压电薄膜传感器中文技术手册

压电薄膜传感器技术手册目录表第一部分引言背景压电薄膜特性典型压电薄膜元件工作特性第二部分引线装接技术第三部分频率响应压电薄膜低频响应第四部分温度效应第五部分压电膜电缆及其特性第六部分压电基础第七部分热电基础第八部分基本电路概念电缆第九部分制造开关冲击传感器体育运动记分传感器乐器交通传感器第十部分振动传感音乐拾音机器监控轴承磨损传感器风扇叶片气流传感器断纱传感器自动售货机用传感器第十一部分加速度计第十二部分超声应用医用成像NDT(无损探伤)液位传感器第十三部分声频扬声器话筒第十四部分声纳第十五部分将来的应用有源振动阻尼硅基传感器灵敏表皮第十六部分压电薄膜的应用第十七部分压电薄膜论文索引第十八部分超声油墨位面感测的讨论引言传感器材料是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量，并被广泛地应用在传感探测方面。微处理器应用的巨大增长推动了传感器在多种应用方面的需求。今天，在180亿美元的全球传感器市场中压电聚合物传感器跻身在最快速发展的技术行列之中。像任何其他新技术一样，在很多应用中，“压电薄膜”已被考虑用作传感器的解决方案。自从压电膜聚合体被发现以来的20年中，这项技术已日趋成熟，实际应用层出不穷，技术的商业化进程正在加速。本手册对压电聚合体技术、术语、特性以及传感器设计思考等提供了综述，同时还探索了近年来业已成功开发出来的诸多传感器的应用项目。解决独特的传感方面问题是我们的应用工程师们特有的实力。我们很高兴有机会在您的设计中考虑压电膜传感器的应用时为您提供帮助。背景“压电”，希腊语叫做“压力”电，是在100多年前由Gurie兄弟所发现的。他们发现，石英在电场的作用下会改变其外形尺寸，而相反，当受到机械变形时，则产生出电荷来。这项技术的首次实际应用是由另一位法国人Langevin在1920年实现的，他研究出了一种用于水下声音的晶体发射器和接收器,即：第一部“声纳”。二次世界大战前，研究人员发现，有些陶瓷材料在高极化电压的作用下会产生压电特性，这一过程类似于铁性材料的磁化。到60年代，研究人员就已发现，鲸鱼的骨和腱内部存在着微弱的压电效应。于是开始了对其他有可能具有压电效应的有机材料的认真探索。1969年，Kawai发现在极化的含氟聚合物、聚偏氟乙烯（PVDF）中有很高的压电能力。其他材料，如尼龙和PVC，也都表现出压电效应，但没有一种能像PVDF及其共聚物一样呈现那么高的压电效应。和其他铁电材料一样，PVDF也具有很高的热电特性，在响应温度的变化时，可以产生电荷。PVDF对7~20μm波长的红外能具有很强的吸收性（见图1），覆盖了人体热的相同波长频谱。因此，PVDF可以制成很有用途的人体运动传感器以及热电传感器用于更为复杂的其他应用如夜视光导摄像管摄像机和激光束成像传感器。压电薄膜采用合适的菲涅尔透镜可以探测到50英尺以外的人体运动，并已被应用在人造卫星的红外地平探测器上。最近两年才研制出的PVDF新的共聚物，又进一步扩展了压电聚合物传感器的应用。这种共聚物可以在更高的温度下（135℃）使用，同时还能提供所期望的新形状：园柱形和半球形等。厚度极限也达到了利用PVDF无法达到的程度。这些成就包括超薄的图1.PVDF薄膜的典型红外吸收频谱波长（μm）(200A)离心浇成的覆层，从而开拓出新型硅基传感器应用和壁厚超过1200μm的声纳用圆柱体传感器的可能性。压电薄膜特性压电薄膜是一种柔性,质轻,高韧度塑料膜并可制成多种厚度和较大面积。作为一种传感器，它的主要特性参数如下：宽频带0.001Hz~109Hz宽动态范围（10-8~106Psi或μtorr~Mbar）低的声阻抗与水、人体组织和粘胶体系接近高弹性柔顺性高电压输出对同样受力条件，比压电陶瓷高10倍高介电强度可耐受强电场作用（75V/μm）大部分压电陶瓷退极化高机械强度和抗冲击（109~010Pascal模数)高稳定性耐潮湿（吸湿性0.02%）、多数化学品、氧化剂、强紫外线和核辐射可加工成特定形状可以用市售胶粘合压电膜的一个主要优点就是它有低的声阻抗,其声阻抗比压电陶瓷更接近水，人体组织和其他有机材料的声阻抗。例如，压电膜的声阻抗（Z0=ρυ)只相当于水的2.6倍，而压电陶瓷的声阻抗通常是水的11倍多。一个接近的阻抗匹配便于更有效地在水和人体组织中转导声音信号。但压电膜的确有某些应用上的限制，与压电陶瓷相比，电~机发送器就相对弱些，尤其是在谐振和低频应用上。共聚体薄膜的最高使用/储存温度可高达135℃。而且，若把膜上的电极外露，它对电磁辐射也敏感。有良好的屏蔽技术用于电磁干扰和射频干扰的环境.表1列出了压电膜的典型特性参数。表2对PVDF聚合体的压电特性和常用的二种压电陶瓷材料的特性进行了比较。压电膜的光学传输特性请参照图1，在7~20μm波长上对红外能量有很强的吸收性，从而使其成为侵入检测和能量管理器件的理想选择。PVDF薄膜通常很薄、柔软、密度低、灵敏度极好，且机械韧性也好，压电膜的柔顺性比压电陶瓷高出10倍，当压电聚合物被挤成薄膜时，可以直接贴附在机件表面而不会影响机件的机械运动。压电膜非常适用于需要大带宽和高灵敏度的应变传感应用。作为一种执行器件，聚合物低的声阻抗，使其可以有效地用来向空气和其他气体中传送能量。表1，压电薄膜典型特性参数表示符号参数PVDF共聚体单位T厚度9,28,52,110各种um(micron,10-6)d31压电应变常数2311d33-33-38g31压电应力常数216162g33-330-542k31电一机耦合常数12%20%Kt14%25-29%C电容380（28μm）68（100μm）PF/cm2@1kHzYYoung模量2-43-5109N/m2V0声速拉伸厚度1.52.3103m/s2.22.4P热电系数304010-6C/m2°KΕ介电常数106-11365-7510-12F/mε/ε0相对介电常数12-137-8ρm质量密度1.781.82103kg/mρe体电阻率10131014电阻计R表面金属化电阻率2.02.0Ω/平方(CuNi)R0.10.1Ω/平方(Ag油墨)tan损耗角正切0.020.015@1kHz屈服强度45-5520.30106N/M2（拉伸轴）温度范围-40至80-40至115…145℃吸水性0.020.02%H2O最高工作电压750（30）750（30）V/mil(V/μm),DC,@25℃击穿电压2000（80）2000（80）V/mil(V/μm),DC,@25℃表2压电材料比较表特性单位PVDF膜PZTBaTi03密度103kg/m31.787.55.7相对介电常数ε/ε0121,2001,700d31常数(10-12)C/N2311078g31常数(10-3)Vm/N216105k31常数%at1kHz123021声阻抗(106)kg/m2-sec.2.73030典型压电膜元件的工作特性DTI元件是一个在压电聚合体基体上模切15x40mm并在12x30mm有效面积上两面印有银墨电极的标准MSI压电膜结构。1、电—机变换（1方向）25x10-12m/V,700x10-6N/V（3方向）33x10-12m/V2、机—电变换（1方向）12x10-3Vμ/ε,400x10-3V/μm14.4V/N（3方向）13x10-3V/N3、热—电变换8V/°K(@25℃)4、电容1.36x10-9F，耗散系数0.018@10kHz阻抗@10kHz12KΩ5、最大工作电压DC:280V（1方向上，产生7μm位移量）AC:840V（1方向上，产生21μm位移量）6、最大受力（d31方向上，断裂）6~9kgF（电压输出830~1275V）电一机变换压电膜一般是不可能实现大的位移量和力的，例如在设计扬声器时这一点是显而易见的，因为其低频性能（500Hz以下）是很有限的。甚至一块大面积的压电膜在低频时也无法产生出高幅压力脉冲。正如我们从目前的超声波空间测距传感器（40~50KHz）的设计和医用超声波成像应用中所了解到的，它无法应用到太低频率和太高的超声频率上。就超声测距而言，压电膜元件的高度控制垂直波瓣，而传感器的曲率和宽度则控制着水平波瓣，压电膜测距换能器可获得360°视野,测距目标从几厘米到几米并有很高分辨率.双压电膜结构（类似双金属片），可以使二片反接元件微小的位移量转变为很明显的扰曲运动。依此原理可制成小型的风叶片和光学反射镜。这类元件仅消耗非常低的能图4，DT1元件源（因为是容性的）。由于其高电容,大型元件可能就较难驱动，尤其是用变压器提供驱动电压时更是这样。设计优良的放大器是十分重要的。虽然所产生的力很小，但压电膜却可以用来在非常宽的频率范围上激励其他机械结构.如果再配合另外的压电膜器件来接受所产生的振动，整个系统可拥有很高的动态范围，尽管膜对一个结构的谐振点所产生的“插入损失”一般为－66dB。如果在二个元件之间加上足够的增益，该结构件就会在其固有频率上产生自振荡，正像MSI公司在制造压力、负荷和液位传感器方面所开创的“振鸣”技术那样。这种谐振的机械系统，并不需要高电压驱动。放大器电路靠双轨运算放大器运行或者干脆用一单独的9伏电池。从分析角度来看，当压电膜也应用来监测结果时，要低些的电压，如：70mVrms的频谱分析仪的噪声源，就足以将机械能引入到结构中。机电变换作为机械动作输入的接收器而言，压电膜的灵敏度是使人吃惊的。最简单形式的压电膜就可以起到一个动态应变计的作用，而且又不需要外部供给电源，且产生出来的信号甚至大于应变计经放大后的信号。因此，频率响应并不受任何为满足高增益而产生的限制影响，上限是给定传感器的波长。这种极高灵敏度主要决定于压电膜材料的尺寸。小的厚度首先决定了非常小的横截面积。因此，相当小的纵向力就可以在材料内部产生很大的应力。很容易利用这个特性增大平行于机械轴线上的灵敏度。如果将这种片状的薄膜元件（如：LDT1~028K）置于二层柔性材料中间，那么，任意的压力都会转变为大得多的纵向力。实际上，由于大部分材料在一定程度上都是柔性的，所以在很多情况下，这种效应都起主要作用，1和3方向上的有效灵敏度之比一般是1000：1。压电膜传感器较之于普通的应变计，常常可以覆盖大得多的面积，所以，为得到有意义的结果，应在相同应变场条件下进行直接对比。尽管非常小的面积的电容也需要加以考虑，但“点”型式的传感器还是可以应用到所需之处的。低频工作界限将决定于可达到的最大电阻性负载，或者说决定于使信号容易被检出的最大容性负载。采用常规的电荷放大器，或者因信号电平相对高而采用简单的高阻抗场效应管缓冲电路，均可以满足低到几分之一赫兹时的工况。热电变换Kynar压电薄膜，在7~20μm区间具有极强的吸收性能，这相当于超出了膜的工作温度上限和下限。因此，它可以成为一个灵敏的热电检测器（譬如说人体热辐射）。由于热敏度很强，因此，在设计低频（0.01~1Hz）机械传感器时，要注意，防止因环境温度变化而使输出信号受热信号的影响。如果采用了非常长的时间常数，压电膜就会在接通时产生出一个与温度变化相关的电压来。由于输出信号有几伏/℃，可能观察到显著的漂移。注：Kynar是ElfAtochemNA公司的注册商标一般来说，除非特别要求热电效应，大部分的应用均有几Hz以上的截止频率。将一个1nF电容的元件接到示波器的输入端，即使在10MΩ阻抗时，在16Hz以下会产生衰减。只有在膜温急速变化时，才能产生出可检测到的信号。可采用共模抑制将很低频率的机械应变与同时产生的热电效应隔离开,相反亦然。对MSI公司的应用工程师来说，这项技术是相当熟悉的，可以随时提供设计支持。电气设计依据除超声应用外，压电膜在大多数应用条件下的一个有用模式，就是与应变相关的电压源与电容相串联。任何电阻负载均会形成一个具有简单RC高通滤波器特性的分压网络。截止频率由下式给出f=1/2RC时间常数为τ=RC。在截止频率以下工作，将会产生出与输入参数变化率（微分电路）成正比的输出信号。施加不变的应力将产生初始电平