PVDF柔性傳感器的制備研究

劉旭，賈昭，王博

（西安航空學(xué)院機(jī)械學(xué)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(xué)院機(jī)械學(xué)院，西安710077）

設(shè)計(jì)了一種PVDF柔性傳感器結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)制備了高質(zhì)量的PVDF壓電薄膜，發(fā)現(xiàn)PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xiàng)；設(shè)計(jì)了一種PVDF柔性傳感器的制備流程，總結(jié)了其制備過程中的工藝方法和關(guān)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(yīng)下一代傳感器在柔性和便捷性方面的高要求，其應(yīng)用范圍受到限制。在許多實(shí)際應(yīng)用中往往要把傳感器集成到一些特定的不規(guī)則復(fù)雜表面，這就需要可以適應(yīng)復(fù)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(yīng)復(fù)雜的非平整的表面，極大地?cái)U(kuò)展了傳感器的應(yīng)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(duì)比。柔性傳感器在機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、電子皮膚、生物醫(yī)藥、可穿戴電子產(chǎn)品等方面具有重要作用。例如它可以包裹在大型結(jié)構(gòu)表面以傳遞和監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康信息，這些信息可用于安全評(píng)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(cè)異常細(xì)胞，監(jiān)測(cè)人體的健康狀況［5-6］。目前，柔性傳感器正朝著適應(yīng)性強(qiáng)、便攜性好、敏感性高、誤報(bào)率低、響應(yīng)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(duì)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(jī)械強(qiáng)度高、柔韌性好、頻響范圍寬、聲阻抗易匹配、抗化學(xué)腐蝕、可以加工成大面積或者復(fù)雜的形狀來使用等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來其應(yīng)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(chǎn)生的電荷量正比于壓電材料所受到的應(yīng)力和應(yīng)變，在電介質(zhì)內(nèi)部的電極化變化導(dǎo)致上下表面的電勢(shì)改變，和表面接觸的兩電極上的電荷重新調(diào)整以平衡PVDF表面電勢(shì)，因此在電路中會(huì)有電荷流動(dòng)。利用PVDF的壓電效應(yīng)可以把力學(xué)量和電學(xué)信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。將PVDF壓電薄膜和柔性基底相結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用以下方法制作柔性傳感器：第1種是通過轉(zhuǎn)印技術(shù)將硬基底上制作好的傳感器剝離轉(zhuǎn)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(shù)制作感應(yīng)裝置而形成柔性傳感器。相比而言，第1種方法工藝簡(jiǎn)單易行。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的PVDF柔性傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用PVDF壓電材料的壓電性制備柔性PVDF傳感器時(shí)，需要做成具有上下表面電極的電容結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)線，用導(dǎo)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(jìn)行封裝處理。

圖1　PVDF柔性傳感器結(jié)構(gòu)

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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dǎo)入溶劑中。

2）在常溫下，用磁力攪拌機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)盤上，并選擇勻膠機(jī)合適的轉(zhuǎn)速，勻膠機(jī)則帶動(dòng)硅片旋轉(zhuǎn)。

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(shí)烘干10 min，然后再旋涂一層，在90℃烘干10 min后，把溫度調(diào)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(shí)驗(yàn)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(zhì)量較高的PVDF薄膜。通過PVDF溶液的試配，發(fā)現(xiàn)PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，二甲基甲酰胺（DMF）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的溶液具有很好的成膜能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和PVDF溶液濃度與PVDF薄膜厚度密切相關(guān)，勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)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(dǎo)線與電極的連接，封裝保護(hù)。

1）將單晶硅片切成大小約2 cm×3 cm的小片，然后用化學(xué)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(jié)構(gòu)，需要將頂電極位置與對(duì)應(yīng)的底電極位置錯(cuò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)印到事先用紫外燈照射過約3 min的PDMS基體上。

8）用導(dǎo)電膠將金屬導(dǎo)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(shí)驗(yàn)用到的一些設(shè)備和材料的照片如圖3～6所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在PVDF柔性傳感器制備過程中，為了更好地完成壓電輸出應(yīng)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(huì)將前次預(yù)烤干的薄膜溶解，所以旋涂的次數(shù)一般不超過3次。PVDF薄膜較軟，熔點(diǎn)為160℃，所以在噴金時(shí)，高溫的金屬顆粒沉積時(shí)溫度比較高，會(huì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中的勻膠機(jī)

圖4　實(shí)驗(yàn)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(jié)束語

設(shè)計(jì)了PVDF薄膜的實(shí)驗(yàn)制備流程，制備了高質(zhì)量的PVDF薄膜，總結(jié)了制備過程的注意事項(xiàng)。發(fā)現(xiàn)PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的溶液具有較好的成膜能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)速度以及PVDF溶液的濃度對(duì)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(shí)為了防止前次薄膜溶解，旋涂的次數(shù)一般不超過3次；形成電極層時(shí)高溫的金屬顆粒沉積會(huì)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(duì)PVDF柔性傳感器的制備工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索，可為柔性傳感器制備提供參考。

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（責(zé)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(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)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(shè)計(jì)及優(yōu)化，機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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.