[发明专利]一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器

说明书

本发明属于传感器技术领域，提供一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器。包括压电薄膜、柔性基底、绝缘保护层；压电薄膜传感器的柔性基底为半椭圆柱弧面结构，压电薄膜覆盖在柔性基底，并通过绝缘保护层将薄膜固定；根据柔性基底结构分为等弧长椭圆柔性基底传感器和等弦长椭圆柔性基底传感器两类。该压电薄膜传感器通过仿真计算不同尺寸参数的半椭圆柔性基底的压电薄膜传感器在受到同样的力作用下的输出电压来确定最优的柔性基底尺寸，即以输出电压的高低作为确定传感器柔性基底尺寸的依据。本发明具有更高的灵敏度，便于传感器的微型化和阵列化。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种椭圆柔性基底的聚偏氟乙烯压电薄膜传感器。

背景技术

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种新型高强度聚合物，发生拉压变形时可以感应出电荷，具有优异的压电性能；PVDF压电薄膜质地柔软，常见的厚度在20μm～200μm范围内，可根据需要制成任意形状，适用于做大规模的阵列化传感器；声阻抗系数低，与纯净水和人体肌肉的接近，与人体贴合性好，非常适合用于人体生理信号监测的传感器。PVDF压电薄膜传感器已广泛应用于工业自动化、仪器仪表、医疗电子、电声、水声、结构检测等领域。

PVDF压电薄膜非常柔软，当作为传感器的敏感材料时必须将其粘贴在基底上。基底分为刚性和柔性两种，当基底为刚性时薄膜不易产生形变，工作在厚度模式；而当基底为柔性时，薄膜可以产生较大的拉伸形变，因此一般选用柔性材料作为PVDF传感器的基底。从可穿戴传感器应用的角度考虑，聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为一种常见的柔性材料，生物兼容性好，在电子和医学领域应用广泛，是理想的柔性基底材料。

大量研究表明，曲面基底的PVDF压电传感器的灵敏度要高于平面基底PVDF压电传感器；ZL201110433976.4公开了基底曲率较大时PVDF压电传感器的灵敏度较高，但该专利的传感器基底只是单一曲率的半圆基底；暨南大学的卢威虎发表在测试科学与仪器2016，7(1)的“基于PVDF非均匀曲率半径结构的高灵敏度电子听诊器”文章中用三块曲率半径不同的硅胶拼接成一块曲面基底，这为传感器基底的制作带来了不便。

发明内容

本发明的主要目的是通过采用非均匀曲率的椭圆柔性基底来放大压电薄膜层的应力和应变，在不改变材料参数的前提下，提高曲面PVDF压电薄膜传感器的灵敏度。相较于常见的有平面基底、半圆基底，具有非均匀曲率的椭圆面柔性基底可以使得PVDF压电薄膜产生更大的形变，基于此本发明提供一种聚偏氟乙烯压电传感器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种椭圆柔性基底的压电薄膜传感器，所述的压电薄膜传感器包括压电薄膜1、柔性基底2、绝缘保护层3；压电薄膜传感器的柔性基底2为半椭圆柱弧面结构，压电薄膜1覆盖在柔性基底2上，并通过绝缘保护层3将薄膜固定，传感器结构示意图如图1所示。该压电薄膜传感器通过ANSYS仿真计算不同尺寸参数的半椭圆柔性基底的压电薄膜传感器在受到同样的力作用下的输出电压来确定最优的柔性基底2尺寸，即以输出电压的高低作为确定传感器柔性基底尺寸的依据。

所述的柔性基底2所用的材料为聚二甲基硅氧烷；所述的绝缘保护层3为环氧薄膜绝缘胶带。所述的压电薄膜1材质为聚偏氟乙烯。

所述的压电薄膜传感器根据柔性基底2结构分为等弧长椭圆柔性基底传感器和等弦长椭圆柔性基底传感器两类，结构介绍如下：

(1)等弧长椭圆柔性基底传感器中压电薄膜1长度一定(柔性基底2的弧长L固定)、柔性基底2的长轴可变。所述的柔性基底2的弧长L范围为2π～8πmm，其中，在最优尺寸下，椭圆弧长越短，传感器灵敏度越高，即传感器尺寸越小集中力作用下的电压灵敏度越高。

根据弧长L值确定柔性基底2轴长的步骤为：