压电薄膜传感器设计及电路图详解
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。
第 8 章 压电式传感器PPT课件
（d）石英晶体沿z轴方向施加作用力时，晶体不会产生压电效 应。
（e）当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。
31.10.2020
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石英晶体的压电效应演示
第8章 压电传感器
• 式中，d11为x方向受力的压电系数。
• 横向压电效应:若在同一切片上，沿机械轴方向施加作用力F2 时，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷，其大小为
a q1 d12 b F2
• 式中，d12为y方向受力的压电系数，其中d12=-d11。
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注：电偶极矩P=ql
第8章 压电传感器
第8章 压电传感器
q3 d33F3
式中， d33—— 压电陶瓷的压电系数； F—作用力。
优点：压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以 采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
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压电陶瓷材料：
第8章 压电传感器
钛酸钡（BaTiO3），它的压电系数约为石英的50倍，但居 里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和 机械强度都不如石英。 锆钛酸铅（PZT）系列，居里点在300℃以上，性能稳定， 有较高的介电常数和压电系数。
• 压电陶瓷：是人工制造的多晶体压电材料，压电系数高。
• 人工极化：材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在 无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的 极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此 原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
• 在强直流极化电场作用下，电畴的极化方向依外电场方 向充分排列。在撤消极化电场后，压电陶瓷内部仍存有 很强的剩余极化强度，这时的材料才具有压电特性。
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。
传感器课件-压电式传感器与超声波传感器
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能 继续工作，可作为高温下的力传感器。
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1. 压电元件的等效电路
压电传感器在受外力作用时，在两个电极 表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相 反。这时它相当于一个以压电材料为电介质 的电容器，其电容量为
Ca
r0S
ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数； δ为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。
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Ca
s
h
r0s
h
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U Q Ca
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压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
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两个压电片的联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）
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电荷放大器能将压电传感器输出的电荷
转换为电压（Q/U转换器），但并无放大 电荷的作用，只是一种习惯叫法。
12第七章 压电式传感器7-2解析
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传
感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号
所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
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
精品资料
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。
精品资料
系统 硬件 系统 (xìtǒng)
精品资料
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。
精品资料
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。
精品资料
计数，读取寄存器值，计算最终结果。
精品资料
(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
传感器第4章压电式ppt课件(共79张PPT)
第4章 压电式传感器
分析可见： （1〕压电陶瓷具有压电效应，是由于陶瓷内部存在着电畴，经 极化处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外作用 （力或电场〕下，能使极化强度变化，导致陶瓷出现压电效应。 （2〕陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，陶瓷 中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化， 引起电极上的自由电荷的释放或补充的结果。
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
第4章 压电式传感器
1) 压电陶瓷的正压电效应 2) 如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片 3) 产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
4) 极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面
5) 电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。 6) 当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度增大，内部束缚 7) 电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。 8) 这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，将机械能转换
变形与电场之间的关系为
产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。
此时正负电荷重心不再重合。
（1〕极性也随之改变。
第4章
压电式传感器
✓当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P1增大, P3、P2 减小。 ✓在垂直x轴表面上出现电荷, 它的 极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方 向上不出现电荷。
量电荷，但极性相反。
3〕在同一晶片上沿y轴方向作用力，其电荷仍在与x轴垂直的平面 上出现。
tb
第4章 压电式传感器 c a
由上述可知： 1)无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力〔或应变〕与电荷 〔或电场强度〕之间成线性关系； 2〕晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆 压电效应。
第5章-压电式传感器课件
荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，
所以压电传感器不能用于静态测量。
当3＞ ＞1，即3＞ > 1 时，前置放大器输入电
压 随频率增加而渐渐减缓.
>3 时, 可近似认为输入电压与作用力的频率 无关。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用 于高频交变力的测量，而且相当理想。
一般电压放大器采用高输入阻抗的前级放大器, 一般在集成运放出现以前多采用MOS场效应管和分 离元件来实现,但由于调试周期长,抗干扰能力较弱,所 以目前多采用集成运放来作为前级的放大.一般采用
2 微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，
生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器
的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检 测食品成为可能。
3、智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计
算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、 更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形 成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地 进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。
要注意的是，这两种放大器电路的输入端都应加过 载保护电路；否则，在传感器过载时会产生过高的输 出电压。
第五节 压电式传感器的应用
广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的 各种传感器，都可称为压电式传感器、它们已经广泛 地应用在工业、军事和民用等领域。表5—2给出了其 主要应用类型。在这些应用类型中力敏类型应用最多。 可直接利用压电传感器测量力、压力、加速度、位移 等物理量。
第二节 压电传感器的连接方式
一、压电晶片的连接方式:
由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电 荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存．因此需要测 量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能 的，所以压电传感器不宜作静态测量．只能在其上加 交变力电荷才能不断得到补充．可以供给测量电路一 定的电流．故压电传感器只宜作动态测量。
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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。
1F的电容器(C3)构成了低通滤波器，减小了电路对更高频振动的响应。
这里最好用薄膜电容器，因为陶瓷电容器可能引入附加的讨厌的压电效应(即常说的颤噪效应)。
如果需要额外的低通滤波，在运放的输出端，即图中。