壓電薄膜傳感器中文技術(shù)手冊

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1、僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 壓電薄膜傳感器 僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 技術(shù)手冊 目錄表僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 第一部分 引言 背景 壓電薄膜特性 典型壓電薄膜元件工作特性 第二部分 第三部分 引線裝接技術(shù) 頻率響應(yīng) 壓電薄膜低頻響應(yīng) 第四部分 第五部分 第六部分 第七部分 第八部分 溫度效應(yīng) 壓電膜電纜及其特性 壓電基礎(chǔ) 熱電基礎(chǔ) 基本電路概念 電纜 第九部分 制造 開關(guān) 沖擊傳感器 體育運動記分傳感器 樂器 交通傳感器 第十部分 振動傳感 音樂拾音 機器監(jiān)控 軸承磨損傳感器 風扇葉片氣流傳感器 斷紗傳感器 自動售貨機用傳感器 第十一部分 第十二部分 加速度計 超聲應(yīng)用 醫(yī)用

2、成像 NDT無損探傷） 液位傳感器 第十三部分 聲頻 揚聲器 話筒 第十四部分 第十五部分 聲納 將來的應(yīng)用 有源振動阻尼 硅基傳感器 靈敏表皮 第十六部分 第十七部分 第十八部分 引言 壓電薄膜的應(yīng)用 壓電薄膜論文索引 超聲油墨位面感測的討論 僅供個人參考 傳感器材料是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量，并被廣泛地應(yīng)用在傳感 探測方面。微處理器應(yīng)用的巨大增長推動了傳感器在多種應(yīng)用方面的需求。今天，在 180億美元的全球傳感器市場中壓電聚合物傳感器躋身在最快速發(fā)展的技術(shù)行列之中。 像任何其他新技術(shù)一樣，在很多應(yīng)用中， “壓電薄膜”已被考慮用作傳感器的解決方案。 自從壓電膜聚合體被發(fā)現(xiàn)以來的

3、20年中，這項技術(shù)已日趨成熟，實際應(yīng)用層出不窮， 技術(shù)的商業(yè)化進程正在加速。 本手冊對壓電聚合體技術(shù)、術(shù)語、特性以及傳感器設(shè)計思考等提供了綜述，同時還 探索了近年來業(yè)已成功開發(fā)出來的諸多傳感器的應(yīng)用項目。 解決獨特的傳感方面問題是我們的應(yīng)用工程師們特有的實力。 我們很高興有機會在 您的設(shè)計中考慮壓電膜傳感器的應(yīng)用時為您提供幫助。 “壓電”，希臘語叫做“壓力”電，是在100多年前由Gurie兄弟所發(fā)現(xiàn)的。他們 發(fā)現(xiàn)，石英在電場的作用下會改變其外形尺寸， 而相反，當受到機械變形時，則產(chǎn)生出 電荷來。這項技術(shù)的首次實際應(yīng)用是由另一位法國人 Langevin在1920年實現(xiàn)的，他研 究出了一種用于水下

4、聲音的晶體發(fā)射器和接收器 ，即：第一部“聲納”。二次世界大戰(zhàn)前， 研究人員發(fā)現(xiàn)，有些陶瓷材料在高極化電壓的作用下會產(chǎn)生壓電特性， 這一過程類似于 鐵性材料的磁化。 到60年代，研究人員就已發(fā)現(xiàn)，鯨魚的骨和腱內(nèi)部存在著微弱的壓電效應(yīng)。于是 開始了對其他有可能具有壓電效應(yīng)的有機材料的認真探索。 1969年，Kawai發(fā)現(xiàn)在極化 的含氟聚合物、聚偏氟乙烯（PVDF中有很高的壓電能力。其他材料，如尼龍和 PVC 也都表現(xiàn)出壓電效應(yīng)，但沒有一種能像 PVDF及其共聚物一樣呈現(xiàn)那么高的壓電效應(yīng)。 和其他鐵電材料一樣，PVDF 也具有很高的熱電特性，在響應(yīng) 溫度的變化時，可以產(chǎn)生電荷。 PVD!對720卩m

5、波長的紅外能具 有很強的吸收性（見圖1），覆蓋 了人體熱的相同波長頻譜。因 此, PVDF可以制成很有用途的人 體運動傳感器以及熱電傳感器 用于更為復(fù)雜的其他應(yīng)用如夜 視光導(dǎo)攝像管攝像機和激光束 成像傳感器。壓電薄膜采用合適 的菲涅爾透鏡可 以探測到50英尺以外的人體運動 最近兩年才研制出的PVDF新的共聚物，又進一步擴展了壓電聚合物傳感器的應(yīng)用 這種共聚物可以在更高的溫度下（135C）使用，同時還能提供所期望的新形狀：園柱 形和半球形等。 厚度極限也達到了利用 不得用于商業(yè)用途圖1. PVDF 薄膜的典型紅外吸收頻譜 波長（卩 m） TKrvdm 曲 1血 1 乂 S 6 ? 8 ； n 1

6、2 6 2? 無法達到.的程度。這些成就包括超薄 4 6 : a 0 12 11恥協(xié)弟曲 僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 （200A）離心澆成的覆層，從而開拓出新型硅基傳感器應(yīng)用和壁厚超過 1200卩m的聲納用 圓柱體傳感器的可能性。 壓電薄膜特性 壓電薄膜是一種柔性，質(zhì)輕,高韌度塑料膜并可制成多種厚度和較大面積。作為一種 傳感器，它的主要特性參數(shù)如下： + 寬頻帶 0.001 Hz10 9HZ -8 6 + 寬動態(tài)范圍（10 10 Psi或卩torrMbar ） 律 低的聲阻抗 與水、人體組織和粘膠體系接近 +高彈性柔順性 +高電壓輸出 對同樣受力條件，比壓電陶瓷高10倍 +高介電強度一可耐

7、受強電場作用（75V/卩m大部分壓電陶瓷退極化 + 高機械強度和抗沖擊（109 010Pascal模數(shù)） 療 高穩(wěn)定性 耐潮濕（吸濕性0.02%）、多數(shù)化學(xué)品、氧化劑、 強紫外線和核輻射 * 可加工成特定形狀 律 可以用市售膠粘合 壓電膜的一個主要優(yōu)點就是它有低的聲阻抗 ，其聲阻抗比壓電陶瓷更接近水，人體 組織和其他有機材料的聲阻抗。例如，壓電膜的聲阻抗（Zc=pu）只相當于水的2.6 倍, 而壓電陶瓷的聲阻抗通常是水的11倍多。一個接近的阻抗匹配便于更有效地在水和人 體組織中轉(zhuǎn)導(dǎo)聲音信號。 但壓電膜的確有某些應(yīng)用上的限制，與壓電陶瓷相比，電 機發(fā)送器就相對弱些， 尤其是在諧振和低頻應(yīng)用上。共

8、聚體薄膜的最高使用 /儲存溫度可高達135C。而且， 若把膜上的電極外露，它對電磁輻射也敏感。有良好的屏蔽技術(shù)用于電磁干擾和射頻干 擾的環(huán)境 表1列出了壓電膜的典型特性參數(shù)。表 2對PVDF聚合體的壓電特性和常用的二種 壓電陶瓷材料的特性進行了比較。 壓電膜的光學(xué)傳輸特性請參照圖1,在720卩m波長上對紅外能量有很強的吸收性， 從而使其成為侵入檢測和能量管理器件的理想選擇。 PVDF薄膜通常很薄、柔軟、密度低、靈敏度極好，且機械韌性也好，壓電膜的柔順 性比壓電陶瓷高出10倍，當壓電聚合物被擠成薄膜時，可以直接貼附在機件表面而不 會影響機件的機械運動。壓電膜非常適用于需要大帶寬和高靈敏度的應(yīng)變傳

9、感應(yīng)用。 作 為一種執(zhí)行器件，聚合物低的聲阻抗，使其可以有效地用來向空氣和其他氣體中傳送能 量。 表1,壓電薄膜典型特性參數(shù) 表示付號 參數(shù) PVDF 共聚體 單 位 僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 T 厚度 9,28,52,110 各種 um(micron, 10 -6) d3i 壓電應(yīng)變常數(shù) 23 11 d33 -33 -38 g31 壓電應(yīng)力常數(shù) 216 16 g33 -330 -542 k3i 電一機耦合常數(shù) 12% 20 Kt 14% 25-29% C 電容 380 (28 卩 m) 68 (100 卩 m PF/cm21kHz Y Young 模量 2-4 3-5 9 2 10 N

10、/m V0 聲速 拉伸 厚度 1.5 2.3 3 10 m/s 2.2 2.4 P 熱電系數(shù) 30 40 10-6C/nf K E 介電常數(shù) 106-113 65-75 10-12F/m / 0 相對介電常數(shù) 12-13 7-8 P m 質(zhì)量密度 1.78 1.82 3 10 kg/m P e 體電阻率 13 10 14 10 電阻計 R 表面金屬化電阻 率 2.0 2.0 Q / 平方(CuNi) R 0.1 0.1 Q /平方（Ag 油墨） tan 損耗角正切 0.02 0.015 1kHz 屈服強度 45-55 20.30 106N/M (拉伸軸) 溫度范圍 -40 至 80 -40 至

11、 115 145 C 吸水性 0.02 1）輸入波形 2）輸入頻譜 圖20. R-C濾波器對諧波串輸入波形的影響 表示了一個諧波串，數(shù)個離散譜線全在 截止頻率以下。每一個的衰減程度并不相同，所以，輸出信號中的諧波“平衡”就是交 變的。 5）輸出波形 僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 4）輸出頻譜 僅供個人參考 】0 1）輸入波形 2）輸入頻譜 1 il VJJ - 1 1 一 、 .HUJ Lst 冷 3）濾波器特性 不得用于商業(yè)用途 f 襯擁陽 e 臚兒田憐肛帥! J j . I L 圖21.R-C濾波器對慢半正弦波瞬態(tài)輸入波形的影響 （很多機械沖擊信號的特徵），盡管高頻成分大部分沒變，但其輸

12、出波形卻嚴重失真, 明顯表示出正、負二種偏移，而輸入波形卻是單極性的。 5）輸出波形 表示了一個慢半正弦輸入脈沖 伽 僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 】0 5）輸出波形 圖22. R-C濾波器對慢鋸齒波瞬態(tài)輸入波形的影響 表示了一個鋸齒波，有一個慢 的“上升前沿”和一個突然跌落于零的后沿。很多壓電膜開關(guān)被用來 檢測這種機械過程。從輸出波形上看，“前沿”幾乎不存在了，但“跌 落”的后沿幾乎保持原幅度，注意輸出脈沖極性與輸入波形相對極性。 1）輸入波形 2）輸入頻譜 4）輸出頻譜 、皿 liii min 僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 3）濾波器特性 4）輸出頻譜 5）輸出波形 UH

13、 溫度效應(yīng) 壓電膜的諸多特性都 是隨激勵頻率和溫度而變 圖 23, 化的。 這種特性隨頻率或 溫度的變化是可逆的和可 重復(fù)的 此外，從圖23可以看 到在70C退火后，長時間 曝露在升高的溫度下時， PVD壓電應(yīng)變常數(shù)d33的永 久性衰變。 PVDF d 33常數(shù)的熱穩(wěn)定性 200dB，即 也可線性感應(yīng)重型卡車的震動。電纜可承壓 表4列出了電纜標準特性。 表4, Kynar -壓電電纜標準特性 26. Pieuo! cmble congti-Lictioti OCCIPSI AM 列 ID BHEL口 iPdLWltTMrLEME CxJl feir 纜標準特性：壓電電纜在沖擊負荷增加時 的輸出

14、靈敏度表示在圖27a，圖27b所示 為應(yīng)力增加時的輸出線性，這是所有規(guī)格 壓電電纜的標準情況。 參數(shù) 單 位 數(shù)值 For pers onal use PF/m 600 only in study and research; not for commercial use 電容 應(yīng)變強度 MPa 60 You ng 模數(shù) GPa 2.3 密度 Kg/m3 1890 聲阻抗 MRay1 4.0 相對介電常數(shù) 1kHz 9 tan S e 1kHz 0.017 靜水壓力、壓電系數(shù) pC/N 15 縱向壓電系數(shù) Vm/N 3 250 X 10- 靜水壓力壓電系數(shù) Vm/N 150 X 10-3 機電耦

15、合 % 20 能量輸出 mJ/Strai n(% 10 電壓輸出 ) kV/Strai n(% ) 5 圖27a.靈敏度與負載的關(guān)系 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 壓電基礎(chǔ) 機電變換 像海綿可以擠出水一樣， 當壓電材料受壓時產(chǎn)生電荷， 其信號幅度和頻率直接與壓 電材料的機械變形成正比。 變形使材料表面電荷密度發(fā)生變化， 于是就在加了電極的表 面之間產(chǎn)生出電壓。 當所加的力反向時， 輸出電壓的極性也同時反相。 一個往復(fù)力會得 到交變的輸出電壓。 壓電薄膜， 也像所有的壓電材料一樣， 是一種動態(tài)材料， 所產(chǎn)生的電荷與所加機械 應(yīng)力的變化成正比。由于材料的內(nèi)部阻抗，不適用于靜態(tài)測量（純直流） 。壓

16、電膜所產(chǎn) 生的電荷的衰減時間常數(shù)， 取決于膜本身的介電常數(shù)、 內(nèi)阻，以及壓電膜所接接口電路 的輸入內(nèi)阻。實際上，壓電膜最低可測頻率可達到 0.001Hz。有許多方法可實現(xiàn)純直流 響應(yīng)，但要求壓電膜既用作執(zhí)行器， 又作為傳感器， 監(jiān)控著直流過程所產(chǎn)生的執(zhí)行結(jié)果 的變化。 對電荷或電壓， 固有的壓電常數(shù)預(yù)告了對小應(yīng)力 （ 或應(yīng)變 ） ，壓電共聚物所能產(chǎn)生的 電荷密度（單位面積的電荷）或電壓場（單位厚度的電壓） 。 電荷模式 ： 在近于短路的情況下，所產(chǎn)生的電荷密度可用下式表示： D = Q/A = d3nXn (n = 1, 2 或 3) 所加應(yīng)力（或應(yīng)變）的機械軸（n），通常為: 1 = 長度（

17、或拉伸）方向 2 = 寬度（或橫向）方向 3 = 厚度方向 式中： D = 所產(chǎn)生的電荷密度 Q= 所產(chǎn)生的電荷 A = 導(dǎo)電極面積 D3n = 與所加應(yīng)力或應(yīng)變軸所對應(yīng)的壓電系數(shù) n = 所加應(yīng)力或應(yīng)變軸 Xn = 相關(guān)方向上所加的應(yīng)力 必須指出，d3n系數(shù)一般表示為每牛頓皮庫侖（pC/N）,但由于受力面積（m2）往往 并不相同，而又不能 “相消”，所以較確切的表達式應(yīng)該是 （pC/m2）/（N/m 2）。 電壓模式 : 開路輸出電壓，可用下式表示:僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 Vo = g 3nXnt （n = 1,2 或3,與上述相同） 式中: g =與所加應(yīng)力或應(yīng)變軸相應(yīng)的壓電系數(shù)

18、Xn=相關(guān)方向上所加應(yīng)力 t =壓電膜厚度 壓電常數(shù): 應(yīng)用最廣泛的壓電常數(shù)d3n和g3n，即電荷 和電壓，分別具有二個下角標。前者指電軸， 后者指機械軸。由于壓電膜很薄，所以電極只 能在上、下表面。由于電荷或者電壓總是通過 膜的厚度（n=3）來傳輸，因此，電軸便總是3” 如圖28所示，機械應(yīng)力可以加在任何軸向， 所以，機械軸可以是1、2,或3。 通常，將壓電膜的機械軸向1用于低頻傳感和驅(qū)動（vlOOkHZ，而機械軸向3則用 于高頻超聲傳感和驅(qū)動（1OOKHZ。 方向特性: 壓電材料是各向異性的，也就是電和機械響應(yīng)不同并取決于所加電場軸向或所加應(yīng) 力或應(yīng)變軸向。在有關(guān)壓電效應(yīng)的計算中，必須要考

19、慮到這種方向特性。 例一： 在一長2.54cm,寬2.54cm和厚度為110pm的壓電薄膜開關(guān)上， 施加一個1.45磅/ 平方英寸（10,000N/m?的負荷。該開關(guān)元件背后有剛性支撐。故力是作用在厚度方向上 （即: g33模式）。本例中，負荷是作用在壓電薄膜的長成寬的面積上。厚度方向所產(chǎn)生 的開路電壓為： 式中： V/m =壓電膜厚度每米的電壓輸出 N/m2=膜相關(guān)面積上施加的應(yīng)力，由磅/英寸2變換為N/m約為7,000 Vr = -（ -339x1（-! （-107Q0ON/in2）（lWxl0Ai；i N/iir； V = -0373 volts 例二： 不得用于商業(yè)用途 與例一中相同的

20、壓電膜開關(guān)元件，但所受的力為（ 10,000N/m2X）.0254m2=6.45牛 頓），而結(jié)構(gòu)形式為柔性支撐的膜。力是作用在厚度橫截面上（wt）。壓電膜在負荷作用 下被拉伸，圖28.軸向數(shù)碼分類 僅供個人參考 故其為g31模式。 L 山二八25壯“勺打 V = volts ILI 由于力加在小得多的橫截面上，因而導(dǎo)致輸出電壓的急劇增大。小面積產(chǎn)生較高應(yīng) 力。 動態(tài)范圍 壓電膜有很大的動態(tài)范圍，它已被用來感測空間一個質(zhì)量為 10 -12克的高速物體的 沖擊；而在其他極端條件下，它也可以測量在武器試驗過程中所產(chǎn)生的 300,000大氣壓 力的沖擊波。最近進行的一項研究得出了一個面積為 155.5

21、mmxi8.5mm厚度為52pm 的厚膜的最大輸出能量。該膜受力約為 350MPa（在拉伸方向，或者n=1”方向上）而未 失效。所產(chǎn)生的電荷線性很好，下面是最大應(yīng)力條件下的測量結(jié)果： 最大測得電荷： 20 Q 即 6.95 mC/m2 最大測得電壓： 1600 V，即 30.8 X106 V/m 最大變換能量： 30.9 mJ，即 207 kJ/m 3 稍后的試驗表明壓電膜器件可以長時間承受上述能量的 10%左右，而不會出現(xiàn)可測 得的損壞。 電機變換 當一片壓電薄膜受到電壓的作用時，由于內(nèi)部偶極子在所加電場下的吸引或排斥, 而使膜的尺寸發(fā)生變化。加一電壓極性，壓電膜就變薄、變長和變寬。而加相反

22、極性, 則使壓電膜的長度和寬度收縮并變厚，加交流電壓就使壓電膜 振動”。 變形的大小可根據(jù)壓電d常數(shù)來計算: 對長度變化：刈=I d 3iV/t 式中: 4 =每米膜長變化 l = 膜原長度（米） d31=長度方向壓電常數(shù)（n = 1 ”方向）（m/V） V =厚度方向（t ）所加電壓僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 對寬度變化：Aw = w d32 V/t 式中： d32=寬度方向壓電常數(shù)（n = 2方向） 對厚度變化：At = t d 33 V/t = d33 V 式中： d33=厚度方向壓電常數(shù)（n = 3方向） 例三： 一塊長（I ） 3cm寬（w 2cm厚度（t） 9阿的壓電薄膜，按3

23、 （厚度）方向加V =200 v的電壓。這個電輸入產(chǎn)生的應(yīng)變 S等于d乘以所加電場。 在長度方向上: AL DI- k.3 pm 在厚度方向上: 執(zhí)行器 雙壓電薄膜片 與雙金屬片相似，二片極性相反的壓電薄膜粘在一起，就構(gòu)成了一個彎曲的元件， 或”雙壓電薄膜片”（圖29）。在這種雙壓電膜片上加上電壓之后，使其中一片加長，而 不得用于商業(yè)用途一般來說，壓電薄膜執(zhí)行器的設(shè)計，主要取決于應(yīng)用的各種要求，諸如運行速度、 位移量、產(chǎn)生的力以及可提供的電源等。 述應(yīng)用要求，這些設(shè)計方案包括： 為客戶訂做的單面或雙面電極圖形； 多層疊層結(jié)構(gòu)或雙壓電膜片； *折疊或卷筒式多層結(jié)構(gòu)； 擠出成型壓電管和壓電電纜；

24、*在各種基片上澆注壓電共聚體； *模塑三維結(jié)構(gòu)。 上述各種設(shè)計方案均各有其優(yōu)缺點， 例如，卷筒式多層執(zhí)行器可以產(chǎn)生比較高 的力，但卻要犧牲一定的位移量。 壓電膜技術(shù)可以提供不同的設(shè)計方案來實現(xiàn)上 圖29.雙壓電薄膜片 23xW WRfll I N 隨層數(shù)的增加而成比例地增大。 雙壓電膜片的電連接方面，有二種基本的方法如圖 30 所示，即串聯(lián)和并聯(lián)。為獲得相同的位移量，并聯(lián)時 所需電壓要低于串聯(lián)時。但另一方面，串聯(lián)時所需的 電流要小于并聯(lián)時。這二種接線方法對執(zhí)行器來說總 的電功率是相同的。不過，很顯然，對加工來說，串 圖30.雙壓電膜片的引線連 接法 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 另一片縮短，

25、這樣就形成了彎曲。 加相反極性的電壓時，它就向相反方向彎曲。這種結(jié) 構(gòu)形式將微小的長度變化變?yōu)楹艽蟮亩瞬繌澢?但所產(chǎn)生的力小。若采用加厚的壓電膜 和多層結(jié)構(gòu)，可增加這種雙壓電薄膜片所產(chǎn)生的力，但要犧牲一定的位移量。 端部彎曲量和所產(chǎn)生的力，按下式計算: Ax = 3/4d 3i (1 2t 2 2)V 米 F = 3/2Ywdi(t/l)V 牛頓 式中: Ax =直流時的位移量 F =產(chǎn)生的力 d3i =在1”方向上的壓電常數(shù) l, t, w =壓電膜的長度、厚度和寬度 V =所加電壓(伏) 丫 =壓電膜的You ng氏模量(2X109N/m?) 當加交流電壓時，雙壓電膜片就成了類似昆蟲翅膀

26、那樣的扇子。 盡管雙壓電膜片的 確顯示了直流響應(yīng)，但只在諧振時才獲得最大的端部彎曲， 這是由其長度和厚度來決定 的。 例四： 在由兩條9pmPVD壓電膜構(gòu)成的2cm懸臂雙壓電膜片的二端加100V電壓，其端部 的位移量Ax等于： 如上式所示，較長的雙壓電膜片可以獲得較大的位移量， 而較寬的雙膜片則可獲得 較大的力。在諧振頻率和直流時的位移量由代表機械增益的 Q值決定，雙壓電膜片的典 型Q值為2025。 例如，在一長5mm厚70pm的雙壓電膜片上加120v的直流電壓，所產(chǎn)生的位移量 為57 pm但是,同樣的雙壓電膜片，在580Hz的諧振頻率上，卻可以獲得1.4mm的位移 量。對于需要較大力的應(yīng)用場

27、合，如冷卻風扇等, 可以考慮采用多層結(jié)構(gòu)。所產(chǎn)生的力 us - 3/4； :in， MOJUU wuFn lajNSi 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 聯(lián)要比并聯(lián)簡單得多。這種雙壓電膜片的彎曲器件, 主要應(yīng)用于風扇、玩具和裝飾物等。 盤卷式執(zhí)行器 將圖31中所示的柱形盤卷式雙壓電膜片所產(chǎn)生的力和 位移量表達如下： x = d “El 米 E = V/t V/m F = Yd 31EA 牛頓 （1 / 式中： x =直流時的位移量（米） F =所產(chǎn)生的力（牛頓） f =諧振頻率 l, t = 壓電膜片的長度和厚度（米） Me =外加負載的質(zhì)量（kg） Mp =壓電執(zhí)行器的質(zhì)量（kg） A =橫截

28、面積（m） Y = You ng 氏模量（N/m2 E 二電場（V/m2） 如上式所示，一個盤卷式的壓電膜執(zhí)行器, 著橫截面積的增加，可以產(chǎn)生出更大的力和與 更高的諧振頻率響應(yīng)。加長執(zhí)行器，則產(chǎn)生更 大的位移量，但降低了響應(yīng)速度。應(yīng)當指出， 當Me=0時，若將長度l調(diào)節(jié)到滿足諧振條件, 則執(zhí)行器輸出可達到最大。例如，一個直徑為 12mm長度為25mn!勺盤卷式壓電膜執(zhí)行器， 在32KHz的頻率上將達到最大輸出。 折疊式執(zhí)行器 另一種提高速度和增加力的設(shè)計方案就是 圖32所示的長條壓電薄膜折疊式執(zhí)行器。這種 方案有效地增大了壓電膜片的并聯(lián)疊層。 中心孔用于在底座上固定執(zhí)行器。可將盤卷式 執(zhí)行器的

29、設(shè)計公式用于此類執(zhí)行器的計算。只是將式中的 d31改成d33（33 X10-12C/m即 可。下面是一個折隨圖32.折疊式壓電膜執(zhí)行器 圖31.盤卷式雙壓電膜片 不得用于商業(yè)用途 疊式壓電膜執(zhí)行器實例的技術(shù)規(guī)范： 位移量：1 （jm / 1mm長 產(chǎn)生的力：15kg / 10mm直徑不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 頻率：dc-100 kHz 驅(qū)動電壓：800V 與機械式或者壓電陶瓷執(zhí)行器相比較， 多層壓電膜執(zhí)行器，因其Q值低，所以較少 存在減幅振蕩問題。多層執(zhí)行器一般應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的微動臺、 聲波發(fā)生器和噴墨打印 機等。 超聲執(zhí)行器 超聲執(zhí)行器，如下所述，不適用于甚高頻（ 1MHZ的發(fā)射器應(yīng)用

30、。在甚高頻方面 的應(yīng)用，主要為醫(yī)用超聲成像及無損探傷，使用的是厚度模式 d33。本節(jié)所討論的是低 頻（20100kHZ應(yīng)用，壓電膜工作在長度變化模 d3i式。 壓電膜在低頻超聲方面應(yīng)用的優(yōu)點 圖33.壓電膜超聲振子 在于這種材料的柔性。它可以很容易地 卷曲成為園形振子（見圖33）。波束圖 形取決于半園單元的數(shù)目和直徑。工作 頻率則由半園單元的直徑?jīng)Q定。應(yīng)當指 出，圖33（a）和圖33（b）之間的區(qū)別在于 有效單元的數(shù)目和直徑的不同。要想展 寬波束的覆蓋面，就應(yīng)減少有效單元的 數(shù)目。一個園柱形的振子，可以獲得 360 的波束圖形。 在超聲應(yīng)用方面，對于遠距離測量， 則要求具有最少旁瓣的銳波束。但

31、對于諸 如汽車尾部防撞探測等方面的應(yīng)用而言 ，則需要達到180以上的寬波束。圖33 所示為寬、窄二種波束的超聲振子的設(shè)計外形。 壓電膜在透過空氣作超聲波執(zhí)行器應(yīng)用方面， 統(tǒng)，空氣流速（多普勒）探測，和物體內(nèi)部通訊等。 液體探測，包括流量、液位傳感器以及通訊等。 熱電基礎(chǔ) 壓電聚合材料，如PVDF和其VF2/VF3共聚體，同時也是熱電聚合材料。熱電傳感材 料通常都是具有隨溫度變化的偶極矩的介電材料。由于這種材料均吸收熱能，它們也就 會膨脹或收縮，從而感應(yīng)出二次壓電信號來。當壓電膜受熱時，膜內(nèi)的偶極子在熱激勵 下作隨機運動。這就使膜內(nèi)的平均極化減少，而在膜面上產(chǎn)生出電荷，其輸出電流與溫 度變化速率

32、（？T）成正比，溫度每上升（或減少）一度所產(chǎn)生的電荷數(shù)目，可以用熱 電荷系數(shù)，p來表示。 面積為A,介電常數(shù)為，厚度為t的壓電薄膜，所產(chǎn)生的電荷和電壓，按下式計 僅供個人參考 Q = p?A V = pt?T/ & 例五： 一個膜厚度（t ）為9 pm介電常數(shù)（）為106X10-12C/Vm和熱電系數(shù)（P）為 30X10 J3C/（m2oK）的壓電膜熱電探測器，因為受到紅外輻射，而使溫度（?t）上升了1 K （華氏），其輸出電壓的計算如下： （刃:U曠 J23 wlu 包括車輛倒車安全測距，人身安全系 類似的結(jié)構(gòu)形式還可以應(yīng)用于水下、 n 不得用于商業(yè)用途 壓電薄膜的熱電電壓系數(shù)，大約比鋯鈦酸

33、鉛（PZT和鈦酸鋇（BaTiO3）高一個數(shù) 量級。表5比較了這幾種材料的熱電特性。 表5:熱電材料比較表 Material TGS LjTaO BaTiO. PZT PbTiO_ PV L) F VF 卜 PC 350 200 4(10 42ft 230 30 50 30 45 141 200 J(.K7 8J) a .16 131 1.00 ,44 .67 .06 .06 . 225 6-16 56A 374 461 138 I3K PT L32 .50 .05 .03 JO 47 .71 .53 .16 .02 .CH J M .20 .31 In.)e1ecrric Charge Coe

34、fficient Dielectric Constant hat 8i8?pF/iu (a)(ir/sec l2 Thermal Diftusion Depth t(i, 1Hz In.ielectric Vol rage Coefficient (P、)P/E V/|pni*oK I igure of Merit (MJPo/|Cv -sL V tiling 壓電薄膜的優(yōu)點包括： -不吸潮（V 0.02% H2O吸水性） -低導(dǎo)熱性 -低介電常數(shù) -化學(xué)惰性 -大尺寸探測器 壓電薄膜的熱電響應(yīng)也是壓電傳感器在低頻應(yīng)用時的噪聲源。用于低頻應(yīng)力感應(yīng) 時，可以有幾種方便的方法 共模抑制”熱電響應(yīng)。

35、例如： 在一個壓電膜器件上采用二個相同形狀尺寸的電極 ；一個電極與d3i同向，而另一個 電極則與d3i方向相垂直，兩個電極響應(yīng)熱信號時產(chǎn)生的信號相同，但與 d3i同向的電極 面積所產(chǎn)生的卻是垂直方向電極的10倍。減去這一信號后，就得到純壓電響應(yīng)。 二個尺寸大小相同的壓電膜器件，均為多層堆疊結(jié)構(gòu)，一個膜為 d31取向，并與應(yīng) 力面平行；另一個膜也為 d31取向，但與應(yīng)力面相垂直。如上所述，信號是相減的，這 就將壓電響應(yīng)從熱響應(yīng)中分離出來。不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 還有其他共模抑制技術(shù)，可以由 MSI公司的應(yīng)用工程師們?nèi)リU明。 在較高頻率上應(yīng)用時，壓電薄膜器件溫度變化速率低于要測的應(yīng)力過程時

36、， 采用頻 率濾波器可以很方便地去除不需要的熱信號。 基礎(chǔ)電路原理 一個設(shè)計合理的接口電路在壓電膜傳感器的優(yōu)化過程中將起著關(guān)鍵作用。 壓電膜的 應(yīng)用從玩具到軍用傳感器？接口電路和應(yīng)用是密切相關(guān)的。在很多應(yīng)用中，壓電膜可以 直接與電子電路相連接，無須作特別的接口考慮。但對于要求具有接口電路的應(yīng)用場合， 建議遵循以下三個步驟進行考慮： 1. 在所期望的動態(tài)范圍內(nèi)，考慮頻率范圍及信號 幅度要求 2. 選擇適當?shù)呢撦d電阻以確保低端的工作頻率并 使因負載效應(yīng)造成的信號損失最小。 3. 如果信號電平很低，選用一個緩沖電路。如果需 要一個高值負載電阻（如22MQ或以上），應(yīng)選- 個低漏損高阻抗的緩沖放大器。

37、市面有售用于緩沖 電路的JFET或CMOS!算放大器。 簡化的等效電路 接口電路設(shè)計的第一步，就是把壓電膜的特性 理解為等效電路的一部分。圖 34給出了壓電薄膜的 一個簡化等效電路。它由一個電壓源與相串聯(lián)的電 容組成，串聯(lián)電容Cf表示壓電薄膜的電容，它與膜 的介電常數(shù)和面積成正比，而與膜厚成反比。電壓 源的幅度等于壓電膜的開路電壓，根據(jù)激勵大小的 不同，其變化范圍從幾微伏到100多伏。等效電路 對大多數(shù)應(yīng)用都適用，但對在高頻時如做超聲波振 子時意義不大。 圖35給出了一個作為電荷發(fā)生器的等效電路， 該等效電路中給出了膜電容 Cf和內(nèi)阻Rf。如前所 述，感應(yīng)電荷Q是與所加的力成線性比例，電容 C

38、f 與膜的表面積成正比，而與膜厚成反比。當應(yīng)用于 低頻率的情況下時，內(nèi)阻 Rf非常高，可以忽略不計 輸出電壓可以通過膜電容來求出，即： V = Q / Cf 輸入電阻 接口電路最關(guān)鍵的部分就是輸入電阻，輸入電阻影響著低頻測量能力及信號幅度。 這稱之為負載效應(yīng)”圖36.有接口輸入阻抗的 壓薄膜等效電路 圖34.壓電薄膜的等效電 圖35.壓電薄膜的等效電 路 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 壓電薄膜電容可以被視為等效源阻抗。源阻抗將隨著膜電容的減小及工作頻率的降 低而增大,注意到這一點是重要的。這個源阻抗與輸入電阻相結(jié)合，形成了一個分壓器。 隨著輸入電阻與源阻抗之比的減小， 總的輸出電壓則減小。因

39、此，為電子接口選擇適合 的輸入電阻，是將負載效應(yīng)減至最小的關(guān)鍵。 時間常數(shù) 除了輸入電阻之外，接口電路的輸入電容，同樣 對輸出造成影響。圖36給出了壓電膜的等效電路， 輸入電阻為Ri，輸入電容為Ci。壓電膜的典型時間 域響應(yīng)見圖37。加力后所產(chǎn)生的電荷，按 Ri（Cf+Ci） 所確定的時間常數(shù)衰減。 時間常數(shù)表示一個信號衰減至其原始幅度的 70.7% （3dB時所需的時間。時間常數(shù)越小，信 號衰減越快。由于這有限的時間常數(shù)，所以壓電薄 膜僅適用于動態(tài)測量，而非靜態(tài)測量（最小 0.001Hz） 如果要求一個長的時間常數(shù)，可以采用高輸入電 阻和膜電容。但是，要知道高輸入電阻也會產(chǎn)生較高 的噪聲，需

40、要采用屏蔽補償。 頻率響應(yīng) 時間常數(shù)的 另一個重要方面就表現(xiàn)在等效電路 的頻率響應(yīng)上，該等效電路具有如圖 38所示的RC 高通濾波器特性曲線。豎軸表示測得的輸出信號與產(chǎn) 生的信號（壓電膜的開路電壓）之比。 0dB表示沒有 信號損失，而截止頻率（3dB以下）與時間常數(shù)成反 比，當一個壓電膜傳感器工作在該截止頻率以下時， 其輸出信號將大大下降。在低頻測量時，輸入電阻要 求要足夠高，以使截止頻率明顯地低于所需要的工 作頻率。從時間常數(shù)和負載效應(yīng)來考慮就可實現(xiàn)這 個目標。 做為一個例子，圖39給出了一個加有屏蔽的壓電 膜傳感器（SDT1型）的頻率響應(yīng)。例中，SDT與一個 有10M?負載電阻和一個FET

41、的電路相接。壓電膜的 電容為2.4nF，由于負載電阻為10M?，故其時間常 數(shù)為24毫秒，因此，其截止頻率是 6.6Hz。 為了對比 ， 如果用100MP的電阻而不是10M?的負載電阻，截 止頻率就減小到0.66Hz。這種傳感器元件可以在該阻值 何應(yīng)用中工作 當電路不能置于傳感器附近時，推薦在傳感器附近加一個緩沖電路。 該緩沖電路將 壓電膜器件的高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩梗瑥亩闺娎|中的信號損失和噪聲圖39. SDT1頻率響應(yīng) REC WIRE 圖37.壓電薄膜的時間響應(yīng) 圖38.壓電薄膜的高通濾波 器特性曲線 /B - orr-or mncr SHttUU HLW 僅供個人參考 減小到最低限度

42、。對于大尺寸（即高電容）的壓電膜傳感器，即使是小信號和長電纜，也 可能不需要緩沖電路。 當需要壓電膜高輸出阻抗時，一個低漏損高阻抗的緩沖電路是需要的。 例如，紅外 移動傳感器和加速度計應(yīng)用中，就需要高達50G?的輸入電阻，以獲取很低的頻率響應(yīng)。 此時，緩沖電路的輸入阻抗應(yīng)比壓電膜的輸出電阻高得多， 以維持很低的頻率響應(yīng)。此 外，為達到最高的測量精度，將緩沖電路的泄漏電流降至最小也是重要的。 低泄漏緩沖 電路的例子包括： JFET4117（ Siliconix,Sprague ）;運算放大器 LMC660 LF353 （National 半導(dǎo)體），OP80（PMI）,和 2201（Texas 儀

43、器儀表公司）。 圖40所示為通用的單增益緩沖電路舉例。 圖40.壓電薄膜傳感器用單增 益緩沖電路 用作緩沖電路和放大器的運算放大器種類很 多。即可用于作電荷式方大器也可用于電壓式的 放大器。圖41給出了基本電荷和電壓放大器的 配置圖。電荷放大器的電壓輸出由 Q/Cf確定， 式中的Q為壓電膜上所產(chǎn)生的電荷，Cf為電荷放 大器的反饋電容。 電荷放大器的輸出電壓由反饋電容確定，而 不是輸入電容。這表明，電荷放大器的輸出電壓與電 主要優(yōu) 點就體現(xiàn)在壓電膜傳感器和電子電路之間使用長電纜時。 此外，它還大大減小了由傳感 器周圍的寄生電容而造成的電荷泄露。另外，簡單的電壓放大器足以滿足大部分的應(yīng)用。 圖41

44、中的電路是一種典型的非變換式電壓放大器。 電壓放大器的優(yōu)點在必須考慮環(huán)境溫度時才體現(xiàn)出來。 在不同溫度時電壓靈敏度（g 常數(shù)）的變化小于電荷靈敏度（d常數(shù)）的變化。因此，接有壓電薄膜的電壓放大器， 受溫度的影響較小。在圖41中，電荷放大器和電壓放大器的時間常數(shù)分別由 RCf和RC 確定。 做為一個設(shè)計例子，來描述一個交通傳感器接口電路。由于其柔軟特性，壓電電纜 對交通測量應(yīng)用是一種理想的傳感器材料。 MSI的BL交通傳感器是將壓電電纜用銅護 套壓扁后按安裝要求配以不同長度的信號電纜而構(gòu)成。 其感應(yīng)長度超過3米。在此例中， BL傳感器是2米長。這個電屏蔽的傳感器有100英尺同軸電纜1傳感器的膜用

45、典型放大器 電 容=9.5nF（包括壓電電纜和信號電纜電容） 輸 出=500mV對一個在55mph和70時800磅的輪 載） 信噪比=10:1 接口電路的基本要求是：低端頻率=1.6Hz 電路輸出=數(shù)字脈沖計數(shù) 滿足這些要求的接口電路見圖42。這個電路就是 一個比較電路。為使截止頻率減小到 1H z,選用10M? 不得用于商業(yè)用途 Cf m MKX EtMOTMlX QM - Z 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 輸入阻抗。這個電阻的實際截止頻率可按 1.6Hz計算。 用一個10M?電位器來調(diào)節(jié)閾值電壓V,二極管用于保護 元件免受高壓損壞。一輛以55mph速度行駛的小客車典 型的壓電膜和接口電路

46、輸出信號見圖 42。 信號整理 由于壓電薄膜即有壓電效應(yīng)又有熱電效應(yīng)，必需有 預(yù)防措施去掉或減小不需要信號的影響。信號整理的 基本原則包括： 濾波-給出所要的帶通和帶阻特性的電子濾波器。 平均值-如果所要的信號有周期性，而不想要的信號 是隨機的，單平均值可以增加信噪比。 共模抑制- 基本開關(guān)電路 有多種電路可用于壓電膜的接口 ，包括場效應(yīng)晶體管 (FET),運算方大器(OpAmps和低電流數(shù)字邏輯電路(CMOS) 由于FET已用于表面貼裝技術(shù)，可在小尺寸應(yīng)用時考 慮用FET使用FET時應(yīng)考慮的重要特性是開關(guān)頻 率,壓電膜電容,FET關(guān)斷狀態(tài)的漏電流，輸入偏置阻 抗和電磁干擾(EMI)屏蔽。 圖

47、43和圖44是典型的壓電膜開關(guān)的FET電路圖。 圖43,共漏極或源極跟隨器在應(yīng)用中應(yīng)用的很好， 在應(yīng)用中簡單的緩沖器是重要的。在這里，電路電壓增益 約為1。 在圖44中的共源極點路對需要電壓增益的低頻 應(yīng)用是合適的。增益由阻抗 Rd和Rs確定。當增益增 加時，頻率帶寬按每20dB增益/十倍頻程的系數(shù)減小。 運算放大器為壓電膜開關(guān)應(yīng)用提供了很大方便。 對特定的應(yīng)用，很容易與其匹配。重要的運算放大器 電路特性包括輸入偏置阻抗，薄膜開關(guān)電容和EMI屏蔽。 圖45的運算放大器電路，一個電荷放大器，適合一 個測得的振動觸發(fā)開關(guān)的應(yīng)用。在小信號應(yīng)用中也工 作的很好。一個電荷放大器消除了壓電膜和連接電纜的

48、時間常數(shù)效應(yīng)。電荷放大器是一個零輸入阻抗的電流運 算電路,結(jié)果是在膜兩面沒有電壓產(chǎn)生。電荷放大器快 速的吸收薄膜產(chǎn)生的電荷。由于在薄膜電極上無電荷 ， 薄膜表現(xiàn)出無時間常數(shù)。圖43.高頻，低增益FET 電路接口 圖44.低頻，高增益FET 電路接口 圖42.交通傳感器的接口 電路 圖45.運算放大器接口電 路作為電荷放大器 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 薄膜和連接點纜的電容在電路的傳遞功能上沒有反 效應(yīng)。因而薄膜尺寸和電纜長度公差控制不需要特別嚴 格。電荷被從薄膜輸送到放大器反饋環(huán)的電容，此電容 確定輸出電壓：V=Q/Cf。 該電荷放大器需要一個有高輸入阻抗和低偏置電流 的運算放大器。一個高

49、輸入阻抗避免了在反饋電容上電 荷的泄漏，低偏置電流防止反饋電容過度充放電。電荷 放大器電路的布局是關(guān)鍵。運算放大器外殼必須很好接 地輸入端應(yīng)保護好并象外殼一樣很好接同一地。 有保護輸入端的布局見圖46。為防止運算放大器放 大造成的泄漏噪聲，應(yīng)用絕緣良好的STANDOFFS頭端接 輸入電纜。 盡管有上述保護措施，輸出電壓仍會漂移。為補償漂 移，通常在電路中設(shè)計一個復(fù)位開關(guān)隔一端時間用手動 將輸出置零。一種就是在電阻上串聯(lián)一個簧片開關(guān) ，但與 反饋電容Cf并聯(lián)。起動簧片開關(guān)關(guān)閉此開關(guān)，放掉存在 反饋電容內(nèi)的電壓。 另外一個方法是用一個MOSFE器件,在這器件中最大輸出電壓和關(guān)門電壓決定 FET 的

50、最小門電壓。實際應(yīng)用中，給MOSFE門一個大于放大器電壓的電壓，降低其漏/源極阻 抗和為反饋電容放電創(chuàng)造一個電流路徑。 圖48.微分運算放大器接 第三種辦法是在反饋回路并一個分壓電阻。這個電 口電路 阻產(chǎn)生一個時間常數(shù)(CfRf),這個時間常數(shù)與薄膜電容 無關(guān)并可精確控制 圖47的信號電平檢測器適用于大信噪比的應(yīng)用。這 個電路對在低電平振動中檢測沖擊是理想的。對信噪比 低和必需將沖擊或壓力信號從背景振動中鑒別出來的情 況，圖48的微分放大器電路是合適的。這個電路由兩個 驅(qū)動微分放大器的傳感器組成。 這個電路用共模抑制概念。兩個開關(guān)機械耦合用于 消除模擬二者的不想要的振動。在一個開關(guān)上的輸入或

51、壓力信號會產(chǎn)生輸出，而另一個卻沒有。 CMOS邏輯電路提供了與壓電薄膜接口的一個低成 本方案。如前所述，用CMO技術(shù)實現(xiàn)的低能耗電路非常 適合于壓電薄膜開關(guān)。對壓電薄膜來說 CMO應(yīng)用一般 是對低頻工作。其它要考慮的特性包括器件輸入泄漏電 流,輸入阻抗，輸入偏置阻抗，和EMI效應(yīng)。圖48.微分運算放大器接 口電路 圖46.保護輸入端的布局 圖47.信號電平檢測器 圖49.用于檢測單個沖擊的 CMO電路 不得用于商業(yè)用途 例如，一個不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 CMO電路可用于感應(yīng)一個單個沖擊或一個壓力信號。 圖49的D觸發(fā)器顯示沖擊或壓力信號會推動一個 聲音報警。 圖50中的電路在記數(shù)應(yīng)用中

52、感應(yīng)多次沖擊或壓力 信號。 對與壓電膜接口有許多不同的 CMO電路配置可用。 所有電路的共同點是輸入偏置電阻與壓電薄膜并聯(lián) ，輸 入電阻與壓電薄膜串聯(lián)。偏置電阻負責漏電流而串聯(lián)電 阻限制電流保護其不受靜電放電電荷的沖擊。 電纜 信號的連接電纜 屏蔽的同軸電纜被用于減小噪音時，會產(chǎn)生電纜泄漏和附加電容。在大多數(shù)情況下， 電纜的初始絕緣層已有較高的阻抗,非極化塑料如高純度聚乙烯或 Teflon ?（PTFE）。由 于電纜的移動產(chǎn)生噪音從而干擾信號傳輸，使電纜保持非 振動狀態(tài)同樣是重要的。 制造 壓電膜卷料是在凈化房環(huán)境下生產(chǎn)的，首先是將 PVDF顆粒料熔化并擠壓成片狀， 然后，再進一步延展至擠壓片

53、料1/5的厚度。低于聚合物熔點溫度的延展使分子的鏈群 成為平行的結(jié)晶面，稱之為B相”為取得高等級的壓電活度，將這種 B相的聚合體置 于很高的電場中，使晶粒順應(yīng)極化場排列， PVDF共聚體則無需延展即可極化。 經(jīng)蒸發(fā)沉積的金屬化層厚度通常是 5001000A幾乎任何金屬化層均可以這樣沉 積。常用的金屬有：鎳、鋁、銅、金及其合金。電極的制造是掩膜噴鍍，或用光刻膠進 行化學(xué)蝕刻連續(xù)金屬化。分辨率現(xiàn)可以達到 25阿線寬，采用導(dǎo)電銀墨進行絲印電極， 其電極就厚得多，約為510叭 這種方法多用于在單片材上構(gòu)成多個傳感器且需要復(fù) 雜形狀的電極。銀箔層是以薄膠層粘合，并與壓電膜容性耦合。每種電極各有優(yōu)缺點。

54、總的來說，噴鍍金屬用于高分辨率的陣列、 低熱質(zhì)量的熱電應(yīng)用，或者惰性侵入式 的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。全金屬化片材可以用剃須刀片小心切割， 不會造成膜厚方向的短路。網(wǎng)印 油墨則非常牢固，也很柔韌，可以承受很高的應(yīng)力（10%）,也可以在高電壓條件下使用， 不會發(fā)生擊穿，并適于連續(xù)印制。 但是，由于從絲印電極上切下元件時，極有可能使有 厚油墨的壓電膜在厚度方向上短路，因而要留出非金屬化的邊緣。電極層從機械上限制 了壓電膜對于作用在膜平面上的外部應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)， 但它在 厚度模式”方向工作時 很有用。 經(jīng)過金屬化之后，還要經(jīng)許多加工步驟后才生產(chǎn)出最后的成品。 簡言之，壓電膜是 層壓在一種保護載體膜上，經(jīng)切割成形

55、，并加引線或端子后包裝，有時還包括信號整理 電路。經(jīng)封裝后的傳感器件范圍很廣，從幾平方毫米 （包括ASIC芯片）的運輸損壞傳感在不可能在壓電薄膜傳感器附近接入放大電路的應(yīng)用中 ,必需考慮選用可傳輸高阻 圖50.用于記數(shù)應(yīng)用的CMOS接 口電路 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 器到數(shù)平方米體育運動記分靶傳感器，足以說明這種技術(shù)的廣泛用途。 應(yīng)用 下面所述的傳感器應(yīng)用，體現(xiàn)了采用壓電膜傳感器的產(chǎn)品的良好效果。 開關(guān) 一般接點式開關(guān)，由于其觸點受潮和積塵而結(jié)垢，可靠性會下降。而壓電膜開關(guān)為 單體結(jié)構(gòu)，沒有了這種缺陷。所有開關(guān)應(yīng)用中最具挑戰(zhàn)性的是彈子游戲機上的應(yīng)用。 一位彈子游戲機的制造商，在他的機器

56、上采用了 MSI公司所生產(chǎn)的壓電膜開關(guān)，取 代了原來的瞬時翻轉(zhuǎn)型開關(guān)。這種開關(guān)是在彈性鋼片上層壓了壓電膜并作為一個懸臂安 裝在印制電路板的端部。 數(shù)字壓電膜開關(guān)具有一個在常開狀態(tài)下并不消耗電源的簡單 MOSFE電路的特點。 響應(yīng)一個直接的接觸力時，這個壓電膜彈片就瞬時觸發(fā) MOSFE電路，于是產(chǎn)生一個瞬 時閉合”達50V的最大電壓。這種小型無觸點開關(guān)的輸出十分適合于邏輯電平切換。 它 不像普通接點式開關(guān)那樣，會出現(xiàn)腐蝕、麻點以及跳動等。 該公司對這種開關(guān)進行了超過千萬次以上的試驗未出現(xiàn)過失效。 這種開關(guān)解決了這 種彈子游戲機中觸點結(jié)垢的頭痛問題， 大大地減少了停機和費用開支。該設(shè)計的簡化在 以

57、下的應(yīng)用中很有效，這包括： 裝配線和軸轉(zhuǎn)速計數(shù)器開關(guān) 自動過程開關(guān) 機器配料產(chǎn)品的沖擊感應(yīng) 面板開關(guān) 腳踏板開關(guān) 門關(guān)閉開關(guān) 改進承載壓電薄膜的懸臂梁，以調(diào) 節(jié)不同沖擊力的開關(guān)靈敏度。圖 51示出 了這種數(shù)字開關(guān)的結(jié)構(gòu)。 梁式開關(guān) 壓電膜開關(guān)可以用在測量一個事件的幅度、 頻率和方向，及物體探測和識別，計數(shù)，喚醒開 關(guān)及雙向編碼等應(yīng)用中，梁式開關(guān)的結(jié)構(gòu)示于 圖52。 注意壓電膜元件是層壓在較厚的基片一面上， 另一面的壓層較薄，這樣就使其中軸 線不在壓電膜元件上。于是，當應(yīng)力向下時，在壓電膜上形成完全的拉伸應(yīng)變，而當應(yīng) 力向上時又形成了壓應(yīng)變。如果中軸線位于壓電膜的中心，也就是說兩邊的壓層厚度一圖

58、51.彈子游戲機用開關(guān) 不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 樣，則不管向上或向下變形，上半部的壓電膜會承受下半部的反方向應(yīng)力， 于是，所產(chǎn) 生的信號被抵消。 這種梁式開關(guān)應(yīng)用在天然氣壓力表中的軸轉(zhuǎn)速計數(shù)器或者電子公用儀表中的齒數(shù) 計數(shù)器。梁式開關(guān)不需外部電源，所以，天然氣表相當安全而無火花之患。在其他方面 的應(yīng)用實例有：測球擊的壘球靶，測投籃命中率的籃圈感測計數(shù)器，以及軟洋娃娃吻臉 和逗樂開關(guān)（傳感器縫制在布娃娃中），另外還有自動售貨機的投幣傳感器等。 快動開關(guān) 壓電材料對純直流沒有響應(yīng)，對低頻事件 如0.0001Hz，通常是無法用壓電膜來檢測的。 當應(yīng)用要求直流響應(yīng)時，可以將壓電膜配合 一個可觸

59、動的園頂罩，產(chǎn)生出一個高壓脈沖。 當按鈕器件觸動時，壓電膜快速地應(yīng)變，一 般在圖53所示的1MQ電路中產(chǎn)生一個10V的 脈沖。這種概念特別適用于喚醒開關(guān)，電路 總是處在不工作狀態(tài)，只有當觸動開關(guān)時才工作，壓電脈沖將電路接通。用電池的泊車 表是應(yīng)用壓電式快動開關(guān)的一個例子，因為電池壽命是很重要的。 碰撞傳感器 擊打式打印機 高速擊打式打印機要求非常精確的打印頭定時， 有字符的高速運轉(zhuǎn)的鋼帶剛好位于 打印錘前的瞬間就必須產(chǎn)生打擊。打印錘的任何提前或滯后動作，都只能導(dǎo)致打印錯位。 壓電膜傳感條裝在打印機壓板內(nèi)，監(jiān)測打擊時間和打印頭的打擊力以及向控制器發(fā) 出信號。執(zhí)行器的定時是根據(jù)打印頭定時的微小變化

60、而自動調(diào)節(jié)的。鋼帶的高速運轉(zhuǎn) （300英寸/秒）要求有非?？焖俜磻?yīng)的開關(guān)。原有的打擊開關(guān)，由于打印頭打擊力大， 損壞得很快。壓電薄膜開關(guān)在這一應(yīng)用中已無故障地工作了五年多。 體育記分 壓電膜傳感器可用來測量打擊時間、 位置（精度）以及力，而這些參數(shù)在好幾種體 育運動記分方面都是需要的。90mph的投擲有約50,000瓦的瞬時功率，這一應(yīng)用的挑 戰(zhàn)是靶標的堅固性而同時在設(shè)計中又不引入強烈的顫動。 第二項記分應(yīng)用就是電子箭靶盤，它是由壓電膜監(jiān)測許多打擊區(qū)，實現(xiàn)電子記分。 樂器 電子技術(shù)在樂器上的大量應(yīng)用在鼓和鋼琴上帶來一個特殊問題， 壓電膜打擊元件可 滿足鼓觸發(fā)器和鋼琴鍵盤很高的動態(tài)范圍和頻率響應(yīng)

61、要求。壓電膜片再配合以腳踏板開不得用于商業(yè)用途 僅供個人參考 關(guān)，來實現(xiàn)低音鼓聲，觸發(fā)器實現(xiàn)小鼓下弦音和印度土人鼓聲。 壓電膜打擊開關(guān)對力很 靈敏，可以忠實地復(fù)制出鼓手和鋼琴家的風格。 在電子琴中，壓電膜開關(guān)的動態(tài)響應(yīng)范 圍和時間常數(shù)均與鋼琴極近似。 交通傳感器 美國政府當前正在積極地 研究智能高速公路”，以完善 新的高速公路的建設(shè)。主導(dǎo)思 想就是如果對現(xiàn)有高速公路實 現(xiàn)電子化管理，可以滿足更大 的車流密度。 圖54.路面下永久性交通傳感器 kll B.rib f 1 11器 * 甘* 3/1 g. i i 、一 j 品* i V * * 除對高速公路的研究和執(zhí)法的常規(guī)交通監(jiān)測外，智能化車輛

62、/高速公路系統(tǒng) (IVHS)計劃對新等級 智能高速公路”高速探測器提出了要求，對車輛要計數(shù)、 分類，提供車道控制，要監(jiān)控車重和速度。IVHS還需要智能車”傳感器，先進的車輛 監(jiān)視，通訊以及軟件系統(tǒng)等。 類似IVHS這樣的未來計劃和 更多的像戰(zhàn)略高速公路研究 計劃(SHRP ”這樣的現(xiàn)代項 目均需要采集交通數(shù)據(jù)并向美 國聯(lián)邦高速公路署提供所需要 的高速公路建設(shè)所需資料。近 年來信號處理方面的進步打開 了改善實時車輛數(shù)據(jù)分析的大 門,但前提是要開發(fā)出低成本可 靠的傳感器技術(shù)。 道路氣動導(dǎo)管長期以來一直是交通數(shù)據(jù)采集的主力，它為壓電薄膜提供氣動脈沖， 車軸經(jīng)過時觸發(fā)附近的電子設(shè)備。 對各種傳感器技術(shù)

63、的評估表明壓電膜電纜可以為高速公路州際車輛分類和行駛中 稱重系統(tǒng)提供所需的靈敏度、線性、抗噪聲性以及環(huán)境穩(wěn)定性。壓電膜電纜 BL傳感器 被用于加拿大薩斯喀徹溫省至美國佛羅里達州的交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 壓電電纜交通傳感器的結(jié)構(gòu)示于圖 54和55。它主要分為二類永久性的和臨時性 的。總之，永久性的是安裝在道路中間， 使傳感器的頂部與路面平齊；而臨時性的均粘 在路面上，作短期監(jiān)測用。永久性傳感器均應(yīng)用于收費站及州際數(shù)據(jù)采集， 安裝時與路 面平齊，必須經(jīng)得住年復(fù)一年的高密度車輛往來， 掃雪車輛，鹽、砂、水的覆蓋和清掃。 新澤西隔離墻”，這種現(xiàn)代 化的水泥隔離墻將公路相反方向 車道分隔開，這就產(chǎn)生了四車道

64、 高速公路的多車道傳感問題。壓 電電纜利用一個傳感器對每一相 圖55.路面下永久性交通傳感器 ，7- d i . r ”皓診;總; I f 伽 1什肓冊 * tS* i 圖56.多萬向傳感器 1 r / t t 1 TriHic 僅供個人參考 不得用于商業(yè)用途 應(yīng)車道有相反極性的辦法解決這 一問題。當車輛通過鄰近車道時， 就會產(chǎn)生出一個與遠處車道上車 輛相反符號的信號。這種在一個 傳感器上提供車道情況的能力，是一個重大的發(fā)展。 交通傳感器可以監(jiān)測車速，計軸數(shù)，車輛稱量，方向判定以及車輛分類等。最近， 已證明這種傳感器在機場滑行跑道上是有用的。 從輸出信號機場管理人員可以觀察到飛 機的地速（兩傳

65、感器間的時間延遲），方向，重量（含燃料），機輪軸數(shù)，及飛機翼展（根 據(jù)速度和已知的兩探測器間的固定距離求得）。這些信息可以用來對飛機分類，提供滑 行跑道的交通管制及機場的安全情況。 振動傳感器 壓電膜最早應(yīng)用之一就是小提琴的拾音器。后來，吉布森吉它公司用壓電膜做成鞍 形弦碼拾音器裝在弦碼內(nèi)推出了一系列的聲學(xué)吉它。 這種拾音器的非常高的保真度引出 了一系列的振動傳感和加速度計應(yīng)用。 樂器拾音器 圖57.屏蔽壓電膜 目前，壓電膜在吉它拾 音器的應(yīng)用有四種設(shè)計方案： 第一種是厚膜的，壓迫式應(yīng) 力型（在弦碼下）設(shè)計；第 二種是低成本的加速度計； 另外二種為接觸式麥克風， 一種是包在插在弦碼內(nèi)的鞍 形上

66、，另外一種是粘在樂器 上的拾音器。由于材料的Q值低，沒有陶瓷拾音器的自諧振問題 屏蔽請參看圖57的折疊方案，熱的一面就是折起來后的內(nèi)側(cè)的稍窄的電極。由于 屏蔽是用壓電材料構(gòu)成，所以折疊技術(shù)可提供比其他屏蔽法較高的拾音靈敏度， 傳統(tǒng)屏 蔽層可以很容易地以多層壓電膜，粘膠及屏蔽箔制成。 機器監(jiān)控 屏蔽壓電膜傳感器在樂器中表現(xiàn)出的高保真度導(dǎo)致了機器監(jiān)測用的振動傳感器的 開發(fā)。在其最簡單的模式中，壓電膜振動傳感器基本上就像動態(tài)應(yīng)變片一樣。 壓電膜不 需要外部電源，但發(fā)出的信號比應(yīng)變片放大后的信號還要大。 一個典型的壓電膜傳感器 產(chǎn)生的電壓信號比箔片式應(yīng)變片大四個數(shù)量級， 比半導(dǎo)體式的高二個數(shù)量級，壓電薄膜 應(yīng)變片的頻率響應(yīng)也十分優(yōu)越。 高靈敏度是由于壓電膜材料的形狀所致，小的材料厚度意味著非常小的橫截面積, 因此，非常小的縱向力就可以在材料內(nèi)產(chǎn)生非常大的應(yīng)力。僅供個人參考 壓電膜傳感器可以貼裝在振動表面上監(jiān)測振動結(jié)構(gòu)的頻率和幅度。 這種傳感器比普 通的應(yīng)變片覆蓋較大面積，因此，為得出有意義的結(jié)果，應(yīng)在均勻的應(yīng)變場中做直接的 比較。很明顯，點式傳感器總有需要它的地方，盡管小傳感器的電容較小，還要