PVDF心音传感器的结构参数与压电性能之间的关联

《Annals of Biomedical Engineering》：Correlation Between Structural Parameters and Piezoelectric Performance of PVDF Heart Sound Sensors

　　

摘要

研究目的

聚偏二氟乙烯（PVDF）具有出色的柔韧性、压电性能以及生物相容性，因此是制作柔性心音传感器的理想材料。本研究系统地分析了传感器设计中的关键参数——面积、长宽比、厚度以及封装层——对压电输出性能的影响，明确了其中的规律关系。

研究方法

首先明确PVDF的直接压电机制及本构方程，进而构建了参数化的COMSOL Multiphysics模型，用于分析传感器设计的不同因素所带来的影响。基于该模型制作了多个传感器样品，随后通过定制的机械测试系统将其实测性能与仿真结果进行对比。最后，专门的心音仿真装置用于评估我们研发的D型传感器的信号采集精度。

研究结果

仿真与实验结果均证实了PVDF的直接压电机制。所测得的灵敏度在10^-15到10^-14 C/Pa之间，其线性度的好坏由决定系数（R²）体现，该值超过了0.978。传感器的输出信号强度会随着面积的增加而提升。与未封装的版本相比，聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装层能够提升传感器的性能。而在厚度和长宽比的影响方面，仿真结果与实验结果存在一定偏差。我们研发的D型传感器所产生的均方根（RMS）输出电压约为同类商用传感器的1.79倍。

研究结论

本研究建立了一套可用于优化PVDF心音传感器的有效框架，证明通过增大有效面积、减小薄膜厚度、保持适中的长宽比以及采用PDMS封装层，能够提升传感器的输出性能。仿真结果与实验结果的高度一致性为这些优化建议提供了依据，也为传感器设计的工程化实现提供了直接指导。