ПВДФ-пьезодатчик: что это такое и как работает пьезопленочный сенсор

ПВДФ-пьезопленка (поливинилиденфторид) — это новый высокополимерный пьезоматериал. Её преимущества: малый вес, небольшие размеры, простая конструкция, хорошая совместимость с другими материалами. Благодаря этому использование пленки в качестве чувствительного элемента почти не влияет на структурные и механические свойства самого датчика. Создание различных датчиков на основе ПВДФ-пьезопленки всегда было и остаётся одной из самых обсуждаемых тем в этой области.

Характеристики пьезопленочных датчиков

Преимущества ПВДФ-пленочных датчиков

По сравнению с другими пьезокристаллами ПВДФ-пьезопленка обладает рядом преимуществ:

• пьезомодуль (постоянная заряда) более чем в десять раз выше, чем у кварца;
• хорошая гибкость и технологичность (легко обрабатывается);
• низкое акустическое сопротивление (импеданс);
• широкая полоса частот (широкий частотный отклик);
• высокая химическая стойкость и усталостная прочность;
• низкое влагопоглощение и хорошая термическая стабильность;
• высокая диэлектрическая прочность (электрическая прочность);
• малый вес;
• простота монтажа и установки.

Недостатки ПВДФ-пленочных датчиков

В то же время у ПВДФ-пьезопленки есть и минусы:

• высокое внутреннее сопротивление готового датчика;
• относительно малая выходная энергия;
• на нулевой частоте (в статике) слабый статический заряд трудно сохранить долгое время — отсюда плохие низкочастотные характеристики;
• пригодна только для динамических или квазидинамических измерений.

Из-за особенностей поляризации пьезоматериалов пьезосистема сохраняет приемлемую линейность лишь в определённом диапазоне и легко подвержена влиянию внешних факторов. Линейный температурный диапазон ПВДФ-пленки сравнительно узок — обычно от -40°C до +60°C.

История пьезопленочных датчиков

В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри впервые обнаружили пьезоэлектрическое явление в кристаллах. В середине 1940-х годов США, бывший Советский Союз и Япония одна за другой открыли пьезоэффект у титано-цирконатной керамики (ЦТС) и стали использовать её для создания пьезокерамических изделий.

Позже выяснилось, что пьезоэлектрическими свойствами обладают также дерево, шерсть, кости и другие материалы — так начались исследования пьезополимеров. Однако их пьезоактивность была очень низкой и не имела практической ценности.

Прорыв произошёл только в 1969 году, когда японский учёный Х. Каваи сообщил, что ПВДФ после поляризации при высокой температуре и высоком напряжении способна проявлять относительно высокую пьезоактивность, имеющую хорошую промышленную ценность. Это стало поворотным моментом в истории исследований пьезополимеров.

С развитием технологий и появлением новых методов изготовления пьезосвойства ПВДФ были значительно улучшены, а область применения материала расширилась.

Принцип работы пьезопленочных датчиков

Основная причина, по которой ПВДФ-пьезопленка обладает пьезоэффектом, кроется в собственной пьезоактивности кристаллической фазы в её структуре. Эта активность определяется электрострикционным эффектом и остаточной поляризацией.

Поэтому ПВДФ-пьезопленку необходимо искусственно поляризовать, чтобы создать внутри неё упорядоченную остаточную поляризацию.

Важный нюанс: поляризационный заряд ПВДФ-пленки — это связанный заряд, а не свободный. Эти заряды не могут свободно перемещаться. Когда ПВДФ-пленка проявляет прямой или обратный пьезоэффект и возникают явления зарядки и разрядки, изменение поляризации внутри пленки вызывает приток или высвобождение свободных зарядов на её поверхности. В результате меняется поверхностный заряд пленки.

Методы изготовления пьезопленочных датчиков

Распространённые методы получения ПВДФ-пьезопленки:

• метод нанесения покрытия;
• метод литья — наиболее распространён в лабораториях;
• метод вакуумного напыления малых молекул;
• метод прессования.

Почему выбирают метод литья? Он прост по технологии, не требует сложного оборудования, а получаемая пленка имеет хорошую плотность и высокую прочность.

Типовой процесс изготовления:

1. ПВДФ растворяют в заданном количестве NMP (N-метилпирролидон).
2. Раствор фильтруют, откачивают воздух (вакуумируют) для удаления пузырьков.
3. Нагревают для испарения NMP. На литьевой подложке формируется слой ПВДФ-пленки.
4. Далее проводят вытяжку (растяжение), поляризацию и другие технологические операции — в результате получают высокопьезоактивную ПВДФ-пленку.

Применение пьезопленочных датчиков

Контактные датчики

Благодаря способности пьезопленки реагировать на динамическую деформацию её легко закрепить прямо на коже человека (например, на внутренней стороне запястья). Пьезопленка может обнаруживать как очень слабые физические сигналы, так и крупные движения — потому что пьезоотклик ПВДФ-пленки линеен в очень широком динамическом диапазоне (около 14 порядков величины). В большинстве случаев, если есть возможность подобрать полосу частот, позволяющую отличить полезный сигнал от шума, слабый целевой сигнал можно выделить с помощью фильтра.

Подобные датчики уже используют для регистрации движений грудной клетки, ног, глазных мышц и кожи при изучении нарушений сна. Кроме того, такой датчик может служить индикатором для проверки анестезии: он улавливает реакцию мышц (например, между большим и указательным пальцами) на электрическую стимуляцию (нейромышечную проводимость).

Акселерометры (датчики ускорения)

Minisense100 — стандартный продукт компании Precision Electronics. Он выполнен в виде консольной балки. Один конец жёстко закреплён на печатной плате (PCB) и имеет выводы для подключения, а на другом конце установлена масса (груз).

Груз заставляет датчик когерентно (согласованно) реагировать на вибрацию. Масса «остаётся на месте», а плёночная часть деформируется, создавая очень высокую чувствительность по напряжению (около 1 В на g, т.е. 1 В/g).

На основе этого компонента создаются другие датчики жизненных показателей — например, «умные нагрудные карты» со встроенным радиочастотным оборудованием (RF), которые носят сотрудники или пациенты. Устройство периодически собирает сигналы от владельца, определяя его положение и состояние. Когда датчик чувствует, что карту сняли, он переводит её в спящий режим. А если датчик улавливает любое движение тела, мышечную дрожь или даже пульсовые колебания — карта «просыпается».

Стетоскопы

Многие электронные стетоскопы используют пьезопленку ПВДФ в качестве чувствительного элемента — благодаря её долговечности, высокой чувствительности и широкому частотному диапазону. В таких устройствах чувствительный элемент обычно помещают в традиционную металлическую головку стетоскопа, поскольку датчику нужно соприкасаться с телом с определённым усилием.

После того как динамический сигнал давления преобразован в электрический, его можно:

• выборочно отфильтровать и усилить;
• воспроизвести как звуковой сигнал;
• обработать более сложными алгоритмами для постановки диагноза;
• передать на удалённую базовую станцию для дальнейшего анализа и хранения.

Матрицы датчиков (сенсорные массивы)

Композитный акустический датчик может контролировать сразу несколько точек. Например, компания DeepBreeze использует массив из почти 100 датчиков для сбора звуковой информации о вдохах и выдохах пациентов. Датчики крепятся к поверхности кожи с помощью вакуумного колпака.

Собранный сигнал обрабатывается и превращается в «картину» звука. В результате поток воздуха в трахее и лёгких можно визуализировать как анимацию. Любые инородные предметы или отклонения хорошо заметны на таких изображениях. Этот метод надёжнее и безопаснее рентгенографии.

Мониторинг больничной койки

Пьезопленку ПВДФ и пьезокабели можно встраивать в матрас для обнаружения сердцебиения, дыхания и движений тела пациента. Охранная система мониторинга кровати компании Hoana Medical Inc. устанавливает набор датчиков между матрасом и простынёй.

Когда пациент садится или ложится на койку, датчик точно измеряет и собирает информацию о его жизненных показателях даже через одежду и простыню. Гибкие переключатели (flexible switches) собирают статические сигналы, а все динамические сигналы пациента собираются с помощью пьезопленки.