物联网感知层技术与微米级压电陶瓷传感器的

摘 要：传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径.在物联网感知层的关键技术中传感器的作用尤为突出,是物联网中获得信息的主要技术.本文主要通过校企合作方式,参与研发高性能压电陶瓷片配方；通过引进国外先进的压电陶瓷片流延工艺,达到微米级的超薄尺寸,保证压电陶瓷片具有良好的尺寸控制,以更好地匹配物联网感知层技术的应用.

关 键 词：物联网感知层压电陶瓷传感器微米级

中图分类号：G718.5文献标识码：CDOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.22.111

1物联网感知层技术的研究现状

1.1物联网概述

物联网（InterofThings）是指,把任何物品通过信息传感设备（如RFID）与互联网连接起来,进行信息交换和通信,可实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理.

物联网本身的结构复杂,主要包括三大部分：首先是感知层,承担信息的采集,可以应用的技术包括智能卡、RFID电子标签、识别码、传感器等；其次是网络层,承担信息的传输,借用现有的无线网、移动网、固联网、互联网、广电网等即可实现；第三是应用层,实现物与物之间,人与物之间的识别与感知,发挥智能作用.

1.2感知层关键技术

物联网的核心是感知层中的技术,从现在阶段来看,物联网发展的瓶颈就在感知层.国际电信联盟（ITU）将射频技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术列为物联网关键技术,本论文将就“传感器技术”这一常用的关键技术展开探讨.

传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱.传感技术主要研究关于从自然信源获取信息,并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术.传感技术的核心即传感器,它是负责实现物联网中物与人信息交互的必要组成部分.

2压电陶瓷传感器

2.1国内外相关技术的研究、开发现状

压电陶瓷是一种重要的功能材料,具有压电、介电和光电等特性,被广泛运用于电子、航空、军事等领域.近年来随着物联网的发展,该类产品的研发和运用出现了爆发式的增长.当前,各国都在积极研究和开发新的压电功能陶瓷,随着对材料的组成、制备工艺及结构的不断深入研究,更加新颖的压电器件将不断涌现出来.

目前国际上该项目几乎由BOSCH,Delphi几个巨头垄断,我国在该领域尚处于起步阶段,高端需求严重依赖进口,国产化缺口巨大,传感器进口占比80%,传感器芯片进口占比达90%.传感器技术是物联网信息采集基础,处于产业链上游,在物联网发展之初受益较深；同时传感器又处在物联网金字塔的塔座,将是整个物联网产业中需求量最大和最基础的环节.当前,汽车、物流、煤矿安监、安防、RFID标签卡领域的传感器市场增长较快：仅汽车传感器市场潜在规模达57亿只,是目前的需求量14倍以上.我国亟待在该领域加强技术创新,掌握核心技术.

2.2技术原理

压电陶瓷的压电原理：在对压电陶瓷元件外施压力（拉力）时,压电陶瓷收缩（伸长）变形,瓷体两端产生电荷,由“压”产生“电”的效应为正压电效应（图1）；在对压电陶瓷元件施加与极化方向相同（相反）的电场时,极化强度增大（减小）,压电陶瓷沿极化方向伸长（收缩）,由“电”产生“伸缩”的效应为逆压电效应（图2）.

利用压电陶瓷的逆压电效应,在压电陶瓷元件两端间断的施加脉冲,激励压电陶瓷元件不断作伸长-收缩的机械振动,扰动传播媒介的质点,使其在各自的平衡位置附近作往返运动,将扰动以波动的形式传播到更远的媒质中,形成声波.当振动频率高于20千赫兹（kHz）时为超声波.

超声波遇到障碍物反射,声压作用于压电陶瓷元件,由于压电陶瓷元件的压电效应,其两端会产生电荷,计算脉冲发射与声波接收的时间差Δt,得到声波发射点与障碍物的距离S（图3）.

2.3主要技术性能指标

该项目产品的性能指标如下：

频率：200±10KHz

灵敏度：≥1.8V（200Vp-p,200KHz）

传感器电容：900pF±25%（频率1KHz,环境温度25℃±5℃）

指向性：7o±2o

防护等级：IP65

工作温度范围：-20℃～85℃

3微米级压电陶瓷传感器的开发及相关研究

3.1微米级压电陶瓷传感器的开发

在为期半年多的校企合作过程中,与常州波速传感器有限公司技术人员通过对压电陶瓷频率的确定,从而确定测试精度,根据S等于V/F对产品的测试精度进行设计；根据陶瓷片设计振动模式Np等于fsD,设计出压电陶瓷的外形尺寸,通过对机械品质因数,机械能量转换效率等电性能参数设计（如下图4）,获得高的可靠性和能量储备.

通过对压电陶瓷流延技术工艺设计,确定每一层陶瓷的厚度,通过层压与等静压技术,设计陶瓷片耐高温、高压特性.

3.2压电陶瓷匹配层技术研究

为了使压电芯片所产生的超声波机械振动有效传输到空气中,首先考虑声阻抗匹配,材料的声阻抗Z由声速与密度定义：Z等于pxc.

压电材料与空气的声阻抗相差甚远,若压电陶瓷元件所产生的振动超声波直接向空气中辐射,由于两种媒介的阻抗失配,阻抗的差异会降低界面透射系数,严重影响传感器的发射强度与接收灵敏度,因此需要在压电陶瓷元件与空气之间增加一种材料,使其声阻抗实现过渡或者匹配.此材料声阻抗需满足：[Z0ZL][Z△等于],从而得出材料阻抗指标,根据阻抗指标对材料进行设计.

3.3产品综合性能研究

进一步完善产业化过程中出现的设备问题和制备技术问题,主要有环境温度对陶瓷浆料的流变性能影响；有机溶剂的挥发；工作电压变化导致基板走带速度变化对产品流延厚度的影响,工业生产中优化排胶时间和温度,缩短工艺流程时间,提高工作效率,研究产品性能厚度控制的一致性,成品率等问题,在超声波低密度,多孔高透声匹配层方面,通过控制复合材料的颗粒度、有机粘合剂、分散剂的比例,以及固化温度和固化时间,重点解决陶瓷的收缩率与超声波匹配复合材料的内部孔状排列情况,研究获得高灵敏度低衰减信号的高频率超声波传感器.3.4具体关键指标如下

频率：200±10KHz

灵敏度：≥1.8V（200Vp-p,200KHz）

传感器电容：900pF±25%（频率1KHz,环境温度25℃±5℃）

指向性：7o±2o

防护等级：IP65

工作温度范围：-20℃～85℃

目前材料压电常数d33已达到600以上,在同行业中居于领先地位,而目前处于研发阶段,对于材料组装成传感器装配工艺以及材料应用的拓展尚需进一步研究解决.

4结论

本项目采用微米级的技术,其精度高出国内行业一个数量级,同时改变了国内传统的轧膜工艺技术所不能达到的产品小型化微型化方向发展的局面,在国内处于领先地位,并且达到国外BOSCH,VALEO,APPLE等顶级电子产品的标准要求；在选材方面,我们采用长期在高温高压工作的压电材料配方技术,使得具有较高的压电性能；在工艺控制方面,公司采用国际最先进的流延技术,在使陶瓷片达到微米级的同时,为确保在生产过程中压电陶瓷一致性,陶瓷成型中采用六个方向等静压工艺,保证压电陶瓷片内部晶元的排列更为紧密,提高陶瓷片的压电性与产品的一致性；采用电脑编程自动控制对压电陶瓷片进行烧结,保证压电材料进行良好的高温化学反应与晶相结构组合,使产品灵敏度高出常规产品的1倍,同时获得较好的稳定性.

当前,传感器技术是物联网信息采集基础,处于产业链上游,在物联网发展之初受益较深；同时传感器又处在物联网金字塔的塔座,将是整个物联网产业中需求量最大和最基础的环节.当前,汽车、物流、煤矿安监、安防、RFID标签卡领域的传感器市场增长较快：传感器市场潜在规模达57亿只,是目前的14倍以上,而本项目符合中《华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》构建下一代信息基础设施,《物联网“十二五”发展规划》提升感知技术水平.