1、压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 1/58压电薄膜传感器技术手册压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 2/58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
2、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压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 3/58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
3、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
4、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 720m 波长的红外能具有很强的吸收性（见图1）
5、，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。图 1. PVDF 薄膜的典型红外吸收频谱波长（m）压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 4/58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
6、薄的(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 1200m 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 0.001 Hz10 9Hz 宽动态范围（10 -8106Psi 或 torrMbar） 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/m）大部分压电陶瓷退极化 高机械强度和抗冲击（10 9 010Pascal 模数) 高稳定性耐潮湿（吸湿性1013 1014
7、 电阻计RA 2.0 2.0 /平方(CuNi)RA表面金属化电阻率 0.1 0.1 / 平方(Ag 油墨)tan 损耗角正切 0.02 0.015 1kHz屈服强度 45-55 20.30106N/M2（拉伸轴）温度范围 -40 至 80 -40 至 115 145吸水性 0.02 0.02 %H2O最高工作电压 750（30） 750（30） V/mil(V/m),DC,25击穿电压 2000（80） 2000（80） V/mil(V/m),DC,25表 2 压电材料比较表特 性 单 位 PVDF 膜 PZT BaTi03密度 103kg/m3 1.78 7.5 5.7相对介电常数 / 0
8、 12 1,200 1,700d31 常数 (10-12)C/N 23 110 78g31常数 (10-3)Vm/N 216 10 5k31常数 % at 1kHz 12 30 21声阻抗 (106)kg/m2-sec. 2.7 30 30压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 6/58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 -12 m/V, 700x10-6N/V （3 方向）33x10 -12m/V2、机 电变换（1 方向）12x
9、10 -3V/, 400x10 -3V/m 14.4V/N（3 方向）13x10 -3V/N3、热 电变换8V/K(25)4、电容1.36x10-9F，耗散系数 0.01810kHz 阻抗10kH z12K5、最大工作电压DC:280V（1 方向上，产生 7m 位移量）AC:840V（1 方向上，产生 21m 位移量）6、最大受力（d31 方向上，断裂）69kgF（电压输出 8301275V）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
10、的超声波空间测距传感器（4050KHz）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。图 4，DT1 元件压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 7/58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。
11、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
12、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：LDT1028K）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
13、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。热电变换压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 8/58Kynar压电薄膜
14、，在 720m 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（0.011Hz）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 Elf Atochem NA 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 10M 阻抗时，在 16Hz
15、 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=1/2RC 时间常数为 =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，然后按exp（RC 1）作指数衰减。电容负载会扩展时间常
16、数，但降低响应幅度。当电荷由一个电容器转移到另一个电容器上时，能量总是要损耗的。而大的电容性负荷，对于衰减强力冲击所产生的特大信号-常为几百伏是有用的。当以高压和高频驱动压电膜时，薄膜的耗散因数可能导致以发热方式出现显著的能量损失。电极的表面电阻率也是十分重要的，尤其是对真空金属镀膜。很高的局部电流有时也出现。我们建议在本手册所提供的场强范围内进行工作,因为任何电弧都会导致器件损坏。现已开发研究出采用银油墨在膜的两面作丝网漏印电极，可以耐受高电压和高局部电流.银墨金属化已成功应用在高音扬声器和有源振动阻尼应用。上述 DT1 的电极就采用了银油墨。非金属化边缘降低了在膜厚方向产生电弧的可能性。由
17、于每个引线位置上的导体只出现在一面,采取错开的引线也同样可抑制高压击穿。机械设计依据压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 9/58输出能量与压电膜所受应力成正比。为获取最佳的电信号来选择合理的膜厚，也可从机械强度考虑来决定膜厚。较厚的膜产生较高的电压，但电容量较小，因而，选用较薄的膜再配上柔性的惰性材料（如：聚脂，参见 LDT1028K）作成层压结构形式可能比单厚膜要好。任何不受应力的膜面积，都是有效工作面积上的容性负载，如果需要还是越小越好。大部分的金属层均易于锈蚀，尤其是运输时，常用薄涂覆胶或层压来保持表面质量。在层压和装配中，经常使用丙烯酸胶，合成橡胶树脂、环氧树脂以及氰基丙烯酸
18、盐。有的设计采用了外附金属层或导电衬底作为电极，此时未经金属化的压电膜就用到它自身的长处。这种外附金属层可以直接接触未金属化膜来收集电荷，或者,在交流信号应用中可以采用通过薄胶带或环氧树脂层的电容性耦合。电极的形状对于在整片连续的膜材上定出具体的有效工作面积是特别有用的，也便于在模切元件时在切割部分留出未丝印空边。将上、下电极引出片错开设计，可以防止因引线接点的影响而造成压电膜预料不到的问题出现。也便于采取低成本的穿透式的引线方法（压接端子或空心铆钉）机电综合设计依据压电膜的容性本质，决定了它对电磁干扰的脆弱性.并且随着输出信号电平的降低，这就越显得重要.但当输出信号很高，或者在不重要的环境下
19、驱动压电膜时，电磁干扰可以不予考虑。交流电源的干扰对非屏蔽器件可能是个问题。另一个潜在的问题是，当一个电极正被驱动而另一个电极正接收振动信号时，必需注意避免“串扰” 。如果使用 MSI 公司所生产的附有同轴电缆的加屏蔽器件，那么上述多种问题就全解决了。不过，任何器件只要采取简单的措施，都可以避免干扰的。不需要的频率可以加以滤除，如果传感器是安装在导电衬底上，这可形成半个接地包络，而外附电极则形成另一半包络，小型的屏蔽电缆已有市售，可用来取代双绞线。连接点本身也应给予注意，因为那点面积也易于受到 EMI 干扰。MSI 现已开发出了经久耐用的引线连接技术，大部分产品均有预先接好的引线。如前所述，通
20、常可以使用同轴电缆，但必须与非常薄的柔性材料相接口。若连接点有振动，就会给传感器导入一定的声音效应，因而引线连接点的加固是需要的。采用薄铜箔加导电背胶可做成绝好的非永久性的连接。1cm 2面积的接触电阻约几毫欧(m)。与挠性电路一样，压接端子也常用于错开电极形式，但薄的膜则需要作结构上的加固，以取得良好的效果.在引线连接部位用聚酯加固是一种通常采用的加固连接方法。在压接端子和电极之间的加强片使接触电阻有稍稍下降。一般为 150500 毫欧。微型铆钉，空心铆钉甚至螺母、螺栓加垫圈的连接均有很高的强度和良好的接触电阻，一般均小于 100 毫欧。这些技术可用来与带焊片的电缆连接，也可以直接用在印制电
21、路板上。压电膜传感器技术手册精量电子（深圳）有限公司 10/58采用线夹的方法，即可直接夹在印制电路板的导电图形上或用导电胶，ZEBRA接头，焊片和垫圈等均成功地得到应用。用加银的（导电）环氧树脂直接连接也很好，但需固化时间，为得到最好的效果，通常要提高固化温度。如前所述，其他材料也可以作成电极，如：导电胶或发泡材料。在某些情况下，采用穿过胶层的容性偶合也是可行的，允许某些特殊传感器的设计方案没有任何引线接出。压电膜传感器引线连接技术引言 如何实现压电膜的可靠连接，这是客户们最经常提出的问题之一。为此，MSI 公司极为关注对压电膜简化连接技术的开发。今天，我们向客户提供的大部分传感器件，均加了引线。本文的目的就在于分析和讨论已有的接线方案。有些最方便的连接技术需要 MSI 采用在压电膜的一面或二面上印成一定图形的电极,在生产中为满足用户的要求，这总是可以做到的。在本文的末尾，还提供了一种可以达到同样效果的简单方法。概括地说，图形电极在压电膜传感器制作中可采用丝网印刷导电油墨、金属掩模喷镀沉积或照相制版技术进行化学蚀刻成形。目标这里所考虑的是针对引线连接方法所期望的设计目标。并非采用任何一种技术就可以实现一切目标的。设计者应明确最重要的目标，并相应地选定合适的连接方案。 高导电能力 /低电阻 意想不到的是，对大部分压电应用而言，高的导电能力的连接，图 3 电极图形 DT 图形
