一种柔性力电耦合传感器及其制备方法与流程

本发明涉及传感器件，尤其涉及一种柔性力电耦合传感器及其制备方法。

背景技术：

1、本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

2、5g、人工智能(ai)和物联网(iot)的深入融合形成的智联网(aiot)将人类社会和物理系统连结成有机的整体，在未来影响日常生活的各个方面。据前瞻产业研究院的预测，到2025年全球接入iot的设备总量将达到750亿台，十年内增长5倍。未来的智慧健康医疗、智能家居、智能交通等等对各种传感器的需求量巨大。

3、

4、驻极体压电薄膜是力电耦合传感器中非常重要的一类，传统pvdf压电薄膜传感器灵敏度低，在实际应用中需要配置很大的增益，不仅增加了制造成本，而且在智慧健康医疗、智能家居、智能交通等对灵敏度要求高的声学应用场合受到很大的限制。而压电驻极体薄膜传感器灵敏度较高，在上述这些应用领域中能够得到很好的应用。

5、一些现有技术利用了双层串联或并联的驻极体薄膜来提高驻极体薄膜传感器的灵敏度，例如中国发明专利cn 102522495 a提供了了一种提高压电驻极体薄膜传感器信噪比的方法，其采用层压方法将压电驻极体薄膜进行串联或并联叠层，成倍提高压电驻极体薄膜传感器电荷和电压输出量，以提高其灵敏度。

6、然而上述现有技术中的驻极体薄膜传感器的灵敏度仍旧难以满足智慧健康医疗、智能家居、智能交通高灵敏应用需求。

7、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种柔性力电耦合传感器及其制备方法，进一步提高驻极体薄膜力电传感器的灵敏度。

2、为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种柔性力电耦合传感器，其包括依次层叠设置的第一驻极体层、第一绝缘层、芯电极、第二绝缘层以及第二驻极体层；且在所述第一驻极体层背向所述芯电极的一侧设置有感应电极；所述第一驻极体层和第二驻极体层中存储有永久电荷，且所述第一驻极体层和第二驻极体层的极性方向和形状以所述芯电极为对称面呈对称排布，当所述所述柔性力电耦合传感器被施加外力产生形变时，所述感应电极与芯电极之间能够形成电势差或电流；所述第一驻极体层与所述第一绝缘层接触的第一界面以及所述第二驻极体层与所述第二绝缘层接触的第二界面均设置有凹凸结构。

3、上述技术方案利用芯电极两侧对称排列的驻极体层，强化了芯电极处的电场强度，当柔性力电耦合传感器因压力的原因产生形变时，无论是芯电极和感应电极之间的开路电压还是短路电荷量均会得以提高；并且本发明还特意在两个驻极体层相对的界面处设置凹凸结构，凹凸结构的形成一方面提高了场板有效面积，另一方面具有一定的尖端电荷集中效应，这使得发生形变时电势的变化会更加明显，进而显著提高了柔性力电耦合传感器的灵敏度。

4、进一步地，所述凹凸结构以所述芯电极为对称面呈对称分布。完全对称的凹凸结构对于增强尖端电荷集中有所帮助，相比于两层驻极体层中的凹凸结构不完全对称或完全错开的情形，其电场集中效应更加明显，进而带来更佳的灵敏度提升效果。

5、而关于具体的凹凸结构尺寸，进一步地，所述凹凸结构包括周期性重复的凸起部和凹下部，且所述凸起部的边缘为棱状，所述凸起部的宽度为0.001-2mm，更为优选的范围是0.5-2mm，所述凹下部的宽度为0.001-2mm，更为优选的范围是0.5-2mm，所述凸起部与凹下部的高差为所述第一驻极体层或第二驻极体层的厚度的1/10-1/2，更为优选的范围是1/3-1/2。较小的尺寸下的凹凸结构亦能够实现电荷集中的效果，但考虑到制备时的难易程度以及上下驻极体层的对准难易，优选的尺寸范围是毫米级，例如0.5-2mm。

6、进一步地，所述永久电荷具有向所述凸起部的边缘集中的趋势。通常驻极体的制备以电晕极化为主，在这种制备方式中，施加非垂直的偏转电场，并配合合适的角度，能够使得形成的电荷向凸起结构的一边偏移，这样的电荷偏移集中趋势能够进一步增强尖端电场集中效应，进而进一步地提升灵敏度。

7、进一步地，所述第一驻极体层和第二驻极体层的厚度为1-300μm，且同样考虑薄膜的制备难易，过于薄的薄膜不易加工出凹凸结构，因此更为优选的范围是100-300μm。

8、进一步地，所述第一驻极体层和第二驻极体层的材质为高电阻率电介质，具体例如可以包括hdpe、pp、pvdf等材质中的任意一种或两种以上的组合。具体的材质选择参照现有技术中的示例材质或者寻找电阻率等电学性质接近或更优的各种新型材料亦可，其能够实现对应的驻极体功能即可。

9、进一步地，所述柔性力电耦合传感器还包括覆盖所述第一驻极体层背向所述芯电极一面的第一防水层以及覆盖所述第二驻极体层背向所述芯电极一面的第二防水层；所述感应电极设置于所述第一防水层内，或与所述第一防水层电性接触。

10、进一步地，所述柔性力电耦合传感器还包括覆盖所述第一防水层的第一屏蔽层以及覆盖所述第二防水层的第二屏蔽层以及屏蔽电极；所述屏蔽电极与所述第二屏蔽层电连接。

11、第二方面，本发明还提供了上述柔性力电耦合传感器的制备方法，其包括如下的步骤：

12、对聚合物薄膜进行极化处理获得极化薄膜，并对所述极化薄膜进行烘烤老化处理，获得第一驻极体层和第二驻极体层；其中，极化处理的方式可以参照现有制备工艺中的各种极化方式，例如优选的方式为电晕极化处理。

13、依次贴合形成第一驻极体层、第一绝缘层、芯电极、第二绝缘层以及第二驻极体层的层叠结构并对应设置感应电极，获得所述柔性力电耦合传感器。

14、进一步地，所述电晕极化处理的电压为±5-15kv，温度为15-35℃；

15、所述烘烤老化处理的温度为80-100℃，时间为20-40min。

16、进一步地，所述制备方法具体包括：

17、提供连续的聚合物薄膜，并在所述聚合物薄膜表面刻蚀形成凹凸结构；

18、以及，在进行所述电晕极化处理时，电场方向与具有所述凹凸结构的所述聚合物薄膜的表面形成非垂直的夹角，所述夹角的范围为60-80°，以使电晕极化处理形成的电荷具有向所述凹凸结构的凸起部边缘集中的趋势。

19、通过上述制备过程，能够获得具有凹凸结构的双层驻极体层的柔性力电耦合传感器，并且其中的电荷集中于凸起结构的棱边处，具有较佳的电场集中效应，因此相比于现有双层驻极体层的柔性力电耦合传感器进一步提高了其灵敏性。

20、借由以上的技术方案，本发明的有益效果至少包括：

21、本发明提供的柔性力电耦合传感器及其制备方法通过在对称的传感器结构中的双层驻极体层的相对面上设置凹凸结构，起到了提高场板面积并使电荷在凸起处集中的效果，从而增强了形变时的电势或电场变化幅度，进而提高开路电压或短路电荷量，从而显著提高柔性力电耦合传感器的灵敏度。

22、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。