基于新型压电材料(4-氨基四氢吡喃溴化铅)柔性压力传感器的研究

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现如今随着科学技术的发展,人们对柔性压力传感器的需求在逐渐的增长,在智能穿戴、医疗检测等行业,柔性压力传感器已成为研究热点。对于压力传感器来说,具有高压电常数的压电陶瓷类材料,如PZT、Ba Ti O3等,虽然有着不错的压电性但是运用此材料制备压电薄膜存在密度大,具有易脆性,制备成本高的缺点。然而有机高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)便能很好的弥补这些缺点,有机材料质量小,具有很强的柔性,能进行反复的折叠。但是PVDF的压电性不高,力电转换能力不强。近来,一种新的压电材料(C5H12NO)2Pb Br4简称(ATHP)2Pb Br4被发现,这种材料具有较高的居里温度Tc和压电电压常数g33,同时还具有铁电性,在外加电场极化后可增强其压电性,这些特点对于传感器的输出电压、响应时间、灵敏度、稳定性等性能改善有很大帮助。另外此材料具有成本低、制备工艺简单、这些特点,使其能够应用于压电传感器研究中。本文主要基于新型压电材料(4-氨基四氢吡喃溴化铅)柔性压力传感器的研究,首先对压电材料4-氨基四氢吡喃溴化铅粉体的制备和表征,再详细研究压电薄膜制备工艺且进行表征分析,选出最优制备工艺条件。其次通过压电力显微镜(PFM)研究薄膜的铁电性,并对薄膜进行极化,然后制作出压力传感器,最后进行一系列的性能测试,具体包括如下几个方面:(1)使用蒸发结晶法制备出(ATHP)2Pb Br4粉体材料,通过X射线衍射(XRD)、热重分析仪(TGA)和差示扫描量热仪(DSC)进行表征,结果表明此材料的晶体参数为a=26.9398(?),b=8.9041(?),c=7.9430(?),晶胞体积为1905.3587(?)~3,在276℃的时候分解重量减少到了原来的95%,在220℃/207℃存在可逆的相变,220℃则为该材料的居里温度。(2)以(ATHP)2Pb Br4粉体为基础,制备(ATHP)2Pb Br4和0-3型压电薄膜,研究了不同制备工艺对薄膜的影响,通过表征分析,结果表明使用已过滤浓度为0.5 g/ml前驱体(ATHP)2Pb Br4溶液在3000 r.p.m下时间为20 s,90℃的热板上退火30分钟制备的压电薄膜最优。通过EDS测试出Pb和Br的比例大概为1:4,证明了制备的0-3型压电薄膜的准确性,从扫描电子显微镜(SEM)分析可得制备工艺为第一阶段转速为500 r.p.m持续时间为20 s,第二阶段为1000 r.p.m持续时间为20s,90℃的热板上退火30分钟制备的0-3型压电薄膜最优。通过XRD确定了在90℃的热板上退火30分钟制备的0-3型压电薄膜具有择优取向。(3)通过PFM测试,结果表明(ATHP)2Pb Br4压电薄膜具有自发极化和铁电畴翻转现象,从而证明此材料具备铁电性质,然后对以上两种压电薄膜进行PFM测试,通过相位图的分析,两种材料中铁电畴都翻转将近180°,并且0-3型压电薄膜具有向下的极化倾向,说明晶粒生长具有择优取向的优势。(4)研究极化方式对以上两种压电薄膜的影响,结果表明,极化电压为8.5KV-10 KV之间,极化时间统一设置为4个小时负极化可以使0-3型压电薄膜的压电常数d33提高到26 PC/N。并且计算出压电电压常数g33=358.6×10-3Vm/N。(5)以PEN为柔性基底通过旋涂、薄膜退火生长、制备电极、传感器封装等步骤制备完整的柔性压力传感器,自搭建测试平台由滑台、激振器、电荷放大器和数字示波器组成,测试了制备的柔性压力传感器的性能。本论文基于以上的研究结果制备柔性压力传感器,进行传感器的性能测试,测试结果显示0-3型压力传感器的灵敏度为S=3.33 V/N;上升时间为11.6 ms,下降时间为13.5 ms;稳定性测试后灵敏度为S=3.25 V/N;在激振频率为46 Hz且驱动压电为7 V的时候动态响应特性最好,此外传感器稳定性测试前后的线性度分别为6.1%和12.4%。
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