一种SNNPVDF柔性压电传感器及其制备

本发明涉及柔性传感器领域，具体涉及到一种snn/pvdf柔性压电传感器及其制备。

背景技术：

1、随着信息技术的快速发展，人们对柔性压电传感器的需求逐渐增加。柔性压电传感器能与各种复杂结构贴合在一起，灵敏地将人体、物体和环境交互过程中的各种外部信号转化为电信号，最终实现多维空间的柔性感知。同时，由于压电材料的自供电、轻质性等特性，也使得该器件兼具了低功耗、灵敏度高和轻量化的优点。柔性压电传感器一直是研究和应用的热点。

2、柔性压电传感器所依赖的关键部件，是那些能够实时监测周围环境变化并作出反应的压电材料。在现代传感器技术的发展中，0-3型压电复合材料以其独特的性能成为了一种被广泛应用的压电敏感元件。这种材料由高性能压电陶瓷颗粒与其他高分子聚合物复合而成。通过精确控制材料的成分、比例以及制备工艺，可以确保该材料适用于各种应用场合，如生物医学、汽车安全系统、工业监测等领域，并在使用过程中保证高灵敏度、高速响应以及高可靠性，展现出巨大的应用潜力和价值。

3、铅基铁电陶瓷高温环境也导致含铅氧化物挥发，降低器件的稳定性和使用寿命。因此，无铅压电陶瓷亟待被开发。铌酸锶钠(sr2nanb5o15,简称snn)是钨青铜结构的无铅压电陶瓷，它具有高的居里温度，良好的铁电特性，且自发极化较强，光学非线性大，在介电储能领域有巨大应用潜力。聚偏二氟乙烯（pvdf）压电聚合物具有柔韧性好、化学性能稳定、延展性出色等特点，但其压电系数相比于压电陶瓷较小。将snn与pvdf复合，制备出来的0-3型压电复合材料将兼具柔性、高压电性和高灵敏度。

4、制备snn/pvdf柔性压电传感器的方法有多种，包括磁控溅射、气相沉积、溶胶-凝胶法、旋涂法和流延法等。其中，磁控溅射虽然可提高薄膜的均匀性和可沉积大面积的薄膜，但成本高、设备昂贵；气相淀积可实现多组分的薄膜制备，然而尺寸并不可控；溶胶-凝胶法工艺简单，但在高温烧结时容易破坏材料；旋涂法仅限于批量生产，且容易造成原料浪费。相比之下，流延法成本低廉、操作简单，适合用于工业生产，最重要的是，该方法可以按性能要求制备出不同组分比例的薄膜，也可以制备叠层复合材料，因此流延法是制备snn/pvdf柔性压电传感器的理想选择。

5、综上，本发明提供一种snn/pvdf柔性压电传感器及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种snn/pvdf柔性压电传感器及其制备方法。本发明利用传统固相烧结法制备了snn压电陶瓷，利用流延工艺制备了snn/pvdf压电薄膜，再经过镀电极、极化、封装一系列步骤，制作出了具有环境友好性、良好压电性、高柔韧性、可快速响应的snn/pvdf柔性压电传感器。

2、本发明通过以下步骤实现：

3、1）以srco3、na2co3、nb2o5为原料,基于化学计量比采用固相烧结法合成snn压电陶瓷粉末；

4、2）采用流延法制备snn/pvdf压电复合薄膜；

5、3）对snn/pvdf薄膜镀电极；

6、4）对snn/pvdf压电传感器进行封装。

7、优选地，步骤1）中，所述snn压电陶瓷粉末的制备，具体包括以下步骤：

8、11）将srco3、na2co3、nb2o5三种药品分别置于鼓风干燥箱中，再在50~80℃条件下烘干10~30min；

9、12）根据10：1：20的质量比分别用电子天平精确称取srco3、na2co3、nb2o5三种药品并置于球磨罐中，加适量无水乙醇在行星球磨机中球磨12~24h;

10、13）球磨所得混合溶液在90℃的烘箱中烘干，随后过筛;

11、14）过筛所得原料置于马弗炉中预烧，预烧条件为：升温3h达到1150℃，再保温12h，预烧完后再次过筛，得到后续制备snn/pvdf薄膜所需的压电陶瓷粉末。

12、优选地，步骤2）中，所述snn/pvdf压电复合薄膜的制备，具体包括以下步骤：

13、21）称取聚偏氟乙烯（pvdf）粉末溶于n,n-二甲基甲酰胺（dmf）溶液，两者质量比为1：19~1：9，并将混合溶液置于磁力搅拌器中搅拌3~6h，温度设置为40~60℃，转速为200~500r/min，得到pvdf透明溶液。

14、22）将snn粉末与pvdf透明溶液以1：19~1:4的质量比混合，再次置于磁力搅拌器中进行搅拌，温度设置为40~60℃，转速为200~500r/min, 最终得到白色胶状snn/pvdf混合溶液。

15、23）snn/pvdf混合溶液制备好之后，可倾倒于流延机的玻璃板上进行流延，待溶液均匀流延完成后，将玻璃板水平放入干燥箱中40~60℃干燥3~6h，等待snn/pvdf溶液中的dmf成分挥发，最终得到所需薄膜。

16、优选地，步骤3）中，所述对snn/pvdf薄膜镀电极，具体包括以下步骤：

17、31）裁剪薄膜得到2cm×3cm的矩形样品;

18、32）在矩形薄膜样品两表面分别贴上铜箔，作为柔性压电传感器的底部电极和顶部电极，控制铜箔面积使其略小于snn/pvdf压电薄膜的表面积；

19、优选地，步骤4）中，所述对snn/pvdf薄膜进行封装，具体包括以下步骤：在薄膜样品两侧利用导电胶粘上铜线，并用pdms薄膜进行封装，以减少外界摩擦、潮湿等对传感器带来的破坏。

20、本发明提供的柔性压电传感器包括：柔性压电薄膜层，为传感器提供压电效应，保证外界信号的感应和转换；柔性电极层，位于柔性压电薄膜层的上下表面；柔性封装层，位于带有电极层的柔性压电薄膜层的上下表面，用于抵御外界信号的干扰，同时防止外界摩擦、潮湿等对传感器带来的损失和破坏。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

22、本发明所选用的材料为不含铅的snn压电陶瓷，对环境和人体无害，且成本低廉；snn压电陶瓷性能稳定，居里温度较高，介电铁电性能良好，在介电储能领域有着很大的应用潜力；所选的制备工艺较简单，效率高，能实现任意尺寸和形状的snn/pvdf柔性压电传感器的制备；制作出的snn/pvdf柔性压电传感器具有环境友好性、良好压电性、高柔韧性，且可快速响应、耐冲击，在压力、加速度信号的监测方面具有广阔应用前景。

技术特征：

1.一种snn/pvdf柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述snn/pvdf柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，步骤11）中，所述snn压电陶瓷粉末的制备，具体包括以下步骤：

3.如权利要求1所述snn/pvdf柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，步骤12）中，所述snn/pvdf压电复合薄膜的制备，具体包括以下步骤：

4.如权利要求1所述snn/pvdf柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，步骤13）中，所述对snn/pvdf薄膜镀电极，具体包括以下步骤：

5.如权利要求1所述snn/pvdf柔性压电传感器的制备方法，其特征在于，步骤14）中，所述对snn/pvdf压电传感器进行封装，具体包括以下步骤：在薄膜样品两侧利用导电胶粘上铜线，并用pdms薄膜进行封装，以减少外界摩擦、潮湿等对传感器带来的破坏。

技术总结
本发明涉及柔性传感器技术领域，具体公开了一种SNN/PVDF柔性压电传感器及其制备。所述制备方法具体包括利用传统固相烧结法制备SNN压电陶瓷，然后选用流延工艺制备SNN/PVDF压电薄膜，再经过镀电极、极化、封装等一系列步骤获得SNN/PVDF柔性压电传感器。本发明提供的SNN/PVDF柔性压电传感器具有压电性良好、灵敏度高、可快速响应等特点，且对环境友好。

技术研发人员：廖擎玮,廖瑶瑶,李英豪,沈念一,仲超,杨虹,秦雷
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5