電容式壓電混合氣象探測感測器，可用於檢測雨滴的速度和頻率

電容式壓電混合氣象探測感測器，可用於檢測雨滴的速度和頻率

隨著對風和降雨等氣象條件的高精度實時監測變得越來越重要，因為它可以提供關於當前天氣狀況的有用資訊，警告人們潛在的氣象災害，並提高農業應用的生產效率。氣象資訊的實時監測主要基於不同型別的氣象感測器。在各種型別的氣象感測器中，用於降雨檢測的感測器已成功應用於汽車交通以及農業和景觀灌溉領域。汽車交通中使用的傳統雨量檢測感測器大多基於光學系統。紅外感測器由紅外發射器和接收器組成。前擋風玻璃反射的紅外光隨著降雨量的增加而減少，因為紅外光被雨滴散射。基於具有影象處理分析技術的攝像機的感測器捕獲來自前擋風玻璃的光學影象，並透過演算法處理以及與資料庫中的影象進行比較分析來獲得雨滴資訊。

然而，由於資料庫中有限的樣本量和背景影象的複雜性，這種降雨檢測感測器在複雜的環境中表現出較差的效能，尤其是在繁華的城市和其他明亮的照明區域。此外，這種感測器需要外部資料分析過程來檢測降雨，並且沒有充分利用降雨的特徵，例如落在表面上的液滴的動能。因此，迫切需要開發能夠在各種環境下高效能檢測雨滴頻率和速度等資訊的下一代感測器。

電子科技大學的研究人員利用薄膜電晶體畫素陣列上的聚偏氟乙烯薄膜製備了一種用於降雨和風探測的混合電容/壓電感測器，並對其進行了評價。混合感測器不僅可以透過其壓電感測器測量雨滴的速度和頻率，還可以透過其電容感測器視覺化雨滴的分佈和大小。

此外，混合感測器透過壓電感測和電容視覺化（如雨滴和風）實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探測和識別感測器的巨大潛力。

設計並製造了一種新型的混合電容/壓電感測器，用於實時監測降雨的大小，速率和頻率。該設計基於薄膜電晶體（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分鐘內實現面積為200×200 mm 2的PVDF-TrFE薄膜的極化，壓電係數d 33可以達到27 pC / N的平均值，並且在整個區域內分佈均勻。PVDF-TrFE壓電感測器具有很高的靈敏度，雨滴頻率​誤差幅度為1％。電容式感測器由PVDF-TrFE薄膜和TFT陣列組成，可用於確定感測器表面雨滴的大小和形狀。此外，該感測器還可以用於水位的高精度檢測，解析度為50μm。

技術要點：

PVDF-TrFE壓電膜與俘獲CMOS TFT陣列結合在一起。

混合感測器可以實現風速，雨滴頻率​​的實時檢測。

混合感測器可以實現雨滴的視覺化。

實驗方法

10-，20-，和30-的200 × 200 mm2的聚偏氟乙烯薄膜。透過刮塗法在銅箔和薄膜電晶體陣列上塗覆10 μm厚，並在真空下乾燥5分鐘。乾燥後，在烘箱中於140℃退火30分鐘，然後自然冷卻至室溫。然後使用原位偏振系統（IPS）對獲得的200 × 200 mm2PVDF-TrFE薄膜進行偏振。IPS由光源、柵格和旋轉基底組成。將銅或薄膜電晶體作為底部電極的薄膜樣品接地。當施加3千伏電壓源時，它產生大量等離子體。負等離子體被柵格加速並沉積在薄膜樣品的表面上作為頂部電極。極化過程在室溫下5分鐘內完成（由於在極化過程中5分鐘後d33係數不會進一步增加，將極化時間設定為5分鐘）。極化後，將200 × 200 mm2PVDF-TrFE薄膜切割成指定尺寸，用於進一步處理。然後，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。然後，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感測器。將薄膜電晶體陣列基板上的感測器與設計好的柔性印刷電路（FPC）粘接，輸出電訊號。簡而言之，該感測器由兩個並聯的壓電PVDF-TrFE感測器和PVDF-TrFE/TFT感測器組成。聚偏氟乙烯-四氟乙烯感測器連線到採集卡，採集卡可以收集響應訊號

。

原位極化系統示意圖。

（a）電容式壓電覆合傳感器的器件結構圖（b）聚偏氟乙烯-三氟乙烯感測器和聚偏氟乙烯-三氟乙烯/薄膜電晶體感測器的介面電路。

FIR的紅外光譜。

壓電感測器對不同（a）風速和（b）距離的電響應。

結論

該研究設計、製作、表徵和分析了基於薄膜電晶體陣列上原位極化增強的聚偏氟乙烯薄膜的混合電容/壓電感測器。利用原位極化系統製備了大面積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分鐘的原位極化時間也大大提高了極化效率。壓電感測器用於檢測水滴的速度和頻率，可用於實時監測和視覺化控制醫療輸液速度，在未來的研究中相對誤差小於1%。此外，所提出的感測器用於在表面上成像雨滴和油漬；影象與實際照片高度一致，精確度為50um，電容式壓電混合感測器在農業、林業和精密影象測量領域具有巨大的潛力。