（电路与系统专业论文）pvdf动态特性研究与键盘应用设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 p v d f 压电薄膜具有独特的介电效应、压电效应和热电效应，与传统的压电材料相 比，具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高和声阻抗易匹配等 特点，可以满足某些特殊传感器和执行器件的要求。因此，在工业控制、仪表测试、水 声测量、医学领域及结构健康检测等方面得到了广泛应用。 本文根据压电材料的压电效应及压电方程，分析了p v d f 压电薄膜的工作原理和工 作模式，介绍了拉伸模式和厚度模式下对应的压电方程，分析了p v d f 压电薄膜的等效 模型及测量电路。通过激振器激励等强度梁产生正弦振动，测量并记录布置于等强度梁 上的p v d f 压电传感器和电阻应变片的输出波形，研究了p v d f 传感器的低频特性，证 明了与电阻应变片相比，p v d f 压电传感器具有灵敏度高、响应快、噪声小等优点。通 过在台式冲击台上对比p v d f 压电传感器与加速度传感器的输出信号，分析了p v d f 传 感器的高频冲击特性。实验表明p v d f 压电薄膜具有耐高冲击强度、耐疲劳能力。 本文利用p v d f 压电薄膜的冲击特性，将p v d f 压电传感器作为机电转换元件替代 传统接触式键盘触点来检测手指按压力，并确立p v d f 传感器的工作模式和测量方法， 从而实现了无机械加载装置的无接触式键盘。设计的键盘结构由紧密结合的上电极保护 层、单层压电薄膜和带有凹槽的一体化下电极基座构成，并设计了以比较器为核心的按 键检测电路。以4 2 键盘为例，对单个按键、相邻按键间以及非按键区与按键区之间的 干扰进行了测试。实验结果表明，利用p v d f 压电薄膜可以完成按键功能检测，且制作 的p v d f 压电薄膜键盘具有重量轻、体积小的优点，可以作为键盘设计的备选方案。 关键词：p v d f 压电薄膜；压电效应；传感器；键盘；动态特性 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho np v d fd y n a m i cr e s p o n s ea n dd e s i g no fk e y b o a r d a p p l i c a t i o n a b s tr a c t t h ep v d ff i l mh a st h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i e l e c t r i ce 虢c t ，p i e z o e l e c t r i ce 行e c ta n d t h e m o e l e c t r i ce f j 陀c t c o m p a r e d 谢t ht h ec o n v e n t i o n a lp i e z o e l e c t r i cm 舢e r i a l ，t l l ep v d ff i l m h a st h ea d v 撇g e so f 晰d e 行e q u e n c yr e s p o n s e ，v 嬲td y n 锄i cm g e ，1 1 i 曲s e n s i t i v 时a s e l e c 仃o m e c h a i l i c a lf i l m ，h i 曲i n t e n s 时o fm e c h a l l i c a ls 吮n g t h ，l o wa c o u s t i ci i l l p e d 锄c ea l l ds o o n nc a nm e e tt l l ed e m a n do fs o m es p e c i a ls e n s o r sa i l da 曲】a t o r s na l s op r o v i d e sam g eo f s e n s o r 印p l i c a t i o i l st l l a th a v eb e e ns u c c e s s 如l l yd e v e l o p e di i lr e c e my e a r s ，f o re x 锄p l e ， i n d u 嘶a lc o n t r o l ，i n s 讯l m e n t a r t i o n ，u n d e r w a t e ra c o u s t i cm e a s u r e m e “km e d i c a lf i e l d ，咖c t l 】r a l a i l ds v s t e mh e a l t hm o i l i t o r i n g t h ep v d ff i l m sb a s i c 研n c i p l e 柚dw o r h n gm o d ew e r ea n a l y z e db a l s e do nt h e p i e z o e l e c t r i ce 脆c ta l l dp i e z o e l e c t r i ce q u a t i o n so fp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l 1 1 1 i sp 印e rd i s c u s s e d t h ed i 虢r e mp i e z o e l e c t r i ce q u a t i o n sw h e nt 1 1 ep v d ff i l mw o r k e dd i f f e r e n tw o r l 【i n gm o d e t h e e q u i v a l e n tc i r c u i t so fp v d fa 1 1 dt l l em e a s u r e m e n tc i r c u “w e r ei r r d u c e d b ya p p l y i n gas i n e w a v es t i m u l a ：i 【es i 趴a lo nb e a mo fu i l i f c 嘞s t r e n 窖ma n dr e c o r d i n g l e0 1 l t p l l tw a v e f i o mo f p v d fs e l l s o ra n dg t a i ng a u g e ，t h el o w6 e q u e n c yr e s p o n s eo fp v d fs e n s o r 、v a sa i l a j y z e d i ti s c o n c l u d e di nt 1 1 a tt h ep v d fs e i l s o rs u b s t a l l t i a l l yo v e r c a m es t a i ng a u g ei i ls e n s i t i v i 付，r e s p o n s e t i m e 锄dn o i s el e v e l t h ec o m p a i i s o nb e t 、) 佗e no u t p u t so fp v d ff i l ma l l da c c e l e r o m e t e rw 嬲 m a d ea 1 1 dt h e1 1 i 曲丘e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cw a sa c q u i r e d t h er e s u ho fe x p e r i m e n t s h o 、e dt l l a tt 1 1 ep v d ff i l i ni st y p i c a l l yl l i 曲m e c h a l l i c a ls t r e n g t l la 1 1 di m p a c tr e s i s t a i l c e t h ep v d fj f i l m 、a su s e da se m ft 0d e s i 鲫ac o n 伽c t l e s sk e y b o a r da c c o r d i n gt 0i t sh i 吐 f 砘q u e n c yr e s p o n s e t h es t m c t u 】陀o fk e y b o a r dw a sc o m 砸s e do fap c bb a s ew i t l lm o l d e d r e c e s s e s ，s i n g l ep v d ff i l ma i l da ne l e c 们d el a y e r c o m p a r a l o r s 、e r ea d d e dt od e t e c tn l e s t a t l l so fp u s h b u t t o n s e x p e r i m e n t so nac u s t o i l l i z e d4 2k e y b o a r dw a sc a 玎i e do 嘎】t ，a i l dt h e a d i a c e n tk e yi n t e r f e r e n c ea s 、v e ua st l l ei m e r f - e r e n c eb e 椭忙e nk e y a r e aa i l dn o n k e y a r e aw e r e m e a s u r e d 1 1 1 er e s u l t sp r o v e dt l l ec 印a b i l 时o ft h ep v d fs e l l s o rf o rt 1 1 el i g h 似e i g h ta l l dt i i l y k e y b o a r d i tc a nt 0s o m ed i 野e ea v o i dt h es h o n c o m i n g se x i s t e di 1 1m e 纽a d i t i o n a lk e y b o a r d l i l ( es h o r tu s a g e ，r e l i d b i l i 钾a n dc o m p l e xg t n i c t l l i e k e yw o r d s ：p v d ff i l m ；p i e z o e l e c t r i ce 恐c t ；s e i l s o r ；k e y b o a r d ；d ) ，i l 锄i cp r o p e n y i i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 2 业型玺盟迪纽立多整盈窿围塑鲎 作者签名： 蠡里蛰 日期： 鲨2 年监月卫日 导师签名：j 牟l 日期：兰孕年旦月望日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 2 1 竖塑查煎熊塑宝氢鲢盘廛亟垫驾 作者签名：聋卫 一 日期4 年卫月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的背景及意义 聚偏二氟乙烯( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e 简称p v d f ) 压电薄膜是一种新型高分子压 电型传感器功能材料。近年来，p v d f 压电薄膜优越的传感特性引起了广泛的重视，并 得到了深入的研究。p v d f 压电薄膜主要优点表现在频响范围宽、柔韧性强、灵敏度高、 抗冲击性强、噪声信号小、质地柔软、对结构的力学性能影响小、机械强度高、阻抗匹 配好等方面。p v d f 压电薄膜可用于力、加速度、位移及结构应变等物理量的测量，并 在工程测量方面得到了广泛的应用。 随着p v d f 压电薄膜及其共聚物特性的提高，越来越多的传统产品得到改善和提 高。键盘在各种产品中的应用范围越来越广泛，特别是在手持设备、工业控制产品及数 字键盘等领域。因此，对键盘微型化、低成本、高可靠性等提出了更高的要求。传统接 触式机械键盘容易受到外界温度、湿度等环境因素的影响，且随着使用寿命的增长其接 触阻抗增加，从而导致键盘稳定性下降。电容式无接触式键盘，需要保持接触面干净， 并且难于实现矩阵式键盘结构。因此，为克服以上键盘的缺点，提出了基于压电材料的 键盘设计。 本课题通过对p v d f 压电薄膜响应特性的研究，将p v d f 压电薄膜作为力传感器， 设计了基于压电材料的无接触式键盘。p v d f 压电薄膜具有独特的优点，适合制作质量 轻、体积小、特殊形状的键盘，这在对键盘结构、体积、形状等方面有特殊要求的应用 场合中，具有实际应用价值。 1 2p v d f 压电薄膜概述 p v d f 压电薄膜是一种新型的高分子聚合物型传感材料。1 9 6 9 年日本的k a w a i 在对 p v d f 的研究中发现，经单轴拉伸、并在高温强电场下极化的p v d f 压电薄膜具有高分 子材料中最强的压电效应，并具备工业应用价值【l j 。1 9 7 1 年，b e 靴a i l 等人进一步发现 了p v d f 压电薄膜的热释电效应【2 1 。对p v d f 压电薄膜的研究表明，p v d f 压电薄膜不 仅具有机械强度高、化学性能稳定、易于加工、密度小、声阻抗低等独特性能，而且可 作为耐腐蚀材料、绝缘材料以及能量转换的功能材料。由于p v d f 压电薄膜具有以上的 特性，因此在自动控制、微机电一体化和生物医学工程等领域具有广泛的应用背景。另 外，经过与微电子技术相结合，p v d f 压电薄膜能够制成多功能传感元件。下面本文简 要的概括一下p v d f 压电薄膜的优点i j j 。 p 、d f 动态特性研究与键盘应用设计 ( 1 ) 压电常数d 比石英高1 0 多倍、比p z t 低5 1 0 倍，但作为传感材料的一个 重要特征参数g 的值比p z t 高2 0 倍左右，因此其灵敏度非常高。 ( 2 ) 柔性和加工性能好，可制成5 岬到1 1 砌厚度不等、形状不同的大面积的薄 膜，因此适于做大面积的传感阵列器件，尤其适合于表面构造复杂的结构和构件。 ( 3 ) 声阻抗低：为3 5 1 0 。6 p a s m ，仅为p z t 压电陶瓷的1 1 0 ，它的声阻抗与水 的、人体肌肉的声阻抗很接近，并且柔顺性好，便于贴近人体，与人体接触安全舒适， 因此用作水听器和医疗仪器的传感元件时，可不使用阻抗变换器。 ( 4 ) 频响宽：室温下在1 0 。1 0 9 h z 范围内响应平坦，即从准静态、低频、高频、 超声以及超高频均能转换机电效应。 ( 5 ) 由于p v d f 分子结构链中有氟原子，所以其化学稳定性和耐疲劳性高、热稳 定性好，即耐潮湿、多数化学品、氧化剂、强紫外线和核辐射。 ( 6 ) 高介电强度：可耐受强电场作用( 7 5 v 岬) ，此时大部分陶瓷已退极化。 ( 7 ) 质量轻：它的密度只有p z t 压电陶瓷的1 4 ，做成传感器对被测量结构的影 响小。 ( 8 ) 容易加工和安装：可以根据实际需要来制定形状，用5 0 2 胶直接粘贴固定。 p v d f 压电薄膜尽管具有以上优点，但也存在如下缺点【4 】： ( 1 ) 它的有效输出来自于被测能量的一部分，制成的传感器内阻较高，输出能量 比较小。 ( 2 ) 电容很小，在外力作用下所产生的电荷很快就会失去，在零频率时要求长时 间保持微弱的静电荷比较困难，低频传感特性比高频差，因此只能用于动态或近似动态 的测量。 ( 3 ) 只能在一定范围内满足近似线性要求，并容易受外界多种环境影响。 1 3p v d f 传感器的国内外研究现状 在国际上，自2 0 世纪6 0 年代末发现了p v d f 压电薄膜强压电、热电特性以来，p v d f 压电薄膜的压电产生机理、制造工艺以及应用均得到了大量深入的研究。目前日本、法 国、美国等均实现了批量化生产，其自动化水平和制造工艺、测试实验手段均比较先进。 制造的薄膜产品厚度根据不同要求，可低至9 岬，高至1 2 0 0 岬，压电应变常数西3 可超 过3 0 p c n ，并且均匀性、一致性相当好。利用p v d f 压电薄膜测量动态冲击在国外已 经达到了实用化阶段，各种类型的p v d f 压电传感器已实现商品化。在国内已有若干个 单位可以批量生产质量较好的p v d f 压电薄膜，如锦州电子材料厂、株州氟塑料研究所 和兵器工业部五三所等，但p v d f 应用方面的技术并不成熟，尚处于试制、标定研究的 大连理工大学硕士学位论文 过程中。为生产更高压电性的p v d f 压电薄膜以及在更广泛的测试领域使其得到推广应 用，成为了p v d f 压电薄膜在国内外发展的研究方向。研究主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) p v d f 压电薄膜特性的研究 p v d f 压电薄膜的输出电荷与结构应变成正比，且对结构材料的性能不产生影响。 1 9 9 5 年，席道瑛等人讨论了p v d f 压电薄膜在冲击实验中的动态标定、频响特性及压 电特性，实验结果与应变片对比得到p v d f 压电薄膜具有噪音信号小、频响宽、瞬态响 应时间短等特剧5 】；1 9 9 8 年，k n a p p 等人对电阻应变片、p v d f 压电薄膜及压电加速度 传感器进行对比，得到的结论是p v d f 压电薄膜具有很高的灵敏度，特别适合于低应变 状态的应变测量【6 1 ；1 9 9 9 年，j s i r o l l i 和i c h o p r a 用p v d f 压电薄膜测量应变，且与传 统的箔片应变计进行对比分析，得到的结论是p v d f 压电薄膜的灵敏度和信噪比明显优 于箔片应变计，适合于低应变和高噪声的应用场合【7 j 。 2 0 0 3 年，李焰等人对不同厚度p v d f 压电薄膜进行了冲击加载应力电荷曲线的标 定，并与其他国内外的p v d f 标定曲线对比和分析，得到的结论是p v d f 压电薄膜灵敏 度与面积成正比、且远大于电阻应变片捧j 。2 0 0 4 年，具典淑等人研究了p v d f 压电薄膜 传感器的准静态和动态响应特性，得出p v d f 传感器具有灵敏度高、线性度好、制作与 布置工艺简单、面监测等优点【9 】，并将p v d f 传感器用于结构裂纹萌生与发展的瞬时信 号的捕捉【l 哪；2 0 0 7 年，刘刚等人提出了一种将p v d f 压电薄膜布置在结构的油漆涂层 下面，并采用非接触式静电电压表检测薄膜表面感应电荷的结构表面应变测量方法，结 果表明p v d f 压电薄膜在油漆涂层下能检测结构的应变且对材料结构性能无影响【1 1 】； 2 0 0 8 年，郭伟国等人研究了不同力和温度对p v d f 压电薄膜的压电系数的影响，结果 表明p v d f 压电薄膜的压电系数西3 对温度比较敏感，p v d f 薄膜具有很宽的频响，更 适合于测定不同载荷下的冲击等动态载荷【1 2 1 。 在特性的研究中，p v d f 压电薄膜的输出响应特性满足线性关系，p v d f 压电薄膜 表面产生的电荷与所加载应力以及p v d f 压电薄膜表面电压与所受压力之间均是良好 的线性关系，波形如图1 1 所示。但是，p v d f 压电薄膜输出响应特性及压电系数受制 造工艺及其它外界因素影响。其中，温度是影响p v d f 压电薄膜压电系数的因素之一， 如图1 2 所示。随着温度的增加p v d f 压电薄膜的输出存在一定幅度的增长，因此在设 计p v d f 压电传感器信号处理电路时，需要根据使用环境的不同，设计相应的温度补偿 电路以满足传感器的设计要求。 p ) f 动态特性研究与键盘应用设计 再 至 ， b 5 4 i3 置： ； 1 p 陀s s u 怕( k p a ) ( a ) 应力和输出电荷间关系( b ) 压力和输出电压间关系 图1 1p v d f 压电薄膜标定 f i g 1 1 t h ec a l i b r a t i o n0 fp v d ff i l m 岁 i 西 墨 ； o2 04 06 08 01 0 0 p 陀s s u 他( k p 神 图1 2 温度对p v d f 压电薄膜的影响 f i g 1 2 t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo np v d ff i l m ( 2 ) p v d f 压电传感器的结构研究 p v d f 压电薄膜易于切割，因此适合做非规则几何形状的传感器。1 9 9 0 年，l e e c k 利用p v d f 压电薄膜的特殊积分特性，得到p v d f 压电薄膜输出电荷正比于薄板法向位 移的二次导数在p v d f 有效面积上的积分【1 3 j ；i b n 9 1 i a i l gc h e n 等人利用方形p v d f 压电 薄膜粘贴在悬臂梁和简支梁上测量梁的固有频率、振型和模态阻尼斟1 4 】；2 0 0 2 年，鼬m j 采用多层p v d f 压电薄膜作为任意几何形状和边界条件的二维结构的模态传感器f 15 】； 2 0 0 6 年赵东升设计的特殊形状的正余弦传感器，如图1 3 所示。利用正弦积分后为单位 1 这一特性，设计的正余弦传感器测得电荷与梁的横向位移、应变和应力等物理量成线 性关系，可以直接测量振动梁的位移、角位移、加速度、应变、应力、弯矩等物理量【l6 。 她 她 她妣她北 眦 舭 龇她如疵 大连理工大学硕士学位论文 l ，弋一 一一l 一 一 传感器长度 x 。j 、。 。 r 。i x 传感器长度、；_ ( a ) 正弦p v d f 传感器( b ) 余弦p v d f 传感器 图1 3 正余弦p v d f 传感器 f i g 1 3 t h es i n ea n dc o s i n es e n s o ro fp v d ff i l m 2 0 0 8 年，莫小鸥分析了图1 4 所示三种p v d f 传感器结构的振动模式及响应频率范 围，设计了由硬质衬底和软质衬底组成的p v d f 圆形传感器，并用于车座人体应力动态 监测。所设计的传感器结构紧凑且与一定材料的结构结合既不影响传感器的测量又能够 符合产品的封装需求【1 7 1 。 图1 4 三种p v d f 传感器结构图 f i g 1 4 t h e 廿l r e es 仃u c t u r e so fp v d fs e n s o r p v d f 压电薄膜柔性和加工性好，适合制作大面积的阵列传感器。1 9 8 9 年r r e s t o n 等人用2 5 斗m 厚的p v d f 压电薄膜与m o s f e t 结合设计了5 x 5 阵列传感器，阵列传感 器的输出在所加载荷范围内符合线性关系且邻近单元没有明显的机电耦合l l 引。1 9 9 7 年， l e ei n 、v o n 等人利用p v d f 压电薄膜设计了4 x 1 0 压力波动传感器【”】。2 0 0 1 年k e e h oy u 等人设计了p v d f 压电薄膜8 8 触觉传感器，p v d f 传感器采集到的信号经d s p 的数字 化和滤波，在个人电脑上进行可视化处理，得到被测物体的形状和力的二维和三维实时 分布刚2 0 j 。这些研究结果表明，采用p v d f 压电薄膜设计的阵列传感器，能实现多点测 量，而且邻近单元没有明显的耦合。 p ) f 动态特性研究与键盘应用设计 p v d f 压电薄膜通过一定的组合可以设计成一维或二维力传感器。2 0 0 4 年，y 锄t a o s h e n 和硒n gw c 等人设计了用于检测m e m s 系统中的一维和二维p v d f 压电薄膜微 力传感器【2 l 】，如图1 5 所示，一 ( a ) 一维p v d f 压电薄膜传感器( b ) 二维p v d f 压电薄膜传感器 图1 5 一维和二维p v d f 压电薄膜传感器 f i g 1 5 t h e0 n ed i m e n s i o n 雒d 铆od i m e n s i o n sp ) fs e n s o r ( 3 ) p v d f 压电薄膜应用研究 p v d f 压电薄膜传感器应用范围广泛，在国外已达到了商品化水平。美国m s i 公司 研制的共聚物p v d f 压电薄膜轴传感器，已在世界许多国家的智能高速公路管理系统、 动态公路车辆称重系统、高速公路超限监测预选、桥梁超载报警、遂道保护和自动电子 收费系统中得到了广泛应用【2 2 】。该公司生产的压电薄膜加速度计具有低成本、高灵敏度、 可靠性高并且无源的特点，在医疗器械、电器、报警器、安防系统、工业开关以及玩具 制造等领域得到了广泛应用。法国阿科玛a r k e m a 公司利用p v d f 良好的充放电性， 将p v d f 粉作为锂电池的粘贴剂，可大大的节省成本。 自p v d f 压电薄膜发现以来，国内学者对其应用也进行了大量的研究。1 9 9 2 年， 罗志增等人采用p v d f 压电薄膜研制了p v d f 触觉、滑觉传感器【2 3 1 ，用于机器人自适应 抓取。罗志增等人在1 9 9 7 年研制了p v d f 三维腕力传感器及p v d f 热觉传感裂2 4 j ，分 别用于于机器人装配作业和实现不同材质工件的区分，p v d f 以其优良的压电性能及很 好的柔顺行，在机器人传感器领域得到了广泛的应用。1 9 9 9 年，金观昌等人研究了基于 p v d f 的多点脉搏计算机辅助测试系统，实现了多点动态实时测量【2 5 】。2 0 0 4 年，王国力 等人进行了p v d f 压电薄膜脉搏传感器的研制，实验结果表明p v d f 压电薄膜声阻抗低 这一优点较好的解决了以往由刚体材料制成的脉搏传感器头与人体耦合不好的问题，并 大连理工大学硕士学位论文 且实现了传感器设计的整体小型化【2 6 】。张玲等人研究了p v d f 的触觉、滑觉、温觉的仿 生皮肤传感器，建立了仿生皮肤的分析模型1 2 。王海峰等人用p v d f 压电薄膜设计的牙 咬力传感器，具有无咬合间隙的特点，测出的咬力能真正反映出人体正常咀嚼时咬力的 大小，所研制的牙咬力传感器被德国w u e r z b u r g 大学医学院牙科系诊所应用于牙科临床 诊断中【2 引。张华、张桂芳等人用p v d f 压电薄膜研制了立体声耳机、扬声器、话筒，所 研制的器件结构简单、形状细致、重量轻、失真小、音质好、稳定性高，能广泛应用于 声学设备【2 9 1 。此外，p v d f 压电薄膜具有热释电特性还可应用于红外探测器、辐射计、 光扫描器等方面。 ( 4 ) p v d f 压电薄膜键盘的研究 1 9 7 6 年h i r o j i 伽g a s l l i 等人将p v d f 压电薄膜作为力传感器发明的p v d f 压电薄膜 按键【3 0 】，具有高的稳定性和信噪比，充分利用p v d f 压电薄膜的高灵敏度、强抗冲击能 力、易于制作各种形状等优点，较好的解决了传统机械接触式按键由于外界环境因素导 致的稳定性差等问题，但其设计中采用了机械式弹簧加载装置；p e t e rf 砒i d i c e 等人提 出了多层结构的p v d f 压电薄膜键盘的设计1 3 ，如图1 6 所示。设计中包含带有横列凹一 槽的电绝缘基底、保护层、两层p v d f 压电薄膜及电极层，其中在p v d f 压电薄膜键盘 多层结构中电极层采用丝网印刷技术直接在p v d f 压电薄膜表面镀上银墨电极，地电极 在上表面起到保护作用并抑制电磁干扰，采用两层p v d f 压电薄膜消除键盘按键间的交 叉干扰。此多层键盘结构包含两层p v d f 压电薄膜，制作工艺复杂。 图1 6p v d f 压电薄膜键盘的多层结构图 f i g 1 6 t h em u l t i p - f l o o r ss n u c t u r ed i a g r 姗o fp v d fk e y b o a r d g t p e 锄a i l ，j - l h o k a n s o n 等人设计了含有穹状结构的p v d f 压电薄膜键盘【3 2 1 ， 并对电极厚度、温度及极化电场强度对按键输出及压电常数的影响进行了测量，得到 p v d f 压电薄膜键盘在3 0 0 c “0o c 范围内工作稳定，且在室温下p v d f 压电薄膜键盘寿 命至少达到1 5 百万次。j u k k ao j a l a 等人提出的p v d f 压电薄膜键盘结构【3 3 】中也含有穹 状结构，处理电路采用a d 转换电路，可设计出厚度很薄的键盘。2 0 0 6 年a l e x a i l d e r p v d f 动态特性研究与键盘应用设计 i b e r s e n e v 等人p v d f 压电薄膜用于手持电子设备实现按键的第二功能【3 4 】。2 0 0 8 年，k e n an i s l l i m u r a 等人设计了p v d f 矩阵压力分布传感器【3 5 】，应用于触摸板手指力的检测， 实现了对鼠标的精确控制。 1 4 本文主要工作 本论文工作以实验为基础，结合压电效应、压电方程、测量等理论知识，采用等强 度梁、冲击台等装置研究分析p v d f 压电薄膜的工作原理及动态响应特性，并在实验的 基础上设计基于p v d f 压电薄膜的键盘结构和监控电路，主要内容如下： ( 1 ) 学习压电材料的基本理论，了解压电换能器的等效电路，分析p v d f 压电薄 膜的力学和电学行为，结合压电方程及p v d f 压电薄膜压电常数，分析压电薄膜工作原 理及工作模式，这是本文研究工作的理论基础。 ( 2 ) 在理论分析和现有实验设备的基础上，开展p v d f 压电薄膜传感器实验研究， 通过将p v d f 与电阻应变片和压电加速度传感器进行对比，分析p v d f 压电薄膜传感器 的低频和高频响应特性。 ( 3 ) 根据p v d f 压电薄膜传感器的工作模式，设计p v d f 压电薄膜键盘结构基座、 上电极、下电极和保护层，粘贴p v d f 压电薄膜组成完整键盘。设计以比较器为核心的 处理电路，验证方案的可行性。 ( 4 ) 以4 2 键盘为例，设计多按键键盘结构和相应处理电路并制作p c b 电路板， 并设计基于单片机的监控电路，实现键盘功能测试。进一步分析按键力度及单片机扫描 速度对键盘功能的影响，并测试按键间干扰等键盘稳定性问题。 大连理工大学硕士学位论文 2p v d f 工作原理及测量电路 2 1压电效应与压电方程 本文研究的p v d f 压电薄膜键盘，其物理基础是p v d f 压电材料的正、逆压电效应， 因此有必要先研究压电效应和压电方程。p v d f 压电薄膜作为新兴的压电材料，具有一 般压电材料的共性，也具有不同之处。p v d f 压电薄膜是一种聚合物，属于有机材料， 讨论分析p v d f 的压电机理、工作模式、电路模型以及测量电路，为研制p v d f 压电薄 膜键盘打好基础。本章阐述了正、逆压电效应概念并给出了具体的压电方程，介绍了 p v d f 的压电机理，讨论分析了p v d f 压电薄膜工作模式及测量电路。 2 1 1 压电效应 当某些电介质晶体在外力作用下发生形变时，就会引起它内部的正负电荷中心发生 相对位移而产生电极化，从而导致介质的两个表面出现符号相反的束缚电荷，并且电荷 密度与形变成正比，这种有“压力 产生“电的现象成为正压电效应，如图2 1 所示。 利用正压电效应可以制作各种传感器，用以检测压力、速度、加速度等物理量。反之， 把介电体置于电场中，由于电场的作用，同样也会引起介质内部的正负电荷中心发生相 对位移，进而导致介质发生形变，这种有“电 产生“机械形变”的现象称为逆压电效 应，如图2 2 所示。利用逆压电效应可以制成压电式位移或力输出器等。正逆压电效应 统称为压电效应【3 酬。 f 图2 1 正压电效应示意图 ( 实线为形变前，虚线为形变后) f i g 2 1 i l l u s t r a t i o no fd i r e c tp i e z o e l e c 仃i ce 自奄c t ( b e f o r ed e f o m a t i o i l 一雄e rd e f o m a t i o n ) 图2 2 逆压电效应示意图 ( 实线为形交前，虚线为形变后) f i g 2 2 i l l u s t r a t i o n0 fi n v e r s ep i e z o e l e c 臼j ce 仃e c t ( b e f o r ed e f o m a t i o n 一a r e rd e f o n n a t i o n ) p 、d f 动态特性研究与键盘应用设计 2 1 2 压电方程 压电材料的压电晶轴的习惯取向是：极化方向定义为z 轴或3 方向的正方向，垂直 于z 轴的两个方向分别定义为x 轴或1 方向、y 轴或2 方向，如图2 3 所示。 图2 3 压电晶轴的习惯取向示意图 f 嘻2 3 i l l u s t r a t i o no f u s u a lp i e z o e l e c t r i cr e f e r e n c e 舶m e 压电方程是全面描述机电耦合与变换中晶体电学量( e ，d ) 和力学量( 丁，s ) 之 间的线性关系的数学表达式，由于边界条件和自变量的差异，压电方程具有不同的形式。 常见的边界条件有四种：机械自由、机械夹持、电学开路、电学短路。当压电材料作为 传感器时，只考虑电学边界条件，不必考虑机械边界条件，当压电材料作为执行器时必 须同时考虑机械边界条件和电学边界条件。对应的压电方程共四类【3 7 1 ，第一类压电方程 为式( 2 1 ) 所示。式中d 为压电应变常数矩阵，8 1 为应力恒定时的自由介电常数矩阵。 d = d r + s t e( 2 1 ) 本文研究的p v d f 压电薄膜键盘是将p v d f 压电薄膜作为传感器使用，因此只考虑 电学边界条件。由于外界电场e 等于零，所以电学边界条件是“电学短路”。p v d f 压 电薄膜作为传感器使用时，对应的压电方程是去掉电场部分的第一类压电方程： d = 刀( 2 2 ) 将式( 2 2 ) 展开后得 d 1 2d 1 3d 1 4d l s 畋2 畋3 屯d 2 5 心：心，叱以。 互 互 五 瓦 瓦 瓦 ( 2 3 ) 西畋以 ，。l = 、 肼肪肪 ，1l 大连理工大学硕士学位论文 式中历为f 方向的电位移( c m j ) ，f 下标为电量的输出方向，一般分别在1 ( x ) 、 2 ( y ) 、3 ( z ) 方向输出。但p v d f 压电薄膜属于有机聚合物薄膜结构，因此只在3 ( z ) 方向输出，乃为，方向的应力( n m 2 ) ，歹= 1 ，2 ，6 ，1 3 为正应力，4 6 为 剪应力。西为压电系数，表示在_ ，方向作用的应力在f 方向检出。 对于极化处理后的p v d f 压电薄膜，其压电应变常数矩阵为： f ooo o 九o 1 lo0 o 反。 0 o( 2 4 ) l “ l 以。如九 o o o p v d f 压电薄膜压电方程为： 互 互 毛 五 瓦 瓦 ( 2 5 ) 由于p v d f 压电薄膜厚度通常为几十岫无法从侧面引出电极，因此只能在3 ( z ) 方向上取电荷。由于剪切力乃、乃、死对应的压电常数为0 ，故p v d f 压电薄膜不能测 剪切力。此时压电方程为式( 2 6 ) ： 见= 以l 五十心2 五+ 氏五 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中压电常数函l 与西2 因p v d f 压电薄膜制造工艺的不同而不同。若p v d f 压电薄膜为双轴拉伸时，函l = 西2 ；若p v d f 压电薄膜为单轴拉伸时，函l 1 0 以2 。 2 2p v d f 薄膜压电机理和工作模式 p v d f 压电薄膜作为有机高分子压电材料，是某些合成高分子聚合物经延展拉伸和 电极化处理而成。本节重点介绍p v d f 压电薄膜的压电机理及其工作模式。 2 2 1p v d f 薄膜压电机理 p v d f 即聚偏二氟乙烯是一种半结晶性聚合物。p v d f 压电薄膜的制备工艺包括成 膜、拉伸、上电极、极化等几个步骤【3 8 】。目前已经发现p v d f 材料有四种晶型，即口、 j 5 i 、7 、j ，其中口、j 5 l 晶型结构如图2 4 所示。未经拉压的p v d f 薄膜多呈口型，为非极 性晶体，不具有压电特性。当薄膜的拉压长度超过其初始长度的四倍时，薄膜转化为j 5 i 叭0 0 ， 叱o oo 吆o o o 妃 o o 屯 o o 以 ，。l = 、，肼肪虏 p ) f 动态特性研究与键盘应用设计 型为主的分子结构，然后将此薄膜加温定型并置于高压电场中极化后成为具有压电特性 的薄膜。 _ 一￥一c c 一l 0 洒+ - 一- h + 1 h “r 1r 1 一c c 一￥一c c 一 一，玉幅u0 垴“一 ( a ) a 结晶 ( b ) j 6 i 结晶 图2 4p v d f 的两种晶形的口和p 结构图 f i g 2 4 1 1 1 e 口a 1 1 dj bs 廿u c t u r e so fp v d f 经极化后的p v d f 压电薄膜内部一端出现正束缚电荷，一端出现负束缚电荷。由于 束缚电荷的作用，在p v d f 的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷，这些自由电荷 与p v d f 压电薄膜内相应端的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽、抵消了p v d f 内 部极化强度对外界的作用，如图2 5 所示。因而，如果把电压表接在p v d f 两电极之间， 读数为零。 自由电荷 束缚电荷 电极 电极 图2 5 极化后p v d f 薄膜内电荷和电极上电荷分布示意图 f i g 2 5c h a 。g ed i s 仃i b u t i o no np v d ff i l ma n de l e c n o d ea r e rp o l a r i z a t i o n 当在p v d f 压电薄膜上施加个与极化方向平行的压力f ，或使p v d f 发生形变时， 片内正负束缚电荷直接距离变小，极化强度也变小，因此原来吸附在电极上的自由电荷 有一部分被释放，呈现放电现象。此时把电压表接在p v d f 压电薄膜两电极之间，读数 不为零；但随着放电电荷越来越少，读数越来越小直至为零，表明内部极化束缚电荷与 电极上自由电荷达到新的平衡。当压力撤销后，p v d f 压电薄膜膨胀复原，片内正负束 旷一阶旷一阶 大连理工大学硕士学位论文 缚电荷之间距离变大，极化强度增加，因此，又有一部分自由电荷补充到电极上而呈现 充电现象。此时把电压表接在p v d f 薄膜两电极之间，读数仍然不为零，读数的变化规 律也是越来越小直至为零。这就是p v d f 薄膜的正压电效应机理。 在p v d f 薄膜上施加一个与极化方向相同的电场，电场使极化强度增大，也就是使 薄膜内正负束缚电荷之间的距离增大，因此p v d f 薄膜沿极化方向产生伸长变形。同理， 如果外加电场的方向与极化方向相反，则p v d f 薄膜沿极化方向产生缩短变形。这就是 p v d f 压电薄膜的逆压电效应机理。 总之，对p v d f 压电薄膜机理的认识可以归纳为三点： ( 1 ) p v d f 压电薄膜具有压电效应的本质原因是结晶相的本征压电性，结晶相的 压电性由电致伸缩效应及剩余极化所决定，经人工极化处理后，p v d f 压电薄膜内部具 有了有序的剩余极化强度。 ( 2 ) 外界的压力或电场作用可以改变剩余极化强度，相应表现为正压电效应或逆 压电效应。 ( 3 ) p v d f 压电薄膜的极化电荷是束缚电荷而不是自由电荷，这些束缚电荷不能 自由移动，所以发生在p v d f 压电薄膜内的充电和放电现象，完全是内部极化强度变化 而引起电极表面上自由电荷的补充和释放的结果。 2 2 2p v d f 压电薄膜工作模式 p v d f 压电薄膜在使用过程中通常是粘贴在一定的结构之上，因其质轻柔软对结构 的性能影响可以忽略不计。p v d f 压电薄膜的工作模式分为拉伸模式和厚度模式。当与 之接触的结构为刚性结构时，认为加载的力使p v d f 压电薄膜在厚度方向发生形变，其 工作在厚度模式或称为，模式，相应的压电方程使用与之对应的压电常数函3 ，式( 2 6 ) 中乃、死等于o ，压电方程变为式( 2 7 ) 所示。 职譬以，e ( 2 7 ) 反之，当与之接触的结构为柔性结构时，认为加载的力使得p v d f 压电薄膜在拉伸 方向发生形变，其工作在拉伸模式或称为踟模式，相应的压电方程使用与之对应的压 电常数如l ，式2 6 中乃等于0 ，压电方程变为式( 2 8 ) 所示。 皿= 以。正手以：正 ( 2 8 ) p v d f 压电薄膜工作模式示意图如图2 6 所示。当施加力于p v d f 压电薄膜表面时， 因压电薄膜p v d f 3 的下方为中空结构，则压电薄膜p v d f 3 工作在拉伸模式；因结构两 端由刚性结构支撑，则压电薄膜p v d f l 和p v d f 2 工作在厚度模式。p v d f 压电薄膜工 p 、，d f 动态特性研究与键盘应用设计 作在不同的模式下，同样的力产生