CN116782743A - 一种柔性压电传感器及其制备方法、脉搏波检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性压电传感器及其制备方法、脉搏波检测方法，涉及压电传感器技术领域。本发明提供的柔性压电传感器包括：柔性压电薄膜层；涂敷在柔性压电薄膜层上下表面的电极层；设置在涂敷有电极层的柔性压电薄膜层表面的柔性聚合物薄膜层。其制备方法包括：制备表面具有微纳米结构的柔性聚合物薄膜；将柔性聚合物薄膜贴敷于表面具有电极层的柔性压电薄膜表面，得到柔性压电传感器。本发明提供的柔性压电传感器使用表面具有微纳米结构的柔性聚合物薄膜层，以在柔性压电薄膜层表面产生非均匀压力，使得柔性压电薄膜层在压力作用下不仅能够产生压电效应，还能够产生挠曲电效应，从而能够更精确地检测到微弱的压力信号，提高柔性压电传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及压电传感器技术领域，尤其是指一种柔性压电传感器及其制备方法、基于柔性压电传感器的脉搏波检测方法。
背景技术
随着5G通讯技术和人工智能技术的成熟，柔性可穿戴光电子设备的发展也受到了广泛关注。在医学领域，利用柔性可穿戴光电子设备对人体生理信号进行连续不间断地非侵入式监测是实现疾病预防和早期诊断的重要途径。为了满足人们对柔性可穿戴光电子设备的需求，已经开发了基于各种原理的柔性压力传感器，例如压阻型、压容型、压电型和摩擦电型柔性压力传感器。其中，压电型柔性压力传感器由于具有体积小、无功耗、信号易采集等优点而备受关注。聚偏氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)及其共聚物和共混物是设计和制备柔性压电传感器的重要材料之一，其具有柔韧性好、生物相容性强、质量轻、寿命长等优点。目前商业化的PVDF基柔性压电薄膜的压电电荷常数d33和压电电压常数g33通常分别为-20pC/N和100mV·m/N左右甚至更低。其相对较低的力-电能量转化效率为柔性压电传感器的制备和应用带来了一定困难。比如在柔性压电传感器应用于脉搏波的检测时，低灵敏度的柔性压电传感器很难检测到脉搏波的微弱压力信号。
现有技术中，为了提高柔性压电传感器的灵敏度往往有两种方法，一种是利用可充气的气囊袋对PVDF基柔性压电传感器施加静态压力，通过外加压力提高PVDF基柔性压电传感器的输出信号，例如申请公布号为CN114073507A和申请公布号为CN109222918A的发明专利就采用了这种方法。但是，通过气囊袋加压不仅会降低柔性压电传感器使用的舒适度，而且无法进行长期的连续检测。另一种是将PVDF基柔性压电传感器的输出信号通过外置或内置放大电路进行放大。但是，引入外置或内置电路会放大噪音信号，还需要对噪音信号进行处理，另一方面也会增大信号采集装置的体积和功耗。
综上所述，现有柔性压电传感器在提高其灵敏度时需要利用可充气的气囊袋或引入外置或内置电路，一方面会影响柔性压电传感器的使用，另一方面也会增大信号采集装置的体积和功耗。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的柔性压电传感器需要其他辅助装置提高其灵敏度，导致柔性压电传感器体积和功耗增大以及使用不方便的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性压电传感器，包括：
柔性压电薄膜层；
电极层，涂敷在所述柔性压电薄膜层的上下表面；
柔性聚合物薄膜层，设置于涂敷有电极层的柔性压电薄膜层的上表面或下表面；
其中，所述柔性聚合物薄膜层表面具有微纳米结构。
在本发明的一个实施例中，所述微纳米结构的形状包括但不限于金字塔形、圆锥形、圆柱形。
在本发明的一个实施例中，所述柔性压电薄膜层的材质为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯、三氟乙烯、三氟氯乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯的共聚物，聚偏氟乙烯及其共聚物，无机材料或有机材料的共混物中的一种或几种。
在本发明的一个实施例中，所述电极层的材质为导电金属或导电聚合物。
在本发明的一个实施例中，所述导电金属包括但不限于铝、铜、金、银、铂；所述导电聚合物包括但不限于聚苯胺、聚噻吩。
在本发明的一个实施例中，还包括封装层，对所述电极层和所述柔性聚合物薄膜层进行封装，用于保护所述柔性压电传感器。
本发明还提供了一种柔性压电传感器制备方法，所述方法用于制备上述的柔性压电传感器，包括：
在柔性压电薄膜上下表面涂敷电极层；
制备表面具有微纳米结构的柔性聚合物薄膜；
将所述柔性聚合物薄膜贴敷于表面涂敷有电极层的柔性压电薄膜的上表面或下表面，得到柔性压电传感器。
在本发明的一个实施例中，所述微纳米结构的制备方法包括光刻、雕刻或模版复制。
在本发明的一个实施例中，还包括对所述柔性压电传感器进行封装，以防止所述柔性压电薄膜层与所述柔性聚合物薄膜层分离。
本发明还提供了一种基于上述柔性压电传感器的脉搏波检测方法，包括：
将柔性压电传感器黏贴于手臂动脉处；
柔性压电薄膜层检测到脉搏变化产生的压力，并基于压电效应在电极层表面产生第一电荷变化信号；
柔性聚合物薄膜层检测到脉搏变化产生的压力，并利用其表面的微纳米结构将所述压力转化为非均匀压力作用于所述柔性压电薄膜层表面；
所述柔性压电薄膜层检测到所述非均匀压力，并基于挠曲电效应在所述电极层表面产生第二电荷变化信号；
所述电极层将所述第一电荷变化信号和所述第二电荷变化信号转化为电信号作为所述柔性压电传感器的输出；
所述柔性压电传感器的输出即为脉搏波检测结果。
本发明提供的柔性压电传感器包括：柔性压电薄膜层，为柔性压电传感器提供压电效应；电极层，涂敷于柔性压电薄膜层上下表面；柔性聚合物薄膜层，设置于涂敷有电极层的柔性压电薄膜层的上表面或下表面，其表面具有微纳米结构，可以在柔性压电薄膜层表面产生非均匀压力，以便为柔性压电传感器提供挠曲电效应。使用表面具有微纳米结构的柔性聚合物薄膜层，使柔性压电薄膜层在压力作用下不仅能产生压电效应，还能产生挠曲电效应，使得柔性压电传感器能够更精确地检测到微弱的压力信号，不需要其他辅助装置提高其灵敏度。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明提供的柔性压电传感器结构示意图；
图2是本发明提供的柔性压电传感器制备方法流程图；
图3是本发明提供的基于柔性压电传感器的脉搏波检测方法流程图；
图4是本发明提供的几种柔性压电传感器压电电荷常数对比示意图；
图5是本发明提供的几种柔性压电传感器灵敏度对比示意图；
图6是本发明提供的一种使用柔性压电传感器检测脉搏波的结果示意图；
图7是本发明提供的另一种使用柔性压电传感器检测脉搏波的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
压电效应是指晶体结构具有非中心对称性的电介质材料由应力或应变引起的一种极化现象，薄膜表面的电极化强度Pi通常定义为：
Pi＝dijkσjk，
其中，dijk为压电电荷系数，σjk为应力。
与压电效应不同，挠曲电效应是指由应力或应变梯度引起的一种极化现象，普遍存在于所有电介质材料中。挠曲电效应通常定义为：
其中，μijkl为挠曲电系数，为应变梯度。
因此，如果压电材料受到的应力为非均匀应力，在压电材料中产生应力梯度，其表观压电效应可以表达为：
基于此，本申请实施例提供了一种柔性压电传感器。
实施例1：
如图1所示为本发明提供的柔性压电传感器结构示意图，包括：
柔性压电薄膜层1；
电极层2，涂敷在柔性压电薄膜层1的上下表面；
柔性聚合物薄膜层3，设置在涂敷有电极层2的柔性压电薄膜层1的上表面或下表面。
具体地，柔性聚合物薄膜层3表面具有微纳米结构，用于在柔性聚合物薄膜层检测到压力时，利用其表面的微纳米结构将该压力转化为非均匀压力，并作用于柔性压电薄膜层1表面。
在一些实施例中，柔性压电薄膜层1的材质可以是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯、三氟乙烯、三氟氯乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯的共聚物，聚偏氟乙烯及其共聚物，无机材料或有机材料的共混物中的一种或几种。
这是因为聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物和共混物是设计和制备柔性压电传感器的重要材料之一，其具有柔韧性好、生物相容性强、质量轻和寿命长的优点。
可选地，电极层2的材质可以为导电金属或导电聚合物，以便电极层2能够收集柔性压电薄膜层1表面的电荷并将该电荷转化为电信号作为柔性压电传感器的输出。
其中，导电金属可以是铝、铜、金、银、铂等；导电聚合物可以是聚苯胺、聚噻吩等。
可选地，该微纳米结构的形状可以是金字塔形、圆锥形、圆柱形或其他，以在柔性压电薄膜层1表面产生非均匀压力。
在一些实施例中，柔性压电传感器还包括封装层4，对电极层2和柔性聚合物薄膜层3进行封装，以防止柔性压电薄膜层1、电极层2和柔性聚合物薄膜层3分离产生杂波信号。
本实施例提供的柔性压电传感器使用表面具有微纳米结构的柔性聚合物薄膜，在检测到压力时在柔性压电薄膜表面产生了非均匀压力，以使柔性压电薄膜在原有的压电效应基础上叠加了挠曲电效应，使得柔性压电传感器能够检测到微弱的压力信号，不需要借助其他辅助装置即可提高其灵敏度，且相比借助辅助装置提高灵敏度的柔性压电传感器来说，本实施例提供的柔性压电传感器体积小巧，使用方便且舒适。
实施例2：
基于上述实施例1提供的柔性压电传感器，本申请实施例还提供了一种柔性压电传感器制备方法，如图2所示，包括：
S1：在柔性压电薄膜上下表面涂敷电极层。
S2：制备表面具有微纳米结构的柔性聚合物薄膜。
S3：将柔性聚合物薄膜贴敷于表面涂敷有电极层的柔性压电薄膜的上表面或下表面，得到柔性压电传感器。
在一些实施例中，微纳米结构的制备方法包括光刻、雕刻或模版复制。
可选地，还包括对柔性压电传感器进行封装，以防止柔性压电薄膜与柔性聚合物薄膜分离产生杂波信号。
实施例3：
基于上述实施例1提供的柔性压电传感器，本申请实施例还提供了一种基于柔性压电传感器的脉搏波检测方法，如图3所示，包括：
S10：将柔性压电传感器黏贴于手臂动脉处。
S20：柔性压电薄膜层检测到脉搏变化产生的压力，并基于压电效应在电极层表面产生第一电荷变化信号。
S30：柔性聚合物薄膜层检测到脉搏变化产生的压力，并利用其表面的微纳米结构将该压力转化为非均匀压力作用于柔性压电薄膜层表面。
S40：柔性压电薄膜层检测到非均匀压力，并基于挠曲电效应在电极层表面产生第二电荷变化信号。
S50：电极层将第一电荷变化信号和第二电荷变化信号转化为电信号作为柔性压电传感器的输出。
S60：将柔性压电传感器的输出作为脉搏波检测结果。
脉搏波的压力信号相对比较微弱，因此使用现有的柔性压电传感器很难进行精确检测，而通过充气气囊加压提高柔性压电传感器灵敏度的方法会降低柔性压电传感器检测脉搏波信号时的佩戴舒适度，基于此，本申请实施例提供的基于柔性压电传感器的脉搏波检测方法在进行脉搏波检测时，既产生压电效应，又产生挠曲电效应，能够更精确地检测到脉搏波信号，且无需外加辅助装置，使用时更加舒适便捷。
实施例4：
基于上述实施例，本实施例提供了一种现有的柔性压电传感器以及四种不同的具有柔性聚合物薄膜的柔性压电传感器，并分别测量了其压电电荷常数和灵敏度。
柔性压电传感器P0：采用厚度为28μm，表面具有金电极的PVDF基柔性压电薄膜，并用热塑性聚氨酯(TPU)胶带对其进行封装。
利用压电系数测量仪测得其压电电荷常数为-19.6pC/N,灵敏度为2.8mV/kPa。
柔性压电传感器P1：利用模版复制法制得表面具有微纳米结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，将其贴敷于表面具有金电极的PVDF基柔性压电薄膜表面，并使用TPU胶带对其进行封装。
其中，该微纳米结构为一维光栅结构，光栅结构的重复周期为23μm，光栅高度为2.7μm。
利用压电系数测量仪测得其压电电荷常数为-22pC/N,灵敏度为3.6mV/kPa。
柔性压电传感器P2：用模版复制法制得表面具有微纳米结构的PDMS薄膜，将其贴敷于表面具有金电极的PVDF基柔性压电薄膜表面，并使用TPU胶带对其进行封装。
其中，该微纳米结构为一维光栅结构，光栅结构的重复周期为17μm，光栅高度为2.7μm。
利用压电系数测量仪测得其压电电荷常数为-24pC/N,灵敏度为4.0mV/kPa。
柔性压电传感器P3：用模版复制法制得表面具有微纳米结构的PDMS薄膜，将其贴敷于表面具有金电极的PVDF基柔性压电薄膜表面，并使用TPU胶带对其进行封装。
其中，该微纳米结构为一维光栅结构，光栅结构的重复周期为14μm，光栅高度为2.7μm。
利用压电系数测量仪测得其压电电荷常数为-26.7pC/N,灵敏度为4.8mV/kPa。
柔性压电传感器P4：用模版复制法制得表面具有微纳米结构的PDMS薄膜，将其贴敷于表面具有金电极的PVDF基柔性压电薄膜表面，并使用TPU胶带对其进行封装。
其中，该微纳米结构为一维光栅结构，光栅结构的重复周期为12μm，光栅高度为2.7μm。
利用压电系数测量仪测得其压电电荷常数为-29.0pC/N,灵敏度为5.6mV/kPa。
如图4所示为本实施例提供的柔性压电传感器P0、P1、P2、P3、P4的压电电荷常数d33对比示意图；如图5所示为本实施例提供的柔性压电传感器P0、P1、P2、P3、P4的灵敏度对比示意图。
可以看出，在PVDF基柔性压电薄膜上增加表面具有微纳米结构的柔性有机聚合物薄膜层能够有效提高该柔性压电传感器的压电性能和灵敏度。
如图6所示为本实施例使用柔性压电传感器P0黏贴在手臂动脉处检测脉搏波时的测量结果。
如图7所示为本实施例使用柔性压电传感器P4黏贴在手臂动脉处检测脉搏波时的测量结果。
从图中可以看出，本申请提供的柔性压电传感器在进行脉搏波检测时能够有效提高信噪比，获取高精度的脉搏波信号。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种柔性压电传感器，其特征在于，包括：
柔性压电薄膜层；
电极层，涂敷在所述柔性压电薄膜层上下表面；
柔性聚合物薄膜层，设置于涂敷有电极层的柔性压电薄膜层的上表面或下表面；
其中，所述柔性聚合物薄膜层表面具有微纳米结构。
2.根据权利要求1所述的柔性压电传感器，其特征在于，所述微纳米结构的形状包括但不限于金字塔形、圆锥形、圆柱形。
3.根据权利要求1所述的柔性压电传感器，其特征在于，所述柔性压电薄膜层的材质为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯、三氟乙烯、三氟氯乙烯、六氟丙烯、四氟乙烯的共聚物，聚偏氟乙烯及其共聚物，无机材料或有机材料的共混物中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的柔性压电传感器，其特征在于，所述电极层的材质为导电金属或导电聚合物。
5.根据权利要求4所述的柔性压电传感器，其特征在于，所述导电金属包括但不限于铝、铜、金、银、铂；所述导电聚合物包括但不限于聚苯胺、聚噻吩。
6.根据权利要求1所述的柔性压电传感器，其特征在于，还包括封装层，对所述电极层和所述柔性聚合物薄膜层进行封装，用于保护所述柔性压电传感器。
7.一种柔性压电传感器制备方法，所述方法用于制备如权利要求1-6任一项所述的柔性压电传感器，其特征在于，包括：
在柔性压电薄膜上下表面涂敷电极层；
制备表面具有微纳米结构的柔性聚合物薄膜；
将所述柔性聚合物薄膜贴敷于表面涂敷有电极层的柔性压电薄膜的上表面或下表面，得到柔性压电传感器。
8.根据权利要求7所述的柔性压电传感器制备方法，其特征在于，所述微纳米结构的制备方法包括光刻、雕刻或模版复制。
9.根据权利要求7所述的柔性压电传感器制备方法，其特征在于，还包括对所述柔性压电传感器进行封装，以防止所述柔性压电薄膜层与所述柔性聚合物薄膜层分离。
10.一种基于权利要求1-6任一项所述的柔性压电传感器的脉搏波检测方法，其特征在于，包括：
将柔性压电传感器黏贴于手臂动脉处；
柔性压电薄膜层检测到脉搏变化产生的压力，并基于压电效应在电极层表面产生第一电荷变化信号；
柔性聚合物薄膜层检测到脉搏变化产生的压力，并利用其表面的微纳米结构将所述压力转化为非均匀压力作用于所述柔性压电薄膜层表面；
所述柔性压电薄膜层检测到所述非均匀压力，并基于挠曲电效应在所述电极层表面产生第二电荷变化信号；
所述电极层将所述第一电荷变化信号和所述第二电荷变化信号转化为电信号作为所述柔性压电传感器的输出；
所述柔性压电传感器的输出即为脉搏波检测结果。
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2023
- 2023-05-11 CN CN202310526673.XA patent/CN116782743A/zh active Pending
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