CN115014590B - 一种压电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电传感器及其制备方法，制备方法为：将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成具有并列结构的线材后进行层层堆叠制得压电传感器；压电传感器为采用上述制备方法制得的压电传感器。本发明的制备方法缩短了压电传感器的制备工艺，有效提高了压电传感器的灵敏度，实现了压电传感器的一体化构筑，本发明的压电传感器具有高灵敏度的特点，且能够实现多方向多角度的压力响应，极大地满足了应用需求。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种压电传感器及其制备方法。
背景技术
3D打印又称为增材制造，是一种通过增加材料形成三维实体的快速制造技术。与传统的减材技术相比，3D打印可以制造任意形状的几何实体。同时，3D打印方法还具有材料损耗小、制造周期缩短和制备成本低等优点，尤其是在制造形状复杂的产品时，3D打印具有巨大的优越性。
压电传感器是可以将外加压力信号转变为电信号的装置，无需外接电源，可广泛应用于可穿戴、便携电子器件领域，用来监测人体运动与健康情况。
3D打印技术制备压电传感器具有快速简单、精度高、实现复杂结构的优点。但是目前打印技术制备压电传感器仍局限于单一喷嘴或多喷嘴的挤出与成型，不同材料之间由于个体性能的差异会导致层间粘结欠佳，传感器的灵敏度受限，且利用双喷嘴打印时工艺设计复杂，增加制备难度，无法实现压电传感器的一体化成型。此外，利用3D打印制备传感器是不同材料在垂直方向的堆叠，如图5所示为现有技术的压电传感器的电容结构，包括垂直方向依次堆叠的导电材料7、压电材料8和导电材料7，传感器仅能感应到垂直方向上的压力，无法实现多方向多角度的压力响应，限制了其在智能检测方面的应用。
因此，研究一种压电传感器及其制备方法以解决现有技术中3D打印技术制备的压电传感器灵敏度低且无法多角度压力相应的问题具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述3D打印传感器制备时间长、工艺复杂、传感器仅能单一方向响应的问题，提供了一种可实现多角度响应的压电传感器制备方法。
本发明利用定制化3D打印喷嘴，即两种材料从两个送丝装置进入同一喷嘴从而顺利的并列挤出，挤出线材断面呈现并列结构，其中左侧为导电材料做电极，右侧为压电材料为传感材料。经电脑程序设计传感器的形状和大小，具有并列结构的线材经熔融挤出通过层层堆叠实现多角度响应的压电传感器的制备，不同材料之间紧密接触，传感器的层间粘结也得到加强。当传感器受到外界压力时，线材受到挤压产生一定的形变，从而导致内部导电网络发生变化，从而输出不同的电信号。本发明的传感器不仅可以同时响应多个方向的压力，且制备工艺简单，利用3D打印技术还可实现传感器形状的定制化设计，拓展其应用领域。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种压电传感器的制备方法，将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成具有并列结构的线材后进行层层堆叠制得压电传感器。
在制备压电传感器时，既需要线材在外力作用下发生形变产生电荷，又需要线材内部的导电部分可形成良好的导电通路，方便把电信号传送出去，因此本发明设计具有并列结构的线材的一部分为导电材料，另一部分为压电材料，此外，由具有并列结构的线材组成的压电传感器的微电容结构相对于由具有其它结构(例如皮芯结构)的线材组成的压电传感器的微电容结构大一些，更有利于压电传感，因而本发明选择具有并列结构的线材制作压电传感器。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种压电传感器的制备方法，3D打印机包括送丝装置A、送丝装置B、内流道A、内流道B、两个加热块和一个喷嘴；
内流道A和内流道B分别穿过一个加热块穿入喷嘴内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A输送至内流道A内；压电材料以线材的形态由送丝装置B输送至内流道B内。
如上所述的一种压电传感器的制备方法，导电材料为导电热塑性聚氨酯、导电聚乳酸或导电尼龙；压电材料为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))或左旋聚乳酸(PLLA)。
如上所述的一种压电传感器的制备方法，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构；3D打印机的金属喷嘴为圆形，线材挤出为圆形，对称结构的双组分线材可以保证相邻并列线材间形成导电-压电-导电的微电容结构；同时导电材料和压电材料二者的比例需要考虑，本发明中压电组分和导电组分在线材中的占比相同可避免压电组分和导电组分分配不均，发生导电层过薄(压电信号输出困难)或导电层过厚(传感器内部含多个导电通路，变成导体，无法实现压力响应)。
如上所述的一种压电传感器的制备方法，具有并列结构的线材的直径为0.6～2mm；目前单头的喷嘴直径范围为0.3～1.2mm，本发明中的并列结构线材由两种材料组成，一方面考虑到喷嘴直径太小双组分难以成型，所以线材直径要大一点；另一方面，线材直径也不能太大，线材太粗会影响传感器对外力的响应，因此本发明设置具有并列结构的线材的直径为0.6～2mm。
如上所述的一种压电传感器的制备方法，层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为直线型、蜂窝型、锯齿型、方波形或圆弧形，直线型打印路径的填充角度为0°、90°、45°、0/90°和±45°；层与层之间的堆叠方式为并列叠加或错位叠加。
如上所述的一种压电传感器的制备方法，压电传感器的孔隙率不高于40％，孔隙率过大的话，具有并列结构的线材间距过远，在外力作用下，相邻的线材无法接触，压电传感器的响应较差；压电传感器的结构为平面结构、金字塔型结构、柱状结构、圆台型结构或拱桥状结构。
导电材料、压电材料、具有并列结构的线材的结构(即并列双组分的分布)、打印时线材的堆叠方式、压电传感器的孔隙率、压电传感器的结构、压电传感器的尺寸都会应影响压电传感器的灵敏度，其中，导电材料需要材料导电，压电材料需要材料受到外力内部电荷发生变化；并列打印时还需考虑两组分材料的流动特性以便可以实现并列挤出；并列双组分的分布要适宜，要确保并列复合线材即有导电组分(用作电级)又有传感组分(压电材料)；材料还需要具备柔性，以便感应外力；并列复合线材的堆叠方式、内部结构的设计和变化也会导致灵敏度变化，因为这会形成不同大小和数量的微电容；压电传感器不仅可以为平面结构，还可以为凸起结构(例如金字塔型结构、柱状结构、圆台型结构或拱桥状结构)，凸起结构相对于平面结构可以更敏感地感受外力，提高灵敏度。
本发明还提供一种压电传感器，采用如上任一项所述的制备方法制得。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种压电传感器，压电传感器在垂直方向的灵敏度为1.3～5.3V/kPa，在水平方向的灵敏度为1.2～4.8V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.0～4.5V/kPa；灵敏度(S)的计算方法为：S＝ΔV/ΔP，ΔV为传感器输出电压的相对变化，ΔP为传感器施加压力的相对变化；灵敏度(S)的计算公式还可以为：S＝输出电流的想对变化/压力的相对变化，单位是mA/Pa。
压电传感器的机理是受到外界压力时，压电材料内部电荷发生极化从而在表面产生电荷，外界电路会有电信号的变化(电容变化引起电信号变化)。本发明的压电传感器是通过3D打印制备，是挤出线材相互粘结和层层堆叠形成的立体结构。如图1所示，本发明的双组分线材中的一种组分是导电材料，另一种组分是压电材料，由于挤出线材是具有两种成分的并列复合线材，如图2所示，同一层(水平方向)相邻两根线材(即导电材料7和压电材料8)之间就会形成一个微电容结构，受到水平方向的力，相邻两线材受挤压产生形变引起电容变化(微电容)，同理垂直方向亦然，具体如图3、图4所示。
通过计算机软件设计，压电传感器是经3D打印制备的一个立体结构，它不是致密结构，具有一定的孔隙率，因此不仅可以承受水平和垂直方向的力，也可以承受其他角度和方向的力，本发明的压电传感器受任何方向的外力作用时都会产生形变，相邻线材接触点也会因为受到外力而电容发生变化，因此本发明的压电传感器可实现多角度响应。
此外，还可以通过选择柔性较强的导电材料和压电材料来构筑压电传感器，利用材料本身的柔性赋予压电传感器弯曲响应特性。
现有技术利用FDM熔融3D打印技术制备了压电传感器，将两种成分的线材分别挤出然后制备压电传感器，宏观上形成一个大电容器结构，其结构如图5所示，传感机理为压电材料受外力作用发生形变从而产生电容变化，该压电传感器在水平方向的灵敏度最高为0V/kPa，在垂直方向的的灵敏度最高为2.7V/kPa，在其它方向的灵敏度为0V/kPa。
该现有技术存在的问题包括：1)由于是一个组分先成型，另一个组分再在其上成型，层间粘结较差，压电传感器无法成型，或者导电材料无法把压电材料产生的电荷转移出来，导致压电传感器的响应灵敏度较低(0.017V/kPa)；2)由于压电传感器由不同材料通过垂直方向上的层间粘结堆叠而成，仅能对垂直方向的压力有所响应，因此无法实现多角度响应(即无法同时响应到不同方向的压力)。
与其相比，本发明通过具有并列结构的线材制备压电传感器，不同组分间界面间粘结良好，同一层内相邻线材及相邻层的线材间可形成微电容结构，整个传感器由多个微电容集成，对压力具有更好的响应能力，压电传感器在垂直方向的灵敏度高达1.3～5.3V/kPa，在水平方向的灵敏度高达1.2～4.8V/kPa，明显高于现有技术；本发明可利用软件设计更多结构和形状的压电传感器，达到多角度响应的目的，本发明的压电传感器在水平和垂直方向上线材间规整且有序粘结，受任何方向的外力作用时都会产生形变，表现出电信号变化。
有益效果：
(1)本发明的一种压电传感器的制备方法，将压电材料与导电材料通过3D打印实现同步挤出与成型制备具有并列结构的压电传感器，实现压电传感器的一体化成型，对传统打印方法进行创新，简化制备流程，丰富压电传感器的形状与结构，有效提高传感器的压力响应性，满足多领域的应用需求；
(2)本发明的一种压电传感器，压电材料与导电材料并列粘结良好，传感器具有良好的结构稳定性与高灵敏度，可实现多方向多角度的压力响应，产品性能优异。
附图说明
图1为压电传感器的截面示意图；
图2为具有并列结构的线材的截面示意图；
图3为相邻并列纤维之间(每一个方框)在水平方向的微电容结构；
图4为相邻并列纤维之间(每一个方框)在垂直方向的微电容结构；
图5为现有技术的压电传感器的电容结构；
图6为具有并列结构的线材的打印装置；
图7为同一层中具有并列结构的线材的打印路径；其中，从左至右分别是蜂窝型、锯齿型、方波形、圆弧形打印路径；
图8为直线型打印路径的填充角度；从左到右分别为0°、90°、45°、0/90°和±45°；
图9为层与层之间的堆叠方式；左图为并列叠加，右图为错位叠加；
其中，1-送丝装置A，2-送丝装置B，3-内流道A，4-内流道B，5-加热块，6-喷嘴，7-导电材料，8-压电材料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以下各实施例用到的原料的信息如下：
导电热塑性聚氨酯：炭黑导电TPU，深圳龙岗莞润塑胶原料；
聚偏氟乙烯：DS800，广东丹盛塑料；
导电聚乳酸：将PLA(Ingeo 4043D，美国Nature Works)与碳纳米管、炭黑等碳系填料熔融共混制备到导电聚乳酸；参考文献为：以聚乳酸为基体的导电高分子复合材料研究进展[J].现代塑料加工应用,2012,24(3):4；
聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物：21216，苏威；
导电尼龙：DB-PA，东莞隆仕达高分子材料；
聚偏氟乙烯-三氟乙烯：Piezotech FC20，阿科玛；
左旋聚乳酸：分子量2.15×105g/mol，长春圣博玛生物材料。
实施例1
一种压电传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
导电材料：导电热塑性聚氨酯；
压电材料：聚偏氟乙烯；
(2)将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成直径为0.6mm的具有并列结构的线材，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构(如图1～2所示，并列结构的一侧为导电材料7，另一侧为压电材料8)，然后进行层层堆叠，制得压电传感器；
其中，如图6所示，3D打印机包括送丝装置A 1、送丝装置B 2、内流道A 3、内流道B4、两个加热块5和一个喷嘴6；内流道A 3和内流道B 4分别穿过一个加热块5穿入喷嘴6内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A1输送至内流道A 3内；压电材料以线材的形态由送丝装置B 2输送至内流道B 4内；
如图8所示，层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为直线型，直线型打印路径的填充角度为0°；如图9所示，层与层之间的堆叠方式为并列叠加。
制得的压电传感器的孔隙率为16％，压电传感器的结构为平面结构；如图4所示为相邻并列纤维之间(每一个方框)在垂直方向的微电容结构，压电传感器在垂直方向的灵敏度为1.9V/kPa，如图3所示，为相邻并列纤维之间(每一个方框)在水平方向的微电容结构，在水平方向的灵敏度为1.7V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.3V/kPa。
实施例2
一种压电传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
导电材料：导电聚乳酸；
压电材料：聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物；
(2)将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成直径为0.8mm的具有并列结构的线材，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构，然后进行层层堆叠，制得压电传感器；
其中，D打印机包括送丝装置A、送丝装置B、内流道A、内流道B、两个加热块和一个喷嘴；内流道A和内流道B分别穿过一个加热块穿入喷嘴内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A输送至内流道A内；压电材料以线材的形态由送丝装置B输送至内流道B内；
如图7所示，层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为蜂窝型；层与层之间的堆叠方式为并列叠加。
制得的压电传感器的孔隙率为25％，压电传感器的结构为金字塔型结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为2.3V/kPa，在水平方向的灵敏度为2V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.7V/kPa。
实施例3
一种压电传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
导电材料：导电尼龙；
压电材料：聚偏氟乙烯-三氟乙烯；
(2)将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成直径为2mm的具有并列结构的线材，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构，然后进行层层堆叠，制得压电传感器；
其中，D打印机包括送丝装置A、送丝装置B、内流道A、内流道B、两个加热块和一个喷嘴；内流道A和内流道B分别穿过一个加热块穿入喷嘴内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A输送至内流道A内；压电材料以线材的形态由送丝装置B输送至内流道B内；
如图7所示，层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为锯齿型；层与层之间的堆叠方式为并列叠加。
制得的压电传感器的孔隙率为22％，压电传感器的结构为柱状结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为3.9V/kPa，在水平方向的灵敏度为3.1V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为3.7V/kPa。
实施例4
一种压电传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
导电材料：导电热塑性聚氨酯；
压电材料：左旋聚乳酸；
(2)将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成直径为1mm的具有并列结构的线材，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构，然后进行层层堆叠，制得压电传感器；
其中，D打印机包括送丝装置A、送丝装置B、内流道A、内流道B、两个加热块和一个喷嘴；内流道A和内流道B分别穿过一个加热块穿入喷嘴内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A输送至内流道A内；压电材料以线材的形态由送丝装置B输送至内流道B内；
如图7所示，层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为方波形；如图9所示，层与层之间的堆叠方式为错位叠加。
制得的压电传感器的孔隙率为18％，压电传感器的结构为圆台型结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为4.6V/kPa，在水平方向的灵敏度为4.2V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为3.9V/kPa。
实施例5
一种压电传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
导电材料：导电聚乳酸；
压电材料：聚偏氟乙烯-三氟乙烯；
(2)将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成直径为1mm的具有并列结构的线材，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构，然后进行层层堆叠，制得压电传感器；
其中，D打印机包括送丝装置A、送丝装置B、内流道A、内流道B、两个加热块和一个喷嘴；内流道A和内流道B分别穿过一个加热块穿入喷嘴内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A输送至内流道A内；压电材料以线材的形态由送丝装置B输送至内流道B内；
如图7所示，层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为圆弧形；层与层之间的堆叠方式为错位叠加。
制得的压电传感器的孔隙率为21％，压电传感器的结构为拱桥状结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为4.8V/kPa，在水平方向的灵敏度为4.1V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为3.9V/kPa。
实施例6
一种压电传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
导电材料：导电尼龙；
压电材料：左旋聚乳酸；
(2)将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成直径为2mm的具有并列结构的线材，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构，然后进行层层堆叠，制得压电传感器；
其中，D打印机包括送丝装置A、送丝装置B、内流道A、内流道B、两个加热块和一个喷嘴；内流道A和内流道B分别穿过一个加热块穿入喷嘴内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A输送至内流道A内；压电材料以线材的形态由送丝装置B输送至内流道B内；
层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为圆弧形；层与层之间的堆叠方式为错位叠加。
制得的压电传感器的孔隙率为24％，压电传感器的结构为拱桥状结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为5.2V/kPa，在水平方向的灵敏度为4.5V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为4.4V/kPa。
实施例7
一种压电传感器的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于直线型打印路径的填充角度为90°，如图8所示。
制得的压电传感器的孔隙率为18％，压电传感器的结构为平面结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为1.5V/kPa，在水平方向的灵敏度为1.4V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.2V/kPa。
实施例8
一种压电传感器的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于直线型打印路径的填充角度为45°，如图8所示。
制得的压电传感器的孔隙率为20％，压电传感器的结构为平面结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为1.6V/kPa，在水平方向的灵敏度为1.5V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.3V/kPa。
实施例9
一种压电传感器的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于直线型打印路径的填充角度为0/90°，如图8所示。
制得的压电传感器的孔隙率为13％，压电传感器的结构为平面结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为2.1V/kPa，在水平方向的灵敏度为1.8V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.5V/kPa。
实施例10
一种压电传感器的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于直线型打印路径的填充角度为±45°，如图8所示。
制得的压电传感器的孔隙率为14％，压电传感器的结构为平面结构；压电传感器在垂直方向的灵敏度为2.3V/kPa，在水平方向的灵敏度为1.7V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.6V/kPa。
Claims (6)
1.一种压电传感器的制备方法，其特征在于，将导电材料和压电材料经不同流道分别输送至3D打印机的同一喷嘴，两种材料在挤出前相遇形成具有并列结构的线材后进行层层堆叠制得压电传感器；导电材料为导电热塑性聚氨酯、导电聚乳酸或导电尼龙；压电材料为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯或左旋聚乳酸；层层堆叠过程中，同一层中具有并列结构的线材的打印路径为直线型、蜂窝型、锯齿型、方波形或圆弧形，直线型打印路径的填充角度为0°、90°、45°、0/90°和±45°；层与层之间的堆叠方式为并列叠加或错位叠加；压电传感器在垂直方向的灵敏度为1.3~5.3V/kPa，在水平方向的灵敏度为1.2~4.8V/kPa，在斜向上45°方向的灵敏度为1.0~4.5V/kPa。
2.根据权利要求1所述的一种压电传感器的制备方法，其特征在于，3D打印机包括送丝装置A（1）、送丝装置B（2）、内流道A（3）、内流道B（4）、两个加热块（5）和一个喷嘴（6）；
内流道A（3）和内流道B（4）分别穿过一个加热块（5）穿入喷嘴（6）内汇合；导电材料以线材的形态由送丝装置A（1）输送至内流道A（3）内；压电材料以线材的形态由送丝装置B（2）输送至内流道B（4）内。
3.根据权利要求1所述的一种压电传感器的制备方法，其特征在于，具有并列结构的线材的横截面呈圆形，并列结构为对称结构。
4.根据权利要求3所述的一种压电传感器的制备方法，其特征在于，具有并列结构的线材的直径为0.6~2mm。
5.根据权利要求1所述的一种压电传感器的制备方法，其特征在于，压电传感器的孔隙率不高于40%；压电传感器的结构为平面结构、金字塔型结构、柱状结构、圆台型结构或拱桥状结构。
6.一种压电传感器，其特征在于，采用如权利要求1~5任一项所述的制备方法制得。
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