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壓電薄膜傳感�
閱讀�11310時間�2011-05-23 17:47:24

  壓電薄膜傳感�是采用PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜制�,具有頻響寬、動�(tài)范圍�、輸出電壓高、穩(wěn)定性好、耐沖�、不易老化等特�,被廣泛應用振動沖擊、闖紅燈拍照、交通人流車流信息采集、車速監(jiān)�、交通動�(tài)稱重以及安全報警、拾音傳�、計�(shù)開關(guān)��

�(fā)展背�

  對人體微弱生理信號的有效采集和處理一直是�(yī)療器械領(lǐng)域的研究熱點。目前有多種用于人體微弱信號采集的傳感器,如壓電陶瓷傳感器、多普勒效應傳感器等,但在結(jié)�(gòu)和成本上 都存在一定的問題。目前有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電薄膜傳感�,其�(jié)�(gòu)簡單,靈敏度�,能準確測量微弱的人體信�。通過將其應用于對人體心音信號的采�,研制了兩通道的綜合微型記錄儀,分別動�(tài)記錄心音信號和心電信�。實驗表明,該薄膜傳感器與整機之間結(jié)�(gòu)、性能匹配,該心音心電�(jiān)測系 �(tǒng)能夠比較準確地監(jiān)測分析人體心音心電信�,為系統(tǒng)以后的產(chǎn)品化奠定了基�(chǔ)�

特點分析

  1、寬頻帶  0.001HZ�109HZ

  2、寬動態(tài)范圍�10-8�106)PSI

  3、高彈�,柔性好

  4、高靈敏�,輸出比壓電陶瓷�10�

元件分類

  1、發(fā)射傳感器元件

  2、振動傳感器元件

  3、壓力傳感器元件

  4、脈搏傳感器元件

  5、壓電薄膜開�(guān)傳感器元�

  6、接收傳感器元件

  7、PVDF壓電薄膜

參數(shù)系列

 一、LDT0 系列壓電薄膜傳感�   參數(shù)

  電氣連接:PC板安�

  �    型:壓電薄膜傳感�

  �    點:寬頻�0.001Hz�1000MHz�,高靈敏�,高介電強度,低聲阻抗,高穩(wěn)定性�

  供電電源:無�

  �    出:高電壓輸�

  � � 度:1.4V/g~16V/g

  工作溫度�0�70�

  �    程:�

  典型應用:汽車防盜報警器,臥式滾筒洗衣機振�,電子靶,計�(shù)器觸�(fā)��

�、FDT系列壓電薄膜傳感�   參數(shù)

  電氣連接:電纜連接

  �    型:壓電薄膜傳感�

  �    點:無源,安裝方�

  供電電源:無�

  �    出:0�5V

  � � 度:�

  工作溫度�0�70�

  �    �: �

  典型應用:傳感區(qū)與引出點需要一定距離而又不便于用導線的場��

三、DT 系列壓電薄膜傳感�   參數(shù)

  電氣連接:PC板安�

  �    型:壓電薄膜傳感�

  �    點:無源,安裝方�

  供電電源:無�

  �    出:0�7V

  � � 度:  �

  工作溫度�0�70�

  �    程:�

  典型應用: 檢測振動或沖擊的動態(tài)應變片和接觸式傳聲器�

�、壓電電�   參數(shù)

  電氣連接:電�

  �    型:壓電電纜

  �    點:無源,安裝方�

  供電電源:無�

  �    出:無源

  � � 度:�

  工作溫度�0�70�

  �    程:�

  典型應用:壓電電纜的主要應用是交通軸傳感�,壓電電纜開關(guān)用于存在/占有率檢�,壓電電纜做為接觸式傳聲器用于生命特征�(jiān)測及周界安全等方�,在一般情況下,�(chǎn)品都是根�(jù)客戶的具體要求設��

�、壓電薄�(PVDF)超聲波發(fā)射器   參數(shù)

  電氣連接:-

  �    型:壓電薄膜傳感�

  �    點:360度全向水平波束指向� ,寬�,低諧振Q�,耐沖�,低成本,重量輕�

  供電電源:Max 300Vp(脈沖�(qū)�)Max 150Vp(連續(xù)�(qū)�)

  �    出:�

  � � 度:�

  工作溫度�5�60�

  �    程:�

  典型應用:空氣中測距,物體移動軌跡,聲場開關(guān)�

六、壓電薄�(PVDF)超聲波接收器   參數(shù)

  電氣連接:-

  �    型:壓電薄膜傳感�

  �    點:寬水平波束指向�,寬�,低諧振Q�,耐沖擊,低成�,重量輕�

  供電電源�12�15V

  �    出:�

  � � 度:�

  工作溫度�5�60�

  �    �: �

  典型應用:空氣中測距,物體移動軌跡,聲場開關(guān)�

�、小型傳感器100   參數(shù)

  電氣連接:板載式

  �    型:振動傳感�

  �    點:配置懸臂梁,低成�,靈敏度��

  供電電源:無�

  �    出:高阻�,通過電容的電�/電壓

  � � 度:±1%(線性)

  工作溫度�0� ~ 70�

  �    程:1V/g,被�

  典型應用:洗衣機,電器振動,REID標識,生命特征檢測器�

�、ACH-01  參數(shù)

  電氣連接:電纜連接

  �    型:振動傳感�

  �    點:頻響�2Hz�20KHz,沖�1000g,高靈敏度(9mV/g),低成��

  供電電源:-

  �    出:低阻�,緩沖輸�

  � � 度:±0.1%(線性)

  工作溫度�-40� ~ 85�

  �    �: ±250

  典型應用:機器狀�(tài)�(jiān)�,模擬分�,汽車傳感器,家用電�,反饋控制系�(tǒng)�

�、ACH-04-08-05   參數(shù)

  電氣連接:PC板安�

  �    型:振動傳感�

  �    點:1.35~1.8mV/g�9200Hz共振頻率,沖�1000g,低頻響�,低功�,低成本

  供電電源:無�

  �    出:低阻�,緩沖輸�

  � � 度:±1%(線性)

  工作溫度�-40� ~ 85�

  �    程:±250

  典型應用:計步器,振動開�(guān)�

在醫(yī)療行�(yè)的應�

  壓電薄膜擁有的特�,作為一種動�(tài)應變傳感�,非常適合應用于人體皮膚表面或植入人體內(nèi)部的生命信號�(jiān)�。一些薄膜元件靈敏到足以隔著外套探測出人體脈搏。以下將著重介紹幾種壓電薄膜在生命特征監(jiān)護方面的典型應用�

  當你拉伸或彎曲一片壓電聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(壓電薄膜),薄膜上下電極表面之間就會產(chǎn)生一個電信號(電荷或電壓�,并且同拉伸或彎曲的形變成比�。一般的壓電材料都對壓力敏感,但對于壓電薄膜來說,在縱向施加一個很小的力時,橫向上會產(chǎn)生很大的應力,而如果對薄膜大面積施加同樣的力時,產(chǎn)生的應力會小很多。因此,壓電薄膜對動�(tài)應力非常敏感�28μm厚的PVDF的靈敏度典型值為10 ~ 15mV / 微應變(長度的百萬分率變化)�

  使用‘動�(tài)應力’這個術(shù)語是因為形變�(chǎn)生的電荷會從與薄膜連接的電路流�,所以壓電薄膜并不能探測靜態(tài)應力。當需要探測不同水平的預應力時,這反而成為壓電薄膜的�(yōu)勢所�。薄膜只感受到應力的變化�,響應頻率可�0.1Hz.

  壓電薄膜很薄,質(zhì)�,非常柔軟,可以無源工作,因此可以廣泛應用于�(yī)用傳感器,尤其是需要探測細微的信號�。顯�,該材料的特點在供電受限的情況下尤為突出(在某些�(jié)�(gòu)�,甚至還可以�(chǎn)生少量的能量�。而且壓電薄膜極其耐用,可以經(jīng)受數(shù)百萬次的彎曲和振��

  接觸式傳感器

壓電膜傳感器

  利用壓電薄膜的動�(tài)應變片特�,可以輕松的將壓電薄膜直接固定在人體皮膚上(例如手腕�(nèi)�(cè)�。精量電子—美國MEAS傳感器的�(chǎn)品型�1001777是一款通用傳感�,傳感器的一�(cè)涂有壓力敏感�。但這款膠未�(jīng)生物兼容性認�,在短期試驗中可以將3M9842(聚亞安酯膠帶)固定在皮膚上,再將壓電薄膜傳感器粘貼�3M膠帶上�

圖1:利用電荷放大器(低頻為1Hz,靈敏度為1mV/pC)取得的脈搏信號圖2:重復握緊和松開物體時壓電薄膜傳感器的反應

  �1:利用電荷放大器(低頻為1Hz,靈敏度�1mV/pC)取得的脈搏信號.   �2:重復握緊和松開物體時壓電薄膜傳感器的反�

  �1顯示的是利用電荷放大器(低頻�1Hz,靈敏度�1mV/pC)取得的脈搏信號。輸出大約為130mV(相當于�100mV的開路電壓),換算成動態(tài)應力約為8με�

  �1中的信號是在手部放松時取得的。彎曲或�(zhuǎn)動手腕可以產(chǎn)生更大振幅的信號,尤其是在預放大器的頻率設置得很低時。圖2顯示出重復握緊和松開物體時壓電薄膜傳感器的反�,輸出振幅為3V左右(開路),或大約250με的動�(tài)應力�

  壓電薄膜之所以即能探測非常微小的物理信號又能感受到大幅度的活�,是因為PVDF膜的壓電響應在相當大的動�(tài)范圍�(nèi)都是線性的(大�14個數(shù)量級�。多�(shù)情況�,只要能明顯區(qū)分目標信號和噪聲的帶�,細小的目標信號都可以通過過濾器采集到�

  類似的傳感器已在睡眠紊亂研究中用于探測胸�,腿部,眼部肌肉和皮膚的運動。另�,傳感器可以通過探測肌肉(例如拇指和食指之間的肌肉)對電擊的反應作為檢驗麻醉效果的指示器(神�(jīng)肌肉傳導)�

  加速度傳感�

  Minisense100是精量電子的一款標準產(chǎn)�,采用懸臂梁設計,一端用硬性PCB板夾緊并帶有連接引腳,另一端裝有質(zhì)量塊�

質(zhì)量塊

  �(zhì)量塊使傳感器在受到振動時連貫反應。質(zhì)量塊‘保持不動�,而薄膜部分發(fā)生形變,從而產(chǎn)生非常高的電壓靈敏度(大�1V/g�。由這個元件派生出其他生命特征傳感器,例如工作人員或病患佩戴的智能胸卡(內(nèi)置RF遙感設備�。通過階段性采集佩戴者的信號來確定其位置和跟蹤其狀�(tài)。傳感器感測到胸卡被摘下時會將胸卡設置成睡眠狀�(tài);如果傳感器感受到身體任何部位的運動,肌肉的震顫,甚至是脈搏的振動,會喚醒胸��

圖3

  �3 :呼吸引起的胸腔運動,大�4秒鐘一個信號周期;同時也顯示出心跳的信�,大概每秒一次(60bpm�

圖4

 
     
      �4:將濾波器設置為1Hz ~ 10Hz濾除�3波形中的呼吸信號和噪�,以獲得心跳的實時信�

  將傳感器用一條輕薄而有彈性的綁帶固定在胸�,可以‘聽’到心音的細節(jié)。如果傳感器電氣接口頻率非常低,同時還可以監(jiān)控呼吸的情況(見�3�。這個波形圖顯示呼吸引起的胸腔運�,大�4秒鐘一個信號周�;同時也顯示出心跳的信號,大概每秒一次(60bpm�。將濾波器設置為1Hz ~ 10Hz濾除�3波形中的呼吸信號和噪聲,可以獲得心跳的實時信號(見圖4��

  �4波形中所有的信號都是在病人休息時采集�。人體的運動會輕易影響心跳的信號,這一點可以通過一個加速度計驗�。應用一個懸臂梁�(jié)�(gòu)的加速度計(傳感器尺�1.3 x 3mm)在心臟起搏器上,監(jiān)測病人的運動狀�(tài),以相應�(diào)整起搏器的速率�

  聽診�

聽診器

  很多電子聽診器都采用了壓電薄膜作為傳感器元件,因為它耐用,靈敏度高,帶寬范圍�。在該應用中,傳感器元件通常都封裝在傳統(tǒng)的金屬聽診頭�,因為傳感器需要與身體形成‘作用力�。一旦動�(tài)的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號,就可以有選擇性的過濾或放�、作為音頻信號回�、運用更復雜的運算方法判斷出具體的狀況、或傳輸?shù)竭h程基站進行進一步分析存儲等�

  傳感器組

  一個復合聲傳感器可以同時監(jiān)控多個點。Deep Breeze公司用一個有差不�100個傳感器的傳感器組采集病人吸氣和呼氣的聲音信�。用真空罩將傳感器貼在皮膚表�。采集到的信號在加工處理后轉(zhuǎn)換成聲音的‘圖像�,因而氣管和肺里的氣流可以像動畫片一樣成�。任何異物和不正?,F(xiàn)象在這些圖像中都一目了然。這種方式比X光可�,而且安全�

  病床�(jiān)�

病床監(jiān)護

  壓電薄膜和壓電電纜都可以安裝在床墊上探測病人的心�,呼吸和身體運動。Hoana Medical Inc.的監(jiān)護床報警系統(tǒng)在床墊和被單之間安裝了一組傳感器。病人坐或躺在監(jiān)護床上時,傳感器可以隔著衣服和被單準確測量收集患者的生命特征信息。柔性開�(guān)用于采集靜態(tài)信號,病患所有的動態(tài)信號都由壓電薄膜采集并轉(zhuǎn)換成相應的電信號,在病床邊上的顯示器顯示。病人的心率和呼吸速率不正�,或病人擅自下床�,系�(tǒng)可以提前報警。這一切都由傳感器完成,而無需與病人直接接��

  嬰兒呼吸�(jiān)控儀

  Infantrust 公司利用PVDF對應力極端敏感的特性開�(fā)了一款輔助育兒產(chǎn)品Respisense�

Respisense

      把監(jiān)控儀夾在紙尿片貼近嬰兒腰部的位置,監(jiān)控嬰兒心�。Respisense中的壓電薄膜與腹部皮膚直接接�,在設定的時間內(nèi)如果沒探測到嬰兒在活�,震動蜂鳴器將被啟動,輕輕地撥動嬰兒,刺激它呼�。如果在此后的一段時間內(nèi)嬰兒仍沒有反�,報警器將被啟動�

  呼吸熱電�(jiān)�

  PVDF對溫度的動態(tài)變化也相當敏感(28μm厚壓電薄膜的典型值是8V/oC�。英國C-Lect�(yī)療公司開�(fā)了一款監(jiān)控器,用來監(jiān)測呼吸速率。用面罩將一小塊壓電薄膜元件固定在口鼻處,吸進和呼出氣體的溫度變化產(chǎn)生強勁的電信�。即使吸入的是加熱過的氧�/空氣,測量結(jié)果仍然十分準�。PIPPA�(jiān)控器由電池供電,LCD顯示每分鐘的呼吸次數(shù)�

監(jiān)控器

  用壓電薄膜制造的嘴唇接觸式傳感器運用了相同的原理,探測通過嘴或鼻子的氣�。相對于熱敏電阻來說,壓電薄膜靈敏度高,響應速度�,柔軟,并且探測面積��

  �(jié)�

  從以上應用案例看出,壓電薄膜可以替代傳統(tǒng)元件來探測并傳送生命特征信號至�(yī)療監(jiān)護系�(tǒng)。相信在不久的將來,壓電薄膜會憑借其諸多�(yōu)�,更廣泛的應用于治療和監(jiān)護中�

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