半椭圆柔性基底PVDF压电传感器设计及研究

摘要

用于可穿戴设备的传感器应同时具备良好的柔韧性和高灵敏度，PVDF压电薄膜以其优良的性能可以同时满足以上两点要求。诸多研究都认为具有曲面柔性基底的PVDF薄膜传感器比平面基底的传感器具有更高的灵敏度。如果将平面变化到半圆看作是一个渐变的过程，则存在半椭圆，因此本文提出了半椭圆柔性基底的PVDF薄膜传感器结构。在不同的应用场合，根据约束的不同将传感器分为等弦长、等弧长两类。本文主要研究了在集中力作用下，半椭圆柔性基底的尺寸对PVDF薄膜传感器灵敏度的影响。 本文首先对半椭圆柔性基底在1N集中力作用下，基底表面的应变分布进行了ANSYS仿真。仿真结果表明，当短半轴b的长度在较大范围内，半椭圆柔性基底受集中力时产生的平均应变要高于半圆柔性基底，这表明半椭圆柔性基底会起到提高传感器灵敏度的作用；然后，仿真了等弦长、等弧长两类传感器在集中力作用下的输出电压，发现半圆、半椭圆柔性基底PVDF薄膜传感器的输出电压都要高于平面传感器，在合适的基底尺寸下，半椭圆柔性基底PVDF薄膜传感器的是输出电压要高于半圆传感器；随着短半轴b的增大，半椭圆基底PVDF薄膜传感器的输出电压呈现出先增大后减小的趋势；当等弦长传感器取得最大电压时，a/b=2/1，当等弧长传感器取得最大电压时，a/b=9/5。柔性基底的尺寸越小，半椭圆、半圆传感器的输出电大。 本文制作了长半轴a与短半轴b的尺寸组合分别为（3mm，1mm）、（3mm，1.5mm）、（3mm，2mm）、（4mm，2.5mm）、（5mm，3mm）的五种半椭圆PDMS基底PVDF薄膜传感器，分别编以1-5号，并分别测试了每个传感器的电压灵敏度和频率响应。由实验结果可知，五个传感器的电压灵敏度与ANSYS仿真结果接近，具有良好的低频特性，且2号传感器具有最高的电压灵敏度。然后，选用了2号、4号、5号三个传感器进行了人体脉搏测量实验，测量结果同样表明2号传感器测量效果最好，具有最大脉搏波峰。但在测量过程中发现，所使用的腕带的松紧程度对测量结果也有较大的影响，只有当腕带松紧度适宜时，人体脉搏图像才具有明显的波峰和波谷以及清晰的细节。 综上所述，为了使半椭圆PDMS基底PVDF薄膜传感器受集中力作用时具有较高的电压灵敏度，半椭圆柔性基底设计规则是：对于长半轴a在2～8mm范围内的等弦长传感器，长半轴a的长应为短半轴b的2倍；对于PVDF薄膜长度在2π～8πmm的等弧长传感器，长半轴a的从应为短半轴b的1.8倍。

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