LDTO-028K振動(dòng)薄膜傳感器的原理與應(yīng)用

大家好，我是【廣州工控傳感★科技】LDTO-028K薄膜傳感器事業(yè)部，張工。

當(dāng)LDTO-028K壓電薄膜偏離機(jī)械自然軸時(shí)，彎曲可在壓電聚合物中產(chǎn)生高應(yīng)力，從而生成高電壓輸出。當(dāng)直接作用于傳感器而使其變形時(shí)，LDTO-028K就可以作為一個(gè)柔性開(kāi)關(guān)，所產(chǎn)生的輸出足以直接觸發(fā)MOSFET和CMOS電路。如果元件由引出端支撐并自由振動(dòng)（借助夾具/自由梁慣性產(chǎn)生彎曲應(yīng)力），該元件就可以作為加速度計(jì)或者振動(dòng)傳感器。增加質(zhì)量塊或者改變?cè)淖杂砷L(zhǎng)度都會(huì)影響傳感器的諧振頻率和靈敏度，以適合特殊應(yīng)用。將質(zhì)量塊偏離軸線可以得到多軸響應(yīng)。LDTO-028K采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端由端子引出信號(hào)，一端固定質(zhì)量塊，是一款能在低頻下產(chǎn)生高靈敏度的振動(dòng)傳感器。

LDTO-028K薄膜振動(dòng)傳感器是一種標(biāo)準(zhǔn)部件，采用了負(fù)重的懸臂設(shè)計(jì)且其夾具有剛性 PCB材料，并允許安裝連接插針。附加的質(zhì)量塊使傳感器能夠在加速度的影響下做出慣性響應(yīng)。薄膜元件在質(zhì)量塊靜止時(shí)彎曲，從而使得電壓靈敏度極高（約1V/g）。此部件的一種變體可在工作人員或患者佩戴“智能徽章”（配備射頻遙感）時(shí)檢測(cè)其生命特征，并允許發(fā)送周期性信號(hào)以便于跟蹤或定位。當(dāng)LDTO-028K傳感器檢測(cè)到徽章已從人體上取下時(shí)，徽章將進(jìn)入睡眠模式，而肌肉震顫、劇烈身體動(dòng)作甚至脈搏的跳動(dòng)都會(huì)使徽章保持“喚醒”。

使用輕薄的彈力帶將這種標(biāo)準(zhǔn)傳感器緊靠在胸部時(shí)，傳感器可揭示心臟的“聲音”細(xì)節(jié)。通過(guò)在電子接口上選擇一個(gè)非常低的頻率限值，還可看到呼吸頻率（圖 3）。在該波形中，胸壁運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為大約四秒周期的緩慢周期信號(hào)，而單次心跳可看出約為 1/s (60 bpm)。為了消除呼吸信號(hào)并去除某些噪聲，可在1Hz（下限）和10Hz（上限）位置應(yīng)用濾波器來(lái)獲得實(shí)時(shí)信號(hào)（圖 4）。注意圖4波形中的曲線均源自處于休息狀態(tài)的患者。當(dāng)然，使用加速度傳感器的情況下，身體運(yùn)動(dòng)很容易影響心跳信號(hào)。事實(shí)上，這種懸臂梁加速度傳感器的一種微型版本在心臟起搏器內(nèi)用于檢測(cè)患者的身體活動(dòng)水平，以便能夠相應(yīng)地調(diào)節(jié)起搏頻率。

應(yīng)用

得益于LDTO-028K壓電薄膜的堅(jiān)固性、靈敏度和寬帶寬，多種電子聽(tīng)診器已采用壓電薄膜作為有源傳感元件。在此情況下，必須用一些“反作用力”使傳感元件緊靠身體，這種元件通常像直接聲學(xué)聽(tīng)診器那樣使用常規(guī)的巨大鐘形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一旦動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便可對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行以下處理：通過(guò)選擇性濾波或放大進(jìn)行增強(qiáng)、作為音頻信號(hào)回放、使用更復(fù)雜的算法進(jìn)行分析以檢測(cè)特定情況、通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)竭h(yuǎn)程基站以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和存儲(chǔ)，等等。使用緊湊的聲敏傳感器意味著可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)點(diǎn)。

使用緊湊的聲敏傳感器意味著可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)點(diǎn)。

在直接身體接觸的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，目前已在床墊中采用壓電薄膜和壓電電纜來(lái)檢測(cè)患者的心跳、呼吸和身體運(yùn)動(dòng)。通過(guò)將傳感器陣列集成到床墊外罩中，可以在患者躺在或坐在這些收集裝置上時(shí)被動(dòng)地監(jiān)測(cè)患者信息，即使透過(guò)衣服、病服或床單也能提供精確的測(cè)量結(jié)果。柔性開(kāi)關(guān)將檢測(cè)到離床狀態(tài)，而電壓電薄膜元件會(huì)將患者的所有動(dòng)態(tài)生命特征轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，這些電信號(hào)可顯示在帶有報(bào)警邏輯的床頭裝置上。該系統(tǒng)可預(yù)警心臟或呼吸頻率異常以及患者擅自離床情況，所有這些功能均無(wú)需直接接觸患者。

結(jié)論

正如上述各種應(yīng)用中所顯示的，壓電薄膜可很好地替代更傳統(tǒng)的電子元件來(lái)將生命體征數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。