IEEE MEMS2025 | PVDF基压电力传感器的制作与应用

逍遥设计自动化

引言
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1 T" B" s! j0 Q1 `) F2 r压电传感技术在可穿戴设备、结构健康监测等领域有广泛应用。聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物因具有化学稳定性、柔性和生物相容性等特点，适用于从人体皮肤到工业设备等多种应用环境。

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图1：展示了(a)基于紫外光刻的三维微打印工艺流程，以及(b)PVDF光固化溶液的二维分辨率能力，显示了该技术可实现的高精度制造水平。

传统的PVDF传感器制造主要依赖平面网络和简单的2.5D结构。采用熔融沉积建模(FDM)和喷墨打印等常规方法制作复杂的三维PVDF结构仍面临挑战。这些传统技术往往导致微图案分辨率低，感测性能受限。为解决这些局限性，研究人员开发了一种新型三维高分辨率微打印技术，该技术使用丙烯酸光聚合物树脂和无掩模数字动态紫外光刻技术。
创新制造工艺

) h3 c  ~1 o- q0 ]; A这种创新的三维微打印工艺采用了PVDF光固化溶液，该溶液包含PVDF 1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液、光固化丙烯酸酯树脂和特定添加剂。通过数字动态紫外光曝光激活的逐层光聚合过程，可制作出复杂的三维梯形网格微结构。

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$ j- |9 n7 n4 c. T图2：制备流程图展示了PVDF基梯形网格力传感器的关键制作步骤，从初始溶液制备到最终结构形成的全过程。
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制造过程始于特制PVDF光固化溶液的配制。PVDF NMP溶液的重量比保持在60%，而PEGDA和AgiSynTM 2830L按特定比例混合以优化固化速度和结构强度。添加Irgacure? 1173引发丙烯酸酯树脂混合物的交联，最终混合物可实现7.84微米的优异二维分辨率。

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图3：(a)PVDF光固化溶液的交联原理，以及(b)最终PVDF压电梯形网格力传感器的扫描电镜图像，展示了通过制造工艺实现的详细微观结构。
性能与特征
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使用先进的测试方法对打印结构的机械性能进行了全面表征。动态显微硬度测试仪显示力传感器的约化模量为82 MPa，表明在保持柔性的同时具有优异的机械稳定性。
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图4：比较分析显示(a)PVDF基三维梯形结构的力-深度曲线用于计算约化模量，以及(b)打印的PVDF基压电传感器与平面PVDF传感器的输出性能对比。
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独特的三维梯形结构相比传统平面PVDF传感器表现出更优异的性能。在d33模式下，输出电压比相同体积的平面PVDF传感器高1.23倍，这归因于应力-电荷转换效率的提高。

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图5：性能指标显示(a)灵敏度响应曲线和(b)线性区域内PVDF基梯形网格力传感器的信噪比值，展示了传感器优异的检测能力。
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. M3 r8 B1 ~6 ]$ i2 }- f8 v6 W该传感器在0至3 N的宽线性范围内表现出42.97 mV/N的压力灵敏度，信噪比(SNR)达到27.04 dB。这些出色的规格突出了梯形网格结构在增强感测能力方面的优势。
& M' F6 x4 I3 z( J实际应用

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图6：实际应用展示(a-b)PVDF基梯形网格力传感器阵列作为触觉面板的实现，展示了追踪手指运动轨迹的能力。

通过将这些传感器集成到触觉面板中用于追踪手指运动轨迹，证明了其实用价值。当排列成阵列配置时，传感器可以根据电压信号的顺序触发准确捕捉和重建运动模式。这种能力为实时运动追踪和人机界面应用提供了新的技术方案。

5 c$ b5 _8 b6 I2 u( c这种三维打印PVDF传感器具有高灵敏度、优异的信噪比和实用性，在先进传感系统中显示出显著优势。高分辨率三维微打印技术在创建用于新一代传感应用的复杂微结构方面取得了重要成果。
: \4 @) x' W; z8 E参考文献

[1] N. Zhou, H. Xie, Y. Zhang, and H. Ao, "Optical 3D μ-printed PVDF piezoelectric trapezoidal-shaped microgrid force sensors," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 68-71.
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