1、PVDF 传感器设计与应用的探索【摘要】本文介绍聚偏二氟乙烯（PVDF）压电材料的优缺点、压电特性及制备方法，并浅谈 PVDF 传感器的设计的一些应用，为实际工业应用提供理论指导。 【关键词】聚偏二氟乙烯（PVDF） 压电薄膜 传感器 聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride 简称 PVDF）压电薄膜是一种高分子薄膜，因其具有体积小、质量轻、耐化学腐蚀、柔性和加工性能好、声阻抗低、频响宽、介电强度高、稳定性好等特性，所谓压电材料，就是当在材料上施加机械应力时，其表面会有电荷出现，且电荷的多少与应力是成比例的材料且可加工成大面积和复杂的形状来使用，这些优点是其他压电材料所不具
2、备的，以其为核心的产品被广泛的应用于工业生产和日常生活的多个领域，如日常生活的麦克风、显示器，医学方面的心率测试仪，声学方面的超声显微镜、超声发送及接收器等。 一、PVDF 传感器 （1）PVDF 压电薄膜的介绍。1880 年，J.居里和 P.居里兄弟于在晶体中最早发现材料的压电现象。到 20 世纪 40 年代中期，美国、前苏联和日本又先后发现钛酸钡陶瓷的压电效应，并将其制成压电陶瓷使用。后来人们发现木材、羊毛和骨头等也具有压电性并开始了聚合物压电性的研究，开始合成压电高聚物，但它们压电性都很低，没有实用价值。直到 1969 年，日本的 H.Kawai 报道 PVDF 在高温高电压下极化后可产
3、生比较高的压电性，有较好的工业应用价值，从而使压电聚合物的研究发生历史性的转折。随着科技的发展，随着各种新型的制作工艺的陆续出现，大大提高 PVDF 的压电性能，扩大了 PVDF 的应用范围。 （2）PVDF 薄膜的优缺点。与其它的压电晶体相比，PVDF 压电薄膜具有电荷压电常数比石英高 10 多倍、柔性和加工性能好、声阻抗低、频响宽、化学稳定性和耐疲劳性高、吸湿性低并具有良好的热稳定性、高介电强度、质量轻、加工和安装方便等主要优点。同时 PVDF 压电薄膜也存在着一些缺点，如：有效输出来自于被测能量的一部分，制成的传感器内阻高，输出能量比较小；在零频率时，要求长时间保持微弱的静电荷比较困难，
4、故它的低频特性较差，通常只能用于动态或近似动态测量；由于压电材料的极化特性，压电系统只能在一定范围内满足近似的线性，并容易受外界多种环境的影响；PVDF 薄膜的线性温度范围比较小，一般在-40 度至 60 度。 （3）PVDF 薄膜的压电机理。虽然 PVDF 压电薄膜已得到广泛的应用，PVDF 薄膜的压电机理简述如下：PVDF 压电薄膜具有压电效应的根本原因是其结构中结晶相的本征压电性决定的，电致伸缩效应及剩余极化决定结晶相的本征压电性。因此，PVDF 压电薄膜需要经过人工极化处理，其内部才具有有序的剩余极化强度。PVDF 压电薄膜的极化电荷是束缚电荷而非自由电荷，所以这些极化电荷不能自由移动
5、，当 PVDF 压电薄膜出现正、逆压电效应而产生充、放电现象时，PVDF 薄膜内部的极化强度变化会引起薄膜表面自由电荷的补充和释放，从而出现薄膜表面电荷量的变化。 （4）PVDF 薄膜的制备方法。制备薄膜的方法有很多种，常见的方法有匀胶法、流延法、小分子蒸发镀膜法和压膜法等。因为流延法过程简单，对设备要求不高，制得的薄膜成膜致密性好，强度较高，所以在实验室中常用流延法制膜。 将 PVDF 溶于定量的 NMP 中，再经过过滤、真空除气泡、升温蒸发将NMP 挥发出去，即在流延皿上就形成一层 PVDF 薄膜。再经过拉伸、极化等工艺，就可制得高压电性的 PVDF 薄膜。 二、PVDF 传感器的实际应用
6、 （1）结构损伤检测。PVDF 压电传感器响应速度快、可面检测等方面的优点，在结构探伤方面显现出优良的表现，并且其良好的耐腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐疲劳能力，使其可应用的领域非常广泛。哈尔滨工业大学的具典淑利用 PVDF 压电薄膜传感器响应速度快、可面检测的特点，监测土木结构中金属构件裂纹的萌生与扩展和断裂过程，PVDF 压电薄膜传感器能产生脉冲特征，这些信号对结构的安全性测评和损伤定位提供了可靠的保证。大连理工大学的孙宇将 PVDF 压电薄膜传感器应用在船舶和海洋结构上，将 PVDF 传感器埋在油漆层下面，测量埋藏在油漆涂层下的 PVDF 输出电压的方法对结构的损伤进行检测，同时有效地保
7、护传感器。 （2）力学测量方面。PVDF 压电薄膜应为具有很强的压电性能因而在力学检测方面具有很高的应用价值。江苏大学的赵东升对 PVDF 压电薄膜的性能研究，推导出传感方程并对偏转角的规律进行讨论，为传感器的制作提供理论依据。以经典梁为对象，建立 PVDF 压电传感器模型。根据梁的振动响应的特性，设计正弦余弦形状的传感器，可测量振动梁的位移、角位移、应变、速度等多种物理量。 （3）医学检测领域。PVDF 压电薄膜具有良好的机械柔性，为医学检测提供了一个新的途径。加拿大的研究小组利用 PVDF 传感器实现了对人体脉搏的远程测量控制，此技术能够对监控者身体状况进行监测，为医学诊断提供可靠的信息。
8、通过 PVDF 传感器制作的微创手术钳，可以获得目标器官内有无肿瘤及肿瘤的位置和大小信息。 （4）触觉测量方面。PVDF 压电薄膜易于切割，柔性和加工性能较好，因此可以做成非规则几何形状的传感器和大面积的阵列传感器。当 PVDF压电薄膜受力后产生电荷， 按电荷量的大小和分布来判别物体的形状， 能与机器人的抓取系统协调工作。用 PVDF 压电薄膜做成 88 的触觉传感器，测量的信号经过 DSP 的数字化处理和滤波处理，信号传输给个人电脑并进行可视化处理，被测量物体的形状和力的分布状况实时由二维或三维图象给出。 （5）红外探测及光学器件。PVDF 压电材料具有很强的热电性。这让它在工厂安全管理及其
9、他安全监控领域可以发挥广泛的作用。利用 PVDF的热电性可制成火灾报警器、防盗报警器、非接触温度计及激光功率计等。美国联邦高速公路部近年来将 PVDF 压电薄膜嵌入道路内制成道路传感器，可检测出公路上通过的交通工具的数量、重量以及各方向的力的分布。 三、结论 本文通过对 PVDF 传感器的压电机理、优缺点、工作原理与制备方法进行了初步研究。PVDF 传感器的应用广泛，涵盖人类生活的各个领域，对人类生产生活产生巨大的影响。 参考文献： 1周洋，万建国，陶宝祺. PVDF 压电薄膜的结构、机理与应用J.材料导报，1996. 2惠迎雪，樊慧庆，刘卫国.PVDF 薄膜的低维化制备和结构研究J.材料导报，2010， （3）.
