基于PVDF薄膜傳感器及其應用研究

晏伯武

摘要：本文探討了傳感器用具有較好鐵電性的β相PVDF薄膜的制備方法及性能特點，介紹了基于PVDF薄膜的壓電性能和熱釋電性能，以及采用該薄膜制備的傳感器的應用領域，重點介紹了其在機械工程領域，土木工程領域，交通和生物工程領域的應用，探討了薄膜傳感器存在的主要原理上的欠缺和技術不足等方面的問題，并對其發展前景進行了展望。

關鍵詞：傳感器 PVDF 機電轉換

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0107-01

1 引言

鐵電性能的β相PVDF能應用于傳感器的制備，提高β相含量常采用拉伸法來制備，但熱拉伸法難以制備厚道小于30μm的薄膜，故制備小于30μm厚的薄膜可采用提拉法制備，以滿足MEMS領域微器件的需要。薄膜制備后在居里溫度以下經過極化得到壓電性能，極化方法主要有傳統熱極化，電暈極化和電極接觸式極化三種。

PVDF薄膜的優點如下：（1）良好的工藝性。可用現有設備進行加工，質輕柔軟，502膠就可以粘固，其密度是PZT壓電陶瓷的1/4，對結構的力學性能影響很小，與結構有著良好的兼容性，可制作成各種形狀的大面積傳感元件（水聽器的響應面積越大，對流噪聲的抵消作用也越大）；（2）壓電常數高，比石英高十多倍。特征參數g比PZT高20倍左右，便于信號采集與處理；（3）具有良好的機械強度和韌性，對濕度、溫度和化學物質表現出很高的壓電穩定性；（4）屬于動態敏感材料，對于機械應力或應變的變化響應快，便于測量沖擊荷載引起的變形；（5）具有相當寬的頻率范圍，能達到10-5Hz-109Hz，準靜態、低頻、高頻、超聲及超高頻均能實現機電轉換；（6）PVDF傳感器布置簡便，對外界設備要求較少；（7）高介電強度，可耐受強電場作用（75 V/μm），此時大部分陶瓷已退極化；（8）成本低[1]；（9）聲阻抗（3.5×10-6Pa.s/m）接近于人體組織和水，僅為PZT壓電陶瓷的1/10，所以可用于醫療診斷的敏感裝置結構中；（10）具有高沖擊強度（可使用于沖擊波的傳感器中）；（11）耐腐蝕性（在活性介質中使用時這種性能是必需的）；（12）相對介電常數較低；（13）與壓電陶瓷相比有更低的導熱性。

PZT-5壓電陶瓷性能較好，用得也較多，但它帶來環境污染的問題。PVDF作為一種壓電高聚物，作為一種極有前途的新型壓電材料已經制成各種電器元件，并開始向科技和產業方向拓展。由于高聚合物材料的柔軟性和多相異質性，PVDF的壓電性來自多種響應機理，可歸結為薄膜厚度變化、晶體維度變化、電偶極矩松弛和電極伸縮。基于PVDF的壓電薄膜被用于水壓接受器被研制[2]；大連理工的靳亞靜制備出基于PVDF壓電薄膜的2×4陣列PVDF薄膜鍵盤[3]。大型重型橋梁結構需要耐腐蝕、抗腐蝕、抗電磁干擾的應力傳感器，PVDFF薄膜厚度小（9μm），用它制成的傳感器響應較快（ns量級），靈敏度較高，在0-20GPa范圍內都有較好的信號輸出。王利恒用電阻應變儀和電阻應變片測定PVDF粘貼位置處的應變，比較PVDF的應變與電荷放大器輸出電壓之間的關系，結果表明：就簡諧形振動而言，當動態應變頻率在0.5Hz以上時，PVDF壓電薄膜可以用來測量結構的動態應變[4]。

由于PVDF壓電性、熱釋電性的起源是微晶中的極化反轉，故當溫度上升到90℃左右時，PVDF微晶中分子鏈的熱運動變活潑，微晶的極化方向混亂，導致壓電性、熱釋電性都消失。

2 PVDF薄膜傳感器應用

機械工程領域，利用其壓電特性，將壓力轉變為電信號，加入匹配，放大電路等結構；在土木工程領域，采用壓電傳感器和執行器對剛架橋梁的螺釘松動情況進行監測；還可以利用壓電傳感器測量材料破壞時的聲發射信號，從而得知裂紋的位置，以及通過測量沖擊激起的彈性波信號實現沖擊的定位等；在交通和生物工程領域，PVDF壓電傳感器主要應用于行駛中稱重、計軸數、測軸距、車輛分類統計、車速監測、泊車區域監控、收費站地磅。壓電PVDF薄膜的紅外光譜在7-20μm波長范圍有很強的吸收，而人體的熱輻射也基本處于這個范圍，因此，它可用于人體探測、激光束探測等方面。用于能量轉換，如將PVDF置于鞋底將機械能轉換為電能。此外，微型化，小型化，無線傳感是其又一研究方向。利用PVDF壓電膜的橫向壓電性制備音頻換能器、機電換能器等，利用PVDF壓電膜的縱向壓電性，在室溫下500MHz以內都能得到較好的應用，如超聲接送器、水聽器等。PVDF薄膜在熱電性方面的應用有紅外探測器、激光功率計、反向檢出器、防盜報警器等。

3 PVDF薄膜傳感器相關問題

PVDF薄膜壓電元件有如上優點，但不足的地方主要有，相關性能的非線性，且介電常數小，熱穩定性差，工作溫度區域小。如對自制PVDF壓電傳感器溫度特性進行了定量試驗研究，試驗結果表明：PVDF壓電薄膜的熱釋電效應顯著，是PVDF壓電傳感器在實際溫度環境中使用的主要技術障礙；在30～70℃溫度范同內，PVDF的熱電輸出峰值和溫度呈線性關系。當利用PVDF壓電傳感器進行壓力測量時，必須進行溫度修正或采取隔熱措施，PVDF壓電薄膜的絕緣電阻隨著溫度的升高而減小[5]。

4 結語

傳感器技術是信息技術三大支柱之一，是一個國家技術水平的發展標志，而PVDF薄膜材料有較好的鐵電壓電性能，PVDF薄膜及其傳感器具有較大的理論研究和應用技術探索的空間。

參考文獻

[1]揭琳鋒，朱曉鋒，王國林，袁銀良.PVDF的大拉伸變形測試機理研究[J].傳感器學報，2010，23（6）：896-898.

[2]陳浩，陳菊秋，胡俊波.PVDF材料制作水壓接收器研究[J].海軍工程大學學報，2009，21（2）：107-112.

[3]靳亞靜，任程誠，董維杰.2×4陣列PVDF薄膜鍵盤設計[J].壓電與聲光，2011，33（6）：954-957.

[4]王利恒，周錫元.PVDF傳感器動態壓電特性的試驗研究[J].工業建筑，2006，36（3）：55-58.

[揭鋒]揭鋒.PVDF壓電膜傳感器的應用分析[J].無線互聯科技，2013，（1）：156-157.

[5]程欣華.PVDF壓電傳感器溫度特性研究[J].南京工程學院學報（自然科學版），2009，7（3）：68-72.