壓電薄膜傳感器與傾斜傳感器提供靈敏的控制能力
在機器人應用中,使用壓電薄膜傳感器可以讓機器人具有人類(lèi)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,結合上傾斜傳感器,將可讓機器人具有更優(yōu)的控制能力,這是機器人發(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,結合傾斜傳感器則可為機器人的控制應用帶來(lái)新的契機。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)展與應用,以及由Murata(村田制作所)所帶來(lái)的解決方案。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/202404/457612.htm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(chēng)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度和成型性,自1995年左右開(kāi)始受到關(guān)注,現在已作為環(huán)境友好型聚合物被廣為認知。PLA原料的乳酸是通過(guò)乳酸菌對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(xiàn)透過(guò)率甚至超過(guò)了亞克力的93%。我們日常生活中在超市等常見(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特的特性。PLA的壓電常數(壓電d常數)為7~12pC/N左右,與PZT等相比較小,但PLA的相對介電常數非常低,約為2.5,因此壓電輸出常數(=壓電g常數、g=d/εT)的值較大。因此,PLA的傳感靈敏度高。以壓電輸出常數進(jìn)行比較,其與壓電常數為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(cháng)、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轉換器轉換為電壓,并作為模擬信號輸出,藉此便可得知壓電薄膜所受到的壓力變化。
高靈敏度按壓檢測的柔性薄型壓電薄膜傳感器
Murata采用專(zhuān)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的柔性薄型傳感器。它采用Murata專(zhuān)有的壓電技術(shù)開(kāi)發(fā)而成,比傳統傳感器更小、更薄,可節省安裝空間,在薄型、組裝性能及耐久性等方面實(shí)現了改良,旨在提高需要人機界面(HMI)傳感的產(chǎn)品的功能,并具備易組裝特性和耐久性。為了充當傳感器,電極被印刷或層壓到薄且具高度柔性的有機壓電薄膜上。該薄膜可以通過(guò)雙面膠帶安裝到設備上,從而不需要粘貼過(guò)程。
Picoleaf有助于實(shí)現設備的纖薄化,即使組合顯示器和觸摸面板使用,也可節省空間。Picoleaf具有高靈敏度,因此只用一個(gè)傳感器,即可實(shí)現大型顯示器整面的按壓檢測,也可應用于檢測1μm級的微小位移、人體的無(wú)意識的肌肉震顫、人手抓握動(dòng)作的保持、人體脈搏等體征信號的檢測。
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,驅動(dòng)用放大器也可設計為低功耗電流(10μA左右)。Picoleaf是柔性結構,可以彎曲粘貼在設計性較高的曲面設備上。
Murata利用其專(zhuān)有的壓電技術(shù)實(shí)現的Picoleaf可以安裝在狹小的空間內,與以前的傳感器相比,它可以實(shí)現薄型化并提高組裝性和耐久性。Picoleaf通過(guò)組合檢測電路,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、握持檢測、生物信號檢測等多種傳感器應用。
Picoleaf可用于按壓檢測的應用,可利用按壓檢測特性作為UI傳感器使用,將Picoleaf設置在觸控筆上,可以檢測人手握持的狀態(tài),其不僅限于接觸,還可通過(guò)檢測人手的按壓動(dòng)作以防范誤動(dòng)作。
Picoleaf也可用于生物信號檢測的應用,可利用壓電薄膜傳感器高靈敏度的特征,作為檢測生物信號中的“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檢測精準度已經(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計,還有傳感器組件結合配線(xiàn),是一種傳感器位置與基板分離的設計,以及傳感器組件結合部件安裝配線(xiàn),將傳感器位置與基板分離,是一種主基板上無(wú)安裝部件面積的設計。
Picoleaf的檢測電路由I/V轉換器和放大器電路構成,當壓電薄膜翹曲(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轉換器轉換為電壓,作為模擬信號輸出,并可視需要進(jìn)行放大和調整,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)包括信號處理功能的Picoleaf專(zhuān)用ASIC,預計2025年開(kāi)始提供。
Picoleaf傳感器具有出眾的變形檢測能力
Picoleaf傳感器的壓電特性能夠檢測“位移方向”和“位移速度”。在位移方向上,通過(guò)檢測“山形折疊”變形,位移方向會(huì )輸出到Picoleaf參考電壓的正側,若檢測到“谷形折疊”變形,位移方向則會(huì )輸出到負側。除了位移方向之外,還可以根據峰值電壓計算位移速度,峰值電壓與位移速度成比例增加。
此外,利用Picoleaf傳感器輸出反轉的特性,可以將按下和釋放動(dòng)作應用為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可以檢測周期性振動(dòng),因此可以用作狀態(tài)檢測傳感器。
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合使用,也可節省空間。它還可以沿著(zhù)高度設計的設備的彎曲表面粘貼,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1微米量級的位移,單個(gè)傳感器還可以檢測大型顯示器整個(gè)表面的壓力。它可用于檢測無(wú)意識的肌肉運動(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)光或半導體)引起的漂移,因此噪聲較少,因此算法更容易構建,且傳感器本身功耗為零,驅動(dòng)用放大電路可設計成低功耗(約10μA)。
Picoleaf可用于多種壓力檢測應用 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域。將觸摸屏的UI功能與Picoleaf的壓力檢測能力相結合,可以實(shí)現不同于普通觸摸屏的HMI,更基于人類(lèi)行為原理。在應用上可設計為由壓力檢測觸發(fā)的穩健輸入UI,使用變形檢測實(shí)現筆等非手指輸入設備,以及通過(guò)應用多種壓力檢測功能,創(chuàng )建真實(shí)的軟件鍵盤(pán)體驗。 如果您在實(shí)現新的可穿戴概念時(shí)遇到困難,您可以利用Picoleaf輕、薄、短且靈活的結構來(lái)添加新功能,同時(shí)保持設計完整性。Picoleaf的安裝靈活性可以輕易解決超小空間、曲面和其他挑戰。通過(guò)在狹小空間和曲面上應用壓力檢測,創(chuàng )建具有穩健操作性的UI,并使設備具有磨損和/或抓取檢測功能(利用高靈敏度),可應用可穿戴設備檢測脈搏、呼吸等生物信號,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。 在設計時(shí),也可以利用Picoleaf賦予機器人產(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)信息的機器人行業(yè)的發(fā)展做出貢獻,可將Picoleaf應用于機械手的指尖,以檢測與軟硬物體接觸引起的變形并調整抓取力的調節,無(wú)論其柔軟度如何,都可使單個(gè)機械手能夠抓取多種物體。Picoleaf可連接到遙控機器人以量化觸覺(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)機器人內部的配線(xiàn)粘合,用于檢測配線(xiàn)老化等內部異常情況。 Picoleaf相較于應變式、電容式、加速度式、機械軟件式等產(chǎn)品,其標準品尺寸只有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,并具備力量檢測能力,靈敏度達到1μm,可檢測變形速度數據,在電路設計上可采用通用零件,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,響應時(shí)間小于10ms,并支持曲面設計,具有更多的優(yōu)勢。
高性能傾斜傳感器滿(mǎn)足嚴酷環(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(cháng)×高),并可以針對用途與要求值,在4種模式中選擇測定模式,噪聲很低,分辨率可達0.001°/√Hz,內置SPI數字接口,具有很好的機械阻尼特性,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)行堅固耐久的設計。 SCL3300可應用于對嚴酷的環(huán)境中有較高穩定性需求的應用,主要用途包括水平儀、傾斜補償、機器控制、結構健康監測、慣性測量裝置(IMU)、機器人與定位導航系統。 為加速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設計速度,Murata也推出數字式加速度/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)現快速原型設計,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計,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,可為醫院、家庭中睡覺(jué)的人的狀態(tài)監測開(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,來(lái)檢測人離開(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傾斜傳感器所構成的元器件級解決方案,是面向軟件解決方案和服務(wù)提供商、OEM系統集成商的產(chǎn)品。 結語(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應用,像是觸摸用戶(hù)接口、可穿戴設備與機器人觸覺(jué)等領(lǐng)域,結合高性能的SCL3300傾斜傳感器,可為機器人應用帶來(lái)上佳的控制能力,將會(huì )是相關(guān)應用的理想選擇之一。 文章來(lái)源:艾睿電子
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