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(jué)，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(lái)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(lái)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(kāi)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(guò)乳酸菌對(duì)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(méi)有的高透明性，其光線透過(guò)率甚至超過(guò)了亞克力的93%。我們?nèi)粘Ｉ钪性诔械瘸Ｒ?jiàn)的雞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(duì)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(zhǎng)、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(guò)I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓，并作為模擬信號(hào)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(cè)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(cè)的柔性薄型傳感器。它采用Murata專有的壓電技術(shù)開(kāi)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(guò)雙面膠帶安裝到設(shè)備上，從而不需要粘貼過(guò)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(cè)，也可應(yīng)用于檢測(cè)1μm級(jí)的微小位移、人體的無(wú)意識(shí)的肌肉震顫、人手抓握動(dòng)作的保持、人體脈搏等體征信號(hào)的檢測(cè)。

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(guò)組合檢測(cè)電路，可以獲得基于壓電薄膜位移速度的輸出，通過(guò)利用該輸出特性，可作為按壓檢測(cè)、握持檢測(cè)、生物信號(hào)檢測(cè)等多種傳感器應(yīng)用。

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

Picoleaf也可用于生物信號(hào)檢測(cè)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(cè)生物信號(hào)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(lái)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)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(wú)安裝部件面積的設(shè)計(jì)。

Picoleaf的檢測(cè)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(guò)I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓，作為模擬信號(hào)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(kāi)發(fā)包括信號(hào)處理功能的Picoleaf專用ASIC，預(yù)計(jì)2025年開(kāi)始提供。

Picoleaf傳感器具有出眾的變形檢測(cè)能力

Picoleaf傳感器的壓電特性能夠檢測(cè)“位移方向”和“位移速度”。在位移方向上，通過(guò)檢測(cè)“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(cè)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(wú)縫切換，以做為開(kāi)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(cè)周期性振動(dòng)，因此可以用作狀態(tài)檢測(cè)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(cè)1微米量級(jí)的位移，單個(gè)傳感器還可以檢測(cè)大型顯示器整個(gè)表面的壓力。它可用于檢測(cè)無(wú)意識(shí)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(yáng)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）。

Picoleaf可用于多種壓力檢測(cè)應(yīng)用

Picoleaf的透光率超過(guò)90%，可以安裝在需要透明度的顯示面板區(qū)域。將觸摸屏的UI功能與Picoleaf的壓力檢測(cè)能力相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)不同于普通觸摸屏的HMI，更基于人類行為原理。在應(yīng)用上可設(shè)計(jì)為由壓力檢測(cè)觸發(fā)的穩(wěn)健輸入U(xiǎn)I，使用變形檢測(cè)實(shí)現(xiàn)筆等非手指輸入設(shè)備，以及通過(guò)應(yīng)用多種壓力檢測(cè)功能，創(chuàng)建真實(shí)的軟件鍵盤(pán)體驗(yàn)。

如果您在實(shí)現(xiàn)新的可穿戴概念時(shí)遇到困難，您可以利用Picoleaf輕、薄、短且靈活的結(jié)構(gòu)來(lái)添加新功能，同時(shí)保持設(shè)計(jì)完整性。Picoleaf的安裝靈活性可以輕易解決超小空間、曲面和其他挑戰(zhàn)。通過(guò)在狹小空間和曲面上應(yīng)用壓力檢測(cè)，創(chuàng)建具有穩(wěn)健操作性的UI，并使設(shè)備具有磨損和／或抓取檢測(cè)功能（利用高靈敏度），可應(yīng)用可穿戴設(shè)備檢測(cè)脈搏、呼吸等生物信號(hào)，目前市面上已經(jīng)有采用Murata的壓電薄膜傳感器Picoleaf所生產(chǎn)的健身器材推出。

在設(shè)計(jì)時(shí)，也可以利用Picoleaf賦予機(jī)器人產(chǎn)品觸覺(jué)，通過(guò)利用這些高度敏感的器件可以連接到任何物件或地方的特性，Picoleaf可為利用觸覺(jué)信息的機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，可將Picoleaf應(yīng)用于機(jī)械手的指尖，以檢測(cè)與軟硬物體接觸引起的變形并調(diào)整抓取力的調(diào)節(jié)，無(wú)論其柔軟度如何，都可使單個(gè)機(jī)械手能夠抓取多種物體。Picoleaf可連接到遙控機(jī)器人以量化觸覺(jué)反饋，從而可為VR飛行員提供更真實(shí)的環(huán)境信息，Picoleaf也可與作業(yè)機(jī)器人內(nèi)部的配線粘合，用于檢測(cè)配線老化等內(nèi)部異常情況。

Picoleaf相較于應(yīng)變式、電容式、加速度式、機(jī)械軟件式等產(chǎn)品，其標(biāo)準(zhǔn)品尺寸只有3x17 mm，厚度只有0.25mm（背膠0.1mm），組裝方法可采用膠帶等粘合劑進(jìn)行粘貼，并具備力量檢測(cè)能力，靈敏度達(dá)到1μm，可檢測(cè)變形速度數(shù)據(jù)，在電路設(shè)計(jì)上可采用通用零件，采用4針ZIF連接接口，電源電壓Vdd的典型值為3.3V，功耗小于10μA，響應(yīng)時(shí)間小于10ms，并支持曲面設(shè)計(jì)，具有更多的優(yōu)勢(shì)。

高性能傾斜傳感器滿足嚴(yán)酷環(huán)境的需求

Murata推出的SCL3300傾斜傳感器則是一款高性能的3軸傾斜傳感器，其尺寸只有7.6×8.6×3.3mm（寬×長(zhǎng)×高），并可以針對(duì)用途與要求值，在4種模式中選擇測(cè)定模式，噪聲很低，分辨率可達(dá)0.001°/√Hz，內(nèi)置SPI數(shù)字接口，具有很好的機(jī)械阻尼特性，以及-40~125℃的使用溫度范圍，消耗電流只有1.2 mA（供給電源為3.0~3.6V時(shí)），采用成熟的電容式3D-MEMS技術(shù)，具有高性能，可進(jìn)行堅(jiān)固耐久的設(shè)計(jì)。

SCL3300可應(yīng)用于對(duì)嚴(yán)酷的環(huán)境中有較高穩(wěn)定性需求的應(yīng)用，主要用途包括水平儀、傾斜補(bǔ)償、機(jī)器控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、慣性測(cè)量裝置（IMU）、機(jī)器人與定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

為加速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)速度，Murata也推出數(shù)字式加速度／傾斜傳感器板SCL3300-D01-PCB，這是一款支持三軸傾斜傳感器、±2.4g，搭載了MEMS數(shù)字式傾斜傳感器SCL3300系列芯片載體電路板，芯片載體電路板的目的是實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)，SCL3300芯片載體電路板上包括了焊接在電路板上的傳感器與電路板設(shè)計(jì)，并帶有排針和無(wú)源器件。

另一款傾斜傳感器BCGMCU則是改進(jìn)性能后的第2代BCG解決方案，可為醫(yī)院、家庭中睡覺(jué)的人的狀態(tài)監(jiān)測(cè)開(kāi)辟了新的可能性，可以從正在睡覺(jué)的人的脈搏、呼吸頻率、呼吸時(shí)間等生物信號(hào)，來(lái)檢測(cè)人離開(kāi)床、以及分析睡眠狀態(tài)等。它是由事先編好程序的微控制器BCGMCU-D01和SCL3300-D01傾斜傳感器所構(gòu)成的元器件級(jí)解決方案，是面向軟件解決方案和服務(wù)提供商、OEM系統(tǒng)集成商的產(chǎn)品。

結(jié)語(yǔ)

靈敏度高且環(huán)境友好的Murata Picoleaf壓電薄膜傳感器具有相當(dāng)出眾的特性，具有體積小、功耗低、靈敏度高等特性，能夠大范圍用于多種壓電檢測(cè)應(yīng)用，像是觸摸用戶接口、可穿戴設(shè)備與機(jī)器人觸覺(jué)等領(lǐng)域，結(jié)合高性能的SCL3300傾斜傳感器，可為機(jī)器人應(yīng)用帶來(lái)上佳的控制能力，將會(huì)是相關(guān)應(yīng)用的理想選擇之一。

審核編輯：劉清