本實(shí)用新型涉及智能硬件傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種駐極體自驅(qū)動(dòng)微碰撞壓力傳感器。

背景技術(shù)：

微碰撞壓力傳感器是一種非常重要的功能部件，是一種通過(guò)傳感元件感受外部碰撞壓力信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。傳統(tǒng)上，根據(jù)工作原理的不同，微碰撞壓力傳感器一般分為壓電式、壓阻式和電容式三種類型。傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器的敏感元件主要為由敏感薄膜與平行電極組成的電容器。當(dāng)受到外界壓力作用時(shí)，電容器敏感薄膜會(huì)發(fā)生變形,從而通過(guò)測(cè)量其平行電極之間的電容變化來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力大小的檢測(cè)。這種傳感器特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能低，靈敏度高，穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)為了更快的響應(yīng)速度和更高的靈敏度，人們通常選擇具有極高彈性變形度的絕緣材料，以便在受到較小的壓力時(shí)，獲得較大的變形，從而產(chǎn)生更大的電容變化量，由此提高響應(yīng)速度和靈敏度。發(fā)展一種不需要外部電源就可以工作的瞬態(tài)壓力傳感技術(shù)是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵，摩擦納米發(fā)電機(jī)的成功研制使該方法成為可能。但是，由于接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)的電流輸出密度較低，一般需要較大的面積才能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的有效驅(qū)動(dòng)。因此，到目前為止，尚未有自驅(qū)動(dòng)式瞬態(tài)壓力傳感裝置被報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理、使用方便的駐極體自驅(qū)動(dòng)微碰撞壓力傳感器，不需要額外的外接電源，當(dāng)器件受到微碰撞壓力時(shí)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能到電能的有效轉(zhuǎn)換，從而可以有效探測(cè)壓力信號(hào)；發(fā)出的電壓及電流相比其它原理高，更便于傳感器使用；充分利用器件結(jié)構(gòu)的空腔以及支撐架子的彈性，能夠極大提高器件的靈敏性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：它包含下柔性材料基底載體、下金屬電極層、下絕緣環(huán)形支撐架、駐極體薄膜電極、駐極體薄膜、上絕緣環(huán)形支撐架、上金屬電極層、上柔性材料基底載體；下金屬電極層的下部設(shè)有下柔性材料基底載體，下金屬電極層的上部設(shè)有下絕緣環(huán)形支撐架，下絕緣環(huán)形支撐架的內(nèi)部設(shè)有下絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔，下絕緣環(huán)形支撐架的上部設(shè)有駐極體薄膜電極，駐極體薄膜電極的上部設(shè)有駐極體薄膜，駐極體薄膜的上部設(shè)有上絕緣環(huán)形支撐架，上絕緣環(huán)形支撐架的內(nèi)部設(shè)有上絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔，上絕緣環(huán)形支撐架的上部設(shè)有上金屬電極層，上金屬電極層的上部設(shè)有上柔性材料基底載體。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜為單面電極的針尖高壓極化式駐極體薄膜。其設(shè)計(jì)依據(jù)駐極體的靜電感應(yīng)，當(dāng)駐極體薄膜兩面的電極空間位置因?yàn)橥饨鐗毫Πl(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的下金屬電極層、上金屬電極層與駐極體薄膜電極的電極電壓及電荷能發(fā)生相應(yīng)變化，其輸出的電流及電壓可可表征壓力的大小，從而實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)微碰撞壓力的測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜兩端的電極空間距離為1μm-100mm。

進(jìn)一步地，所述的下金屬電極層和上金屬電極層為輸出導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，所述的上金屬電極層和駐極體薄膜電極為輸出導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，所述的下金屬電極層與駐極體薄膜電極為輸出導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，所述的下絕緣環(huán)形支撐架為韌性及高彈性下絕緣環(huán)形支撐架，作為位置距離變化的載體，其材料一般選用橡膠帶、硅膠、PDMS等。

進(jìn)一步地，所述的上絕緣環(huán)形支撐架為韌性及高彈性上絕緣環(huán)形支撐架，作為位置距離變化的載體，其材料一般選用橡膠帶、硅膠、PDMS等。

進(jìn)一步地，所述的下絕緣環(huán)形支撐架和上絕緣環(huán)形支撐架的厚度均為

0.2mm-3mm，面積均為0.2cm²-10cm²。

進(jìn)一步地，所述的下絕緣環(huán)形支撐架和上絕緣環(huán)形支撐架的平面結(jié)構(gòu)均為三角環(huán)形、梯形環(huán)形、圓環(huán)形、正方環(huán)形、長(zhǎng)方形環(huán)形等。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜采用聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙或左旋聚乳酸制成，其厚度為10μm-10mm。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜電極為鋁、金、銅或銀等，生長(zhǎng)電極的方式可采用電子束蒸發(fā)或者磁控濺射方式，駐極體薄膜電極的厚度為1nm-2μm。

進(jìn)一步地，所述的下柔性材料基底載體與上柔性材料基底載體的厚度均為10μm-2mm，其面積分別為下絕緣環(huán)形支撐架與上絕緣環(huán)形支撐架面積的1.2-2倍，兩者均采用硬質(zhì)Kapton、PET等材料制成，作用是提供手壓面。

采用上述結(jié)構(gòu)后，本實(shí)用新型有益效果為：

1、不需要額外的外接電源，是一種自驅(qū)動(dòng)式的微碰撞壓力傳感技術(shù)，當(dāng)器件受到微碰撞壓力時(shí)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能到電能的有效轉(zhuǎn)換，從而可以有效探測(cè)壓力信號(hào)；

2、發(fā)出的電壓及電流相比其它原理高，更便于傳感器使用；

3、充分利用器件結(jié)構(gòu)的空腔以及支撐架子的彈性，能夠極大提高器件的靈敏性。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的原理圖。

圖3是本實(shí)用新型短路電流曲線圖。

圖4是本實(shí)用新型開(kāi)路電壓曲線圖。

圖5是本實(shí)用新型壓力測(cè)試曲線圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

下柔性材料基底載體1、下金屬電極層2、下絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔3、下絕緣環(huán)形支撐架4、駐極體薄膜電極5、駐極體薄膜6、上絕緣環(huán)形支撐架7、上金屬電極層8、上絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔9、上柔性材料基底載體10。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。

參看圖1-圖5所示，本具體實(shí)施方式采用的技術(shù)方案是：它包含下柔性材料基底載體1、下金屬電極層2、下絕緣環(huán)形支撐架4、駐極體薄膜電極5、駐極體薄膜6、上絕緣環(huán)形支撐架7、上金屬電極層8、上柔性材料基底載體10；下金屬電極層的下部設(shè)有下柔性材料基底載體1，下金屬電極層2的上部設(shè)有下絕緣環(huán)形支撐架4，下絕緣環(huán)形支撐架4的內(nèi)部設(shè)有下絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔3，下絕緣環(huán)形支撐架4的上部設(shè)有駐極體薄膜電極5，駐極體薄膜電極5的上部設(shè)有駐極體薄膜6，駐極體薄膜6的上部設(shè)有上絕緣環(huán)形支撐架7，上絕緣環(huán)形支撐架7的內(nèi)部設(shè)有上絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔9，上絕緣環(huán)形支撐架7的上部設(shè)有上金屬電極層8，上金屬電極層8的上部設(shè)有上柔性材料基底載體10，上述各層之間均用膠黏接，采用下柔性材料基底載體1與上柔性材料基底載體10的目的是作為壓力傳感器手壓面，同時(shí)可作為下金屬電極層2與上金屬電極層8的載體，下金屬電極層2與上金屬電極層8的作用是與駐極體薄膜6形成感應(yīng)電壓及電荷，下絕緣環(huán)形支撐架4與上絕緣環(huán)形支撐架7的作用是提供厚度方向可變空腔孔，從而造成下金屬電極層2、上金屬電極層8與駐極體薄膜電極5的電極電壓及電荷能發(fā)生相應(yīng)變化；駐極體薄膜電極5的作用不僅可提供正常單電極的駐極體極化方式，還可作為額外的電壓或者電荷輸出方式，從而亦可以表征及感知壓力信號(hào)；下絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔3與上絕緣環(huán)形支撐環(huán)空腔孔9的作用是提供空氣介質(zhì)而增大靜電感應(yīng)效應(yīng)效果。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜6為單面電極的針尖高壓極化式駐極體薄膜。其設(shè)計(jì)依據(jù)駐極體的靜電感應(yīng)，當(dāng)駐極體薄膜6兩面的電極空間位置因?yàn)橥饨鐗毫Πl(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的下金屬電極層2、上金屬電極層8與駐極體薄膜電極5的電極電壓及電荷能發(fā)生相應(yīng)變化，其輸出的電流及電壓可可表征壓力的大小，從而實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)微碰撞壓力的測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜6兩端的電極空間距離為1μm-100mm。

進(jìn)一步地，所述的下金屬電極層2和上金屬電極層8為輸出導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，所述的上金屬電極層8和駐極體薄膜電極5為輸出導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，所述的下金屬電極層2與駐極體薄膜電極5為輸出導(dǎo)線。

進(jìn)一步地，所述的下絕緣環(huán)形支撐架4為韌性及高彈性下絕緣環(huán)形支撐架，作為位置距離變化的載體，其材料一般選用橡膠帶、硅膠、PDMS等。

進(jìn)一步地，所述的上絕緣環(huán)形支撐架7為韌性及高彈性上絕緣環(huán)形支撐架，作為位置距離變化的載體，其材料一般選用橡膠帶、硅膠、PDMS等。

進(jìn)一步地，所述的下絕緣環(huán)形支撐架4和上絕緣環(huán)形支撐架7的厚度均為0.2mm-3mm，面積均為0.2cm²-10cm²。

進(jìn)一步地，所述的絕緣環(huán)形支撐架4和上絕緣環(huán)形支撐架7的平面結(jié)構(gòu)均為三角環(huán)形、梯形環(huán)形、圓環(huán)形、正方環(huán)形、長(zhǎng)方形環(huán)形等。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜6采用聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙或左旋聚乳酸制成，其厚度為10μm-10mm。

進(jìn)一步地，所述的駐極體薄膜電極5為鋁、金、銅或銀等，生長(zhǎng)電極的方式可采用電子束蒸發(fā)或者磁控濺射方式，駐極體薄膜電極5的厚度為1nm-2μm。

進(jìn)一步地，所述的下柔性材料基底載體1與上柔性材料基底載體10的厚度均為10μm-2mm，其面積分別為下絕緣環(huán)形支撐架4與上絕緣環(huán)形支撐架7面積的1.2-2倍，兩者均采用硬質(zhì)Kapton、PET等材料制成，作用是提供手壓面。

本具體實(shí)施方式的工作原理：駐極體薄膜經(jīng)高壓針尖極化，其長(zhǎng)期具有穩(wěn)定的高表面電荷以及高的表面電壓，當(dāng)駐極體自驅(qū)動(dòng)微碰撞力傳感器受到微碰撞力時(shí)，駐極體薄膜兩邊的空腔孔會(huì)發(fā)生相對(duì)應(yīng)的形變，依據(jù)靜電感應(yīng)效應(yīng)，空腔孔兩端的電極上的表面電荷與表面電壓會(huì)發(fā)生相對(duì)應(yīng)的變化，電荷會(huì)作為電能將通過(guò)傳輸導(dǎo)線輸出，從而實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)式微碰撞力的測(cè)量。

本具體實(shí)施方式的數(shù)學(xué)原理：基于駐極體薄膜6表面電荷及表面電壓，其在上下電極上面的靜電力模型F_e為

其中ε是空氣介電系數(shù)，A是駐極體薄膜的面積，Q是駐極體薄膜的電荷總數(shù)，x是上下電極的空間距離；

依據(jù)電容電荷與電壓V的公式，可得，

求解上面公式(1)與(2)，簡(jiǎn)化可得，

其中V_r是修正電壓。

采用上述結(jié)構(gòu)后，本具體實(shí)施方式有益效果為：本具體實(shí)施方式所述的一種駐極體自驅(qū)動(dòng)微碰撞壓力傳感器，不需要額外的外接電源，當(dāng)器件受到微碰撞壓力時(shí)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能到電能的有效轉(zhuǎn)換，從而可以有效探測(cè)壓力信號(hào)；發(fā)出的電壓及電流相比其它原理高，更便于傳感器使用；充分利用器件結(jié)構(gòu)的空腔以及支撐架子的彈性，能夠極大提高器件的靈敏性，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)置合理，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)。

以上所述，僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案所做的其它修改或者等同替換，只要不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。