[发明专利]一种基于纳米压电纤维的压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种基于直写电纺纳米压电纤维的压力传感器。

背景技术

压电式传感器是一种自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固，可靠性、稳定性高。

基于以上优点，压电式传感器得到了人们大量的关注。如应用于电脑的硬盘抗摔保护、自动调节相机的聚焦、汽车安全气囊、防抱死系统及牵引控制系统等安全性能方面的压电式加速度传感器；近年来在动压测量方面得到了非常广泛应用的压电式压力传感器具有良好的动态响应(高频可达400kHz)，还有机械强度高、耐疲劳、耐振动，耐高温，体积小及寿命长等优点；压电免疫传感器、压电DNA传感器被应用于生物医学测量中，以达到对免疫分析、DNA识别的目的。

目前，压电传感器使用最多的材料是压电晶体和压电陶瓷，其中，压电晶体主要是石英晶体、水溶性压电晶体和铌酸锂晶体，石英晶体的灵敏度低，且没有热释电效应(由于温度变化导致电荷释放的效应)，主要用来测量大量值的力或用于准确度、稳定性要求高的场合和用来制作标准传感器；水溶性压电晶体易于受潮、机械强度低、电阻率也低，因此只限于在室温和湿度低的环境下使用；铌酸锂具有明显的各向异性力学性能，与石英晶体相比它很脆弱，而且热冲击性很差，所以在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛、急冷和急热。采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但温度稳定性和机械强度都不如石英，同时需要较高的工作温度。

压电高聚物的发展已经有三四十年的历史，Peterlin等在1967年观察了滚延聚偏氟乙烯(PVDF)的ε值，也确认了它的压电性。PVDF压电薄膜具有很强的压电性能，其电荷压电常数d比石英高10多倍，电压压电常数g的值比PZT(压电陶瓷)高约20倍，PVDF由于其良好的压电性能、灵活性、化学稳定性、生物相容性、低的声阻抗、高的带宽、加工容易、轻的质量和低成本等特点，被应用于声纳、生物医学、声学、气动和液压系统、MEMS和以MEMS为基础的领域.。

一些学者以PVDF为基础制造了不同应用的传感器。Shrinov等通过将PVDF薄膜封装在PVDF材料上制造了压力传感器，Gonzalez等制造的PVDF压力传感器应用在生物医学方面，Jingang等模拟并成功地试验了以PVDF为基础的形变和运动传感器。

PVDF的压电性能主要决定于β相PVDF的含量，目前，制备β相PVDF的方法主要有高压结晶法、电场极化法和单轴热拉伸法。前两种方法对实验条件和设备的要求比较苛刻，而用后一种方法容易产生缺陷。Bhoopesh P.Mahale等人采用旋转涂布的方法制备β相PVDF，要对旋转速度和时间进行最优控制以获得理想厚度和β相的PVDF薄膜。

以上PVDF薄膜制造工艺过程复杂，温度、极化电压等条件都需要严格的控制。

中国专利CN1250158公开一种压电式压力传感器，两种压力传感器。均使用由非晶体氯化聚乙烯、晶体氯化聚乙烯和压电陶瓷粉末组成的压电复合材料。第一种是压电电缆，包括由金属螺旋丝及填充其间的绝缘微细聚合物纤维组成的内导电体、环包内导电体的压电复合物层、由附在聚合物薄膜上的金属薄膜构成的外导电体。金属薄膜与压电复合物层相触接但与内导电体相分离，和防护套。第二种是平面式压力传感器。包括平面形压电复合物层，夹在两聚合物薄膜上的两金属薄膜导电体之间。金属薄膜与复合物层触接，但相互分离。

中国专利CN101573600公开一种压力传感器，所述压力传感器包括设置在光纤内的光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器、光纤应变传感器承载杆和压力增强套管。承载杆由第一玻璃纤维环氧树脂复合材料形成，所述第一玻璃纤维环氧树脂复合材料具有在应变感测方向上的第一刚度/弹性模量。套管由第二复合材料形成，所述第二复合材料与承载杆的在应变感测方向上的轴向刚度相比具有更低的在应变感测方向上的轴向刚度。在所施加的静液压载荷下，套管将轴向压缩载荷施加到杆在套管的部分上。杆受到的轴向压缩应变与如果不存在套管时产生在杆内的轴向压缩应变相比因此在套管内的区域内增加。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术中存在的PVDF压电薄膜工艺过程复杂、制造条件严格的问题，提供一种灵敏度较高的基于纳米压电纤维的压力传感器。