壓電薄膜傳感器與傾斜傳感器提供靈敏的控制能力

在機(jī)器人應(yīng)用中，使用壓電薄膜傳感器可以讓機(jī)器人具有人類般靈巧的手部動(dòng)作，擁有靈敏的觸覺，在拿取物體時(shí)能夠感受到壓力的變化，控制好抓握力量的輸出，結(jié)合上傾斜傳感器，將可讓機(jī)器人具有更優(yōu)的控制能力，這是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要階段。壓電薄膜傳感器靈敏的壓力傳感能力，結(jié)合傾斜傳感器則可為機(jī)器人的控制應(yīng)用帶來新的契機(jī)。本文將為您介紹壓電薄膜傳感器與傾斜傳感器的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，以及由Murata（村田制作所）所帶來的解決方案。

更加環(huán)境友好、靈敏度更高的壓電薄膜材料

壓電薄膜是采用一種稱之為聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）的材料，聚乳酸作為一種“生物降解聚合物”，擁有可匹敵通用石油提煉塑料的強(qiáng)度和成型性，自1995年左右開始受到關(guān)注，現(xiàn)在已作為環(huán)境友好型聚合物被廣為認(rèn)知。PLA原料的乳酸是通過乳酸菌對從植物中提取的淀粉進(jìn)行乳酸發(fā)酵制造而成的。淀粉源自植物的光合作用，除制造工序中使用的能源外，在制造至廢棄、分解的生命周期中都使用了碳中和性材料，因此不會(huì)增加大氣中的CO?。

PLA具備其他生物降解聚合物所沒有的高透明性，其光線透過率甚至超過了亞克力的93%。我們?nèi)粘Ｉ钪性诔械瘸Ｒ姷碾u蛋盒及西紅柿盒的一部分就使用了PLA。PLA通常是作為環(huán)境友好型聚合物使用的低價(jià)植物性聚合物，但該聚合物的壓電性則具有獨(dú)特的特性。PLA的壓電常數(shù)（壓電d常數(shù)）為7～12pC/N左右，與PZT等相比較小，但PLA的相對介電常數(shù)非常低，約為2.5，因此壓電輸出常數(shù)（=壓電g常數(shù)、g=d/εT）的值較大。因此，PLA的傳感靈敏度高。以壓電輸出常數(shù)進(jìn)行比較，其與壓電常數(shù)為PLA 4倍以上的聚偏氟乙烯（PVDF）大致相同。

采用PLA制作的壓電薄膜在因擠壓或變形發(fā)生畸變（伸長、收縮）時(shí)，將產(chǎn)生與壓電薄膜表面畸變成比例的極化。極化產(chǎn)生的電荷通過I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓，并作為模擬信號輸出，藉此便可得知壓電薄膜所受到的壓力變化。

高靈敏度按壓檢測的柔性薄型壓電薄膜傳感器

Murata采用專有的壓電技術(shù)研發(fā)的“Picoleaf”，是一款可進(jìn)行高靈敏度按壓檢測的柔性薄型傳感器。它采用Murata專有的壓電技術(shù)開發(fā)而成，比傳統(tǒng)傳感器更小、更薄，可節(jié)省安裝空間，在薄型、組裝性能及耐久性等方面實(shí)現(xiàn)了改良，旨在提高需要人機(jī)界面（HMI）傳感的產(chǎn)品的功能，并具備易組裝特性和耐久性。為了充當(dāng)傳感器，電極被印刷或?qū)訅旱奖∏揖吒叨热嵝缘挠袡C(jī)壓電薄膜上。該薄膜可以通過雙面膠帶安裝到設(shè)備上，從而不需要粘貼過程。

Picoleaf有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的纖薄化，即使組合顯示器和觸摸面板使用，也可節(jié)省空間。Picoleaf具有高靈敏度，因此只用一個(gè)傳感器，即可實(shí)現(xiàn)大型顯示器整面的按壓檢測，也可應(yīng)用于檢測1μm級的微小位移、人體的無意識的肌肉震顫、人手抓握動(dòng)作的保持、人體脈搏等體征信號的檢測。

Picoleaf具有非熱釋電性這種不因溫度變化極化的物性，受到因體溫、日照、半導(dǎo)體等發(fā)熱引起的靈敏度變動(dòng)和干擾小。Picoleaf并具有低功耗，傳感器器件的功耗為零，驅(qū)動(dòng)用放大器也可設(shè)計(jì)為低功耗電流（10μA左右）。Picoleaf是柔性結(jié)構(gòu)，可以彎曲粘貼在設(shè)計(jì)性較高的曲面設(shè)備上。

Murata利用其專有的壓電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的Picoleaf可以安裝在狹小的空間內(nèi)，與以前的傳感器相比，它可以實(shí)現(xiàn)薄型化并提高組裝性和耐久性。Picoleaf通過組合檢測電路，可以獲得基于壓電薄膜位移速度的輸出，通過利用該輸出特性，可作為按壓檢測、握持檢測、生物信號檢測等多種傳感器應(yīng)用。

Picoleaf可用于按壓檢測的應(yīng)用，可利用按壓檢測特性作為UI傳感器使用，將Picoleaf設(shè)置在觸控筆上，可以檢測人手握持的狀態(tài)，其不僅限于接觸，還可通過檢測人手的按壓動(dòng)作以防范誤動(dòng)作。

Picoleaf也可用于生物信號檢測的應(yīng)用，可利用壓電薄膜傳感器高靈敏度的特征，作為檢測生物信號中的“脈搏和呼吸”的傳感器使用。目前學(xué)術(shù)界已經(jīng)有多篇論文發(fā)表，探討使用可生物降解的壓電傳感器來檢測人體表面的心跳和呼吸頻率，代表了壓電傳感器的生物信號檢測精準(zhǔn)度已經(jīng)獲得證實(shí)。

Murata提供多種產(chǎn)品格式，包括傳感器組件單體，是一種可粘貼在主基板的設(shè)計(jì)，還有傳感器組件結(jié)合配線，是一種傳感器位置與基板分離的設(shè)計(jì)，以及傳感器組件結(jié)合部件安裝配線，將傳感器位置與基板分離，是一種主基板上無安裝部件面積的設(shè)計(jì)。

Picoleaf的檢測電路由I/V轉(zhuǎn)換器和放大器電路構(gòu)成，當(dāng)壓電薄膜翹曲（由于壓力或變形而拉伸或收縮）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與所施加的翹曲量成比例的極化量，其可將Picoleaf產(chǎn)生的電荷通過I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓，作為模擬信號輸出，并可視需要進(jìn)行放大和調(diào)整，以便可以由通用ADC或CPU進(jìn)行處理，且不受傳感器電容和雜散電容的影響。目前建議使用分立電路，Murata正在開發(fā)包括信號處理功能的Picoleaf專用ASIC，預(yù)計(jì)2025年開始提供。

Picoleaf傳感器具有出眾的變形檢測能力

Picoleaf傳感器的壓電特性能夠檢測“位移方向”和“位移速度”。在位移方向上，通過檢測“山形折疊”變形，位移方向會(huì)輸出到Picoleaf參考電壓的正側(cè)，若檢測到“谷形折疊”變形，位移方向則會(huì)輸出到負(fù)側(cè)。除了位移方向之外，還可以根據(jù)峰值電壓計(jì)算位移速度，峰值電壓與位移速度成比例增加。

此外，利用Picoleaf傳感器輸出反轉(zhuǎn)的特性，可以將按下和釋放動(dòng)作應(yīng)用為UI中的無縫切換，以做為開關(guān)配置。如果將Picoleaf安裝到周期性振動(dòng)的物體上，Picoleaf可以檢測周期性振動(dòng)，因此可以用作狀態(tài)檢測傳感器。

Picoleaf的厚度只有0.2毫米或更小，產(chǎn)品尺寸超緊湊，為2x10毫米，即使與顯示器或觸摸面板結(jié)合使用，也可節(jié)省空間。它還可以沿著高度設(shè)計(jì)的設(shè)備的彎曲表面粘貼，包括特殊形狀，例如纏繞在圓柱體上。Picoleaf具有高靈敏度，不僅可以檢測1微米量級的位移，單個(gè)傳感器還可以檢測大型顯示器整個(gè)表面的壓力。它可用于檢測無意識的肌肉運(yùn)動(dòng)，例如震顫、抓握和脈搏。

Picoleaf具有非熱釋電特性，由于不存在由熱（例如體溫、陽光或半導(dǎo)體）引起的漂移，因此噪聲較少，因此算法更容易構(gòu)建，且傳感器本身功耗為零，驅(qū)動(dòng)用放大電路可設(shè)計(jì)成低功耗（約10μA）。