有各向异性的机电耦合，并且
所述多个第一电极和第二电极(3，5)至少部分嵌入所述压电材料(6)中；并且，所述方法还包括：
形成所述电极(3，5)，以从所述压电材料(6)的第一表面(4)在压电材料(6)内基本成直角地延伸。
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| CN115031884A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-09-09 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 具有多模式力感知的柔性传感器阵列及其制作方法 |
| CN115031884B (zh) * | 2022-06-02 | 2024-03-15 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 具有多模式力感知的柔性传感器阵列及其制作方法 |
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