压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

机器人技术13 3月 2024

在机器人应用中，使用压电薄膜传感器可以使机器人在手部运动上具备类似人类的灵活性，而敏感的触觉反馈至关重要。机器人需要能够在抓取物体时感知压力变化，有效控制抓力输出，并结合倾角传感器以提升控制能力。这代表机器人发展的重要阶段。压电薄膜传感器提供敏感的压力感应能力，与倾角传感器相结合，它们为机器人触觉应用的控制带来了新的可能性。这篇文章将介绍压电薄膜传感器和倾角传感器的技术发展与应用，以及村田提供的解决方案。

更环保且灵敏度更高的压电薄膜材料

压电膜由一种名为聚乳酸（Polylactic Acid，简称PLA）的材料制成，这是一种“可生物降解聚合物”，其强度和可成型性可与传统石油基塑料相媲美。自1995年前后以来，PLA因其环保特性而受到关注，如今已广泛被认可为一种环保型聚合物。PLA中的乳酸是通过乳酸菌对从植物中提取的淀粉进行乳酸发酵而生产的。淀粉来源于植物的光合作用，且除了制造过程中所需的能源外，其整个制造、处理和分解的生命周期中均使用了碳中和材料，因此不会增加大气中的CO₂。 PLA具有高度透明性，这是其他可生物降解聚合物所不具备的特性，其透光率甚至超过丙烯酸，达到93%。PLA通常用于日常用品，比如超市中的蛋盒和西红柿包装盒。虽然PLA通常作为一种低成本的植物基聚合物用于环保目的，但其压电特性却赋予了它独特的性能。 PLA的压电常数（压电d常数）在7至12 pC/N左右，较PZT等材料来说相对较小。然而，PLA具有非常低的相对介电常数，约为2.5，这使其压电输出常数（等同于压电g常数，g=d/εT）相对较大。因此，PLA在压电输出方面表现出较高的灵敏度。相较之下，从压电输出常数来看，PLA与聚偏氟乙烯（PVDF）大致相当，而后者的压电常数约为PLA的四倍。由PLA制成的压电膜可因表面因压缩或形变而产生的应变（拉伸或收缩）而生成与应变成比例的极化。这种极化会产生电荷，并通过电流/电压转换器（I/V转换器）转化为电压，从而输出模拟信号。这一特性使得压电膜能够检测所受压力的变化。

用于高灵敏度压力检测的柔性薄压电薄膜传感器

村田公司的“Picoleaf”是一种利用其自主研发的压电技术开发的柔性薄型传感器，设计用于高灵敏度压力检测。它比传统传感器更小、更薄，节省了安装空间，同时提升了组装性能和耐用性。Picoleaf旨在提升需要人机交互（HMI）传感的产品的功能性、易装配性和耐用性。作为传感器，电极被印刷或层压在一种薄而高度柔性的有机压电薄膜上。该薄膜可使用双面胶带安装至设备上，无需复杂的粘接工艺。 Picoleaf有助于设备的纤薄化，即便是与显示屏和触控面板结合使用，也能节省空间。这种高灵敏度传感器仅需要一个传感器就能检测大面积显示屏的压力。此外，它还可用于检测微米级范围内的微小位移、不自主的肌肉震颤、操作时手部保持力度、以及人体脉搏等生理信号。 Picoleaf拥有非热释电特性，即由于温度变化，它不会发生极化，从而大大减少了因体温、阳光或半导体发热等因素引起的灵敏度变化和干扰。此外，Picoleaf的功耗非常低，传感器本身为零功耗，并可设计驱动放大器的工作电流至低功耗状态（约10μA）。其柔性结构允许弯曲并能贴附于高度设计化设备的曲面。利用其专有的压电技术，村田的Picoleaf能够被安装在有限的空间内。与以往的传感器相比，它在保持薄型化的同时提升了装配便捷性和耐用性。Picoleaf结合了检测电路，通过压电薄膜的位移速度获得输出。基于这种输出特性，Picoleaf可用于多种传感应用，比如压力检测、握力检测以及生物信号检测。 Picoleaf可用于压力检测应用，作为UI传感器通过检测压力变化工作。比如，将Picoleaf置于手写笔上可以监测用户手部的握持状态。它的功能超越了简单触控，还能够检测手部压力防止误操作。此外，Picoleaf还可以用于生物信号检测应用，利用压电薄膜传感器的高灵敏度。例如，它可以充当传感器检测诸如“脉搏及呼吸”等生物信号。已有数篇学术论文探讨了可降解压电传感器在人体表面监测心脏速率和呼吸速率的应用，证实了基于压电传感器的生物信号检测的准确性。村田为Picoleaf提供多种产品形式，包括可直接安装至主板的传感元件，以及结合了布线的传感元件，使得传感器的安装位置可以与主板分离。此外，还有结合了部件安装布线的传感元件，进一步将传感器的安装位置与主板分开，从而实现主板上无需安装任何部件的设计。 Picoleaf的检测电路由I/V转换器和放大电路组成。当压电薄膜因压力或变形而弯曲（导致拉伸或收缩）时，薄膜会产生与弯曲量呈正比的极化。Picoleaf所生成的电荷可通过I/V转换器转化为电压，形成模拟信号输出。此输信号可以根据需要进行放大和调整，以供通用ADC或CPU处理，不会受到传感器电容和寄生电容的影响。目前推荐使用离散电路，但村田正在研发包含信号处理功能的Picoleaf专用ASIC，预计将在2025年开始供应。

Picoleaf传感器具有卓越的变形检测能力

Picoleaf传感器的压电特性使其能够检测“位移方向”和“位移速度”。关于位移方向，当检测到“山褶”变形时，位移方向输出到Picoleaf参考电压的正侧；而如果检测到“谷褶”变形，位移方向输出到负侧。除了位移方向外，位移速度可以根据峰值电压来计算，该峰值电压会随着位移速度的增加而线性增长。此外，利用Picoleaf传感器的反向输出特性，可将推压和释放动作无缝应用于用户界面中的开关切换。如果将Picoleaf安装在周期性振动的物体上，它可以检测到这种周期性振动，从而用作状态检测传感器。 Picoleaf的厚度仅为0.2毫米甚至更薄，尺寸仅为2x10毫米，非常紧凑。即使结合显示屏或触控面板使用，它仍然可以节省空间。它还能贴合具有高低差异的设备曲面，包括包覆圆柱形物体等特殊造型。Picoleaf具有高灵敏度，能够检测微至1微米的位移。单个传感器即可探测整个大型显示屏表面的压力。它也可以用于检测不自觉的肌肉运动，如颤动、抓握和脉冲。由于Picoleaf具有非热电特性，它受到的噪声极少，因为不会因体温、阳光或半导体等热因素引起漂移。因此，算法的构建更加简单，传感器本身零功耗，而驱动放大器电路的功耗可以设计为低功耗（约10μA）。

Picoleaf 可用于多种压力检测应用

Picoleaf 的透光率超过 90%，可用于透明显示面板区域的安装。通过将触摸屏的 UI 功能与 Picoleaf 的压力检测能力相结合，可以实现一种与普通触摸屏不同的、更加基于人体行为原理的**人机界面**（HMI）。在具体应用中，它可以被设计为通过压力检测触发的可靠输入 UI，利用变形检测技术实现诸如笔等输入设备，并通过各种压力检测功能，打造真实的软件键盘体验。如果在实现新的可穿戴概念时遇到困难，Picoleaf 的轻量、薄型、短小且灵活的结构可以帮助您在保持设计完整性的同时新增功能特性。Picoleaf 的安装灵活性可以轻松应对例如有限空间、曲面等难题。它通过在狭小空间和曲面上应用压力检测技术，创建具有可靠操作性的 UI，同时结合磨损和/或握持检测能力（利用高灵敏度），使可穿戴设备能够检测诸如脉搏及呼吸等生物信号。目前，市场上已有配备村田制作所压电薄膜传感器 Picoleaf 的健身设备。在设计时，Picoleaf 还可用于赋予机器人产品触觉感知。通过利用这些设备的高灵敏特性，Picoleaf 能为使用触觉信息的机器人产业开发作出贡献。Picoleaf 可以被应用在机器人手指尖端，以检测由接触软或硬物体引起的变形，并相应调整抓力，使单个机器人手能够抓取软硬不同的各类物体。Picoleaf 可连接至远程操作机器人，量化触觉反馈，为 VR 操作者提供更真实的环境信息。Picoleaf 还能够粘附到操作机器人内部的线路上，检测诸如线路老化等内部异常情况。与其他基于应变、电容、加速度计或机械软件的传感器相比，Picoleaf 的标准尺寸仅为 3x17 毫米，厚度仅为 0.25 毫米（背胶部分为 0.1 毫米）。它可以使用粘合胶带组装，具有力检测功能，灵敏度可达 1 微米，能够检测变形速度数据。在电路设计中，可以使用常用组件，配备 4 针 ZIF 连接器接口，Vdd 的典型电压为 3.3V，功耗小于 10μA，响应时间小于 10 ms，并支持曲面设计，提供更多优势。

高性能倾角传感器满足严苛环境的需求

村田（Murata）推出的SCL3300倾角传感器是一款高性能的三轴倾角传感器。其尺寸仅为7.6×8.6×3.3mm（宽×长×高），提供四种测量模式以满足各种应用和需求。该传感器具有超低噪声，分辨率高达0.001°/√Hz。它配备了内部SPI数字接口、优越的机械阻尼特性，以及-40至125°C的工作温度范围。在供应电压为3.0至3.6V时，其电流消耗仅为1.2mA。采用成熟的电容式三维微机电系统（3D-MEMS）技术，SCL3300提供了高性能，非常适用于坚固耐用的设计。 SCL3300非常适合需要在恶劣环境中保持高稳定性的应用，包括水平感应、倾斜补偿、机器控制、结构健康监测、惯性测量单元（IMUs）、机器人技术以及定位/导航系统。为了加快产品开发速度，村田推出了数字加速度计/倾角传感器板SCL3300-D01-PCB。这块电路板支持量程为±2.4g的三轴倾角感应器，并配备MEMS数字倾角传感器SCL3300系列芯片载板。芯片载板的设计旨在便于快速原型设计。SCL3300芯片载板包括传感器和焊接到电路板上的电路设计，同时还包括接头和无源元件。另一款倾角传感器BCGMCU是第二代BCG解决方案，其性能有所提升。这款产品为医院或家中卧床病人的状态监测开辟了新可能。它可以检测各种生物信号，例如脉率、呼吸频率和呼吸时间，还能检测到离床时间并分析睡眠状态。BCGMCU解决方案由预编程微控制器（BCGMCU-D01）和SCL3300-D01倾角传感器组成，提供了一个组件级的解决方案，专为软件解决方案供应商、服务提供商和OEM系统集成商量身打造。