有机传感器材料之二——有机力敏元件材料介绍

超声诊断仪用高分子压电材料制作探头,探头向入体发射脉冲超声波,入体各种组织反射超声波,计算机处理反射超声波的强度和反射时间,在CRT上用实时制作断层像的装置。

  1.压力敏元件

  1)高分子压电材料

  高分子压电材料可分为三类:①单轴向光学活动高分子材料,如聚γ-甲基-L固氨酸脂和塞璐珞电介质等;②外加高电场使有大极性基的高分子定向取向得到的材料,如聚偏二氟乙烯(PVF2)和聚乙烯叉氨基氰/乙烯基醋酸盐[P(VDCN.VAC)]等材料;③将铁电体粒子掺入高分子电介质中,再经极化处理后得到的材料,如PZT-PVF2等。第一种髙分子压电材料对垂直于膜面的应力和形变无压电响应,第二种和第三种高分子压电材料对膜面的应力和形变可在同方向显示出电场和电位移,这是构成超声敏感元件的重要特性。

  在髙分子压电材料上加形变s或应力T,则其表面产生电荷Q。设这种材料的延伸方向为1和厚度方向为3,则每单位面积的单位形变e31和在单位应力下的电动势d31分别为

  

  式中,A——电极面积;E——外电场;d31——应力产生电压的压电常数,它是压力敏元件的重要参数。下表列出各种高分子压电材料在20℃时的d31值。


表 高分子压电材料的压电常数

  将PZT等压电陶瓷粉末掺入高分子材料中,即可得到压电复合材料,它既有陶瓷的压电性,又有高分子材料的成型性和加工性。和PVF2相比,复合材料不是冷延膜,但也有压电性;而PVF2不是冷延膜,就没有压电性。因此,这类复合材料十分引入注目。

  2)感压导电橡胶

  掺入导电微粒的橡胶有感压导电性,即橡胶的电阻随压力变化,从绝缘状态迅速变化到几十欧以下,且这种变化可逆。有加压导电性的橡胶可称感压导电性橡胶、感压导电性弹性体、感压导电薄板或感压薄板。感压导电橡胶的电阻随压力变化达三个数量级才能实用,掺入碳黑的导电橡胶其变化幅度仅两个数量级,故还不能用作压力敏元件或感压开关元件。金属微粒掺入硅橡胶可获得优良的感压导电橡胶。金属微粒的摻入率为橡胶体积的25%〜35%较恰当,在该掺入率范围的橡胶能达到实用要求。例如,JSR-PCR101有橡胶的力学性质,未加压时其电阻大于106Ω•cm,而导通时的电阻急剧减小到1Ω•m以下。

  感压导电橡胶可用作机器入触觉和压觉等敏感元件,这种敏感元件跟入的触觉相同,其特点是:有柔软性,能变形;分布密度髙,信息获取量大。显然,微型开关和测微仪等触觉敏感元件不具备这些特点。感压导电橡胶有柔软性,可以加工成大面积的触觉阵列敏感元件。如下图所示出将非各向同性导电硅橡胶层压在柔软缄布衬底上的阵列敏感元件。


  图 触觉敏感元件的结构

  触觉仅需开-关感觉,但压觉则需量的感觉,而敏感材料对检测精度和线性度等均有影响,这是开发高分子敏感材料希望注意的问题。

  2.超声敏感元件

  超声诊断仪用高分子压电材料制作探头,探头向入体发射脉冲超声波,入体各种组织反射超声波,计算机处理反射超声波的强度和反射时间,在CRT上用实时制作断层像的装置。关键是要求探头产生的超声波无反射地入射到入体中。另外,为了高效地检测入体各组织的微弱反射波,入射角应为零,且敏感元件和入体的声阻抗(密度乘以声速)必须相等。下表列出高分子压电材料、无机压电陶瓷PZT、水和入体的声阻抗。和PZT相比,PVF2和P(VDCN.VAC)的声阻抗更接近入体和水的声阻抗,且在界面反射小。压电材料用作超声敏感元件时,要求d31和d33大,而PVF2和P(VDCN.VAC)的d33=23,所以是良好的超声敏感材料。


  表 声阻抗对比表

  3.液晶力敏元件

  1)液晶超声敏感元件

  液晶的分子排列随超声波变化,利用这种现象的光学变化能使超声波可见化。在约35×35个的小区域矩阵中制成厚12μm的液晶层,用超声波激发的动态散射、复折射效应成像。液晶可用P-[n-戊(烷)基]-P-氰(基)联苯基(PCB)。

  2)加速度敏感元件

  将丝状液晶作体内回归线(纵向)排列的装置中,若厚度方向产生几度(℃)的温度梯度,则髙温侧的液晶粘性较低温侧的液晶粘性小。当该装置的玻璃面方向有加速度时,由于高温侧的液晶分子容易移动,故部分液晶接近同质排列,从而使液晶装置的容量减小。利用这种现象可构成加速度传感器。

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