一种基于pvdf薄膜的柔性振动传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于pvdf薄膜的柔性振动传感器及其制备方法 (Flexible vibration sensor based on PVDF (polyvinylidene fluoride) film and preparation method thereof ) 是由 杨成韬 谢易微 孙贤 孙星林 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器,属于传感技术领域。本发明提出的传感器具有良好的柔韧性、延展性、可自由弯曲甚至折叠,而且结构形式灵活多样,可根据测量物体表面条件的要求任意布置,能够非常方便地对复杂的测量物体表面进行检测,可在生物医疗、桥梁等具有不规则表面的领域发挥重大作用。此外,本发明还涉及一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器的制备方法,该方法适用的薄膜尺寸灵活、能大大缩短薄膜封装成器件的时间,同时也不会对PVDF薄膜造成损伤,且与现有生产工艺相兼容,同时具有封装操作方便、封装耗时短、封装尺寸小、反应灵敏等优点,封装后的PVDF器件可以很好的将接收到的振动信号转化成电荷信号,适于大规模的推广使用。(The invention relates to a flexible vibration sensor based on a PVDF film, belonging to the technical field of sensing. The sensor provided by the invention has good flexibility and ductility, can be freely bent or even folded, has flexible and various structural forms, can be randomly arranged according to the requirements of the surface conditions of the measured object, can conveniently detect the surface of the complex measured object, and can play an important role in the fields with irregular surfaces, such as biological medicine, bridges and the like. In addition, the invention also relates to a preparation method of the PVDF film-based flexible vibration sensor, the method is suitable for the flexible film size, can greatly shorten the time of packaging the film into a device, does not damage the PVDF film, is compatible with the existing production process, and has the advantages of convenient packaging operation, short packaging time consumption, small packaging size, sensitive reaction and the like.)
技术领域
本发明属于传感
技术领域
，具体涉及一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器及其制备方法。背景技术
近年来高速公路、铁路建设、桥梁、航空航天等领域正在飞速发展，而这些设施的安全性，不仅关乎经济发展，更关乎人民安全，国家安全。为了保证这些设施的安全，就需要对这些设施进行健康监测。传统的压电陶瓷传感器具有体积大，硬度大，不能弯曲等缺点，而在实际的应用过程中，传感器往往需要在特定的不规则的表面进行信号采集，因此应用范围具有一定局限性。而柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性、可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂的表面进行检测。PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜是一种压电性能十分优越的高分子薄膜，它具有较高的热稳定性，耐疲劳能力和抗辐射能力，化学稳定性比陶瓷高10倍，声阻抗(S＝2.7×106Pa·s/m3)与水和人体肌肉组织接近，频率响应范围可达到10-5–10-9Hz，应用灵敏度高，因此已经成为最具有潜力的聚合物压电材料。综上所述，本发明基于柔性压电传感器要求考虑，提出一种高效、封装尺寸小的基于PVDF薄膜的柔性振动传感器及其制作方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器，包括聚酰亚胺薄膜、第一电极、第二电极、第三电极、PVDF薄膜、第一引线端和第二引线端；
所述聚酰亚胺薄膜包括相互连接第一部分和第二部分，所述第一电极设于所述第一部分上，第二电极和第三电极纵向间隔设于所述第二部分上，所述第二电极和所述第三电极的末端位于所述第二部分的边缘且远离所述第一部分；
所述聚酰亚胺薄膜对折而使所述第一部分和所述第二部分层叠，且使所述第三电极与所述第一电极连接，并暴露出所述第二电极和所述第三电极的末端；所述PVDF薄膜夹设于所述第一部分和所述第二部分之间；所述第一电极靠近对折线的一端设于所述PVDF薄膜上与所述第一部分相邻的一侧，所述第二电极靠近对折线的一端设于所述PVDF薄膜上与所述第二部分相邻的一侧，所述第一电极靠近对折线的一端的面积和所述第二电极靠近对折线的一端的面积均小于所述PVDF薄膜的面积；所述第三电极的末端与所述第一引线端连接，所述第二电极的末端与所述第二引线端连接。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述聚酰亚胺薄膜的形状为矩形；和/或，所述电极的形状为矩形或“L”形。
进一步的，所述聚酰亚胺薄膜的尺寸为长10-30cm，宽4cm，厚度55μm。
进一步的，采用电镀的方式将所述电极设于所述聚酰亚胺薄膜上。
进一步的，所述电极的材料为铜、银、镍或金。
进一步的，所述电极的厚度为10-30μm。
进一步的，所述电极的厚度为18μm。
进一步的，采用速干导电银胶粘接所述PVDF薄膜与所述第一电极和所述第二电极。
进一步的，采用封装胶水粘结所述聚酰亚胺薄膜的第一部分和第二部分。
进一步的，所述封装胶水为YLG-PVC30软胶。
进一步的，所述第一引线端包括第一空心铆钉和第一O型冷压端子；所述第二引线端包括第二空心铆钉和第二O型冷压端子。
进一步的，所述空心铆钉的内径为2.5mm。
进一步地，所述O型冷压端子的型号为OT0.5-3。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器的制备方法，包括以下步骤：
切割PVDF薄膜，并对切割后的PVDF薄膜的边缘进行腐蚀，以去除边缘残留的微细金属丝；
在聚酰亚胺薄膜的第一部分上设置第一电极，在聚酰亚胺薄膜的第二部分上纵向间隔设置第二电极和第三电极，所述第一部分和所述第二部分沿对折线相互连接，所述第二电极和所述第三电极的末端设置于所述第二部分的边缘且远离所述第一部分；
在电极上涂覆速干导电银胶，在其他区域涂覆封装胶水，将切割后的PVDF薄膜放置于所述第二电极靠近对折线的一端上；所述第二电极靠近对折线的一端的面积小于所述PVDF薄膜的面积；
沿对折线对折所述聚酰亚胺薄膜而使所述第一部分和所述第二部分层叠，且使所述第三电极与所述第一电极连接，并暴露出所述第二电极和所述第三电极的末端，所述第一电极靠近对折线的一端设置于所述PVDF薄膜上与所述第一部分相邻的一侧，所述第一电极靠近对折线的一端的面积小于所述PVDF薄膜的面积；
按压所述PVDF薄膜所在的位置，并使用刮板将器件中多余的胶水排出，且使速干导电银胶粘结；
使用第一引线端和第二引线端分别与所述第三电极和所述第二电极的末端连接。
进一步地，采用稀盐酸进行所述腐蚀。
进一步地，使用第一引线端和第二引线端分别与所述第三电极和所述第二电极的末端连接的步骤，具体为：使用空心铆钉在第三电极和第二电极的末端进行打孔，打孔后，将O型冷压端子置于空心铆钉上，并将空心铆钉压实，使O型冷压端子嵌入到空心铆钉内部。
进一步地，所述刮板为尺子、塑料刮板或橡胶刮板。
进一步的，所述封装胶水为YLG-PVC30软胶。
本发明的有益效果是：本发明提出的传感器具有良好的柔韧性、延展性、可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量物体表面条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂的测量物体表面进行检测，可在生物医疗、桥梁等具有不规则表面的领域发挥重大作用。此外，本发明提出的一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器的制备方法适用的薄膜尺寸灵活、能大大缩短薄膜封装成器件的时间，同时也不会对PVDF薄膜造成损伤，且与现有生产工艺相兼容，同时具有封装操作方便、封装耗时短、封装尺寸小、反应灵敏等优点，封装后的PVDF器件可以很好的将接收到的振动信号转化成电荷信号，适于大规模的推广使用。
附图说明
图1为在聚酰亚胺薄膜上形成电极的结构示意图；
图2为在电极上放置PVDF薄膜的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器的剖面图；
图4为本发明实施例的一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器的实际效果测试图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、聚酰亚胺薄膜，2、第一电极，3、第二电极，4、第三电极，5、PVDF薄膜，6、第一空心铆钉，7、第一O型冷压端子，8、第二空心铆钉，9、第二O型冷压端子。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-3所示，本发明第一实施例提供的一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器，包括聚酰亚胺薄膜1、第一电极2、第二电极3、第三电极4、PVDF薄膜5、第一引线端和第二引线端；
所述聚酰亚胺薄膜1包括相互连接第一部分和第二部分，所述第一电极2设于所述第一部分上，第二电极3和第三电极4纵向间隔设于所述第二部分上，所述第二电极3和所述第三电极4的末端位于所述第二部分的边缘且远离所述第一部分；
所述聚酰亚胺薄膜1对折而使所述第一部分和所述第二部分层叠，且使所述第三电极4与所述第一电极2连接，并暴露出所述第二电极3和所述第三电极4的末端；所述PVDF薄膜5夹设于所述第一部分和所述第二部分之间；所述第一电极2靠近对折线的一端设于所述PVDF薄膜5上与所述第一部分相邻的一侧，所述第二电极3靠近对折线的一端设于所述PVDF薄膜5上与所述第二部分相邻的一侧，所述第一电极2靠近对折线的一端的面积和所述第二电极3靠近对折线的一端的面积均小于所述PVDF薄膜5的面积；所述第三电极4的末端与所述第一引线端连接，所述第二电极3的末端与所述第二引线端连接。
上述实施例中，采用第一电极和第三电极引出PVDF薄膜5一侧的电荷信号，采用第二电极引出PVDF薄膜5另一侧的电荷信号。
所述第一电极2靠近对折线的一端的面积和所述第二电极3靠近对折线的一端的面积均小于所述PVDF薄膜5的面积，防止第一电极和第二电极接触而造成短路。
可选地，所述聚酰亚胺薄膜1的形状为矩形；和/或，所述电极的形状为矩形或“L”形。
可选地，所述聚酰亚胺薄膜1的尺寸为长10-30cm，宽4cm，厚度55μm。
可选地，采用电镀的方式将所述电极设于所述聚酰亚胺薄膜1上。
可选地，所述电极的材料为铜、银、镍或金。
可选地，所述电极的厚度为10-30μm。
可选地，所述电极的厚度为18μm。
可选地，采用速干导电银胶粘接所述PVDF薄膜5与所述第一电极2和所述第二电极3。
可选地，采用封装胶水粘结所述聚酰亚胺薄膜1的第一部分和第二部分。
可选地，所述封装胶水为YLG-PVC30软胶。
可选地，所述第一引线端包括第一空心铆钉6和第一O型冷压端子7；所述第二引线端包括第二空心铆钉8和第二O型冷压端子9。
可选地，所述空心铆钉的内径为2.5mm。
可选地，所述O型冷压端子的型号为OT0.5-3。
本发明第二实施例提供的一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器的制备方法，包括以下步骤：
切割PVDF薄膜，并对切割后的PVDF薄膜的边缘进行腐蚀，以去除边缘残留的微细金属丝；
在聚酰亚胺薄膜1的第一部分上设置第一电极2，在聚酰亚胺薄膜1的第二部分上纵向间隔设置第二电极3和第三电极4，所述第一部分和所述第二部分沿对折线相互连接，所述第二电极3和所述第三电极4的末端设置于所述第二部分的边缘且远离所述第一部分，如图1所示；
在电极上涂覆速干导电银胶，在其他区域涂覆封装胶水，将切割后的PVDF薄膜放置于所述第二电极3靠近对折线的一端上；所述第二电极3靠近对折线的一端的面积小于所述PVDF薄膜的面积，如图2所示；
沿对折线对折所述聚酰亚胺薄膜1而使所述第一部分和所述第二部分层叠，且使所述第三电极4与所述第一电极2连接，并暴露出所述第二电极3和所述第三电极4的末端，所述第一电极2靠近对折线的一端设置于所述PVDF薄膜5上与所述第一部分相邻的一侧，所述第一电极2靠近对折线的一端的面积小于所述PVDF薄膜的面积；
按压所述PVDF薄膜所在的位置，并使用刮板将器件中多余的胶水排出，且使速干导电银胶粘结；
使用第一引线端和第二引线端分别与所述第三电极4和所述第二电极3的末端连接，如图3所示，图3示出的为封装后的一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器去除所述第一部分后的剖面图。
上述实施例中，可采用手术刀片对PVDF薄膜进行切割，裁切的面积应该稍大于所需PVDF薄膜的面积，以便为后续的边缘腐蚀处理留有余量；可采用平整的重物按压所述PVDF薄膜所在的位置；采用刮板将器件中多余的胶水排出，可以增加器件的柔韧性；可将器件放置于阴凉处使银胶粘结。
可选地，采用稀盐酸进行所述腐蚀。
上述实施例中，可采用细棉签蘸取稀盐酸在边缘轻轻擦拭进行腐蚀，在腐蚀过程需注意稀盐酸的用量以及对边缘电极处理的长短，防止因腐蚀过度而引起测量误差。
可选地，使用第一引线端和第二引线端分别与所述第三电极4和所述第二电极3的末端连接的步骤，具体为：使用空心铆钉在第三电极4和第二电极3的末端进行打孔，打孔后，将O型冷压端子置于空心铆钉上，并将空心铆钉压实，使O型冷压端子嵌入到空心铆钉内部。
可选地，所述刮板为尺子、塑料刮板或橡胶刮板。
可选地，所述封装胶水为YLG-PVC30软胶。
图4示出的为本发明提出的一种基于PVDF薄膜的柔性振动传感器的实际效果测试图，具体测试方式为：使用鳄鱼夹将示波器的外接引线与传感器的冷压端子连接，将传感器置于钢管表面，外界给予一定振动源，可以捕捉到如图4所示的波形，可见经过此方法封装的传感器灵敏度高。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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