自供电压力传感器垫及其加工方法以及出入口监视装置
阅读说明：本技术 自供电压力传感器垫及其加工方法以及出入口监视装置 (Self-powered pressure sensor pad, processing method thereof and entrance and exit monitoring device ) 是由 欧宗永 欧先润 宋建军 王寒 张康 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了自供电压力传感器垫及其加工方法以及出入口监视装置,自供电压力传感器垫包括：至少两个压电片构成的压电片阵列、用于并联压电片阵列的顶部电极层、用于并联压电片阵列的底部电极层、用于电绝缘顶部电极层和底部电极层的镂空阵列分隔层。压电片包括导电基板、设于导电基板外表面上的压电陶瓷膜和线路或涂布于压电陶瓷膜上的导电层。顶部电极层和底部电极层分别层叠设于压电片阵列的两相对侧并分别与构成压电片阵列的导电层和导电基板形成良好欧姆接触。本发明所提供的自供电压力传感器垫在行人及轮椅行经时不易破裂,且将行人及轮椅行经时的机械能转换成电能,达到自发电的目的。(The invention discloses a self-powered pressure sensor pad, a processing method thereof and an entrance and exit monitoring device, wherein the self-powered pressure sensor pad comprises: the piezoelectric patch array comprises at least two piezoelectric patches, a top electrode layer for connecting the piezoelectric patch array in parallel, a bottom electrode layer for connecting the piezoelectric patch array in parallel, and a hollow array separation layer for electrically insulating the top electrode layer and the bottom electrode layer. The piezoelectric patch comprises a conductive substrate, a piezoelectric ceramic film arranged on the outer surface of the conductive substrate, and a circuit or a conductive layer coated on the piezoelectric ceramic film. The top electrode layer and the bottom electrode layer are respectively stacked on two opposite sides of the piezoelectric sheet array and respectively form good ohmic contact with the conductive layer and the conductive substrate which form the piezoelectric sheet array. The self-powered pressure sensor mat provided by the invention is not easy to break when a pedestrian and a wheelchair pass through, and converts mechanical energy of the pedestrian and the wheelchair during passing into electric energy, thereby achieving the purpose of self-power generation.)
技术领域
本发明涉及传感器垫领域，尤其涉及一种自供电压力传感器垫及其加工方法以及出入口监视装置。
背景技术
入口/出口监控系统应用于医院、疗养院、退休中心和其他场所，以在人进入/离开房间时提醒员工。典型的入口/出口监控系统包括压力传感器垫和用于从传感器垫接收信号的控制器。连接到控制器的传感器垫通常具有诸如电池或电力网的电源，由传感器垫发送到控制器的信号可以反映传感器垫上的压力变化。控制器通常有电源开关和视觉和听觉警报，当收到信号时，控制器会发出警报。控制器和传感器垫之间的连接可以是硬连线或无线连接。
典型的压力传感器垫是有源设备，其需要电源以在被按压时发出信号。用于传感器垫的压力感应的典型活性材料包括具有对压力敏感的电阻的电学材料，或具有对压力敏感的电容的电学材料，以及具有对压力敏感的光折射/透射图案的光学材料。当施加压力时，这些材料改变它们的电/光学性质，并且压力的变化可以通过穿过它们的电/光信号反射。这些有源设备的一个缺点是它们需要电源，使得系统体积庞大并且需要频繁维护，例如如果使用电池作为电源则更换电池。另外，由于电池外壳和更换电池的需要，压力传感器垫很难完全封装，传感器垫的电路和活性材料不可避免地受到水分或氧化气体的侵蚀，这些都会影响系统的可靠性。
现有技术中的对压力敏感的电学材料一般可分为三组：压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料，当这些材料在压力传感器垫中用作活性材料时，通常会出现两个问题：1)由于压电陶瓷在压力下容易破裂因而可靠性差；2)低功率输出难以满足无线信号传输。
因此，需要提供一种能解决上述问题的自供电压力传感器。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可靠性较好、能实现无线信号传输的自供电压力传感器垫。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
自供电压力传感器垫，包括：
至少两个压电片以构成压电片阵列；
用于并联所述压电片阵列的顶部电极层；
用于并联所述压电片阵列的底部电极层；
用于电绝缘所述顶部电极层和所述底部电极层的镂空阵列分隔层；
所述压电片包括导电基板和设于所述导电基板外表面上的压电陶瓷膜和线路或涂布于所述压电陶瓷膜上的导电层，所述顶部电极层和所述底部电极层分别层叠设于所述压电片阵列的两相对侧并分别与构成所述压电片阵列的导电层和导电基板形成欧姆接触。
进一步地，所述压电陶瓷膜设于所述导电基板的靠近所述顶部电极层的一侧。
进一步地，所述导电层为银、铜、镍或导电聚合物中的一种或多种，且所述导电层与所述导电基板电绝缘。
进一步地，所述顶部电极层和所述底部电极层两者通过电导线连接，且两者之间电连接有能量收集模块和信号发射模块,以致触发报警器报警。
进一步地，所述导电基板由导电材料制成，所述导电材料为铜、黄铜、青铜、铁、不锈钢、镍、铬、铝、锌的至少一种或合金。
进一步地，所述用于压电片的压电陶瓷膜的厚度为0.1mm-2.0mm，所述用于压电片的压电陶瓷膜的面积为70mm2-20000mm2。
进一步地，所述镂空阵列分隔层固定于所述压电片阵列上并位于所述顶部电极层和底部电极层之间以电绝缘所述顶部电极层和所述底部电极层，并通过镂空的区域裸露出导电层，以使所述导电层与所述顶部电极层电连接。
进一步地，所述镂空阵列分隔层为薄膜或板材，且所述镂空阵列分隔层的材料为塑料、橡胶、纸材、布料的至少一种。
进一步地，所述自供电压力传感器垫还包括设于所述顶部电极层的背离所述压电片的一侧的顶部封装层和设于所述底部电极层的背离所述压电片的一侧的底部封装层。
进一步地，所述自供电压力传感器垫还包括设于所述顶部电极层和所述顶部封装层之间的弹性体，每个所述弹性体覆盖或贴合于每个所述压电陶瓷膜上的所述导电层的中心区域，每个所述弹性体的面积小于或等于每个所述压电陶瓷膜的面积，所述弹性体用于集中受力以增强所述压电片的弹性形变。
进一步地，所述自供电压力传感器垫还包括设于所述底部电极层和所述底部封装层之间的可变形支撑层，所述可变形支撑层用于增强所述压电片的弹性形变，所述可变形支持层材料为3D织物、发泡海绵、发泡塑料、发泡橡胶、绒布、网纱的一种或多种。
进一步地，所述自供电压力传感器垫还可以包括设于所述可变形支撑层与所述底部电极层之间的底部电极支撑层，所述底部电极支撑层为薄膜或板材，所述底部电极支撑层材料至少为金属、塑料、橡胶、纸材、布料的一种。
进一步地，所述顶部电极层和所述底部电极层的面电阻均低于0.1Ω/sq.。
进一步地，所述顶部电极层下表面和所述底部电极层上表面均设置有压电片阵列。
进一步地，所述顶部电极层和所述底部电极层两者的一侧或两侧设有线路或涂布的导电胶，以与所述压电片电连接，所述导电胶为混有金属颗粒或金属纤维的有机胶膜、导电树脂胶、碳基导电胶中的至少一种。
进一步地，多个所述压电片分成若干个单元，每个单元所包含的压电片并联、串联或者并联和串联形成所述压电片阵列。
进一步地，多个所述压电片排列成单层或多层堆叠。
进一步地，所述压电片的所述压电陶瓷膜为无机压电陶瓷材料，且为锆钛酸铅基、钛酸钡基、钛酸铋钠基、铌酸钠基、铌酸钾基、铋层状材料中的至少一种。
本发明还提供一种自供电压力传感器的加工方法，包括以下步骤：
制作导电基板；
在所述导电基板上覆盖压电陶瓷膜；
在所述压电陶瓷膜上线路或涂布导电层以形成压电片；
将至少由两个压电片构成的压电片阵列通过已线路或涂布的导电胶将导电基板固定在底部电极层上并形成良好欧姆接触，所述底部电极层背面可由底部电极支撑层支撑；
将镂空阵列分隔层固定于所述压电片阵列上，并通过镂空的区域裸露出导电层；
在镂空阵列分隔层上固定顶部电极层，裸露的所述导电层与所述顶部电极层通过导电胶贴合并形成良好欧姆接触；
在所述顶部电极层上方正对所述压电陶瓷膜中心位置覆盖并贴合弹性体，形成与所述压电片阵列相一致的弹性体阵列；
在所述底部电极支撑层下方贴合可变形支撑层；
引出所述顶部电极层的电导线和所述底部电极层的电导线；
封装如上结构并将电导线、能量收集模块、信号发射模块电相连。
本发明还提供一种出入口监视装置，包括如上所述的自供电压力传感器垫和与所述自供电压力传感器垫有线或无线连接的控制器。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：由压电片构成的压电片阵列单元通过顶部电极层、用于电绝缘顶部电极层和底部电极层的镂空阵列分隔层和底部电极层达到并联的目的，且通过弹性体和可变形支撑层来增强压电片的弹性形变从而增大自发电功率。本发明所提供的自供电压力传感器垫在行人及轮椅行经时不易破裂，且将行人及轮椅行经时的机械能转换成电能，达到自发电的目的而无需电池供电。自供电压力传感器垫整体可以完全封装，降低了压电片和电极层的劣化，也提高了防潮装置的可靠性。传感器垫结构紧凑，总厚度较小。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自供电压力传感器垫一侧的剖视图；
图2为本发明实施例提供的压电片一侧的剖视图；
图3为本发明实施例提供的自供电压力传感器的俯视图；
图4为本发明实施例提供的自供电压力传感器的另一侧的剖视图。
图中：
100、自供电压力传感器垫；11、底部封装层；12、可变形支撑层；13、底部电极支撑层；14、底部电极层；141、导电基板；15、压电片；151、压电陶瓷膜；16、镂空阵列分隔层；171、导电层；17、顶部电极层；18、弹性体；19、顶部封装层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，该元件可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
请参照图1和图2，本发明提供自供电压力传感器垫100，包括：至少两个压电片15构成的压电片阵列、顶部电极层17和底部电极层14，所述顶部电极层17和所述底部电极层14分别层叠设于所述压电片阵列的导电层171和导电基板141两相对侧并分别形成良好欧姆接触，所述压电片15包括导电基板141、设于所述导电基板141外表面上的压电陶瓷膜151和线路或涂布于压电陶瓷膜151上的导电层171。
所有压电片15平铺，压电片15可以是圆形、方形、矩形或任何其他形状，且优选为圆形。导电基板141的作用是为压电陶瓷膜151提供支撑，以及电连接到压电陶瓷膜151以传导在压电陶瓷膜151中产生的电。
顶部电极层17和底部电极层14由导电材料制成，例如金属条、金属箔、金属线、导电织物或柔性基板上的印刷导电墨水中的至少一种，顶部电极层17和底部电极层14的面电阻均低于0.1Ω/sq.，顶部电极层17和底部电极层14均与压电片阵列并联以便具有高功率且低损耗自发电输出。顶部电极层17和底部电极层14两者的一侧或两侧具有线路的导电胶。
优选顶部电极层17和底部电极层14为导电织物。
压电片15包括多个，为了减少电路中的功率损耗，应优化每个单独压电片15的连接，优选方法是将所有压电片15并联以形成小单元，然后将这些单元进行串联、并联以及串联和并联的组合。图4简化示出多个压电片15之间的连接关系。
优选将传感器分成几个独立的区域，并通过能量收集模块将每个区域由机械作用产生的瞬时电流转换为直流电流，由于在一些应用中，特别是对于涉及大面积传感器垫的应用，从不同区域产生的电流可能具有相位差，导致相互干扰或消除，如此，可减少或消除以上情况，且提高能量收集效率。
优选地，压电陶瓷膜151优选为锆钛酸铅基、钛酸钡基、钛酸铋钠基、铌酸钠基、铌酸钾基、铋层状结构中的至少一种。
所述顶部电极层17和所述底部电极层14之间电连接有高效能量收集模块(图中未标)和信号发射模块(图中未标)，优选信号发射模块为无线信号发射模块。
优选地，所述顶部电极层17与压电片导电层171具有良好欧姆接触。
导电层171的作用是减小压电陶瓷膜151与顶部电极层17之间的接触电阻，导电层171包括银、铜、镍或导电聚合物(PEDOT:PSS)中的一种或多种，可通过真空沉积方法如蒸发沉积或直接将导电涂料线路或涂布于压电陶瓷膜151的顶部。
优选地，所述导电基板141由导电材料制成。导电材料为铜、黄铜、青铜、铁、不锈钢、镍、铬、铝、锌的至少一种或合金。所述导电基板141与底部电极层14具有良好欧姆接触。
优选地，所述压电陶瓷膜151的厚度为0.1mm-2.0mm。优选地，所述压电陶瓷的面积为70mm2-20000mm2。
优选地，所述自供电压力传感器垫还包括镂空阵列分隔层16，所述镂空阵列分隔层16固定于所述压电片15阵列上并位于所述顶部电极层17和底部电极层14之间以电绝缘所述顶部电极层17和底部电极层14，并通过镂空的区域裸露出导电层171。
请参照图1，镂空阵列分隔层16在顶部电极层17和底部电极层14之间提供电绝缘以避免短路，可以理解地，镂空阵列分隔层16由绝缘材料制成，例如透明PVC膜、EVA膜。
优选地，镂空阵列分隔层16上开有通孔，用以通过该通孔暴露出导电层171。
优选地，自供电压力传感器垫100还包括设于所述顶部电极层17的背离所述压电片15的一侧的顶部封装层19和设于所述底部电极层14的背离所述压电片15的一侧的底部封装层11。
底部封装层11和顶部封装层19用于封装自供电压力传感器垫100，以减少电路和活性材料或其他层的劣化，底部封装层11和顶部封装层19均可由聚氯乙烯(PVC)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)或其他常用的封装材料，两者也可由不同的材料制成。
优选地，所述自供电压力传感器垫100还包括设于所述顶部电极层17和所述顶部封装层19之间的弹性体18；和/或，
所述自供电压力传感器垫100还包括设于底部电极层14和所述底部封装层11之间的可变形支撑层12。
优选地，自供电压力传感器垫100还可能包括设于所述可变形支撑层12与所述底部电极层14之间的底部电极支撑层13。
弹性体18的作用是集中受力以增强压电片的弹性形变，靠近顶部封装层19设置，通常为圆形，与压电片15中心对齐，且直径不大于压电陶瓷膜151的直径。可变形支撑层12在受压时易于变形，用于增强压电片的弹性形变，以增加电能输出，可变形支撑层12可以是薄软海绵，也可以是具有开口的3D织物。当使用导电型材料作为底部电极支撑层时，应与顶部电极层电绝缘。底部电极支撑层13通常使用塑料片，支撑塑料层13为底部电极层14提供机械支撑，如果底部电极层14本身具有良好的机械强度，底部电极支撑层13非必需。
本发明还提供一种自供电压力传感器垫的加工方法，用于制作如上所述的自供电压力传感器垫，包括以下步骤：
制作导电基板141；
在所述导电基板141上覆盖压电陶瓷膜151；
在压电陶瓷膜上线路或涂布导电层171以形成压电片15；
将至少由两个压电片15构成的阵列通过已线路或涂布的导电胶将导电基板141固定在底部电极层14上并形成良好欧姆接触，底部电极层14背面可由底部电极支撑层13支撑；
将镂空阵列分隔层16固定于压电片15阵列上，并通过镂空的区域裸露出导电层171；
在镂空阵列分隔层16上固定顶部电极层17，裸露的导电层171与顶部电极层17通过导电胶贴合并形成良好欧姆接触；
在顶部电极层17上方正对压电陶瓷膜中心位置覆盖并贴合弹性体18，形成与压电片阵列相一致的弹性体18阵列；
在底部电极支撑层13下方贴合可变形支撑层12；
引出顶部电极层17的电导线和底部电极层14的电导线；
封装如上结构并将电导线、能量收集模块、信号发射模块电相连。
还提供一种出入口监视装置，包括如上所述的自供电压力传感器垫和与所述自供电压力传感器垫有线或无线连接的控制器。出入口监视装置还包括与控制器电连接的警报器。
综上，本发明提供的自供电压力传感器垫100使用压电陶瓷材料作为活性材料，辅以特别设计的传感器垫结构以及能量收集器模块和信号发射模块，产生高功率输出，且产生的能量可以为无线信号的传输提供动力，从而实现无需外部电源的自供电压力传感器垫100，能量收集模块和信号发射模块无需电池供电。。此外，除自供电压力传感器垫100外的其它材料具有高柔韧性且可以折叠。此外，由于自供电压力传感器垫100是自供电，不需要电池，因此该自供电压力传感器垫100可以完全封装，减少了电路和活性材料(压电陶瓷膜)的劣化，并提高了防潮装置的可靠性和化学劣化，最后，本发明提供的自供电压力传感器垫100也很紧凑，总厚度小于5mm。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。