[发明专利]一种高压电活性柔性复合膜压电传感器及其制备方法

说明书

本发明属于应用于医学监测的医疗设备领域，具体涉及一种高压电活性柔性复合膜压电传感器及其制备方法，该传感器呈中间对称结构，位于传感器中部的中间层为一平整的致密氟化乙丙烯(FEP)薄膜层，中间层两侧从内到外依次对称设置有纤维状多孔聚四氟乙烯(f‑PTFE)薄膜层、致密氟化乙丙烯(FEP)薄膜和外部电极层，且f‑PTFE薄膜层、FEP薄膜层和外部电极层为紧密贴合的凹凸纹理结构。本发明还公开了该压电传感器的制备方法。该压电传感器件具备超高的外力检测灵敏度，使外力所致器件输出增加，可有效降低传感器后期信号处理的复杂性，尤其适用于生命体征及运动行为的检测。

技术领域

本发明属于应用于医学监测的医疗设备领域，具体涉及一种高压电活性柔性复合膜压电传感器及其制备方法，其具备超高的外力检测灵敏度，可有效降低传感器后期信号处理的复杂性。

背景技术

随着家庭医疗电子的发展和应用，生命体征(诸如：心率、脉搏、血压和呼吸等)及人体运动行为(诸如：眨眼和说话时的肌肉动作等)的移动监测将面临广泛的应用需求，而此类信号的输出非常微弱且干扰较高，需要检测传感器具有较高灵敏度，而且面对于轻量化、长时间的连续检测，传感器的驱动功耗问题日益突出。

目前，电阻(工作电压为2-12V)和电容式传感器(工作电压为8-100V)，其长时间连续工作时需要额外的能源储存装置为其提供连续的工作电源，则限制了其进一步应用。相比之下，压电式传感器为主动传感器，即在外力作用下，器件材料发生形变，其内部产生正负电荷中心分离，同时在其两个相对表面表现出极性相反的感应电荷现象，进而在材料的两个电极表面产生了一定的电势差。由于压电材料在外力的变化作用下，可输出随之变化的电压信号，该信号可用作传感信号，此器件作为传感器完全无需外部电源驱动，且可通过合理设计，因外力所产生的能量可用于驱动其它有源器件。因此，压电材料用作低功耗应用场合，特别是用于生命体征及运动行为检测方面的传感器件具有先天优势。

为使传感器更好地检测生命体征及运动行为，其应具有较高的灵敏度，即传感器件对单位外力所致响应量的变化程度，针对压电传感器，灵敏度可用V/Pa或者pC/N进行表示，此单位与压电材料的压电系数d33的单位一致。因此，传感器件压电系数越高，其灵敏度越高。

然而以经典的钙钛矿结构的锆钛酸铅(PZT)为代表的陶瓷压电材料的压电系数d₃₃为250～700pC/N，其块材易碎，且含有高毒的铅元素，限制了其进一步的应用。传统的柔性聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜和氧化锌(ZnO)纳米线阵列其压电系数非常小，相对之下，申请号为200610025009.3、200610117068.3和200910056560.8的中国发明专利中均提出了不同的高压电系数的聚合物压电驻极体，此类多孔结构的聚合物薄膜在经过电极化处理之后表现出突出的压电特性，研究中报道可以高达2000pC/N，但是将其用于生命体征及运动行为监测，其信号输出十分微弱，需要较为复杂的信号处理电路方可提取出有效信号。

在传感器件的设计中，传感器材料的制备的难易程度不仅关系着传感器的成本价格，往往更能决定其应用程度。申请号为201510245645.1和201510382883.1的中国发明专利中提出了成本较低的压电驻极体材料的制备方法，但是由其所制备的压电驻极体的压电系数却很难得以大幅度提高。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种新的压电传感器，使其具有较高的压电系数和灵敏度，在用于生命体征及运动行为监测时，能够提取到精确的信号，以满足家庭医疗监测的需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高压电活性柔性复合膜压电传感器及其制备方法，通过合理设计热压印模版以及复合膜的复合工艺，采用简易的三步热压印法制备压电系数高达7380pC/N的FEP和f-PTFE柔性压电驻极体复合膜压电传感器，该压电传感器件具备超高的外力检测灵敏度，使外力所致器件输出增加，可有效降低传感器后期信号处理的复杂性，尤其适用于生命体征及运动行为的检测。