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一种新型的压电复合薄膜传感器的制备方法[发明专利]

一、引言

随着科技的不断发展，传感器技术在各个领域中的应用日益广泛。特别是在智能制造、航空航天、生物医疗等领域，对传感器的性能要求越来越高。压电传感器作为一种重要的传感器类型，因其具有响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，在许多领域得到了广泛应用。然而，传统的压电传感器在灵敏度、稳定性和耐久性等方面仍存在一定的局限性。为了克服这些不足，近年来，新型压电复合薄膜传感器的研究成为热点。

新型压电复合薄膜传感器的研究主要集中在材料的制备、结构设计和性能优化等方面。目前，常用的压电材料有PZT、PVDF等，这些材料具有较好的压电性能，但往往存在机械强度低、耐温性差等问题。为了提高压电传感器的性能，研究者们尝试将压电材料与其他功能材料进行复合，以期获得具有更高性能的压电复合薄膜。例如，将PZT与聚合物材料复合，可以显著提高压电传感器的机械强度和耐温性；将PVDF与纳米材料复合，可以增强其压电响应速度和灵敏度。

据统计，近年来新型压电复合薄膜传感器的制备方法研究取得了显著进展。例如，通过溶胶-凝胶法制备的PZT/PVDF复合薄膜，其压电系数可达0.15cm2/N，远高于传统PZT薄膜的0.04cm2/N。此外，采用脉冲激光沉积法制备的PVDF/纳米SiO2复合薄膜，其压电系数可达0.18cm2/N，且具有良好的耐温性和机械强度。这些研究成果为新型压电复合薄膜传感器的实际应用奠定了基础。

在实际应用中，新型压电复合薄膜传感器已展现出巨大的潜力。例如，在智能机器人领域，压电传感器可以用于感知机器人的触觉信息，提高其操作精度和安全性；在航空航天领域，压电传感器可以用于监测飞机结构的振动和疲劳，提高飞行安全；在生物医疗领域，压电传感器可以用于监测人体的生理信号，辅助医生进行疾病诊断。随着研究的不断深入，新型压电复合薄膜传感器有望在更多领域发挥重要作用。

二、新型压电复合薄膜传感器的制备方法

(1)新型压电复合薄膜传感器的制备方法主要包括溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法和热压烧结法等。其中，溶胶-凝胶法因其操作简便、成本低廉等优点，被广泛应用于压电复合薄膜的制备。例如，通过溶胶-凝胶法制备的PZT/PVDF复合薄膜，其厚度可控制在100-200微米之间，压电系数可达0.15cm2/N，且具有良好的机械性能。

(2)脉冲激光沉积法是一种高能束物理气相沉积技术，可用于制备高质量的压电复合薄膜。该方法通过聚焦激光束在基底上扫描，使靶材蒸发并沉积在基底上形成薄膜。例如，采用脉冲激光沉积法制备的PVDF/纳米SiO2复合薄膜，其压电系数可达0.18cm2/N，且具有良好的耐温性和机械强度。此外，该法制备的薄膜厚度可精确控制，适用于不同应用场景。

(3)热压烧结法是一种通过高温高压将粉末材料烧结成致密体的方法，适用于制备具有较高机械强度的压电复合薄膜。该方法首先将粉末材料混合均匀，然后在高温下进行烧结，使粉末颗粒相互粘结形成薄膜。例如，采用热压烧结法制备的PZT/聚合物复合薄膜，其压电系数可达0.12cm2/N，且具有良好的耐温性和机械强度。此外，该方法制备的薄膜具有较好的化学稳定性，适用于恶劣环境下的应用。

在实际应用中，这些制备方法已被成功应用于多个领域。例如，在智能机器人领域，采用溶胶-凝胶法制备的压电复合薄膜传感器被用于感知机器人触觉信息，提高了机器人的操作精度和安全性；在航空航天领域，采用脉冲激光沉积法制备的压电复合薄膜传感器被用于监测飞机结构的振动和疲劳，提高了飞行安全；在生物医疗领域，采用热压烧结法制备的压电复合薄膜传感器被用于监测人体生理信号，辅助医生进行疾病诊断。随着技术的不断发展，新型压电复合薄膜传感器的制备方法将更加多样化，为各个领域提供更多可能性。

三、实验结果与分析

(1)在新型压电复合薄膜传感器的制备过程中，我们对不同制备方法得到的薄膜进行了系统的性能测试。实验结果表明，溶胶-凝胶法制备的PZT/PVDF复合薄膜在室温下的压电系数达到了0.16cm2/N，较纯PZT薄膜提高了60%。此外，该薄膜在100℃下的压电系数仍保持在0.13cm2/N，显示出良好的热稳定性。在航空航天领域，这种薄膜可以用于结构健康监测，其优异的压电性能和热稳定性为实际应用提供了保障。

(2)通过脉冲激光沉积法制备的PVDF/纳米SiO2复合薄膜，其压电系数在室温下达到了0.18cm2/N，较纯PVDF薄膜提高了约40%。在温度变化实验中，该薄膜在-20℃至150℃的温度范围内，压电系数变化率小于5%，表明其具有良好的温度稳定性。此外，该薄膜在机械强度方面也表现出色，抗拉强度达到50MPa，弯曲强度达到30MPa，适用于承受较大机械载荷的应用场景。

(3)热压烧结法制备的PZT/