压电薄膜特性参数的测量方法

华中科技大学硕士学位论文摘要PVDF（Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯）压电薄膜作为一种新型高分子压电材料，由其制成的传感器具有灵敏度高、频带宽、声阻抗低、电压输出高和可加工成特定形状等优点，被广泛用于各个领域。

本文对镀银PVDF压电薄膜的基本力学性能，不同温度场下的振动特性和不同厚度薄膜的压电效应进行了实验研究与分析，具体研究内容及结论如下：首先，选用了厚度分别为40μm、64μm和122μm（上下表面镀银层均为6μm）的PVDF压电薄膜，利用纤维拉伸试验机对其平行分子链方向（1方向）和垂直分子链方向（2方向）分别进行拉伸力学性能测试，获得了相应的应力-应变曲线。

试验结果表明：在弹性阶段，两个方向的力学性能较为接近，但进入塑性阶段，两个方向的力学性能差异明显，表现出强烈的各向异性。

其次，制作了厚度分别为40μm、64μm和122μm的PVDF悬臂梁试样，利用非接触式振动测试系统，测试了其在不同温度场下的振动特性，并获得了其一阶固有频率。

实验结果表明：PVDF悬臂梁的一阶固有频率随着温度增加而减小，在初始升温阶段，频率值下降较为缓慢，而当温度升高到一定值时，频率值下降较快，同时，PVDF压电薄膜厚度越小，其固有频率受温度影响越大。

最后，基于非接触式振动测试系统，对PVDF压电薄膜的压电效应进行了实验研究。

三种不同厚度PVDF悬臂板压电效应实验结果表明：电压-频率曲线与幅频响应曲线具有很好的一致性，且输出电压峰值对应的激励频率与PVDF悬臂板共振频率一致，表明PVDF压电传感器输出电压与输入应变具有很好的线性关系，适宜于应变测量，且厚度较小的PVDF压电薄膜灵敏度较高。

本文对PVDF压电薄膜的基本性能进行了实验研究与分析，为PVDF压电传感器的设计与优化提供基础数据支撑，具有重要的工程应用价值。

关键词：PVDF压电薄膜；拉伸力学性能；振动特性；压电效应华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a novel piezoelectric polymer material, the sensors made of PVDF(polyvinylidene fluoride) piezoelectric film have the advantages of high sensitivity, wide frequency band, low acoustic impedance, high voltage output, and can be processed into specific shapes,which are widely applied in various fields. In this paper, the basic mechanical properties, the vibration characteristics under different temperature fields, and the piezoelectric effect of silver-coated PVDF piezoelectric films were studied experimentally and analyzed. The specific research contents and conclusions are as follows: First, the PVDF piezoelectric films with different thickness of 40 μm, 64 μm, and 122 μm (the thickness of coated silver on the upper and lower surfaces is 6μm) were prepared. The tensile samples of PVDF piezoelectric film were tested in two directions using a fiber tensile tester,i.e.,parallel (1 direction) and perpendicular (2 direction) to the molecular chains, and the corresponding stress-strain curves were obtained. The experimental results show that: in the elastic stage, the mechanical properties of the two directions are practically identical,however ,in the plastic stage, the mechanical properties of the two directions are significantly different, showing a strong anisotropy.Next, PVDF cantilever specimens with thicknesses of 40μm, 64μm and 122μm were prepared respectively. The non-contact vibration test system was used to test the vibration characteristics of the PVDF cantilever beam under different temperature fields, and its first-order natural frequency was obtained. The experimental results show that the first-order natural frequency of the PVDF cantilever beam decreases with increasing temperature. In the initial heating stage, the frequency decreases more slowly, and when the temperature rises to a certain degree, it declines rapidly.Besides ,the smaller the PVDF film thickness is, the greater its natural frequency is affected by the temperature.Finally, based on the non-contact vibration test system, the piezoelectric effect of PVDF was investigated experimentally. The experimental results of three different thickness PVDF cantilever plates show that the voltage-frequency curve is in good agreement with the amplitude-frequency response curve, and the excitation frequency corresponding to the peak output voltage is consistent with the resonance frequency of the华中科技大学硕士学位论文PVDF cantilever plate, indicating the sensor’s output voltage has a good linear relationship with the input strain and is suitable for strain measurement. In the same time ,the sensor made of smaller thickness has higher sensitivity.In this paper, the basic properties of PVDF piezoelectric films were experimentally researched and analyzed,which provides the basic data reference for the design and optimization of PVDF piezoelectric sensors and has much significance in engineering application.Keywords: PVDF piezoelectric films; Tensile mechanical properties; Vibration characteristics; Piezoelectric effect.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2PVDF压电薄膜基本特性 (2)1.3PVDF传感器在不同应用领域国内外研究现状 (5)1.4本文主要研究内容及安排 (13)2PVDF压电薄膜力学性能实验研究 (15)2.1PVDF压电薄膜表面形貌表征 (15)2.2PVDF压电薄膜拉伸力学性能 (16)2.3实验结果及分析 (18)2.4本章小结 (22)3不同温度场下PVDF悬臂梁振动特性实验研究 (23)3.1悬臂梁固有频率 (23)3.2PVDF悬臂梁振动测试实验 (24)3.3实验结果与讨论 (27)3.4本章小结 (33)4PVDF悬臂板压电效应实验研究 (34)4.1PVDF压电传感器信号调理电路 (34)4.2PVDF悬臂板压电效应实验 (37)华中科技大学硕士学位论文4.3实验结果与分析 (40)4.4本章小结 (46)5总结与展望 (47)5.1总结 (47)5.2展望 (48)致谢 (49)参考文献 (51)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景和意义在日常生产活动中，结构的振动是一个很普遍的问题。

PVDF压电薄膜测量脉动压力可行性研究PVDF（聚偏氟乙烯）压电薄膜是一种优良的材料，具有良好的压电效应和机械性能，逐渐在生物医学、能源转换等领域得到广泛应用。

本文旨在探讨PVDF压电薄膜用于测量脉动压力的可行性，并对相关研究进行综述。

首先，PVDF压电薄膜具有优异的压电效应。

PVDF具有非中心对称结构，应力应变曲线剪切发生，从而产生极化电荷。

通过施加机械压力或应变，可以引发PVDF薄膜产生电位差，该压电效应可用于测量脉动压力。

其次，PVDF薄膜具有良好的机械性能。

PVDF具有优异的拉伸、抗撕裂和耐磨损性能，使之能够适应任何形状的曲面，使得薄膜可以被应用于各种复杂场景下的压力测量中。

在PVDF薄膜用于脉动压力测量的研究中，通常需要将薄膜放置在测量区域，并将薄膜的一端固定，另一端与被测压力接触。

当脉动压力作用于薄膜时，薄膜会产生相应的电荷变化。

通过测量电荷信号的变化，可以反推出压力的变化状况。

为了提高测量精度，研究者们提出了一些改进方法。

例如，可以在薄膜表面铺设导电层，以增加电荷传导效果。

同时，一些研究还尝试使用多层叠加的PVDF薄膜结构，以增加压电效应的敏感度和稳定性。

脉动压力测量是一项涉及到生物医学、化工、流体力学等多个领域的重要任务。

在这些领域中，准确测量脉动压力对于病理诊断、流体控制以及能源系统的优化都起到重要作用。

而PVDF压电薄膜因其良好的压电效应和机械性能，被认为是一种可行且有潜力的测量脉动压力的技术手段。

综上所述，PVDF压电薄膜在测量脉动压力方面具有可行性。

随着技术的发展和研究的深入，PVDF压电薄膜的应用前景将更加广阔。

然而，仍需要进一步的实验研究和工程化应用来验证其在具体领域的可行性和实用性。

---第31卷第 4期压电与 声 光V ol.31 N o. 42009年8月P IEZOEL ECT ECT RICS &A CO U ST O OP T ICSAug. 2009文章编号:1004-2474(2009) 04-0608-05(1. 压电薄膜特性参数的测量方法王青萍, 范跃农 , 姜胜林湖北第二师范学院 物理与电子工程系, 湖北 武汉 430205; 2. 景德镇陶瓷学院 机械电子工程系, 江西 景德镇 333403;3. 华中科技大学 电子科学与技术系 教育部敏感陶瓷工程研究中心, 湖北 武汉 430074)摘要:随着电子元器件向微型、高灵敏、集成等方向发展, 薄膜材料及器件在微机电( M EM S) 系统中得到广泛应用,而测量压电薄膜特性参数的方法与体材料相比有很大的不同。

介绍了当前测量压电薄膜特性参数的两大 类方法:直接测量法( 包括气腔压力法、悬臂梁法、激光干涉法和激光多普勒振动法) 和间接测量法( 传统阻抗分析 法) , 详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状况及存在的问题,比较了这些方法的优缺点,并对未来压 电薄膜特性参数的测试表征作了展望。

关键词:压电薄膜; 压电参数;测量方法中图分类号:T N30; T M 282 文献标识码:AMeasurement Methods for Piezoelectric Coefficient of Piezoel ectric Thin FilmsWANG Qing ping ,FAN Y ue-nong , JIANGShenglin (1. H ub ei University of E ducation , Physics & Electronics Dept. Wuhan 430205, Ch ina; 2. Jingdezhen Ceramic Institute,M ech anis m & Electronics Dept. , Jingdezhen 333403, China; 3. Dept. of Electronic Science and T ech nology,Engin eering Research Centre for Function al Ceramics MOE H uazhong University of Science and T ech nology, W uhan 430074, Chin a)Abstract: F ilm mater ials and dev ices have been widely used in micr o-electr omechanical sy stem ( M EM S) systemwit h the develo pment o f micromation, hig h sensit ivity and integr ation of electr onic devices. But the measurementmet ho ds for piezo electric pr operties o f piezoelect ric thin films ar e ver y differ ent fro m those of bulk materials. T wocateg or ies of measur ing piezoelectric pro per ties o f piezoelect ric thin films wer e intr oduced in this paper: direct meas-urement(including pneumatic pr essure r ig, cant ilev er method, laser interfer ometer method and laser Do ppler vibr o-meter met ho d) and indirect measur ement( conventional impedance analy zer ). T he basic pr inciple, measurement char-acter izat ion, applicatio n status and problems wer e all illustrated in this paper, t he adv antag es/disadv antag es o f thesetechniques wer e co mpar ed fo r piezoelectr ic applicatio ns and the futur e dev elo pment of measurement characterizationof piezo electr ic thin f ilms w ere predicted.Key words: piezoelect ric thin film; piezoelectr ic coefficient; measurement methods压电薄膜作为一种很有前景的材料被广泛应目前,对于薄膜压电参数的测量方法有很多种,用在微机电系统( MEM S) 中, 比如微致动器、微泵、 本文主要选取几种可靠性较好, 精度较高的方法加 化学传感器及移动通信中的射频滤波器 等。

微机电系统（MEMS）技术MEMS压电薄膜机电转换特性的测量方法1 范围本文件规定了用于压电式微传感器和微执行器等器件的压电薄膜机电转换特性测量方法。

本文件适用于MEMS工艺制备的压电薄膜。

2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 26111微机电系统（MEMS）技术术语3 术语和定义GB/T 26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1单压电层梁unimorph beam document由基底和基底上的一层压电薄膜构成的梁。

3.2正横向压电系数direct transverse piezoelectric coefficient由应变或应力产生的电荷或电压，通过计算得到压电薄膜的横向压电系数。

3.3逆横向压电系数converse transverse piezoelectric coefficient由电场或电压引起的应变或应力，通过计算得到压电薄膜的横向压电系数。

4 MEMS压电薄膜试验台4.1 概述以下横向压电特性的测量方法适用于单压电层梁。

MEMS压电薄膜横向压电系数试验台的功能模块或组件的基本构成见图1。

试验台符号和名称见表1。

12标引序号说明： 1 被测压电薄膜2 与被测薄膜上下表面接触的电极（2a 为上电极，2b 为下电极）3 基底4 夹具5 线性执行器（不用于逆压电效应测量）6 位移计7 测量并计算正横向压电系数的电测量仪器（即电压表、电荷计、电流表、示波器或锁相放大器）和测量并计算逆横向压电系数的激励源（函数发生器和放大器）图1 MEMS 压电薄膜的正和逆横向压电系数试验台表 1试验台的符号和名称推导的横向压电系数（表 1 试验台的符号和名称（续）4.2 功能模块和组件4.2.1 概述MEMS压电薄膜横向压电系数试验台各核心功能模块或组件的具体说明见4.2.2至4.2.6。

压电薄膜材料的性能与性能特点压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，它的发展有着十分悠久的历史。

自19世纪80年代从CURIE 兄弟在石英晶体上发现了压电效应后，压电材料开始引起人们的广泛注意，随着研究深入，不断涌现出大量的压电材料，如压电功能陶瓷材料、压电薄膜、压电复合材料等。

这些材料有着十分广泛的用途，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。

PVDF压电薄膜PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜，在1969年，日本人发现了高分子材料聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride polymer) 简称PVDF，具有极强的压电效应。

PVDF薄膜主要有二种晶型即α型和β型，α型晶体不具有压电性，但PVDF膜经滚延拉伸后，原来薄膜中的α型晶体变成β型晶体结构。

拉伸极化后的PVDF 薄膜在承受一定方向的外力或变形时，材料的极化面就会产生一定的电荷，即压电效应。

与压电陶瓷和压电晶体相比，压电薄膜主要有以下优点：（1）质量轻，它的密度只有常用的压电陶瓷PZT的四分之一，粘贴在被测物体上对原结构几乎不产生影响，高弹性柔顺性，可以加工成特定形状可以与任意被测表面完全贴合，机械强度高，抗冲击；（2）高电压输出，在同样受力条件下，输出电压比压电陶瓷高10倍；（3）高介电强度，可以耐受强电场的作用（75V/um），此时大部分压电陶瓷已经退极化了；（4）声阻抗低，仅为压电陶瓷PZT的十分之一，与水、人体组织以及粘胶体相接近；（5）频响宽，从10-3Hz到109均能转换机电效应，而且振动模式单纯。

因此在力学中可以测量应力和应变，在振动中可以制作加速度计和振动模态传感器，在声学上可以制作声辐射模态传感器和超声换能器以及用在主动控制中，在机器人研究中可以。

压电薄膜传感器工作原理以及应用压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。

一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。

本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。

工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。

一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。

因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。

使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。

当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。

薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达0.1Hz。

压电薄膜传感器简介压电薄膜传感器拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。

一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。

工采网将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。

压电薄膜传感器工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。

一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。

因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。

使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。

收稿日期:2009-01-19基金项目:国家高技术/八六三0计划基金资助项目(2007AA03Z120);国家自然科学基金资助项目(60777043) 作者简介:王青萍(1980-),女,陕西绥德人,硕士生,主要从事压电薄膜的性能研究。

文章编号:1004-2474(2009)04-0608-05压电薄膜特性参数的测量方法王青萍1,3,范跃农2,3,姜胜林3(1.湖北第二师范学院物理与电子工程系,湖北武汉430205;2.景德镇陶瓷学院机械电子工程系,江西景德镇333403;3.华中科技大学电子科学与技术系教育部敏感陶瓷工程研究中心,湖北武汉430074)摘 要:随着电子元器件向微型、高灵敏、集成等方向发展,薄膜材料及器件在微机电(M EM S)系统中得到广泛应用,而测量压电薄膜特性参数的方法与体材料相比有很大的不同。

介绍了当前测量压电薄膜特性参数的两大类方法:直接测量法(包括气腔压力法、悬臂梁法、激光干涉法和激光多普勒振动法)和间接测量法(传统阻抗分析法),详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状况及存在的问题,比较了这些方法的优缺点,并对未来压电薄膜特性参数的测试表征作了展望。

关键词:压电薄膜;压电参数;测量方法中图分类号:T N30;T M 282 文献标识码:AMeasurement Methods for Piezoelectric Coefficient of Piezoelectric Thin FilmsWANG Qing -ping 1,3,FAN Yue -nong 2,3,JIANG Sheng -lin 3(1.H ub ei University of E ducation ,Physics &Electronics Dept.Wuhan 430205,Ch ina; 2.Jingdezhen Ceramic Institute,M ech anis m &Electronics Dept.,Jingdezhen 333403,China; 3.Dept.of Electronic Science and T ech nology,Engin eering Research Centre for Function al Ceramics M OE H uazhong University of Science and T ech nology,W uhan 430074,Chin a)Abstract:F ilm mater ials and dev ices have been widely used in micr o -electr omechanical sy stem (M EM S)system wit h the develo pment o f micromation,hig h sensit ivity and integr ation of electr onic devices.But the measurement met ho ds for piezo electric pr operties o f piezoelect ric thin films ar e ver y differ ent fro m those of bulk materials.T wo categ or ies of measur ing piezoelectric pro per ties o f piezoelect ric thin films wer e intr oduced in this paper:direct meas -urement(including pneumatic pr essure r ig,cant ilev er method,laser interfer ometer method and laser Do ppler vibr o -meter met ho d)and indirect measur ement(conventional impedance analy zer ).T he basic pr inciple,measurement char -acter izat ion,applicatio n status and problems wer e all illustrated in this paper,t he adv antag es/disadv antag es o f these techniques wer e co mpar ed fo r piezoelectr ic applicatio ns and the futur e dev elo pment of measurement characterization of piezo electr ic thin f ilms w ere predicted.Key words:piezoelect ric thin film;piezoelectr ic coefficient;measurement methods压电薄膜作为一种很有前景的材料被广泛应用在微机电系统(MEM S)中,比如微致动器、微泵、化学传感器及移动通信中的射频滤波器[1-4]等。

PVDF压电薄膜传感器的标定技术PVDF压电薄膜传感器只能测量动态压力，因此我们要确定它的动态灵敏度系数。

本实验主要测试低应力下自制传感器的动态灵敏度，因此，采用落锤冲击装置对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验。

一、落锤装置标定PVDF传感器的实验方案（一）实验原理PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置是由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套、两台电荷放大器、一台示波器等组成。

该装置是利用重锤、活塞杆和油缸中的硅油相互作用过程中形成毫秒量级的动态压力扰动，压力波形接近半个正弦波，在记录仪器中可以获取标准压力传感器的输出信号和被标压力传感器的输出信号，经数据处理后可以得到被标压力传感器的灵敏度和非线性误差水平，实现PVDF压电薄膜传感器的标定。

PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置的主要参数如下：重锤质量约为M2=2200g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；重锤最大落高约为hmax≈1300mm；重锤最大打击速度约为umax=（2ghmax）0.5=5m/s，此值是设计与调试中主要控制参数之一；油缸中硅油质量约为M1=1.2g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；因为本实验需要的压力不高，所以直接手动用落锤打击产生超压。

（二）实验装置实验使用的实验装置主要由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、落锤冲击装置、两台电荷放大器、一台示波器。

（1）标准压力传感器。

我们采用比较测试法对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验，对自制传感器和标准传感器输入相同的激励信号，通过测量它们的输出信息，比较两个传感器输出的电压波形，计算出PVDF压电薄膜传感器的灵敏度，其中标准传感器的灵敏度为2.436pc/bar。

（2）落锤装置。

落锤装置是由1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个1.5m长圆筒式滑轨、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套组成的。

pvdf压电薄膜静态法压电常数d31的测量装置及其测量方法
PVDF压电薄膜静态法压电常数d31的测量装置包括以下部分：
1. PVDF压电薄膜：PVDF压电薄膜是测量装置的核心部分，其厚度一般为几十微米至几百微米。

2. 电极：电极是用来施加电场的，一般采用金属电极或导电聚合物电极。

3. 电源：电源用来提供电场，一般采用高压电源或信号发生器。

4. 电荷放大器：电荷放大器用来放大PVDF薄膜表面的电荷信号。

5. 数据采集系统：数据采集系统用来记录电荷信号和电场信号，一般采用示波器或数据采集卡。

测量方法：
1. 将PVDF压电薄膜固定在两个电极之间，保证薄膜表面光滑。

2. 施加电场，测量PVDF薄膜表面的电荷信号。

3. 改变电场的方向和大小，测量不同电场下的电荷信号。

4. 根据电荷信号和电场信号计算出PVDF压电薄膜的压电常数d31。

5. 重复以上步骤，取多组数据，计算平均值，提高测量精度。