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1、壓電薄膜傳感器 技術(shù)手冊(cè) 目錄表 第一部分 引言 背景 壓電薄膜特性 典型壓電薄膜元件工作特性 第二部分 第三部分 引線裝接技術(shù) 頻率響應(yīng) 壓電薄膜低頻響應(yīng) 第四部分 第五部分 第六部分 第七部分 第八部分 溫度效應(yīng) 壓電膜電纜及其特性 壓電基礎(chǔ) 熱電基礎(chǔ) 基本電路概念 電纜 第九部分 制造 開(kāi)關(guān) 沖擊傳感器 體育運(yùn)動(dòng)記分傳感器 樂(lè)器 交通傳感器 第十部分 振動(dòng)傳感 音樂(lè)拾音 機(jī)器監(jiān)控 軸承磨損傳感器 風(fēng)扇葉片氣流傳感器 斷紗傳感器 自動(dòng)售貨機(jī)用傳感器 第十一部分 第十二部分 加速度計(jì) 超聲應(yīng)用 醫(yī)用成像 NDT無(wú)損探傷） 液位傳感器

2、第十三部分 聲頻 揚(yáng)聲器 話筒 第十四部分 第十五部分 聲納 將來(lái)的應(yīng)用 有源振動(dòng)阻尼 硅基傳感器 靈敏表皮 第十六部分 第十七部分 第十八部分 引言 壓電薄膜的應(yīng)用 壓電薄膜論文索引 超聲油墨位面感測(cè)的討論 傳感器材料是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量，并被廣泛地應(yīng)用在傳感 探測(cè)方面。微處理器應(yīng)用的巨大增長(zhǎng)推動(dòng)了傳感器在多種應(yīng)用方面的需求。今天，在 180億美元的全球傳感器市場(chǎng)中壓電聚合物傳感器躋身在最快速發(fā)展的技術(shù)行列之中。 像任何其他新技術(shù)一樣，在很多應(yīng)用中，“壓電薄膜”已被考慮用作傳感器的解決方案。 自從壓電膜聚合體被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的20年中，這項(xiàng)技術(shù)已日趨成熟，實(shí)際

3、應(yīng)用層出不窮， 技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程正在加速。 本手冊(cè)對(duì)壓電聚合體技術(shù)、術(shù)語(yǔ)、特性以及傳感器設(shè)計(jì)思考等提供了綜述，同時(shí)還 探索了近年來(lái)業(yè)已成功開(kāi)發(fā)出來(lái)的諸多傳感器的應(yīng)用項(xiàng)目。 解決獨(dú)特的傳感方面問(wèn)題是我們的應(yīng)用工程師們特有的實(shí)力。 我們很高興有機(jī)會(huì)在 您的設(shè)計(jì)中考慮壓電膜傳感器的應(yīng)用時(shí)為您提供幫助。 背景 “壓電”，希臘語(yǔ)叫做“壓力”電，是在100多年前由Gurie兄弟所發(fā)現(xiàn)的。他們 發(fā)現(xiàn)，石英在電場(chǎng)的作用下會(huì)改變其外形尺寸， 而相反，當(dāng)受到機(jī)械變形時(shí)，則產(chǎn)生出 電荷來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)的首次實(shí)際應(yīng)用是由另一位法國(guó)人 Langevin在1920年實(shí)現(xiàn)的，他研 究出了一種用于水下聲音的晶體發(fā)射器和

4、接收器 ，即：第一部“聲納”。二次世界大戰(zhàn)前， 研究人員發(fā)現(xiàn)，有些陶瓷材料在高極化電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生壓電特性， 這一過(guò)程類似于 鐵性材料的磁化。 到60年代，研究人員就已發(fā)現(xiàn)，鯨魚的骨和腱內(nèi)部存在著微弱的壓電效應(yīng)。于是 開(kāi)始了對(duì)其他有可能具有壓電效應(yīng)的有機(jī)材料的認(rèn)真探索。 1969年，Kawai發(fā)現(xiàn)在極化 的含氟聚合物、聚偏氟乙烯（PVDF中有很高的壓電能力。其他材料，如尼龍和 PVC 也都表現(xiàn)出壓電效應(yīng)，但沒(méi)有一種能像 PVDF及其共聚物一樣呈現(xiàn)那么高的壓電效應(yīng)。 和其他鐵電材料一樣，PVDF 也具有很高的熱電特性，在響應(yīng) 溫度的變化時(shí)，可以產(chǎn)生電荷。 PVD!對(duì)7~20卩m波長(zhǎng)的紅外

5、能具 有很強(qiáng)的吸收性（見(jiàn)圖1），覆蓋 了人體熱的相同波長(zhǎng)頻譜。因 此, PVDF可以制成很有用途的人 體運(yùn)動(dòng)傳感器以及熱電傳感器 用于更為復(fù)雜的其他應(yīng)用如夜 視光導(dǎo)攝像管攝像機(jī)和激光束 成像傳感器。壓電薄膜采用合適 的菲涅爾透鏡可 圖1. PVDF薄膜的典型紅外吸收頻譜 波長(zhǎng)（卩m） 馮a hi對(duì)1 lumi 6 7 H 9 ID 12 IS 竝史百50 以探測(cè)到50 ，并已被應(yīng)用在人造衛(wèi)星的紅外地平探測(cè)器上 最近兩年才研制出的PVDF新的共聚物，又進(jìn)一步擴(kuò)展了壓電聚合物傳感器的應(yīng)用。 這種共聚物可以在更高的溫度下（135C）使用，同時(shí)還能提供所期望的新形狀：園柱 形和半

6、球形等。厚度極限也達(dá)到了利用 PVDF無(wú)法達(dá)到的程度。這些成就包括超薄的 （200A）離心澆成的覆層，從而開(kāi)拓出新型硅基傳感器應(yīng)用和壁厚超過(guò) 1200卩m的聲納用 圓柱體傳感器的可能性。 壓電薄膜特性 壓電薄膜是一種柔性，質(zhì)輕,高韌度塑料膜并可制成多種厚度和較大面積。作為一種 傳感器，它的主要特性參數(shù)如下： 寬頻帶 0.001 Hz~10 9HZ -8 6 寬動(dòng)態(tài)范圍（10 ~10 Psi或卩torr~Mbar ） 低的聲阻抗 與水、人體組織和粘膠體系接近 高彈性柔順性 高電壓輸出 對(duì)同樣受力條件，比壓電陶瓷高10倍 高介電強(qiáng)度 可耐受強(qiáng)電場(chǎng)作用（75V/卩m大部分壓電陶

7、瓷退極化 高機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊（109 ~010Pascal模數(shù)） 高穩(wěn)定性 耐潮濕（吸濕性＜0.02%）、多數(shù)化學(xué)品、氧化劑、 強(qiáng)紫外線和核輻射 可加工成特定形狀 可以用市售膠粘合 壓電膜的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是它有低的聲阻抗 ，其聲阻抗比壓電陶瓷更接近水，人體 組織和其他有機(jī)材料的聲阻抗。例如，壓電膜的聲阻抗 0=pu）只相當(dāng)于水的2.6 倍, 而壓電陶瓷的聲阻抗通常是水的11倍多。一個(gè)接近的阻抗匹配便于更有效地在水和人 體組織中轉(zhuǎn)導(dǎo)聲音信號(hào)。 但壓電膜的確有某些應(yīng)用上的限制，與壓電陶瓷相比，電 ~機(jī)發(fā)送器就相對(duì)弱些， 尤其是在諧振和低頻應(yīng)用上。共聚體薄膜的最高使用 /儲(chǔ)存溫度可高達(dá)

8、135C。而且， 若把膜上的電極外露，它對(duì)電磁輻射也敏感。有良好的屏蔽技術(shù)用于電磁干擾和射頻干 擾的環(huán)境. 表1列出了壓電膜的典型特性參數(shù)。表 2對(duì)PVDF聚合體的壓電特性和常用的二種 壓電陶瓷材料的特性進(jìn)行了比較。 壓電膜的光學(xué)傳輸特性請(qǐng)參照?qǐng)D1,在7~20卩m波長(zhǎng)上對(duì)紅外能量有很強(qiáng)的吸收性， 從而使其成為侵入檢測(cè)和能量管理器件的理想選擇。 PVDF薄膜通常很薄、柔軟、密度低、靈敏度極好，且機(jī)械韌性也好，壓電膜的柔順 性比壓電陶瓷高出10倍，當(dāng)壓電聚合物被擠成薄膜時(shí)，可以直接貼附在機(jī)件表面而不 會(huì)影響機(jī)件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。壓電膜非常適用于需要大帶寬和高靈敏度的應(yīng)變傳感應(yīng)用。 作 為一種執(zhí)行

9、器件，聚合物低的聲阻抗，使其可以有效地用來(lái)向空氣和其他氣體中傳送能 量。 表1,壓電薄膜典型特性參數(shù) 表示付號(hào) 參數(shù) PVDF 共聚體 單 位  T 厚度 9,28,52,110 各種 um(micron, 10 -6) d3i 壓電應(yīng)變常數(shù) 23 11 d33 -33 -38 g31 壓電應(yīng)力常數(shù) 216 162 g33 -330 -542 k3i 電一機(jī)耦合常數(shù) 12% 20% ) Kt 14% 25-29% C 電容 380 (28 卩 m) 68 (100 卩 m PF/cm2@1kH; Y

10、 Young模量 2-4 3-5 9 2 10 N/m V0 聲速 拉伸 厚度 1.5 2.3 3 10 m/s 2.2 2.4 P 熱電系數(shù) 30 40 10-6C/nf° k E 介電常數(shù) 106-113 65-75 10-12F/m ￡ / ￡ 0 相對(duì)介電常數(shù) 12-13 7-8 P m 質(zhì)量密度 1.78 1.82 ' 3 10 kg/m P e 體電阻率 13 >10 14 >10 電阻計(jì) R 表面金屬化電阻 率 2.0 2.0 Q / 平方(CuNi) R 0.1 0.1 Q

11、/平方（Ag油墨） tan 損耗角正切 0.02 0.015 @1kHz 屈服強(qiáng)度 45-55 20.30 106N/M (拉伸軸) 溫度范圍 -40 至 80 -40 至 115 …145 C 吸水性 <0.02 <0.02 %HO 最咼工作電壓 750 (30) 750 (30) V/mil(V/ 卩 m),DC,@25C 擊穿電壓 2000 (80) 2000 (80) V/mil(V/ 口 m),DC,@25C 表2壓電材料比較表 特性 單位 PVDF膜 PZT BaTi03 密度 /八3? ,3

12、 10 kg/m 1.78 7.5 5.7 相對(duì)介電常數(shù) ￡ / ￡ 0 12 1,200 1,700 d31常數(shù) -12 (10 )C/N 23 110 78 g31常數(shù) (10-3)Vm/N 216 10 5 k31常數(shù) % at 1kHz 12 30 21 聲阻抗 6 2 (10 )kg/m -sec. 2.7 30 30 典型壓電膜元件的工作特性 DTI元件是一個(gè)在壓電聚合體基體上模切 15x40mn并在12x30mn有效面積上兩面印 有銀墨電極的標(biāo)準(zhǔn)MSI壓電膜結(jié)構(gòu)。 1、電一機(jī)變換 （1 方向）25x10-1

13、2 mN, 700x10 M （3方向）33x10-12m/V 2、機(jī)一電變換 （1 方向）12x10-3Vy / ￡ , 400x10 -3V/ 卩 m 14.4V/N 3 （3 方向）13x10- V/N 3、熱一電變換 8V/ ° K（@25C） 4、電容 1.36x10-9F,耗散系數(shù) 0.018@10kHZ阻抗 @10kZH2KQ 5、最大工作電壓 DC:280V （ 1方向上，產(chǎn)生7卩m位移量） AC:840V （1方向上，產(chǎn)生21卩m位移量） &最大受力（d31方向上，斷裂） *——1JU |4L?0 ——■ ■ P-KI-H I < 71

14、 T I 圖4, DT1元件 WSSF^ 6~9kgF （電壓輸出 830~1275V） 電一機(jī)變換 壓電膜一般是不 可能實(shí)現(xiàn)大的位移量 和力的，例如在設(shè)計(jì)揚(yáng) 聲器時(shí)這一點(diǎn)是顯而 易見(jiàn)的，因?yàn)槠涞皖l性 能（500Hz以下）是很 有限的。甚至一塊大面 積的壓電膜在低頻時(shí) 也無(wú)法產(chǎn)生出高幅壓 力脈沖。正如我們從目 前的超聲波空間測(cè)距 傳感器（40~50KHZ的設(shè)計(jì)和醫(yī)用超聲波成像應(yīng)用中所了解到的， 它無(wú)法應(yīng)用到太低頻 率和太高的超聲頻率上。 就超聲測(cè)距而言，壓電膜元件的高度控制垂直波瓣，而傳感器的曲率和寬度則控制著水 平波瓣，壓電膜測(cè)距換能器可獲得 360°視野

15、，測(cè)距目標(biāo)從幾厘米到幾米并有很高分辨 率? 雙壓電膜結(jié)構(gòu)（類似雙金屬片），可以使二片反接元件微小的位移量轉(zhuǎn)變?yōu)楹苊黠@ 的擾曲運(yùn)動(dòng)。依此原理可制成小型的風(fēng)葉片和光學(xué)反射鏡。這類元件僅消耗非常低的能 源（因?yàn)槭侨菪缘模?。由于其高電?, 大型元件可能就較難驅(qū)動(dòng)， 尤其是用變壓器提供驅(qū) 動(dòng)電壓時(shí)更是這樣。設(shè)計(jì)優(yōu)良的放大器是十分重要的。 雖然所產(chǎn)生的力很小， 但壓電膜卻可以用來(lái)在非常寬的頻率范圍上激勵(lì)其他機(jī)械結(jié) 構(gòu). 如果再配合另外的壓電膜器件來(lái)接受所產(chǎn)生的振動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)可擁有很高的動(dòng)態(tài)范 圍，盡管膜對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)的諧振點(diǎn)所產(chǎn)生的“插入損失” 一般為—66dB如果在二個(gè)元件 之間加上足夠的增益，該結(jié)構(gòu)

16、件就會(huì)在其固有頻率上產(chǎn)生自振蕩， 正像MSI公司在制造 壓力、負(fù)荷和液位傳感器方面所開(kāi)創(chuàng)的“振鳴”技術(shù)那樣。這種諧振的機(jī)械系統(tǒng)，并不 需要高電壓驅(qū)動(dòng)。 放大器電路靠雙軌運(yùn)算放大器運(yùn)行或者干脆用一單獨(dú)的 9伏電池。從 分析角度來(lái)看，當(dāng)壓電膜也應(yīng)用來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)，要低些的電壓，如： 70mVrms的頻譜分 析儀的噪聲源，就足以將機(jī)械能引入到結(jié)構(gòu)中。 機(jī)電變換 作為機(jī)械動(dòng)作輸入的接收器而言， 壓電膜的靈敏度是使人吃驚的。 最簡(jiǎn)單形式的壓 電膜就可以起到一個(gè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)的作用， 而且又不需要外部供給電源， 且產(chǎn)生出來(lái)的信 號(hào)甚至大于應(yīng)變計(jì)經(jīng)放大后的信號(hào)。 因此，頻率響應(yīng)并不受任何為滿足高增益而產(chǎn)生

17、的 限制影響，上限是給定傳感器的波長(zhǎng)。 這種極高靈敏度主要決定于壓電膜材料的尺寸。 小的厚度首先決定了非常小的橫截 面積。因此，相當(dāng)小的縱向力就可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力。 很容易利用這個(gè)特性 增大平行于機(jī)械軸線上的靈敏度。如果將這種片狀的薄膜元件（如： LDT1~028K置于 二層柔性材料中間， 那么，任意的壓力都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟮枚嗟目v向力。 實(shí)際上， 由于大部 分材料在一定程度上都是柔性的，所以在很多情況下，這種效應(yīng)都起主要作用， 1 和 3 方向上的有效靈敏度之比一般是 1000： 1。 壓電膜傳感器較之于普通的應(yīng)變計(jì)，常?？梢愿采w大得多的面積，所以，為得到有 意義的結(jié)果， 應(yīng)在相同

18、應(yīng)變場(chǎng)條件下進(jìn)行直接對(duì)比。 盡管非常小的面積的電容也需要加 以考慮，但“點(diǎn)”型式的傳感器還是可以應(yīng)用到所需之處的。 低頻工作界限將決定于可 達(dá)到的最大電阻性負(fù)載， 或者說(shuō)決定于使信號(hào)容易被檢出的最大容性負(fù)載。 采用常規(guī)的 電荷放大器， 或者因信號(hào)電平相對(duì)高而采用簡(jiǎn)單的高阻抗場(chǎng)效應(yīng)管緩沖電路， 均可以滿 足低到幾分之一赫茲時(shí)的工況。 熱電變換 Kynar壓電薄膜，在7~20卩m區(qū)間具有極強(qiáng)的吸收性能，這相當(dāng)于超出了膜的工 作溫度上限和下限。因此，它可以成為一個(gè)靈敏的熱電檢測(cè)器（譬如說(shuō)人體熱輻射） 。 由于熱敏度很強(qiáng)，因此，在設(shè)計(jì)低頻（＜0.01~1Hz）機(jī)械傳感器時(shí)，要注意，防止因環(huán) 境溫度

19、變化而使輸出信號(hào)受熱信號(hào)的影響。 如果采用了非常長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)， 壓電膜就會(huì) 在接通時(shí)產(chǎn)生出一個(gè)與溫度變化相關(guān)的電壓來(lái)。由于輸出信號(hào)有幾伏 /C,可能觀察到 顯著的漂移。 注：Kynar是Elf Atochem NA 公司的注冊(cè)商標(biāo) 一般來(lái)說(shuō)，除非特別要求熱電效應(yīng)，大部分的應(yīng)用均有幾 Hz 以上的截止頻率。將 一個(gè)1nF電容的元件接到示波器的輸入端，即使在 10MQ阻抗時(shí)，在16Hz以下會(huì)產(chǎn)生 衰減。只有在膜溫急速變化時(shí)，才能產(chǎn)生出可檢測(cè)到的信號(hào)。 可采用共模抑制將很低頻率的機(jī)械應(yīng)變與同時(shí)產(chǎn)生的熱電效應(yīng)隔離開(kāi) , 相反亦然。 對(duì)MSI公司的應(yīng)用工程師來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)是相當(dāng)熟悉的，可以隨

20、時(shí)提供設(shè)計(jì)支持。 電氣設(shè)計(jì)依據(jù) 除超聲應(yīng)用外， 壓電膜在大多數(shù)應(yīng)用條件下的一個(gè)有用模式， 就是與應(yīng)變相關(guān)的電 壓源與電容相串聯(lián)。任何電阻負(fù)載均會(huì)形成一個(gè)具有簡(jiǎn)單 RC高通濾波器特性的分壓網(wǎng) 絡(luò)。截止頻率由下式給出 f =1/2 RC 時(shí)間常數(shù)為t =RC在截止頻率以下工作，將會(huì)產(chǎn)生出與輸入?yún)?shù) 變化率（微分電路）成正比的輸出信號(hào)。施加不變的應(yīng)力將產(chǎn)生初始電平，然后按 exp （RC1）作指數(shù)衰減。 電容負(fù)載會(huì)擴(kuò)展時(shí)間常數(shù)， 但降低響應(yīng)幅度。 當(dāng)電荷由一個(gè)電容器轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電 容器上時(shí)， 能量總是要損耗的。 而大的電容性負(fù)荷， 對(duì)于衰減強(qiáng)力沖擊所產(chǎn)生的特大信 號(hào)--- 常為幾百伏是有用的

21、。 當(dāng)以高壓和高頻驅(qū)動(dòng)壓電膜時(shí)， 薄膜的耗散因數(shù)可能導(dǎo)致以發(fā)熱方式出現(xiàn)顯著的能 量損失。電極的表面電阻率也是十分重要的， 尤其是對(duì)真空金屬鍍膜。 很高的局部電流 有時(shí)也出現(xiàn)。我們建議在本手冊(cè)所提供的場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)進(jìn)行工作 , 因?yàn)槿魏坞娀《紩?huì)導(dǎo)致 器件損壞。 現(xiàn)已開(kāi)發(fā)研究出采用銀油墨在膜的兩面作絲網(wǎng)漏印電極， 可以耐受高電壓和高局部 電流 . 銀墨金屬化已成功應(yīng)用在高音揚(yáng)聲器和有源振動(dòng)阻尼應(yīng)用。上述 DT1 的電極就采 用了銀油墨。 非金屬化邊緣降低了在膜厚方向產(chǎn)生電弧的可能性。 由于每個(gè)引線位置上 的導(dǎo)體只出現(xiàn)在一面 , 采取錯(cuò)開(kāi)的引線也同樣可抑制高壓擊穿。 機(jī)械設(shè)計(jì)依據(jù) 輸出能量與壓

22、電膜所受應(yīng)力成正比。 為獲取最佳的電信號(hào)來(lái)選擇合理的膜厚， 也可 從機(jī)械強(qiáng)度考慮來(lái)決定膜厚。 較厚的膜產(chǎn)生較高的電壓， 但電容量較小， 因而，選用較 薄的膜再配上柔性的惰性材料（如：聚脂，參見(jiàn) LDT1~028K作成層壓結(jié)構(gòu)形式可能比 單厚膜要好。 任何不受應(yīng)力的膜面積， 都是有效工作面積上的容性負(fù)載， 如果需要還是 越小越好。 大部分的金屬層均易于銹蝕， 尤其是運(yùn)輸時(shí)， 常用薄涂覆膠或?qū)訅簛?lái)保持表面質(zhì)量。 在層壓和裝配中， 經(jīng)常使用丙烯酸膠， 合成橡膠樹(shù)脂、 環(huán)氧樹(shù)脂以及氰基丙烯酸鹽。 有 的設(shè)計(jì)采用了外附金屬層或?qū)щ娨r底作為電極， 此時(shí)未經(jīng)金屬化的壓電膜就用到它自身 的長(zhǎng)處。這種外附金屬

23、層可以直接接觸未金屬化膜來(lái)收集電荷，或者 , 在交流信號(hào)應(yīng)用 中可以采用通過(guò)薄膠帶或環(huán)氧樹(shù)脂層的電容性耦合。 電極的形狀對(duì)于在整片連續(xù)的膜材 上定出具體的有效工作面積是特別有用的，也便于在模切元件時(shí)在切割部分留出未絲印 空邊。將上、下電極引出片錯(cuò)開(kāi)設(shè)計(jì)，可以防止因引線接點(diǎn)的影響而造成壓電膜預(yù)料不 到的問(wèn)題出現(xiàn)。也便于采取低成本的穿透式的引線方法（壓接端子或空心鉚釘） 機(jī)電綜合設(shè)計(jì)依據(jù) 壓電膜的容性本質(zhì)，決定了它對(duì)電磁干擾的脆弱性?并且隨著輸出信號(hào)電平的降低， 這就越顯得重要.但當(dāng)輸出信號(hào)很高，或者在不重要的環(huán)境下驅(qū)動(dòng)壓電膜時(shí)，電磁干擾 可以不予考慮。交流電源的干擾對(duì)非屏蔽器件可能是個(gè)問(wèn)

24、題。 另一個(gè)潛在的問(wèn)題是，當(dāng) 一個(gè)電極正被驅(qū)動(dòng)而另一個(gè)電極正接收振動(dòng)信號(hào)時(shí)，必需注意避免“串?dāng)_” 。 如果使用MSI公司所生產(chǎn)的附有同軸電纜的加屏蔽器件， 那么上述多種問(wèn)題就全解 決了。不過(guò)，任何器件只要采取簡(jiǎn)單的措施，都可以避免干擾的。 不需要的頻率可以加以濾除，如果傳感器是安裝在導(dǎo)電襯底上， 這可形成半個(gè)接地 包絡(luò)，而外附電極則形成另一半包絡(luò)，小型的屏蔽電纜已有市售，可用來(lái)取代雙絞線。 連接點(diǎn)本身也應(yīng)給予注意，因?yàn)槟屈c(diǎn)面積也易于受到 EMI干擾。 MSI現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出了經(jīng)久耐用的引線連接技術(shù)，大部分產(chǎn)品均有預(yù)先接好的引線。如 前所述，通?？梢允褂猛S電纜，但必須與非常薄的柔性材料相接口。

25、若連接點(diǎn)有振動(dòng)， 就會(huì)給傳感器導(dǎo)入一定的聲音效應(yīng)，因而引線連接點(diǎn)的加固是需要的。 采用薄銅箔加導(dǎo)電背膠可做成絕好的非永久性的連接。 1cm2面積的接觸電阻約幾毫 歐（mQ）。與撓性電路一樣，壓接端子也常用于錯(cuò)開(kāi)電極形式，但薄的膜則需要作結(jié)構(gòu) 上的加固，以取得良好的效果?在引線連接部位用聚酯加固是一種通常采用的加固連接 方法。在壓接端子和電極之間的加強(qiáng)片使接觸電阻有稍稍下降。一般為 150~500毫歐。 微型鉚釘，空心鉚釘甚至螺母、螺栓加墊圈的連接均有很高的強(qiáng)度和良好的接觸電阻， 一般均小于100毫歐。這些技術(shù)可用來(lái)與帶焊片的電纜連接， 也可以直接用在印制電路 板上。 采用線夾的方法，即

26、可直接夾在印制電路板的導(dǎo)電圖形上或用導(dǎo)電膠， ZEBRA接 頭，焊片和墊圈等均成功地得到應(yīng)用。用加銀的（導(dǎo)電）環(huán)氧樹(shù)脂直接連接也很好，但 需固化時(shí)間，為得到最好的效果，通常要提高固化溫度。 如前所述，其他材料也可以作成電極，如：導(dǎo)電膠或發(fā)泡材料。在某些情況下，采 用穿過(guò)膠層的容性偶合也是可行的，允許某些特殊傳感器的設(shè)計(jì)方案沒(méi)有任何引線接 出。 壓電膜傳感器引線連接技術(shù) 圖3電極圖形 DT圖形 如何實(shí)現(xiàn)壓電膜的可 靠連接，這是客戶們最經(jīng)常 提出的問(wèn)題之一。為此,MSI 公司極為關(guān)注對(duì)壓電膜簡(jiǎn) 化連接技術(shù)的開(kāi)發(fā)。今天， 我們向客戶提供的大部分 傳感器件，均加了引線。本 文的目的就在于分

27、析和討 論已有的接線方案。 有些最方便的連接技術(shù)需 要MSI采用在壓電膜的一 面或二面上印成一定圖形 的電極，在生產(chǎn)中為滿足用戶的要求，這總是可以做到的。在本文的末尾，還提供了一種可以 達(dá)到同樣效果的簡(jiǎn)單方法。概括地說(shuō)，圖形電極在壓電膜傳感器制作中可采用絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電油 墨、金屬掩模噴鍍沉積或照相制版技術(shù)進(jìn)行化學(xué)蝕刻成形。 目標(biāo) 這里所考慮的是針對(duì)引線連接方法所期望的設(shè)計(jì)目標(biāo)。并非采用任何一種技術(shù)就可 以實(shí)現(xiàn)一切目標(biāo)的。設(shè)計(jì)者應(yīng)明確最重要的目標(biāo)，并相應(yīng)地選定合適的連接方案。 ?高導(dǎo)電能力/低電阻~意想不到的是，對(duì)大部分壓電應(yīng)用而言，高的導(dǎo)電能力的連接， 并非是特別重要的參數(shù)。壓電傳感器

28、件往往是用在高阻抗電路之中，在該類電路中 有幾個(gè)歐姆的電阻通常并不影響性能。 然而，比較重要的卻是它的穩(wěn)定性，就是說(shuō), 在使用之中，電阻不應(yīng)起伏變化，因?yàn)樗鼤?huì)引入電噪聲源。 ?低質(zhì)量~當(dāng)壓電膜固定在機(jī)械支持結(jié)構(gòu)上時(shí)，這是特別重要的。在撓性結(jié)構(gòu)上連接 點(diǎn)質(zhì)量的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的聲效應(yīng)是驚人的。 ?小斷面~壓電膜的不少應(yīng)用都來(lái)自它的低厚度這一長(zhǎng)處，采用大端子妨礙這一長(zhǎng)處 的發(fā)揮通常是被禁止的。如果壓電膜包括連接件不能與接觸表面貼緊，接觸振動(dòng)傳 感器就可能有不同的諧振。柔順性~這也是一個(gè)必須與壓電膜柔順性相一致的特性。 具有一定的柔順性在很多應(yīng)用場(chǎng)合有優(yōu)勢(shì)。 ?小面積~好的壓電器件很可能是作為“點(diǎn)

29、”接受器使用的。對(duì)小壓電有效工作面積 （上、下導(dǎo)電極完全重疊）可以制成偏位的或錯(cuò)開(kāi)的引線連接焊片。上、下焊片相 互錯(cuò)開(kāi)并彼此相對(duì)（在厚度方向看）。這樣就使精確定義的有效面積（重疊的電極）通過(guò)非壓電導(dǎo)電圖形（錯(cuò)開(kāi)的引腳）引至遠(yuǎn)處的連接點(diǎn)，這便是對(duì)“小”器件常采用 的技術(shù)。 ?機(jī)械強(qiáng)度~傳感器最常承受最大應(yīng)力的地方就在連接點(diǎn)附近，有些是偶然的（插拔 電纜），有些是設(shè)計(jì)造成的。總之，錯(cuò)開(kāi)焊片處采用壓接端子，空心鉚釘或?qū)嵭你T釘 的穿過(guò)壓電膜的連接方法均具有最好的抗應(yīng)變能力。為改善穿透連接的強(qiáng)度，通常 引線連接點(diǎn)都用聚酯片加強(qiáng)。 ?長(zhǎng)期穩(wěn)定性~包括所有常用的環(huán)境參數(shù)。大部分連接件均具有極長(zhǎng)的壽命（

30、壓接端 子，空心鉚釘及導(dǎo)電橡膠接頭等）。其他的有比較有限的存儲(chǔ)壽命（導(dǎo)電膠）。 ?使用簡(jiǎn)便~當(dāng)產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。很多連接技術(shù)都是由半自動(dòng)設(shè)備 實(shí)現(xiàn)的，便于批量生產(chǎn)（壓接端子和空心鉚釘），其他的多為勞動(dòng)密集型（導(dǎo)電膠） ? 電氣強(qiáng)度 這是一個(gè)涉及電驅(qū)動(dòng)（高壓）元件的問(wèn)題，如揚(yáng)聲器和執(zhí)行器。 設(shè)計(jì)依據(jù) 有二個(gè)主要問(wèn)題控制著引線連接的選擇： ?壓電膜的固定可以在引線連接部位嗎？這可能是一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。例如，直接連接到 印制板的導(dǎo)電圖形上。 ?壓電膜可以做成特定形狀并允許采用穿透技術(shù)嗎？（通過(guò) MSI公司的傳感器用戶形 狀服務(wù)，這些問(wèn)題幾乎都可以答“是”）。采取簡(jiǎn)單的試驗(yàn)方法也

31、可以取得同樣的效 果。 圖4. 有關(guān)“問(wèn)題”部分就討論到此，下面將給出“答案”。 方法 圖4 Ul ILH^HLiAl LU I pvrazrnbFrwHKLE 穿透~這里的技術(shù) 是指對(duì)壓電膜進(jìn) 行打孔（和附加 增強(qiáng)層，以達(dá)到 有效的厚度和強(qiáng) 度），因此，壓 電膜應(yīng)設(shè)計(jì)好圖 形，和錯(cuò)位的引 線布置，以防止 上、下電極因插 入的接頭而出現(xiàn) 短路，這可以由 制造商完成，也 可以由用戶自已完成 可以用鉚釘或空心鉚釘固定在壓電膜的錯(cuò)位導(dǎo)電圖形上。 在空心鉚釘或鉚釘間可以 加有帶引線的環(huán)狀焊片接線端子。空心鉚釘或鉚釘是機(jī)械地將環(huán)形焊片壓在錯(cuò)位的 電極上而形成可靠的連接點(diǎn)。 如果要將壓電

32、膜直接固定在印制電路板上，可以使用小“ POP或?qū)嵭你T釘或空心 鉚釘將壓電膜圖形電極和印制板導(dǎo)電圖形相連， 一次操作即可完成接線。用絲網(wǎng)印 刷制作導(dǎo)電油墨電極時(shí)，可以在其中一個(gè)錯(cuò)位片上制成一小的“鍍通孔” ，這樣， 就使二個(gè)導(dǎo)電極變成壓電膜的同一面。 這就大大方便了將壓電膜電極引腳鉚在相應(yīng) 的印制電路板導(dǎo)電圖形上。如不采用這種“鍍通孔”技術(shù)，也可以用鉚釘使上電極 與印制板下面的導(dǎo)線相連接，而下電極與印制板上面的相應(yīng)導(dǎo)線的相連接， 而保持 電接觸則是靠鉚釘?shù)膲毫Α? 螺母和螺栓~采用墊圈，環(huán)形舌片及焊 片的引線，均可用小螺母和累螺栓加 以固定。 壓接端子~一般來(lái)說(shuō)，被設(shè)計(jì)用于柔性 電路

33、板技術(shù)的壓接端子用于壓電膜元 件時(shí)很好用。壓接端子可以帶焊片來(lái)固 定導(dǎo)線或插裝于印制板相應(yīng)孔內(nèi)，和焊 在印制板的下面（最大焊接時(shí)間約幾秒 鐘，以不使壓電膜過(guò)熱），與上述的空 心鉚釘相似，壓接端子通常被設(shè)計(jì)用于 特定厚度的基材，因而壓電膜在其一面 上需要襯片（聚酯加強(qiáng)層）以便與壓接 端子相適應(yīng)。另外，多路整體接頭可以 壓合到更復(fù)雜的裝置上，與其他接頭形 成直接插入互換式的接合。 不穿透~涂有銅箔帶的導(dǎo)電膠 （即 3M#1181）可買到，寬度從 3mm到 25mm. 采用合理的膠帶面積（或許1cm或多一 點(diǎn)）.小面積比較容易撕下. 先將導(dǎo)線焊在膠帶上，然后輕壓薄膜 分離襯片和膠層，如果面積較

34、小，先焊 接后將連接片切至所需尺寸，將多余 的面積做為散熱片.焊接在接頭附近 看上去降低了粘膠的性能.注意:3M不 推薦依靠這種導(dǎo)電膠并建議用同樣膠 帶的凸起型版本.這種膠帶確實(shí)是設(shè) 計(jì)用于大面積接觸金屬的，但結(jié)果顯 圖5.鍍通孔 圖6,電極鍍通孔與印制電路板用螺栓固定 圖7. 示，如果不擔(dān)保，這種方法是有效的技術(shù).可買到這種產(chǎn)品的鋁版本（部件號(hào)1170）, 注意膠帶是相似的但沒(méi)有導(dǎo)電膠（盡管這種膠帶可用于屏蔽等）. 導(dǎo)電傳輸膠帶~即3M#9702早期產(chǎn)品）.一層有導(dǎo)電顆粒的丙烯酸膠層給出良好 的”Z軸”導(dǎo)電性（即通過(guò)膠帶厚 度方向）并在X和丫軸有很高的 阻抗.這樣單路或多路連接

35、就可 由一條膠帶來(lái)完成.這種材料較 Figure 乩 新.初期的結(jié)果似乎很有希望。 顯然可用這方法直接連接PCB 板或條，或有焊片的箔片。 □Tf AlTEnh WTI12 怡 gjDUCE兀 不利的方面是~1）成本高,2）象所 有傳輸膠帶一樣，這種材料有一 種傾向即將其襯片粘在邊緣并 在去除襯片時(shí)產(chǎn)生”卷邊“注意

36、： 這一產(chǎn)品已被采用易撕襯片的 改進(jìn)版?zhèn)v9703）取代.可能不太容易買到 [Bl J EJCTTW O_IET=iaQ： 導(dǎo)電環(huán)氧膠?這通?？少I到并是 雙組份（膠和固化劑）。通常所 需要的少量的精確稱量和混合 是相當(dāng)困難的。現(xiàn)已有產(chǎn)品是 單組份，預(yù)混好的材料，在低 溫存儲(chǔ)并在室溫使用和固化。 任何環(huán)氧膠混合物的固化通常 都用高溫來(lái)加速，但由于壓電 薄膜有較溫和的高溫性能，固 化通常是一個(gè)常過(guò)程（許多小時(shí)） 般都在被粘接部件上用夾具夾 緊。同樣，有預(yù)焊片的箔片可 被用來(lái)擴(kuò)展合理的接觸面積，對(duì)用”通?！钡沫h(huán)氧膠的最終加強(qiáng)可以放心? 不利因素：使用困難，固化時(shí)間長(zhǎng)，較高的成本，存

37、儲(chǔ)時(shí)間短. 低熔點(diǎn)合金~有些合金（如銦/錫/鉍）與其說(shuō)是焊劑不如說(shuō)是易熔金屬,在一定溫度 熔化可使其與合適的金屬化層（如金,銅,銀銀墨）一起用于壓電膜.通常需要腐蝕性 很強(qiáng)的焊藥，接頭可能會(huì)很脆.機(jī)械強(qiáng)度受金屬化層與薄膜表面粘接的限制，因而 再?gòu)?qiáng)調(diào)，用環(huán)氧膠加強(qiáng)是有幫助的.對(duì)小且不需要很高機(jī)械強(qiáng)度的接頭，這種技術(shù) 是有用的.不利因素：只有某些金屬化層是合適的，樣品量很難提高.機(jī)械強(qiáng)度有 限（銦合金）. Zebra接頭~與制作LCD顯示用觸點(diǎn)一樣用絕緣橡膠與導(dǎo)電橡膠擯接.可制成高密 度多觸點(diǎn).觸點(diǎn)的外部夾固是需要的. 機(jī)械緊固~將薄膜夾在兩個(gè)導(dǎo)電表面（可用一層導(dǎo)電薄橡膠）可得到很好的效果.

38、兩 個(gè)環(huán)可為薄膜和揚(yáng)聲器等提供支撐. 容性藕合~在某些應(yīng)用中，在壓電膜上不需要金屬電極.薄且不導(dǎo)電膠可將未金屬化 薄膜固定在導(dǎo)電表面.導(dǎo)電表面在應(yīng)用中實(shí)際上成為薄膜的電極.在對(duì)應(yīng)所需要的 有效傳感面積一面有導(dǎo)電焊盤的 PCB是這一概念的具體化.薄膜的另一面可用接地 電極金屬化.可用膠或不用膠將薄膜夾在兩個(gè)導(dǎo)電表面之間形成電極 . 用戶蝕刻壓電薄膜電極 從MSI即可買到銀墨絲網(wǎng)印刷圖形電極也可買到真空濺射鍍膜圖形電極， 有時(shí)，客 戶采購(gòu)?fù)耆饘倩钠挠糜趯?shí)驗(yàn)，制做他們自己想要的電極 . 這對(duì)絲網(wǎng)印刷銀墨是困 難的, 因?yàn)椴蝗菀赘g和機(jī)械編織 . 對(duì)真空濺射鍍膜電極 , 標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)非

39、常好 . 為在壓電膜上制導(dǎo)電圖形穿透而不短路上下電極 , 可采用真空沉積電極法 （ 注意: 不是為銀墨推薦的 ）. 電源（9V電池）的一端通過(guò)一個(gè)導(dǎo)電焊盤或機(jī)械壓力連接到薄膜上 .另一端連到導(dǎo) 電點(diǎn)（針,導(dǎo)線端子等 ）需要隔離的部分拖在周圍即可 , 通常有效電流通過(guò)并在接觸點(diǎn)產(chǎn) 生電弧 , 金屬化層被蒸發(fā) . 同心”保護(hù)環(huán) ”用以曾加可靠性 . 對(duì)薄真空濺射鍍膜金屬化更復(fù)雜的圖形 , 用感光氣溶膠（如果需要在兩面 ）噴涂壓 電薄膜是可能的.固化的感光氣溶膠可通過(guò)掩模由 UV（紫外）光曝光,象傳統(tǒng)的PCBi術(shù) 那樣, 然后浸入腐蝕劑。非常薄金屬層的蝕刻過(guò)程僅需幾秒即可完成。 用標(biāo)準(zhǔn)PCB

40、腐蝕劑（三氯化鐵）進(jìn)行銅/鎳金屬化蝕刻是很好的.要得到較好的結(jié) 果，其它金屬需要特殊的腐蝕劑 （對(duì)金用王水 ）. 切記金屬化層可能只有幾百個(gè)埃 （300~700A）, 因而細(xì)圖形極易造成劃痕和裂紋 . 高電壓技術(shù) 將壓電膜用于振動(dòng)激勵(lì)需考慮幾點(diǎn)， 由于電容變送器的阻抗隨頻率減小和在低頻時(shí) 接近無(wú)窮大，可能需要較高電壓驅(qū)動(dòng) （通常幾百伏 ） ，例如，全聲頻范圍揚(yáng)聲器。通常， 用變壓器提升電壓以提供所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 在這種情況下，在連接部位可能有較大的應(yīng)力。 首先考慮給一個(gè)有2歐姆全電路阻抗的100NF電容供30V電壓。初始電流脈沖峰值15 安培 （ 假設(shè)供電能力可以達(dá)到此值 ）。這樣一個(gè)電流

41、”尖峰信號(hào)”可以曝露連接點(diǎn)上的 缺陷 . 接著考慮一個(gè)間隔12V信號(hào)直到240V的變壓器.一個(gè)200uA在初級(jí)的直流（DC）電 流（對(duì)應(yīng) 一個(gè)0.5V所施電壓），當(dāng)斷路時(shí)，可能在次級(jí)電路造成830V的電壓浪涌，大 大超過(guò)所期望的 20倍放大系數(shù)。即使帶有很大的容性負(fù)載，還是可以看到高電壓。更 糟的是，如果次級(jí)電路斷路，會(huì)產(chǎn)生超過(guò) 60A歷程10納秒的電流脈沖。這種現(xiàn)象對(duì)良 好的接頭不會(huì)有問(wèn)題。 但是，如果某種引線連接法會(huì)造成任何氣泡， 所減小的壓電常數(shù) 效應(yīng)會(huì)引起 擊穿。這種事件是災(zāi)難性的，熟悉的爆裂聲和藍(lán)色的電弧可以證明。 答案是 : 1） 銀墨電極是必需的 --- 薄真空濺射電極不能

42、承受高電壓 . 2） 大面積觸點(diǎn)減小應(yīng)力 . 我們將銀墨涂在空心鉚釘 /鉚釘周圍 以獲得附加的薄膜電極 傳導(dǎo)路徑. 3） （ 可能的 ）一個(gè)半導(dǎo)體觸點(diǎn)以減小電流浪涌 ~ 相當(dāng)于在電路中串聯(lián)電阻 . 實(shí)際值達(dá) 1K歐姆將僅產(chǎn)生小數(shù)位的輸出損失，并減小電流尖峰值. 頻率響應(yīng) 與壓電陶瓷傳感器不同，壓 電膜傳感器具有很寬的動(dòng)態(tài)范 圍，并是寬帶的。這種寬帶特 性（接近DC到2GHz和低Q值部 分地歸因于聚酯材料的柔性。 用做傳聲器時(shí)，將彎曲的壓電 膜器件兩端固定，按長(zhǎng)度（d3i） 模式振動(dòng)，如圖10所示。壓電 膜是一種保真度極高的高音喇 叭，也可應(yīng)用在玩具、充氣物 品和游戲具中做新穎揚(yáng)聲器

43、。 圖10，d3i方向模的壓緊壓電膜產(chǎn)生聲 d3i模式（圖10），也可以用在空氣中的超聲測(cè)距，頻率可達(dá)約 50kHz。 當(dāng)用作高頻超聲發(fā)送器（一般＞500KHZ時(shí)，壓電膜通常是按厚度（d33）模式工作 最大傳送量發(fā)生在厚度諧振時(shí)。28呵的壓電膜基本半波長(zhǎng)諧振頻率約為 40MHz 2：2 ;< 7//see 圖11,介電常數(shù)、損散因數(shù)與頻率的關(guān)系。 從以上可以看出，諧振值的大小決定 于膜厚，其范圍為：對(duì)厚膜為幾MHz （1000^m到對(duì)非常薄的膜大于100MHz以 上。 圖11給出了在室溫條件下頻率對(duì)介電常數(shù) 和耗散因數(shù)的影響。當(dāng)介電常數(shù)&非常低 時(shí)（壓電陶瓷的

44、1%）,壓電膜的g常數(shù)（電壓 輸出系數(shù)）要比壓電陶瓷的大得多（g = d/ 壓電膜在低頻時(shí)的特性 引言 壓電膜在低頻時(shí)的特性應(yīng)直接以電氣術(shù)語(yǔ)來(lái)表述，但常常造成曲解 |.由于這一技術(shù) 的任何實(shí)際應(yīng)用都幾乎涉及這個(gè)問(wèn)題，本文想用一定的篇幅分析這個(gè)題目，并盡可能地 以非數(shù)學(xué)型式處理，采用語(yǔ)言描述和實(shí)例表達(dá)概念，假設(shè)有些讀者精通用 FFT技術(shù)來(lái)變 換時(shí)間域和頻率域，但并不重要。 連接 通常，對(duì)壓電膜的初步評(píng)價(jià)，是將一個(gè)壓電器件用一個(gè)探頭（示波器探頭）連接到 示波器上。一般來(lái)說(shuō)，示波器探頭可以視作“無(wú)窮大阻抗”，由于非常大，在測(cè)試中對(duì) 電路的影響可以忽略不計(jì)。但在很多情況下，對(duì)壓電膜并非如此

45、，示波器探頭的接入幾 乎是短路，典型的探頭，當(dāng)其接入示波器時(shí)，則有 1MQ的有效電阻，也有的是10MQ, 而也有不少為了方便起見(jiàn)可在 1MQ （x1）和10MQ （x10）之間轉(zhuǎn)換，包括1MQ阻抗的物理 要素通常是示波器內(nèi)的輸入級(jí)，而不是指探頭內(nèi)的單獨(dú)元件。一個(gè)“X1”探頭實(shí)際上就 是一段兩端有相應(yīng)觸點(diǎn)的屏蔽電纜。 源電容 為分析接上探頭之后將產(chǎn)生什么情況，我們需要考慮壓電膜器件的特性。也許最為 重要的特性（當(dāng)然是在壓電特性之后）就是材料的電容。電容是任何一種元件的儲(chǔ)存電 荷能力的量度，并且總是在兩塊導(dǎo)電板相互靠近時(shí)存在。 本文中所指的導(dǎo)電板就是壓電 膜每一面上所印刷或金屬化出來(lái)的導(dǎo)電極，

46、該器件的電容主要受電極之間分離電極的絕 緣體特性的影晌，絕緣體儲(chǔ)存電荷能力的度量由它的介電常數(shù)表述。 與大部分聚合物材料相比，PVDF的介電常數(shù)很高，大約為12 （相對(duì)于自由空間介 電常數(shù)）。 顯然，一個(gè)元件的電容量是隨其導(dǎo)體面積的加大而增加，所以，一大片壓電膜的電 容要大于小元件的電容。同時(shí)，電容量也 隨厚度的減少而增大。因此，相同的幾何 表3，常用壓電膜元件的電容值 面積，薄壓電膜的電容量要比厚膜的大。 名稱 零件No. 電容量 上述關(guān)系可以寫為：C= A/t LDT0-028K/L 0-1002794-1 式中： 500dF c~壓電膜的電容

47、量 DT1-028K/L 1-1002908-0 1.3nF ￡ ~介電常數(shù)（也可以表小為& = ￡ r ￡ °, DT1-052K/L 2-1002908-0 650pF 相對(duì)介電常數(shù)（對(duì) PVDF約為12）， DT2-028K/I 1-1003744 2 6nfF ￡ °~自由空間的介電常數(shù) DT4-028K/I 1-1002150-0 9nF -12 (8. 854 X 10 F/m) 8” X 11 ” 28. m 1-1003702-4 30nF A ~壓電膜電極的有效面積（重疊部分） HYD-CYL-100 0-1001911-1 4

48、3pF t ~膜厚 電容的單位為法拉（F）,但通常碰到的是小得多的單位；微法（uF或10-6F），毫微 法（nF或10-9F;皮法（pF或10-1乍）。 圖12,壓電膜元件等效為簡(jiǎn)單的電壓發(fā)生器 任何壓電膜元件的電容都可以用公式 來(lái)計(jì)算，也可以用手持 電容表或儀表（如 I 1 LCR橋）直接測(cè)量。 電容值應(yīng)當(dāng)是在給定的測(cè)量頻率上（通 常定為1kHz）測(cè)得的，壓電膜元件的 電容值一般隨測(cè)量頻率的提高而下降 壓電膜等效電路 下面我們來(lái)畫一個(gè)壓電膜元件的等效 電路。這里有二個(gè)同樣有效的模型，一個(gè) 是：一電壓源與一個(gè)電容相串聯(lián)；另一個(gè) 是：一個(gè)電荷發(fā)生器與電容相并聯(lián)，后者 在電

49、路分析上不常用。我們將集中對(duì)電壓 源分析（見(jiàn)圖12）。 虛線部分表示壓電膜元件“內(nèi)含的部分”，電壓源（VS）本身就是個(gè)壓電發(fā)生器。 該電壓源與所加的激勵(lì)源（壓力、應(yīng)力等）成正比。本文的目的并非在相關(guān)的計(jì)算上面, 重要的是認(rèn)識(shí)到這個(gè)電壓將絕對(duì)地依賴于所加的激勵(lì)，這是一個(gè)“理想”源。 然而，我們應(yīng)該注意到，標(biāo)有“ X”的節(jié)點(diǎn)，是根本不可能接近的。當(dāng)我們?cè)陔姌O 上檢測(cè)壓電膜的“輸出”時(shí)，膜電容 Co總是存在并接在電路中的。 加入電阻性負(fù)載 圖13,接入示波器作為電阻負(fù)載 「 J F L 現(xiàn)在我們加進(jìn)示波器接入時(shí)的效應(yīng)， 可以將示波器及其探頭簡(jiǎn)化為一個(gè)純電阻， 盡 管實(shí)際上有一個(gè)很小

50、的與探頭和電纜相關(guān)的電容（一般約 30~50pF）。若壓電膜的電容 非常高，那這個(gè)小電容就可以忽略不計(jì)。 在負(fù)載電阻R兩端所測(cè)得的電 壓， 不需要與“理想”源所產(chǎn)生的電壓相 同。 為看出為什么，用另外一種方式 重新畫這個(gè)電路是有幫助的。 分壓器 將圖13所示的電路重畫成圖14 的形式，不難看出，全部的源電壓并 不總是出現(xiàn)在電阻負(fù)載的二端。 將電容和電阻串聯(lián)起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)分壓器' 由于電容有阻抗并隨頻率變化，所以，顯現(xiàn)在 兩端的全部源電壓的一部分也隨頻率而變化。 顯現(xiàn)在R兩端的Vs電壓的VL部分按下式計(jì)算: （j表示V ~1 , Xc為電容元件的電抗。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們忽略

51、了壓電膜的阻抗的電阻分 量）。 可以將上述公式在激勵(lì)頻率為常數(shù)的簡(jiǎn)單情況下用來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算期望觀察到的電 壓電平，這樣簡(jiǎn)單地變化f值即可。然而，在不少實(shí)際情況下，在頻帶范圍內(nèi)還可能存 在一個(gè)信號(hào)能量的分布問(wèn)題。這樣，就有必要把網(wǎng)絡(luò)的“頻率響應(yīng)”考慮進(jìn)去。 Figure Magnitude response of R-C filter 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng)用以下實(shí)例曲線 圖表示， Figure 17. Magnitude response shown as log/log plot 性圖表（圖15,線性丫量 或幅度相對(duì)線性X量或頻 率）以及相應(yīng)相位圖（圖

52、 16）也是以線性/線性形式 表示的。然后是對(duì)數(shù)/對(duì)數(shù) 圖（見(jiàn)圖 17），這一部分 將涉及一些細(xì)節(jié)。 請(qǐng)注意，相位曲線顯示， 在非常低的頻率上，觀察 到的電壓與源電壓存在著 顯著的相移（限制在 ~90° 或者是在“ DC或零Hz時(shí) 為?冗/2弧度）。如果壓電 膜元件是被用作控制環(huán)節(jié)的 一部分，那么這種效應(yīng)的影 響就很大。 對(duì)數(shù)/對(duì)數(shù)R-C頻率響應(yīng)曲線分析 幾個(gè)關(guān)鍵特性： 該網(wǎng)絡(luò)的完整特性視作高通濾波器。 增益下降到0.707或者-3dB時(shí)的頻率，稱作高通濾波器的“截止”或“角”頻率。 當(dāng)電阻R和電容C為已知時(shí)，該頻率可按f（c）=1/（2 n RC）式計(jì)算。 在明顯低于截止頻率時(shí)

53、，曲線呈直線下降，遞減率為 +20dB/十倍頻程（換言之，頻 率加倍，信號(hào)幅度就加倍） ，這種特性與微分電路網(wǎng)絡(luò)的特性是相同的，其輸出與 輸入量的變化率成比例。 當(dāng)頻率高于截止頻率時(shí)，曲線在“單位增益”上呈水平狀，其輸出與輸入大小成正 比。 濾波的特性曲線可以近似為二條相交叉的直線， 但量值實(shí)際上是一條漸近曲線， 在 截止頻率這里成直線交叉，量值為 -3dB。 然后，將濾波器的傳輸特性乘上信號(hào)的頻譜，可將此特性曲線應(yīng)用于任何實(shí)際信號(hào) 的頻率域描述，并導(dǎo)出可變換回時(shí)間域信號(hào)的響應(yīng)曲線（輸出） 。 稍后還將給出這種濾波器特性效應(yīng)的一些實(shí)際舉例。 就每個(gè)信號(hào)而言， 首先給出“理 想源”（即濾

54、波器特性不存在時(shí)可通過(guò)示波器觀察波形）的時(shí)間域描述，接著是其頻譜 （可以利用分析軟件所提供的 FFT （快速傅立葉變換）算法求得）。再下來(lái)是濾波特性 （所有的例子均相同，但重點(diǎn)是看效應(yīng)） ，再后來(lái)，將復(fù)雜的輸入頻譜通過(guò)復(fù)雜的濾波 特性放大，再用逆FFT變換求得相應(yīng)的時(shí)間域描述，這就形成了工程師們最終期望觀察 到的波形。 注：圖15、16、17中，用來(lái)產(chǎn)生曲線的R~C數(shù)值分別是：R=1血，C=4.5nF,在下 列的圖上，C值降為1.5nF，為了說(shuō)明原理人為的確定了這些值，所以在曲線上并未標(biāo) 出比例。但時(shí)間波形是可以讀出來(lái)的，在 X軸上用秒表示，頻率曲線在 X軸上用Hz表 示。當(dāng)R=1血和

55、C=1.5nF時(shí)的截止頻率約為106Hz= 圖18在高頻正弦波輸入波形上的 R-C濾波器效應(yīng) 表示了一個(gè)穿過(guò)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)高 頻的正弦波。在輸入頻譜上，信號(hào)表示為一條適當(dāng)頻率的單譜線。頻率剛好低于“截止” 頻率，所以稍稍被網(wǎng)絡(luò)衰減。最后的輸入波形幅度有所減少，相位也稍漂移。 1.）輸入波形 2）輸入頻譜 3）濾波器特性 4）輸出頻譜  5）輸出波形 圖19 R-C濾波器對(duì)低頻正弦波輸入波形的影響 與上圖相同，但是一個(gè)較慢的正弦波。此時(shí)的衰減就大得多，相移也比較大。當(dāng)試圖采 用壓電傳感器來(lái)監(jiān)控“太慢”頻率的穩(wěn)定振動(dòng)時(shí)，就出現(xiàn)這種情況。當(dāng)用作控制環(huán)時(shí)， 這種相位特性可能比較顯

56、著。 1）輸入波形 2）輸入頻譜 3）濾波器特性 4）輸出頻譜 5）輸出波形 圖20. R-C濾波器對(duì)諧波串輸入波形的影響 表示了一個(gè)諧波串，數(shù)個(gè)離散譜線全在 截止頻率以下。每一個(gè)的衰減程度并不相同，所以，輸出信號(hào)中的諧波“平衡”就是交 變的。 1）輸入波形 C 事： CJ： DJ- D.I 2）輸入頻譜 14X 1 nr 1 1 J - — 一』\ .八. | l 7」 - ]0

57、1Q 3）濾波器特性 4）輸出頻譜 5）輸出波形 阿2曲帕鄴卜沁心缶尸帥加卜A 丿 J h ? I I ■ I 一 J J.J U ] a IM 表示了一個(gè)慢半正弦輸入脈沖 圖21.R-C濾波器對(duì)慢半正弦波瞬態(tài)輸入波形的影響 （很多機(jī)械沖擊信號(hào)的特徵），盡管高頻成分大部分沒(méi)變，但其輸出波形卻嚴(yán)重失真, 明顯表示出正、負(fù)二種偏移，而輸入波形卻是單極性的 1）輸入波形

58、 2）輸入頻譜 3）濾波器特性 4）輸出頻譜 5）輸出波形 圖 22. R-C 濾波器對(duì)慢鋸齒波瞬態(tài)輸入波形的影響 表示了一個(gè)鋸齒波，有一個(gè)慢 的“上升前沿”和一個(gè)突然跌落于零的后沿。很多壓電膜開(kāi)關(guān)被用來(lái) 檢測(cè)這種機(jī)械過(guò)程。從輸出波形上看，“前沿”幾乎不存在了，但“跌 落”的后沿幾乎保持原幅度，注意輸出脈沖極性與

59、輸入波形相對(duì)極性。 1）輸入波形 2）輸入頻譜 11001  3）濾波器特性 <1 [| C ?1 L：Crt 4）輸出頻譜 5）輸出波形 溫度效應(yīng) 壓電膜的諸多特性都 是隨激勵(lì)頻率和溫度而變 化的。這種特性隨頻率或 溫度的變化是可逆的和可 重復(fù)的。 IK IJW 23, PVDF d 33常數(shù)的熱穩(wěn)定性 此外，從圖23可以看 到在70C退火后，長(zhǎng)時(shí)間 曝露在升高的溫度下時(shí)， PVDF壓電應(yīng)變常數(shù)d33的 永久性衰變。 圖24, PVDF d 33和g33常數(shù)的溫度系數(shù) 當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定溫度之后，材料特性 就隨時(shí)間保持恒定?？蓪弘娔ね嘶?至特定的工作（或最大存

60、儲(chǔ)）溫度， 以實(shí)現(xiàn)高溫應(yīng)用時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。圖 24給出了 PVDF可逆溫度對(duì)d3i和g3i 系數(shù)的影響。 在圖25a和25b中，給出了共聚 體壓電薄膜的溫度對(duì)其介電常數(shù)（& / & °）和耗散因數(shù)（tan S e）的影響。 在非常低（深冷）的溫度下，壓電膜已表現(xiàn)出極佳的傳感器特性。 圖25a，介電損耗角正切與溫度的關(guān)系 圖25b,介電常數(shù)與溫度的關(guān)系 TW/FlEq CUhVED DELECTFD 5W 5O0S SAVLE ito城毗 ?停伽十Maw -■■翱 htt 十 HUDHI f-IIIHZ -?■ lUMt! -<-IDU'KMr

61、 壓電電纜及其特性 壓電共聚物技術(shù)的最新研究成果之一就是壓電電纜， 壓電電纜外形與標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜 相同（16~24號(hào)線規(guī)）。但是在銅編織防護(hù)套和內(nèi)蕊導(dǎo)線之間采用了壓電共聚物作為絕 緣體（圖26）。這種電纜外部還有聚乙烯護(hù)套，應(yīng)用于埋入或電子籬笆保安系統(tǒng)，以及 交通傳感探測(cè)器包括車輛分類和行駛中重量稱量系統(tǒng)和飛機(jī)分類、 安全、保衛(wèi)機(jī)場(chǎng)跑道 等應(yīng)用的飛機(jī)分類、安全、保衛(wèi)傳感探測(cè)器等。其他應(yīng)用還有抗干擾、門安全監(jiān)控、地 墊、觸模板，病床監(jiān)控等用的各類傳感探測(cè)器。 這種新型電纜的特性與壓電膜傳感器特 性相同。其輸出與電纜所受的力成比例。長(zhǎng)而薄的壓電絕緣層可以產(chǎn)生相對(duì)

62、低的輸出阻 抗（600nF/m）,對(duì)壓電器件來(lái)說(shuō)是罕見(jiàn)的。 可探測(cè)遠(yuǎn)距離由雨或冰雹引起的小幅振動(dòng)， lOOMpa壓力，標(biāo)準(zhǔn)工作溫度為~40~+125C 表4，Kynar壓電電纜標(biāo)準(zhǔn)特性 Fifl^Lirc 26. Pieuo! cable con struct ion 纜標(biāo)準(zhǔn)特性：壓電電纜在沖擊負(fù)荷增加時(shí) 的輸出靈敏度表示在圖27a，圖27b所示 參數(shù) 單 位 數(shù)值 電容 應(yīng)變強(qiáng)度 You ng模數(shù) 密度 聲阻抗 相對(duì)介電常數(shù) tan S e 靜水壓力、壓電系數(shù) 縱向壓電系數(shù) 靜水壓力壓電系數(shù) 機(jī)電耦合 能量輸出 電壓輸出 PF/m MPa GPa Kg/

63、m3 MRay1 @1kHz @1kHz pC/N Vm/N Vm/N % mJ/Strai n(% ) kV/Strai n(% ) 600 60 2.3 1890 4.0 9 0.017 15 3 250 X 10 3 150 X 10 20 10 5 電纜的動(dòng)態(tài)范圍是最主要的（＞200dB，即 也可線性感應(yīng)重型卡車的震動(dòng)。電纜可承壓 。表4列出了電纜標(biāo)準(zhǔn)特性。 為應(yīng)力增加時(shí)的輸出線性，這是所有規(guī)格壓電電纜的標(biāo)準(zhǔn)情況 圖27a.靈敏度與負(fù)載的關(guān)系 圖27b.壓電電纜的線性 壓電基礎(chǔ) 機(jī)電變換 像海綿可以擠出水

64、一樣， 當(dāng)壓電材料受壓時(shí)產(chǎn)生電荷， 其信號(hào)幅度和頻率直接與壓 電材料的機(jī)械變形成正比。 變形使材料表面電荷密度發(fā)生變化， 于是就在加了電極的表 面之間產(chǎn)生出電壓。 當(dāng)所加的力反向時(shí)， 輸出電壓的極性也同時(shí)反相。 一個(gè)往復(fù)力會(huì)得 到交變的輸出電壓。 壓電薄膜， 也像所有的壓電材料一樣， 是一種動(dòng)態(tài)材料， 所產(chǎn)生的電荷與所加機(jī)械 應(yīng)力的變化成正比。由于材料的內(nèi)部阻抗，不適用于靜態(tài)測(cè)量（純直流） 。壓電膜所產(chǎn) 生的電荷的衰減時(shí)間常數(shù)， 取決于膜本身的介電常數(shù)、 內(nèi)阻，以及壓電膜所接接口電路 的輸入內(nèi)阻。實(shí)際上，壓電膜最低可測(cè)頻率可達(dá)到 0.001Hz。有許多方法可實(shí)現(xiàn)純直流 響應(yīng)，但要求壓電膜既

65、用作執(zhí)行器， 又作為傳感器， 監(jiān)控著直流過(guò)程所產(chǎn)生的執(zhí)行結(jié)果 的變化。 對(duì)電荷或電壓， 固有的壓電常數(shù)預(yù)告了對(duì)小應(yīng)力 （ 或應(yīng)變 ） ，壓電共聚物所能產(chǎn)生的 電荷密度（單位面積的電荷）或電壓場(chǎng)（單位厚度的電壓） 。 電荷模式 ： 在近于短路的情況下，所產(chǎn)生的電荷密度可用下式表示： D = Q/A = d3nXn （n = 1, 2 或 3） 所加應(yīng)力（或應(yīng)變）的機(jī)械軸（n），通常為： 1 = 長(zhǎng)度（或拉伸）方向 2 = 寬度（或橫向）方向 3 = 厚度方向 式中： D = 所產(chǎn)生的電荷密度 Q= 所產(chǎn)生的電荷 A = 導(dǎo)電極面積 D3n = 與所加應(yīng)力或應(yīng)變軸所對(duì)應(yīng)的壓

66、電系數(shù) n = 所加應(yīng)力或應(yīng)變軸 Xn = 相關(guān)方向上所加的應(yīng)力 必須指出，d3n系數(shù)一般表示為每牛頓皮庫(kù)侖（pC/N）,但由于受力面積（m2）往往 并不相同，而又不能 “相消”，所以較確切的表達(dá)式應(yīng)該是 （pC/m2）/（N/m 2）。 電壓模式 : 開(kāi)路輸出電壓，可用下式表示： Vo = g 3nXnt （n = 1, 2 或 3，與上述相同 ） 式中： g = 與所加應(yīng)力或應(yīng)變軸相應(yīng)的壓電系數(shù) Xn= 相關(guān)方向上所加應(yīng)力 圖28.軸向數(shù)碼分類 t =壓電膜厚度 壓電常數(shù)： 應(yīng)用最廣泛的壓電常數(shù)d3n和g3n，即電荷 和電壓，分別具有二個(gè)下角標(biāo)。前者指電軸， 后者指機(jī)械軸。由于壓電膜很薄，所以電極只 能在上、下表面。由于電荷或者電壓總是通過(guò) 膜的厚度（n=3）來(lái)傳輸，因此，電軸便總是3” 如圖28所示，機(jī)械應(yīng)力可以加在任何軸向， 所以，機(jī)械軸可以是1、2,或3。 通常，將壓電膜的機(jī)械軸向1用于低頻傳感和驅(qū)動(dòng)（vlOOkHZ，而機(jī)械軸向3則用 于高頻超聲傳感和驅(qū)動(dòng)（＞1OOKHZ。 方向特性: 壓電材料是各向異性的，也就是電和機(jī)械響應(yīng)不同并取決于所加電場(chǎng)軸