基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器及傳感壓力的方法
【專利摘要】一種基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器及傳感壓力的方法，該傳感器包括介電高彈聚合物薄膜夾層，分別粘接在其上下表面的柔性駐極體正、負電極，分別夾于柔性駐極體正、負電極與介電高彈聚合物薄膜并由介電高彈聚合物薄膜側(cè)面邊緣引出的導(dǎo)電跡線，上、下絕緣支撐環(huán)將多層薄膜組成的夾心結(jié)構(gòu)固定在其間；其傳感壓力的方法，利用分別帶有一定量正負電荷的柔性駐極體電極提供極化電場，介電彈性聚合物薄膜在外部壓力作用下發(fā)生曲面變形，電容隨之改變，通過測量正負電極的電壓可獲得外部壓力大?。槐景l(fā)明擺脫了傳統(tǒng)電容式傳感器空氣介電層帶來的厚度方向尺寸限制，可以通過調(diào)節(jié)駐極體電極和介電彈性聚合物薄膜的材料組合以適用于不同工作條件，具備高溫、高濕惡劣環(huán)境下工作的能力，具有能量損耗小、高度集成化、制備成本低的特點。
【專利說明】基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器及傳感壓力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器及傳感壓力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器技術(shù)作為獲取信息的主要途徑與手段，廣泛應(yīng)用于、國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的諸多領(lǐng)域。壓力傳感器作為一種通過薄膜接收外部氣體的壓力并將其轉(zhuǎn)換為電信號的原件，在許多工程領(lǐng)域的瞬變壓力測量中具有重要作用，如用于內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的實時壓力場、駐退機液體壓力、氣液式復(fù)進機氣液壓力、抽氣裝置壓力測試等。根據(jù)工作原理不同，壓力傳感器可分為壓電式、壓阻式和電容式三種。目前，利用硅體加工制備的壓阻式壓力傳感器具有頻率響應(yīng)高、精度高、靈敏度高等優(yōu)點，但受溫度影響較大、工藝復(fù)雜。以PVDF壓電薄膜為敏感材料制成的壓電式壓力傳感器具有易加工、工作頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點，但PVDF材料隨溫度升高會發(fā)生退極化。傳統(tǒng)電容式壓力傳感器利用敏感薄膜與平行電極組成平板電容，通過測量隨內(nèi)外壓差引起的變形而改變的電容來計算外界壓力大小，具有輸入能量小、靈敏度高、電學(xué)參量相對變化大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在一些惡劣工作環(huán)境領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，然而平板電容這一結(jié)構(gòu)形式限制了其應(yīng)用范圍。
[0003]介電高彈聚合物(DE)作為一種電場型電活性聚合物(EAP)，在外界電刺激下可以改變形狀或體積，產(chǎn)生很大的電致應(yīng)變(最大可達380%)，而當外界電刺激撤銷后，又能恢復(fù)到原始形狀或體積，具有機電轉(zhuǎn)換效率高、彈性能密度大、響應(yīng)速度快、質(zhì)量輕、價格低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動器和能量收集裝置。此外，由于介電高彈聚合物環(huán)境適應(yīng)性強、易于成形和不易疲勞損壞，是一種可用于傳感器設(shè)計的理想敏感材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有壓力傳感器的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器及傳感壓力的方法。本發(fā)明采用柔性電極層同彈性聚合物薄膜介電層復(fù)合的一體化夾心結(jié)構(gòu)，擺脫了傳統(tǒng)電容式傳感器空氣介電層帶來的厚度方向尺寸限制，可以通過調(diào)節(jié)駐極體電極和介電彈性聚合物薄膜的材料組合以適用于不同工作條件，具備高溫、高濕惡劣環(huán)境下工作的能力，具有能量損耗小、高度集成化、制備成本低的特點。
[0005]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0006]基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，包括介電高彈聚合物薄膜夾層2，分別粘接在介電高彈聚合物薄膜夾層2上下兩表面的柔性駐極體正電極I和柔性駐極體負電極3，夾于柔性駐極體正電極1、負電極3與介電高彈聚合物薄膜夾層2之間并由介電高彈聚合物薄膜夾層2側(cè)面邊緣弓I出的導(dǎo)電跡線6，所述導(dǎo)電跡線6為檢測介電高彈聚合物薄膜兩表面電壓提供接口，上絕緣支撐環(huán)4與下絕緣支撐環(huán)5通過外部卡榫501將多層薄膜組成的夾心結(jié)構(gòu)固定在其間。
[0007]所述介電高彈聚合物薄膜夾層2經(jīng)等雙軸預(yù)拉伸后在薄膜兩表面均勻敷100-200m的碳脂，柔性駐極體正電極I和柔性駐極體負電極3分別通過碳脂與介電高彈聚合物薄膜夾層2粘接形成多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)；上絕緣支撐環(huán)4與下絕緣支撐環(huán)5與多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)的接觸部分通過A-B膠粘接。
[0008]所述介電高彈聚合物薄膜夾層2采用硅橡膠、聚丙烯酸、聚氨酯或丙烯酸吡咯烷酮乙酯。
[0009]所述介電高彈聚合物薄膜夾層2，在壓力變化較慢的場合選擇聚丙烯酸，在溫度較高的場合選擇硅橡膠，在壓力較大的場合選擇丙烯酸吡咯烷酮乙酯，在油性工作場合選擇
聚氨酯。
[0010]所述柔性駐極體正電極I和柔性駐極體負電極3選用聚四氟乙烯PTFE或聚丙烯PP,并通過電暈充電法分別沖入等量正電荷和負電荷。
[0011]所述柔性駐極體正電極I和柔性駐極體負電極3，對于工作溫度較高的環(huán)境選擇聚四氟乙烯PTFE，對于濕度較大的環(huán)境選擇聚丙烯PP。
[0012]所述上絕 緣支撐環(huán)4和下絕緣支撐環(huán)5的材料采用陶瓷材料或采用金屬材料，但需經(jīng)絕緣處理。
[0013]所述導(dǎo)電跡線6采用可濺射或蒸鍍的金屬材料。
[0014]所述導(dǎo)電跡線6采用銀,跡線寬度5mm,厚度100m。
[0015]上述所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器傳感壓力的方法，利用駐極體能夠長期儲存電荷的特性，把柔性駐極體膜作為固定電荷的提供源，靜止狀態(tài)下，柔性駐極體正電極I內(nèi)部儲存正電荷Q+,而柔性駐極體負電極3內(nèi)部儲存等量負電荷Q_，從而在介電高彈聚合物薄膜夾層2厚度方向產(chǎn)生極化電場；介電高彈聚合物薄膜夾層2在外部極化電場作用下，內(nèi)部偶極子從無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，電子從一端電極流向另一端，其上下兩表面分別帶有等量異性電荷Q+和Q_，從而產(chǎn)生電勢差UfQ/Q，其中Q=Q+=Q^Ctl為介電高彈聚合物薄膜夾層2的等效電容；由于上下表面壓力相等，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)未發(fā)生變形，介
電高彈聚合物薄膜夾層2厚度均勻，則C0 = ε KR； /〃,,，ε、Rtl及Htl分別為介電高彈聚合物
薄膜夾層2的介電系數(shù)，半徑和厚度；在外部壓力作用下，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)上下表面的壓力差P使其發(fā)生曲面變形，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)向負壓力的一側(cè)鼓起，介電高彈聚合物薄膜夾層2的面積增大，厚度減小，而其材料特性保證了介電系數(shù)ε不隨形狀發(fā)生改變，此時，對應(yīng)于該形態(tài)介電高彈聚合物薄膜夾層2的等效電容變?yōu)镃1 ;而由于駐極體提供的電荷恒定，介電高彈聚合物薄膜夾層2表面所帶電荷不變，則其電勢差變?yōu)閁1=QziC1 ；由未變形狀態(tài)時Utl與Ctl的關(guān)系，C1可進一步表示為C1=CtlUcZU1 ;根據(jù)外部壓力與多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)變形而表現(xiàn)出的等效電容改變之間的關(guān)系，便可測得壓力差P。
[0016]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0017]I)不需要外部設(shè)備提供直流極化電壓，簡化了電路設(shè)計，有利于提高信噪比，減輕
重量;
[0018]2)降低了設(shè)備的功耗，減少了發(fā)熱量，有利于長時間工作；
[0019]3)減小了傳感器厚度方向的尺寸，采用柔性支撐環(huán)還可安裝于曲面上進行測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器爆炸圖。[0021]圖2為圖1的剖視圖。
[0022]圖3為本發(fā)明柔性壓力傳感器的多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)未變形時示意圖。
[0023]圖4為外部壓力作用下本發(fā)明柔性傳感器的多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)發(fā)生曲面變形示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0025]如圖1和圖2所示，本發(fā)明基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，包括介電高彈聚合物薄膜夾層2，分別粘接在介電高彈聚合物薄膜夾層2上下兩表面的柔性駐極體正電極I和柔性駐極體負電極3，夾于柔性駐極體正電極1、負電極3與介電高彈聚合物薄膜夾層2之間并由介電高彈聚合物薄膜夾層2側(cè)面邊緣引出的導(dǎo)電跡線6，所述導(dǎo)電跡線6為檢測介電高彈聚合物薄膜兩表面電壓提供接口，上絕緣支撐環(huán)4與下絕緣支撐環(huán)5通過外部卡榫501將多層薄膜組成的夾心結(jié)構(gòu)固定在其間。所述介電高彈聚合物薄膜夾層2經(jīng)等雙軸預(yù)拉伸后在薄膜兩表面均勻敷100-200m的碳脂，柔性駐極體正電極I和柔性駐極體負電極3分別通過碳脂與介電高彈聚合物薄膜夾層2粘接形成多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)；上絕緣支撐環(huán)4與下絕緣支撐環(huán)5與多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)的接觸部分通過A-B膠粘接。
[0026]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述介電高彈聚合物薄膜夾層2可采用硅橡膠、聚丙烯酸、聚氨酯或丙烯酸吡咯烷酮乙酯等；進一步的，在壓力變化較慢的場合選擇聚丙烯酸，在溫度較高的場合選擇硅橡膠，在壓力較大的場合選擇丙烯酸吡咯烷酮乙酯，在油性工作場合選擇聚氨酯。
[0027]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,所述柔性駐極體正電極I和柔性駐極體負電極3選用聚四氟乙烯PTFE或聚丙烯PP，并通過電暈充電法分別沖入等量正電荷和負電荷；進一步的，對于工作溫度較高的環(huán)境選擇聚四氟乙烯PTFE，對于濕度較大的環(huán)境選擇聚丙烯PP。
[0028]所述上絕緣支撐環(huán)4和下絕緣支撐環(huán)5優(yōu)選采用陶瓷材料，也可選用金屬材料，但需經(jīng)絕緣處理。
[0029]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述導(dǎo)電跡線6采用可濺射或蒸鍍的金屬材料；優(yōu)先選用銀，跡線寬度5mm，厚度100m。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器傳感壓力的方法:靜止狀態(tài)下，柔性駐極體正電極I內(nèi)部儲存正電荷Q+，而柔性駐極體負電極3內(nèi)部儲存等量負電荷GT，從而在介電高彈聚合物薄膜夾層2厚度方向產(chǎn)生極化電場；介電高彈聚合物薄膜夾層2在外部極化電場作用下，內(nèi)部偶極子從無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，電子從一端電極流向另一端，其上下兩表面分別帶有等量異性電荷Q+和Q—，從而產(chǎn)生電勢差UfQ/Q，其中Q=Q+=Q^Ctl為介電高彈聚合物薄膜夾層2的等效電容；由于上下表面壓力相等，多層薄膜夾
心結(jié)構(gòu)未發(fā)生變形，介電高彈聚合物薄膜夾層2厚度均勻，則Ci, 丨/'//?，ε、&及^分
別為介電高彈聚合物薄膜夾層2的介電系數(shù)，半徑和厚度。
[0031]如圖4所示，在外部壓力作用下，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)上下表面的壓力差P使其發(fā)生曲面變形，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)向負壓力的一側(cè)鼓起，介電高彈聚合物薄膜夾層2的面積增大，厚度減小，而其材料特性保證了介電系數(shù)ε不隨形狀發(fā)生改變，此時，對應(yīng)于該形態(tài)介電高彈聚合物薄膜夾層2的等效電容變?yōu)镃1 ;而由于駐極體提供的電荷恒定，介電高彈聚合物薄膜夾層2表面所帶電荷不變，則其電勢差變?yōu)閁1=QziC1 ；由未變形狀態(tài)時U0與Ctl的關(guān)系，C1可進一步表示為C1=CtlUcZU1 ;根據(jù)外部壓力與多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)變形而表現(xiàn)出的等效電容改變之間的關(guān)系，便可測得壓力差P。
[0032]進一步的，對應(yīng)于該形態(tài)介電高彈聚合物薄膜夾層2的等效電容C1與其切向應(yīng)變λ i和環(huán)向應(yīng)變λ 2具有如下關(guān)系:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:包括介電高彈聚合物薄膜夾層(2 )，分別粘接在介電高彈聚合物薄膜夾層(2 )上下兩表面的柔性駐極體正電極(I)和柔性駐極體負電極(3)，分別夾于柔性駐極體正電極(I)、負電極(3)與介電高彈聚合物薄膜夾層(2)并由介電高彈聚合物薄膜夾層(2)側(cè)面邊緣引出的導(dǎo)電跡線(6)，所述導(dǎo)電跡線(6)為檢測介電高彈聚合物薄膜兩表面電壓提供接口，上絕緣支撐環(huán)(4)與下絕緣支撐環(huán)(5)通過外部卡榫(501)將多層薄膜組成的夾心結(jié)構(gòu)固定在其間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述介電高彈聚合物薄膜夾層(2)經(jīng)等雙軸預(yù)拉伸后在薄膜兩表面均勻敷100-200m的碳脂，柔性駐極體正電極(I)和柔性駐極體負電極(3)分別通過碳脂與介電高彈聚合物薄膜夾層(2)粘接形成多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)；上絕緣支撐環(huán)(4)與下絕緣支撐環(huán)(5)與多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)的接觸部分通過A-B膠粘接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述介電高彈聚合物薄膜夾層(2)采用硅橡膠、聚丙烯酸、聚氨酯或丙烯酸吡咯烷酮乙酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述介電高彈聚合物薄膜夾層(2)，在壓力變化較慢的場合選擇聚丙烯酸，在溫度較高的場合選擇硅橡膠，在壓力較大的場合選擇丙烯酸吡咯烷酮乙酯，在油性工作場合選擇聚氨酯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述柔性駐極體正電極 (I)和柔性駐極體負電極(3)選用聚四氟乙烯PTFE或聚丙烯PP,并通過電暈充電法分別沖入等量正電荷和負電荷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述柔性駐極體正電極(I)和柔性駐極體負電極(3)，對于工作溫度較高的環(huán)境選擇聚四氟乙烯PTFE，對于濕度較大的環(huán)境選擇聚丙烯PP。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述上絕緣支撐環(huán)(4)和下絕緣支撐環(huán)(5)的材料采用陶瓷材料或采用金屬材料，但需經(jīng)絕緣處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述導(dǎo)電跡線(6)采用可濺射或蒸鍍的金屬材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，其特征在于:所述導(dǎo)電跡線(6)采用銀，跡線寬度5mm，厚度100m。
10.權(quán)利要求1至7任一項所述的基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器傳感壓力的方法，其特征在于: 利用駐極體能夠長期儲存電荷的特性，把柔性駐極體膜作為固定電荷的提供源，靜止狀態(tài)下，柔性駐極體正電極(I)內(nèi)部儲存正電荷Q+，而柔性駐極體負電極(3)內(nèi)部U儲存等量負電荷Q_，從而在介電高彈聚合物薄膜夾層(2)厚度方向產(chǎn)生極化電場； 介電高彈聚合物薄膜夾層(2)在外部極化電場作用下，內(nèi)部偶極子從無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，電子從一端電極流向另一端，其上下兩表面分別帶有等量異性電荷Q+和Q—，從而產(chǎn)生電勢差UfQ/Q，其中Q=Q+=Q_，C0為介電高彈聚合物薄膜夾層(2)的等效電容；由于上下表面壓力相等，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)未發(fā)生變形，介電高彈聚合物薄膜夾層(2)厚度均勻，則/He，ε、Rtl及Htl分別為介電高彈聚合物薄膜夾層(2)的介電系數(shù)，半徑和厚度； 在外部壓力作用下，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)上下表面的壓力差P使其發(fā)生曲面變形，多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)向負壓力的一側(cè)鼓起，介電高彈聚合物薄膜夾層(2)的面積增大，厚度減小，而其材料特性保證了介電系數(shù)ε不隨形狀發(fā)生改變，此時，對應(yīng)于該形態(tài)介電高彈聚合物薄膜夾層(2)的等效電容變?yōu)?；；而由于駐極體提供的電荷恒定，介電高彈聚合物薄膜夾層(2)表面所帶電荷不變，則其電勢差變?yōu)閁1=QziC1 ;由未變形狀態(tài)時U0與Ctl的關(guān)系，C1可進一步表示為C1=CtlUcZU1 ;根據(jù)外部壓力與多層薄膜夾心結(jié)構(gòu)變形而表現(xiàn)出的等效電容改變之間的關(guān)系，便可測得壓力差P。
【文檔編號】G01L9/12GK103954394SQ201410085214
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】賈坤 申請人:西安交通大學(xué)