常見的壓電薄膜傳感器的工作原理以及應(yīng)用場合解析

人類社會(huì)的進(jìn)步離不開社會(huì)上各行各業(yè)的努力，各種各樣的電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代離不開我們的設(shè)計(jì)者的努力，其實(shí)很多人并不會(huì)去了解電子產(chǎn)品的組成，比如壓電薄膜傳感器。

壓電薄膜傳感器原理

壓電薄膜傳感器具有獨(dú)特的特性。作為一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，非常適用于監(jiān)測人體皮膚表面或植入人體的生命信號(hào)。一些薄膜元件足夠靈敏，可以通過夾克檢測人體脈搏。工財(cái)網(wǎng)將重點(diǎn)介紹幾種壓電薄膜在生命體征監(jiān)測中的典型應(yīng)用。

當(dāng)你拉伸或彎曲一塊壓電聚偏氟乙烯PVDF聚合物薄膜(壓電薄膜)時(shí)，薄膜上下電極表面之間會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)(電荷或電壓)，其變形與拉伸相同或彎曲。按比例。一般壓電材料對(duì)壓力敏感，但對(duì)于壓電薄膜來說，當(dāng)縱向施加很小的力時(shí)，橫向會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，如果同樣的力作用在大面積的薄膜，它產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)小很多。因此，壓電薄膜對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力非常敏感。28μm 厚 PVDF 的典型靈敏度為 10~15mV/微應(yīng)變(長度變化的百萬分之一)。

使用術(shù)語“動(dòng)態(tài)應(yīng)力”是因?yàn)樽冃萎a(chǎn)生的電荷將從連接到薄膜的電路中丟失，因此壓電薄膜無法檢測靜態(tài)應(yīng)力。當(dāng)需要檢測不同水平的預(yù)應(yīng)力時(shí)，這就是壓電薄膜的優(yōu)勢。薄膜只感覺應(yīng)力變化量，最低響應(yīng)頻率可達(dá)0.1Hz。

壓電薄膜傳感器的應(yīng)用

接觸式傳感器

利用壓電薄膜的動(dòng)態(tài)應(yīng)變片特性，可以方便地將壓電薄膜直接固定在人體皮膚上(如手腕內(nèi)側(cè))。精良電子-美國MEAS傳感器產(chǎn)品型號(hào)1001777為通用型傳感器，傳感器一側(cè)涂有壓敏膠。但是，但這款膠未經(jīng)生物兼容性認(rèn)證。在短期測試中，可以將3M9842(聚氨酯膠帶)固定在皮膚上，然后將壓電薄膜傳感器粘貼在3M膠帶上。

壓電薄膜之所以能夠檢測到非常小的物理信號(hào)并感受到大量的活動(dòng)，是因?yàn)镻VDF薄膜的壓電響應(yīng)在相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)是線性的(大約14個(gè)數(shù)量級(jí))。在大多數(shù)情況下，只要能夠清楚地區(qū)分目標(biāo)信號(hào)的帶寬和噪聲，就可以通過濾波器收集到較小的目標(biāo)信號(hào)。類似的傳感器已用于睡眠障礙研究，以檢測胸部、腿部、眼部肌肉和皮膚的運(yùn)動(dòng)。此外，傳感器還可以作為指標(biāo)(神經(jīng)肌肉傳導(dǎo))，通過檢測肌肉(例如拇指和食指之間的肌肉)對(duì)電擊的反應(yīng)來測試麻醉效果。

病床監(jiān)護(hù)

可以在床墊上安裝壓電薄膜和壓電電纜，以檢測患者的心跳、呼吸和身體運(yùn)動(dòng)。Hoana Medical Inc.的監(jiān)控床警報(bào)系統(tǒng)在床墊和床單之間安裝了一組傳感器。當(dāng)患者坐在或躺在監(jiān)護(hù)床上時(shí)，傳感器可以通過衣服和床單準(zhǔn)確測量和收集患者的生命信息。靈活開關(guān)用于采集靜態(tài)信號(hào)。 所有病人的動(dòng)態(tài)信號(hào)都被壓電薄膜采集并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，顯示在床邊的監(jiān)視器上。當(dāng)患者心率、呼吸頻率異常，或患者擅自下床時(shí)，系統(tǒng)可提前報(bào)警。所有這一切都由傳感器完成，無需與患者直接接觸。

呼吸熱電監(jiān)測

PVDF 對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)變化也非常敏感(28μm 厚的壓電薄膜的典型值為 8V/oC)。英國C-Lect醫(yī)療公司開發(fā)了一種監(jiān)測呼吸頻率的監(jiān)測器。一小片壓電薄膜元件用面罩固定在口鼻上，吸入和呼出的空氣的溫度變化產(chǎn)生強(qiáng)烈的電信號(hào)。即使吸入加熱的氧氣/空氣，測量結(jié)果仍然非常準(zhǔn)確。PIPPA 監(jiān)護(hù)儀由電池供電，LCD顯示每分鐘呼吸次數(shù)。

由壓電薄膜制成的唇部接觸傳感器使用相同的原理來檢測通過嘴巴或鼻子的氣流。與熱敏電阻相比，壓電薄膜具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、柔軟、檢測面積大等優(yōu)點(diǎn)。本文只能帶領(lǐng)大家對(duì)壓電薄膜傳感器有了初步的了解，對(duì)大家入門會(huì)有一定的幫助，同時(shí)需要不斷總結(jié)，這樣才能提高專業(yè)技能，也歡迎大家來討論文章的一些知識(shí)點(diǎn)。