一种线状压电传感器及其制备方法

1.本发明属于传感器技术领域，涉及一种线状压电传感器。


背景技术：

2.随着物联网和智能织物的迅速发展，柔性电子作为物联网发展的关键节点，其逐渐在各个领域引起广泛关注。研制具有优异传感性能的新型传感织物在智能穿戴、医疗卫生、国防军工等领域具有重要的应用价值。然而，这些特殊应用也对柔性传感器提出了更高层次的要求，如高灵敏度、防水、耐高温、耐腐蚀、机械力学性能优异、信号串扰小、成本低廉、易于集成等等。
3.线状压电传感器能够将物理世界普遍存在的力学信号转变为易于传送和分析的电学信号，可通过传统的编织工艺集成于织物而形成智能织物，并且可以根据实际需求而形成传感器阵列，是非常有前景的一类传感器。但现有的线状压电传感器还存在制备工艺复杂、性能不理想的问题。
4.中国专利cn110987248a公开了一种柔性触觉传感器，包括相互导电连接的压电驻极体电缆传感单元和压电薄膜传感单元，所述的压电驻极体电缆传感单元包括从内到外依次同轴连接的芯电极、压电驻极体层和屏蔽层以及护套保护层，所述的压电薄膜传感单元包括纵向分布并依次连接的第一电极层、压电材料层和第二电极层，所述屏蔽层连接压电电缆接地引线，所述第一电极层连接压电薄膜第一电极引线，所述第二电极层连接压电薄膜第二电极引线。与现有技术相比，可同时测量正应力和切应力。但是，该专利中压电驻极体电缆压电层的孔洞尺寸具有随机性不可精准调控，选取极化好的压电驻极体薄膜剪切后双向螺旋缠绕在电缆芯电极上，这使得压电驻极体电缆的性能参数的控制不仅与压电膜的性能参数有关，而且强烈依赖于线缆制备工艺，给传感器性能的调控带来了巨大困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是提供一种制备工艺简单、性能优异的线状压电传感器。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种线状压电传感器，包括芯电极，以及依次套设于芯电极外的压电活性层、屏蔽层、护套层；
8.所述的压电活性层具有介电聚合物成型的多孔结构。
9.进一步地，所述的多孔结构包括套设于芯电极外的压电内层、嵌设于屏蔽层内的压电外层，以及多个间隔设于压电内层与压电外层之间的压电支撑件；
10.所述的多孔结构的孔道形成于压电内层、压电外层与压电支撑件之间。
11.进一步地，所述的孔道高度为芯电极当量直径的1.8～2.2倍。
12.进一步地，所述的介电聚合物为含氟聚合物、聚烯烃或聚酯中的一种。
13.进一步地，所述的介电聚合物为聚丙烯或氟化乙丙烯共聚物。
14.进一步地，所述的芯电极的材料为铝、铜或银中的一种，所述的屏蔽层的材料为
铝、铜或银中的一种。
15.进一步地，所述的护套层为聚酰亚胺护套或聚乙烯护套。
16.一种线状压电传感器的制备方法，包括以下步骤：
17.s1：将介电聚合物在芯电极外成型为多孔结构层；
18.s2：将导电材料在多孔结构层外成型为接地电极层，并作为屏蔽层；
19.s3：采用护套包裹屏蔽层，得到护套层；
20.s4：对多孔结构层充电，使其成为压电活性层，并得到线状压电传感器。
21.进一步地，所述的导电材料通过缠绕、涂覆或包裹的方式在多孔结构层外成型为接地电极层。
22.进一步地，所述的多孔结构层的成型方法包括：在芯电极外，将介电聚合物通过模具挤出后热拉伸。
23.本发明的线状压电传感器在径向方向受力时会产生电信号，并且其输出电信号的大小与受力大小有关，利用压电活性层的压电效应可以实现对环境以及人体力学信号的检测。本发明提供的线状压电传感器具有高灵敏度、优异电荷存储稳定性、自供电、自屏蔽、低成本等显著优点，因此在可穿戴设备及微能源采集器等领域具有广阔的应用前景。
24.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
25.本发明采用了多相结构材料来充当线状压电传感器的电活性层，不仅可以显著降低器件的柔韧性，而且能够增强压电活性，实现对不同大小力的敏感响应。将线状压电传感器编织于穿戴织物中，所编织出来的智能设备亲肤、透气、可水洗并且穿戴起来无异物感。
26.本发明中的线状压电传感器具有以下关键性能指标：(1)柔韧性高、结构简易、尺寸可控，这使得其极易编织；(2)线状压电传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、使用寿命长等突出特性。
27.相比于cn110987248a，本发明中线状压电传感器的压电层结构是将聚合物树脂熔融后通过特定模具挤出热拉伸得到的，制备工艺更加简易，通过不同形状的模具可以实现对压电层孔道结构尺寸的精准调控，制备适用于不同应用场景的线状压电传感器，制备完成后的线状传感器通过不同的极化方式可以实现电荷在压电层孔道内的规则排列，提高压电层的电荷存储稳定性。
附图说明
28.图1为本发明中一种圆形同轴结构的线状压电传感器的结构示意图；
29.图2为本发明中一种矩形同轴结构的线状压电传感器的结构示意图；
30.图3为本发明中一种线状压电传感器的立体结构示意图；
31.图4为本发明中一种线状压电传感器的断面图；
32.图5为实施例3中一种线状压电传感器在150℃下的电荷输出响应；
33.图中标记说明：
34.1-护套层、2-屏蔽层、3-压电活性层、4-芯电极。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
36.一种线状压电传感器，由四部分内外嵌套组成，从内到外依次为芯电极4、压电活性层3、屏蔽层2、护套层1；其中压电活性层3具有介电聚合物成型的多孔结构。
37.在一些具体的实施例中，线状压电传感器可以是如图1所示的圆形同轴结构，也可以是如图2所示的矩形同轴结构。
38.压电活性层3作为传感层，优选的具有规整的人工可控微结构，由多相结构材料至少2相组成，压电活性层力学特征为具有两不等的杨氏模量，电学特征为具有一定规则排列的电荷。
39.在一些具体的实施例中，多孔结构包括套设于芯电极4外的压电内层、嵌设于屏蔽层2内的压电外层，以及多个间隔设于压电内层与压电外层之间的压电支撑件；多孔结构的孔道形成于压电内层、压电外层与压电支撑件之间。
40.优选的，多个孔道沿周向间隔排布并环绕于压电内层、压电外层之间。更进一步优选的，多个孔道具有相同的形状结构。
41.在一些具体的实施例中，孔道高度为芯电极4当量直径的1.8～2.2倍。
42.在一些具体的实施例中，介电聚合物为含氟聚合物、聚烯烃或聚酯中的一种；并且优选的，介电聚合物为聚丙烯或氟化乙丙烯共聚物。
43.在一些具体的实施例中，芯电极4的材料为铝、铜或银中的一种，屏蔽层2的材料为铝、铜或银中的一种。
44.在一些具体的实施例中，护套层1用于保护整根线缆，可选用聚酰亚胺护套或聚乙烯护套。
45.一种线状压电传感器的制备方法，包括以下步骤：
46.s1：将介电聚合物在芯电极4外成型为多孔结构层；
47.具体的包括：在芯电极4外，将介电聚合物通过模具挤出后热拉伸成型为多孔结构层；其中多孔结构层优选为规则微孔结构层；
48.s2：将导电材料在多孔结构层外成型为接地电极层，并作为屏蔽层2；
49.具体的包括：将导电材料通过缠绕、涂覆或包裹的方式在多孔结构层外成型为接地电极层；
50.s3：采用护套包裹屏蔽层2，得到护套层1；
51.s4：对多孔结构层充电，使其成为压电活性层3，并得到线状压电传感器；
52.其中，充电方式包括：离子束充电、电晕注极、软x射线极化、电子束辐照、直流高压接触极化、摩擦生电等。
53.本发明的工作原理为：将线状压电传感器压电活性层3中的孔洞径向两个固体介质壁表面因极化而规则排布有表面电荷。线状压电传感器在受到外界力的作用时，压电活性层中规则孔洞结构会发生径向形变，引起电荷空间位置的改变，从而可以表现出压电性。
54.以下实施例以本发明上述技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
55.实施例1：
56.如图3、图4所示的一种线状压电传感器，具有圆形同轴结构，由四部分内外嵌套组成，从内到外依次为芯电极4、压电活性层3、屏蔽层2、护套层1；其中压电活性层3具有介电聚合物成型的多孔结构。
57.其中，多孔结构包括套设于芯电极4外的压电内层、嵌设于屏蔽层2内的压电外层，以及多个间隔设于压电内层与压电外层之间的压电支撑件；多孔结构的孔道形成于压电内层、压电外层与压电支撑件之间。
58.本实施例中，多个孔道具有相同的形状结构，并且沿周向间隔排布并环绕于压电内层、压电外层之间。
59.压电活性层3作为传感层，具有规整的人工可控微结构，由两相结构材料组成，压电活性层力学特征为具有两不等的杨氏模量，电学特征为具有一定规则排列的电荷。
60.本实施例中，压电活性层包括固相结构框架，以及填充于孔道中的空气相。固相结构框架由聚丙烯制成。
61.一种线状压电传感器的制备方法，包括以下步骤：
62.s1：选取导电材料铜作为芯电极4，芯电极直径为0.1mm，将聚丙烯熔融，通过模具挤出在芯电极4外围形成如图3所示的规则多孔结构层；具体的，规则多孔结构层中，孔道径向高度为0.2mm，压电内层、压电外层与压电支撑件厚度为0.05mm；
63.s2：选取金属铜丝制成接地电极作为屏蔽层2编织包裹在层外，屏蔽电极层厚25μm；
64.s3：采用聚乙烯护套包裹屏蔽层2，得到护套层1，保护整根电缆；
65.s4：在芯电极4于接地电极之间施加30kv/m的电场，持续1min，使其成为压电活性层3，并得到线状压电传感器。
66.将压电线缆编织进普通织物中，所编织出来的智能织物亲肤、透气、可水洗并且穿戴起来无异物感。
67.实施例2：
68.一种线状压电传感器，与实施例1相比区别仅在于：
69.1)选取镀银铜丝束作为芯电极4，芯电极直径为1mm，将氟化乙丙烯共聚物熔融，经过模具挤出和拉伸，从而在芯电极4外围形成规则微孔结构层；
70.2)选取金属银浆涂覆在氟化乙丙烯外层，形成接地电极2，同时作为屏蔽层，电极层厚10μm；
71.3)用聚酰亚胺护套1保护整根电缆；
72.4)芯电极和接地电极间施加40kv/m的电场，持续5min；
73.其余同实施例1。
74.实施例3：
75.一种线状压电传感器，与实施例1相比区别仅在于：
76.1)选取细铜丝束作为芯电极4，芯电极直径为0.2mm，将可溶性聚偏氟乙烯熔融，经过模具挤出和拉伸，从而在芯电极4外围形成规则微孔结构层；
77.2)选取细导电铜丝编织在可溶性聚偏氟乙烯外层，形成接地电极2，同时作为屏蔽层，电极层厚30μm；
78.3)用聚酰亚胺护套1保护整根电缆；
79.4)芯电极和接地电极间施加15kv/m的电场，持续10min；
80.其余同实施例1。
81.如图5所示，实施例3在150℃的环境下热老化24h后其压电性能基本不变，其具备
优异的抗热老化性能。
82.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种线状压电传感器，其特征在于，包括芯电极(4)，以及依次套设于芯电极(4)外的压电活性层(3)、屏蔽层(2)、护套层(1)；所述的压电活性层(3)具有介电聚合物成型的多孔结构。2.根据权利要求1所述的一种线状压电传感器，其特征在于，所述的多孔结构包括套设于芯电极(4)外的压电内层、嵌设于屏蔽层(2)内的压电外层，以及多个间隔设于压电内层与压电外层之间的压电支撑件；所述的多孔结构的孔道形成于压电内层、压电外层与压电支撑件之间。3.根据权利要求1所述的一种线状压电传感器，其特征在于，所述的孔道高度为芯电极(4)当量直径的1.8～2.2倍。4.根据权利要求1所述的一种线状压电传感器，其特征在于，所述的介电聚合物为含氟聚合物、聚烯烃或聚酯中的一种。5.根据权利要求4所述的一种线状压电传感器，其特征在于，所述的介电聚合物为聚丙烯或氟化乙丙烯共聚物。6.根据权利要求1所述的一种线状压电传感器，其特征在于，所述的芯电极(4)的材料为铝、铜或银中的一种，所述的屏蔽层(2)的材料为铝、铜或银中的一种。7.根据权利要求1所述的一种线状压电传感器，其特征在于，所述的护套层(1)为聚酰亚胺护套或聚乙烯护套。8.如权利要求1至7任一项所述的一种线状压电传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将介电聚合物在芯电极(4)外成型为多孔结构层；s2：将导电材料在多孔结构层外成型为接地电极层，并作为屏蔽层(2)；s3：采用护套包裹屏蔽层(2)，得到护套层(1)；s4：对多孔结构层充电，使其成为压电活性层(3)，并得到线状压电传感器。9.根据权利要求8所述的一种线状压电传感器的制备方法，其特征在于，所述的导电材料通过缠绕、涂覆或包裹的方式在多孔结构层外成型为接地电极层。10.根据权利要求8所述的一种线状压电传感器的制备方法，其特征在于，所述的多孔结构层的成型方法包括：在芯电极(4)外，将介电聚合物通过模具挤出后热拉伸。

技术总结
本发明涉及一种线状压电传感器及其制备方法，线状压电传感器包括芯电极，以及依次套设于芯电极外的压电活性层、屏蔽层、护套层；其中压电活性层具有介电聚合物成型的多孔结构；制备方法包括：首先将介电聚合物在芯电极外成型为多孔结构层；再将导电材料在多孔结构层外成型为接地电极层，并作为屏蔽层；之后采用护套包裹屏蔽层；最后对多孔结构层充电使其成为压电活性层。与现有技术相比，本发明采用了多相结构材料来充当线状压电传感器的电活性层，不仅可以显著降低器件的柔韧性，而且能够增强压电活性，实现对不同大小力的敏感响应。将线状压电传感器编织于穿戴织物中，所编织出来的智能设备亲肤、透气、可水洗并且穿戴起来无异物感。物感。物感。


技术研发人员：张晓青 周李安
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/12