PVDF柔性傳感器的制備研究

劉旭，賈昭，王博

（西安航空學院機械學院，西安710077）

PVDF柔性傳感器的制備研究

劉旭，賈昭，王博

（西安航空學院機械學院，西安710077）

設計了一種PVDF柔性傳感器結構，通過實驗制備了高質量的PVDF壓電薄膜，發(fā)現PVDF質量分數為15%的溶液具有很好的成膜能力。介紹了PVDF薄膜的制備方法和注意事項；設計了一種PVDF柔性傳感器的制備流程，總結了其制備過程中的工藝方法和關鍵步驟，可為PVDF柔性傳感器的制備提供借鑒和參考。

柔性傳感器；PVDF；薄膜

傳統(tǒng)的傳感器柔韌性較差，難以適應下一代傳感器在柔性和便捷性方面的高要求，其應用范圍受到限制。在許多實際應用中往往要把傳感器集成到一些特定的不規(guī)則復雜表面，這就需要可以適應復雜表面的柔性傳感器。新型的柔性傳感器具有柔軟的基底，可適應復雜的非平整的表面，極大地擴展了傳感器的應用范圍［1-2］。表1是傳統(tǒng)的剛性傳感器與新型的柔性傳感器的對比。柔性傳感器在機械結構健康監(jiān)測、電子皮膚、生物醫(yī)藥、可穿戴電子產品等方面具有重要作用。例如它可以包裹在大型結構表面以傳遞和監(jiān)測結構的健康信息，這些信息可用于安全評估和故障診斷［3-4］。在生物醫(yī)藥中可植入微型柔性溫度傳感器用于檢測異常細胞，監(jiān)測人體的健康狀況［5-6］。目前，柔性傳感器正朝著適應性強、便攜性好、敏感性高、誤報率低、響應速度高的方向發(fā)展。

表1　傳統(tǒng)的剛性傳感器與新型的柔性傳感器對比

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）是一種性能優(yōu)異的壓電材料。PVDF壓電材料薄膜具有機械強度高、柔韌性好、頻響范圍寬、聲阻抗易匹配、抗化學腐蝕、可以加工成大面積或者復雜的形狀來使用等優(yōu)點，因此近年來其應用得到了廣泛的研究［8-11］。在壓力作用下，壓電薄膜發(fā)生變形，壓電材料的表面產生的電荷量正比于壓電材料所受到的應力和應變，在電介質內部的電極化變化導致上下表面的電勢改變，和表面接觸的兩電極上的電荷重新調整以平衡PVDF表面電勢，因此在電路中會有電荷流動。利用PVDF的壓電效應可以把力學量和電學信號進行相互轉化。將PVDF壓電薄膜和柔性基底相結合可以制備性能優(yōu)越的PVDF柔性傳感器［12-18］。

1　PVDF柔性傳感器結構設計

采用以下方法制作柔性傳感器：第1種是通過轉印技術將硬基底上制作好的傳感器剝離轉移到柔性基底上；第2種是直接在柔性基底（如Polydimethylsiloxane，PDMS，全稱為聚二甲基硅氧烷）上通過MEMS技術制作感應裝置而形成柔性傳感器。相比而言，第1種方法工藝簡單易行。本實驗設計的PVDF柔性傳感器結構如圖1所示。

用PVDF壓電材料的壓電性制備柔性PVDF傳感器時，需要做成具有上下表面電極的電容結構。實驗中，在硅基片上采用勻膠的方法制備了PVDF薄膜，在其上下表面通過沉積金（Au）層的方法制備出電極層。制備過程中在硅片上依次制備PDMS層、底電極、PVDF層、頂電極，采用銀絲作為電極導線，用導電膠將電極層與銀絲粘接，然后用環(huán)氧膠涂于其表面加固，最后采用環(huán)氧樹脂膠進行封裝處理。

圖1　PVDF柔性傳感器結構

2　PVDF的薄膜制備

1）用電子稱稱取一定量的PVDF粉末，按照溶液中PVDF的質量分數為15%稱取一定量的二甲基酰胺作為溶劑，再將PVDF粉末緩慢導入溶劑中。

2）在常溫下，用磁力攪拌機快速攪拌2 h以上，并靜置12 h以上，使PVDF粉末充分溶解。

3）將硅片吸附在勻膠機轉盤上，并選擇勻膠機合適的轉速，勻膠機則帶動硅片旋轉。

4）將配置好的PVDF溶液旋涂在硅片上，然后以900 r/min甩膠1 min，在90℃時烘干10 min，然后再旋涂一層，在90℃烘干10 min后，把溫度調到120℃烘干12 h。

5）按照此方法即可在硅片上制備厚度為幾微米的PVDF薄膜。

實驗中，利用上海三愛富新材料股份有限公司提供的聚偏氟乙烯（PVDF）粉末制備了質量較高的PVDF薄膜。通過PVDF溶液的試配，發(fā)現PVDF質量分數為15%，二甲基甲酰胺（DMF）質量分數為85%的溶液具有很好的成膜能力。實驗結果表明：勻膠機旋轉速度和PVDF溶液濃度與PVDF薄膜厚度密切相關，勻膠機旋轉速度愈大，PVDF溶液濃度愈小，薄膜厚度越小。

3　PVDF柔性傳感器的制備

柔性PVDF傳感器制備流程如圖2所示，其中：（a）為硅片上生長二氧化硅；（b）為在硅板上制備PDMS層；（c）為PDMS層上噴金，作為下電極；（d）為旋涂PVDF溶液，并烘干；（e）為在PVDF薄膜上噴金；（f）為導線與電極的連接，封裝保護。

1）將單晶硅片切成大小約2 cm×3 cm的小片，然后用化學沉積的方法在其上沉積一層600 nm厚的二氧化硅層。該層功能是作為犧牲層，即在其上制備器件后，將此層刻蝕掉，讓器件與硅基體脫離，從而形成柔軟的PDMS基體。

2）在二氧化硅層上制作一層PDMS，作為器件的柔性基底。

3）在PDMS層上通過電子束沉積厚度為300 nm的金層作為器件的電極層。為了防止連接電路部分，頂電極和底電極之間形成電容結構，需要將頂電極位置與對應的底電極位置錯開。

4）在底電極表面旋涂PVDF薄膜，首先要配置濃度15%的PVDF溶膠。PVDF溶膠的成分：15%（質量分數，下同）的PVDF粉末；85%的二甲基甲酰胺溶液。在50～70℃下磁力攪拌2 h，靜置12 h，然后以900 r/min的轉速甩膠1 min，在90℃下烘干10 min，然后再旋涂一層。在90℃下烘干10 min后，把溫度調到120℃烘干12 h。如此便得到了厚度約為2 μm的PVDF薄膜。

5）在PVDF薄膜上通過電子束沉積0.3 μm厚的金層作為頂電極。

6）刻蝕犧牲層。將樣品浸入濃度12.5%的HF溶液中約5 min，將大部分SiO2刻蝕掉。

7）將器件轉印到PDMS基體上。將用HF溶液刻蝕后的器件用PDMS從硅片上揭下來，然后轉印到事先用紫外燈照射過約3 min的PDMS基體上。

8）用導電膠將金屬導線與電極層觸頭粘接在一起，然后用環(huán)氧膠涂于表面加固。

本實驗用到的一些設備和材料的照片如圖3～6所示。實驗中，在PDMS上通過噴一層金作為下電極，然后再在該電極上甩一層PVDF溶液，烘干后在PVDF薄膜上噴一層金作為上電極。

圖2　PVDF傳感器制備流程

實驗中發(fā)現：在PVDF柔性傳感器制備過程中，為了更好地完成壓電輸出應增加薄膜的厚度，但是用溶膠法制備薄膜厚度不能過大，后邊滴上去的溶液會將前次預烤干的薄膜溶解，所以旋涂的次數一般不超過3次。PVDF薄膜較軟，熔點為160℃，所以在噴金時，高溫的金屬顆粒沉積時溫度比較高，會導致其表面的變形較大，而金屬表面十分粗糙，電極層容易開裂。

圖3　實驗中的勻膠機

圖4　實驗中的真空烘干箱

圖5　硅片上制備的PDMS

圖6　PVDF薄膜上噴金

4　結束語

設計了PVDF薄膜的實驗制備流程，制備了高質量的PVDF薄膜，總結了制備過程的注意事項。發(fā)現PVDF質量分數為15%的溶液具有較好的成膜能力。實驗結果表明：勻膠機旋轉速度以及PVDF溶液的濃度對PVDF薄膜厚度有較大影響；增加PVDF薄膜的厚度有利于更好地完成壓電輸出，但用溶膠法制備薄膜時為了防止前次薄膜溶解，旋涂的次數一般不超過3次；形成電極層時高溫的金屬顆粒沉積會使PVDF薄膜表面的變形較大，且金屬電極層表面十分粗糙容易開裂。本研究對PVDF柔性傳感器的制備工藝進行了實驗探索，可為柔性傳感器制備提供參考。

［1］李興輝，Selvarasah S，Liu Y，等.柔性高靈敏單壁碳納米管氣體傳感器研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（7）：38-44.

［2］黃英，陸偉，趙小文，等.用于機器人皮膚的柔性多功能觸覺傳感器設計與實驗［J］.機器人，2011，33（3）：347-353.

［3］白石，周智，申宇，等.基于PVDF的無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)［J］.航空學報，2014，35（8）：2190-2198.

［4］樊程廣，潘孟春，羅飛路，等.基于PVDF壓電薄膜傳感器的超聲檢測試驗［J］.無損檢測，2012，34（1）：27 -30.

［5］趙海艷.基于石墨烯納米復合材料的生物傳感器研究［D］.石家莊：河北醫(yī)科大學，2014.

［6］葛磊.納米功能復合材料的制備及其在生物傳感中的應用研究［D］.濟南：山東大學，2014.

［7］徐延光，馬炳和，鄧進軍，等.基于柔性壓電元件的管路振動測量技術研究［J］.測控技術，2010，29（S）：220 -227.

［8］惠迎雪，樊慧慶，劉衛(wèi)國，等.PVDF鐵電聚合物薄膜的溶液法制備［J］.材料科學與工程學報，2008，126（3）：331-334.

［9］王林.基于PVDF的壓電觸摸屏的研究［D］.北京：清華大學，2012.

［10］韓冰，王越，孟繁浩，等.基于PVDF壓電材料的壓力傳感器設計［J］.吉林大學學報：理學版，2012，50（2）：333-336.

［11］李嫻.有機薄膜晶體管氣體傳感器的制備及特性研究［D］.成都：電子科技大學，2013.

［12］陳宏海，劉武，孫永明，等.基于聚酰亞胺基底的熱線式剪切應力傳感器［J］.MEMS與傳感器，2013（1）：40 -46.

［13］譚嘉俊.基于PVDF的脈搏傳感器研究［D］.昆明：昆明理工大學，2013.

［14］徐浩，芮筱亭，于海龍，等.彈底發(fā)射裝藥擠壓應力測試的PVDF傳感器研究［J］.儀器儀表學報，2013，34（5）：1029-1035.

［15］褚祥誠，徐亞楠，袁松梅，等.基于PVDF的新型高速公路壓電動態(tài)稱重傳感器［J］.振動、測試與診斷，2013，33（3）：353-356.

［16］朱嶠，毛崎波.PVDF壓電傳感器在實驗模態(tài)分析中的應用［J］.壓電與聲光，2014（3）：393-396.

［17］具典淑，周智，歐進萍.PVDF壓電薄膜的應變傳感特性研究［J］.功能材料，2004（4）：450-452，456.

［18］余尚江，楊吉祥，陳晉央，等.PVDF壓電系數d31受溫度影響的試驗測定［J］.壓電與聲光，2013（2）：255 -257.

（責任編輯劉舸）

Research on Fabrication of PVDF Flexible Sensor

LIU Xu，JIA Zhao，WANG Bo
（School of Mechanical Engineering，Xi'an Aeronautical University，Xi'an 710077，China）

A flexible PVDF sensor structure was designed and high quality PVDF piezoelectric film was obtained through experiment and it's founded that the solution with 15%mass fraction of PVDF has a good film-forming ability.The preparation of PVDF thin films methods and precautions were summarized.Fabrication path of PVDF flexible sensor was designed and preparation technique and key steps of the process of it were summarized，which can make a reference for the preparation of PVDF soft sensor.

flexible sensor；PVDF；thin film

TH706

A

1674-8425（2015）04-0040-04

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.008

2015-01-15

西安航空學院校級科研基金項目（2014KY1103）

劉旭（1986—），男，陜西商州人，碩士，助教，主要從事柔性電子器件設計及優(yōu)化，機械結構健康監(jiān)測研究。

劉旭，賈昭，王博.PVDF柔性傳感器的制備研究［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2015（4）：40-43.

format：LIU Xu，JIA Zhao，WANG Bo.Research on Fabrication of PVDF Flexible Sensor［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：40-43.