压电薄膜的应用与研究进展 1. 压电传感器的原理 压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。
2. 压电薄膜传感器 20世纪60年代，美国科学家发现在鲸鱼的骨和腱内，存在着微弱的压电效应，于是开始了对其它有可能具有压电效应的有机材料的研究工作。1969年Kawai（凯沃）发现在极化的含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）中有很高的压电能力，其它材料如尼龙和PVC也都具有压电效应，但没有一种能像PVDF及其共聚物一样呈现出那么高的压电效应。 2.1 压电薄膜传感器的特点 PVDF压电薄膜通常很薄，不但柔软、密度低、灵敏度极好，而且还具有很强的机械韧性，其柔顺性比压电陶瓷高出10倍。可以说是一种柔性、质轻、韧度高的塑料膜，可制成较大面积和多种厚度。它可以直接贴附在机件表面，而不会影响机件的机械运动，非常适用于需要大带宽和高灵敏度的应变传递。作为一种执行器件，聚合物很低的声阻抗，使其可以有效的向空气和其它气体中传送能量。 2.2 压电薄膜的压电效应和特性参数 共聚物聚偏氟乙烯（PVDF）是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的聚合体材料，具有很高的压电性能。应用此种压电材料制成的传感器，当受到机械冲击或振动时，压电材料原子层的偶极子（氢—氟偶对）的排列顺序被打乱，并试图使其恢复原来的状态，这个偶极子被打乱的结果就是一个电子流的形成而产生电荷，这就是PVDF的压电效应。此压电效应是可逆的，它可以把机械能转换为电能，也可以把电能转换为机械能。即当有外载荷施加到传感器上时，就会产生电荷（电压），而当卸去外载荷时，就会产生一个极性相反的信号。它产生的电压可以相当高，但传感器产生的电流却比较小。 传感器 作动器 图1 压电效应原理图 如图1所示，像“海绵挤水”一样， 当压电薄膜受到压力的作用时，其厚度发生变化，并随之产生了相应的电荷，这些电荷在薄膜的上下电极上积聚，从而产生了与作用力大小相对应的电荷；相反，当给压电薄膜接通变化的电压信号，会使得薄膜的上下运动或振动，从而产生作动力或声音。
图2 电荷放大器原理图 Vp= 1/C×d33×Fp (1)
Q V
V
C R V+
V- OPA Vout
接地 PVDF 传感器的压电电荷系数d33即将1N的力垂直作用于传感器工作区上，传感器正负电极输出的电荷量大小。Fp为垂直施加于传感器表面的作用力。
PVDF压电薄膜具有密度低、材质轻、灵敏度高、机械韧性好等特点，可制成多种厚度和较大面积。作为一种传感器它的主要特性参数如下： （1）频带宽：0.001Hz～109Hz； （2）动态范围广：10-8～109Psi（磅/平方英寸）； （3）声阻抗低：与水、人体组织和粘胶体系接近； （4）弹性柔顺性好； （5）高电压输出：在同样受载条件下，比压电陶瓷高10倍； （6) 高介电强度：可耐强电场作用(75V/μm），此电场强度大部分陶瓷都退极化； （7）机械强度高，耐冲击、振动性能好； （8）稳定性高：耐潮湿、耐多数化学品、耐氧化剂、耐强紫外线和核辐射； （9）可加工成特定形状； （10）可以用市售胶粘合。
3. 压电薄膜传感器的应用与研究进展 3.1 水听器 压电陶瓷制作的水听器存在抗冲击性能较差、较重、声阻抗与水不匹配，用在低频时尺寸非常大等缺点。为很好的解决此类问题，近年来国内外众多企业和科研院所对一种新型的PVDF压电薄膜水听器进行了深入创新。 目前,通用电气公司正在销售以2.5μm厚PVDF压电薄膜为基片的单膜片水听器,它们能用于医用和NDE 换能器1 并能进行0.5～50 HZ范围内的特性记述和校准。由于这些装置的长期稳定性和可重复性,英国皇家实验室早在5年前就把它们作为对照装置。水听器的这些特性已被利用来开发一种多元式的新型仪器。一种360°水下扫描声纳系统由100个PVDF基片水听器组成,用于水下安全/救援装置。这种装置由Marconi水下系统有限公司几年前生产。该系统使用被动模式, 操作频率为1～1000 HZ ,也能以主动模式在三个不同的频率下工作。用这种系统可以检测到3 km以外的小的潜水艇,也可以检测到600m以外的发动机,角度偏差小于5’。最近的水听器计算模型表明,如对PVDF元件进行合理的设计,在系统演示中,水听器可以检测到超过10 dB 的信号。 3.2 监测内衣 在现代医疗物联网中，医生各类传感器监测病人信息，进行远程就诊已经称为未来发展的趋势。台湾振兴医院给病人提供远程诊断服务，患者可以将一种压电薄膜传感器护心卡带回家，此卡收集病人心音并储存，通过电话语音将信息发送给医生进行远程诊断。美国Infantrust开发的一款名为Respisense婴儿监控仪，则是将压电薄膜夹在纸尿片贴近婴儿腰部的位置，监控婴儿心跳。另一种新的应用正在被创新，即将压电薄膜传感器布置于内衣内，实时监测病人的心音、脉搏、呼吸信息，并通过无线发射模块发射至病人或医生手机，完成自诊或医诊。 3.3 动态称重 目前用于动态称重的手段很多，主要有石英谐振式、压阻弯板式，但因其价格昂贵和动态反应慢缺点，在现代高速公路动态称重系统应用中收到很大的限制。采用压电薄膜传感器是更为廉价、精确度更高、更方便施工的WIM传感器。此外，通过将压电薄膜传感器预埋设在U型槽钢内，可大大提高测量的准确性、也方便了现场施工。
图3 压电薄膜铺设原理图 经过一段时间的准备和研究, 利用公路路面上临时铺设的压电薄膜轴和设计的数据采集处理系统, 进行了大量路面试验, 初步验证了压电薄膜轴的称重原理及其经验公式: W = C×S ( 2)
压电电缆1 压电电缆2 压电电缆3 L 公路边沿 α 式中: C 为调整系数, 可利用已知重量W的车辆通过压电薄膜轴的试验后确定, C=W/ S, S为对应W的信号曲线面积A和车辆速度V的乘积, 即S= A×V。 根据试验所得到的波形图, 在计算车辆重量的同时也可以计算出车速、轴距和轮距, 从而实现动态称重。 1) 车速。2条平行放置的压电薄膜间距L。已知, 当同一根车轴先后通过这两条压电薄膜, 会先后产生2个脉冲信号, 测出2个脉冲信号上升沿之间的间隔时间 Δt,可以得出该车辆的行驶速度V= L /Δt。 2) 求轴距和轴数。当轴数为N的同一辆车的不同车轴先后通过同一条平行放置的压电薄膜时, 会产生N个脉冲信号, 通过测出前后脉冲信号上升沿之间的间隔时间Δt1 , Δt2 , … , ΔtN-1 , 可以分别求出轴距为L1=VΔt1 , L2=VΔt2 , … , L(N-1) =VΔt( N - 1) , 总轴距为L= L1+ L2+…+L( N - 1) ,从各轴距判断得出是单轴、双联轴、还是三联轴。轴数则通过计算产生的脉冲个数得到。 3)轮距和轮数。倾斜放置的压电薄膜与平行放置的压电薄膜夹角α已知, 当同一车轴的两侧轮胎( 分每侧单轮和每侧双轮) 先后通过压电薄膜时, 会产生2个不同脉宽的脉冲信号, 首先通过测出脉冲信号的宽度, 判断出是每侧单轮还是每侧双轮, 再测出两脉冲信号上升沿之间的时间间隔Δt’, 可以得出轮距为VΔt’; 然后再结合轴数, 判断出其他轴是每侧单轮还是每侧双轮, 对应轮距求法同理。 称重系统程序框图如图4所示: 图4 程序流程图
开始 给定L,C,α的值 开始采集并进行AD转换 启动内部基准时钟，记录AD1采集起止时间t1（车辆前轴通过的时刻）
启动内部基准时钟，记录AD1采集终止时间t2（车辆后轴通过的时刻）
启动内部基准时钟，记录AD2采集起始时间t3（车辆前轴通过的时刻）
开定时器，测量斜置压电薄膜脉冲宽度ts
记录斜置压电薄膜起始脉冲个数Cont1
记录斜置压电薄膜终止脉冲个数Cont2
保存数据 切换AD转换通道 对AD转换数据进行滤波 计算面积 计算Δt=（Cont1-Cont2）ts 计算Δt1=t2-t1 计算Δt2=t3-t2 计算车速V=L/Δt2 计算车轴距=L/Δt2×Δt1 计算轮距=L/Δt2×Δt1/tanα 求车重W=C×S 保存结果 3.4 能量采集 随着无线传感器、无线通信网络以及MEMS技术的不断发展，与之相关的微能源技术得到人们更多的重视。机械动能是广泛存在于自然界中的一种能量，获取自然界中的振动或压力能量是解决微能源问题的一种可行方案。压电陶瓷锆钛酸铅( PZT ) 。以其压电常数和机电耦合常数较大, 而且制造工艺成熟, 在压电振动能量采集装置中得到广泛应用。但PZT 陶瓷易碎, 使得PZT压电片在振动能量采集装置中不能承受大的应变。研究表明, 在高频周期载荷作用下, 压电陶瓷极易产生疲劳裂纹, 发生脆性断裂, 其应用受到一定限制。为了克服PZT变形小且易碎的缺陷和提高能量采集效率, 研究人员研制了柔性更大的压电材料聚偏氟乙烯压电薄膜(简称PVDF) 。PVDF是一种压电聚合体,相对于PZT 具有更好的柔韧性。通过实验验证, 采用耐用的基体材料, 压电振子可以在更高频率的环境下运行, 更适合应用于交变载荷的场合。由于PVDF的柔韧性能更好, 其使用寿命更长, 捕获的能量更多。压电薄膜作为PZT的补充，为能量采集提供另外一条采集思路。将柔性压电薄膜，实现道路交通、人行道、脚底等d33模式下的压电能量采集。该方案已经在日本地铁刷卡系统中的到应用，以供刷卡机需要的能量。