基本开关电路

有多种电路可用于压电膜的接口,包括场效应晶体管
(FET),运算方大器(OpAmps)和低电流数字逻辑电路(CMOS) 。

由于FET已用于表面贴装技术,可在小尺寸应用时考
虑用FET。使用FET时应考虑的重要特性是开关频
率,压电膜电容,FET关断状态的漏电流,输入偏置阻
抗和电磁干扰 (EMI)屏蔽。

图43和图44是典型的压电膜开关的FET电路图。
图43,共漏极或源极跟随器在应用中应用的很好,
在应用中简单的缓冲器是重要的。在这里,电路电压增益
约为1。

在图44中的共源极点路对需要电压增益的低频
应用是合适的。增益由阻抗Rd和Rs确定。当增益增
加时,频率带宽按每20dB增益/十倍频程的系数减小。

运算放大器为压电膜开关应用提供了很大方便。
对特定的应用,很容易与其匹配。重要的运算放大器
电路特性包括输入偏置阻抗,薄膜开关电容和EMI屏蔽。

图45的运算放大器电路,一个电荷放大器,适合一
个测得的振动触发开关的应用。在小信号应用中也工
作的很好。一个电荷放大器消除了压电膜和连接电缆的
时间常数效应。电荷放大器是一个零输入阻抗的电流运
算电路,结果是在膜两面没有电压产生。电荷放大器快
速的吸收薄膜产生的电荷。由于在薄膜电极上无电荷,
薄膜表现出无时间常数。

薄膜和连接点缆的电容在电路的传递功能上没有反
效应。因而薄膜尺寸和电缆长度公差控制不需要特别严
格。电荷被从薄膜输送到放大器反馈环的电容, 此电容
确定输出电压: V=Q/Cf。

该电荷放大器需要一个有高输入阻抗和低偏置电流
的运算放大器。一个高输入阻抗避免了在反馈电容上电
荷的泄漏，低偏置电流防止反馈电容过度充放电。电荷
放大器电路的布局是关键。运算放大器外壳必须很好接
地输入端应保护好并象外壳一样很好接同一地。

有保护输入端的布局见图46。为防止运算放大器放
大造成的泄漏噪声,应用绝缘良好的STANDOFF接头端接
输入电缆。

尽管有上述保护措施,输出电压仍会漂移。为补偿漂
移，通常在电路中设计一个复位开关隔一端时间用手动
将输出置零。一种就是在电阻上串联一个簧片开关,但与
反馈电容Cf并联。起动簧片开关关闭此开关,放掉存在
反馈电容内的电压。

另外一个方法是用一个MOSFET器件,在这器件中最大输出电压和关门电压决定FET的最小门电压。实际应用中,给MOSFET门一个大于放大器电压的电压,降低其漏/源极阻抗和为反馈电容放电创造一个电流路径。

第三种办法是在反馈回路并一个分压电阻。这个电
阻产生一个时间常数(CfRf), 这个时间常数与薄膜电容
无关并可精确控制。

图47的信号电平检测器适用于大信噪比的应用。这
个电路对在低电平振动中检测冲击是理想的。对信噪比
低和必需将冲击或压力信号从背景振动中鉴别出来的情
况，图48的微分放大器电路是合适的。这个电路由两个
驱动微分放大器的传感器组成。

这个电路用共模抑制概念。两个开关机械耦合用于
消除模拟二者的不想要的振动。在一个开关上的输入或
压力信号会产生输出,而另一个却没有。

CMOS 逻辑电路提供了与压电薄膜接口的一个低成
本方案。如前所述,用CMOS技术实现的低能耗电路非常
适合于压电薄膜开关。对压电薄膜来说CMOS应用一般
是对低频工作。其它要考虑的特性包括器件输入泄漏电
流,输入阻抗,输入偏置阻抗,和EMI效应。例如,一个
CMOS电路可用于感应一个单个冲击或一个压力信号。

图49的D触发器显示冲击或压力信号会推动一个
声音报警。
图50中的电路在记数应用中感应多次冲击或压力
信号。

对与压电膜接口有许多不同的CMOS电路配置可用。
所有电路的共同点是输入偏置电阻与压电薄膜并联,输
入电阻与压电薄膜串联。偏置电阻负责漏电流而串联电
阻限制电流保护其不受静电放电电荷的冲击。

电缆

在不可能在压电薄膜传感器附近接入放大电路的应用中,必需考虑选用可传输高阻信号的连接电缆。

屏蔽的同轴电缆被用于减小噪音时,会产生电缆泄漏和附加电容。在大多数情况下,电缆的初始绝缘层已有较高的阻抗,非极化塑料如高纯度聚乙烯或Teflon®(PTFE)。由于电缆的移动产生噪音从而干扰信号传输,使电缆保持非
振动状态同样是重要的。
制造

压电膜卷料是在净化房环境下生产的，首先是将PVDF颗粒料熔化并挤压成片状，然后，再进一步延展至挤压片料1/5的厚度。低于聚合物熔点温度的延展使分子的链群成为平行的结晶面，称之为“β相”。为取得高等级的压电活度，将这种β相的聚合体置于很高的电场中，使晶粒顺应极化场排列，PVDF共聚体则无需延展即可极化。

经蒸发沉积的金属化层厚度通常是500~1000A，几乎任何金属化层均可以这样沉积。常用的金属有：镍、铝、铜、金及其合金。电极的制造是掩膜喷镀，或用光刻胶进行化学蚀刻连续金属化。分辨率现可以达到25µm线宽，采用导电银墨进行丝印电极，其电极就厚得多，约为5~10µm，这种方法多用于在单片材上构成多个传感器且需要复杂形状的电极。银箔层是以薄胶层粘合，并与压电膜容性耦合。每种电极各有优缺点。

总的来说，喷镀金属用于高分辨率的阵列、低热质量的热电应用，或者惰性侵入式的医学应用。全金属化片材可以用剃须刀片小心切割，不会造成膜厚方向的短路。网印油墨则非常牢固，也很柔韧，可以承受很高的应力(>10%)，也可以在高电压条件下使用，不会发生击穿，并适于连续印制。但是，由于从丝印电极上切下元件时，极有可能使有厚油墨的压电膜在厚度方向上短路，因而要留出非金属化的边缘。电极层从机械上限制了压电膜对于作用在膜平面上的外部应力和应变的响应，但它在“厚度模式”方向工作时很有用。

经过金属化之后，还要经许多加工步骤后才生产出最后的成品。简言之，压电膜是层压在一种保护载体膜上，经切割成形，并加引线或端子后包装，有时还包括信号整理电路。经封装后的传感器件范围很广，从几平方毫米(包括ASIC芯片)的运输损坏传感器到数平方米体育运动记分靶传感器，足以说明这种技术的广泛用途。