有机压电传感阵列制备及性能研究

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柔性压电阵列式传感器具有动态测量宽、响应速度快、柔韧性好等优点。其中以聚偏氟乙烯(PVDF)及聚偏氟乙烯三氟乙烯(PVDF-Tr FE)材料制备的传感器作为代表,倍受柔性电子领域的关注。针对现有柔性压电传感阵列研究较少,传统的以压电薄膜为基础的研究存在工艺复杂,薄膜昂贵,材料浪费严重等问题,本文基于PVDF和PVDF-Tr FE乳胶溶液法,通过优化旋涂工艺在柔性基底上制备了压电薄膜,并采用丝网印刷工艺制备了厚度均匀、各阵列点性能一致的4×4 PVDF和PVDF-Tr FE压电传感器阵列。(1)压电薄膜的极化方法和压电系数d33测试研究。为提高薄膜β晶相的含量,本文基于电晕极化法搭建了适用于本研究的极化系统,对极化前后的薄膜进行了一系列的表征分析,发现电晕极化后压电薄膜的材料特征(β相)有明显提高,从而验证了该极化系统的可靠性。基于压电薄膜d33的测试方法,根据动态测量原理,搭建了压电系数测试平台,对标准的商用样品进行测试,测量值可信度在98.14%左右。(2)PVDF压电薄膜制备工艺优化。为获得最优化的制膜工艺,本文从溶剂类型、退火温度、旋涂厚度、极化参数进行了优化。通过对比N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜三种溶剂的成膜效果,发现使用N,N-二甲基甲酰胺制备的PVDF薄膜结晶度和压电性相对更高;通过对不同退火温度下薄膜性能分析,发现PVDF的适宜退火温度在100℃左右;通过对薄膜厚度研究,发现PVDF薄膜越厚,压电性能越好;通过对极化电压、栅网间距、极化时间三个参数优化分析,得到电晕极化的最佳参数为:钨网电压为7 k V,栅网电压为3.5 k V,栅网与样品间距为1 cm,极化时间为6 min。(3)4×4的PVDF及PVDF-Tr FE压电传感器阵列制备和性能测试。通过扫描电镜观察到印刷5层PVDF和PVDF-Tr FE阵列点厚度分别在6μm和6.75μm左右,各阵列点厚度差异较小,变化范围在±0.1μm,说明印刷均匀性比较好。通过对柔性阵列进行100次循环弯曲,其压电性能无明显变化,从而证明了丝网印刷制备的PVDF和PVDF-Tr FE柔性传感器具备可靠性和可重复使用性。通过MATLAB软件分析得到PVDF和PVDF-Tr FE各阵列点的灵敏度分别为0.63 m V/N~0.69 m V/N和0.89 m V/N~0.93 m V/N,线性度分别为-0.01~0.09和-0.02~0.04。与PVDF阵列相比,PVDF-Tr FE阵列灵敏度更高一些,线性度更小一些。电晕极化后PVDF和PVDF-Tr FE阵列d33分别提高了90%和40%,说明极化过程在器件压电性能提高方面发挥着十分重要的作用。同时值得注意的是,极化后的PVDF和未极化PVDF-Tr FE的d33相差很小,说明PVDF-Tr FE材料本身的性能远优越于PVDF,当然PVDF-Tr FE材料的成本远高于PVDF,这为制备压电器件的材料选择提供了参考。
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