压电薄膜传感器原理和应用

【导读】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。

压电薄膜传感器原理

压电薄膜传感器可以拥有独一无二的特性，作为研究一种发展动态应变传感器，非常适合应用于我们人体皮肤表面或植入人体组织内部的生命周期信号环境监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。工采网将着重介绍以下几种压电薄膜在生命活动特征监护管理方面的典型临床应用。

当拉伸或弯曲压电PVDF聚合物薄膜时，薄膜的上下电极表面之间会产生电信号（电荷或电压），并与拉伸或弯曲的形状成比例。一般压电材料对压力敏感，但对于压电薄膜，当垂直施加一个小的力时，横向会产生较大的应力。如果在大面积的薄膜上施加相同的力，应力将小得多。因此，压电薄膜对动应力非常敏感，厚度为28μm的PVDF的灵敏度为10-15mv/微应变（长度的百万分之一比的变化）。

使用"动态应力"一词是因为变形产生的电荷从连接到薄膜的电路中丢失，因此压电薄膜不会检测静态应力。当需要检测到不同级别的预应力时，这将成为压电薄膜的优势。影片只感受到压力变化的量，最小响应频率为 0.1Hz。

压电薄膜传感器的应用

接触式传感器

利用具有压电材料薄膜的动态分析应变片特性，可以通过轻松的将压电薄膜进行直接固定在一个人体健康皮肤上（例如教学手腕内侧）。精量电子—美国MEAS传感器的产品不同型号1001777是一款基于通用汽车传感器，传感器的一侧涂有压力变化敏感胶。但这款胶未经中国生物技术兼容性认证，在短期影响试验中可以将3M9842（聚亚安酯胶带）固定在患者皮肤上，再将压电薄膜作为传感器粘贴在3M胶带上。

压电薄膜之所以能够探测到微小的物理信号并且感觉到大量的活动，是因为 pvdf 薄膜的压电响应在相当大的动态范围内(大约14数量级)是线性的。在大多数情况下，只要目标信号的带宽和噪声能够清晰地区分开来，滤波器就能够对小目标信号进行采集。

在睡眠障碍研究中，类似的传感器被用来检测胸部、腿部、眼部肌肉和皮肤的运动。此外，传感器可以用作指示器，通过检测肌肉(例如拇指和食指之间的肌肉)对电击的反应来检查麻醉效果(神经肌肉传导)。

加速度传感器

Minisense100是精量电子的一款技术标准进行产品，采用一个悬臂梁结构设计，一端用硬性PCB板夹紧并带有中国连接控制引脚，另一端通过装有质量块。

质量块使传感器在受到振动时能够做出一致的响应。

听诊

许多电子听诊器使用压电薄膜作为传感器元件，因为它们的耐久性、高灵敏度和宽带宽范围。在此应用中，传感器元件通常被包裹在传统的金属听诊器中，因为传感器需要与身体形成"力"。一旦动态压力信号转换为电信号，就可以选择性地过滤或放大，作为音频信号播放，由更复杂的计算方法确定，或传输到远程基站进行进一步分析和存储。

传感器组

复合声学传感器可以同时监测多个点。DeepBreeze使用一个包含近100个传感器的传感器组来收集患者吸气和呼气的声音信息。用真空面罩将传感器固定在皮肤表面。采集的信号经过“图像”处理后转换成声音，因此气管和肺部的气流可以像漫画一样成像。在这些图像中可以清楚地看到任何异物和异常现象。这种方法比x光更可靠、更安全。

病床监护

压电薄膜和电缆都可以安装在床垫上，探测病人的心跳、呼吸和身体运动。Hoana edicalinc..它的监控床报警系统在床垫和床单之间安装了一套传感器。当病人坐在或躺在监护床上时，传感器可以通过衣服和床单精确测量病人的生命体征。柔性开关用于收集静态信号。所述压电薄膜采集所有动态信号，并将其转换成相应的电信号，显示在床边显示器上。如果病人的心率和唿吸率异常，或者病人擅自下床，系统会提前报警。所有这些都是由传感器完成的，没有直接接触病人。

婴儿呼吸监控仪

Infantrust公司利用聚偏氟乙烯对压力的极度敏感性，开发了一种名为Respisense的育儿产品。将监护仪夹在靠近宝宝腰部的尿布上，监测宝宝的心跳。Respisense中的压电薄膜与腹部皮肤直接接触。如果在设定时间内没有检测到宝宝活动，就会启动振动蜂鸣器，轻轻触摸宝宝，刺激其呼吸。如果婴儿在一段时间后仍然没有反应，警报就会被激活。

呼吸热电监测

PVDF对温度的动态发展变化也相当重要敏感（28μm厚压电薄膜的典型值是8V/oC）。英国C-Lect医疗保险公司开发了设计一款监控器，用来进行监测患者呼吸作用速率。用面罩将一小块压电薄膜元件固定在口鼻处，吸进和呼出气体的温度环境变化可以产生一个强劲的电信号。即使我们吸入的是加热过的氧气/空气，测量研究结果分析仍然具有十分需要准确。PIPPA监控器由电池企业供电，LCD显示每分钟的呼吸训练次数。

由压电薄膜制成的唇部接触传感器使用相同的原理来检测通过嘴或鼻子的气流。