压电薄膜传感器中文技术手册要点.docx
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压电薄膜传感器中文技术手册要点
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。
图1.PVDF薄膜的典型红外吸收频谱
波长（μm）
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（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
23
11
d33
-33
-38
g31
压电应力常数
216
162
g33
-330
-542
k31
电一机耦合常数
12%
20%
Kt
14%
25-29%
C
电容
380（28μm）
68（100μm）
PF/cm2@1kHz
Y
Young模量
2-4
3-5
109N/m2
V0
声速
拉伸
厚度
1.5
2.3
103m/s
2.2
2.4
P
热电系数
30
40
10-6C/m2°K
Ε
介电常数
106-113
65-75
10-12F/m
ε/ε0
相对介电常数
12-13
7-8
ρm
质量密度
1.78
1.82
103kg/m
ρe
体电阻率
>1013
>1014
电阻计
R
表面金属化电阻率
2.0
2.0
Ω/平方（CuNi）
R
0.1
0.1
Ω/平方（Ag油墨）
tan
损耗角正切
0.02
0.015
@1kHz
屈服强度
45-55
20.30
106N/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/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
PZT
BaTi03
密度
103kg/m3
1.78
7.5
5.7
相对介电常数
ε/ε0
12
1,200
1,700
d31常数
（10-12）C/N
23
110
78
g31常数
（10-3）Vm/N
216
10
5
k31常数
%at1kHz
12
30
21
声阻抗
（106）kg/m2-sec.
2.7
30
30
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/V
2、机—电变换
（1方向）12x10-3Vμ/ε,400x10-3V/μm14.4V/N
（3方向）13x10-3V/N
3、热—电变换
8V/°K（@25℃）
4、电容
1.36x10-9F，耗散系数0.018@10kHz阻抗@10kHz12KΩ
5、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）
图4，DT1元件
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=1/2RC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，然后按exp（RC~1）作指数衰减。
电容负载会扩展时间常数，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
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LDT1~028K）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。
1cm2面积的接触电阻约几毫欧（mΩ）。
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150~500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路板上。
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
图3电极图形DT图形
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，并非是特别重要的参数。
压电传感器件往往是用在高阻抗电路之中，在该类电路中有几个欧姆的电阻通常并不影响性能。
然而，比较重要的却是它的稳定性，就是说，在使用之中，电阻不应起伏变化，因为它会引入电噪声源。
∙低质量~当压电膜固定在机械支持结构上时，这是特别重要的。
在挠性结构上连接点质量的机械振动产生的声效应是惊人的。
∙小断面~压电膜的不少应用都来自它的低厚度这一长处，采用大端子妨碍这一长处的发挥通常是被禁止的。
如果压电膜包括连接件不能与接触表面贴紧，接触振动传感器就可能有不同的谐振。
柔顺性~这也是一个必须与压电膜柔顺性相一致的特性。
具有一定的柔顺性在很多应用场合有优势。
∙小面积~好的压电器件很可能是作为“点”接受器使用的。
对小压电有效工作面积（上、下导电极完全重叠）可以制成偏位的或错开的引线连接焊片。
上、下焊片相互错开并彼此相对（在厚度方向看）。
这样就使精确定义的有效面积（重叠的电极）通过非压电导电图形（错开的引脚）引至远处的连接点，这便是对“小”器件常采用的技术。
∙机械强度~传感器最常承受最大应力的地方就在连接点附近，有些是偶然的（插拔电缆），有些是设计造成的。
总之，错开焊片处采用压接端子，空心铆钉或实心铆钉的穿过压电膜的连接方法均具有最好的抗应变能力。
为改善穿透连接的强度，通常引线连接点都用聚酯片加强。
∙长期稳定性~包括所有常用的环境参数。
大部分连接件均具有极长的寿命（压接端子，空心铆钉及导电橡胶接头等）。
其他的有比较有限的存储寿命（导电胶）。
∙使用简便~当产品批量生产时，这一点尤为重要。
很多连接技术都是由半自动设备实现的，便于批量生产（压接端子和空心铆钉），其他的多为劳动密集型（导电胶）。
电气强度这是一个涉及电驱动（高压）元件的问题，如扬声器和执行器。
设计依据
有二个主要问题控制着引线连接的选择：
∙压电膜的固定可以在引线连接部位吗？
这可能是一个主要优点。
例如，直接连接到印制板的导电图形上。
∙压电膜可以做成特定形状并允许采用穿透技术吗？
（通过MSI公司的传感器用户形状服务，这些问题几乎都可以答“是”）。
采取简单的试验方法也可以取得同样的效果。
有关“问题”部分就讨论到此，下面将给出“答案”。
图4.
方法
穿透~这里的技术
是指对压电膜进
行打孔（和附加
增强层，以达到
有效的厚度和强
度），因此，压
电膜应设计好图
形，和错位的引
线布置，以防止
上、下电极因插
入的接头而出现
短路，这可以由
制造商完成，也
可以由用户自已完成。
可以用铆钉或空心铆钉固定在压电膜的错位导电图形上。
在空心铆钉或铆钉间可以加有带引线的环状焊片接线端子。
空心铆钉或铆钉是机械地将环形焊片压在错位的电极上而形成可靠的连接点。
图5.镀通孔
图6，电极镀通孔与印制电路板用螺栓固定
如果要将压电膜直接固定在印制电路板上，可以使用小“POP”或实心铆钉或空心铆钉将压电膜图形电极和印制板导电图形相连，一次操作即可完成接线。
用丝网印刷制作导电油墨电极时，可以在其中一个错位片上制成一小的“镀通孔”，这样，就使二个导电极变成压电膜的同一面。
这就大大方便了将压电膜电极引脚铆在相应的印制电路板导电图形上。
如不采用这种“镀通孔”技术，也可以用铆钉使上电极与印制板下面的导线相连接，而下电极与印制板上面的相应导线的相连接，而保持电接触则是靠铆钉的压力。
螺母和螺栓~采用垫圈，环形舌片及焊
片的引线，均可用小螺母和累螺栓加
以固定。
压接端子~一般来说，被设计用于柔性电路板技术的压接端子用于压电膜元件时很好用。
压接端子可以带焊片来固定导线或插装于印制板相应孔内，和焊在印制板的下面（最大焊接时间约几秒钟，以不使压电膜过热），与上述的空心铆钉相似，压接端子通常被设计用于特定厚度的基材，因而压电膜在其一面上需要衬片（聚酯加强层）以便与压接端子相适应。
另外，多路整体接头可以压合到更复杂的装置上，与其他接头形成直接插入互换式的接合。
图7.
不穿透~涂有铜箔带的导电胶（即3M#1181）可买到,宽度从3mm到25mm.
采用合理的胶带面积（或许1cm或多一点）.小面积比较容易撕下.
先将导线焊在胶带上,然后轻压薄膜分离衬片和胶层,如果面积较小,先焊接后将连接片切至所需尺寸,将多余的面积做为散热片.焊接在接头附近看上去降低了粘胶的性能.注意:
3M不推荐依靠这种导电胶并建议用同样胶带的凸起型版本.这种胶带确实是设计用于大面积接触金属的,但结果显示,如果不担保,这种方法是有效的技术.可买到这种产品的铝版本（部件号1170）,注意胶带是相似的但没有导电胶（尽管这种胶带可用于屏蔽等）.
导电传输胶带~即3M#9702（早期产品）.一层有导电颗粒的丙烯酸胶层给出良好的”Z轴”导电性（即通过胶带厚
度方向）并在X和Y轴有很高的
阻抗.这样单路或多路连接就可
由一条胶带来完成.这种材料较
新.初期的结果似乎很有
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