压电薄膜传感器
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计目录1. 内容综述 (2)1.1 研究背景及意义 (3)1.2 现有脉搏监测技术现状及不足 (4)1.3 本文研究目标及创新点 (5)2. 基于柔性压电薄膜的脉搏传感器工作原理 (6)2.1 压电材料的特性及应用 (7)2.2 传感器结构设计 (9)2.2.1 传感器组成部分 (10)2.2.2 柔性压电薄膜的特性与选择 (12)2.2.3 信号采集和处理电路设计 (13)2.3 脉搏信号获取及分析 (15)3. 材料及器件 (16)3.1 主流柔性压电薄膜材料研究 (17)3.2 器件加工工艺 (18)4. 实验设计与结果分析 (19)4.1 实验平台搭建 (21)4.2 传感器性能测试及分析 (22)4.3 压力感知特性研究 (24)4.3.1 传感器响应曲线 (25)4.3.2 传感器线性度分析 (27)4.4 脉搏信号采集与分析 (29)4.4.1 实验数据采集 (31)4.4.2 脉搏信号处理与提取 (31)4.4.3 信号分析与结果展示 (33)5. 讨论与结论 (34)5.1 研究成果总结和分析 (36)5.2 存在问题及未来展望 (37)1. 内容综述随着物联网与智能穿戴技术的不断进步，健康监测与远程医疗系统的发展需求日益显现。
在这个背景下，基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计成为了研究热点。
该设计旨在实现实时、连续、非侵入式的生理信号监测，特别是针对心血管健康的监测。
该设计以人体脉搏信号的精准检测为目标，结合了柔性压电薄膜技术与现代传感技术，为用户提供一种舒适且可靠的新型穿戴监测方式。
柔性压电薄膜作为一种新兴材料，具有灵敏度高、响应速度快、可弯曲等特点，适用于可穿戴设备的制造。
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器不仅可用于医疗领域的心率失常预警、心血管疾病诊断，还可在运动健身领域用于运动效果评估和运动损伤预防等方面。
其设计理念的革新性在于将传统的医疗检测手段与现代可穿戴技术相结合，为用户提供个性化的健康监测服务。
压电薄膜传感器设计及电路图详解
压电薄膜传感器设计及电路图详解加速度计可以用在仪表中，测量加速度(速度对时间的变化率)和测量倾斜度(物体的纵轴和与地球表面相切的平面的垂线之间形成的倾角)。
倾斜度测量可以被看成直流或稳态测量。
在理论上，加速度可以是稳态的，但在实际应用当中，加速度通常是一个短期的暂时现象。
在非倾斜应用(短时加速)中，可以将压电检波器或压电薄膜传感器用作传感器。
任何类型的压电传感器都有一个与电容串联的交流电压源等效电路(加上其他会产生二阶效应的电抗元件，不在此进行分析)。
典型的容值为几百皮法到几纳法。
电压源的电容耦合就是为什么器件不能提供稳态的倾斜度测量的原因。
上面提到的等效电容，再加上输入或后继的放大或缓冲电路的分流电阻就构成了一个单极高通滤波器(HPF)。
在最好的情况下，如果分流电阻越大，高通滤波器中极点的时间常数越长。
这就意味着，在时间常数效应削弱测量前，可以对加速度进行测量的时间较长。
从实用性的角度出发(考虑到器件的可用性)，可以选用1G的阻值。
由于这个电阻值很大，所使用的放大器必须具有非常低的偏置或泄漏电流，最好能达到1pA的级别。
图1是一个实用电路的电路图。
压电薄膜传感器是器件X1。
在原型设计当中，使用了测量专用的LDTM-028K器件。
这个传感器的一端已经施加了一个很小的重力，在这端再增加大的重力，可以提高灵敏度。
传感器通过R1连到运放U1的非反向输入端，R1可防止过压对运放的输入造成损害。
如果传感器承受的加速度非常高(如重击)，就很可能发生这种情况。
R1也可以用来减小来自X1的信号幅值。
这个电路中的R1是1G。
R2是输入分流电阻，1pA的泄漏电流会流过R2，其数值也是1G，产生1mV的偏置电压(加到运放的实际偏置电压上)。
R2接2.5V的参考电压，设定运放的静态输出电压。
运放是ISL28158(或任何其他具有超低输入偏置/泄漏电流的器件)。
运算放大器使用+5V DC电源供电。
直流增益由R3和R4设定，在这个电路中是+2V/V。
压电薄膜传感器工作原理以及应用
压电薄膜传感器工作原理以及应用压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。
本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。
工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。
一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。
因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。
使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。
当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。
薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达0.1Hz。
压电薄膜传感器简介压电薄膜传感器拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。
工采网将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。
压电薄膜传感器工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。
一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。
因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。
使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。
压电式薄膜压力传感器-2023最新标准
压电式薄膜压力传感器1范围本文件规定了压电式薄膜压力传感器的术语和定义，型式和基本参数，基本要求，技术要求，试验方法，检验规则、包装，标志，存储，使用，质量承诺。
本文件适用于压电式薄膜压力传感器。
该产品在动态压力作用下会有电信号输出，用于多种应用条件下的动态压力测量。
2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T7665-2005传感器通用术语GB/T7666-2005传感器命名法及代码GB/T13384-2008机电产品包装通用技术条件GB/T15478-2015压力传感器性能试验方法GB/T18806-2002电阻应变式压力传感器总规范GB/T20522-2006半导体器件第14-3部分：半导体传感器-压力传感器3术语和定义GB/T7665-2005中所界定的及下列术语和定义适用于本文件。
3.1压电式压电器件的基本原理是压电材料受到应力，产生电荷，经电荷放大器放大，转化为与电荷成正比压力。
3.2压电式传感器将被测量变化转化由于材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器。
3.3压电式薄膜压力传感器采用薄膜制造工艺，利用压电材料制成的压力传感器。
该传感器在外力作用下会有电信号输出，利用力电转换关系进行外力的测量。
4命名方法及代号传感器的名称由主称和修饰语构成，命名为“××压电式薄膜压力传感器”。
传感器的型号代号由四部分构成，用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字表示：ａ）主称；ｂ）被测量；ｃ）转换原理；ｄ）序号。
四部分表述分别为：F FPEd)序号（主特征、参数）c)分类（压电式）b)被测量（压力）a)主称（薄膜传感器）4.1第一部分——主称主称（薄膜传感器）用代号“F”标记，为Film的首字母。
4.2第二部分——被测量被测量（压力）用代号“F”标记，为Force的首字母。
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究1PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究随着现代科技的不断进步，传感器已经广泛应用于各种电子设备和计量仪表中，传感器作为连接物理世界与数字世界的纽带，其性能不仅关系到设备的稳定性和性能，还关系到生活和工业领域的实际应用。
近年来，PVDF压电薄膜作为一种新型的传感器材料，受到了人们的广泛关注。
本论文从制备PVDF压电薄膜入手，探讨了PVDF压电薄膜的性能，并研究了其在压力传感器中的应用。
1. PVDF压电薄膜制备PVDF压电薄膜的制备过程主要分为以下两步，分别为拉伸和极化。
1.1 拉伸首先，需要将PVDF粉末通过非溶剂法制造成PVDF膜，然后将PVDF薄膜导入拉伸机中，利用一定的拉伸速度和力度拉伸成一定厚度的PVDF薄膜。
1.2 极化拉伸后的PVDF薄膜需要进行极化，将其放置在特殊的高温和高压环境中，使PVDF薄膜内部产生电极化作用，形成一定的电极化强度和方向，从而使PVDF薄膜产生压电效应。
2. PVDF压电薄膜性能PVDF压电薄膜的优点在于其具有极好的压电性能，也就是说，当其受到压力时，会产生一定的电荷输出。
此外，PVDF压电薄膜还具有极高的机械强度和稳定性，能够抵御一定的气氛和温度变化，并适用于多种环境条件。
此外，当PVDF压电薄膜与电荷放电器和电流放大器相连接时，可以将PVDF的输出信号放大和处理，以输出更具意义的信息。
3. PVDF压力传感器应用PVDF压电薄膜在压力传感器中的应用越来越广泛。
利用PVDF压电薄膜的压电效应，可以制作出一款高精度的压力传感器，可以独立地感知机械压力、机械挤压等多种变化。
此外，PVDF 压电薄膜在测量生物信号、声音、震动等方面也有广泛的应用，是一种具有广泛应用前景的新型传感器材料。
总之，PVDF压电薄膜是一种非常重要的材料，有着极佳的压电性能和稳定性能，能够被广泛应用于传感器和其他电子元器件中。
PVDF压电薄膜传感器的标定技术
PVDF压电薄膜传感器的标定技术PVDF压电薄膜传感器只能测量动态压力，因此我们要确定它的动态灵敏度系数。
本实验主要测试低应力下自制传感器的动态灵敏度，因此，采用落锤冲击装置对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验。
一、落锤装置标定PVDF传感器的实验方案（一）实验原理PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置是由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套、两台电荷放大器、一台示波器等组成。
该装置是利用重锤、活塞杆和油缸中的硅油相互作用过程中形成毫秒量级的动态压力扰动，压力波形接近半个正弦波，在记录仪器中可以获取标准压力传感器的输出信号和被标压力传感器的输出信号，经数据处理后可以得到被标压力传感器的灵敏度和非线性误差水平，实现PVDF压电薄膜传感器的标定。
PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置的主要参数如下：重锤质量约为M2=2200g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；重锤最大落高约为hmax≈1300mm；重锤最大打击速度约为umax=（2ghmax）0.5=5m/s，此值是设计与调试中主要控制参数之一；油缸中硅油质量约为M1=1.2g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；因为本实验需要的压力不高，所以直接手动用落锤打击产生超压。
（二）实验装置实验使用的实验装置主要由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、落锤冲击装置、两台电荷放大器、一台示波器。
（1）标准压力传感器。
我们采用比较测试法对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验，对自制传感器和标准传感器输入相同的激励信号，通过测量它们的输出信息，比较两个传感器输出的电压波形，计算出PVDF压电薄膜传感器的灵敏度，其中标准传感器的灵敏度为2.436pc/bar。
（2）落锤装置。
落锤装置是由1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个1.5m长圆筒式滑轨、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套组成的。
压电薄膜传感器
传感器 优势(yōushì)
对人体微弱生理信号的有效采集和处理一直是医疗器械领域(lǐnɡ yù)的研
究热点。目前有多种用于人体微弱信号采集的传感器。
新型高分子压电材料聚偏氟 乙烯研制的压电传感器
结构简单、灵敏度高、频带宽 能准确测量微弱的人体信号
与人体接触安全舒适，能紧贴体壁
声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一
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系统 硬件 系统 (xìtǒng)
(yìnɡ jiàn)
信号的处理控制部分
利用8031单片机中的两个定时器/计数器T0和T1分别工作 于定时和计数方式，对心音心电波形整形后的脉冲进行 计数，然后通过软件计算脉搏心率每分钟跳动次数，并根据软
件分析心电心音数据相关的量。
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系统 硬件 系统 (xìtǒng)
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传感器 设计 压电薄膜传感器的设计主要考虑了传感器的灵敏度和信噪
(shèjì)
比，根据测量信号的频率和响应幅度。
在采集人体心音的信号时，由于心音的频响范围(fànwéi)较宽， 同时其输出的物理信号值也很微弱，采用硬质衬底和中空的
设计。
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传感器 设计(shèjì)
优点：提高传感器中薄膜在收到心音信号时的形变量，从而提高信 号强度。
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计数，读取寄存器值，计算最终结果。
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(zǒngjié)
ห้องสมุดไป่ตู้
总 结
利用高分子压电材料聚偏氟乙稀研制成压电薄膜传感 器应用于心音心电监测系统，能够准确不失真的采集 人体微弱(wēiruò)的心音脉搏信号。该薄膜传感器与心音 心电整机之间结构、性能匹配，通过实验，本心音心 电监测系统可以初步监测人体的心音心电信号，该系
DT系列压电薄膜传感器
DT系列元件(部件号:见典型参数表)应用:检测振动或冲击的动态应变片和接触式传声器.特点:有未加引线的元件,客户可根据自己的需要加引线.典型参数:有引线的DT系列尺寸（单位：英寸）（括号中数字单位：毫米） 备注 名称 A薄膜B电极C薄膜D电极t(µm)电容量( nF)部件号DT1-028K .64(16.26).484(12.29) 1.63(41.4) 1.19(30.17)40 1.381-1002908-0DT1-052K .64(16.26).484(12.29) 1.63(41.4) 1.19(30.17)700.742-1002908-0DT2-028K .64(16.26).484(12.29) 2.86(72.64) 2.42(61.47)40 2.781-1003744-0DT2-052K .64(16.26).484(12.29) 2.86(72.64) 2.42(61.47)70 1.442-1003744-0DT4-028K .86(21.84).74(18.79) 6.72(170.69) 6.13(155.7)40111-1002150-0DT4-052K .86(21.84).74(18.79) 6.72(170.69) 6.13(155.7)70 5.72-1002150-0金属化压电薄膜片尺寸（单位：英寸）（括号中数字单位：毫米） 备注厚度 A薄膜B电极C薄膜D电极t(µm)金属化 部件号28µm 8(203) 7.5(190) 5.5(140) 5(127) 28镍铜合金 1-1003703-428µm 8(203) 7.5(190) 11(280) 10.5(267) 28镍铜合金 1-1003702-428µm 8(203) 7.5(190) 5.5(140) 5(127) 40银墨电极 1-1004347-028µm 8(203) 7.5(190) 11(280) 10.5(267) 40银墨电极 1-1004346-052µm 8(203) 7.5(190) 5.5(140) 5(127) 52镍铜合金 2-1003703-452µm 8(203) 7.5(190) 11(280) 10.5(267) 52镍铜合金 2-1003702-452µm 8(203) 7.5(190) 5.5(140) 5(127) 64银墨电极 2-1004347-052µm 8(203) 7.5(190) 11(280) 10.5(267) 64银墨电极 2-1004346-0110µm 8(203) 7.5(190) 5.5(140) 5(127) 110镍铜合金 3-1003703-4110µm 8(203) 7.5(190) 11(280) 10.5(267) 110镍铜合金 3-1003702-4110µm 8(203) 7.5(190) 5.5(140) 5(127) 122银墨电极 3-1004347-0110µm 8(203) 7.5(190) 11(280) 10.5(267) 122银墨电极 3-1004346-0无引线的 DT元件尺寸（单位：英寸）（括号中数字单位：毫米） 备注 名称 A薄膜B电极C薄膜D电极t(µm)电容量( nF)部件号 DT1-028K .64(16.26).484(12.29) 1.63(41.4) 1.19(30.17)40 1.381-1002608-0.484(12.29) 1.63(41.4) 1.19(30.17)700.742-1002608-0 DT1-052K .64(16.26).484(12.29) 2.86(72.64) 2.42(61.47)40 2.781-1003752-0 DT2-028K .64(16.26)DT2-052K .64(16.26).484(12.29) 2.86(72.64) 2.42(61.47)70 1.442-1003752-0 DT4-028K .86(21.84) .74(18.79) 6.72(170.69) 6.13(155.7)40111-1002149-0DT4-052K .86(21.84) .74(18.79) 6.72(170.69) 6.13(155.7)70 5.72-1002149-0。
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简介 压电薄膜凸轮传感器,是利用压电薄膜设计的 计数传感器,能够结合各类流量表中的凸轮来 实现计数统计。广泛应用在各类流量表中。
特性 无源传感器,2线输出 极低的静态电流<< 1uA 高可靠性,长寿命
应用 水表，天然气表等
1 绝对最大额定值
参数
数值
外部电压
+60
电流
名称 MOS管漏极 MOS管源极
描述 24AWG,300V,80C 24AWG,300V,80C
3 环境特性参数
特性参数 工作温度 储存温度 相对湿度
符号 TOP TS RH
最小 -40 -40
0
典型 -
最大 +60 +60 90
单位 ºc ºc %R.H
1
07/23/2009 1/2
800
中 国 北京赛斯维测控技术有限公司 北京市朝阳区望京西路４８号 金隅国际Ｃ座１００２ 电话：＋８６ ０１０ ８４７７ ５６４６ 传真：＋８６ ０１０ ５８９４ ９０２９ 网址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓｏｒｗａｙ．ｃｎ
单位 V mA
备注 击穿电压 最大脉冲电流
2 输出线说明
颜色 红色 黑色
饱和电压
Vsat
--
--
0.1
V
负载电流67uA+/-10%
Vsat
--
--
0.8
V
负载电流100mA+/-10%
备注(1):凸轮高度,0.7mm,脉冲频率0.5Hz-3Hz,脉冲下降沿42%到上升沿54%
5 典型接口电路
6 外形尺寸(单位: mm)，高度 1.5mm(REF)(最大)
传感器固定封装用胶,建议使用硅胶(RTV),例如:Dow Corning @3-1744
压电薄膜凸轮传感器
4 电气特性
特性参数 工作电压 工作电流 输出脉冲宽度
输出共源电容 输出阻抗
符号 +V
Isupply PW
最小 3 15
典型 ----
最大 30 75
PW
8
--
75
PW
10
--
75
Coss
5
--
25
Rload
--
ห้องสมุดไป่ตู้
--
--
单位 VDC mA ms
ms
ms
pF Ω
条件
取决于负载电阻Rload 备注(1), TOP=25C 负载电流,67uA+/-10%, 备注(1), TOP=-40C—60C 负载电流,67uA+/-10%, 备注(1), TOP=-25C—60C 负载电流,67uA+/-10%, VDS=25V,1MHz,随工作频率变化 约等于负载电阻Rload
2/2
2
07/23/2009