[发明专利]柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法。

背景技术

聚偏氟乙烯(英文缩写为PVDF)是一种高结晶度的含氟聚合物，属于一种坚韧的热塑性工程塑料。经拉伸极化后的聚偏氟乙烯薄膜具有压电效应，聚偏氟乙烯薄膜的压电电压常数g几乎在所有压电材料中是最高的；聚偏氟乙烯压电薄膜的厚度可从20μm至200μm，质轻柔软，对结构的力学性能影响很小，与结构有着良好的兼容性；具有很宽的频率响应范围，能达到0.1Hz到几十MHz。聚偏氟乙烯压电薄膜传感器在工业自动化、仪器仪表、医疗电子、电声、水声、结构检测等领域有广阔的应用前景。

聚偏氟乙烯压电薄膜传感器的一般制作方法是将薄膜贴于平面结构上。如果基底是刚性结构，那么聚偏氟乙烯压电薄膜层工作在厚度应变模式，这种模式感应的压电电荷密度小；如果基底结构是柔性，那么聚偏氟乙烯压电薄膜在横向拉伸方向发生较大应变，这种拉伸模式感应的压电电荷密度大，测量微小力值时建议采用该拉伸模式。如中国农业机械化科学研究院机电技术应用研究所的周利明等发表在农业机械学报2010，41(6)的“联合收获机谷物损失测量PVDF阵列传感器设计与试验”文章中，是在铝合金基底和聚偏氟乙烯压电薄膜之间加入聚酯薄膜和橡胶阻尼层，有效增大传感器的形变，使输出信号增强。

在传感器应用中，环境温湿度、电缆噪声、接地回路等都对传感器引入噪声，在生物振动信息检测中体表温度和静电是较强的干扰源，这就要求提高传感器对于微弱力或振动的灵敏度。刚性基底上增加缓冲层的办法增加了制作工序。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有平面聚偏氟乙烯压电传感器灵敏度的不足，在不改变压电薄膜材料的机电耦合系数和压电常数的前提下，通过采用弧面、全柔性基底结构来放大压电薄膜层的应力和应变，在同样的待测载荷输入下，提高传感器的输出电压和提高传感器的灵敏度。

本发明采用的技术方案是一种柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器及制作方法，其特征是，用液体双组份硅胶制成具有弧面的柔性硅胶基底，在柔性硅胶基底的弧面上粘覆聚偏氟乙烯压电薄膜，在压电薄膜外表面覆盖硅胶保护层，制成柔性弧面聚偏氟乙烯传感器；具体制作方法如下：

第一步制作硅胶柔性基底

(1)按照灵敏度要求计算模具的曲率半径R，用不锈钢或塑料制作模具，模具为圆柱体或扇形体、曲率半径等于R，模具底部用玻璃板托住。

(2)将液体有机硅胶A组份搅拌均匀，将有机硅胶B组份在包装内摇匀，将A组份和B组份根据配比要求混合，充分搅拌均匀，将混合液体有机硅胶灌填到模具中，灌填高度比聚偏氟乙烯压电薄膜4的宽度大1mm。

(3)胶体在模具中凝胶6个小时后，在50℃条件下加温2个小时，凝固成型后脱模，按所需弦长和弧高切割形成柔性基底1，柔性基底1的曲率半径为R，准备传感器组装。

(4)操作时间的调整：可操作时间除了与产品配方有关之外还受温度影响，温度高则固化速度加快，操作时间相应缩短；温度低固化速度慢，操作时间相应地延长。通过改变B组份的使用量调整可操作时间，增大B组份的用量，可操作时间变短，减少用量则可操作时间延长。根据实际情况需要在±15％范围内调整。

第二步制作柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器

(1)裁剪所需尺寸和性能参数的聚偏氟乙烯压电薄膜4，聚偏氟乙烯压电薄膜4的上、下表面分别蒸镀上表面电极5和下表面电极3，铜质上电极贴片13压贴在上表面电极5的接触端，铜质下电极贴片11压贴在下表面电极3的接触端，上述组件全部用下绝缘防护层2和上绝缘防护层6包覆密封，为防止绝缘防护层2和上绝缘防护层6的贴合边缘剥离，用上电极铆钉7在上表面电极5的接触端位置将上电极贴片13与上电极压线端子12铆合，用下电极铆钉8在下表面电极3的接触端位置将下电极贴片11与下电极压线端子10铆合，上电极引线14焊接在上电极压线端子12上，下电极引线9焊接在下电极压线端子10上。也可以购买有绝缘防护层和电极引线的聚偏氟乙烯压电薄膜商品。

(2)用酒精清洗下绝缘防护层2，用酒精清洗柔性基底1的弧形表面，将绝缘防护好的聚偏氟乙烯压电薄膜4的拉伸方向沿弧长方向放置在柔性基底1的弧面上，用502快干胶将二者平整紧密地粘合在一起。

(3)在上绝缘防护层6的表面还可以喷涂或刷涂一薄层液体硅胶，固化后形成约0.2mm的硅胶保护层，起到保护传感器15、传递外力和隔离干扰的作用。完成柔性弧面聚偏氟乙烯压电传感器15的制作。