[发明专利]一种基于压电效应的柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于压电效应的柔性应变传感器及其制备方法，属于电子器件技术领域。本发明针对具有曲折结构的柔性应变传感器，通过对信号输出的电极层进行二次图案化设计，实现相反应力区域地隔离，改善了器件中存在的应变抵消效应，提高区域面积内的有效应变水平，实现了器件在具备高拉伸率的同时，大幅提升器件的电学输出特性。

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种基于压电效应的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

作为柔性电子器件重要组成部分的柔性应变传感器，已广泛应用于智能电子、健康监控、工业生产、航空航天以及环境监控等领域，尤其是在医疗和健康监控等领域的应用正在引起人们越来越广泛的关注。柔性应变传感器可以将人体的形变信号转化为可视的电信号，在实现医疗目的的人机交互和医疗检测方面具有巨大的应用潜力。目前常见的应变传感器中将应变信号转化为电信号输出的传感转换方式主要有3种，分别为电容效应，压阻效应和压电效应。相比于电阻和电容信号，将压电信号作为检测信号具有独特优势，这主要表现在压电应变传感器基于应变产生输出电压或电流信号的原理，这就使得它不需要外部电源来维持工作状态，自供电特性能够减小传感器的尺寸，而且能提高传感器的可靠性。然而对于用于检测人体微小运动的压电应变传感器，其所能检测到的应变很小，如果要产生较强的电信号，就要求传感器具有较高的灵敏度，即所使用的压电材料具有较大的压电系数。但是许多具有高压电系数的压电材料，例如聚偏氟乙烯(PVDF)，其杨氏模量很高，这使得它们难以直接应用于制备柔性可延展应变传感器。因此，如果能将高杨氏模量、大压电系数的压电薄膜实现柔性化，既能保证传感器的灵敏度和响应速度，又可以实现与人体表面的良好贴合，将在电子皮肤等可穿戴电子设备方面具有巨大的应用潜力。

而目前将高杨氏模量薄膜柔性化的方法主要分为两种：一是通过引入预应变，从而使高模量材料发生形变，从而获得延展性；二是通过结构设计，对高杨氏模量薄膜进行图案化，从而使得其具有一定的延展性。显然，前一种引入应变的方式并不适宜应用于压电应变传感器的设计制备，而后一种方法能够较好的解决高模量压电材料柔性化的问题。最近关于柔性网络布局在柔性电子设备中的应用的研究就很好的证明了这一点，Hongjie Hu等(Hu H,Zhu X,Wang C,et al.Stretchable ultrasonic transducer arrays for three-dimensional imaging on complex surfaces[J].Science Advances,2018,4(3):eaar3979.)通过将蛇形线作为互联结构，成功构建出了拉伸率高达49％的产生换能器阵列；Zhenlong Huang等(Zhenlong Huang，Yifei Hao,，Yang Li,et al.Three-dimensionalintegrated stretchable electronics[J].Nature Electronic，2018，1,473–480.)也通过将蛇形线作为互联结构，在复杂电路中构建岛-桥结构，在垂直，水平和等双轴方向上分别实现了50％，35％和20％的拉伸性。