[实用新型]一种基于MFC无铅压电技术的贴片式力传感元件

说明书

本实用新型提供一种基于MFC无铅压电技术的贴片式力传感元件，根据MFC元件工作模式的不同，可对待测面上的压应力及拉应力进行有效检测，同时确定应力的方向。本实用新型采用无铅压电材料制作核心传感元件，具有绿色环保、健康无毒的特点，在人体健康检测、人造组织等生物医学领域具有更广的适用性及安全性。

技术领域

本实用新型属于MFC压电材料及压电传感技术领域，具体涉及一种采用MFC无铅压电技术的贴片式力传感元件。

背景技术

压电材料因其性能上的特殊优势在航空航天等领域中得到了广泛应用。压电陶瓷作为发现较早的压电智能材料，其研究较为成熟，为了弥补其材料脆性大、不易加工的缺陷，可通过材料复合的方法，将压电陶瓷制成纤维并与聚合物基质复合，制成压电陶瓷纤维复合材料（Macro Fiber Composite, MFC）。MFC压电纤维材料既保留了原有压电材料灵敏度高、频响高的优点，又大大改善了压电陶瓷脆性大、柔软性差的缺点，且纤维材料具有方向性，更适合于各向异性的应力波检测。

在现有技术中，MFC中的压电纤维都是采用锆钛酸铅（PZT）基压电材料制造的，锆钛酸铅材料中铅元素占比将近70％，而含铅材料在生产、使用以及废弃处理过程中都会严重损害人类健康和生态环境。另外，MFC材料具有很强的方向性，其主要形变发生在沿陶瓷纤维长度方向，因而无法对应力的方向进行良好的判断。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供一种基于MFC无铅压电技术的贴片式力传感元件，根据MFC元件工作模式的不同，可对待测面上的压应力及拉应力进行有效检测，同时确定应力的方向。

一种基于MFC无铅压电技术的贴片式力传感元件，包括用于承载的有机膜片，还包括：

MFC单片元件，所述MFC单片元件为无铅压电陶瓷纤维复合材料，其中无铅压电陶瓷材料为铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，所述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷中铌酸钾钠及其掺杂改性材料的摩尔含量为55~100%，其中铌元素的重量百分比为40~70%。

进一步地，所述MFC单片元件中无铅压电陶瓷纤维沿MFC元件的长度方向平行排列。

进一步地，所述MFC单片元件采用d33或d31工作模式，其中，d33模式主要用于拉应力检测，d31模式主要用于压应力检测；根据待测应力的类型，MFC元件可选择d33或d31两种不同的工作模式，或是将其组合使用。

进一步地，所述MFC单片元件的数量为（2n+1）个，其中n为正整数，至少为3个。

进一步地，所述MFC单片元件采用正三角形排布方式，也就是说，相邻3个MFC单片元件可构成一个正三角形，多个正三角形组成正三角形网格；其中，每一个正三角形作为一个检测单元，通过互成60°的三个MFC单片元件进行应力检测，其检测机理如下：根据检测单元中每个MFC单片元件上的绝对应力值，同时可以得到三个MFC元件间的相对应力大小；由于每个MFC元件基本只在长度方向上发生显著形变，可认为单个MFC元件所受的力即为待测应力在该方向上的分力；综合三处MFC元件的受力情况，即可得到待测应力的矢量信息，包括待测应力的大小及方向。

集极区，用于将各MFC单片元件的电极进行集成，并与有机膜片上的对应电极相连接。

与现有技术相比，本方案采用多个MFC单片元件并将之排列为正三角形阵列，可以有效实现对待测面上的应力大小及方向的检测，进一步地，通过多检测单元的组合，可以实现对应力分布状态的确定。同时，本实用新型提供的力传感元件使用铌酸钾钠基无铅压电陶瓷制作压电陶瓷纤维，相较于现有含铅材料，铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有绿色环保、健康无毒的特点，能够有效减少含铅元件在使用和废弃过程中带来的健康和环境问题，同时也使该传感元件在人体健康检测、人造组织等生物医学领域具有更广的适用性及安全性。

附图说明

图1为本实用新型提供的力传感元件的结构示意图。