村田丨压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

发布时间:2026-08-12 13:48
作者:AMEYA360
来源:村田
阅读量:592

  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。

村田丨压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

  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。

村田丨压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

  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。

  高灵敏度压力检测的柔性薄膜传感器

  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。

村田丨压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

  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。

  具有卓越变形检测能力的Picoleaf

  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。

村田丨压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

  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)。

  可用于多种压力检测应用的Picoleaf

  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。

村田丨压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

  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。

  满足严苛环境的高性能倾角传感器

  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。

村田丨压电薄膜传感器和倾角计提供灵敏的控制能力

  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。

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2026-09-16 14:05 阅读量:428
村田丨毫米波雷达,未来发展的潜力是与传感器融合!
  一般来说,雷达(RaDAR:Radio Detection And Ranging)是一种通过向目标物体发射电磁波(电波)并测量从目标物体反射回来的电波来检测与目标物体之间的距离和方位的装置。因此,毫米波雷达是指使用毫米波作为电波的雷达。与红外线和摄像头相比,毫米波雷达即使在雨、雪、雾等恶劣天气条件下也能保持检测能力,不仅可以检测与目标物体之间的距离和方位,还能检测目标物体的移动速度。本文介绍具有此类特征的毫米波雷达的检测原理、应用事例及其未来发展潜力。  01  什么是毫米波?  图1显示了毫米波(也写作“mmWave”)在电波分类中所处的范围。一般来说,它指的是频率在30GHz到300GHz之间、波长在1mm到10mm之间的电波,之所以称为“毫米波”,是因为其波长以mm(毫米)为单位。(注:实际上,毫米波的频率范围并没有严格的定义。例如,目前全球分配给5G通信的26GHz频带和28GHz频带也被视为毫米波。)  图1 按频率分类的电磁波分类  毫米波具有强直线传播性和可以确保宽频带宽的特征,总结如以下两个方面:  直线传播性:  如图1所示,由于毫米波的频率接近光的频率,因此它像光一样具有很强的直线传播性,由此可以得出以下结论:  由于墙壁等物体的遮蔽以及非常恶劣天气的影响,毫米波的强度会衰减  也由于这个原因,毫米波不适合远距离通信  在短距离通信中,毫米波与近处的毫米波系统之间不容易发生干扰  可以穿透布料和树脂等  频带宽  毫米波频带是一个尚未开发的领域,且是一个需求量很少的频带,因此可以确保较宽的频带宽。(目前,比GHz更低的频率范围基本上都已被使用,确保带宽会受到电波法和商业因素的限制。)  在雷达中,增加频带宽有助于提高距离检测(参照第2节)的精度,因此可以说频带宽是一项重要的规格。另外,在移动通信等当中,增加频带宽有助于实现通信速度的高速化。  02  毫米波雷达的方式及特征  如前所述,毫米波雷达向目标物体发射毫米波,并接收来自目标物体的反射波以检测对象物体位置的装置,能检测的上限为大约300m范围内的物体。  目前,低功率雷达可以使用的频带有24GHz频带、60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带,每个频带都规定了各自的技术条件。其中,24GHz频带的波长为12.5mm,不在毫米波定义的10mm至1mm范围内,因此有时被称为“准毫米波”;毫米波频带(60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带)具有较宽的带宽,因此能够进行高精度检测。  脉冲方式和FMCW方式是毫米波雷达的代表性方式。FMCW是Frequency Modulated Continuous Wave的缩写,意思是使用对频率进行调制后的连续波的方式。两种方式的特征及相互对比如下:  脉冲方式:  向目标物体发射宽度很短的脉冲,脉冲宽度从几十纳秒到几微秒不等,通过测量到接收到反射脉冲为止的时间来确定与目标物体之间的距离、速度和角度(图2)。该方式的检测原理简单,电路构成也比FMCW方式更简单。  FMCW方式:  这种方式向目标物体发射对连续波进行频率调制后的发送波,然后从发送波与反射波之间的频率差来确定与目标物体之间的距离、速度和角度。此外,它还可以测量与目标物体之间的相对移动速度(图2)。  图2 通过毫米波雷达检测目标物体的示意图  图3显示了FMCW方式发射波的示意图。它有时被称为Chirp波形。  图3 Chirp波形的示意图(Chirp指鸟鸣)  03  FMCW方式毫米波雷达:构成和检测  毫米波雷达有多种方式,但基本都是从FMCW方式发展而来的方式。因此,下面将对FMCW方式毫米波雷达的构成和目标物体检测的大概原理进行说明。尽管它构成简单,但可以获取距离、速度和角度等复合信息。  图4 通过毫米波雷达进行的目标物体检测  毫米波雷达的构成  毫米波雷达主要由以下几部分构成:  合成器:生成待发送的毫米波频带电波(发送波)  发射天线:发射发送波  接收天线:接收反射波  混频器:将发射信号和接收信号进行组合  DSP:即数字信号处理装置,实施计算处理  检测的原理  毫米雷达波的检测原理主要包括这四个步骤:  发送波的生成:通过合成器生成毫米波频带的发送波。  毫米波的发射:将发送波从发射天线连续发射至目标物体。  反射波的接收:通过接收天线接收从目标物体返回的反射波。  计算处理:通过混频器将发送波和反射波进行组合,经A/D转换器转换为数字信号,再通过DSP进行计算处理,以确定与目标物体之间的距离、角度和速度等。  04  毫米波雷达应用事例  在第3节中说明的FMCW方式毫米波雷达已被应用于很多现场。这里,我们将以汽车、工业机器人和无人机为例,对它的应用场景及贡献的功能进行说明。  用途:汽车  在汽车领域,通过毫米波雷达检测车辆周边的障碍物和其他车辆,由此能够实现自动刹车和车道保持辅助等功能,毫米波被认为对实现L2级自动驾驶(部分自动驾驶)不可或缺。此外,监控驾驶员和乘客的状态以及是否有儿童被遗忘在车上也被作为提高安全性所不可或缺的功能而备受关注。  工业机器人  通过在工业机器人手臂上配备毫米波雷达,可以检测手臂与人或物体之间的距离,并可检测速度和角度数据,从而实现诸如停止手臂运动等预设动作。此外,还可以实现自主移动,例如,AMR(Autonomous Mobile Robot:自主移动机器人)可以在行走时避开货架、墙壁、行人以及多种工业设备等障碍物。  无人机  无人机,尤其是飞越有人地带的无人机,需要高度的安全性。通过使用毫米波雷达探测飞行路径,可以探测与地面之间的距离、柱子、墙壁以及电力线、电话线和布置在空中的天线等物体,不受天气条件的限制,从而确保在有人地带进行安全飞行。  05  毫米波雷达在安全技术中的应用  毫米波雷达已被应用在多个领域,近年来,在欧洲进行汽车安全性能评估的Euro NCAP提出了强化碰撞安全试验,因此,毫米波雷达在提高车内安全性的“座舱监控系统”中的应用备受关注。  Euro NCAP(European New Car Assessment Programme)是欧洲新车安全评鉴协会)的缩写。该协会是一个对在欧洲销售的新车的安全性进行评估和发布的独立机构。它对碰撞安全性和行人保护等前沿安全技术进行测试和评级,已成为消费者选车的指标。另外,NCAP在各国都有,例如,在美国有IHS rating,在日本有JNCAP。  2023年,Euro NCAP发表了新的评估项目。除了根据乘员体格自动展开安全气囊的技术以及检测安全带使用情况的技术外,为了预防近年来“因儿童被遗忘在车内而导致的中暑事故”,评估对象中还新增了儿童遗忘检测功能。为了满足这些要求,能够掌握车内状况的座舱监控系统不可或缺。  座舱监控系统是一种利用车内传感器监控驾驶员和乘员的状况,并在需要时启动制动或警报的机制。它由驾驶员监控系统DMS(Driver Monitoring System)和乘员监控系统OMS(Occupant Monitoring System)组成,驾驶员监控系统用于确认驾驶员的身体状况和注意力,乘员监控系统用于掌握乘员的位置和行动。传感器中一直在使用摄像头,但在许多情况下,仅靠摄像头难以检测到,例如后向式儿童安全座椅上的婴儿、裹在毯子里的乘员以及安全带的佩戴状况等。  在这些情况下,作为补充和替代摄像头的装置(传感器),毫米波雷达被认为很有前景。毫米波雷达能够穿透织物和座椅靠背,因此可以检测到“摄像头无法看到的对象”。此外,它对于微小的动作也能捕捉到,因此对于心率和呼吸等生理功能的轻微变化也能检测。凭借这些特征,毫米波雷达有望为大幅提高座舱监控系统中的DMS和OMS的功能做贡献,并有助于符合Euro NCAP要求的新安全标准。  06  总结:毫米波雷达的未来是与传感器融合  毫米波雷达是一种具有优良检测能力的装置——传感器,但为了满足今后多样化的检测需求,将包括毫米波雷达在内的超声波传感器、红外传感器和摄像头等多种传感器相组合的“传感器融合”至关重要。  传感器融合是一种整合来自多个传感器的数据,以获取单个传感器无法获取的信息的技术。例如,通过将毫米波雷达与图像传感器相组合,不仅可以从人体运动中获取驾驶员的疲劳程度和注意力水平信息,还可以从眼球运动和面部表情中获取信息,并根据需要发出警报。  将来,除了汽车外,在工业机器人、无人机和多种出行设备中,以毫米波雷达为中心的传感器融合技术也有望大幅提高周边状况的识别精度、安全性和可靠性。
2026-09-16 13:05 阅读量:477
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