PVDF柔性传感器的制备研究

刘旭，贾昭，王博

（西安航空学院机械学院，西安710077）

PVDF柔性传感器的制备研究

刘旭，贾昭，王博

（西安航空学院机械学院，西安710077）

设计了一种PVDF柔性传感器结构，通过实验制备了高质量的PVDF压电薄膜，发现PVDF质量分数为15%的溶液具有很好的成膜能力。介绍了PVDF薄膜的制备方法和注意事项；设计了一种PVDF柔性传感器的制备流程，总结了其制备过程中的工艺方法和关键步骤，可为PVDF柔性传感器的制备提供借鉴和参考。

柔性传感器；PVDF；薄膜

传统的传感器柔韧性较差，难以适应下一代传感器在柔性和便捷性方面的高要求，其应用范围受到限制。在许多实际应用中往往要把传感器集成到一些特定的不规则复杂表面，这就需要可以适应复杂表面的柔性传感器。新型的柔性传感器具有柔软的基底，可适应复杂的非平整的表面，极大地扩展了传感器的应用范围［1-2］。表1是传统的刚性传感器与新型的柔性传感器的对比。柔性传感器在机械结构健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等方面具有重要作用。例如它可以包裹在大型结构表面以传递和监测结构的健康信息，这些信息可用于安全评估和故障诊断［3-4］。在生物医药中可植入微型柔性温度传感器用于检测异常细胞，监测人体的健康状况［5-6］。目前，柔性传感器正朝着适应性强、便携性好、敏感性高、误报率低、响应速度高的方向发展。

表1　传统的刚性传感器与新型的柔性传感器对比

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）是一种性能优异的压电材料。PVDF压电材料薄膜具有机械强度高、柔韧性好、频响范围宽、声阻抗易匹配、抗化学腐蚀、可以加工成大面积或者复杂的形状来使用等优点，因此近年来其应用得到了广泛的研究［8-11］。在压力作用下，压电薄膜发生变形，压电材料的表面产生的电荷量正比于压电材料所受到的应力和应变，在电介质内部的电极化变化导致上下表面的电势改变，和表面接触的两电极上的电荷重新调整以平衡PVDF表面电势，因此在电路中会有电荷流动。利用PVDF的压电效应可以把力学量和电学信号进行相互转化。将PVDF压电薄膜和柔性基底相结合可以制备性能优越的PVDF柔性传感器［12-18］。

1　PVDF柔性传感器结构设计

采用以下方法制作柔性传感器：第1种是通过转印技术将硬基底上制作好的传感器剥离转移到柔性基底上；第2种是直接在柔性基底（如Polydimethylsiloxane，PDMS，全称为聚二甲基硅氧烷）上通过MEMS技术制作感应装置而形成柔性传感器。相比而言，第1种方法工艺简单易行。本实验设计的PVDF柔性传感器结构如图1所示。

用PVDF压电材料的压电性制备柔性PVDF传感器时，需要做成具有上下表面电极的电容结构。实验中，在硅基片上采用匀胶的方法制备了PVDF薄膜，在其上下表面通过沉积金（Au）层的方法制备出电极层。制备过程中在硅片上依次制备PDMS层、底电极、PVDF层、顶电极，采用银丝作为电极导线，用导电胶将电极层与银丝粘接，然后用环氧胶涂于其表面加固，最后采用环氧树脂胶进行封装处理。

图1　PVDF柔性传感器结构

2　PVDF的薄膜制备

1）用电子称称取一定量的PVDF粉末，按照溶液中PVDF的质量分数为15%称取一定量的二甲基酰胺作为溶剂，再将PVDF粉末缓慢导入溶剂中。

2）在常温下，用磁力搅拌机快速搅拌2 h以上，并静置12 h以上，使PVDF粉末充分溶解。

3）将硅片吸附在匀胶机转盘上，并选择匀胶机合适的转速，匀胶机则带动硅片旋转。

4）将配置好的PVDF溶液旋涂在硅片上，然后以900 r/min甩胶1 min，在90℃时烘干10 min，然后再旋涂一层，在90℃烘干10 min后，把温度调到120℃烘干12 h。

5）按照此方法即可在硅片上制备厚度为几微米的PVDF薄膜。

实验中，利用上海三爱富新材料股份有限公司提供的聚偏氟乙烯（PVDF）粉末制备了质量较高的PVDF薄膜。通过PVDF溶液的试配，发现PVDF质量分数为15%，二甲基甲酰胺（DMF）质量分数为85%的溶液具有很好的成膜能力。实验结果表明：匀胶机旋转速度和PVDF溶液浓度与PVDF薄膜厚度密切相关，匀胶机旋转速度愈大，PVDF溶液浓度愈小，薄膜厚度越小。

3　PVDF柔性传感器的制备

柔性PVDF传感器制备流程如图2所示，其中：（a）为硅片上生长二氧化硅；（b）为在硅板上制备PDMS层；（c）为PDMS层上喷金，作为下电极；（d）为旋涂PVDF溶液，并烘干；（e）为在PVDF薄膜上喷金；（f）为导线与电极的连接，封装保护。

1）将单晶硅片切成大小约2 cm×3 cm的小片，然后用化学沉积的方法在其上沉积一层600 nm厚的二氧化硅层。该层功能是作为牺牲层，即在其上制备器件后，将此层刻蚀掉，让器件与硅基体脱离，从而形成柔软的PDMS基体。

2）在二氧化硅层上制作一层PDMS，作为器件的柔性基底。

3）在PDMS层上通过电子束沉积厚度为300 nm的金层作为器件的电极层。为了防止连接电路部分，顶电极和底电极之间形成电容结构，需要将顶电极位置与对应的底电极位置错开。

4）在底电极表面旋涂PVDF薄膜，首先要配置浓度15%的PVDF溶胶。PVDF溶胶的成分：15%（质量分数，下同）的PVDF粉末；85%的二甲基甲酰胺溶液。在50～70℃下磁力搅拌2 h，静置12 h，然后以900 r/min的转速甩胶1 min，在90℃下烘干10 min，然后再旋涂一层。在90℃下烘干10 min后，把温度调到120℃烘干12 h。如此便得到了厚度约为2 μm的PVDF薄膜。

5）在PVDF薄膜上通过电子束沉积0.3 μm厚的金层作为顶电极。

6）刻蚀牺牲层。将样品浸入浓度12.5%的HF溶液中约5 min，将大部分SiO2刻蚀掉。

7）将器件转印到PDMS基体上。将用HF溶液刻蚀后的器件用PDMS从硅片上揭下来，然后转印到事先用紫外灯照射过约3 min的PDMS基体上。

8）用导电胶将金属导线与电极层触头粘接在一起，然后用环氧胶涂于表面加固。

本实验用到的一些设备和材料的照片如图3～6所示。实验中，在PDMS上通过喷一层金作为下电极，然后再在该电极上甩一层PVDF溶液，烘干后在PVDF薄膜上喷一层金作为上电极。

图2　PVDF传感器制备流程

实验中发现：在PVDF柔性传感器制备过程中，为了更好地完成压电输出应增加薄膜的厚度，但是用溶胶法制备薄膜厚度不能过大，后边滴上去的溶液会将前次预烤干的薄膜溶解，所以旋涂的次数一般不超过3次。PVDF薄膜较软，熔点为160℃，所以在喷金时，高温的金属颗粒沉积时温度比较高，会导致其表面的变形较大，而金属表面十分粗糙，电极层容易开裂。

图3　实验中的匀胶机

图4　实验中的真空烘干箱

图5　硅片上制备的PDMS

图6　PVDF薄膜上喷金

4　结束语

设计了PVDF薄膜的实验制备流程，制备了高质量的PVDF薄膜，总结了制备过程的注意事项。发现PVDF质量分数为15%的溶液具有较好的成膜能力。实验结果表明：匀胶机旋转速度以及PVDF溶液的浓度对PVDF薄膜厚度有较大影响；增加PVDF薄膜的厚度有利于更好地完成压电输出，但用溶胶法制备薄膜时为了防止前次薄膜溶解，旋涂的次数一般不超过3次；形成电极层时高温的金属颗粒沉积会使PVDF薄膜表面的变形较大，且金属电极层表面十分粗糙容易开裂。本研究对PVDF柔性传感器的制备工艺进行了实验探索，可为柔性传感器制备提供参考。

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（责任编辑刘舸）

Research on Fabrication of PVDF Flexible Sensor

LIU Xu，JIA Zhao，WANG Bo
（School of Mechanical Engineering，Xi'an Aeronautical University，Xi'an 710077，China）

A flexible PVDF sensor structure was designed and high quality PVDF piezoelectric film was obtained through experiment and it's founded that the solution with 15%mass fraction of PVDF has a good film-forming ability.The preparation of PVDF thin films methods and precautions were summarized.Fabrication path of PVDF flexible sensor was designed and preparation technique and key steps of the process of it were summarized，which can make a reference for the preparation of PVDF soft sensor.

flexible sensor；PVDF；thin film

TH706

A

1674-8425（2015）04-0040-04

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.008

2015-01-15

西安航空学院校级科研基金项目（2014KY1103）

刘旭（1986—），男，陕西商州人，硕士，助教，主要从事柔性电子器件设计及优化，机械结构健康监测研究。

刘旭，贾昭，王博.PVDF柔性传感器的制备研究［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2015（4）：40-43.

format：LIU Xu，JIA Zhao，WANG Bo.Research on Fabrication of PVDF Flexible Sensor［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：40-43.