多晶相聚偏氟乙烯薄膜的制作方法以及穿戴式装置与流程

1.本发明是有关一种聚偏氟乙烯薄膜(polyvinylidene difluoride；pvdf)的制作方法，特别是关于一种多晶相的聚偏氟乙烯薄膜的制作方法。


背景技术：

2.聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride；pvdf)除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外，还具有压电效应、热释电效应和介电效应，因此被广泛应用于压电薄膜、太阳能背板膜、锂电池隔膜等功能性薄膜。压电效应是指，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在其某些相对应的表面上会出现等量异号电荷。热释电效应是指，极性电介质因温度变化而发生电极化改变的现象。热释电效应可用于量测环境温度或体温。
3.与传统的压电材料(如陶瓷压电片)相比，聚偏氟乙烯具有频响宽、动态范围大、力点转换灵敏度高、力学性能好、机械强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片材或管材等优势。在力学、声学、光学、电子、测量、红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、资讯工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。
4.聚偏氟乙烯形成的压电薄膜具有厚度薄、质量轻、非常柔软以及可以在无电源下工作等优点，因此广泛应用于医用感测器等器件。聚偏氟乙烯形成的压电薄膜作为一种动态应变感测器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部进行生理状态监测，例如监测呼吸及心跳。
5.聚偏氟乙烯为多晶型聚合物，可以通过使用添加剂等不同方法来得到不同晶相的聚偏氟乙烯薄膜。其晶相主要包括α晶相、β晶相及γ晶相。α晶相的聚偏氟乙烯具有高热力学稳定性，其晶格中tgtg'的分子链构象导致其分子链偶极子极性相反而不显极性。β晶相的聚偏氟乙烯为正交晶系的全反式构象ttt，具有自发极性，压电性能优异。γ晶相的聚偏氟乙烯的分子构象为tttgtttg'，同一晶胞内两条分子链平行排列，由于偶极距方向相同而具有极性。图1、图2及图3分别显示α晶相、β晶相及γ晶相的聚偏氟乙烯的分子结构，其中c为碳(carbon)原子，f为氟(fluorine)原子，h为氢(hydrogen)原子。
6.聚偏氟乙烯的β晶相与γ晶相具有较高的自发极化强度，是聚偏氟乙烯的重要晶相结构。β晶相与γ晶相的聚偏氟乙烯具有优异的铁电性、热释电性和压电性能。
7.近年来，聚偏氟乙烯薄膜也开始应用在穿戴式装置上。然而，目前的聚偏氟乙烯薄膜只应用其某一种晶相，功能单一，因此在空间受限的穿戴式装置上的应用受到限制。为此，本发明提出一种多晶相聚偏氟乙烯薄膜以同时提供多种功能。


技术实现要素：

8.本发明的目的之一，在于提出一种多晶相的聚偏氟乙烯薄膜的制作方法。
9.本发明的目的之一，在于提出一种使用多晶相聚偏乙烯薄膜的穿戴式装置。
10.根据本发明，一种多晶相聚偏氟乙烯薄膜的制作方法包括：将一聚偏氟乙烯溶液涂布于一基板上以形成膜状，并加热所述基板上的所述聚偏氟乙烯溶液至其熔点以上，以产生一第一聚偏氟乙烯薄膜；冷却所述第一聚偏氟乙烯薄膜，以得到半熔融状态的第二聚偏氟乙烯薄膜；利用静电纺丝制备具有β晶相的多条聚偏氟乙烯纤维；将所述多条聚偏氟乙烯纤维平行排列在所述第二聚偏氟乙烯薄膜上，以得到第三聚偏氟乙烯薄膜；以一固定温度对所述第三聚偏氟乙烯薄膜进行加热退火，以使α相晶体相变为γ相晶体，最终得到具有β晶相及γ晶相的所述多晶相聚偏氟乙烯薄膜。
11.在一实施例中，可以将一聚偏氟乙烯材料溶于一溶剂中以配制出所述聚偏氟乙烯材料溶液，其中所述溶剂可以是但不限于二甲基甲酰胺(dmf)。
12.在一实施例中，产生所述第一聚偏氟乙烯薄膜的步骤包括将所述基板上的所述聚偏氟乙烯溶液加热至熔点(如200℃)以上以产生所述第一聚偏氟乙烯薄膜。
13.在一实施例中，所述固定温度可为160℃。
14.在一实施例中，产生所述多条聚偏氟乙烯纤维的步骤包括对聚偏氟乙烯材料进行静电纺丝，以产生所述多条聚偏氟乙烯纤维。
15.根据本发明，一种穿戴式装置包括一多晶相聚偏氟乙烯薄膜、一开关装置以及一处理器。所述多晶相聚偏氟乙烯薄膜具有β晶相及γ晶相。所述多晶相聚偏氟乙烯薄膜可以感测温度及压力产生一温度感测信号及一压力感测信号。所述处理器耦接所述多晶相聚偏氟乙烯薄膜及所述开关装置，根据所述温度感测信号控制所述开关装置以启动或关闭所述穿戴式装置，以及根据所述压力感测信号产生一电信号。
16.在一实施例中，所述多晶相聚偏氟乙烯薄膜感测到人体温度时，所述处理器根据所述温度感测信号启动所述穿戴式装置。
17.在一实施例中，所述多晶相聚偏氟乙烯薄膜未感测到人体温度时，所述处理器根据所述温度感测信号关闭所述穿戴式装置。
18.在一实施例中，所述电信号用以判断生理状态或产生相关资讯。
19.在一实施例中，所述生理状态包括心跳、血压或呼吸。
20.在一实施例中，所述相关资讯包括压力、重量或距离。
附图说明
21.图1显示α晶相的聚偏氟乙烯的分子结构。
22.图2显示β晶相的聚偏氟乙烯的分子结构。
23.图3显示γ晶相的聚偏氟乙烯的分子结构。
24.图4显示本发明制作多晶相聚偏氟乙烯薄膜的流程。
25.图5显示使用本发明多晶相聚偏氟乙烯薄膜的穿戴式装置。
26.图6显示图5的穿戴式装置的操作的第一实施例。
27.图7显示图5的穿戴式装置的操作的第二实施例。
28.附图标记：
29.10...穿戴式装置
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12...多晶相聚偏氟乙烯薄膜
30.14...处理器
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16...开关装置
31.s10...步骤
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s12...步骤
32.s14...步骤
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s16...步骤
33.s18...步骤
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s20...步骤
34.s22...步骤
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s24...步骤
35.s26...步骤
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s28...步骤
36.s29...步骤
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s30...步骤
37.s32...步骤
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s34...步骤
38.c...碳原子
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f...氟原子
39.h...氢原子
具体实施方式
40.为了使本发明内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述，但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。本发明可以藉由多种不同形式实现，不应解释为仅局限于这里所阐述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明更为全面和完整的公开，并使本领域的技术人员更充分地了解本发明的范围。
41.本文中提到的数值或范围，除非另有明确陈述，不然的话这些数值或范围是近似的。
42.这里所用的专有名词仅用于描述特定的实施例而并非意图限定本发明。如这里所用的，单数形式「一」、「一个」和「所述」也意图涵盖复数形式，除非上下文清楚指明是其它情况。还应该理解，当在说明书中使用术语「包含」、「包括」时，指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件及/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件及/或部件的存在。
43.除非另外定义，这里所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所述领域的并通技术人员所通常理解的含义相同的含义。还应当理解，比如在通用的辞典中所定义的那些术语，应解释为具有与它们在相关领域的环境中的含义相一致的含义，而不应以过度理想化或过度正式的含义来解释，除非在本文中明确地定义。
44.在本文中，详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节之情况下实践本发明之实施例。在其他情下，为简化图式，熟知的结构与装置仅示意性地绘示于图中。
45.在各实施例中，一个特征、元件或电路形成于另一个特征、元件或电路上、连接至及/或耦接至另一特征、元件或电路，可包括这些特征、元件或电路连接接触的实施方式，亦可包括有另一特征、元件或电路可成并中介于这些特征、元件或电路之间，使得这些特征、元件或电路可不直接接触的实施方式。
46.图4显示本发明制作多晶相聚偏氟乙烯薄膜的流程。在图4的步骤s10中，配制一聚偏氟乙烯溶液，并将聚偏氟乙烯溶液涂布在一基板上以形成膜状，接着将基板上的聚偏氟乙烯溶液加热至其熔点以上，以使所述聚偏氟乙烯溶液平整成为一第一聚偏氟乙烯薄膜。在步骤s10所产生的第一聚偏氟乙烯薄膜为一半熔体薄膜。对所述聚偏氟乙烯溶液进行加热，除了可以产生所述第一聚偏氟乙烯薄膜之外，还可以消除所述聚偏氟乙烯溶液中聚偏氟乙烯材料的热历史，使得后续结晶时不受之前的生成条件的影响。其中热历史包括聚偏
氟乙烯材料在成型出厂前受到的温度、剪切及拉伸等影响。在一实施例中，可以将基板上的聚偏氟乙烯溶液加热至约200℃以得到所述第一聚偏氟乙烯薄膜。在一实施例中，所述聚偏氟乙烯溶液的配制步骤包括将一聚偏氟乙烯材料溶于相应溶剂中以得到所述聚偏氟乙烯溶液，其中所述溶剂包括但不限于二甲基甲酰胺(dmf)。
47.在步骤s10完成产生所述第一聚偏氟乙烯薄膜后，进行图4的步骤s12。在步骤s12中，让所述第一聚偏氟乙烯薄膜进行冷却以形成半熔融态的第二聚偏氟乙烯薄膜。所述第二聚偏氟乙烯薄膜具有α晶相。在一实施例中，所述第一聚偏氟乙烯薄膜会从约为200℃的温度冷却至约为160℃的温度以得到所述第二聚偏氟乙烯薄膜。步骤s12的冷却方式包括但不限于自然冷却。
48.在图4的步骤s14中，将一聚偏氟乙烯材料放置到一静电纺丝设备中进行静电纺丝，以产生具有β晶相的多条聚偏氟乙烯纤维。在静电纺丝过程中，所述聚偏氟乙烯材料将被熔融以消除所述聚偏氟乙烯材料的热历史，以避免对后续的结晶造成影响。静电纺丝为透过高电场来制备纤维的一项技术，透过静电纺丝所制成的聚偏氟乙烯纤维的β晶相较稳定且容易制备，主要是因为静电纺丝给予聚偏氟乙烯材料电极化时会同时进行拉伸固化。静电纺丝为常见的技术，因此其具体操作及原理于此不再赘述。在图4的实施例中，使用静电纺丝方式来产生具有β晶相的多条聚偏氟乙烯纤维，但本发明不限于此，其他可以产生具有β晶相的聚偏氟乙烯纤维的方式也适用于本发明。
49.在图4的实施例中，步骤s10和步骤s14可以同时进行，或是其中一个步骤完成后再进行另一个。例如先进行步骤s10及s12后再进行步骤s14，或者先进行步骤s14后再进行步骤s10及s12。
50.在图4的实施例中，步骤s10中使用的聚偏氟乙烯溶液中的聚偏氟乙烯材料与步骤s14中使用的聚偏氟乙烯材料可以相同，也可以不同。
51.在得到所述第二聚偏氟乙烯薄膜以及所述多条聚偏氟乙烯纤维后进行步骤s16。在步骤s16中，将所述第二聚偏氟乙烯薄膜放置于一收集台上，并将所述多条聚偏氟乙烯纤维平行排列在所述第二聚偏氟乙烯薄膜上，以得到具有α晶相及β晶相的第三聚偏氟乙烯薄膜。在一实施例中，所述收集台可以是静电纺丝收集台。
52.在一实施例中，当步骤s10完成以得到所述第一聚偏氟乙烯薄膜后，可以将所述第一聚偏氟乙烯薄膜转移至所述收集台上，在此转移过程中，所述第一聚偏氟乙烯薄膜有足够时间自然冷却以形成半熔融态的所述第二聚偏氟乙烯薄膜。
53.在得到所述第三聚偏氟乙烯薄膜后，进行步骤s18。在图4的步骤s18中，将所述第三聚偏氟乙烯薄膜放置在加热台上，并以一固定温度对所述第三聚偏氟乙烯薄膜进行加热退火。在步骤s18的加热退火过程中，由于第三聚偏氟乙烯薄膜具有β晶相的聚偏氟乙烯纤维，因此第三聚偏氟乙烯薄膜中的α相晶体将相变为γ相晶体，进而产生具有β晶相及γ晶相的多晶相聚偏氟乙烯薄膜。在一实施例中，步骤s18使用的固定温度约为160℃，而持续加热时间约为48小时。
54.本发明的多晶相聚偏氟乙烯薄膜同时具有β晶相及γ晶相，由于β晶相及γ晶相的排布呈90℃夹角，因此多晶相聚偏氟乙烯薄膜在不同方向(如d31及d33)都具有良好的压电效应。换言之，当本发明的多晶相聚偏氟乙烯薄膜应用在环状穿戴式装置时，可以感测各个不同方向的压力或张力。此外，由于β晶相及γ晶相都具有热释电效应，因此本发明的多晶
相聚偏氟乙烯薄膜也可以达成温度的感测。在穿戴式装置中，多晶相聚偏氟乙烯薄膜的温度感测功能可以用来感测人体温度，当多晶相聚偏氟乙烯薄膜感测到体温或感测到的温度高于一预设值时，穿戴式装置将被启动。相反的，当多晶相聚偏氟乙烯薄膜未感测到体温或感测到的温度低于一预设值时，穿戴式装置将被关闭。此自动启动及关闭穿戴式装置的功能，可以避免使用者忘记关闭穿戴式装置，导致电力浪费，而且还可以延长穿戴式装置的使用寿命。
55.图5显示使用本发明多晶相聚偏氟乙烯薄膜12的穿戴式装置10。在图5的实施例中，穿戴式装置10包括多晶相聚偏氟乙烯薄膜12、处理器14及开关装置16。多晶相聚偏氟乙烯薄膜12同时具有β晶相及γ晶相。处理器14连接多晶相聚偏氟乙烯薄膜12及开关装置16。开关装置16是用以控制穿戴式装置10的启动及关闭。穿戴式装置10可以是但不限于脉搏感测器。
56.图5的处理器14可以是利用硬体、韧体及/或软体的机器，并且实体上适于透过布林逻辑(或称布尔逻辑)在形成特定的实体电路的复数个逻辑闸上操作以执行藉由可执行的机器指令所定义的特定的任务。处理器可以利用机械，气动，液压，电，磁，光，资讯，化工，与/或生物学原理，机制，适应，信号，输入，与/或输出以执行任务。处理器可以是通用的装置，如微控制器及/或微处理器。在某些实施方式，处理器可以是专门用途的装置，如特定应用积体电路(asic)或现场可程式闸列(fpga)。
57.图5的开关装置16为一种打开/关闭电路用以切断或导通电流路径。在一实施例中，开关装置16可以是但不限于由一个电晶体所形成的开关。
58.图6显示图5的穿戴式装置10的操作的第一实施例。如图6的步骤s20及s22所示，当使用者将穿戴式装置10配戴在手腕上时，穿戴式装置10的多晶相聚偏氟乙烯薄膜12感测到使用者的体温，多晶相聚偏氟乙烯薄膜12因而输出一温度感测信号至处理器14。处理器14在接收到来自多晶相聚偏氟乙烯薄膜12的温度感测信号后，处理器14会控制开关装置16来启动穿戴式装置10，如图6的步骤s24所示。当使用者将穿戴式装置10取下时，穿戴式装置10的多晶相聚偏氟乙烯薄膜12无法感测到使用者的体温，因此多晶相聚偏氟乙烯薄膜12停止输出温度感测信号至处理器14，如图6的步骤s26及s28所示。在多晶相聚偏氟乙烯薄膜12停止输出温度感测信号后，处理器14会控制开关装置16来关闭穿戴式装置10，如图6的步骤s29所示。
59.图7显示图5的穿戴式装置10的操作的第二实施例。当使用者将穿戴式装置10配戴在手腕上时，穿戴式装置10的多晶相聚偏氟乙烯薄膜12可以感测到手腕上的压力或张力，如图7的步骤s30所示。手腕上的压力或张力是来自于脉搏的跳动或手臂的摆动。依据感测到的压力或张力，多晶相聚偏氟乙烯薄膜12产生一压力感测信号给处理器14。处理器14依据压力感测信号决定一电信号，如步骤s32所示。穿戴式装置10依据所述电信号判断使用者的生理状态或产生相关资讯。最后穿戴式装置10可以将得到的生理状态或相关资讯反馈给使用者，如步骤s34所示。反馈给使用者的方式包括但不限于将生理状态或相关资讯显示在一显示器上，其中所述显示器可以设置在穿戴式装置10上或外接。依据穿戴式装置10的类型，穿戴式装置10得到的生理状态会不同，例如当穿戴式装置10为脉搏感测器时，生理状态可以是使用者的心跳或血压。当穿戴式装置10为呼吸感测器时，生理状态可以是使用者的呼吸。同样的，依据穿戴式装置10的类型不同，穿戴式装置10得到的相关资讯可以是但不限
于压力、重量或距离。
60.以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。