Piezoelektrischer Filmsensor und Neigungsmesser bieten empfindliche Steuerungsmöglichkeiten

In Robotikanwendungen können piezoelektrische Folien-Sensoren Robotern eine menschenähnliche Fingerfertigkeit bei Handbewegungen verleihen, wobei empfindliches taktiles Feedback entscheidend ist. Roboter müssen in der Lage sein, Druckänderungen beim Greifen von Objekten wahrzunehmen, die Griffkraft effektiv zu steuern und Neigungssensoren zu integrieren, um ihre Kontrollfähigkeiten zu verbessern. Dies stellt eine wichtige Entwicklungsstufe für Roboter dar. Piezoelektrische Folien-Sensoren bieten empfindliche Druckerfassungsmöglichkeiten, und in Kombination mit Neigungssensoren eröffnen sie neue Möglichkeiten für die Steuerung von taktilen Anwendungen bei Robotern. Dieser Artikel wird die technologische Entwicklung und Anwendungen von piezoelektrischen Folien-Sensoren und Neigungssensoren sowie die von Murata angebotenen Lösungen vorstellen.

Umweltfreundlichere und empfindlichere piezoelektrische Filmmaterialien

Piezoelektrische Folie wird aus einem Material namens Polylactid (PLA) hergestellt, einem Typ von "biologisch abbaubarem Polymer" mit einer Festigkeit und Formbarkeit, die mit herkömmlichen erdölbasierten Kunststoffen vergleichbar ist. Seit etwa 1995 hat PLA an Aufmerksamkeit gewonnen und wird mittlerweile weithin als umweltfreundliches Polymer anerkannt. Die Milchsäure in PLA wird durch Milchsäuregärung mittels Milchsäurebakterien aus Stärke gewonnen, die aus Pflanzen extrahiert wird. Stärke stammt aus der Photosynthese von Pflanzen, und abgesehen von der Energie im Herstellungsprozess werden während des gesamten Herstellungs-, Entsorgungs- und Zersetzungszyklus kohlenstoffneutrale Materialien verwendet, die nicht zum atmosphärischen CO₂ beitragen.   PLA besitzt eine hohe Transparenz, eine Eigenschaft, die bei anderen biologisch abbaubaren Polymeren nicht zu finden ist, mit einer Lichtdurchlässigkeit, die mit 93 % sogar die von Acryl übertrifft. PLA wird häufig in Alltagsgegenständen wie Eierkartons und Tomatenschachteln verwendet, die in Supermärkten erhältlich sind. Obwohl PLA normalerweise als kostengünstiges, pflanzenbasiertes Polymer für umweltfreundliche Zwecke verwendet wird, bieten seine piezoelektrischen Eigenschaften einzigartige Merkmale.   Die piezoelektrische Konstante (piezoelektrische d-Konstante) von PLA liegt bei etwa 7 bis 12 pC/N, was im Vergleich zu Materialien wie PZT relativ klein ist. Jedoch hat PLA eine sehr niedrige relative Permittivität, etwa 2,5, was zu einer relativ großen piezoelektrischen Ausgangskonstanten führt (gleich der piezoelektrischen g-Konstante, wobei g=d/εT). Daher zeigt PLA eine hohe Empfindlichkeit in Bezug auf die piezoelektrische Ausgabe. Im Vergleich, wenn man die piezoelektrische Ausgangskonstante betrachtet, ist PLA in etwa gleichwertig mit Polyvinylidenfluorid (PVDF), das eine etwa viermal größere piezoelektrische Konstante als PLA besitzt.   Piezoelektrische Folien aus PLA erzeugen Polarisation proportional zur Verzerrung (Dehnung, Kontraktion) der Folienoberfläche aufgrund von Druck oder Verformung. Die Polarisation erzeugt elektrische Ladungen, die durch einen I/V-Wandler in Spannung umgewandelt werden, wodurch ein Analogsignal ausgegeben wird. Dies ermöglicht die Erkennung von Druckänderungen, die von der piezoelektrischen Folie erfahren werden.

Flexible dünne piezoelektrische Filmsensoren für hochsensible Druckerkennung

Muratas "Picoleaf" ist ein flexibler, dünner Sensor, der mithilfe ihrer proprietären piezoelektrischen Technologie entwickelt wurde und für hochsensible Druckdetektion konzipiert ist. Er ist kleiner und dünner als herkömmliche Sensoren, spart Installationsplatz und verbessert sowohl die Montageleistung als auch die Haltbarkeit. Picoleaf zielt darauf ab, die Funktionalität, einfache Montage und Haltbarkeit von Produkten zu verbessern, die eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI)-Sensing erfordern. Um als Sensor zu fungieren, werden Elektroden auf eine dünne und äußerst flexible organische piezoelektrische Folie gedruckt oder laminiert. Diese Folie kann mithilfe von doppelseitigem Klebeband an Geräten befestigt werden, wodurch ein Klebeprozess entfällt.   Picoleaf trägt zur Schlankheit von Geräten bei, wodurch Platzersparnis selbst bei Kombination mit Displays und Touchpanels ermöglicht wird. Dank seiner hohen Sensitivität kann Picoleaf Druck über große Displays hinweg mit nur einem Sensor erkennen. Er kann außerdem für die Detektion von kleinsten Verschiebungen im Mikrometerbereich, unwillkürlichen Muskelzittern, Handgriffhaltung während Bewegungen und physiologischen Signalen wie dem menschlichen Puls eingesetzt werden.   Picoleaf besitzt nicht-pyroelektrische Eigenschaften, was bedeutet, dass er sich durch Temperaturänderungen nicht polarisiert, wodurch Sensitivitätsvariationen und Störungen durch Faktoren wie Körpertemperatur, Sonnenlicht oder Halbleiterwärme minimiert werden. Darüber hinaus zeigt Picoleaf einen niedrigen Stromverbrauch, mit null Stromverbrauch für das Sensorelement selbst und der Möglichkeit, den Treiberverstärker für einen niedrigen Stromverbrauch von etwa 10 μA zu designen. Seine flexible Struktur erlaubt es, ihn zu biegen und an die gekrümmten Oberflächen von hoch designten Geräten anzupassen.   Mithilfe seiner proprietären piezoelektrischen Technologie kann Muratas Picoleaf in engen Räumen installiert werden. Im Vergleich zu bisherigen Sensoren erreicht er eine geringe Dicke, während die Montage und Haltbarkeit verbessert werden. Picoleaf kombiniert Erfassungsschaltungen, um Ausgänge basierend auf der Verschiebungsgeschwindigkeit der piezoelektrischen Folie zu erzielen. Durch Nutzung dieser Ausgangseigenschaft dient Picoleaf verschiedenen Sensoranwendungen wie Druckdetektion, Griffdetektion und Erkennung biologischer Signale.   Picoleaf kann in Anwendungen zur Druckerkennung eingesetzt werden und dient als UI-Sensor, indem er Druckunterschiede detektiert. Die Platzierung von Picoleaf auf einem Eingabestift ermöglicht beispielsweise die Überwachung des Griffstatus der Hand des Benutzers. Seine Funktionalität geht über Berührung hinaus, da er durch Erkennen des Handdrucks unbeabsichtigte Aktionen verhindern kann.   Darüber hinaus kann Picoleaf für Anwendungen zur Erkennung biologischer Signale verwendet werden, wobei die hohe Sensitivität piezoelektrischer Foliensensoren genutzt wird. Er kann als Sensor zur Erkennung von biologischen Signalen wie "Puls und Atmung" dienen. Bereits wurden mehrere wissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht, die den Einsatz biologisch abbaubarer piezoelektrischer Sensoren zur Überwachung der Herz- und Atemfrequenz an der Körperoberfläche des Menschen diskutieren und die Genauigkeit der biologischen Signal­erkennung mittels piezoelektrischer Sensoren bestätigen.   Murata bietet eine Vielzahl von Produktformaten für Picoleaf an, darunter Sensorelemente, die direkt an der Hauptplatine angebracht werden können, sowie Sensorelemente, die mit Verdrahtung kombiniert sind, wodurch eine Trennung der Sensorplatzierung von der Platine ermöglicht wird. Darüber hinaus gibt es Sensorelemente, die mit Montageverdrahtung kombiniert sind, was die Sensorplatzierung weiter von der Platine trennt und ein Design ohne Montagebauteile auf der Hauptplatine ermöglicht.   Die Erfassungsschaltung von Picoleaf besteht aus einem I/V-Wandler und einer Verstärkerschaltung. Wenn die piezoelektrische Folie sich durch Druckkraft oder Verformung biegt (was Dehnung oder Kontraktion bewirkt), erzeugt sie eine Polarisation, die proportional zur angewandten Biegungsmenge ist. Die durch Picoleaf erzeugte Ladung kann durch den I/V-Wandler in Spannung umgewandelt werden, wodurch ein Analogsignal ausgegeben wird. Dieses Ausgangssignal kann verstärkt und angepasst werden, um mit einem allgemeinen ADC oder einer CPU verarbeitet zu werden, ohne von der Sensor- oder Streukapazität beeinflusst zu werden. Derzeit werden diskrete Schaltungen empfohlen, aber Murata entwickelt einen dedizierten ASIC für Picoleaf, der Signalverarbeitungsfunktionen umfasst und dessen Verfügbarkeit ab 2025 erwartet wird.

Die Picoleaf-Sensoren verfügen über herausragende Fähigkeiten zur Erkennung von Verformungen

```html Die piezoelektrischen Eigenschaften der Picoleaf-Sensoren ermöglichen die Erkennung sowohl der "Verschiebungsrichtung" als auch der "Verschiebungsgeschwindigkeit". Bezüglich der Verschiebungsrichtung gilt: Bei der Erkennung von "Bergfalz"-Deformationen geht die Verschiebungsrichtung auf die positive Seite der Picoleaf-Referenzspannung, während bei der Erkennung von "Talfalz"-Deformationen die Verschiebungsrichtung auf die negative Seite geht. Neben der Verschiebungsrichtung kann die Verschiebungsgeschwindigkeit basierend auf der Spitzen­spannung berechnet werden, die proportional zur Verschiebungsgeschwindigkeit zunimmt.   Darüber hinaus können durch die Nutzung der umgekehrten Ausgangsfunktion der Picoleaf-Sensoren Druck- und Loslassaktionen nahtlos für die Aktivierung von Schaltvorgängen in Benutzeroberflächen eingesetzt werden. Wenn Picoleaf auf einem Objekt angebracht wird, das periodischen Vibrationen unterliegt, kann es diese feststellen und somit als Zustandsdetektionssensor verwendet werden.   Die Dicke von Picoleaf beträgt nur 0,2 mm oder sogar weniger, was es äußerst kompakt macht mit Abmessungen von 2x10 mm. Selbst in Kombination mit Displays oder Touchpanels kann es Platz sparen. Es kann außerdem an gekrümmte Oberflächen von Geräten mit Höhenunterschieden, einschließlich spezieller Formen wie das Umwickeln zylindrischer Objekte, angebracht werden. Picoleaf zeichnet sich durch seine hohe Empfindlichkeit aus und kann Verschiebungen im Bereich von 1 Mikrometer erkennen. Ein einzelner Sensor kann Druck über die gesamte Oberfläche großer Displays erfassen. Es kann verwendet werden, um unbewusste Muskelbewegungen wie Zittern, Greifen und Pulsschläge zu erkennen.   Dank seiner nicht-pyroelektrischen Eigenschaften weist Picoleaf minimalen Rauschen auf, da es keine Drift durch thermische Faktoren wie Körpertemperatur, Sonnenlicht oder Halbleiter gibt. Folglich können Algorithmen einfacher erstellt werden, und der Sensor selbst verbraucht keine Energie, während die Ansteuerungsverstärkerschaltung für einen niedrigen Energieverbrauch (ungefähr 10 μA) ausgelegt werden kann. ```

Picoleaf kann für eine Vielzahl von Druckerkennungsanwendungen verwendet werden

Die Transparenz von Picoleaf übersteigt 90 %, was eine Installation in transparenten Display-Bereichen ermöglicht. Durch die Kombination der UI-Funktionalität des Touchscreens mit den Druckerkennungsmöglichkeiten von Picoleaf kann eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) geschaffen werden, die sich von gewöhnlichen Touchscreens unterscheidet und stärker auf Prinzipien menschlichen Verhaltens basiert. In Anwendungen kann sie als zuverlässige Eingabe-UI gestaltet werden, die durch Druckerkennung ausgelöst wird, Deformations-Erkennung zur Implementierung von Eingabegeräten wie Stiften nutzt und durch Anwendung verschiedener Druckerkennungsfunktionen ein echtes Software-Tastatur-Erlebnis schafft.   Wenn Sie Schwierigkeiten haben, neue Wearable-Konzepte zu realisieren, können Sie die leichte, dünne, kurze und flexible Struktur von Picoleaf nutzen, um neue Funktionen hinzuzufügen und gleichzeitig die Design-Integrität zu bewahren. Dank der Installationsflexibilität von Picoleaf können Herausforderungen wie minimaler Platzbedarf, gebogene Oberflächen und andere problemlos gemeistert werden. Durch die Anwendung von Druckerkennung in engen Räumen und auf gekrümmten Oberflächen lassen sich UIs mit zuverlässiger Bedienbarkeit schaffen. Durch die Integration von Trage- und/oder Griff-Erkennungsmöglichkeiten (unter Nutzung der hohen Sensitivität) können Wearable-Geräte dazu verwendet werden, biologische Signale wie Puls und Atmung zu erfassen. Derzeit ist ein Fitnessgerät mit Muratas piezoelektrischem Filmsensor Picoleaf bereits auf dem Markt erhältlich.   Beim Design kann Picoleaf auch verwendet werden, um Robotikprodukten ein Tastgefühl zu verleihen. Indem die hochsensiblen Eigenschaften dieser Geräte genutzt werden, kann Picoleaf zur Entwicklung der Robotikindustrie beitragen, die taktile Informationen verwendet. Picoleaf kann an den Fingerspitzen von Roboterhänden angebracht werden, um Deformationen zu erkennen, die durch den Kontakt mit weichen oder harten Objekten verursacht werden, und die Greifkraft entsprechend anzupassen. Dadurch wird es einer einzigen Roboterhand ermöglicht, verschiedene Objekte unabhängig von ihrer Weichheit zu greifen. Picoleaf kann mit ferngesteuerten Robotern verbunden werden, um taktiles Feedback zu quantifizieren und realistischere Umgebungsinformationen für VR-Piloten bereitzustellen. Picoleaf kann auch an der Verdrahtung innerhalb von Betriebsrobotern angebracht werden, um interne Unregelmäßigkeiten wie den Verschleiß der Verdrahtung zu erkennen.   Im Vergleich zu anderen Produkten wie dehnungsbasierten, kapazitiven, beschleunigungsbasierten und mechanisch softwarebasierten Sensoren hat Picoleaf eine Standardgröße von nur 3x17 mm und eine Dicke von lediglich 0,25 mm (Rückenkleber 0,1 mm). Es kann mit Klebestreifen montiert werden und verfügt über Druckerkennungsfähigkeiten mit einer Sensitivität von bis zu 1 μm sowie der Fähigkeit, Deformationsgeschwindigkeitsdaten zu erfassen. Beim Schaltungsdesign können gängige Komponenten verwendet werden, mit einem 4-Pin-ZIF-Anschlussinterface, einer typischen Spannung von 3,3 V für Vdd, einem Stromverbrauch von weniger als 10 μA, einer Reaktionszeit von unter 10 ms und der Unterstützung von gekrümmten Designs, wodurch weitere Vorteile entstehen.

Hochleistungs-Neigungsmesser erfüllen die Anforderungen rauer Umgebungen

Das SCL3300-Inklinometer, eingeführt von Murata, ist ein Hochleistungs-3-Achsen-Inklinometer. Seine Abmessungen betragen lediglich 7,6×8,6×3,3mm (Breite × Länge × Höhe), und es bietet vier Messmodi zur Auswahl, um verschiedenen Anwendungen und Anforderungen gerecht zu werden. Der Sensor zeichnet sich durch extrem geringes Rauschen aus und bietet eine Auflösung von bis zu 0,001°/√Hz. Er verfügt über eine interne SPI-Digitalschnittstelle, hervorragende mechanische Dämpfungseigenschaften und einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 125 °C. Der Stromverbrauch beträgt nur 1,2 mA bei einer Versorgungsspannung von 3,0 bis 3,6 V. Dank der ausgereiften kapazitiven 3D-MEMS-Technologie liefert das SCL3300 eine hohe Leistung und ist ideal für robuste und langlebige Designs geeignet.   Das SCL3300 eignet sich hervorragend für Anwendungen, die hohe Stabilität in rauen Umgebungen erfordern, wie z.B. Niveaumessung, Neigungskompensation, Maschinensteuerung, Strukturüberwachung, Inertialmesseinheiten (IMUs), Robotik sowie Positionierungs- und Navigationssysteme.   Um das Entwicklungstempo von Produkten zu beschleunigen, hat Murata die digitale Beschleuniger/Neigungsmesser-Platine SCL3300-D01-PCB eingeführt. Diese Platine unterstützt ein Drei-Achsen-Inklinometer mit einem Bereich von ±2,4g und ist mit dem MEMS-Digitalinklinometer der SCL3300-Serie-Trägerkreisschaltung ausgestattet. Der Zweck der Trägerkreisschaltung besteht darin, die schnelle Prototypenerstellung zu erleichtern. Die SCL3300-Chip-Trägerkreisschaltung umfasst Sensoren, Design der Schaltung, die direkt auf der Platine verlötet sind, sowie Header und passive Bauteile.   Ein weiteres Inklinometer, das BCGMCU, ist die zweite Generation der BCG-Lösung mit verbesserter Leistung. Es eröffnet neue Möglichkeiten zur Überwachung des Zustands von schlafenden Personen in Krankenhäusern oder zu Hause. Es kann verschiedene biologische Signale wie Pulsfrequenz, Atemfrequenz und Atemzeiten einer schlafenden Person erfassen und so erkennen, wann eine Person das Bett verlässt, sowie den Schlafzustand analysieren. Die BCGMCU-Lösung besteht aus einem vorprogrammierten Mikrocontroller (BCGMCU-D01) und dem SCL3300-D01-Inklinometer und bietet eine Komponentenlösung, die speziell auf Softwareanbieter, Dienstleister und OEM-Systemintegratoren zugeschnitten ist.

Fazit

Muratas Picoleaf-Piezofilm-Sensor, bekannt für seine hohe Empfindlichkeit und Umweltfreundlichkeit, zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften wie geringe Größe, niedrigen Stromverbrauch und hohe Empfindlichkeit aus. Er kann vielseitig in verschiedenen piezoelektrischen Erkennungsanwendungen eingesetzt werden, darunter berührungsempfindliche Benutzeroberflächen, tragbare Geräte und robotische taktile Sensoren. In Kombination mit dem Hochleistungs-Neigungsmesser SCL3300 bietet er herausragende Steuerungsmöglichkeiten für Roboteranwendungen, was ihn zu einer ausgezeichneten Wahl für entsprechende Anwendungen macht.