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压电薄膜传感器与生命体征监测——尹思源一、特点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。
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）。
如图：压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于医用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。
显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出（在某些结构中，甚至还可以产生少量的能量）。
而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。
二、应用1. 接触式传感器利用压电薄膜的动态应变片特性，可以轻松的将压电薄膜直接固定在人体皮肤上（例如手腕内侧）。
精量电子—美国MEAS传感器的产品型号是一款通用传感器，传感器的一侧涂有压力敏感胶。
但这款胶未经生物兼容性认证，在短期试验中可以将3M9842（聚亚安酯胶带）固定在皮肤上，再将压电薄膜传感器粘贴在3M 胶带上。
图2显示出重复握紧和松开物体时压电薄膜传感器的反应，输出振幅为3V左右（开路），或大约250με的动态应力。
压电薄膜之所以既能探测非常微小的物理信号又能感受到大幅度的活动，是因为PVDF膜的压电响应在相当大的动态范围内都是线性的（大约14个数量级）。
多数情况下，只要能明显区分目标信号和噪声的带宽，细小的目标信号都可以通过过滤器采集到。
类似的传感器已在睡眠紊乱研究中用于探测胸部、腿部、眼部肌肉和皮肤的运动。
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。
铌酸锂压电薄膜
铌酸锂压电薄膜是一种新型的压电材料，具有优异的压电性能和稳定性，被广泛应用于传感器、声波器件、振动器件等领域。
铌酸锂压电薄膜的制备方法主要有溶胶-凝胶法、射频磁控溅射法、离子束溅射法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种简单、低成本的制备方法，可以得到高质量的铌酸锂压电薄膜。
铌酸锂压电薄膜具有很高的压电系数和介电常数，可以将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。
因此，它被广泛应用于传感器领域，如压力传感器、加速度传感器、温度传感器等。
此外，铌酸锂压电薄膜还可以用于声波器件和振动器件，如压电陶瓷换能器、压电陶瓷滤波器等。
铌酸锂压电薄膜的稳定性也是其优点之一。
由于其晶体结构的稳定性和化学惰性，铌酸锂压电薄膜可以在高温、高湿、强酸、强碱等恶劣环境下工作，具有很好的耐腐蚀性和耐久性。
铌酸锂压电薄膜是一种具有优异性能和稳定性的新型压电材料，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，铌酸锂压电薄膜将会在更多领域得到应用，为人们的生活带来更多便利和创新。
pzt压电薄膜原理PZT压电薄膜原理概述•PZT压电薄膜是一种特殊的材料，在应用中具有重要的地位。
•它通过压电效应将电能转化为机械能，或将机械能转化为电能。
原理简介1.压电效应–压电效应是指某些材料在受到力或压力之后能够在其内部产生电荷分离。
–这种电荷分离是由于材料中的离子在力或压力的作用下发生位移，从而引起正负电荷的分离现象。
2.压电材料–PZT压电薄膜是一种常用的压电材料，由铅酸钛（PbTiO3）和锆酸钛（ZrTiO3）的混合物组成。
–这种材料由于具有良好的压电性能，广泛用于压电传感器、压电陶瓷、声波器件等领域。
3.压电薄膜的特点–薄膜结构：PZT压电薄膜通常采用薄膜结构，可以实现微型化和集成化的应用。
–高压电性能：PZT压电薄膜具有较高的压电系数和压电常数，使其在电能转换中表现出良好的性能。
压电效应在PZT压电薄膜中的应用•压电传感器：PZT压电薄膜作为传感器，可以将机械振动、压力等物理信号转化为电信号，实现信号的检测和测量。
•声波器件：PZT压电薄膜可以将电信号转化为声波信号，广泛应用于扬声器、声音发生器等声波设备中。
•压电驱动器：PZT压电薄膜可以通过施加电场实现结构的微小位移，从而形成微小的机械运动。
这种特性使其在精密定位、震动控制等领域有广泛应用。
总结•PZT压电薄膜通过压电效应实现电能和机械能之间的转换。
•它具有良好的压电性能和微型化的特点，在传感器、声波器件和驱动器等领域得到广泛应用。
•进一步的研究和应用可以使PZT压电薄膜在更多领域发挥其优秀的性能。
PZT压电薄膜的工作原理及应用技术压电效应的工作原理•压电薄膜的工作原理基于压电效应，即在外加电场或应力的作用下，材料内部的正负电荷分离。
这种分离是由于材料中的离子发生位移和重新分布，使得正负电荷形成电偶极矩。
•PZT压电薄膜中的铅离子（Pb2+）和锆钡离子（ZrBa2+）在受到压力或电场刺激时，会发生位移和重新排列，导致材料本身产生电荷分离的现象。
pvdf压电薄膜厚度
（最新版）
目录
1.介绍 PVDF 压电薄膜
2.PVDF 压电薄膜的厚度对其性能的影响
3.PVDF 压电薄膜的常见厚度范围
4.厚度测量方法
5.结论
正文
PVDF 压电薄膜是一种广泛应用于压电传感器、能量收集器等电子器件中的材料。
它的主要特性是在受到外力作用时能产生电荷，从而实现能量转换。
PVDF 压电薄膜的性能与其厚度有着密切的关系。
PVDF 压电薄膜的厚度对其电学性能、机械性能和压电性能都有影响。
一般来说，薄膜的厚度越薄，其电学性能和压电性能越好，但是机械强度会降低。
相反，薄膜的厚度越厚，其机械强度会增加，但电学性能和压电性能会降低。
在实际应用中，PVDF 压电薄膜的常见厚度范围为 0.5 微米至 5 微米。
这个范围内的厚度可以满足大部分应用场景的需求。
但是，具体的厚度选择还需要根据实际应用的需求来确定。
测量 PVDF 压电薄膜的厚度有多种方法，如光学测量法、电化学测量法、X 射线衍射法等。
这些方法各有优缺点，选择哪种方法需要根据实际情况和需求来决定。
总的来说，PVDF 压电薄膜的厚度对其性能有着重要的影响。
在选择厚度时，需要综合考虑电学性能、机械性能和压电性能的需求，以及实际应用场景的需求。
PZT压电厚膜的发展及其应用第43 卷第8 期2007年8 月中国陶瓷Vol.43 No.8Aug.2007综述与评述文章编号：1001-9642（2007）08-0003-04董金美，沈建兴，李传山，张雷（山东轻工业学院，济南250353）【摘要】：PZT压电厚膜材料是20世纪90年代发展起来的一种新型功能材料，它兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，具有良好的压电、介电和热释电性能。
简述了PZT压电厚膜的国内外研究进展，对PZT压电厚膜的制备方法做了简短的介绍，并对其改性研究做了较为详细的总结，最后，阐述了PZT压电厚膜在国内外的应用并展望了其前景。
【关键词】：PZT，压电厚膜，研究进展体材料相比，PZT压电薄膜尺寸小、重量轻、工作电压低、能与半导体集成电路兼容，可制成非易失随机存取存储器、热释电红外探测器、压电微型驱动器与执行器等，但这些器件是基于PZT膜的厚度小于1μm的铁电薄膜的基础上得到的。
实际上铁电膜的应用不仅仅局限于厚度小于1μm的薄膜微型器件领域，许多潜在的应用需要1μm～50μm厚度的压电膜，因为厚度小于1μm时，PZT薄膜易受界面、表面效应的影响，尤其是薄膜与电极之间的界面效应在很大程度上会影响器件的整体性能，再加上PZT薄膜产生的驱动力较小，因而PZT薄膜在压电器件方面的应用受到了一定的限制。
20世纪90年代中期，PZT厚膜材料及厚膜器件成为科学工作者研究的热点。
PZT压电厚膜材料兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，与薄膜相比具有更大的驱动力和更为明显的压电效应。
厚膜PZT材料制成的器件不仅工作电压低、使用频率范围宽、能够与半导体集成电路兼容，而且电性能优于薄膜材料。
引言锆钛酸铅[Pb(ZrxTi1-x)O3，简称(PZT)]固溶体是一种性能优异的功能材料，具有优良的铁电、压电和热释电性能[1]，是目前研究的一个热点。
PZT压电材料因其居里温度和机电耦合系数高、温度稳定性好，且可通过适当的取代添加改性达到不同用途等特点，已被广泛应用于社会生产的各个领域，尤其是超声领域和电子科学技术领域，如医学及工业超声检测、水声探测等，可制成压电换能器、超声马达、显示器件和电控多色滤波器等。
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。
