高灵敏、宽带宽、低噪声聚合物压电加速度计，用于有机电子和可穿戴微系统
2024-05-17 20:39:13   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

压电加速度计在振动传感方面表现出色。在全有机电子微系统的新兴趋势中，聚合物压电加速度计可用作捕获动态信号（例如为有语言障碍的人提供的可穿戴语音助手中的声音振动）的重要前端组件。然而，适合此类应用的高性能聚合物压电加速度计非常罕见。聚偏氟乙烯（PVDF）等压电有机化合物的性能不如锆钛酸铅（PZT）等无机化合物。因此，大多数现有的聚合物压电加速度计的性能指标非常不平衡。它们通常会牺牲谐振频率和带宽来获得与基于PZT的加速度计相当的平带（flat-band）灵敏度，从而导致其噪声密度增加和应用潜力受限。

据麦姆斯咨询报道，加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）的研究团队提出了一种新型聚合物压电加速度计，以克服PVDF材料的限制。这种新设计旨在同时实现高灵敏度、宽带宽和低噪声。研究团队制造并表征了五个加速度计样品，结果表明± 10 g输入范围内的平均灵敏度为29.45 pC/g，5%平带为160 Hz，带内噪声密度为1.4 μg/√Hz。这些性能指标超越了许多基于PZT的压电加速度计，表明了在聚合物压电加速度计中实现全面高性能的可行性，从而提高了它们在有机微系统等新型应用中的潜力。该研究成果以“Polymeric piezoelectric accelerometers with high sensitivity, broad bandwidth, and low noise density for organic electronics and wearable microsystems”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

基于PVDF的高灵敏度和谐振频率压电加速度计的设计

压电加速度计有两个主要的固有噪声源：热机械噪声和热电噪声，后者更为突出。此外，热电噪声与带宽成反比。由于压电加速度计的这一独特特性，本研究的三个目标在理论上等同于实现一种灵敏度和谐振频率均高于现有压电加速度计的聚合物压电加速度计。图1显示了新设计的细节。

图1 使用梯形悬臂作为传感单元的PVDF聚合物压电加速度计的设计

如图1a和1b所示，新设计基于现成的聚合物薄膜和3D打印组件。每个组件都是单独制造并粘合层压在一起的。在现有关于有机电子微系统或可穿戴智能系统的聚合物触觉传感器的研究的支持下，这种器件制造策略可以通过利用直接微加工技术来简化聚合物换能器的制造工艺。图1中单个加速度计的占位面积设置为15mm x 15mm。

如图1所示，单个聚合物压电加速度计具有由六个相同悬臂传感单元组成的阵列，这些单元通过电气方式并联，其压电电荷响应相加后输出。与现有的其它聚合物压电加速度计相比，这种基于阵列的设计能够显著减小各个单元的平面尺寸，实现高谐振频率的小型化，同时保持相当的总有效传感面积以获得高灵敏度。

图1b和1c中每个悬臂传感单元的尺寸也进行了数值优化，以适应设计之初设定的15mm x 15mm面积限制。为了在调整尺寸设计和谐振频率的同时控制平带灵敏度，研究人员建立了灵敏度、机械谐振和尺寸设计参数的数学模型。

基于压电传感的基本原理，单个传感单元的长度设置为4.2 mm，以同时实现高谐振频率和灵敏度。对于图1d中的惯性质量块，梯形传感单元的基本谐振频率为404.1 Hz，如图1e所示。基于图1f中每个传感单元的平带灵敏度，图1中所示的单个加速度计的灵敏度可达35.03 pC/g。

新设计的聚合物压电加速度计的制造

按照图1所示的设计，研究人员制造了五个聚合物压电加速度计。图2显示了这些样品的细节。

图2 用于实验表征的聚合物压电加速度计样品

机械谐振特性的实验表征

研究人员使用Polytec®MSA-500激光多普勒测振仪（LDV）来评估图2中所示的五个聚合物压电加速度计样品的机械谐振行为；目标是评估其机械特性的一致性，识别高阶谐波模式，并提取基频模式的品质因数。相应的结果如图3所示。

图3 使用LDV的机械谐振测量和对数尺度上的比较

频率响应的实验结果

研究人员将这五个聚合物压电加速度计样品在振动台上进行了加速度传感测试，实验获得的频率特性如图4所示。

图4 新设计的五个聚合物压电加速度计样品对输入加速度的频率响应

平带灵敏度的实验评估

研究人员使用与频率响应表征相同的设备设置测定了图2中五个聚合物压电加速度计样品的平带灵敏度，相应的测量结果如图5所示。

图5 新设计的五个聚合物压电加速度计样品的平带灵敏度

综上所述，这项研究通过实验提供了一种克服材料限制的方法，并开发了具有高灵敏度、宽带宽和低噪声水平的PVDF聚合物压电加速度计。与其它传统的聚合物压电加速度计相比，新型PVDF聚合物压电加速度计设计使用了较小的传感单元阵列，在保持类似总传感面积的同时获得了高谐振频率。研究人员使用尺寸参数经过数值优化的梯形悬臂来增强基频谐振模式，并使实际灵敏度接近其理论上限。研究人员对五个原型的实验测试取得了显著的结果：平均平带灵敏度为29.45 pC/g，5%平带为160 Hz，10%平带为200 Hz，带内噪声密度为1.4 μg /√Hz。这些成果使提出的加速度计跻身于最佳聚合物压电加速度计之列，甚至优于一些基于PZT的加速度计。根据实验证实的指标，本研究中的PVDF聚合物压电加速度计可被视为可穿戴有机微系统和电子设备中振动传感器的可行候选者。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00704-6

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