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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划压电薄膜材料能用多久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发现在极化的含氟聚合物聚偏氟乙烯中有
2、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。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。压电薄膜的压电效应和特性参数共聚物聚偏氟乙烯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
3、。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，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
4、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/Cd33Fp(1)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：频带宽：109Hz；动态范围广：10-8109Psi；声阻抗低：与水、人体组织和粘胶体系接近；弹性柔顺性好；高电压输出：在同样受载条件下，比压电陶瓷高10倍；，此电场强度大部分陶瓷都退极化；机
5、械强度高，耐冲击、振动性能好；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；可加工成特定形状；可以用市售胶粘合。3.压电薄膜传感器的应用与研究进展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m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50HZ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
6、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11000HZ,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3km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10dB的信号。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
7、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。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
8、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=CS(2)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=AV。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
9、出2个脉冲信号上升沿之间的间隔时间t,可以得出该车辆的行驶速度V=L/t。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t1,t2,tN-1,可以分别求出轴距为L1=Vt1,L2=Vt2,L(N-1)=Vt(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
10、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t,可以得出轮距为Vt;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:压电薄膜材料的性能、制备与应用摘要：压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，现在得到越来越多的应用。本文介绍了压电薄膜的性能，包括介电常数、体积电阻率、损耗角正切、击穿强度、体声波性能，表声波性能五个方面。对于压电膜材料的制备方法主要介绍了传统的真空镀膜方法，包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积镀膜等制备厚度在018m范围内薄膜材料的方法；新型溶胶凝胶法、水热法、电泳沉积法是制备1
11、0100m的压电厚膜材料新型主要方法。在压电薄膜的应用方面主要介绍了它在声表面波器件和压电薄膜体波膜中的应用。最后提出了，未来压电薄膜的制备技术会向着高效率、低成本、高质量的方向发展，而CVD法由于具有突出的优点将是未来制备压电薄膜的最主要的方法。关键词：压电薄膜压电性能CVD压电薄膜体波膜1前言某些介质在机械力作用下发生电极化和电极化的变化，这样的性质称为压电效应2。电极化的改变导致介质与极化方向垂直的两端面出现了等量反号的束缚电荷变化，这是由于压力造成了电荷的变化，这就是压电性的由来。具有这一性质的材料称为压电材料。压电效应还有逆压电效应。逆压电效应是指：当在材料的一定方向上施加外部电场时
12、，该材料的对应方向上产生内应力和应变现象。其应力和应变同所施的电场强度成正比。逆压电效应又称为电致变形现象，压电效应又称被称为正压电效应3。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年代居里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，压电材料的研究和发展迅速展开。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。压电薄膜材料是重要的信息功能材料1-7，它可以实现声信号与电信号之间的转变。微晶择优取向
13、的压电薄膜材料兼备单晶和陶瓷的优点，即表面光滑致密，易于制备，价格低廉，便于调节性能，并可靠稳定，更重要的是使用压电薄膜可以使器件达到平面化和集成化。压电薄膜材料在实际生产的各个领域均有比较多的应用。目前对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方向发展，其基础研究也向分子层次、原子层次、纳米层次、介观结构等方向深入，因而功能薄膜材料的研究具有重大意义。2压电薄膜材料的性能介电常数虽然压电薄膜为单晶薄膜或者为择优取向的多晶薄膜8，但是在其中的原子堆积却不像在晶体中那样紧密和有序，因此压电薄膜的介电常数值与晶体的数值有差异。除此之外，还有在薄膜中常有的较大的残留内应力以及测量上的原因，也导致
14、薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。已有研究表明：压电薄膜的介电常数不但与晶体方向有关，而且还依从于测试条件。压电薄膜的介电常数有相当大分散性的原因，除了内应力大小和测试条件不同以外，海印薄膜成分偏离化学式计量比和薄膜厚度的差别；一般认为，薄膜的介电常数随厚度减薄而变小。另外，压电薄膜的介电常数随温度、频率的变化也会发生明显的变化。体积电阻率从降低压电薄膜的介质损耗和弛豫频率来说，都希望它具有很高的电阻率，至少应该?v?108?cm。AlN薄膜的电阻率为2?10141?1015?cm，远高于10?cm8，因而在这一方面，AlN是十分优异的薄膜。另外，AlN压电薄膜的1T电导性随温度的变化也服
15、从ln?规律。有压电效应的晶体都不具有对称中心，所以其电子迁移率也是各向异性的，电导率也是各不相同的。AlN压电薄膜沿C轴方向的电导率就不同于垂直C轴的方向，前者约小12个数量级。损耗角正切AlN压电薄膜的介质损耗角正切tan=,ZnO薄膜的tan则较大，为。这些薄膜的tan之所以有这样大，是由于这些薄膜中除了有电导过程以外，还存在着显著的弛豫现象。与介质薄膜类似，压电厚膜的tan随温度和频率的上升以及湿度的增大，都逐渐增大。另外，在薄膜厚度减少时，tan趋向于增大。显然，tan随温度的上升是由于电导的变大和弛豫子的增多，它随频率增大时因为时间内弛豫次数增多。击穿强度因为电介质的击穿场强属于强度参数，而且在薄膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性；安电介质的击穿理论，对于完整无缺的薄膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减小而逐渐增大。但是实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小时缺陷的影响越显著，所以在厚度减到一定数值时，薄膜的击穿场强反而急剧变小。对薄膜击穿场强，除了薄膜自身的原因外，还有在测试时电极边缘的影响。由于薄膜越厚，电
