基于PVDF薄膜传感器及其应用研究

晏伯武

摘要：本文探讨了传感器用具有较好铁电性的β相PVDF薄膜的制备方法及性能特点，介绍了基于PVDF薄膜的压电性能和热释电性能，以及采用该薄膜制备的传感器的应用领域，重点介绍了其在机械工程领域，土木工程领域，交通和生物工程领域的应用，探讨了薄膜传感器存在的主要原理上的欠缺和技术不足等方面的问题，并对其发展前景进行了展望。

关键词：传感器 PVDF 机电转换

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0107-01

1 引言

铁电性能的β相PVDF能应用于传感器的制备，提高β相含量常采用拉伸法来制备，但热拉伸法难以制备厚道小于30μm的薄膜，故制备小于30μm厚的薄膜可采用提拉法制备，以满足MEMS领域微器件的需要。薄膜制备后在居里温度以下经过极化得到压电性能，极化方法主要有传统热极化，电晕极化和电极接触式极化三种。

PVDF薄膜的优点如下：（1）良好的工艺性。可用现有设备进行加工，质轻柔软，502胶就可以粘固，其密度是PZT压电陶瓷的1/4，对结构的力学性能影响很小，与结构有着良好的兼容性，可制作成各种形状的大面积传感元件（水听器的响应面积越大，对流噪声的抵消作用也越大）；（2）压电常数高，比石英高十多倍。特征参数g比PZT高20倍左右，便于信号采集与处理；（3）具有良好的机械强度和韧性，对湿度、温度和化学物质表现出很高的压电稳定性；（4）属于动态敏感材料，对于机械应力或应变的变化响应快，便于测量冲击荷载引起的变形；（5）具有相当宽的频率范围，能达到10-5Hz-109Hz，准静态、低频、高频、超声及超高频均能实现机电转换；（6）PVDF传感器布置简便，对外界设备要求较少；（7）高介电强度，可耐受强电场作用（75 V/μm），此时大部分陶瓷已退极化；（8）成本低[1]；（9）声阻抗（3.5×10-6Pa.s/m）接近于人体组织和水，仅为PZT压电陶瓷的1/10，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中；（10）具有高冲击强度（可使用于冲击波的传感器中）；（11）耐腐蚀性（在活性介质中使用时这种性能是必需的）；（12）相对介电常数较低；（13）与压电陶瓷相比有更低的导热性。

PZT-5压电陶瓷性能较好，用得也较多，但它带来环境污染的问题。PVDF作为一种压电高聚物，作为一种极有前途的新型压电材料已经制成各种电器元件，并开始向科技和产业方向拓展。由于高聚合物材料的柔软性和多相异质性，PVDF的压电性来自多种响应机理，可归结为薄膜厚度变化、晶体维度变化、电偶极矩松弛和电极伸缩。基于PVDF的压电薄膜被用于水压接受器被研制[2]；大连理工的靳亚静制备出基于PVDF压电薄膜的2×4阵列PVDF薄膜键盘[3]。大型重型桥梁结构需要耐腐蚀、抗腐蚀、抗电磁干扰的应力传感器，PVDFF薄膜厚度小（9μm），用它制成的传感器响应较快（ns量级），灵敏度较高，在0-20GPa范围内都有较好的信号输出。王利恒用电阻应变仪和电阻应变片测定PVDF粘贴位置处的应变，比较PVDF的应变与电荷放大器输出电压之间的关系，结果表明：就简谐形振动而言，当动态应变频率在0.5Hz以上时，PVDF压电薄膜可以用来测量结构的动态应变[4]。

由于PVDF压电性、热释电性的起源是微晶中的极化反转，故当温度上升到90℃左右时，PVDF微晶中分子链的热运动变活泼，微晶的极化方向混乱，导致压电性、热释电性都消失。

2 PVDF薄膜传感器应用

机械工程领域，利用其压电特性，将压力转变为电信号，加入匹配，放大电路等结构；在土木工程领域，采用压电传感器和执行器对刚架桥梁的螺钉松动情况进行监测；还可以利用压电传感器测量材料破坏时的声发射信号，从而得知裂纹的位置，以及通过测量冲击激起的弹性波信号实现冲击的定位等；在交通和生物工程领域，PVDF压电传感器主要应用于行驶中称重、计轴数、测轴距、车辆分类统计、车速监测、泊车区域监控、收费站地磅。压电PVDF薄膜的红外光谱在7-20μm波长范围有很强的吸收，而人体的热辐射也基本处于这个范围，因此，它可用于人体探测、激光束探测等方面。用于能量转换，如将PVDF置于鞋底将机械能转换为电能。此外，微型化，小型化，无线传感是其又一研究方向。利用PVDF压电膜的横向压电性制备音频换能器、机电换能器等，利用PVDF压电膜的纵向压电性，在室温下500MHz以内都能得到较好的应用，如超声接送器、水听器等。PVDF薄膜在热电性方面的应用有红外探测器、激光功率计、反向检出器、防盗报警器等。

3 PVDF薄膜传感器相关问题

PVDF薄膜压电元件有如上优点，但不足的地方主要有，相关性能的非线性，且介电常数小，热稳定性差，工作温度区域小。如对自制PVDF压电传感器温度特性进行了定量试验研究，试验结果表明：PVDF压电薄膜的热释电效应显著，是PVDF压电传感器在实际温度环境中使用的主要技术障碍；在30～70℃温度范同内，PVDF的热电输出峰值和温度呈线性关系。当利用PVDF压电传感器进行压力测量时，必须进行温度修正或采取隔热措施，PVDF压电薄膜的绝缘电阻随着温度的升高而减小[5]。

4 结语

传感器技术是信息技术三大支柱之一，是一个国家技术水平的发展标志，而PVDF薄膜材料有较好的铁电压电性能，PVDF薄膜及其传感器具有较大的理论研究和应用技术探索的空间。

参考文献

[1]揭琳锋，朱晓锋，王国林，袁银良.PVDF的大拉伸变形测试机理研究[J].传感器学报，2010，23（6）：896-898.

[2]陈浩，陈菊秋，胡俊波.PVDF材料制作水压接收器研究[J].海军工程大学学报，2009，21（2）：107-112.

[3]靳亚静，任程诚，董维杰.2×4阵列PVDF薄膜键盘设计[J].压电与声光，2011，33（6）：954-957.

[4]王利恒，周锡元.PVDF传感器动态压电特性的试验研究[J].工业建筑，2006，36（3）：55-58.

[揭锋]揭锋.PVDF压电膜传感器的应用分析[J].无线互联科技，2013，（1）：156-157.

[5]程欣华.PVDF压电传感器温度特性研究[J].南京工程学院学报（自然科学版），2009，7（3）：68-72.