压电薄膜传感器中文技术手册

压电膜传感器技术手册压电薄膜传感器技术手册目录表第一篇序言背景压电薄膜特性典型压电薄膜元件的工作特性第二部分引线安装技术第三部分频率响应压电薄膜的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评分传感器乐器交通传感器第十部分振动传感器音乐收音机器监视轴承磨损传感器风扇叶片空气传感器断线传感器自动售货机用传感器第十一部分加速度计第12部分超声波应用医学影像无损探伤液位传感器第十三部分音频扬声器麦克风第十四部分声纳第十五部分未来的应用有源振动阻尼器硅类传感器敏感的表皮第16部分压电薄膜的应用第十七部分压电薄膜论文索引第18部分超声油墨水平感的探讨引言传感器材料将一种形式的能量转化为另一种形式的能量，广泛应用于传感。 微处理器应用的巨大增长推动了传感器多样化应用的需求。 如今，在180亿美元的全球传感器市场上，压电聚合物传感器已列入最快发展的技术行列。 和其他新技术一样，在很多应用中，“压电薄膜”被认为是传感器的解决方案。 压电膜聚集发现20年来，该技术越来越成熟，实际应用不断出现，技术商业化加快。本手册对压电集成技术、术语、特性、传感器设计思维等进行了综述，并探索了近年来开发成功的传感器应用项目。解决独特的传感问题是我们应用技术人员特有的实力。 我们很高兴在你的设计中有机会考虑压电膜传感器的应用。背景“压电”和希腊语被称为“压力”，是100多年前Gurie兄弟发现的。 他们发现石英因电场而改变外形尺寸，相反，如果受到机械变形，就会产生电荷。 这项技术的首次实用化是在1920年另一个法国人Langevin实现的，他研究了水下声音晶体发射器和接收器，即最初的“声纳”。 二战前，研究人员发现一种陶瓷材料在高极化电压的作用下产生了压电特性。 这个过程类似于铁性材料的磁化。到了60年代，研究人员发现鲸骨和腱内部存在微弱的压电效应。 因此，开始认真探索其他可能具有压电效应的有机材料。 1969年，Kawai发现极化的含氟聚合物、聚偏氟乙烯(PVDF )具有较高的压电能力。 其他材料、尼龙和PVC等也显示出压电效果，但没有像PVDF和其共聚物那样显示出高压电效果。图1. PVDF薄膜的典型红外吸收光谱波长(m )与其他强电介质材料一样，PVDF也具有较高的热电特性，能够响应温度的变化而产生电荷。 PVDF对720m波长的红外能量具有很强的吸收性(参照图1 )，复盖了人体的热量相同的波长光谱。 因此，PVDF可以制造非常有用的人体运动传感器和热释电传感器，用于其他更复杂的应用，例如暗视光导成像管理照相机和激光束成像传感器。 压电薄膜可以采用适当的菲涅耳透镜检测50英尺以上的人体运动，应用于人造卫星红外水平检测器。最近两年开发的PVDF新型共聚物进一步扩大了压电聚合物传感器的应用。 该共聚物可以在更高温度(135)下使用，同时可以提供所需的新形状，如园柱形或半球形。 厚度的极限也达到了PVDF无法达到的程度。 这些成果包括超薄型(200A )离心铸造的霸层，开拓了新型硅类传感器的应用和壁厚超过1200m的声纳用圆柱传感器的可能性。压电薄膜特性压电薄膜柔软，重量轻，是一种高韧性塑料薄膜，可制成多种厚度和大面积。 传感器的主要特性参数如下：宽带0.001 Hz109Hz宽动态范围(10-8到106 psi或torr到mbar )低声阻抗与水、人体组织和粘胶体系相近灵活性强高电压输出对受到相同输入的条件比压电陶瓷高10倍高介电强度能承受强电场作用(75V/m )的大部分压电陶瓷的极化高机械强度和耐冲击性(109 010Pascal模块)高稳定性耐湿性(吸湿性0.02% )，多种化学物质、氧化剂、强紫外线和放射能可加工成特定形状可以用市售粘接剂接合压电膜的主要优点之一是声阻抗低，其声阻抗比压电陶瓷更接近水、人体组织和其它有机材料的声阻抗。 例如，压电膜的声阻抗(Z0=)只是水的2.6倍，与此相对，压电陶瓷的声阻抗通常是水的11倍以上。 相邻阻抗匹配对于在水平和人体组织处更有效地传送声音信号是方便的。但是，压电膜确实有应用上的限制，与压电陶瓷相比，电-机变送器相对较弱，特别是谐振和低频的应用有限。 共聚物薄膜的最高使用/保管温度为135。 另外，露出膜上的电极对电磁辐射也很敏感。 良好的屏蔽技术用于电磁干扰和射频干扰环境表1显示了压电膜的典型特性参数。 将PVDF聚合物的压电特性和常用2种压电陶瓷材料的特性与表2进行了比较。压电膜的光传输特性参考图1，在720m的波长下具有极强的红外能量吸收特性，这已经成为入侵检测和能量管理设备的理想选择。PVDF薄膜通常薄、柔软、密度低、灵敏度好，且机械韧性好，压电膜柔度比压电陶瓷高10倍，压电聚合物被挤出薄膜时，可以直接粘贴在工件表面而不影响工件的机械运动。 压电膜非常适合于需要宽带宽和高灵敏度的应变传感的应用。 作为致动器之一，聚合物具有低声阻抗，对于向空气和其他气体传递能量是有效的。表1、压电薄膜典型特性参数表示符号参数pvdf(PVDF )共聚物单位t.t厚度9，28，52，110各种各样um (微机，10-6 )d31压电应变常数2311d333-33-38g31型压电应力常数216162g33型-330-542k31机电耦合常数12%20%Kt14%25-29%c.c静电电容380(28m )68(100m )PF/cm21kHzy杨氏模量2-43-5109N/m2V0音速伸展运动厚度1.52.3103米/秒2.22.4p热电系数304010-6C/m2K介电常数106-11365-7510-12F/m/0介电常数12-13战斗机7-8m质量密度1.781.82103公斤/米e体电阻率10131014电阻计R表面金属化电阻率2.02.0/平方(CuNi )R0.10.1/平方(Ag墨水)谭市损耗角正切0.020.0151kHz屈服强度45-5520.30106N/M2 (拉伸轴)温度范围-4080- 40至115145吸水性0.020.02%H2O最高工作电压750(30 )750(30 )V/mil(V/m )、DC、25破坏电压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PZTBaTi03战斗机密度103公斤/m 31.787.55.7介电常数/0121,2001,700d31常数(10-12)C/N2311078g1常数(10-3)Vm/N216105k31常数% at 1kHz123021声阻抗(106 )公斤/m2-秒。2.73030典型压电膜元件的工作特性DTI元件是在压电集合体基体上分型为15x40mm、在12x30mm的有效面积上双面印刷了银墨电极的标准MSI压电膜结构。1、机电转换(单向) 25x10-12 m/V，700x10-6N/V(3个方向) 33x10-12m/V2、机-电转换(1个方向) 12x10-3V/，400x10-3V/m 14.4V/N(3个方向) 13x10-3V/N3、热-电转换8V/K(25)4 .电容器1.36x10-9F，耗散系数0.01810kHz阻抗10kHz12K5 .最大动作电压DC:280V(1 (产生1个方向、7m的位移量)AC:840V(1 (产生1个方向、21m的位移量)6 .最大受力(d31方向、断裂)69kgF (电压输出8301275V )图4、DT1元件电气一机转换压电膜一般不能实现大的位移量和力，但是显然，例如在设计扬声器的情况下，其低频性能(500Hz以下)受到限制。 一片大面积的压电膜在低频时也不能产生高压脉冲。 正如现在超声波空间测距传感器(4050KHz )的设计和医疗用超声波图像的应用所知，不能应用于过低和过高的超声波频率。在超声波测距中，压电膜元件的高度控制垂直波阀，传感器的曲率和宽度控制水平波阀，压电膜测距换能器可获得360个视野，测距对象为几厘米到几米的高分辨率双压电膜结构(类似于双金属板)可以使双压电晶片元件的微小位移量改变为明显的干扰运动。 用这个原理可以制作小型的风叶片和光学反射镜。 这样的部件只消耗非常低的能量(由于容量性)。 由于其高容量，有可能使大型元件难以驱动，特别是在通过变压器供给驱动电压的情况下更加如此。 设计优秀的放大器很重要。虽然产生的力小，但压电膜可以用于在非常宽的频率范围内激励其他机械结构。 受到与其他压电膜设备协作产生的振动时，系统整体可以具有高动态范围，但膜在一个结构的谐振点产生的“插入损耗”一般为-66dB。 如果在两个元件之间加上足够的增益，该结构物在固有频率下会发生自振。 就像MSI公司在制造压力、负荷和液面水平的传感器上开发的“振动”技术一样。 这种谐振的机械系统不需要高电压驱动。 放大器电路通过双轨运算放大器工作，或者通过单个9伏特电池工作。 当压电膜从分析的角度来看也用于监测结果时，低电压，例如，70mVrms频谱分析器的噪声源，对于将机械能量引入到结构中是足够的。机电工程公司作为机械动作输入的接收机，压电膜的灵敏度令人吃惊。 最简单的形式的压电膜可以起到动态应变仪的作用，而且不需要外部供电，产生比应变仪放大后的信号大的信号。 因此，不受为满足高增益而发生的任何限制，频率响应都是给定传感器的波长。这种极高的灵敏度主要取决于压电膜材料的尺寸。 小厚度首先决定非常小的截面积。 因此，相当小的纵向力就能在材料内部产生很大的应力。 利用这一特性容易增大与机械轴线平行的灵敏度。 当在两层柔性材料之间放置这样的片状薄膜元件(例如LDT1028K )时，任意的压力变化为较大的纵向力。 事实上，由于大多数材料都是灵活的，因此该效果通常起着主要的作用，1与3个方向的有效灵敏度之比通常是1000:1。由于压电膜传感器多能复盖比普通应变仪大得多的面积，为了得到有意义的结果，必须在相同的应变场条件下直接进行比较。 虽然也必须考虑非常小面积的电容器，但是“点”型的传感器可以适用于需要的场所。 低频操作限制确定可达到的最大电阻负载或者信号容易被检测到的最大容量负载。 通过采用通常的电荷放大器或者由于信号电平相对较高而采用简单的高阻抗场效应晶体管缓冲电路，能够满足低至几分之一赫兹的状