压电薄膜传感器的设计

压电薄膜传感器的设计

加速度计可以用在仪表中，测量加速度(速度对时间的变化率)和测量倾斜度(物体的纵轴和与地球表面相切的平面的垂线之间形成的倾角)。倾斜度测量可以被看成直流或稳态测量。在理论上，加速度可以是稳态的，但在实际应用当中，加速度通常是一个短期的暂时现象。

在非倾斜应用(短时加速)中，可以将压电检波器或压电薄膜传感器用作传感器。任何类型的压电传感器都有一个与电容串联的交流电压源等效电路(加上其他会产生二阶效应的电抗元件，不在此进行分析)。典型的容值为几百皮法到几纳法。电压源的电容耦合就是为什么器件不能提供稳态的倾斜度测量的原因。上面提到的等效电容，再加上输入或后继的放大或缓冲电路的分流电阻就构成了一个单极高通滤波器(HPF)。在最好的情况下，如果分流电阻越大，高通滤波器中极点的时间常数越长。这就意味着，在时间常数效应削弱测量前，可以对加速度进行测量的时间较长。

从实用性的角度出发(考虑到器件的可用性)，可以选用1GΩ的阻值。由于这个电阻值很大，所使用的放大器必须具有非常低的偏置或泄漏电流，最好能达到1pA 的级别。

图1 是一个实用电路的电路图。压电薄膜传感器是器件X1。在原型设计当中，使用了测量专用的LDTM-028K 器件。这个传感器的一端已经施加了一个很小的重力，在这端再增加大的重力，可以提高灵敏度。传感器通过R1 连到运放U1 的非反向输入端，R1 可防止过压对运放的输入造成损害。如果传感器承受的加速度非常高(如重击)，就很可能发生这种情况。R1 也可以用来减小来自X1 的信号幅值。这个电路中的R1 是1GΩ。R2 是输入分流电阻，1pA 的泄漏电流会流过R2，其数值也是1GΩ，产生1mV 的偏置电压