PVDF — это новый тип пьезоэлектрического материала, и датчики, изготовленные из PVDF, получили широкое распространение в последние годы. Поэтому мы написали эту статью, чтобы рассказать о соответствующих знаниях о пьезоэлектрических пленочных датчиках.
- Что такое PVDF пьезодатчик (пьезоэлектрические пленочные датчики)?
- Характеристики пьезоэлектрических пленочных датчиков
- История пьезоэлектрических пленочных датчиков
- Принцип работы пьезоэлектрических пленочных датчиков
- Метод приготовления пьезоэлектрического пленочного датчика
- Применение пьезоэлектрических пленочных датчиков
Что такое PVDF пьезодатчик (пьезоэлектрические пленочные датчики)?
Пьезоэлектрическая пленка PVDF представляет собой новый полимерный пьезоэлектрический материал, который обладает преимуществами легкого веса, малого объема, простой структуры и хорошей совместимости. Поэтому ее использование в качестве чувствительного элемента оказывает незначительное влияние на структурные и механические свойства датчика. Использование пьезоэлектрической пленки PVDF для изготовления различных датчиков всегда было горячей темой для обсуждения.
Характеристики пьезоэлектрических пленочных датчиков
Преимущества и недостатки датчиков на основе пленки PVDF. По сравнению с другими пьезоэлектрическими кристаллами, пьезоэлектрическая пленка PVDF имеет множество преимуществ, таких как пьезоэлектрическая постоянная заряда более чем в десять раз выше, чем у кварца, хорошая гибкость и технологичность, низкий акустический импеданс, широкая частотная характеристика, высокая химическая стабильность и устойчивость к усталости, низкое влагопоглощение и хорошая термическая стабильность, высокая диэлектрическая прочность, легкий вес, а также простота обработки и установки. В то же время пьезоэлектрическая пленка PVDF также имеет некоторые недостатки, такие как высокое внутреннее сопротивление изготовленного из нее датчика и относительно малая выходная энергия. На нулевой частоте трудно поддерживать слабый статический заряд в течение длительного времени, поэтому ее низкочастотные характеристики плохие, и она может использоваться только для динамических или квазистатических измерений. Из-за поляризационных характеристик пьезоэлектрических материалов пьезоэлектрическая система может обеспечивать лишь приблизительную линейность в определенном диапазоне и легко подвержена влиянию различных факторов окружающей среды. Линейный температурный диапазон пленки PVDF относительно мал, обычно между -40°C и 60°C.
История пьезоэлектрических пленочных датчиков
В 1880 году Ж. Кюри и П. Кюри впервые обнаружили пьезоэлектрическое явление в кристаллах. В середине 1940-х годов США, бывший Советский Союз и Япония последовательно обнаружили пьезоэлектрический эффект титановой стали и керамики и использовали их для изготовления пьезокерамики. Позже было обнаружено, что древесина, шерсть, кости и другие материалы также обладают пьезоэлектричеством, и начались исследования пьезоэлектрических полимеров. Однако их пьезоэлектрические свойства были очень низкими и не имели практической ценности. Только в 1969 году Х.Каваи из Японии сообщил, что PVDF может производить относительно высокое пьезоэлектричество после поляризации при высокой температуре и высоком напряжении, что имеет хорошую промышленную ценность, что стало историческим поворотным моментом в исследованиях пьезоэлектрических полимеров. С развитием технологий и появлением различных новых производственных процессов пьезоэлектрические свойства PVDF были значительно улучшены, а область применения PVDF расширилась.
Принцип работы пьезоэлектрических пленочных датчиков
Основная причина, по которой пьезоэлектрическая пленка PVDF обладает пьезоэлектрическим эффектом, заключается во внутренней пьезоэлектричности кристаллической фазы в ее структуре, которая определяется электрострикционным эффектом и остаточной поляризацией. Поэтому пьезоэлектрическая пленка PVDF требует искусственной поляризации для наличия упорядоченной остаточной поляризации внутри. Поляризационный заряд пьезоэлектрической пленки PVDF является связанным зарядом, а не свободным зарядом, поэтому эти поляризационные заряды не могут свободно перемещаться. Когда пьезоэлектрическая пленка PVDF проявляет прямой или обратный пьезоэлектрический эффект и возникают явления заряда и разряда, изменение поляризации внутри пленки PVDF вызывает пополнение и высвобождение свободных зарядов на поверхности пленки, что приводит к изменению поверхностного заряда пленки.
Метод приготовления пьезоэлектрического пленочного датчика
Распространенные методы включают метод покрытия, литьевой метод, метод испарительного напыления малых молекул и метод прессования. Поскольку литьевой метод прост в технологии, требует низких требований к оборудованию, а производимая пленка имеет хорошую плотность и высокую прочность, он часто используется в лабораторных условиях для приготовления пленок.
PVDF растворяется в фиксированном количестве NMP, затем фильтруется, вакуумируется для удаления пузырьков и нагревается для испарения NMP. Это образует слой пленки PVDF на литьевой чаше. После процессов растяжения, поляризации и других процессов можно получить высокопьезоэлектрическую пленку PVDF.
Применение пьезоэлектрических пленочных датчиков
Контактные датчики
Используя характеристики динамической деформации пьезоэлектрических тонких пленок, их легко напрямую закреплять на коже человека (например, на внутренней стороне запястья). Причина, по которой пьезоэлектрические пленки могут обнаруживать очень маленькие физические сигналы, а также чувствовать большие движения, заключается в том, что пьезоэлектрический отклик пленок PVDF является линейным в considerable динамическом диапазоне (около 14 порядков величины). В большинстве случаев,只要有 доступная полоса пропускания, которая может significantly отличать целевой сигнал от шума, маленькие целевые сигналы могут быть собраны через фильтр.
Подобные датчики использовались для обнаружения движения груди, ног, глазных мышц и кожи в исследовании нарушений сна. Кроме того, датчик может использоваться как индикатор для проверки эффекта анестезии путем обнаружения реакции мышц (например, мышц между большим и указательным пальцами) на электрическую стимуляцию (нейромышечную проводимость).
Датчики акселерометра
Minisense100 является стандартным продуктом Precision Electronics, в котором используется консольная конструкция. Один конец закреплен жесткой печатной платой и имеет контактные штырьки, а на другом конце установлен груз.
Груз заставляет датчик когерентно реагировать на вибрацию. Груз «остается неподвижным», в то время как тонкопленочная часть подвергается деформации, thus производя очень high чувствительность по напряжению (около 1 В/г). Другие датчики жизненных признаков являются производными от этого компонента, такие как умные нагрудные карты (со встроенным RF sensing оборудованием), носимые персоналом или пациентами. Периодически собирая сигналы от носителя, можно определить положение и статус. Когда датчик чувствует, что нагрудная карта была снята, он переводит нагрудную карту в спящий режим; если датчик чувствует любое движение любой части тела, мышечный тремор или даже пульсовые вибрации, он разбудит нагрудную карту.
Стетоскоп
Многие электронные стетоскопы используют пьезоэлектрические тонкие пленки в качестве сенсорных компонентов, потому что они долговечны, высокочувствительны и имеют широкий диапазон полосы пропускания. В этом применении сенсорный элемент обычно инкапсулирован в традиционной головке металлического стетоскопа, потому что датчик должен формировать «силу» с телом. Как только динамический сигнал давления преобразуется в электрический сигнал, он может быть выборочно отфильтрован или усилен, воспроизведен как аудиосигнал, использован более сложными вычислительными методами для определения конкретного состояния или передан на удаленную базовую станцию для дальнейшего анализа и хранения.
Сенсорная матрица
Составной акустический датчик может одновременно контролировать несколько точек. DeepBreeze использует сенсорную матрицу с почти 100 датчиками для сбора звуковой информации о вдохе и выдохе пациентов. Датчики прикреплены к поверхности кожи с помощью вакуумного колпака. Собранный сигнал обрабатывается и преобразуется в «картинку» звука, поэтому поток воздуха в трахее и легких может быть визуализирован как анимация. Любой инородный объект или аномальное явление очевидны на этих изображениях. Этот метод более надежен и безопасен, чем рентгеновские лучи.
Мониторинг больничной койки
Пьезоэлектрические тонкие пленки и кабели могут быть установлены на матрасе для обнаружения сердцебиения, дыхания и движений тела пациента. Система оповещения мониторинговой койки Hoana Medical Inc. устанавливает набор датчиков между матрасом и простыней. Когда пациент сидит или лежит на мониторинговой койке, датчик может точно измерять и собирать информацию о жизненных признаках пациента через одежду и простыни. Гибкие переключатели используются для сбора статических сигналов, а все динамические сигналы пациентов собираются пьезоэлектрическими тонкими пленками.
