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压电薄膜传感器工作原理以及应用
编辑:南京默茂电子科技有限公司   时间:2018-08-27

压电薄膜传感器拥有特有的特性,作为一种动态应变传感器,非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。工采网将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。

压电薄膜传感器工作原理
当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(压电薄膜),薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压),并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感,但对于压电薄膜来说,在纵向施加一个很小的力时,横向上会产生很大的应力,而如果对薄膜大面积施加同样的力时,产生的应力会小很多。因此,压电薄膜对动态应力非常敏感,28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变(长度的百万分率变化)。

使用'动态应力'这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失,所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时,这反而成为压电薄膜的优势所在。薄膜只感受到应力的变化量,低响应频率可达0.1Hz。

压电薄膜传感器特点
压电薄膜很薄,质轻,非常柔软,可以无源工作,因此可以广泛应用于医用传感器,尤其是需要探测细微的信号时。显然,该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出(在某些结构中,甚至还可以产生少量的能量)。而且压电薄膜极其耐用,可以经受数百万次的弯曲和振动。

压电薄膜传感器应用
接触式传感器

利用压电薄膜的动态应变片特性,可以轻松的将压电薄膜直接固定在人体皮肤上(例如手腕内侧)。精量电子—美国MEAS传感器的产品型号1001777是一款通用传感器,传感器的一侧涂有压力敏感胶。但这款胶未经生物兼容性认证,在短期试验中可以将3M9842(聚亚安酯胶带)固定在皮肤上,再将压电薄膜传感器粘贴在3M胶带上。

压电薄膜之所以即能探测非常微小的物理信号又能感受到大幅度的活动,是因为PVDF膜的压电响应在相当大的动态范围内都是线性的(大约14个数量级)。多数情况下,只要能明显区分目标信号和噪声的带宽,细小的目标信号都可以通过过滤器采集到。

类似的传感器已在睡眠紊乱研究中用于探测胸部,腿部,眼部肌肉和皮肤的运动。另外,传感器可以通过探测肌肉(例如拇指和食指之间的肌肉)对电击的反应作为检验麻醉效果的指示器(神经肌肉传导)。

 

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