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新型P（VDF-TrFE）柔性薄膜压电性能研究

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新型P（VDF-TrFE）柔性薄膜压电性能研究

作者：张建峰西安理工大学

学位级别：硕士

聚偏氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)作为一种压电性良好的聚合物材料,具备了其母系材料PVDF的柔性好、频率响应范围大、材料耐高温以及制备流程简单等优点,且该材料可以直接在制备过程中形成β相晶型而无需后续处理,P(VDF-TrFE)材料自出现... 详细信息

聚偏氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)作为一种压电性良好的聚合物材料,具备了其母系材料PVDF的柔性好、频率响应范围大、材料耐高温以及制备流程简单等优点,且该材料可以直接在制备过程中形成β相晶型而无需后续处理,P(VDF-TrFE)材料自出现至今一直是研究和制备压电传感器、机电换能器的优质材料。因此对P(VDF-TrFE)薄膜压电性能的研究具有重要的工程意义和应用价值。本文的具体研究内容如下:(1)使用新型氢化法制备了从10μm至80μm不同厚度的P(VDF-TrFE)薄膜,经过极化、喷射电极后使其具备了压电性能,最后测量了薄膜的纵向压电系数d33;(2)使用COMSOL软件对P(VDF-TrFE)压电薄膜的压电效应进行了有限元仿真分析。通过对P(VDF-TrFE)薄膜的纵向压电效应仿真研究发现,P(VDF-TrFE)薄膜输出的电压信号随着薄膜厚度的增加而增大,二者为线性关系;通过仿真悬臂梁振动系统进行横向压电效应的仿真,得到压电薄膜的6个特征频率,其中低频共振频率为34.913Hz;(3)对压电薄膜的纵向压电效应进行研究。P(VDF-TrFE)压电薄膜在受到脉冲力作用时,响应时间为几百μs,电压灵敏度为44mV/N;薄膜在受到动态力冲击作用时,最大量程为200N,满量程输出电压为8V,其能量转化效率为56%,电压灵敏度为46.7mV/N。当保持动态力大小不变而改变进给率时,薄膜的输出电压与进给率成正比;(4)对压电薄膜的横向压电效应进行研究。通过悬臂梁振动测试实验对压电薄膜的横向压电效应进行研究,得到其有预应力和无预应力作用下低频共振频率分别为20Hz、30Hz,薄膜低频共振频率的实验偏差分别为1.57和1.05;(5)对P(VDF-TrFE)柔性压电薄膜在脉搏测量和手指压力信号的检测方面进行了的实验探究,取得了一定的实验效果,有望在人体生理和皮肤表层微弱信号的感知、检测方面得到进一步的研究和应用。本文通过实验验证了 P(VDF-TrFE)薄膜柔性传感器具有良好的压电特性和稳定的输出性能。P(VDF-TrFE)压电薄膜的性能良好,可在能量存储、数据采集和传感器等相关领域得到广泛应用。

关键词： P(VDF-TrFE) 柔性压电薄膜压电性能传感器

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金字塔型柔性压电聚合物薄膜研究

金字塔型柔性压电聚合物薄膜研究

作者：黄家通华东师范大学

学位级别：硕士

压电传感器作为压力信号检测的基础器件,在工业生产和日常生活中均有着广泛的应用。在压电传感器中,PVDF-TrFE压电聚合物因为具有理想的压电系数、较好的耐化学性以及绝佳的柔韧性等特性,成为目前研究最多的一种压电功能材料。但随着科... 详细信息

压电传感器作为压力信号检测的基础器件,在工业生产和日常生活中均有着广泛的应用。在压电传感器中,PVDF-TrFE压电聚合物因为具有理想的压电系数、较好的耐化学性以及绝佳的柔韧性等特性,成为目前研究最多的一种压电功能材料。但随着科技设备的需求的越来越高,对压电传感器性能的要求越来越高,其中压电传感器的制作工艺与薄膜结构是研究的主要方面之一。本论文首先基于有限元分析的方法,利用参数化编程软件ANSYS仿真了柔性压电聚合物薄膜不同的表面结构,包括传统平面结构、四方柱结构、三棱柱结构和金字塔结构,通过施加相同的约束和压力载荷,对比四种结构的应变情况以及压电情况,通过输出数据对比得出金字塔结构是最好的压电结构。在加载相同压力下,讨论了应变和输出电压两个物理量的关系。由仿真结果得知,金字塔结构的应变值最高,输出电压最高;平面结构的应变最小,输出电压最小。本文为了进一步验证仿真的结果,对PVDF-TrFE柔性压电薄膜进行了实验探索。首先经过磁控振子搅拌方法,将PVDF-TrFE(聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物)粉末溶解于DMF(二甲基甲酰胺)配置成溶液。然后利用旋涂法,摸索最佳的PVDF-TrFE溶液浓度。然后利用甩胶工艺制备出PVDF-TrFE压电聚合物薄膜。再利用一些压电表征方法对薄膜的压电性进行表征。例如利用PFM(压电力显微镜)技术观测PVDF-TrFE压电薄膜材料的蝴蝶曲线和电滞回线,利用FT-IR(傅里叶变换红外吸收谱)讨论了PVDF-TrFE成分中和β相相关的官能团,也就是和压电相关的官能团的作用。利用XRD(X射线衍射)技术表征了退火结晶的情况。本文最后在压电薄膜工艺的基础上,制备出了平面结构的PVDF-TrFE压电薄膜,利用Si模具制备出金字塔结构的PVDF-TrFE压电薄膜,观察了金字塔结构的表面形貌,为保证对比的可行性,两者尺寸相同,工艺相同。然后利用示波器、振动台等压电测试设备测试了平面结构和金字塔结构的压电性能,基于测量结果讨论发现金字塔结构确实具有压电优越性,与仿真结果一致。另外,我们对金字塔压电薄膜还进行了稳定性测试和对不同压力大小的响应情况测试。

关键词： PVDF-TrFE 有限元分析柔性压电薄膜压力传感器金字塔结构

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基于柔性压电应变传感器的可穿戴装置及应用

基于柔性压电应变传感器的可穿戴装置及应用

作者：季振杰天津大学

学位级别：硕士

世界卫生组织已宣布COVID-19为全球流行性疾病,其常见症状之一是呼吸困难,主要表现为呼吸频率和心跳频率加快,因此能够持续监测呼吸和心跳的可穿戴设备受到重点关注。传统检测设备体积较大,限制了其在生命体征测量系统中的发展与应用,... 详细信息

世界卫生组织已宣布COVID-19为全球流行性疾病,其常见症状之一是呼吸困难,主要表现为呼吸频率和心跳频率加快,因此能够持续监测呼吸和心跳的可穿戴设备受到重点关注。传统检测设备体积较大,限制了其在生命体征测量系统中的发展与应用,柔性可穿戴传感器应运而生,主要应用包括对人体压力与应变的测量。然而,可穿戴传感器受灵敏度和可靠性的限制,对许多人体压力或应变信号响应微弱,所获取的信号受到不同类型噪声的干扰。本论文开发了一套基于柔性压电薄膜的高信噪比可穿戴应变传感装置,应用于测量胸腔部位的呼吸与心跳信号。通过对已有的蛇形图案进行改进,提出具有不同夹角的创新性弧形结构设计,能够使有机压电薄膜具有较高可拉伸性,制作的图案化聚偏二氟乙烯柔性压电应变传感器厚度仅168μm,电压灵敏度达到0.97mV/μe,有效模量为13.5MPa,能够贴合皮肤实现人体微小应变的检测。该装置由具有蛇形布局的高灵敏度可拉伸压电应变传感器、信号模块、数据采集与分析模块组成。将传感器固定在胸腔合适部位,表面振动由压电传感器捕获,产生与心跳呼吸活动共形映射的输出电压信号,通过信号处理模块实现放大与滤波以提高信号质量,将采集的数据通过经验模态分解算法提取其中相应的心跳信号和呼吸信号。通过可穿戴设备检测例如呼吸与心跳的重要生理信号,有助于早期诊断和控制COVID-19等呼吸道疾病。

关键词：可穿戴应变传感器柔性压电薄膜心跳呼吸监测信号分解

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电镀镍磷层及其在薄膜剥离中的应用

微纳电子技术 2018年第7期55卷 515-520,531页

作者：高翔石树正张晶何剑穆继亮杨玉华丑修建中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051 河北建筑工程学院机械工程学院河北张家口075000

利用柔性压电薄膜为能量采集器供电在微电子机械系统（MEMS）领域应用越来越广泛,通过电镀应力层剥离制备薄膜是近年来广受关注的一种方法。通过在氯化镍电镀液中加入不同质量浓度的磷离子和控制不同的电流密度,在铜片上电镀得到不同的... 详细信息

利用柔性压电薄膜为能量采集器供电在微电子机械系统（MEMS）领域应用越来越广泛,通过电镀应力层剥离制备薄膜是近年来广受关注的一种方法。通过在氯化镍电镀液中加入不同质量浓度的磷离子和控制不同的电流密度,在铜片上电镀得到不同的镍磷镀层。对镀层进行共聚焦显微镜观测、台阶仪测量厚度、镍磷层内应力计算、X射线衍射（XRD）和X射线能谱仪（EDS）分析,结果表明：电流密度恒定为10 mA/cm2,磷离子质量浓度由0-0.04 g/L的变化过程中,镍磷层内应力由112 MPa增加到322 MPa,而磷离子质量浓度高于0.04 g/L后,内应力减小,镀层含磷原子数分数逐渐升高;磷离子质量浓度恒定为0.04 g/L,电流密度由5 mA/cm2增加到20 mA/cm2时,镍磷层内应力从181 MPa增加到343 MPa,而电流密度高于20 mA/cm2后,内应力逐渐减小,镀层含磷原子数分数逐渐降低。之后通过控制电镀条件利用电镀镍磷层应力从硅基底成功剥离制备硅薄膜。

关键词：微电子机械系统(MEMS) 柔性压电薄膜电镀剥离硅(Si)

聚合物/PZT陶瓷基压电复合材料与器件的制备与3D打印研究

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聚合物/PZT陶瓷基压电复合材料与器件的制备与3D打印研究

作者：闫傲广西大学

学位级别：硕士

压电复合材料其良好的机械柔性使其在可穿戴式传感装备方面有着广阔的应用前景。但是压电性能低、易击穿、结构单一等缺点限制了其发展与应用。本文将从工艺优化的角度出发改善材料电学性能,并将3D打印技术融入到柔性压电材料制造技术中... 详细信息

压电复合材料其良好的机械柔性使其在可穿戴式传感装备方面有着广阔的应用前景。但是压电性能低、易击穿、结构单一等缺点限制了其发展与应用。本文将从工艺优化的角度出发改善材料电学性能,并将3D打印技术融入到柔性压电材料制造技术中,制造出了具有优化特性和精细结构的3D柔性压电材料。本论文的研究工作分为以下三大部分:1:Pb(Zr,Ti)O(PZT)/聚偏氟乙烯(PVDF)基复合材料电学性能优化研究。通过在材料中引入Ag纳米颗粒,增强感应的自由电子-空穴对的分离。显著提高了复合材料的电压输出。在0.15 MPa的压强下,复合材料压电超薄膜的电压信输出是PVDF薄膜的4倍。2:PZT/PVDF基复合材料的3D打印工艺研究。首先研制出了适用于3D打印的速干浆料,解决了3D打印纳米复合薄膜的工艺难题。3D打印出的复合材料无需高压极化便可以产生压电性。性能测试表明,3D打印的PZT/PVDF纳米复合薄膜的输出电压可达普通方法制备的PVDF薄膜的2倍。3:利用3D打印技术制备出了具有优化特性和精细结构的柔性传感器。将0.55Pb(NiNb)O-0.135Pb Zr O-0.315Pb Ti O(PNN-PZT)巨压电陶瓷粉末与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合,制备出了一种压电系数可达21 p C/N的柔性压电材料,其拉伸应变与拉伸应力分别可达150%和2.2 MPa。之后以该材料为基体,利用3D打印技术制备了具有精细三维复合网格结构的传感器。在3.5 Hz频率、压应力为0.125 MPa的条件下,传感器(厚度为550μm)可以产生3 V的峰峰电压和为0.1μA输出电流。最后利用3D打印制备了多层传感器,与单层传感器相比,当网格层数为7层时,其峰峰电压保持不变,输出电流在相同的压应力下增加到7倍。

关键词： 3D打印技术柔性压电薄膜速干浆料多层网格传感器