CN209689645U - 一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器。传感器由谐振器、柔性织物基底、纳米纤维组成。所述的纳米纤维固定结合于柔性织物基底上，且在柔性织物基底上以横纵交错的形式网状分布；网状的纳米纤维具有两个外接接头，其中一个接头与谐振器一端电连接，使谐振器及纳米纤维串联，另一个接头与谐振器另一端分别与外接触点相连。通过这种结构可以同时兼顾谐振器和吸附材料的优点，这对于实现同时提高传感器各种性能有重要的意义。
Description
技术领域
本实用新型属于微机电系统(MEMS)技术领域中的传感器领域，特别是涉及一种具有高柔性、高灵敏度的串联式柔性传感器。
背景技术
传感器能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出的器件。传统的传感器有着体积大、功耗高、不利于集成化等缺点，随着MEMS技术的发展，出现了多种类的MEMS传感器，其中谐振式MEMS传感器件因为其体积小，成本低，工作频率高，稳定性、灵敏度、分辨率高、温漂小、与集成电路更兼容等优点成为较热门的研究领域[1]。但器件在向着微型化发展的同时带来了负面影响，体积的减少导致覆盖的吸附材料层的面积减小，对水分子的吸附能力大大降低，进而导致传感器的灵敏度、精度等性能的下降，无法满足检测需求。目前大部分的谐振式传感器或谐振式柔性传感器的结构，大部分是直接将吸附材料层沉积到器件表面，由于吸附材料的解离效应，可能会将器件某些结构短路，且器件基底暴露在湿度环境下容易遭受腐蚀，影响其寿命及稳定性。因此现有的谐振式传感器仍有需要优化的地方。本实用新型所设计的一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，采用串联式结构，可以改善上述问题。真空封装的谐振器能够保持稳定，避免了外界影响或破坏以及吸附层与器件的相互作用，能有效提高其精度和寿命。这种结构将传感部分与谐振器相分隔，使两者不再相互制约，面积、柔性及兼容性等将不再受限，可以自由地设计传感部分的面积，结构等参数，避免了器件微型化引起的吸附面积减小的问题，也更容易满足使用需求。通过这种结构可以同时兼顾谐振器和吸附材料的优点，这对于实现同时提高传感器各种性能有重要的意义。
纳米材料是一种新兴的材料，具有许多优异的特性。以氧化石墨烯(GO)为例，作为石墨烯的衍生物，它与石墨烯一样拥有很大的比表面积，能有效增加吸附的气体分子数量，以此提高传感器的灵敏度及检测限。GO在具有很强的亲水性的同时，因为官能团的存在也导致其电导率变差，具有高阻特性[2]。而还原氧化石墨烯(RGO)材料是GO经过还原过程处理而获得的，通过控制还原过程的各个参数或进行元素掺杂等来控制还原程度及方向来调控RGO的性能。通过该方法制备的RGO可以改善GO的电导率同时保持较好的吸附能力。而将纳米材料制备成纤维则可以获得纳米纤维，其优点在于既能保持原材料的独特优点，又可以拥有纤维的优点，如高柔韧性，易于与织物结合等。
引用文献：
[1]Chia-Yen Lee and Gwo-Bin Lee,“Humidity Sensors:A Review,”SensorLetters Vol.3,1-14,2005
[2]G.Venugopal et al.,“An investigation of the electrical transportproperties of graphene-oxide thin films,”Materials Chemistry and Physics 1332(2012)29-33
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有谐振式传感器中存在的吸附面积小，难以实现柔性，寿命短等问题，并提供一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，它包括谐振器、纳米纤维和柔性织物基底；所述谐振器呈刚性，且具有真空封装；所述的纳米纤维固定结合于柔性织物基底上，且在柔性织物基底上以横纵交错的形式网状分布；网状的纳米纤维具有两个外接接头，其中一个接头与谐振器一端电连接，使谐振器及纳米纤维串联，另一个接头与谐振器另一端分别与外接触点相连。
作为优选，所述的谐振器采用压电谐振器或静电谐振器。
作为优选，所述的纳米纤维采用氧化石墨烯纤维、石墨烯纤维或碳纳米纤维。
作为优选，所述的柔性织物基底采用棉织物或麻织物。
作为优选，所述的纳米纤维通过编织方式固定于柔性织物基底上。
作为优选，所述的谐振器粘连固定于柔性织物基底上。
本实用新型的传感器工作原理是利用检测变量变化时纳米纤维的电学特性发生改变，进而引起与谐振器串联的整体电路的谐振频率的改变，来实现传感。
相对于现有技术而言，本实用新型的有益效果为：
本实用新型采用传感材料与谐振器相分离的结构，与传统的在谐振器上覆膜的结构相比，这种结构可以将谐振器真空封装，其状态能够保持稳定，不容易受到外界影响或破坏，也避免了吸附层与器件的相互作用，能够有效提高其精度和寿命。同时将传感部分与谐振器相分隔，使得传感部分的面积、柔性及兼容性等属性不再受谐振器的制约，避免了谐振器微型化引起的吸附面积减小等问题。通过这种结构可以同时兼顾谐振器和吸附材料的优点，这对于实现同时提高传感器各种性能有重要的意义。本实用新型通过分离传感材料与压电谐振器，有效提高了传感器的整体性能、寿命以及实现了柔性结构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明
图1是本实用新型中基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器的结构示意图；
图2是本实用新型中基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器的电学连接结构示意图；
图3是谐振器的等效电路图；
图4是基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器的等效电路图；
图中：谐振器1、纳米纤维2、柔性织物基底3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1～2所示，一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，其主要包括谐振器1、纳米纤维2和柔性织物基底3。谐振器1呈刚性，且具有真空封装结构，使得内部的电学特性不会随外界环境改变而改变。纳米纤维2固定结合于柔性织物基底3上，且在柔性织物基底3上以横纵交错的形式网状分布。纳米纤维2可以通过纺织技术与柔性织物基底3相结合，在本实施例中纳米纤维2是以井格状交错成网的，交错位置的两条纳米纤维2接触，因此柔性织物基底3上的所有纳米纤维2实际上形成了一个面状分布的整体。参见图2，这些网状的纳米纤维2具有两个外接接头，其中一个接头A与谐振器1一端电连接，使谐振器1及纳米纤维2形成串联结构。纳米纤维2的另一个接头B与谐振器1另一端C分别与外接触点相连，外部的检测装置能够通过这两个触点接收传感器的信号。传感器工作时，其工作原理是利用检测变量变化时纳米纤维的电学特性发生改变，进而引起与谐振器串联的整体电路的谐振频率的改变，来实现传感。
谐振器1可采用压电谐振器、静电谐振器等类型，根据需要进行选择，无类型或体积限制。虽然其结构呈刚性，但其体积远小于柔性织物基底3与纳米纤维2结合的面状结构，因此整个传感器总体还是呈柔性的。纳米纤维2采用氧化石墨烯纤维、石墨烯纤维或碳纳米纤维等类型，其传感特性与传感器类型相匹配，当待测变量变化时纳米纤维的电学特性也将改变。纳米纤维2需根据传感器用途进行选型，使用不同的纳米纤维2，传感器可作为湿度、气体或应力等传感器使用。柔性织物基底3可以采用棉织物或麻织物。谐振器1采用直接粘连的方式进行物理连接，固定于柔性织物基底3上。谐振器1可以如图1所示固定在柔性织物基底3的一个角落上，也可以固定在其他的中间位置，不做限定。
利用上述串联式柔性传感器进行环境变量传感时，可以将串联式柔性传感器的谐振器1和纳米纤维2暴露与待检测的环境中，利用真空封装保持谐振器1的等效参数不变，而纳米纤维的电学特性随检测的环境变量变化而变化，进而引起由谐振器1、纳米纤维2串联形成的整体电路的谐振频率改变，根据整体电路的谐振频率实现对环境变量的传感。
如图3～4所示，上述谐振器1的等效电路图为一个LCR震荡回路，由C0与串联的Ls、Cs、Rs组成，其中，C0是分流器(shunt)静态电容，Ls、Cs、Rs分别是动态(motional)自感应系数、动态动容及动态电阻。而纳米纤维2可以等效为电阻Re与电容Ce并联。因此该传感器可等效为这两部分串联，当检测的环境变量(例如湿度、应力)变化时，因为谐振器1被封装起来，其电学特性基本不会改变，因而等效参数也不变，变化的是相串联的纳米纤维2结构的等效参数，即Ce，Re，进而引起整体回路谐振频率F的改变。其公式如下：
其中，是由谐振器1所决定的传感器的基础工作频率。Y是放大电路的相位参数。Ge＝1/Re是纤维的并联等效电导率；纤维并联等效电容Ce＝kε+Cp，其中，ε为纤维介电常数，k为纤维电导常数，Cp为连接导线之间的寄生电容。
因此，根据整体电路的谐振频率与待检测环境变量之间的关系，就可以实现对环境变量的传感。
本实用新型所提出一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，通过分离谐振器与传感部分并改为串联结构，可以封装谐振器，提高其精度、寿命和稳定性，同时使两者不再相互制约，面积、柔性及兼容性等将不再受限，可以自由地设计传感部分的面积，结构等参数，避免了器件微型化引起的吸附面积减小的问题，也更容易满足使用需求。通过这种结构可以同时兼顾谐振器和吸附材料的优点，这对于实现同时提高传感器各种性能有重要的意义，而采用纳米纤维的优点则在于既能保持纳米材料的独特优点，又可以拥有纤维的高柔韧性，易于与织物结合等优势。
Claims (6)
1.一种基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，其特征在于：包括谐振器(1)、纳米纤维(2)和柔性织物基底(3)；所述谐振器(1)呈刚性，且具有真空封装；所述的纳米纤维(2)固定结合于柔性织物基底(3)上，且在柔性织物基底(3)上以横纵交错的形式网状分布；网状的纳米纤维(2)具有两个外接接头，其中一个接头(A)与谐振器(1)一端电连接，使谐振器(1)及纳米纤维(2)串联，另一个接头(B)与谐振器(1)另一端(C)分别与外接触点相连。
2.如权利要求1所述的基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，其特征在于：所述的谐振器(1)采用压电谐振器或静电谐振器。
3.如权利要求1所述的基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，其特征在于：所述的纳米纤维(2)采用氧化石墨烯纤维、石墨烯纤维或碳纳米纤维。
4.如权利要求1所述的基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，其特征在于：所述的柔性织物基底(3)采用棉织物或麻织物。
5.如权利要求1所述的基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，其特征在于：所述的纳米纤维(2)通过编织方式固定于柔性织物基底(3)上。
6.如权利要求1所述的基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器，其特征在于：所述的谐振器(1)粘连固定于柔性织物基底(3)上。
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| CN110186486A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-30 | 浙江大学 | 基于谐振器及纳米纤维的串联式柔性传感器及其方法 |
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2019
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