電容式壓電混合氣象探測傳感器，可用于檢測雨滴的速度和頻率
隨著(zhù)對風(fēng)和降雨等氣象條件的高精度實(shí)時(shí)監測變得越來(lái)越重要，因為它可以提供關(guān)于當前天氣狀況的有用信息，警告人們潛在的氣象災害，并提高農業(yè)應用的生產(chǎn)效率。氣象信息的實(shí)時(shí)監測主要基于不同類(lèi)型的氣象傳感器。在各種類(lèi)型的氣象傳感器中，用于降雨檢測的傳感器已成功應用于汽車(chē)交通以及農業(yè)和景觀(guān)灌溉領(lǐng)域。汽車(chē)交通中使用的傳統雨量檢測傳感器大多基于光學(xué)系統。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(zhù)降雨量的增加而減少，因為紅外光被雨滴散射?；诰哂袌D像處理分析技術(shù)的攝像機的傳感器捕獲來(lái)自前擋風(fēng)玻璃的光學(xué)圖像，并通過(guò)算法處理以及與數據庫中的圖像進(jìn)行比較分析來(lái)獲得雨滴信息。
然而，由于數據庫中有限的樣本量和背景圖像的復雜性，這種降雨檢測傳感器在復雜的環(huán)境中表現出較差的性能，尤其是在繁華的城市和其他明亮的照明區域。此外，這種傳感器需要外部數據分析過(guò)程來(lái)檢測降雨，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)探測的混合電容/壓電傳感器，并對其進(jìn)行了評價(jià)?；旌蟼鞲衅鞑粌H可以通過(guò)其壓電傳感器測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)現了高精度的氣象探測。所提出的系統顯示出作為下一代降雨和風(fēng)探測和識別傳感器的巨大潛力。
設計并制造了一種新型的混合電容/壓電傳感器，用于實(shí)時(shí)監測降雨的大小，速率和頻率。該設計基于薄膜晶體管（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分鐘內實(shí)現面積為200×200 mm 2的PVDF-TrFE薄膜的極化，壓電系數d 33可以達到27 pC / N的平均值，并且在整個(gè)區域內分布均勻。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，分辨率為50μm。
技術(shù)要點(diǎn)：
PVDF-TrFE壓電膜與俘獲CMOS TFT陣列結合在一起。
混合傳感器可以實(shí)現風(fēng)速，雨滴頻率的實(shí)時(shí)檢測。
混合傳感器可以實(shí)現雨滴的可視化。
實(shí)驗方法
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(IPS)對獲得的200 × 200 mm2PVDF-TrFE薄膜進(jìn)行偏振。IPS由光源、柵格和旋轉基底組成。將銅或薄膜晶體管作為底部電極的薄膜樣品接地。當施加3千伏電壓源時(shí)，它產(chǎn)生大量等離子體。負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分鐘內完成(由于在極化過(guò)程中5分鐘后d33系數不會(huì )進(jìn)一步增加，將極化時(shí)間設置為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，用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為保護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計好的柔性印刷電路(FPC)粘接，輸出電信號。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信號
。
原位極化系統示意圖。
(a)電容式壓電復合傳感器的器件結構圖(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。
壓電傳感器對不同(a)風(fēng)速和(b)距離的電響應。
結論
該研究設計、制作、表征和分析了基于薄膜晶體管陣列上原位極化增強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水滴的速度和頻率，可用于實(shí)時(shí)監測和可視化控制醫療輸液速度，在未來(lái)的研究中相對誤差小于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業(yè)、林業(yè)和精密圖像測量領(lǐng)域具有巨大的潛力。
