基于PVDF膜的动态力测量传感器设计(3)
2 传感器设计
2.1 PVDF膜特点
PVDF压电薄膜是一种新型的高分子聚合物型传感材料。1969年日本的Kawai在对PVDF的研究中发现，经单轴拉伸、并在高温强电场下极化的PVDF压电薄膜具有高分子材料中最强的压电效应，并具备工业应用价值[15]。1971年，Bergman等人进一步发现了PVDF压电薄膜的热释电效应[16]。对PVDF压电薄膜的研究表明，PVDF压电薄膜不仅具有机械强度高、化学性能稳定、易于加工、密度小、声阻抗低等独特性能，而且可作为耐腐蚀材料、绝缘材料以及能量转换的功能材料。由于PVDF压电薄膜具有以上的特性，因此在自动控制、微机电一体化和生物医学工程等领域具有广泛的应用背景。另外，经过与微电子技术相结合，PVDF压电薄膜能够制成多功能传感元件。下面是PVDF压电薄膜的一些优点[17]，是PVDF压电薄膜在传感器设计方面占有优势的原因所在：
（1）压电常数d比石英高10多倍、比PZT低5-10倍，但作为传感材料的一个重要特征参数g的值比PZT高20倍左右，因此其灵敏度非常高。
（2）柔性和加工性能好，可制成5 到1mm厚度不等、形状不同的大面积的薄膜，因此适于做大面积的传感阵列器件，尤其适合于表面构造复杂的结构和构件。
（3）声阻抗低:为3.5 Pa s/m，仅为PZT压电陶瓷的1/10，它的声阻抗与水的、人体肌肉的声阻抗很接近，并且柔顺性好，便于贴近人体，与人体接触安全舒适，因此用作水听器和医疗仪器的传感元件时，可不使用阻抗变换器。
（4）频响宽:室温下在 Hz范围内响应平坦，即从准静态、低频、高频、超声以及超高频均能转换机电效应。
（5）由于PVDF分子结构链中有氟原子，所以其化学稳定性和耐疲劳性高、热稳定性好，即耐潮湿、多数化学品、氧化剂、强紫外线和核辐射。
（6）高介电强度:可耐受强电场作用(75 )，此时大部分陶瓷已退极化。
（7）质量轻:它的密度只有PZT压电陶瓷的1/4，做成传感器对被测量结构的影响小。
（8）容易加工和安装:可以根据实际需要来制定形状，用502胶直接粘贴固定。
PVDF压电薄膜虽然具有以上的很多优点，但是也存在如下缺点[18]，需要在设计传感器注意这些因素的影响：
（1）它的有效输出来自于被测能量的一部分，制成的传感器内阻较高，输出能量比较小。
（2）电容很小，在外力作用下所产生的电荷很快就会失去，在零频率时要求长时间保持微弱的静电荷比较困难，低频传感特性比高频差，因此只能用于动态或近似动态的测量。
（3）只能在一定范围内满足近似线性要求，并容易受外界多种环境影响。
2.2 PVDF膜的的工作原理
2.2.1 压电效应
当某些电介质晶体在外力作用下发生形变时，就会引起它内部的正负电荷中心发生相对位移而产生电极化，从而导致介质的两个表面出现符号相反的束缚电荷，并且电荷密度与形变成正比，这种有“压力”产生“电”的现象成为正压电效应，（图2.1）利用正压电效应可以制作各种传感器，用以检测压力、速度、加速度等物理量。反之，把介电体置于电场中，由于电场的作用，同样也会引起介质内部的正负电荷中心发生相对位移，进而导致介质发生形变，这种有“电”产生“机械形变”的现象称为逆压电效应（图2.2）。利用逆压电效应可以制成压电式位移或力输出器等。正逆压电效应统称为压电效应[3]。
本课题拟利用PVDF压电薄膜的正压电效应，通过对输出电荷量的测量来实现对施加的动态压力的测量。
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