前言

随着对风和降雨等气象条件的高精度实时监测变得越来越重要，因为它可以提供关于当前天气状况的有用信息，警告人们潜在的气象灾害，并提高农业应用的生产效率。气象信息的实时监测主要基于不同类型的气象传感器。在各种类型的气象传感器中，用于降雨检测的传感器已成功应用于汽车交通以及农业和景观灌溉领域。汽车交通中使用的传统雨量检测传感器大多基于光学系统。红外传感器由红外发射器和接收器组成。前挡风玻璃反射的红外光随着降雨量的增加而减少，因为红外光被雨滴散射。基于具有图像处理分析技术的摄像机的传感器捕获来自前挡风玻璃的光学图像，并通过算法处理以及与数据库中的图像进行比较分析来获得雨滴信息。然而，由于数据库中有限的样本量和背景图像的复杂性，这种降雨检测传感器在复杂的环境中表现出较差的性能，尤其是在繁华的城市和其他明亮的照明区域。此外，这种传感器需要外部数据分析过程来检测降雨，并且没有充分利用降雨的特征，例如落在表面上的液滴的动能。因此，迫切需要开发能够在各种环境下高性能检测雨滴频率和速度等信息的下一代传感器。

研究内容

电子科技大学的研究人员利用薄膜晶体管像素阵列上的聚偏氟乙烯薄膜制备了一种用于降雨和风探测的混合电容/压电传感器，并对其进行了评价。混合传感器不仅可以通过其压电传感器测量雨滴的速度和频率，还可以通过其电容传感器可视化雨滴的分布和大小。此外，混合传感器通过压电传感和电容可视化(如雨滴和风)实现了高精度的气象探测。所提出的系统显示出作为下一代降雨和风探测和识别传感器的巨大潜力。

实验方法

10-，20-，和30-的200 × 200 mm2的聚偏氟乙烯薄膜。通过刮涂法在铜箔和薄膜晶体管阵列上涂覆10 μm厚，并在真空下干燥5分钟。干燥后，在烘箱中于140℃退火30分钟，然后自然冷却至室温。然后使用原位偏振系统(IPS)对获得的200 × 200 mm2PVDF-TrFE薄膜进行偏振。IPS由光源、栅格和旋转基底组成。将铜或薄膜晶体管作为底部电极的薄膜样品接地。当施加3千伏电压源时，它产生大量等离子体。负等离子体被栅格加速并沉积在薄膜样品的表面上作为顶部电极。极化过程在室温下5分钟内完成(由于在极化过程中5分钟后d33系数不会进一步增加，将极化时间设置为5分钟)。极化后，将200 × 200 mm2PVDF-TrFE薄膜切割成指定尺寸，用于进一步处理。然后，将银电极溅射在铜箔上方的聚偏氟乙烯-三氟乙烯薄膜的表面上。然后，用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为保护层封装铜箔基板传感器。将薄膜晶体管阵列基板上的传感器与设计好的柔性印刷电路(FPC)粘接，输出电信号。简而言之，该传感器由两个并联的压电PVDF-TrFE传感器和PVDF-TrFE/TFT传感器组成。聚偏氟乙烯-四氟乙烯传感器连接到采集卡，采集卡可以收集响应信号。

原位极化系统示意图。

(a)电容式压电复合传感器的器件结构图(b)聚偏氟乙烯-三氟乙烯传感器和聚偏氟乙烯-三氟乙烯/薄膜晶体管传感器的接口电路。

FIR的红外光谱。

压电传感器对不同(a)风速和(b)距离的电响应。

结论

该研究设计、制作、表征和分析了基于薄膜晶体管阵列上原位极化增强的聚偏氟乙烯薄膜的混合电容/压电传感器。利用原位极化系统制备了大面积200 × 200 mm2的聚偏氟乙烯-三氟化铁压电薄膜。与常用的极化方法相比，5分钟的原位极化时间也大大提高了极化效率。压电传感器用于检测水滴的速度和频率，可用于实时监测和可视化控制医疗输液速度，在未来的研究中相对误差小于1%。此外，所提出的传感器用于在表面上成像雨滴和油渍；图像与实际照片高度一致，精确度为50um，电容式压电混合传感器在农业、林业和精密图像测量领域具有巨大的潜力。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112286。