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PVDF压电薄膜传感器的制作

作者：韩莉莉

来源：《智富时代》2015年第09期

【摘 要】通过对PVDF压电薄膜压电特性的了解，实验室中制作PVDF薄膜传感器的工艺流程主要包括薄膜形状的确定、薄膜切割、边缘化处理、电极的引出、加保护层等步骤。在传感器的制作过程中本文还总结出制作工艺中的注意事项。 【关键词】PVDF；压电薄膜；制作工艺

爆炸冲击下测试曲面或脆性材料表面的压力比较困难，设计一种能够直接粘贴在材料表面的传感器十分必要。PVDF作为新型有机聚合物材料，其压电性能好，压电常数d33比较高，是石英材料的十几倍，且PVDF柔和加工性能好，机械强度高，化学稳定性较好，此外对加载信号的响应时间可达到纳秒级，压力的测量范围至Gpa级。基于上述优点，PVDF在动态压力测量领域有应用前景广阔。 一、实验材料的准备

通过对PVDF材料的压电特性、等效模型的分析，对其特征有所掌握，因此针对其特征，课题中通过选用锦州科信电子材料有限公司生产的PVDF压电薄膜来制作用于爆炸冲击力测试的薄膜传感器。

由于PVDF薄膜表面电极很薄，所以不能用常规的焊接方式将电极引出，本课题将通过使用导电银胶的方法把电极用导线引出。除了上述材料外，制作传感器前还应准备好薄铜片、铜导线、剪刀、丙酮、和封装材料等。 二、传感器的结构

所研制传感器需要粘贴在曲面材料或脆性材料的表面，用来测定表面材料受到的冲击力，所以首先要把PVDF薄膜做成传感器的感芯。

使用的PVDF压电薄膜是由上下铝电极和中间PVDF敏感材料组成的三明治结构。试验中剪裁下一定面积的薄膜材料作为感芯，由于表面铝电极很薄且PVDF薄膜承受的温度不能超过80℃，所以用导电银胶把电极和铜线粘贴在一起引出电极。电极和引出导线的接头还裸露在外面，比较容易遭到破坏并且影响传感器的性能，因此在不影响传感器性能的情况下需要在感芯的上下两层加保护层。 三、传感器的制作工艺

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PVDF压电薄膜很薄，在μm量级，质地脆弱，抗剪能力差，并且电极涂在外表面上，如果直接粘贴在被测结构表面会使得薄膜材料在使用过程中极易遭到破坏，另外，PVDF薄膜还容易受到外界电子干扰，对实验结果有较大的影响。因此，必须采取有效的封装措施对敏感材料加以保护，提高它的耐久性和稳定性。由于实验需要和薄膜本身的性质，要求封装材料及工艺必须能保证PVDF压电薄膜的柔韧性和灵敏性，同时还要确保压电薄膜和结构有良好的兼容性，即能保证冲击力能够有效的传递到PVDF压电薄膜上。

实验室中制作PVDF薄膜传感器的工艺流程主要包括薄膜形状的确定、薄膜切割、边缘化处理、电极的引出、加保护层等步骤。 （一）薄膜形状确定

在本文将PVDF薄膜形状剪切为Φ10mm2圆形和5×10mm2的方形，使用的PVDF压电薄膜的厚度分别为30um、50um、100um。 （二）薄膜切割

在剪裁PVDF压电薄膜时要注意其极化方向与所设计传感器方向一致。由于圆形PVDF薄膜比较难切割，所以我们是委托北京工业大学激光研究实验室用激光切割技术加工的圆形膜片。方形PVDF膜片是在实验室剪裁，剪裁过程如下：在PVDF压电薄膜上用铅笔轻轻地标记出所设计的薄膜形状，此时标记出的形状要比需要的形状稍大一点，留出非金属化边缘和引出电极的部分。根据标出的尺寸用锋利的剪刀剪裁，剪裁时无法避免的会造成人为误差，因此用游标卡尺对裁剪下的薄膜进行二次测量，以确保薄膜尺寸的精确。

切割后，薄膜表面的铝电极在剪裁过程中很容易出现毛刺，可能会导致PVDF压电薄膜在厚度方向上出现短路，影响制作的传感器的性能，因此在剪裁薄膜时，要尽量注意薄膜边缘的平整度。

（三）非金属化边缘

为了防止切割后，铝电极的边缘毛刺互联，传感器上下电极导通，致使传感器短路而使传感器失效，对其剪切边缘要用丙酮作为腐蚀剂处理剪裁下的圆形和方形薄膜，实现PVDF压电薄膜的非金属化边缘处理，最后用万能表检测处理过的薄膜是否会发生短路。 （四）引出电极

由于PVDF压电薄膜表面的电极涂层很薄，仅有几个微米，并且PVDF压电薄膜本身具有较好的柔性，厚度也较小，因此不能使用常规的焊接方式引出电极。本课题中将采用导电银胶把PVDF压电薄膜和薄铜片粘接的的方式引出电极，采取同向反面引出PVDF压电薄膜的上下两电极面的方法。

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因为导电银胶的粘着力大小与粘着面积有很大的关系，所以如果使用铜导线粘结，会因为导电银胶和铜导线的粘着面积较小而使得粘着力不够，进而影响自制传感器的使用性能。因此，在实验中选择薄铜箔作为引出电极的材料，这样不仅增强了粘着力，同时也增大了压电薄膜和电极的接触面积，并且薄铜箔十分柔软，这样可以把作用在导线上的应力通过薄铜箔自身的弯曲形变转化，防止应力直接传递到电极和导线的连接处造成导线脱落。另外，为了使铜箔和薄膜能很好的粘贴，在粘着之前首先用丙酮把PVDF压电薄膜和铜箔表面清洗干净。 与PVDF压电薄膜接触的薄铜箔的面积是3×5mm2，露出电极的薄铜箔则可以剪裁的尽可能的细，这样既可以PVDF压电薄膜和屏蔽线之间的距离，使得电荷信号受干扰的机会大大减少，又可以保证当导线受到应力时让较少的应力传递到粘结处，加强了引出导线的粘着度。 实验中采用的是AB双组份的导电银胶，在使用导电银胶时，首先在室温下放置20分钟左右，等到其软化后分别用两只丙酮清洗过的玻璃棒从装有A组份和B组份的瓶中取出A、B两种组份，然后用天平称重，使得两种组分的质量相等。把取出的质量相等的A组份和B组份放在干净的玻璃片上用玻璃棒混合，取适量的混合后的导电银胶涂抹在用丙酮清洗过的压电薄膜和薄铜箔表面进行粘合。为了提高粘着力和避免上下电极发生短路，导电银胶涂抹的越薄越好。最后把粘合好的PVDF压电薄膜和薄铜片放在常温下固化，这就完成了电极的引出步骤。

（五）加保护层

由于本文中的PVDF薄膜传感器用来测试应力或冲击波，所以为了避免实验中造成电极损坏，需要在压电薄膜传感器的两面加保护层。为了不影响传感器的性能，选择聚酰亚胺和聚对苯二甲酸类塑料（PET）两种绝缘材料对传感器进行封装，保护层和压电薄膜传感器之间用环氧树脂胶进行粘结。

为了使传感元器件与电极有更好的接触，需要将刚制作完的薄膜传感器进行压实，这样也可以避免传感器在使用过程中出现褶皱，保持较好的平整度。最后，在上下两个电极末端各焊接一根铜导线，方便与导线连接，为了避免在做冲击试验时导线损坏，用绝缘胶带粘贴住薄铜片与铜导线的焊接处。 四、制作过程中的注意事项

因为PVDF压电薄膜本身是具有容性的，所以它的抗电磁干扰能力比较弱，在数据精度要求不高或者输出信号较低时可以不用考虑电磁干扰的问题。如果需要考虑时可以采取使用同轴电缆和加屏蔽件的方法。

对PVDF压电薄膜进行非金属化边缘，引出电极上下错开以及涂抹导电银胶是要尽量的薄，这些措施都是为了防止传感器在厚度方向上发生短路。