壓電傳感器發展研究綜述

鐘 婷 刁福元 劉飛虎 許明濤

(1.西華大學，四川 成都 610039；2.四川輕化工大學，四川 宜賓 643002)

傳感器技術、通信技術和計算機技術構成了現代信息技術的三大支柱。壓電傳感器因為其頻率響應高、體積小、重量輕、頻帶寬等特點,已成為一種重要的組件，并已廣泛應用于工業、軍事、農業、醫學、航空等領域。但目前，無論在國內還是國外，傳感器技術都遠遠落后于信息系統的其他技術，不能滿足信息技術系統的需求。

1 國內外發展研究情況

目前全球傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭企業主導，這三個國家連同中國合計占據了全球傳感器市場份額的3/4，但是中國的占比僅為1/10 左右，與全球生產的兩萬多種產品品種相比，我國國內僅僅能生產其中的1/3，且技術含量遠低于發達國家。

1.1 國內壓電傳感器發展研究情況

中國壓電傳感器的研究和應用比世界先進水平至少落后10 年。自20 世紀70 年代以來，壓電傳感器的應用主要是為了滿足航天技術發展的需要。改革開放后，隨著國外先進技術和管理經驗的引進，壓電式傳感器測量引起了一定程度的重視。目前，我國壓電傳感器的主要技術水平，主要還是以電荷輸出為主，測量系統包括壓電傳感器和以電荷放大器為主的信號適調裝置。

當下，國內僅有一家產IEPE 加速器的廠家，但完全依賴于國外提供的內裝微電子電路，還沒有達到自主研發的階段。國內智能傳感器研究單位主要有:中國科技大學電子科學自動化系、華南理工大學機電工程系、東南大學儀器科學與工程系、中科院合肥智能機械研究所傳感器技術國家重點實驗室等。

1.1.1 國內技術發展研究情況

我國對于壓電傳感器應用于實際的研究體系龐大，通過近幾年的努力，我國在工業技術、醫藥衛生、交通運輸、航空航天、農業科學、數理科學和化學、天文學和地理科學等方面的壓電傳感器應用研究中取得了不同程度的成就。

（1）在醫學方面的應用。早在2016 年就有學者利用磁性表面分子印跡技術與壓電傳感器進行結合，研究了一種氯霉素的檢測的新方法。[1]研究中，將磁性納米顆粒作為氯霉素磁性表面分子印跡聚合物的載體，以甲基丙烯酸為功能單體進行聚合反應。其中，磁性分子印跡聚合物的形態學功能、識別性能、吸附作用等則通過紫外分光光度計、紅外光譜分析儀及透射電子顯微鏡一系列儀器進行檢測。然后將磁性表面分子印跡聚合物與壓電傳感器的敏感元件相結合，用所制備的壓電磁性表面分子印跡傳感器對氯霉素進行檢測，最終的實驗結果表明傳感器對氯霉素有很好的結合性能和高靈敏性。

（2）在航空航天方面的應用。近年來,我國航天事業得到了快速發展,噪聲與振動主動控制技術作為航空航天領域長期研究的課題,它對提高飛行舒適性、降低飛行噪聲、延長飛行器疲勞壽命具有很大的經濟價值。在這方面，ASAC系統用于結構噪聲的控制時具有明顯優勢，因為其可經濟有效地通過少量的作動器控制振動結構表面的振速分布來抑制聲輻射,最終達到實現對結構聲輻射的控制。其中，ASAC 系統最關鍵問題之一就是誤差傳感器的設計，因為在低頻范圍內，決定聲功率的主要影響因素就是結構的體積位移幅值，抵消結構表面體積位移,可以使得振動結構在低頻范圍內的聲輻射大幅降低。如果能通過壓電式體積位移傳感器設計ASAC 系統,可以大幅降低控制器的設計難度。[2]

（3）在工業技術方面的應用。近期，有學者基于相關實驗理論推導了窄帶激勵下壓電纖維對Lamb 波的方向傳感響應特性,他們通過壓電耦合仿真分析，利用相關實驗測試研究了不同頻率下壓電纖維的方向傳感特性，并由此提出了一種基于誤差函數的主應變方向估計方法。實驗起初，他們先是利用壓電纖維對Lamb 波傳感的良好方向性將3 根壓電纖維分別按00、450和900三個不同角度布置，然后將其固化在聚合物基體中,用制成的壓電纖維傳感器來檢測Lamb 波傳播方向。接著再將直角三角形、Y 形和等邊三角形分別在00、450和900，00、1200和2400，00、600和1200這3 種壓電纖維布置方案下的主應變方向識別結果進行對比分析，最終得出研究結果，即壓電纖維傳感器具有良好的Lamb 波傳播方向檢測性能,可為無需Lamb 波波速的缺陷識別方法提供傳感技術支持。[3]

1.1.2 國內產品發展研究情況

我國壓電式傳感器研究比美日等發達國家晚，但隊伍龐大，效果也顯著，如我國研究人員研制的三元系P M S 壓電陶瓷，在性能和工藝方面都優于國外的同類材料。不僅如此，我國的航空發動機壓電式振動傳感器已達到國外先進水平。此外，我國的壓電陀螺和壓電線加速度表的研制開始于1970 年，迄今壓電陀螺在技術上優于美國,此項發明還獲得過獲國家發明獎。事實上，政府的法規將要求壓電傳感器用于多種應用，包括TPMS、柴油和汽油顆粒過濾器(DPF，GPF)和燃料箱蒸發(EVAP)。

目前，國內傳感器市場仍然以外資為主，占比到達67%，國內主流傳感器廠商有深圳賽納威環境科技有限公司、航天年代電子技能股份有限公司、上海威爾泰工業自動化股份有限公司、杭州士蘭微電子股份有限公司、深圳市信立科技有限公司等。

1.2 國外壓電傳感器發展研究情況

自上世紀90 年代中期以來，國外相繼進入了即插即用智能TEDS 混合模式接口傳感器的研究。1983 年，美國霍尼韋爾公司研制出第一個智能傳感器——用于過程控制的智能壓力傳感器。在那之后，大量公司陸陸續續開發了自己的智能傳感器產品。這些智能傳感器大多具有響應速度快、非接觸式測量、精度高、分辨率高、可靠性好等優點。此后，傳感器在軍事和工業檢測與控制領域得到了廣泛的應用，傳感器的智能化得到了廣泛的關注和快速的發展。

現如今，國外傳感器研發公司主要有美國的PCB、Honeywell、IST、CAS、CBT、ITC,德國的Proxitron、Knick、OPTEK、Ahlborn、Polytec、FCG，瑞士的MEMBRAPOR、Kistler，另外還有英國的Senstronics、日本Micron、丹麥B&K，加拿大NOVA 及芬蘭Vit 等等。

1.2.1 國外技術發展情況

在美國NI 公司的倡導下，目前共有16 家全球領先的傳感器生產商作為即插即用智能傳感器計劃項目的合作伙伴，這些成員已經開始向市場供應或研制符合IEEEl451.4 傳感器電子數據表(TEDS)的傳感器，這種傳感器被稱為TEDS傳感器、即插即用傳感器或智能傳感器。

國外的壓電傳感器傳感器技術(ST)部門已經開發和生產了用于極端環境下測量任務的高度專業化的傳感器和系統。無論是在高溫下測量熱聲現象，動態高壓測量，或執行具有挑戰性的測試和測量應用，使用我們廣泛的壓力、力傳感器和加速度器。

1.2.2 國外產品情況

世界上大部分國家主要發展半導體濕度傳感器，日本主要發展陶瓷濕度傳感器。近年來，國外從事壓電陀螺的廠家從原來的少到現在的多，一方面在世界各地推銷商品，另一方面密切關注聲表面波壓電慣性傳感器陀螺的發展。例如，盲眼，這種高檔的壓電聲傳感器，已經商業化。

過去各國幾乎都是主要發展半導體力敏傳感器,目前壓電力敏傳感器不斷增加，并且國外生產的壓電氣(濕)敏傳感器具有其它同類傳感器難與相比的分辨率。

如今國外傳感器技術發展迅速，并廣泛運用于試驗與測量、航空測試、用KiDAQ 采集數據、航天測試、動態稱重、測速執法、生物力學和測力臺、切削力測量、熱聲學、高速動力學、軌道技術。

2 目前存在的問題及擬解決的方案

2.1 目前存在的問題

壓電傳感器已經成為人們生活中不可缺少的設備，但壓電傳感器的發展還有很大的進步空間。從研究結果來看，壓電傳感器的應用仍處于理論研究階段，且壓電元件缺乏非線性特性，壓電材料壓電特性低。

2.1.1 理論結合實際

目前的研究大多還停留在理論研究階段，真正用于實際的產品還很少，工程實用化方面研究相當薄弱。具體表現在理論及仿真研究較多，但是實驗驗證相對較少,研究對象以簡單結構較多，對復雜結構的研究還相當欠缺。

針對這一問題的解決方案就是加大實驗驗證，將理論研究與實際情況相結合，反復運用改進，研制出在生活中有實際作用的產品，再進一步對復雜結構深入研究，提高研究層次。

2.1.2 壓電元件的非線性特性

由于壓電材料的極化特性，壓電系統只能在一定范圍內滿足近似的線性要求，并且容易受到各種外部環境的影響。因為非線性特性的存在使得壓電元件的重復性差、檢測精度低、瞬態位置響應速度慢以及可控性差，這些原因的存在阻礙了壓電元件進一步應用于工程項目。主要的解決方法是建立能夠反映外圈特征和內圈形成情況的外圈模型和Preisach 模型及其變形，并與一定的控制算法相結合。其中電荷控制和電壓控制是壓電元件線性化控制的兩種主要方法。[4]

2.1.3 壓電材料

壓力傳感器要進一步發展，壓電材料的壓電特性必須進一步提高，這就使得壓電材料的應用受到更大的限制，主要的解決方案就是投入對壓電晶體、高分子壓電材料等研發的力度。

近幾年，高分子壓電材料因為其材料質地柔軟，價格便宜，不易破碎，具有防水性，所以成為發展較為迅速的新型壓電材料，而且它的測量范圍可達80dB，頻響范圍從0.1Hz～109HZ，是一種較為理想的電聲材料。但由于它的工作溢度適用范圍在100C°以下，機械強度較低，且不耐紫外線照射，所以它的性能還需要進一步開發。

除此之外，聚合物基壓電復合材料因為具有良好的柔順性、器件結構的可設計性,彌補了傳統壓電材料的短板,從而拓展了適用范圍，使其成為綜合性能優異的新型壓電復合材料，因而受到了人們的廣泛關注。目前,聚合物基壓電復合材料已經在很多領域得到了重要的應用,隨著它的性能不斷提高，其應用領域將進一步擴展,使其必將成為壓電聚合物和壓電陶瓷理想的替代材料。[5]

3 未來發展趨勢

通過對壓電傳感器發展趨勢的詳細分析，可知在當前技術水平下的傳感器系統正朝著小型化、智能化、多功能化和網絡化的方向發展。在未來，隨著CAD 技術、MEMS技術、信息論和數據分析算法的不斷發展，預測將來的傳感器將變得更加標準化、小型化、集成化、多功能化、智能化和系統化。

4 結論

本文介紹了國內外壓電傳感器的發展現狀、存在的問題及解決方案，并預測了今后的發展方向。壓電傳感器本質上是一門邊緣科學，需要投入大量時間、不菲的金錢和科學家堅持不懈的努力。所謂得技術者得天下，傳感器是工業快速發展的有力推手，中國壓電傳感器的研發與應用還有很長一段路要走，未來可期。