電容式壓電混合氣象探測(cè)傳感器，可用于檢測(cè)雨滴的速度和頻率
隨著對(duì)風(fēng)和降雨等氣象條件的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越重要，因?yàn)樗梢蕴峁╆P(guān)于當(dāng)前天氣狀況的有用信息，警告人們潛在的氣象災(zāi)害，并提高農(nóng)業(yè)應(yīng)用的生產(chǎn)效率。氣象信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要基于不同類(lèi)型的氣象傳感器。在各種類(lèi)型的氣象傳感器中，用于降雨檢測(cè)的傳感器已成功應(yīng)用于汽車(chē)交通以及農(nóng)業(yè)和景觀灌溉領(lǐng)域。汽車(chē)交通中使用的傳統(tǒng)雨量檢測(cè)傳感器大多基于光學(xué)系統(tǒng)。紅外傳感器由紅外發(fā)射器和接收器組成。前擋風(fēng)玻璃反射的紅外光隨著降雨量的增加而減少，因?yàn)榧t外光被雨滴散射。基于具有圖像處理分析技術(shù)的攝像機(jī)的傳感器捕獲來(lái)自前擋風(fēng)玻璃的光學(xué)圖像，并通過(guò)算法處理以及與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖像進(jìn)行比較分析來(lái)獲得雨滴信息。
然而，由于數(shù)據(jù)庫(kù)中有限的樣本量和背景圖像的復(fù)雜性，這種降雨檢測(cè)傳感器在復(fù)雜的環(huán)境中表現(xiàn)出較差的性能，尤其是在繁華的城市和其他明亮的照明區(qū)域。此外，這種傳感器需要外部數(shù)據(jù)分析過(guò)程來(lái)檢測(cè)降雨，并且沒(méi)有充分利用降雨的特征，例如落在表面上的液滴的動(dòng)能。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)能夠在各種環(huán)境下高性能檢測(cè)雨滴頻率和速度等信息的下一代傳感器。
電子科技大學(xué)的研究人員利用薄膜晶體管像素陣列上的聚偏氟乙烯薄膜制備了一種用于降雨和風(fēng)探測(cè)的混合電容/壓電傳感器，并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)?；旌蟼鞲衅鞑粌H可以通過(guò)其壓電傳感器測(cè)量雨滴的速度和頻率，還可以通過(guò)其電容傳感器可視化雨滴的分布和大小。此外，混合傳感器通過(guò)壓電傳感和電容可視化(如雨滴和風(fēng))實(shí)現(xiàn)了高精度的氣象探測(cè)。所提出的系統(tǒng)顯示出作為下一代降雨和風(fēng)探測(cè)和識(shí)別傳感器的巨大潛力。
設(shè)計(jì)并制造了一種新型的混合電容/壓電傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨的大小，速率和頻率。該設(shè)計(jì)基于薄膜晶體管（TFT）陣列上的原位極化聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）薄膜。使用原位極化工藝，可以在5分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)面積為200×200 mm 2的PVDF-TrFE薄膜的極化，壓電系數(shù)d 33可以達(dá)到27 pC / N的平均值，并且在整個(gè)區(qū)域內(nèi)分布均勻。PVDF-TrFE壓電傳感器具有很高的靈敏度，雨滴頻率誤差幅度為1％。電容式傳感器由PVDF-TrFE薄膜和TFT陣列組成，可用于確定傳感器表面雨滴的大小和形狀。此外，該傳感器還可以用于水位的高精度檢測(cè)，分辨率為50μm。
技術(shù)要點(diǎn)：
PVDF-TrFE壓電膜與俘獲CMOS TFT陣列結(jié)合在一起。
混合傳感器可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速，雨滴頻率的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
混合傳感器可以實(shí)現(xiàn)雨滴的可視化。
實(shí)驗(yàn)方法
10-，20-，和30-的200 × 200 mm2的聚偏氟乙烯薄膜。通過(guò)刮涂法在銅箔和薄膜晶體管陣列上涂覆10 μm厚，并在真空下干燥5分鐘。干燥后，在烘箱中于140℃退火30分鐘，然后自然冷卻至室溫。然后使用原位偏振系統(tǒng)(IPS)對(duì)獲得的200 × 200 mm2PVDF-TrFE薄膜進(jìn)行偏振。IPS由光源、柵格和旋轉(zhuǎn)基底組成。將銅或薄膜晶體管作為底部電極的薄膜樣品接地。當(dāng)施加3千伏電壓源時(shí)，它產(chǎn)生大量等離子體。負(fù)等離子體被柵格加速并沉積在薄膜樣品的表面上作為頂部電極。極化過(guò)程在室溫下5分鐘內(nèi)完成(由于在極化過(guò)程中5分鐘后d33系數(shù)不會(huì)進(jìn)一步增加，將極化時(shí)間設(shè)置為5分鐘)。極化后，將200 × 200 mm2PVDF-TrFE薄膜切割成指定尺寸，用于進(jìn)一步處理。然后，將銀電極濺射在銅箔上方的聚偏氟乙烯-三氟乙烯薄膜的表面上。然后，用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為保護(hù)層封裝銅箔基板傳感器。將薄膜晶體管陣列基板上的傳感器與設(shè)計(jì)好的柔性印刷電路(FPC)粘接，輸出電信號(hào)。簡(jiǎn)而言之，該傳感器由兩個(gè)并聯(lián)的壓電PVDF-TrFE傳感器和PVDF-TrFE/TFT傳感器組成。聚偏氟乙烯-四氟乙烯傳感器連接到采集卡，采集卡可以收集響應(yīng)信號(hào)
。
原位極化系統(tǒng)示意圖。
(a)電容式壓電復(fù)合傳感器的器件結(jié)構(gòu)圖(b)聚偏氟乙烯-三氟乙烯傳感器和聚偏氟乙烯-三氟乙烯/薄膜晶體管傳感器的接口電路。
FIR的紅外光譜。
壓電傳感器對(duì)不同(a)風(fēng)速和(b)距離的電響應(yīng)。
結(jié)論
該研究設(shè)計(jì)、制作、表征和分析了基于薄膜晶體管陣列上原位極化增強(qiáng)的聚偏氟乙烯薄膜的混合電容/壓電傳感器。利用原位極化系統(tǒng)制備了大面積200 × 200 mm2的聚偏氟乙烯-三氟化鐵壓電薄膜。與常用的極化方法相比，5分鐘的原位極化時(shí)間也大大提高了極化效率。壓電傳感器用于檢測(cè)水滴的速度和頻率，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化控制醫(yī)療輸液速度，在未來(lái)的研究中相對(duì)誤差小于1%。此外，所提出的傳感器用于在表面上成像雨滴和油漬；圖像與實(shí)際照片高度一致，精確度為50um，電容式壓電混合傳感器在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和精密圖像測(cè)量領(lǐng)域具有巨大的潛力。
