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VDF壓電膜的應(yīng)用prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office"
PVDF壓電膜的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前，從醫(yī)學(xué)上使用的精密微細(xì)敏感元件到工業(yè)上用的各種傳感器。從軍事上應(yīng)用的聲納到民用的空調(diào)器、防盜報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域，PVDF壓 電膜都顯示出了其優(yōu)異的性能。它可以用于制作超聲波探頭式診斷儀、血壓計(jì)、指脈膊傳感器及心率計(jì)；超聲波傳感器、壓力傳感器、機(jī)器人的觸覺(jué)傳感器、加速度 傳感器、稱(chēng)重傳感器；水聲探測(cè)器、聲納器件；揚(yáng)聲器、抗噪聲送話(huà)器，高保真立體聲耳機(jī)、空調(diào)器；應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)、流量計(jì)、用于特殊場(chǎng)合下的觸摸開(kāi)關(guān)等。此外PVDF壓 電膜除了具有較高的壓電性外，還顯示出熱釋電性，是一種很好的熱電材料，它可以把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋？捎糜诜辣I、保安報(bào)警器、熱釋電紅外傳感器、火災(zāi)探知 器、光反向傳感器、紅外線(xiàn)掃描器。輻射儀、接近傳感器等各種測(cè)控儀器中，至今為止，上述所敘的許多元器件已經(jīng)在眾多領(lǐng)域開(kāi)始研制，有些已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階 段，現(xiàn)將有關(guān)情況簡(jiǎn)要說(shuō)明一下：
傳感器材料是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量，并被廣泛地應(yīng)用在傳感探測(cè)方面。微處理器應(yīng)用的巨大增長(zhǎng)推動(dòng)了傳感器在多種應(yīng)用方面的需求。今天，在180億美元的全球傳感器市場(chǎng)中壓電聚合物傳感器躋身在最快速發(fā)展的技術(shù)行列之中。像任何其他新技術(shù)一樣，在很多應(yīng)用中，“壓電薄膜”已被考慮用作傳感器的解決方案。自從壓電膜聚合體被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的20年中，這項(xiàng)技術(shù)已日趨成熟，實(shí)際應(yīng)用層出不窮，技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程正在加速。
本手冊(cè)對(duì)壓電聚合體技術(shù)、術(shù)語(yǔ)、特性以及傳感器設(shè)計(jì)思考等提供了綜述，同時(shí)還探索了近年來(lái)業(yè)已成功開(kāi)發(fā)出來(lái)的諸多傳感器的應(yīng)用項(xiàng)目。
解決獨(dú)特的傳感方面問(wèn)題是我們的應(yīng)用工程師們特有的實(shí)力。我們很高興有機(jī)會(huì)在您的設(shè)計(jì)中考慮壓電膜傳感器的應(yīng)用時(shí)為您提供幫助。
背景
“壓電”，希臘語(yǔ)叫做“壓力”電，是在100多年前由Gurie兄弟所發(fā)現(xiàn)的。他們發(fā)現(xiàn)，石英在電場(chǎng)的作用下會(huì)改變其外形尺寸，而相反，當(dāng)受到機(jī)械變形時(shí)，則產(chǎn)生出電荷來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)的首次實(shí)際應(yīng)用是由另一位法國(guó)人Langevin在1920年實(shí)現(xiàn)的，他研究出了一種用于水下聲音的晶體發(fā)射器和接收器,即：第一部“聲納”。二次世界大戰(zhàn)前，研究人員發(fā)現(xiàn)，有些陶瓷材料在高極化電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生壓電特性，這一過(guò)程類(lèi)似于鐵性材料的磁化。
到60年代，研究人員就已發(fā)現(xiàn)，鯨魚(yú)的骨和腱內(nèi)部存在著微弱的壓電效應(yīng)。于是開(kāi)始了對(duì)其他有可能具有壓電效應(yīng)的有機(jī)材料的認(rèn)真探索。1969年，Kawai發(fā)現(xiàn)在極化的含氟聚合物、聚偏氟乙烯（PVDF）中有很高的壓電能力。其他材料，如尼龍和PVC，也都表現(xiàn)出壓電效應(yīng)，但沒(méi)有一種能像PVDF及其共聚物一樣呈現(xiàn)那么高的壓電效應(yīng)。
和其他鐵電材料一樣，PVDF也具有很高的熱電特性，在響應(yīng)溫度的變化時(shí)，可以產(chǎn)生電荷。PVDF對(duì)7~20μm波長(zhǎng)的紅外能具有很強(qiáng)的吸收性（見(jiàn)圖1），覆蓋了人體熱的相同波長(zhǎng)頻譜。因此，PVDF可以制成很有用途的人體運(yùn)動(dòng)傳感器以及熱電傳感器用于更為復(fù)雜的其他應(yīng)用如夜視光導(dǎo)攝像管攝像機(jī)和激光束成像傳感器。壓電薄膜采用合適的菲涅爾透鏡可
以探測(cè)到50英尺以外的人體運(yùn)動(dòng)，并已被應(yīng)用在人造衛(wèi)星的紅外地平探測(cè)器上。
(1) 電聲換能器類(lèi)
由于PVDF壓 電膜具有相當(dāng)寬的頻率領(lǐng)域，從甚低頻到千兆赫的工作頻率。利用這一性能，可制成寬頻帶揚(yáng)聲器，這種揚(yáng)聲器可在甚低音、甚高音范圍內(nèi)不失真，而且可以消除機(jī) 械噪聲。良好的聲音效果，其應(yīng)用必將給我國(guó)的電聲產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)大的變革，電聲產(chǎn)品跨上一個(gè)新的臺(tái)階。還可制成微聲器、傳聲器、高保真立體聲耳機(jī)。特別是抗 噪聲送話(huà)器，樣品經(jīng)過(guò)幾次改進(jìn)，已經(jīng)進(jìn)入開(kāi)發(fā)生產(chǎn)階段。這種送話(huà)器用在電話(huà)中，除了通話(huà)能被清晰地送出外，其它噪聲均被濾掉；用在電視臺(tái)、電臺(tái)及記者現(xiàn)場(chǎng) 采訪(fǎng)、現(xiàn)場(chǎng)錄音場(chǎng)合，能排除噪聲干擾，聲音清晰，達(dá)到較理想的錄音采訪(fǎng)效果。
(2) 水聲換能器類(lèi)
PVDF壓電膜具有較高的壓電系數(shù)，優(yōu)良的阻抗匹配。低的聲阻抗可保證超聲波無(wú)損傳播，又易于加工成大面積，這些特點(diǎn)用于制造各種類(lèi)型的水聽(tīng)器。將這種水聽(tīng)器用于魚(yú)輪對(duì)魚(yú)群的監(jiān)測(cè)，正在待開(kāi)發(fā)之中，此項(xiàng)研究成果也有很大的市場(chǎng)潛力。
(3) 超聲換能器類(lèi)
用PVDF壓電膜制成超聲傳感器，應(yīng)用在5、7.5、10MHz B超診斷儀的環(huán)狀及線(xiàn)陣式探頭和20～80MHz工業(yè)超聲檢測(cè)儀探頭上，與通常使用的PZT(壓電陶瓷)探頭相比在靈敏度和精度上都有較大幅度的提高。用該膜制成的醫(yī)用超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，與人體表面機(jī)械阻抗匹配很好，如指脈膊計(jì)、血壓計(jì)、起膊計(jì)、心律計(jì)、胎兒心音探測(cè)器等。上述產(chǎn)品在歐美、日本少數(shù)發(fā)達(dá)地區(qū)及國(guó)家已經(jīng)大量使用，目前國(guó)內(nèi)正處于研發(fā)階段。
(4) 機(jī)電換能器類(lèi)
在實(shí)驗(yàn)中人們發(fā)現(xiàn)PVDF壓電膜作換能器時(shí)，每單位體積的輸出功率要比PZT高10倍左右。在電場(chǎng)作用下它所產(chǎn)生的應(yīng)變比PZT高10倍，這使得它在做機(jī)電換能器時(shí)也非常有利。國(guó)內(nèi)許多院校科研所利用這一特性，研制開(kāi)發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品，如：方位探測(cè)器、電探百葉窗應(yīng)力計(jì)、應(yīng)彎計(jì)、壓電傳感器、加速度計(jì)、沖擊探測(cè)器、地下爆破監(jiān)測(cè)儀、機(jī)械振動(dòng)探測(cè)器、地震研究用應(yīng)力波監(jiān)視儀、手提式檢驗(yàn)器等。
特別值得一提的是：由于PVDF壓 電膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、柔軟不脆、耐沖擊，不易受水和化學(xué)藥品污染，易加工等特點(diǎn)，使傳感器在家電方面應(yīng)用更為廣泛。應(yīng)用在電冰箱、室內(nèi)空調(diào)機(jī)上的傳感器就 有十幾種，如冰箱用顯示冰箱狀態(tài)的傳感器，除霜、結(jié)霜傳感器；保持蔬菜新鮮度的濕度傳感器。用在空調(diào)機(jī)上的穩(wěn)定性好的長(zhǎng)壽命濕度傳感器；結(jié)霜傳感器、煤氣 壓力傳感器和空氣流量傳感器等。另外利用其熱(壓)電 效應(yīng)使得家用傳感器由過(guò)去的展望成為今日的現(xiàn)實(shí)。如家庭用防災(zāi)用傳感器和智能傳感器。前者分兩類(lèi)，一類(lèi)是檢測(cè)煤氣泄露和火災(zāi)前征兆的煤氣、溫度、煙霧等。 二是用于防止強(qiáng)盜入侵的傳感器。用智能傳感器實(shí)現(xiàn)家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化和省力化。從社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)看，上述產(chǎn)品的應(yīng)用將具有相當(dāng)廣泛的前景。
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