可自供電柔性振動(dòng)監(jiān)測(cè)電子器件的研究

王志強(qiáng)，郭 濤，石 帥，張啟威

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

0 引言

振動(dòng)檢測(cè)傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)，并能夠轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他信號(hào)，便于數(shù)據(jù)的傳輸、處理、存儲(chǔ)等。在傳統(tǒng)領(lǐng)域中，振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)于保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全不可或缺，特殊的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損壞，給科研事業(yè)及生產(chǎn)生活帶來(lái)危害。通過(guò)傳感器設(shè)備準(zhǔn)確判斷設(shè)備或結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，從而避免或減少干擾振動(dòng)信號(hào)所帶來(lái)的不利影響［1］。隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了一些包括智能穿戴、醫(yī)療檢測(cè)等新的研究領(lǐng)域，振動(dòng)量的監(jiān)測(cè)對(duì)于提高設(shè)備智能化、優(yōu)化服務(wù)人性化參數(shù)等至關(guān)重要。而隨之對(duì)傳感器的要求出現(xiàn)了變化，輕便性、可貼合性、可自供電性成為首要考慮因素。

振動(dòng)的測(cè)量方法已有較多研究。蔡晨光等［2］在實(shí)驗(yàn)中使用激光測(cè)振儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，而這種儀器體積較大。賈方秀等［3］基于DDSOG制備了一種雙質(zhì)量線振式陀螺結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了帶寬為100 Hz 的檢測(cè)，但其制作工藝煩瑣。魯軍等［4］基于磁控形狀記憶合金（MSMA）材料研制了一種振動(dòng)傳感器，從材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等推導(dǎo)出振動(dòng)傳感器的感應(yīng)電壓模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率的測(cè)量。韓屏［5］設(shè)計(jì)了一種全光纖分布式微振傳感器，進(jìn)行振動(dòng)頻率在60 kHz以內(nèi)和激勵(lì)振幅在2 V以內(nèi)的微振信號(hào)的多點(diǎn)測(cè)量。這些測(cè)量手段存在復(fù)雜的供電結(jié)構(gòu)。陳高華等［6］對(duì)壓電陶瓷振動(dòng)傳感器進(jìn)行了研究，而這種傳感器不具備柔韌性。因此，尋找一種能夠適應(yīng)新的領(lǐng)域使用的振動(dòng)監(jiān)測(cè)手段成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。柔性材料因?yàn)槠渚哂腥犴g性、靈活性，不僅容易覆合于目標(biāo)物體表面實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，還具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。同時(shí)測(cè)量值直觀表現(xiàn)為自身的電壓輸出量，不受傳統(tǒng)手段的供電電源限制。

應(yīng)用柔性材料制備的傳感器可以對(duì)包括溫度、濕度、動(dòng)作等進(jìn)行監(jiān)測(cè)［7］。但對(duì)于柔性材料在振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的研究較少。因此，本文使用由PTEE 薄膜、PVDF薄膜和鋁箔制備的柔性摩擦材料，分析其摩擦電效應(yīng)，在其自供電特性的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出一種雙螺旋結(jié)構(gòu)。對(duì)此結(jié)構(gòu)下振動(dòng)參量檢測(cè)進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)計(jì)算得出該器件的固有頻率。最后使用電動(dòng)振動(dòng)篩提供測(cè)試頻率，使用可編程靜電計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡、示波器等實(shí)驗(yàn)室儀器測(cè)試記錄了器件不同振動(dòng)頻率下的輸出性能。

1 器件制備及電效應(yīng)原理

柔性自供電檢測(cè)器件襯底由兩片PMMA（3 cm×3 cm×0.1 cm）制成。主體主要由兩部分組成：首先，負(fù)電極由兩塊尺寸為4 cm ×25 cm ×28 μm 的PVDF 薄膜面對(duì)面折疊貼在一起。其次，在PVDF 薄膜的表面涂覆尺寸為4 cm×25 cm的鋁箔，形成第一部分，如圖1（a）所示。然后在尺寸為2 cm×25 cm×0.08 mm的PTEE薄膜上再涂一層尺寸為2 cm×25 cm的鋁箔，形成第二部分，如圖1（b）所示。

圖1 制備完成的柔性材料實(shí)物圖

通過(guò)摩擦的方式使物體帶電，即為摩擦電效應(yīng)。柔性材料在振動(dòng)外力作用下，其中的鋁箔和PTEE 薄膜將完全接觸。根據(jù)摩擦電級(jí)的串聯(lián)形式，PTEE 薄膜的摩擦電負(fù)性比鋁箔大得多，因此，電子會(huì)從鋁箔流向PTEE薄膜。外力撤去時(shí)，鋁箔和PTEE 膜分離，此時(shí)電子從鋁箔的PTEE 膜流向PVDF 膜，產(chǎn)生正向電流信號(hào)（圖2（c））。然后，頂部電極完全恢復(fù)到原始狀態(tài)（圖2（d））。當(dāng)再次施加該力時(shí)，電子從頂部電極流向底部電極，形成反向電流（圖2（e））。在振動(dòng)條件下，會(huì)形成周期性接觸分離運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生周期性的交流電［8-10］。

圖2 柔性材料振動(dòng)外力下產(chǎn)生電流示意圖

2 結(jié)構(gòu)與機(jī)理

為充分利用該柔性材料的摩擦電效應(yīng)特點(diǎn)，使輸出信號(hào)易于獲取，發(fā)揮自供電優(yōu)勢(shì)。文中通過(guò)折疊PVDF薄膜部分和PTEE 薄膜部分，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，并使用膠帶將導(dǎo)線貼于兩部分的鋁箔上。其三維結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示，實(shí)物如圖4 所示。

圖3 雙螺旋柔性材料的三維結(jié)構(gòu)

圖4 雙螺旋結(jié)構(gòu)柔性材料實(shí)物圖

2.1 物理模型

為分析此結(jié)構(gòu)下的工作機(jī)理，引入一個(gè)理論模型來(lái)分析它的振動(dòng)特性。在單垂直方向激勵(lì)下，柔性材料結(jié)構(gòu)的物理模型可以看作是一個(gè)單自由度系統(tǒng)。如圖5 所示，該系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化成由質(zhì)量m、彈性系數(shù)k和空氣阻尼c組成的彈簧-質(zhì)量振動(dòng)模型［11］。

圖5 柔性材料結(jié)構(gòu)的物理模型

當(dāng)從固定端垂直方向施加位移x 時(shí)，由于其彈性特性，整個(gè)裝置將隨著這種振動(dòng)重復(fù)拉伸。由于該振動(dòng)系統(tǒng)遵循牛頓第二定律，其運(yùn)動(dòng)可以用位移微分方程來(lái)描述：

為了預(yù)測(cè)振動(dòng)器件的頻率，通過(guò)加載試驗(yàn)估算了其彈性系數(shù)k。試驗(yàn)結(jié)果表明，在施加約64 mN 的外力作用下，該裝置垂直位移為0.02 m，根據(jù)胡克定律，其彈性系數(shù)為426.6 N／m。同時(shí)，系統(tǒng)的質(zhì)量為16 g，因此確定器件的固有頻率為26 Hz。

2.2 公式推導(dǎo)分析

從外部施加的振動(dòng)信號(hào)在器件上表現(xiàn)為垂直的振幅運(yùn)動(dòng)。在振動(dòng)加速度下柔性材料結(jié)構(gòu)各部分互相擠壓導(dǎo)致壓力值變化；此外，振動(dòng)頻率的變化會(huì)使材料層級(jí)間的接觸分離時(shí)間及距離隨之變化。

由于結(jié)構(gòu)的電效應(yīng)特性以壓電為基礎(chǔ)，以柔性材料的摩擦電效應(yīng)為主。為此，首先對(duì)結(jié)構(gòu)的壓電效應(yīng)進(jìn)行理論分析。由基爾霍夫定律可知［12］

式中：C為等效電容；Q為轉(zhuǎn)移電荷量的絕對(duì)值。

在已知電場(chǎng)為0 的前提下，電荷量計(jì)算公式為

式中：d31是壓電應(yīng)變常數(shù)；p為壓力值；S為電極面積。

壓電材料的上下電極間的電容

聯(lián)立式（3）～（5），得：可知，當(dāng)PVDF薄膜厚度th一定時(shí)，輸出電壓即產(chǎn)生電荷量的多少與壓力值成正相關(guān)。

在壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高斯定理對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的摩擦電效應(yīng)進(jìn)行公式推導(dǎo)［13-14］。已知結(jié)構(gòu)由厚度為d1，相對(duì)介電常數(shù)為εr1的PVDF 薄膜和厚度為d2，

相對(duì)介電常數(shù)為εr2的PTEE薄膜構(gòu)成。

PVDF薄膜的電場(chǎng)強(qiáng)度為

式中：Q（r）為小介質(zhì)板的電荷面密度。

PTEE薄膜的電場(chǎng)強(qiáng)度為

薄膜間隙空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度為

式中：Q0（r）為PDVF薄膜上由于摩擦所帶的電荷量。

聯(lián)立公式（7）～（9），得兩電極間電壓表達(dá)式為

式中：ds為自由狀態(tài)下雙螺旋結(jié)構(gòu)的單層間距離。

由式（10）可知，輸出電壓的大小只與Q（r）和Q0（r）有關(guān)。所以，振動(dòng)的影響主要有兩個(gè)方面，首先是振動(dòng)的頻率f的變化導(dǎo)致的周期時(shí)間t的變化。

當(dāng)頻率增大，接觸分離時(shí)間變短，轉(zhuǎn)移電荷的速率增大，從而使摩擦所帶的電荷量Q0（r）增加。其次，沖擊加速度a 隨著頻率增加而增大，導(dǎo)致振動(dòng)的沖擊力F增大

造成層級(jí)間壓力的增加，根據(jù)壓電效應(yīng)公式，使得鋁板所帶電荷量Q（r）增加。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 測(cè)試條件

使用信號(hào)發(fā)生器（Tektronix AFG2021）、示波器（TDS 1012C）實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，由功率放大器（GST YE5878）驅(qū)動(dòng)，將器件置于電動(dòng)振動(dòng)篩（GST JZK-20）上，以此來(lái)控制器件的接觸與分離。采用可編程靜電計(jì)（KEITHLEY 2611 B）和數(shù)據(jù)采集卡（NI PCI-6251）對(duì)柔性振動(dòng)器件的輸出性能參數(shù)（開(kāi)路電壓）進(jìn)行采集。在振動(dòng)篩的規(guī)律性的往返運(yùn)動(dòng)下，記錄振動(dòng)檢測(cè)器件的自身輸出電壓。

3.2 測(cè)試過(guò)程

為了驗(yàn)證器件的振動(dòng)特性，將該器件通過(guò)膠帶安裝在振動(dòng)篩上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程如圖6 所示。階段1：振動(dòng)開(kāi)始時(shí)，在慣性作用下，雙螺旋結(jié)構(gòu)器件被完全壓縮，鋁箔與PTEE薄膜充分接觸，導(dǎo)致鋁箔側(cè)積聚了正電荷，PTEE 薄膜側(cè)負(fù)電荷。階段2：當(dāng)振動(dòng)篩達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，器件恢復(fù)到自由狀態(tài)。階段3：當(dāng)振動(dòng)篩向下移動(dòng)時(shí)（到達(dá)最低點(diǎn)之前），器件被拉伸到最大長(zhǎng)度，此時(shí)沒(méi)有電流流動(dòng)。階段4：當(dāng)振動(dòng)篩達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，器件恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量，電流出現(xiàn)在1、2、3 階段過(guò)程中，在過(guò)渡到3、4、1 階段時(shí)觀察到反向電流。

圖6 測(cè)試條件下各階段示意圖

在階段4 振動(dòng)過(guò)程中，隨著振動(dòng)篩振動(dòng)輸入的不斷增加，振動(dòng)檢測(cè)器件呈現(xiàn)周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于彈性振動(dòng)檢測(cè)器件可以等效為一個(gè)彈性系統(tǒng)，存在自己固有的自由振動(dòng)頻率。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)線性改變?cè)葱盘?hào)的頻率，可以測(cè)量器件自身的電壓輸出。測(cè)試中PVDF 厚度為28 μm，測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)間小于150 ms，如圖7 所示。在固定的溫度和有規(guī)律的周期性機(jī)械力下，測(cè)量記錄振動(dòng)器件因自身的摩擦電效應(yīng)而產(chǎn)生的開(kāi)路電壓。變化振動(dòng)頻率下的輸出電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖7 柔性自供電振動(dòng)檢測(cè)器件的響應(yīng)時(shí)間

圖8 不同頻率下柔性材料器件的輸出電壓

激勵(lì)振動(dòng)的信號(hào)頻率已設(shè)置在0～50 Hz的合適帶寬上。通過(guò)測(cè)量開(kāi)路電壓的輸出，發(fā)現(xiàn)輸出電壓最大時(shí)為26 Hz，說(shuō)明該數(shù)值為器件的固有頻率，此時(shí)器件輸出電壓達(dá)到峰值為45 V，如圖9 所示。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的近似處理，得出振動(dòng)頻率與輸出電壓值的線性關(guān)系如圖10 所示，兩者存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)下的柔性材料可以監(jiān)測(cè)0～26 Hz振動(dòng)范圍的頻率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以PVDF薄膜、PTEE薄膜以及電極鋁箔為組件的柔性材料作為研究對(duì)象，通過(guò)分析其摩擦電效應(yīng)及壓電效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種雙螺旋測(cè)試結(jié)構(gòu)，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)。文中證明了在特定溫度下，檢測(cè)結(jié)構(gòu)器件的自身輸出信號(hào)的大小能夠與振動(dòng)頻率的變化形成對(duì)應(yīng)，在振動(dòng)篩的規(guī)律作用下，測(cè)試了該結(jié)構(gòu)器件在特定頻率帶上的響應(yīng)輸出，驗(yàn)證了固有頻率理論值，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)一段振動(dòng)信號(hào)頻率進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，無(wú)需外部供電裝置，器件自身的摩擦電效應(yīng)保證了信號(hào)的有效輸出，拓寬了自供電柔性振動(dòng)器件的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖9 26 Hz振動(dòng)頻率下器件的電壓輸出

圖10 不同激勵(lì)頻率與輸出電壓變化曲線