压电薄膜传感器与倾斜传感器提供灵敏的控制能力

压电薄膜传感器与倾斜传感器提供灵敏的控制能力

在机器人应用中，使用压电薄膜传感器可以让机器人具有人类般灵巧的手部动作，拥有灵敏的触觉，在拿取物体时能够感受到压力的变化，控制好抓握力量的输出，结合上倾斜传感器，将可让机器人具有更优的控制能力，这是机器人发展的一个重要阶段。压电薄膜传感器灵敏的压力传感能力，结合倾斜传感器则可为机器人的控制应用带来新的契机。本文将为您介绍压电薄膜传感器与倾斜传感器的技术发展与应用，以及由Murata（村田制作所）所带来的解决方案。

更加环境友好、灵敏度更高的压电薄膜材料

压电薄膜是采用一种称之为聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）的材料，聚乳酸作为一种“生物降解聚合物”，拥有可匹敌通用石油提炼塑料的强度和成型性，自1995年左右开始受到关注，现在已作为环境友好型聚合物被广为认知。PLA原料的乳酸是通过乳酸菌对从植物中提取的淀粉进行乳酸发酵制造而成的。淀粉源自植物的光合作用，除制造工序中使用的能源外，在制造至废弃、分解的生命周期中都使用了碳中和性材料，因此不会增加大气中的CO₂。

PLA具备其他生物降解聚合物所没有的高透明性，其光线透过率甚至超过了亚克力的93%。我们日常生活中在超市等常见的鸡蛋盒及西红柿盒的一部分就使用了PLA。PLA通常是作为环境友好型聚合物使用的低价植物性聚合物，但该聚合物的压电性则具有独特的特性。

PLA的压电常数（压电d常数）为7～12pC/N左右，与PZT等相比较小，但PLA的相对介电常数非常低，约为2.5，因此压电输出常数（=压电g常数、g=d/εT）的值较大。因此，PLA的传感灵敏度高。以压电输出常数进行比较，其与压电常数为PLA 4倍以上的聚偏氟乙烯（PVDF）大致相同。

采用PLA制作的压电薄膜在因挤压或变形发生畸变（伸长、收缩）时，将产生与压电薄膜表面畸变成比例的极化。极化产生的电荷通过I/V转换器转换为电压，并作为模拟信号输出，藉此便可得知压电薄膜所受到的压力变化。

高灵敏度按压检测的柔性薄型压电薄膜传感器

Murata采用专有的压电技术研发的“Picoleaf”，是一款可进行高灵敏度按压检测的柔性薄型传感器。它采用Murata专有的压电技术开发而成，比传统传感器更小、更薄，可节省安装空间，在薄型、组装性能及耐久性等方面实现了改良，旨在提高需要人机界面（HMI）传感的产品的功能，并具备易组装特性和耐久性。为了充当传感器，电极被印刷或层压到薄且具高度柔性的有机压电薄膜上。该薄膜可以通过双面胶带安装到设备上，从而不需要粘贴过程。

Picoleaf有助于实现设备的纤薄化，即使组合显示器和触摸面板使用，也可节省空间。Picoleaf具有高灵敏度，因此只用一个传感器，即可实现大型显示器整面的按压检测，也可应用于检测1µm级的微小位移、人体的无意识的肌肉震颤、人手抓握动作的保持、人体脉搏等体征信号的检测。

Picoleaf具有非热释电性这种不因温度变化极化的物性，受到因体温、日照、半导体等发热引起的灵敏度变动和干扰小。Picoleaf并具有低功耗，传感器器件的功耗为零，驱动用放大器也可设计为低功耗电流（10μA左右）。Picoleaf是柔性结构，可以弯曲粘贴在设计性较高的曲面设备上。

Murata利用其专有的压电技术实现的Picoleaf可以安装在狭小的空间内，与以前的传感器相比，它可以实现薄型化并提高组装性和耐久性。Picoleaf通过组合检测电路，可以获得基于压电薄膜位移速度的输出，通过利用该输出特性，可作为按压检测、握持检测、生物信号检测等多种传感器应用。

Picoleaf可用于按压检测的应用，可利用按压检测特性作为UI传感器使用，将Picoleaf设置在触控笔上，可以检测人手握持的状态，其不仅限于接触，还可通过检测人手的按压动作以防范误动作。

Picoleaf也可用于生物信号检测的应用，可利用压电薄膜传感器高灵敏度的特征，作为检测生物信号中的“脉搏和呼吸”的传感器使用。目前学术界已经有多篇论文发表，探讨使用可生物降解的压电传感器来检测人体表面的心跳和呼吸频率，代表了压电传感器的生物信号检测精准度已经获得证实。

Murata提供多种产品格式，包括传感器组件单体，是一种可粘贴在主基板的设计，还有传感器组件结合配线，是一种传感器位置与基板分离的设计，以及传感器组件结合部件安装配线，将传感器位置与基板分离，是一种主基板上无安装部件面积的设计。

Picoleaf的检测电路由I/V转换器和放大器电路构成，当压电薄膜翘曲（由于压力或变形而拉伸或收缩）时，会产生与所施加的翘曲量成比例的极化量，其可将Picoleaf产生的电荷通过I/V转换器转换为电压，作为模拟信号输出，并可视需要进行放大和调整，以便可以由通用ADC或CPU进行处理，且不受传感器电容和杂散电容的影响。目前建议使用分立电路，Murata正在开发包括信号处理功能的Picoleaf专用ASIC，预计2025年开始提供。

Picoleaf传感器具有出众的变形检测能力

Picoleaf传感器的压电特性能够检测“位移方向”和“位移速度”。在位移方向上，通过检测“山形折叠”变形，位移方向会输出到Picoleaf参考电压的正侧，若检测到“谷形折叠”变形，位移方向则会输出到负侧。除了位移方向之外，还可以根据峰值电压计算位移速度，峰值电压与位移速度成比例增加。

此外，利用Picoleaf传感器输出反转的特性，可以将按下和释放动作应用为UI中的无缝切换，以做为开关配置。如果将Picoleaf安装到周期性振动的物体上，Picoleaf可以检测周期性振动，因此可以用作状态检测传感器。

Picoleaf的厚度只有0.2毫米或更小，产品尺寸超紧凑，为2x10毫米，即使与显示器或触摸面板结合使用，也可节省空间。它还可以沿着高度设计的设备的弯曲表面粘贴，包括特殊形状，例如缠绕在圆柱体上。Picoleaf具有高灵敏度，不仅可以检测1微米量级的位移，单个传感器还可以检测大型显示器整个表面的压力。它可用于检测无意识的肌肉运动，例如震颤、抓握和脉搏。

Picoleaf具有非热释电特性，由于不存在由热（例如体温、阳光或半导体）引起的漂移，因此噪声较少，因此算法更容易构建，且传感器本身功耗为零，驱动用放大电路可设计成低功耗（约10μA）。

Picoleaf可用于多种压力检测应用

Picoleaf的透光率超过90%，可以安装在需要透明度的显示面板区域。将触摸屏的UI功能与Picoleaf的压力检测能力相结合，可以实现不同于普通触摸屏的HMI，更基于人类行为原理。在应用上可设计为由压力检测触发的稳健输入UI，使用变形检测实现笔等非手指输入设备，以及通过应用多种压力检测功能，创建真实的软件键盘体验。

如果您在实现新的可穿戴概念时遇到困难，您可以利用Picoleaf轻、薄、短且灵活的结构来添加新功能，同时保持设计完整性。Picoleaf的安装灵活性可以轻易解决超小空间、曲面和其他挑战。通过在狭小空间和曲面上应用压力检测，创建具有稳健操作性的UI，并使设备具有磨损和／或抓取检测功能（利用高灵敏度），可应用可穿戴设备检测脉搏、呼吸等生物信号，目前市面上已经有采用Murata的压电薄膜传感器Picoleaf所生产的健身器材推出。

在设计时，也可以利用Picoleaf赋予机器人产品触觉，通过利用这些高度敏感的器件可以连接到任何物件或地方的特性，Picoleaf可为利用触觉信息的机器人行业的发展做出贡献，可将Picoleaf应用于机械手的指尖，以检测与软硬物体接触引起的变形并调整抓取力的调节，无论其柔软度如何，都可使单个机械手能够抓取多种物体。Picoleaf可连接到遥控机器人以量化触觉反馈，从而可为VR飞行员提供更真实的环境信息，Picoleaf也可与作业机器人内部的配线粘合，用于检测配线老化等内部异常情况。

Picoleaf相较于应变式、电容式、加速度式、机械软件式等产品，其标准品尺寸只有3x17 mm，厚度只有0.25mm（背胶0.1mm），组装方法可采用胶带等粘合剂进行粘贴，并具备力量检测能力，灵敏度达到1μm，可检测变形速度数据，在电路设计上可采用通用零件，采用4针ZIF连接接口，电源电压Vdd的典型值为3.3V，功耗小于10μA，响应时间小于10ms，并支持曲面设计，具有更多的优势。

高性能倾斜传感器满足严酷环境的需求

Murata推出的SCL3300倾斜传感器则是一款高性能的3轴倾斜传感器，其尺寸只有7.6×8.6×3.3mm（宽×长×高），并可以针对用途与要求值，在4种模式中选择测定模式，噪声很低，分辨率可达0.001°/√Hz，内置SPI数字接口，具有很好的机械阻尼特性，以及-40~125℃的使用温度范围，消耗电流只有1.2 mA（供给电源为3.0~3.6V时），采用成熟的电容式3D-MEMS技术，具有高性能，可进行坚固耐久的设计。

SCL3300可应用于对严酷的环境中有较高稳定性需求的应用，主要用途包括水平仪、倾斜补偿、机器控制、结构健康监测、惯性测量装置（IMU）、机器人与定位导航系统。

为加速产品的开发设计速度，Murata也推出数字式加速度／倾斜传感器板SCL3300-D01-PCB，这是一款支持三轴倾斜传感器、±2.4g，搭载了MEMS数字式倾斜传感器SCL3300系列芯片载体电路板，芯片载体电路板的目的是实现快速原型设计，SCL3300芯片载体电路板上包括了焊接在电路板上的传感器与电路板设计，并带有排针和无源器件。

另一款倾斜传感器BCGMCU则是改进性能后的第2代BCG解决方案，可为医院、家庭中睡觉的人的状态监测开辟了新的可能性，可以从正在睡觉的人的脉搏、呼吸频率、呼吸时间等生物信号，来检测人离开床、以及分析睡眠状态等。它是由事先编好程序的微控制器BCGMCU-D01和SCL3300-D01倾斜传感器所构成的元器件级解决方案，是面向软件解决方案和服务提供商、OEM系统集成商的产品。

结语

灵敏度高且环境友好的Murata Picoleaf压电薄膜传感器具有相当出众的特性，具有体积小、功耗低、灵敏度高等特性，能够大范围用于多种压电检测应用，像是触摸用户接口、可穿戴设备与机器人触觉等领域，结合高性能的SCL3300倾斜传感器，可为机器人应用带来上佳的控制能力，将会是相关应用的理想选择之一。

审核编辑：刘清