压电薄膜传感器中文技术手册知识分享

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 第三部分引线装接技术 频率响应 压电薄膜低频响应第四部分 第五部分 第六部分 第七部分 第八部分温度效应 压电膜电缆及其特性 压电基础热电基础 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第十二部分加速度计超声应用医用成像NDT无损探伤）液位传感器第十三部分声频 扬声器 话筒第十四部分第十五部分声纳 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 第十七部分 第十八部分 引言压电薄膜的应用 压电薄膜论文索引 超声油墨位面感测的讨论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。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。 PVD!对720卩m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 的菲涅尔透镜可图1. PVDF薄膜的典型红外吸收频谱波长（卩m）馮a hi对1 lumi67 H 9 ID 12 IS 竝史百50以探测到50，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（135C）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1200卩m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 0.001 Hz10 9HZ-8 6宽动态范围（10 10 Psi或卩torrMbar ）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/卩m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 0=pu）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135C。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720卩m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付号参数PVDF共聚体单 位T厚度9,28,52,110各种um(micron, 10 -6)d3i压电应变常数2311d33-33-38g31压电应力常数216162g33-330-542k3i电一机耦合常数12%20%)Kt14%25-29%C电容380 (28 卩 m)68 (100 卩 mPF/cm21kH;YYoung模量2-43-59210 N/mV0声速拉伸 厚度1.52.3310 m/s2.22.4P热电系数304010-6C/nf kE介电常数106-11365-7510-12F/m / 0相对介电常数12-137-8P m质量密度1.781.82 310 kg/mP e体电阻率13101410电阻计R表面金属化电阻率2.02.0Q / 平方(CuNi)R0.10.1Q /平方（Ag油墨）tan损耗角正切0.020.0151kHz屈服强度45-5520.30106N/M (拉伸轴)温度范围-40 至 80-40 至 115 145C吸水性0.020.02%HO最咼工作电压750 (30)750 (30)V/mil(V/ 卩 m),DC,25C击穿电压2000 (80)2000 (80)V/mil(V/ 口 m),DC,25C表2压电材料比较表特性单位PVDF膜PZTBaTi03密度/八3,310 kg/m1.787.55.7相对介电常数 / 0121,2001,700d31常数-12(10 )C/N2311078g31常数(10-3)Vm/N216105k31常数% at 1kHz123021声阻抗6 2(10 )kg/m -sec.2.73030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 15x40mn并在12x30mn有效面积上两面印 有银墨电极的标准MSI压电膜结构。1、电一机变换（1 方向）25x10-12 mN, 700x10 M（3方向）33x10-12m/V 2、机一电变换（1 方向）12x10-3Vy / , 400x10 -3V/ 卩 m 14.4V/N3（3 方向）13x10- V/N 3、热一电变换8V/ K（25C） 4、电容1.36x10-9F,耗散系数 0.01810kHZ阻抗 10kZH2KQ 5、最大工作电压DC:280V （ 1方向上，产生7卩m位移量）AC:840V （1方向上，产生21卩m位移量）&最大受力（d31方向上，断裂）*1JU |4L0 P-KI-HI71TI图4, DT1元件WSSF69kgF （电压输出 8301275V）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（4050KHZ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：LDT1028K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720卩m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（0.011Hz）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/C,可能观察到显著的漂移。注：Kynar是Elf Atochem NA 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10MQ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 =1/2 RC 时间常数为t =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 （RC1）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 LDT1028K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（mQ）。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150500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。图4.有关“问题”部分就讨论到此，下面将给出“答案”。方法图4Ul ILHHLiAl LU IpvrazrnbFrwHKLE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。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。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，但结果显图5.镀通孔图6,电极镀通孔与印制电路板用螺栓固定图7.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和丫轴有很高的 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Figure 乩新.初期的结果似乎很有希望。 显然可用这方法直接连接PCB 板或条，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 有传输胶带一样，这种材料有一 种倾向即将其衬片粘在边缘并 在去除衬片时产生”卷边“注意： 这一产品已被采用易撕衬片的 改进版倂9703）取代.可能不太容易买到BlJ EJCTTW O_IET=iaQ：导电环氧胶这通常可买到并是 双组份（胶和固化剂）。通常所 需要的少量的精确称量和混合 是相当困难的。现已有产品是 单组份，预混好的材料，在低 温存储并在室温使用和固化。 任何环氧胶混合物的固化通常 都用高温来加速，但由于压电 薄膜有较温和的高温性能，固 化通常是一个常过程（许多小时） 般都在被粘接部件上用夹具夹 紧。同样，有预焊片的箔片可被用来扩展合理的接触面积，对用”通常”的环氧胶的最终加强可以放心 不利因素：使用困难，固化时间长，较高的成本，存储时间短.低熔点合金有些合金（如铟/锡/铋）与其说是焊剂不如说是易熔金属,在一定温度 熔化可使其与合适的金属化层（如金,铜,银银墨）一起用于压电膜.通常需要腐蚀性 很强的焊药，接头可能会很脆.机械强度受金属化层与薄膜表面粘接的限制，因而 再强调，用环氧胶加强是有帮助的.对小且不需要很高机械强度的接头，这种技术 是有用的.不利因素：只有某些金属化层是合适的，样品量很难提高.机械强度有 限（铟合金）.Zebra接头与制作LCD显示用触点一样用绝缘橡胶与导电橡胶摈接.可制成高密 度多触点.触点的外部夹固是需要的.机械紧固将薄膜夹在两个导电表面（可用一层导电薄橡胶）可得到很好的效果.两 个环可为薄膜和扬声器等提供支撑.容性藕合在某些应用中，在压电膜上不需要金属电极.薄且不导电胶可将未金属化 薄膜固定在导电表面.导电表面在应用中实际上成为薄膜的电极.在对应所需要的 有效传感面积一面有导电焊盘的 PCB是这一概念的具体化.薄膜的另一面可用接地 电极金属化.可用胶或不用胶将薄膜夹在两个导电表面之间形成电极 .用户蚀刻压电薄膜电极从MSI即可买到银墨丝网印刷图形电极也可买到真空溅射镀膜图形电极，有时，客户采购完全金属化的片材用于实验，制做他们自己想要的电极 . 这对丝网印刷银墨是困 难的, 因为不容易腐蚀和机械编织 . 对真空溅射镀膜电极 , 标准的光刻技术非常好 .为在压电膜上制导电图形穿透而不短路上下电极 , 可采用真空沉积电极法 （ 注意: 不是为银墨推荐的 ）.电源（9V电池）的一端通过一个导电焊盘或机械压力连接到薄膜上 .另一端连到导 电点（针,导线端子等 ）需要隔离的部分拖在周围即可 , 通常有效电流通过并在接触点产 生电弧 , 金属化层被蒸发 . 同心”保护环 ”用以曾加可靠性 .对薄真空溅射镀膜金属化更复杂的图形 , 用感光气溶胶（如果需要在两面 ）喷涂压 电薄膜是可能的.固化的感光气溶胶可通过掩模由 UV（紫外）光曝光,象传统的PCBi术 那样, 然后浸入腐蚀剂。非常薄金属层的蚀刻过程仅需几秒即可完成。用标准PCB腐蚀剂（三氯化铁）进行铜/镍金属化蚀刻是很好的.要得到较好的结 果，其它金属需要特殊的腐蚀剂 （对金用王水 ）. 切记金属化层可能只有几百个埃 （300700A）, 因而细图形极易造成划痕和裂纹 .高电压技术将压电膜用于振动激励需考虑几点， 由于电容变送器的阻抗随频率减小和在低频时 接近无穷大，可能需要较高电压驱动 （通常几百伏 ） ，例如，全声频范围扬声器。通常， 用变压器提升电压以提供所需驱动信号。 在这种情况下，在连接部位可能有较大的应力。 首先考虑给一个有2欧姆全电路阻抗的100NF电容供30V电压。初始电流脉冲峰值15 安培 （ 假设供电能力可以达到此值 ）。这样一个电流 ”尖峰信号”可以曝露连接点上的 缺陷 .接着考虑一个间隔12V信号直到240V的变压器.一个200uA在初级的直流（DC）电 流（对应 一个0.5V所施电压），当断路时，可能在次级电路造成830V的电压浪涌，大 大超过所期望的 20倍放大系数。即使带有很大的容性负载，还是可以看到高电压。更 糟的是，如果次级电路断路，会产生超过 60A历程10纳秒的电流脉冲。这种现象对良 好的接头不会有问题。 但是，如果某种引线连接法会造成任何气泡， 所减小的压电常数 效应会引起 击穿。这种事件是灾难性的，熟悉的爆裂声和蓝色的电弧可以证明。答案是 :1）银墨电极是必需的 - 薄真空溅射电极不能承受高电压 .2）大面积触点减小应力 . 我们将银墨涂在空心铆钉 /铆钉周围 以获得附加的薄膜电极 传导路径.3）（ 可能的 ）一个半导体触点以减小电流浪涌 相当于在电路中串联电阻 . 实际值达1K欧姆将仅产生小数位的输出损失，并减小电流尖峰值.频率响应与压电陶瓷传感器不同，压 电膜传感器具有很宽的动态范 围，并是宽带的。这种宽带特 性（接近DC到2GHz和低Q值部 分地归因于聚酯材料的柔性。 用做传声器时，将弯曲的压电 膜器件两端固定，按长度（d3i） 模式振动，如图10所示。压电 膜是一种保真度极高的高音喇 叭，也可应用在玩具、充气物 品和游戏具中做新颖扬声器。图10，d3i方向模的压紧压电膜产生声d3i模式（图10），也可以用在空气中的超声测距，频率可达约50kHz。当用作高频超声发送器（一般500KHZ时，压电膜通常是按厚度（d33）模式工作 最大传送量发生在厚度谐振时。28呵的压电膜基本半波长谐振频率约为 40MHz2：2 ;7/see图11,介电常数、损散因数与频率的关系。从以上可以看出，谐振值的大小决定 于膜厚，其范围为：对厚膜为几MHz （1000m到对非常薄的膜大于100MHz以 上。图11给出了在室温条件下频率对介电常数 和耗散因数的影响。当介电常数&非常低 时（压电陶瓷的1%）,压电膜的g常数（电压 输出系数）要比压电陶瓷的大得多（g = d/压电膜在低频时的特性引言压电膜在低频时的特性应直接以电气术语来表述，但常常造成曲解 |.由于这一技术 的任何实际应用都几乎涉及这个问题，本文想用一定的篇幅分析这个题目，并尽可能地 以非数学型式处理，采用语言描述和实例表达概念，假设有些读者精通用 FFT技术来变 换时间域和频率域，但并不重要。连接通常，对压电膜的初步评价，是将一个压电器件用一个探头（示波器探头）连接到 示波器上。一般来说，示波器探头可以视作“无穷大阻抗”，由于非常大，在测试中对 电路的影响可以忽略不计。但在很多情况下，对压电膜并非如此，示波器探头的接入几 乎是短路，典型的探头，当其接入示波器时，则有 1MQ的有效电阻，也有的是10MQ, 而也有不少为了方便起见可在 1MQ （x1）和10MQ （x10）之间转换，包括1MQ阻抗的物理 要素通常是示波器内的输入级，而不是指探头内的单独元件。一个“X1”探头实际上就 是一段两端有相应触点的屏蔽电缆。源电容为分析接上探头之后将产生什么情况，我们需要考虑压电膜器件的特性。也许最为 重要的特性（当然是在压电特性之后）就是材料的电容。电容是任何一种元件的储存电 荷能力的量度，并且总是在两块导电板相互靠近时存在。 本文中所指的导电板就是压电 膜每一面上所印刷或金属化出来的导电极，该器件的电容主要受电极之间分离电极的绝 缘体特性的影晌，绝缘体储存电荷能力的度量由它的介电常数表述。与大部分聚合物材料相比，PVDF的介电常数很高，大约为12 （相对于自由空间介 电常数）。显然，一个元件的电容量是随其导体面积的加大而增加，所以，一大片压电膜的电容要大于小元件的电容。同时，电容量也随厚度的减少而增大。因此，相同的几何表3，常用压电膜元件的电容值面积，薄压电膜的电容量要比厚膜的大。名称零件No.电容量上述关系可以写为：C= A/tLDT0-028K/L0-1002794-1式中：500dFc压电膜的电容量DT1-028K/L1-1002908-01.3nF 介电常数（也可以表小为& = r ,DT1-052K/L2-1002908-0650pF相对介电常数（对 PVDF约为12），DT2-028K/I1-10037442 6nfF 自由空间的介电常数DT4-028K/I1-1002150-09nF-12(8. 854 X 10 F/m)8” X 11 ” 28. m1-1003702-430nFA 压电膜电极的有效面积（重叠部分）HYD-CYL-1000-1001911-143pFt 膜厚电容的单位为法拉（F）,但通常碰到的是小得多的单位；微法（uF或10-6F），毫微 法（nF或10-9F;皮法（pF或10-1乍）。图12,压电膜元件等效为简单的电压发生器任何压电膜元件的电容都可以用公式 来计算，也可以用手持电容表或仪表（如I1LCR桥）直接测量。电容值应当是在给定的测量频率上（通 常定为1kHz）测得的，压电膜元件的电容值一般随测量频率的提高而下降 压电膜等效电路下面我们来画一个压电膜元件的等效 电路。这里有二个同样有效的模型，一个 是：一电压源与一个电容相串联；另一个 是：一个电荷发生器与电容相并联，后者 在电路分析上不常用。我们将集中对电压 源分析（见图12）。虚线部分表示压电膜元件“内含的部分”，电压源（VS）本身就是个压电发生器。 该电压源与所加的激励源（压力、应力等）成正比。本文的目的并非在相关的计算上面, 重要的是认识到这个电压将绝对地依赖于所加的激励，这是一个“理想”源。然而，我们应该注意到，标有“ X”的节点，是根本不可能接近的。当我们在电极 上检测压电膜的“输出”时，膜电容 Co总是存在并接在电路中的。加入电阻性负载图13,接入示波器作为电阻负载JFL现在我们加进示波器接入时的效应， 可以将示波器及其探头简化为一个纯电阻， 尽 管实际上有一个很小的与探头和电缆相关的电容（一般约 3050pF）。若压电膜的电容 非常高，那这个小电容就可以忽略不计。在负载电阻R两端所测得的电 压，不需要与“理想”源所产生的电压相 同。为看出为什么，用另外一种方式 重新画这个电路是有帮助的。分压器将图13所示的电路重画成图14 的形式，不难看出，全部的源电压并 不总是出现在电阻负载的二端。将电容和电阻串联起来就构成了一个分压器 由于电容有阻抗并随频率变化，所以，显现在 两端的全部源电压的一部分也随频率而变化。显现在R两端的Vs电压的VL部分按下式计算:（j表示V 1 , Xc为电容元件的电抗。为简化起见，我们忽略了压电膜的阻抗的电阻分 量）。可以将上述公式在激励频率为常数的简单情况下用来简单地计算期望观察到的电 压电平，这样简单地变化f值即可。然而，在不少实际情况下，在频带范围内还可能存 在一个信号能量的分布问题。这样，就有必要把网络的“频率响应”考虑进去。Figure Magnitude response of R-C filter频率响应频率响应用以下实例曲线图表示，Figure 17. Magnitude response shown as log/log plot性图表（图15,线性丫量 或幅度相对线性X量或频 率）以及相应相位图（图 16）也是以线性/线性形式 表示的。然后是对数/对数 图（见图 17），这一部分 将涉及一些细节。请注意，相位曲线显示， 在非常低的频率上，观察 到的电压与源电压存在着 显著的相移（限制在 90 或者是在“ DC或零Hz时 为冗/2弧度）。如果压电 膜元件是被用作控制环节的 一部分，那么这种效应的影 响就很大。对数/对数R-C频率响应曲线分析几个关键特性：该网络的完整特性视作高通滤波器。增益下降到0.707或者-3dB时的频率，称作高通滤波器的“截止”或“角”频率。当电阻R和电容C为已知时，该频率可按f（c）=1/（2 n RC）式计算。在明显低于截止频率时，曲线呈直线下降，递减率为 +20dB/十倍频程（换言之，频 率加倍，信号幅度就加倍） ，这种特性与微分电路网络的特性是相同的，其输出与 输入量的变化率成比例。当频率高于截止频率时，曲线在“单位增益”上呈水平状，其输出与输入大小成正 比。滤波的特性曲线可以近似为二条相交叉的直线， 但量值实际上是一条渐近曲线， 在 截止频率这里成直线交叉，量值为 -3dB。然后，将滤波器的传输特性乘上信号的频谱，可将此特性曲线应用于任何实际信号 的频率域描述，并导出可变换回时间域信号的响应曲线（输出） 。稍后还将给出这种滤波器特性效应的一些实际举例。 就每个信号而言， 首先给出“理 想源”（即滤波器特性不存在时可通过示波器观察波形）的时间域描述，接着是其频谱（可以利用分析软件所提供的 FFT （快速傅立叶变换）算法求得）。再下来是滤波特性 （所有的例子均相同，但重点是看效应） ，再后来，将复杂的输入频谱通过复杂的滤波 特性放大，再用逆FFT变换求得相应的时间域描述，这就形成了工程师们最终期望观察到的波形。注：图15、16、17中，用来产生曲线的RC数值分别是：R=1血，C=4.5nF,在下 列的图上，C值降为1.5nF，为了说明原理人为的确定了这些值，所以在曲线上并未标 出比例。但时间波形是可以读出来的，在 X轴上用秒表示，频率曲线在 X轴上用Hz表 示。当R=1血和C=1.5nF时的截止频率约为106Hz=图18在高频正弦波输入波形上的 R-C滤波器效应表示了一个穿过网络的相对高频的正弦波。在输入频谱上，信号表示为一条适当频率的单谱线。频率刚好低于“截止” 频率，所以稍稍被网络衰减。最后的输入波形幅度有所减少，相位也稍漂移。1.）输入波形2）输入频谱3）滤波器特性4）输出频谱5）输出波形图19 R-C滤波器对低频正弦波输入波形的影响与上图相同，但是一个较慢的正弦波。此时的衰减就大得多，相移也比较大。当试图采 用压电传感器来监控“太慢”频率的稳定振动时，就出现这种情况。当用作控制环时， 这种相位特性可能比较显著。1）输入波形2）输入频谱3）滤波器特性4）输出频谱5）输出波形图20. R-C滤波器对谐波串输入波形的影响表示了一个谐波串，数个离散谱线全在截止频率以下。每一个的衰减程度并不相同，所以，输出信号中的谐波“平衡”就是交 变的。1）输入波形C事：CJ：DJ-D.I2）输入频谱14X1nr1 1J-一 .八.| l7-01Q3）滤波器特性4）输出频谱5）输出波形阿2曲帕邺卜沁心缶尸帥加卜A 丿JhIII一JJ.JU aIM表示了一个慢半正弦输入脉冲图21.R-C滤波器对慢半正弦波瞬态输入波形的影响（很多机械冲击信号的特徵），尽管高频成分大部分没变，但其输出波形却严重失真,明显表示出正、负二种偏移，而输入波形却是单极性的1）输入波形2）输入频谱3）滤波器特性4）输出频谱5）输出波形图 22. R-C滤波器对慢锯齿波瞬态输入波形的影响表示了一个锯齿波，有一个慢的“上升前沿”和一个突然跌落于零的后沿。很多压电膜开关被用来 检测这种机械过程。从输出波形上看，“前沿”几乎不存在了，但“跌 落”的后沿几乎保持原幅度，注意输出脉冲极性与输入波形相对极性。1）输入波形2）输入频谱110013）滤波器特性1 |C 1L：Crt4）输出频谱5）输出波形温度效应压电膜的诸多特性都 是随激励频率和温度而变 化的。这种特性随频率或 温度的变化是可逆的和可 重复的。IKIJW23, PVDF d 33常数的热稳定性此外，从图23可以看 到在70C退火后，长时间 曝露在升高的温度下时， PVDF压电应变常数d33的 永久性衰变。图24, PVDF d 33和g33常数的温度系数当达到稳定温度之后，材料特性 就随时间保持恒定。可将压电膜退火 至特定的工作（或最大存储）温度， 以实现高温应用时的长期稳定性。图 24给出了 PVDF可逆温度对d3i和g3i 系数的影响。在图25a和25b中，给出了共聚 体压电薄膜的温度对其介电常数（& / & ）和耗散因数（tan S e）的影响。 在非常低（深冷）的温度下，压电膜已表现出极佳的传感器特性。图25a，介电损耗角正切与温度的关系图25b,介电常数与温度的关系TW/FlEq CUhVED DELECTFD 5W 5O0S SAVLEito城毗 停伽十Maw-翱 htt 十 HUDHI f-IIIHZ - lUMt! -IDUKMr压电电缆及其特性压电共聚物技术的最新研究成果之一就是压电电缆，压电电缆外形与标准同轴电缆相同（1624号线规）。但是在铜编织防护套和内蕊导线之间采用了压电共聚物作为绝 缘体（图26）。这种电缆外部还有聚乙烯护套，应用于埋入或电子篱笆保安系统，以及 交通传感探测器包括车辆分类和行驶中重量称量系统和飞机分类、安全、保卫机场跑道等应用的飞机分类、安全、保卫传感探测器等。其他应用还有抗干扰、门安全监控、地 垫、触模板，病床监控等用的各类传感探测器。 这种新型电缆的特性与压电膜传感器特 性相同。其输出与电缆所受的力成比例。长而薄的压电绝缘层可以产生相对低的输出阻抗（600nF/m）,对压电器件来说是罕见的。 可探测远距离由雨或冰雹引起的小幅振动， lOOMpa压力，标准工作温度为40+125C表4，Kynar压电电缆标准特性FiflLirc 26. Pieuo! cable con struct ion缆标准特性：压电电缆在冲击负荷增加时 的输出灵敏度表示在图27a，图27b所示参数单位数值电容 应变强度You ng模数密度声阻抗相对介电常数tan S e静水压力、压电系数 纵向压电系数 静水压力压电系数 机电耦合能量输出电压输出PF/mMPa GPaKg/m3MRay1 1kHz 1kHz pC/NVm/N Vm/N % mJ/Strai n(% )kV/Strai n(% )600602.318904.090.017153250 X 103150 X 1020105电缆的动态范围是最主要的（200dB，即 也可线性感应重型卡车的震动。电缆可承压 。表4列出了电缆标准特性。为应力增加时的输出线性，这是所有规格压电电缆的标准情况图27a.灵敏度与负载的关系图27b.压电电缆的线性压电基础机电变换像海绵可以挤出水一样， 当压电材料受压时产生电荷， 其信号幅度和频率直接与压 电材料的机械变形成正比。 变形使材料表面电荷密度发生变化， 于是就在加了电极的表 面之间产生出电压。 当所加的力反向时， 输出电压的极性也同时反相。 一个往复力会得 到交变的输出电压。压电薄膜， 也像所有的压电材料一样， 是一种动态材料， 所产生的电荷与所加机械 应力的变化成正比。由于材料的内部阻抗，不适用于静态测量（纯直流） 。压电膜所产 生的电荷的衰减时间常数， 取决于膜本身的介电常数、 内阻，以及压电膜所接接口电路 的输入内阻。实际上，压电膜最低可测频率可达到0.001Hz。有许多方法可实现纯直流响应，但要求压电膜既用作执行器， 又作为传感器， 监控着直流过程所产生的执行结果 的变化。对电荷或电压， 固有的压电常数预告了对小应力 （ 或应变 ） ，压电共聚物所能产生的 电荷密度（单位面积的电荷）或电压场（单位厚度的电压） 。电荷模式 ： 在近于短路的情况下，所产生的电荷密度可用下式表示：D = Q/A = d3nXn （n = 1, 2 或 3）所加应力（或应变）的机械轴（n），通常为：1 = 长度（或拉伸）方向2 = 宽度（或横向）方向3 = 厚度方向式中：D = 所产生的电荷密度Q= 所产生的电荷A = 导电极面积D3n = 与所加应力或应变轴所对应的压电系数 n = 所加应力或应变轴Xn = 相关方向上所加的应力必须指出，d3n系数一般表示为每牛顿皮库仑（pC/N）,但由于受力面积（m2）往往 并不相同，而又不能 “相消”，所以较确切的表达式应该是 （pC/m2）/（N/m 2）。 电压模式 :开路输出电压，可用下式表示：Vo = g 3nXnt （n = 1, 2 或 3，与上述相同 ）式中：g = 与所加应力或应变轴相应的压电系数 Xn= 相关方向上所加应力图28.轴向数码分类t =压电膜厚度压电常数：应用最广泛的压电常数d3n和g3n，即电荷 和电压，分别具有二个下角标。前者指电轴， 后者指机械轴。由于压电膜很薄，所以电极只 能在上、下表面。由于电荷或者电压总是通过 膜的厚度（n=3）来传输，因此，电轴便总是3” 如图28所示，机械应力可以加在任何轴向， 所以，机械轴可以是1、2,或3。通常，将压电膜的机械轴向1用于低频传感和驱动（vlOOkHZ，而机械轴向3则用 于高频超声传感和驱动（1OOKHZ。方向特性:压电材料是各向异性的，也就是电和机械响应不同并取决于所加电场轴