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基本開關(guān)電路
有多種電路可用于壓電膜的接口,包括場效應(yīng)晶體管
(FET),運(yùn)算方大器(OpAmps)和低電流數(shù)字邏輯電路(CMOS) 。
由于FET已用于表面貼裝技術(shù),可在小尺寸應(yīng)用時考
慮用FET。使用FET時應(yīng)考慮的重要特性是開關(guān)頻
率,壓電膜電容,FET關(guān)斷狀態(tài)的漏電流,輸入偏置阻
抗和電磁干擾 (EMI)屏蔽。
圖43和圖44是典型的壓電膜開關(guān)的FET電路圖。
圖43,共漏極或源極跟隨器在應(yīng)用中應(yīng)用的很好,
在應(yīng)用中簡單的緩沖器是重要的。在這里,電路電壓增益
約為1。
在圖44中的共源極點路對需要電壓增益的低頻
應(yīng)用是合適的。增益由阻抗Rd和Rs確定。當(dāng)增益增
加時,頻率帶寬按每20dB增益/十倍頻程的系數(shù)減小。
運(yùn)算放大器為壓電膜開關(guān)應(yīng)用提供了很大方便。
對特定的應(yīng)用,很容易與其匹配。重要的運(yùn)算放大器
電路特性包括輸入偏置阻抗,薄膜開關(guān)電容和EMI屏蔽。
圖45的運(yùn)算放大器電路,一個電荷放大器,適合一
個測得的振動觸發(fā)開關(guān)的應(yīng)用。在小信號應(yīng)用中也工
作的很好。一個電荷放大器消除了壓電膜和連接電纜的
時間常數(shù)效應(yīng)。電荷放大器是一個零輸入阻抗的電流運(yùn)
算電路,結(jié)果是在膜兩面沒有電壓產(chǎn)生。電荷放大器快
速的吸收薄膜產(chǎn)生的電荷。由于在薄膜電極上無電荷,
薄膜表現(xiàn)出無時間常數(shù)。
薄膜和連接點纜的電容在電路的傳遞功能上沒有反
效應(yīng)。因而薄膜尺寸和電纜長度公差控制不需要特別嚴(yán)
格。電荷被從薄膜輸送到放大器反饋環(huán)的電容, 此電容
確定輸出電壓: V=Q/Cf。
該電荷放大器需要一個有高輸入阻抗和低偏置電流
的運(yùn)算放大器。一個高輸入阻抗避免了在反饋電容上電
荷的泄漏，低偏置電流防止反饋電容過度充放電。電荷
放大器電路的布局是關(guān)鍵。運(yùn)算放大器外殼必須很好接
地輸入端應(yīng)保護(hù)好并象外殼一樣很好接同一地。
有保護(hù)輸入端的布局見圖46。為防止運(yùn)算放大器放
大造成的泄漏噪聲,應(yīng)用絕緣良好的STANDOFF接頭端接
輸入電纜。
盡管有上述保護(hù)措施,輸出電壓仍會漂移。為補(bǔ)償漂
移，通常在電路中設(shè)計一個復(fù)位開關(guān)隔一端時間用手動
將輸出置零。一種就是在電阻上串聯(lián)一個簧片開關(guān),但與
反饋電容Cf并聯(lián)。起動簧片開關(guān)關(guān)閉此開關(guān),放掉存在
反饋電容內(nèi)的電壓。
另外一個方法是用一個MOSFET器件,在這器件中最大輸出電壓和關(guān)門電壓決定FET的最小門電壓。實際應(yīng)用中,給MOSFET門一個大于放大器電壓的電壓,降低其漏/源極阻抗和為反饋電容放電創(chuàng)造一個電流路徑。
第三種辦法是在反饋回路并一個分壓電阻。這個電
阻產(chǎn)生一個時間常數(shù)(CfRf), 這個時間常數(shù)與薄膜電容
無關(guān)并可精確控制。
圖47的信號電平檢測器適用于大信噪比的應(yīng)用。這
個電路對在低電平振動中檢測沖擊是理想的。對信噪比
低和必需將沖擊或壓力信號從背景振動中鑒別出來的情
況，圖48的微分放大器電路是合適的。這個電路由兩個
驅(qū)動微分放大器的傳感器組成。
這個電路用共模抑制概念。兩個開關(guān)機(jī)械耦合用于
消除模擬二者的不想要的振動。在一個開關(guān)上的輸入或
壓力信號會產(chǎn)生輸出,而另一個卻沒有。
CMOS 邏輯電路提供了與壓電薄膜接口的一個低成
本方案。如前所述,用CMOS技術(shù)實現(xiàn)的低能耗電路非常
適合于壓電薄膜開關(guān)。對壓電薄膜來說CMOS應(yīng)用一般
是對低頻工作。其它要考慮的特性包括器件輸入泄漏電
流,輸入阻抗,輸入偏置阻抗,和EMI效應(yīng)。例如,一個
CMOS電路可用于感應(yīng)一個單個沖擊或一個壓力信號。
圖49的D觸發(fā)器顯示沖擊或壓力信號會推動一個
聲音報警。
圖50中的電路在記數(shù)應(yīng)用中感應(yīng)多次沖擊或壓力
信號。
對與壓電膜接口有許多不同的CMOS電路配置可用。
所有電路的共同點是輸入偏置電阻與壓電薄膜并聯(lián),輸
入電阻與壓電薄膜串聯(lián)。偏置電阻負(fù)責(zé)漏電流而串聯(lián)電
阻限制電流保護(hù)其不受靜電放電電荷的沖擊。
電纜
在不可能在壓電薄膜傳感器附近接入放大電路的應(yīng)用中,必需考慮選用可傳輸高阻信號的連接電纜。
屏蔽的同軸電纜被用于減小噪音時,會產(chǎn)生電纜泄漏和附加電容。在大多數(shù)情況下,電纜的初始絕緣層已有較高的阻抗,非極化塑料如高純度聚乙烯或Teflon®(PTFE)。由于電纜的移動產(chǎn)生噪音從而干擾信號傳輸,使電纜保持非
振動狀態(tài)同樣是重要的。
制造
壓電膜卷料是在凈化房環(huán)境下生產(chǎn)的，首先是將PVDF顆粒料熔化并擠壓成片狀，然后，再進(jìn)一步延展至擠壓片料1/5的厚度。低于聚合物熔點溫度的延展使分子的鏈群成為平行的結(jié)晶面，稱之為“β相”。為取得高等級的壓電活度，將這種β相的聚合體置于很高的電場中，使晶粒順應(yīng)極化場排列，PVDF共聚體則無需延展即可極化。
經(jīng)蒸發(fā)沉積的金屬化層厚度通常是500~1000A，幾乎任何金屬化層均可以這樣沉積。常用的金屬有：鎳、鋁、銅、金及其合金。電極的制造是掩膜噴鍍，或用光刻膠進(jìn)行化學(xué)蝕刻連續(xù)金屬化。分辨率現(xiàn)可以達(dá)到25µm線寬，采用導(dǎo)電銀墨進(jìn)行絲印電極，其電極就厚得多，約為5~10µm，這種方法多用于在單片材上構(gòu)成多個傳感器且需要復(fù)雜形狀的電極。銀箔層是以薄膠層粘合，并與壓電膜容性耦合。每種電極各有優(yōu)缺點。
總的來說，噴鍍金屬用于高分辨率的陣列、低熱質(zhì)量的熱電應(yīng)用，或者惰性侵入式的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。全金屬化片材可以用剃須刀片小心切割，不會造成膜厚方向的短路。網(wǎng)印油墨則非常牢固，也很柔韌，可以承受很高的應(yīng)力(>10%)，也可以在高電壓條件下使用，不會發(fā)生擊穿，并適于連續(xù)印制。但是，由于從絲印電極上切下元件時，極有可能使有厚油墨的壓電膜在厚度方向上短路，因而要留出非金屬化的邊緣。電極層從機(jī)械上限制了壓電膜對于作用在膜平面上的外部應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)，但它在“厚度模式”方向工作時很有用。
經(jīng)過金屬化之后，還要經(jīng)許多加工步驟后才生產(chǎn)出最后的成品。簡言之，壓電膜是層壓在一種保護(hù)載體膜上，經(jīng)切割成形，并加引線或端子后包裝，有時還包括信號整理電路。經(jīng)封裝后的傳感器件范圍很廣，從幾平方毫米(包括ASIC芯片)的運(yùn)輸損壞傳感器到數(shù)平方米體育運(yùn)動記分靶傳感器，足以說明這種技術(shù)的廣泛用途。
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