一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件包括：多條并聯(lián)的壓電復(fù)合條，每一條壓電復(fù)合條為具波浪形曲面的長條；相鄰的壓電復(fù)合條的起伏形狀相間；壓電復(fù)合條固化在柔性封裝體中；多條并聯(lián)的壓電復(fù)合條在兩端分別相連；在其中的一端的上表面和下表面分別設(shè)置電極引出；本發(fā)明采用具有波浪形曲面的壓電復(fù)合條，從而提供了一個預(yù)應(yīng)力，會極大提高壓電復(fù)合器件的靈敏度和壓電輸出信號；在敲打時產(chǎn)生很大的輸出開路電壓和短路電流，在充電可穿戴設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景；并且能夠作為能量回收器件；同時對人體的脈搏信號有良好的響應(yīng)，能夠作為血壓脈搏傳感器。
【專利說明】
一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及壓電器件技術(shù)，具體涉及一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可穿戴設(shè)備在機(jī)器人觸覺和人類健康檢測等領(lǐng)域具有很重要的發(fā)展前景。目前為止，人們獲取外界信號和收集運(yùn)動過程浪費(fèi)的能量主要基于外力引起的電荷信號的變化， 工作原理包括壓電、摩擦起電和壓阻等效應(yīng)。在這些機(jī)制中，壓電效應(yīng)由于具有強(qiáng)的機(jī)電耦合性能被廣泛的利用在能量回收器件和力壓傳感器上。目前常用的壓電材料包括ZnO、 BaTi03、PVDF、PZT等。與傳統(tǒng)無機(jī)壓電陶瓷相比，聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物P(VDF-TrFE)具有壓電電壓系數(shù)較高、柔性、化學(xué)穩(wěn)定、環(huán)保和生物相容性，容易被加工成大面積的薄膜等優(yōu)點(diǎn)，適合將其制作成高靈敏的傳感器和能量回收器件。然而，與傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料相比，PVDF的壓電性質(zhì)差得多?？蒲泄ぷ魍ㄟ^各種方法希望提高PVDF的壓電性能，其中設(shè)計(jì)一種新的幾何結(jié)構(gòu)提高機(jī)電轉(zhuǎn)換是一個簡單又實(shí)用的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件及其制備方法和應(yīng)用，采用復(fù)合薄膜的波浪形結(jié)構(gòu)，使得在相同外力作用下壓電結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力/應(yīng)變增強(qiáng)，從而使得壓電結(jié)構(gòu)生成的輸出電壓最大化。
[0004] 本發(fā)明的一個目的在于提出一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件。
[0005] 本發(fā)明的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件包括:多條并聯(lián)的壓電復(fù)合條;每一條壓電復(fù)合條采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括彈性金屬薄片和形成在彈性金屬薄片上的有機(jī)壓電薄膜;有機(jī)壓電薄膜采用聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物;有機(jī)壓電薄膜的表面偶極子排列有序形成極性;每一條壓電復(fù)合條為具波浪形曲面的長條;相鄰的壓電復(fù)合條的起伏形狀相間； 壓電復(fù)合條固化在柔性封裝體中；多條并聯(lián)的壓電復(fù)合條在兩端分別相連;在其中的一端的上表面和下表面分別設(shè)置電極引出。
[〇〇〇6] 彈性金屬薄片的厚度在10讓?2000M1;有機(jī)壓電薄膜的厚度在lOym?lOOym之間； 有機(jī)壓電薄膜與彈性金屬薄片的面積相同，最小的面積尺寸為lmmX5mm;可根據(jù)實(shí)際情況增加壓電復(fù)合條的個數(shù)及調(diào)整尺寸，波浪形壓電復(fù)合器件的一個波浪長度在1_?100mm之間。
[0007] 柔性封裝體的材料采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0008] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件的制備方法。
[0009] 本發(fā)明的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件的制備方法，包括以下步驟:
[0010] 1)在彈性金屬薄片的表面形成有機(jī)壓電薄膜，并對有機(jī)壓電薄膜進(jìn)行極化，形成
復(fù)合薄膜；
[0011] 2)將復(fù)合薄膜分割成多條復(fù)合薄膜長條；
[0012] 3)采用支撐物交替地將多條復(fù)合薄膜長條支撐起，每一條復(fù)合薄膜長條被周期性地支撐起，相鄰的復(fù)合薄膜長條的支撐物相間，并將多條并列排列的多條復(fù)合薄膜長條的兩端分別聯(lián)接；
[0013] 4)將步驟3)得到的有支撐物支撐的復(fù)合薄膜長條放入聚二甲基硅氧烷PDMS溶液中固化封裝；
[0014] 5)聚二甲基硅氧烷固化后形成柔性封裝體，復(fù)合薄膜長條的曲面在柔性封裝體中形狀固定后，取出支撐物，形成多條并聯(lián)的具有波浪形曲面的壓電復(fù)合條；
[0015] 6)在并聯(lián)的壓電復(fù)合條的一端的上表面和下表面分別設(shè)置電極引出。
[0016] 在步驟1)中，形成復(fù)合薄膜包括以下步驟:
[〇〇17] a)將彈性金屬薄片固定在真空干燥器內(nèi)的水平臺上，確保彈性金屬薄片的表面水平；
[0018] b)將含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的溶液滴加在彈性金屬薄片的表面，溶液由于表面張力在彈性金屬薄片的表面內(nèi)逐漸形成具有一定厚度的薄膜；
[0019] c)開啟機(jī)械栗直到彈性金屬薄片表面的大部分溶液的溶劑蒸發(fā)；
[0020] d)將彈性金屬薄片放入真空干燥箱烘干，溫度在100?140°C之間，時間在10? 14h，退火結(jié)晶，在彈性金屬薄片的表面形成有機(jī)壓電薄膜；
[0021] e)對有機(jī)壓電薄膜進(jìn)行極化，使得表面偶極子排列有序形成極性，從而形成復(fù)合
薄膜。
[〇〇22]其中，在步驟b)中，將聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的粉末溶入溶劑中， 從而形成含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的溶液。聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的濃度在5 %?25 %之間。
[〇〇23]在步驟e)中，將形成在彈性金屬薄片表面的有機(jī)壓電薄膜放入60?100°C的硅油中，施加電場，電場強(qiáng)度在50?100MV nf1之間，極化時間在20?60min之間。
[0024] 在步驟2)中，每一條復(fù)合薄膜長條的寬度在1?5_之間。
[0025] 本發(fā)明的又一目的在于提供一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件用于能量回收器件和血壓脈搏傳感器的用途。
[0026] 經(jīng)測試表明，本發(fā)明的壓電復(fù)合器件，在不同頻率諧振器的敲打下，隨著頻率增加，輸出電壓增大，并且用手指敲擊下產(chǎn)生很大的輸出開路電壓和短路電流，在充電可穿戴設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景;對人體走路時能夠產(chǎn)生很大的輸出電壓，可以用作能量回收器件;同時對人體的脈搏信號有良好的響應(yīng)，能夠作為血壓脈搏傳感器。
[〇〇27]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0028] 本發(fā)明的壓電復(fù)合器件采用多條并聯(lián)的壓電復(fù)合條，壓電復(fù)合條為具有波浪形曲面的長條，從而提供了一個預(yù)應(yīng)力，會增強(qiáng)壓電復(fù)合器件的靈敏度和提高壓電輸出信號;在敲打時產(chǎn)生很大的輸出開路電壓和短路電流，在充電可穿戴設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景； 并且能夠作為能量回收器件；同時對人體的脈搏信號有良好的響應(yīng)，能夠作為血壓脈搏傳感器。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件的一個實(shí)施例的示意圖，其中，圖1(a)為立體圖，圖1(b)為側(cè)視圖；
[〇〇3〇]圖2(a)?(f)為本發(fā)明的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件的制備方法的一個實(shí)施例的流程圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明的壓電復(fù)合器件的一個實(shí)施例與平面型結(jié)構(gòu)的電性能對比圖，其中， 圖3(a)和(b)分別為平面型壓電器件和波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件對外界壓力的響應(yīng)，圖3 (c)和(d)分別顯示了平面型壓電器件和波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件在相同拍擊下的電壓；
[0032] 圖4為本發(fā)明的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件的應(yīng)用的示意圖，其中，4(a)和3(b)分別波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件收集用手指敲擊器件表面的電壓和電流信號的曲線圖；圖4(c)為波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件記錄行走時所產(chǎn)生的電壓變化圖；圖4(d)為波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件記錄了人體脈搏的信號圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0034] 如圖1所示，本實(shí)施例的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件包括:6條并聯(lián)的壓電復(fù)合條;每一條壓電復(fù)合條采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括彈性金屬薄片1和形成在彈性金屬薄片上的有機(jī)壓電薄膜2;有機(jī)壓電薄膜采用聚偏二氟乙烯的共聚物;有機(jī)壓電薄膜的表面偶極子排列有序形成極性;每一條壓電復(fù)合條為具有波浪形曲面的長條;相鄰的壓電復(fù)合條的起伏形狀相反； 壓電復(fù)合條固化封裝在柔性封裝體3中；6條并聯(lián)的壓電復(fù)合條在兩端分別相聯(lián);在其中的一端的上表面和下表面分別設(shè)置電極4引出。柔性封裝體3的材料為PDMS。
[0035] 本實(shí)施例中，每一條壓電復(fù)合條的長度為40mm，寬度為4mm。
[0036] 如圖2所示，本實(shí)施例的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件的制備方法，包括以下步驟:
[0037] 1)在彈性金屬薄片的表面形成有機(jī)壓電薄膜，并對有機(jī)壓電薄膜進(jìn)行極化，形成復(fù)合薄膜:
[0038] a)將彈性金屬薄片1固定在真空干燥器內(nèi)的水平臺上，確保彈性金屬薄片的表面水平；
[〇〇39] b)將聚偏氟乙烯三氟乙烯的粉末溶入N二甲基甲酰胺和丙酮的溶劑中，從而形成含有8 %的聚偏氟乙烯三氟乙烯的溶液，將溶液滴加在彈性金屬薄片的表面，溶液由于表面張力在彈性金屬薄片的表面內(nèi)逐漸形成具有一定厚度的薄膜，如圖2(a)所示；
[0040] c)開啟機(jī)械栗直到彈性金屬薄片表面的大部分溶液的溶劑蒸發(fā)；
[〇〇411 d)將彈性金屬薄片放入真空干燥箱在120 °C烘干12h，退火結(jié)晶2h，在彈性金屬薄片的表面形成有機(jī)壓電薄膜2,如圖2(b)所示；
[0〇42] e)對有機(jī)壓電薄膜放入80°C的娃油中，施加電場的場強(qiáng)為60MV nf1，極化時間為 30min，使得表面偶極子排列有序形成極性，從而形成復(fù)合薄膜，如圖2(c)所示。
[〇〇43] 2)將復(fù)合薄膜從一端裁剪，另一端保持相聯(lián)，裁取6條長度為40mm，寬度為4mm的復(fù)
合薄膜長條，如圖2(d)所示。
[0044] 3)采用直徑為5_的半圓柱以垂直于長條的方向交替地穿插在多條復(fù)合薄膜長條之間，將復(fù)合薄膜長條支撐起，一條復(fù)合薄膜長條被周期性的支撐起，將裁開的一頭用聚酰亞胺膠帶固定住，如圖2(e)所示。
[0045] 4)將步驟3)得到的有支撐物支撐的復(fù)合薄膜長條放入聚二甲基硅氧烷PDMS溶液中固化封裝；
[0046] 5 )PDiK固化形成柔性封裝體3后，取出半圓柱，在PDMS中形成具有波浪形曲面的壓電復(fù)合條；
[0047] 6)在未裁開的一端的上表面和下表面將電極4引出，如圖2(f)所示。
[0048] 將制備得到的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件進(jìn)行測試:
[0049] 1)利用一個激振器對器件的表面進(jìn)行不同頻率的敲打，利用示波器記錄兩種器件的電學(xué)性能。如圖3(a)和(b)所示，壓電器件對外界壓力有明顯的響應(yīng)，波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件所收集的電壓比平面型的大，而且隨著頻率的增加，電壓也逐漸提高。
[0050] 2)利用機(jī)械加載裝置敲打器件的一端，測試其彎曲所產(chǎn)生的電壓。如圖3(c)和 (d)，圖3(c)和(d)分別顯示平面型壓電器件和波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件在相同拍擊下的電壓。圖3(c)中的插圖顯示了在實(shí)驗(yàn)中使用的機(jī)械加載裝置機(jī)器的照片，和圖3(d)中的插圖顯示了機(jī)械加載過程中，器件阻尼振蕩的電壓變化放大圖。波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件能產(chǎn)生高達(dá)60V峰值電壓，而平面型壓電器件所產(chǎn)生的電壓峰值為40V。
[〇〇511本實(shí)施例的應(yīng)用:
[0052] 1)手指敲打下的電學(xué)響應(yīng)，具體步驟如下:將波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件與示波器和電化學(xué)工作站相連，用手指敲擊器件表面，收集電壓和電流信號如圖4(a)和4(b)所示。
[0053] 2)行走過程中用作能量回收器件，具體步驟如下:將波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件粘在鞋墊下，如圖4(c)中的插圖所示，將波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件與示波器相連接，記錄行走時所產(chǎn)生的電壓變化，如圖4(c)所示。
[0054] 3)用作血壓脈搏傳感器測試脈搏信號，具體步驟如下:波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件通過一個電荷放大器和示波器相連接，將波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件用雙面膠粘結(jié)在手腕上如圖4(d)的左上插圖所示，圖4(d)中記錄了人體脈搏的信號，可以右圖中看到脈搏信號的周期以及強(qiáng)弱，圖4(d)的右上圖是脈搏信號的放大圖，明顯可以看到一個脈搏周期內(nèi)不同強(qiáng)度的脈搏信號。
[0055] 最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件，其特征在于，所述壓電復(fù)合器件包括:多條并聯(lián)的壓 電復(fù)合條;每一條壓電復(fù)合條采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括彈性金屬薄片和形成在彈性金屬薄片上 的有機(jī)壓電薄膜;所述有機(jī)壓電薄膜采用聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物;所述有 機(jī)壓電薄膜的表面偶極子排列有序形成極性;每一條壓電復(fù)合條為具波浪形曲面的長條； 相鄰的壓電復(fù)合條的起伏形狀相間；所述壓電復(fù)合條固化在柔性封裝體中；多條并聯(lián)的壓 電復(fù)合條在兩端分別相連;在其中的一端的上表面和下表面分別設(shè)置電極引出。2.如權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合器件，其特征在于，所述彈性金屬薄片的厚度在10wii? 2000WI1;所述有機(jī)壓電薄膜的厚度在lOym?lOOym之間。3.如權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合器件，其特征在于，所述有機(jī)壓電薄膜與彈性金屬薄片 的面積相同，最小的面積尺寸為l_X5mm。4.如權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合器件，其特征在于包含多個波浪型壓電復(fù)合器件，波浪 形壓電復(fù)合器件的一個波浪長度在1_?1 〇〇_之間。5.如權(quán)利要求1所述的壓電復(fù)合器件，其特征在于，所述柔性封裝體的材料采用聚二甲 基娃氧fePDMS。6.—種波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步 驟: 1) 在彈性金屬薄片的表面形成有機(jī)壓電薄膜，并對有機(jī)壓電薄膜進(jìn)行極化，形成復(fù)合 薄膜； 2) 將復(fù)合薄膜分割成多條復(fù)合薄膜長條； 3) 采用支撐物交替地將多條復(fù)合薄膜長條支撐起，每一條復(fù)合薄膜長條被周期性地支 撐起，相鄰的復(fù)合薄膜長條的支撐物相間，并將多條并列排列的多條復(fù)合薄膜長條的兩端 分別聯(lián)接； 4) 將步驟3)得到的有支撐物支撐的復(fù)合薄膜長條放入聚二甲基硅氧烷PDMS溶液中固 化封裝； 5) 聚二甲基硅氧烷固化后形成柔性封裝體，復(fù)合薄膜長條的曲面在柔性封裝體中形狀 固定后，取出支撐物，形成多條并聯(lián)的具有波浪形曲面的壓電復(fù)合條； 6) 在并聯(lián)的壓電復(fù)合條的一端的上表面和下表面分別設(shè)置電極引出。7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟1)中，形成復(fù)合薄膜包括以下步 驟: a) 將彈性金屬薄片固定在真空干燥器內(nèi)的水平臺上，確保彈性金屬薄片的表面水平； b) 將含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的溶液滴加在彈性金屬薄片的表面， 溶液由于表面張力在彈性金屬薄片的表面內(nèi)逐漸形成具有一定厚度的薄膜； c) 開啟機(jī)械栗直到彈性金屬薄片表面的大部分溶液的溶劑蒸發(fā)； d) 將彈性金屬薄片放入真空干燥箱烘干，退火結(jié)晶，在彈性金屬薄片的表面形成有機(jī) 壓電薄膜； e) 對有機(jī)壓電薄膜進(jìn)行極化，使得表面偶極子排列有序形成極性，從而形成復(fù)合薄膜。8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，在步驟b)中，將聚偏二氟乙烯或聚偏二 氟乙烯的共聚物的粉末溶入溶劑中，從而形成含有聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物 的溶液;所述聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯的共聚物的濃度在5%?25%之間。9.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，在步驟e)中，將形成在彈性金屬薄片表 面的有機(jī)壓電薄膜放入60?100°C的硅油中，施加電場，電場強(qiáng)度在50?1OOMV nf1之間，極 化時間在20?60min之間。10.—種權(quán)利要求1所述的波浪形結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合器件用于能量回收器件和血壓脈搏傳 感器的用途。
【文檔編號】H01L41/18GK106025060SQ201610559925
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】董蜀湘, 游蘇健
【申請人】北京大學(xué)