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  • 發布時間:2020-10-26 20:56 原文鏈接: 壓電傳感器原理及應用(二)

    二、壓電MEMS傳感器

    1、壓電MEMS噴墨打印頭

    噴墨打印為個人文檔打印提供了靈活、經濟的解決方案,目前仍在家庭和小型辦公環境中大量應用。同時,CAD和圖形藝術應用的大型寬幅打印將噴墨打印作為單次打印和小批量打印的技術選擇。MEMS技術為之帶來了“誘人”的解決方案:每個噴墨打印頭擁有更高的噴嘴密度,以及通過大批量生產實現可接受的制造成本。

    打印頭主要有兩種技術方案:熱發泡打印和壓電打印。大多數壓電噴墨打印頭使用PZT壓電陶瓷材料,采用薄膜沉積PZT壓電陶瓷代替整塊PZT壓電陶瓷具有巨大的應用前景。薄膜沉積PZT壓電陶瓷的優勢包括:更好的控制墨滴尺寸以調節灰度值和降低功耗。

    2007年,愛普生推出了薄膜壓電(TFP)打印頭,廣泛應用于愛普生大幅面打印機的范圍內。2013年9月,愛普生公司宣布其新一代噴墨打印技術:

    PrecisionCore,第一次推出采用PZT薄膜技術制造的MEMS噴墨打印頭,進一步提供超高打印速度和極佳的圖像品質。

    愛普生PrecisionCore打印頭

    打印頭所使用壓電材料為PZT厚膜壓電材料。

    2、MEMS自動對焦執行器

    目前的自動對焦功能還主要依賴于體積巨大、耗電量高且成本昂貴的音圈電機提供動力。而基于壓電MEMS技術的自動對焦鏡頭已進入商用階段。通過在一塊薄玻璃上粘上幾個壓電電極,它們可以使玻璃彎曲,從而改變聚合物塊的表面,使其變成透鏡。致動量確定曲率并因此確定焦點。

    壓電MEMS自動對焦執行器原理圖

    MEMS及VCM性能對比

    代表企業為poLight,采用意法半導體的薄膜壓電式技術,其創新的可調鏡頭(TLens, Tuneable Lens)通過壓電執行器改變聚合膜的形狀,模擬人眼的對焦功能。這項應用被視為相機自動對焦的最佳解決方案。TLens鏡頭可瞬間完成對焦,調焦速度是傳統解決方案的十倍,而電池耗電量只有傳統方案的二十分之一。同時,拍照后相機自動重新對焦的功能也有相當的進步,可為攝像任務提供連續穩定的自動對焦服務。

    自動對焦執行器所使用壓電材料為PZT厚膜壓電材料。

    3、壓電式MEMS能量收集器

    自1969年Wen.H.Ko在ZL(US Patent 3 456 134)中提出一種采集心跳活動能量的小型壓電懸臂梁式能量采集器以來,世界上許多研究團體已經開展了一系列關于壓電式能量采集器的研究。利用MEMS技術制作壓電能量采集器,可將器件微型化、批量化,使其與已經逐步微型化的無線傳感器節點等其它電子器件更好的集成在一起,最終實現自供能的無線傳感器節點等微器件系統。目前,MEMS壓電供能系統多采用懸臂梁結構。

    美國UC Berkeley大學設計的波狀AlN壓電能量采集器

    MicroGen Systems公司推出振動能量收集BOLT Power Cell,實現了一款實時無線傳感器網絡,MicroGen的壓電式MEMS振動能量收集器或微功率發電機技術進行供電。

    在MicroGen公司BOLT Power Cell的內部是一個小型半導體MEMS芯片,其采用類似于計算機芯片行業的工藝進行制造。該芯片是一個面積約為1.0cm2的壓電式MEMS MPG,其包括一個含有壓電式薄膜的末端質量加載微懸臂。當MPG的懸臂由于外部振動力的原因而上下彎曲時,將產生交流電。在諧振時AC功率輸出達到最大,此時其大約為100μW (在 120Hz 和 ≥ 0.1g) 和 900μW (在 600Hz 和 ≥0.5g)。在采集了能量之后,將其暫時存儲在一個300μF的電容器中。

    能量收集器中所使用壓電材料一般為AlN及PZT薄膜壓電材料。

    4、壓電MEMS麥克風

    與電容式MEMS麥克風不同,壓電式麥克風的結構相對簡單,它是一個伴隨聲音變化而變化的懸臂膜,通過壓電效應直接產生放大的電壓。由于器件原理的不同,這種壓電麥克風的專用放大電路的設計相比電容式而言簡單許多——因為壓電式麥克風不需要高的偏壓或增益微調,因此不再需要電荷泵和增益微調電路塊,從而使得后續處理電路的結構簡單,尺寸也較小;另外,無電荷泵也使得麥克風的啟動幾乎是瞬時的并且提高了電源抑制比(PSRR)。

    電容式MEMS麥克風原理圖

    壓電式麥克風原理圖

    壓電MEMS麥克風可用于室內、戶外、煙霧繚繞的廚房等所有環境, 這對于大型語音控制及監控MEMS麥克風陣列來說是非常關鍵的特性,因為在這樣的環境中,MEMS麥克風陣列的可靠性將會是主要問題。此外,電容式麥克風系統需要持續的監聽類似“Alexa”或“Siri”等關鍵詞,而壓電式麥克風則沒有電荷泵,具有非常短的啟動時間。因此,在壓電式MEMS麥克風處于“永久監聽”(always listening)模式時,它們的工作循環周期非常快,能夠降低90%的系統能耗。

    壓電聲學傳感器代表廠商為美國Vesper公司,Vesper是來自密歇根大學的Bobby Littrell和Karl Grosh于200年創立,總部位于美國馬塞諸塞州波士頓,是一家私人持有的MEMS初創公司。Vesper產品采用的是壓電式技術。在潛心解決了氮化鋁(AlN)薄膜淀積技術和一系列其它關鍵技術難題后,Vesper公司于2014年組建了工程團隊并在代工廠投放了產品。

    Vesper壓電MEMS麥克風所使用壓電材料為AlN,另有一家初創公司GMEMS推出的壓電MEMS麥克風使用的壓電材料為PZT。

    5、超聲波指紋傳感器

    目前已經商業化的指紋傳感器多是基于電容式原理,需要指紋直接接觸傳感器。而超聲波傳感器避免指紋感光原件與手指的直接接觸,避免了汗水油污等對接觸式指紋識別成功率的影響,可以在顯示屏下方對指紋進行識別。

    超聲波指紋傳感器利用壓電材料,超聲波的脈沖回波成像可以穿透手指的表皮,收集指紋表面特征的圖像。


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