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基本開關電路
有多種電路可用于壓電膜的接口,包括場效應晶體管
(FET),運算方大器(OpAmps)和低電流數字邏輯電路(CMOS) 。
由于FET已用于表面貼裝技術,可在小尺寸應用時考
慮用FET。使用FET時應考慮的重要特性是開關頻
率,壓電膜電容,FET關斷狀態的漏電流,輸入偏置阻
抗和電磁干擾 (EMI)屏蔽。
圖43和圖44是典型的壓電膜開關的FET電路圖。
圖43,共漏極或源極跟隨器在應用中應用的很好,
在應用中簡單的緩沖器是重要的。在這里,電路電壓增益
約為1。
在圖44中的共源極點路對需要電壓增益的低頻
應用是合適的。增益由阻抗Rd和Rs確定。當增益增
加時,頻率帶寬按每20dB增益/十倍頻程的系數減小。
運算放大器為壓電膜開關應用提供了很大方便。
對特定的應用,很容易與其匹配。重要的運算放大器
電路特性包括輸入偏置阻抗,薄膜開關電容和EMI屏蔽。
圖45的運算放大器電路,一個電荷放大器,適合一
個測得的振動觸發開關的應用。在小信號應用中也工
作的很好。一個電荷放大器消除了壓電膜和連接電纜的
時間常數效應。電荷放大器是一個零輸入阻抗的電流運
算電路,結果是在膜兩面沒有電壓產生。電荷放大器快
速的吸收薄膜產生的電荷。由于在薄膜電極上無電荷,
薄膜表現出無時間常數。
薄膜和連接點纜的電容在電路的傳遞功能上沒有反
效應。因而薄膜尺寸和電纜長度公差控制不需要特別嚴
格。電荷被從薄膜輸送到放大器反饋環的電容, 此電容
確定輸出電壓: V=Q/Cf。
該電荷放大器需要一個有高輸入阻抗和低偏置電流
的運算放大器。一個高輸入阻抗避免了在反饋電容上電
荷的泄漏，低偏置電流防止反饋電容過度充放電。電荷
放大器電路的布局是關鍵。運算放大器外殼必須很好接
地輸入端應保護好并象外殼一樣很好接同一地。
有保護輸入端的布局見圖46。為防止運算放大器放
大造成的泄漏噪聲,應用絕緣良好的STANDOFF接頭端接
輸入電纜。
盡管有上述保護措施,輸出電壓仍會漂移。為補償漂
移，通常在電路中設計一個復位開關隔一端時間用手動
將輸出置零。一種就是在電阻上串聯一個簧片開關,但與
反饋電容Cf并聯。起動簧片開關關閉此開關,放掉存在
反饋電容內的電壓。
另外一個方法是用一個MOSFET器件,在這器件中最大輸出電壓和關門電壓決定FET的最小門電壓。實際應用中,給MOSFET門一個大于放大器電壓的電壓,降低其漏/源極阻抗和為反饋電容放電創造一個電流路徑。
第三種辦法是在反饋回路并一個分壓電阻。這個電
阻產生一個時間常數(CfRf), 這個時間常數與薄膜電容
無關并可精確控制。
圖47的信號電平檢測器適用于大信噪比的應用。這
個電路對在低電平振動中檢測沖擊是理想的。對信噪比
低和必需將沖擊或壓力信號從背景振動中鑒別出來的情
況，圖48的微分放大器電路是合適的。這個電路由兩個
驅動微分放大器的傳感器組成。
這個電路用共模抑制概念。兩個開關機械耦合用于
消除模擬二者的不想要的振動。在一個開關上的輸入或
壓力信號會產生輸出,而另一個卻沒有。
CMOS 邏輯電路提供了與壓電薄膜接口的一個低成
本方案。如前所述,用CMOS技術實現的低能耗電路非常
適合于壓電薄膜開關。對壓電薄膜來說CMOS應用一般
是對低頻工作。其它要考慮的特性包括器件輸入泄漏電
流,輸入阻抗,輸入偏置阻抗,和EMI效應。例如,一個
CMOS電路可用于感應一個單個沖擊或一個壓力信號。
圖49的D觸發器顯示沖擊或壓力信號會推動一個
聲音報警。
圖50中的電路在記數應用中感應多次沖擊或壓力
信號。
對與壓電膜接口有許多不同的CMOS電路配置可用。
所有電路的共同點是輸入偏置電阻與壓電薄膜并聯,輸
入電阻與壓電薄膜串聯。偏置電阻負責漏電流而串聯電
阻限制電流保護其不受靜電放電電荷的沖擊。
電纜
在不可能在壓電薄膜傳感器附近接入放大電路的應用中,必需考慮選用可傳輸高阻信號的連接電纜。
屏蔽的同軸電纜被用于減小噪音時,會產生電纜泄漏和附加電容。在大多數情況下,電纜的初始絕緣層已有較高的阻抗,非極化塑料如高純度聚乙烯或Teflon®(PTFE)。由于電纜的移動產生噪音從而干擾信號傳輸,使電纜保持非
振動狀態同樣是重要的。
制造
壓電膜卷料是在凈化房環境下生產的，首先是將PVDF顆粒料熔化并擠壓成片狀，然后，再進一步延展至擠壓片料1/5的厚度。低于聚合物熔點溫度的延展使分子的鏈群成為平行的結晶面，稱之為“β相”。為取得高等級的壓電活度，將這種β相的聚合體置于很高的電場中，使晶粒順應極化場排列，PVDF共聚體則無需延展即可極化。
經蒸發沉積的金屬化層厚度通常是500~1000A，幾乎任何金屬化層均可以這樣沉積。常用的金屬有：鎳、鋁、銅、金及其合金。電極的制造是掩膜噴鍍，或用光刻膠進行化學蝕刻連續金屬化。分辨率現可以達到25µm線寬，采用導電銀墨進行絲印電極，其電極就厚得多，約為5~10µm，這種方法多用于在單片材上構成多個傳感器且需要復雜形狀的電極。銀箔層是以薄膠層粘合，并與壓電膜容性耦合。每種電極各有優缺點。
總的來說，噴鍍金屬用于高分辨率的陣列、低熱質量的熱電應用，或者惰性侵入式的醫學應用。全金屬化片材可以用剃須刀片小心切割，不會造成膜厚方向的短路。網印油墨則非常牢固，也很柔韌，可以承受很高的應力(>10%)，也可以在高電壓條件下使用，不會發生擊穿，并適于連續印制。但是，由于從絲印電極上切下元件時，極有可能使有厚油墨的壓電膜在厚度方向上短路，因而要留出非金屬化的邊緣。電極層從機械上限制了壓電膜對于作用在膜平面上的外部應力和應變的響應，但它在“厚度模式”方向工作時很有用。
經過金屬化之后，還要經許多加工步驟后才生產出最后的成品。簡言之，壓電膜是層壓在一種保護載體膜上，經切割成形，并加引線或端子后包裝，有時還包括信號整理電路。經封裝后的傳感器件范圍很廣，從幾平方毫米(包括ASIC芯片)的運輸損壞傳感器到數平方米體育運動記分靶傳感器，足以說明這種技術的廣泛用途。
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