第七章 压电式传感器

第七章 压电式传感器
二、压电陶瓷的压电效应
未极化 的电畴
压电陶瓷是人工制 造的多晶压电材料。 造的多晶压电材料。 它由无数细微的电畴组成， 它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是 自发极化的小区域， 自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排 列的。在无外电场作用时，从整体来看， 列的。在无外电场作用时，从整体来看，这些电畴 的极化效应被互相抵消， 的极化效应被互相抵消，使原始的压电陶瓷呈电中 不具有压电性质。 性，不具有压电性质。
第七章 压电式传感器
第七章 压电式传感器
压电式传感器的原理： 压电式传感器的原理：基于某些晶体材料的压电 效应，是一种典型的有源传感器（ 效应，是一种典型的有源传感器（或发电型传感 器）。 特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、 特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、 信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。 信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。 压电效应是可逆的， 压电效应是可逆的，因此压电式传感器是一种典 型的“双向传感器” 型的“双向传感器”
σ 15 = d15 T5 = 0 （即d15= 0） 0） σ 16 = d16 T6 = 0 （即d16= 0） ）
z y x
1
3 6 2 4 5
以上三式中的T 以上三式中的 4、 T5、T6分别为晶片 分别为晶片x 平面）、 面（即yz平面）、 平面）、y 平面） 面（即zx平面）和z 平面 平面） 面（即xy平面）上 平面 作用的剪切应力。 作用的剪切应力。
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X
−
Y
+ p3 − +
p2 + p1 −
当石英晶体未受力作用时， 当石英晶体未受力作用时， 负离子（ 正、负离子（即Si4+和2O2−） 正好分布在正六边形的顶角 形成三个大小相等， 上，形成三个大小相等，互 成120°夹角的电偶极矩 p1、 ° p2 和 p3。 电偶极矩的矢量和等于零， 电偶极矩的矢量和等于零， uu uur uu r r p 1 + p 2 + p 3，这时晶体 = 0 即 表面不产生电荷，石英晶体 表面不产生电荷， 从整体上呈电中性。（见图a） 从整体上呈电中性。 见图 ）
x F1 + + + + x F1 − − − −
− − F1
− −
+ + F1
+ +
石英晶片上电荷极性与受力方向的关系
第七章 压电式传感器 （2）当晶片受到沿 y（即机械轴）方向的应力 2 ） （即机械轴）方向的应力T 作用时， 轴表面出现电荷， 作用时，在垂直于 x 轴表面出现电荷，电荷的极性 如下图示。 如下图示。
第七章 压电式传感器
第七章 压电式传感器
超声波美容仪器用压电陶瓷晶片
医用B超换能器用晶片
第七章 压电式传感器
高分子压电薄膜
• 压电薄膜
聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟 乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯 （PVDF）、改性聚氯乙烯 （PVC）等
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三、压电常数和表面电荷的计算
1、石英晶体的压电常数和表面电荷的计算 、
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§7-1
压电效应
某些电介质物质， 某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变 形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷； 形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当 外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变 外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变 为电能的现象 称为“顺压电效应” 的现象， 为电能的现象，称为“顺压电效应”。 相反，在电介质的极化方向上施加电场， 相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械 变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。 变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将 电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应” 电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。 的现象
x − − F2 + + + + − − F2 F2 − − − − x + + + + F2
电荷密度σ12与施加的应力T2成正比。 σ 12＝d12 与施加的应力 成正比。
T2
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即光轴）方向应力T 作用时， （3）当石英晶体受到 z 轴（即光轴）方向应力 3作用时， ） 无论是拉伸应力，还是压缩应力，都不会产生电荷， 无论是拉伸应力，还是压缩应力，都不会产生电荷，即： d13=0。 。 作用时， （4）当石英晶体分别受到剪切应力 4、T5、T6作用时， ）当石英晶体分别受到剪切应力T 则有 σ 14 = d14 T4
图（c） ）
第七章 压电式传感器 当晶体受到沿Z轴方向的力（ 当晶体受到沿 轴方向的力（无论是压缩力或拉 轴方向的力 伸力）作用时，因为石英晶体在X轴方向和 轴方向和Y方向的 伸力）作用时，因为石英晶体在 轴方向和 方向的 变形相同， 负电荷中心始终保持重合， 变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极 矩在X、 方向的分量等于零 方向的分量等于零。 矩在 、Y方向的分量等于零。 所以沿光轴方向施加作用力， 所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生 压电效应。 压电效应。 当作用力Fx或 的方向相反时 的方向相反时， 当作用力 或Fy的方向相反时，电荷的极性随 之改变。 之改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等的 作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。 ），石英晶体将保持电中性 作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。 所以石英晶体没有体积变形的压电效应。 所以石英晶体没有体积变形的压电效应。
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X X Fx X
−
Y
+ p2 +
Y
+ − +
p3
+
p2 p1
+
Fy
− − − +
p3
− −
Fy p2 + p1 −
+ p3 − +
+ − −
Fx
Y
p1 − −
+ + +
（a） ）
（b） ）
（c） ）
现将组成石英（ 现将组成石英（SiO2）晶体的硅离子和氧离子的排列 在垂直于晶体Z轴的 平面上进行投影， 轴的xy平面上进行投影 在垂直于晶体 轴的 平面上进行投影，等效为正六边形 排列。 排列。 图中“ 代表Si 代表2O 图中“+ ”代表 4+，− “ ”代表 2−。
Z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿 轴通过 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过 ），它是晶体的对称轴 晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。 晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。 X 轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正 轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著， ），该轴压电效应最显著 六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个 轴共有三个。 六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴 ，显然 轴共有三个。 Y 轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的 轴为机械轴（力轴），显然也有三个， ），显然也有三个 表面，在此轴上加力产生的变形最大。 表面，在此轴上加力产生的变形最大。
X
Fx
+
Y
+ − +
p3
+
p2 p1
+ + − −
Fx
− + − −
−
图（b） ）
第七章 压电式传感器
X
− −
Fy Y
− − −
Fy p2 +
+
p3
−
p1 −
+ + + + +
当石英晶体受到沿Y轴方 当石英晶体受到沿 轴方 向的压缩力作用时， uur uur 向的压缩力作用时，电偶极矩 uu r <0 在X轴方向的分量 ( p1 + p2 + p3 ) x ， 轴方向的分量 在X轴的正方向的晶体表面上 轴的正方向的晶体表面上 。（这种情况等同 出现负电荷。（ 出现负电荷。（这种情况等同 于沿X轴方向的拉力作用 轴方向的拉力作用）， 于沿 轴方向的拉力作用）， 同样在垂直于Y轴和 轴和Z轴的晶面 同样在垂直于 轴和 轴的晶面 上不出现电荷。 上不出现电荷。 这种沿Y轴作用力， 这种沿 轴作用力，而在垂 轴作用力 直于X轴的晶面上产生电荷的 直于 轴的晶面上产生电荷的 现象，称为“横向压电效应。 现象，称为“横向压电效应。” 见图c）。 （见图 ）。
第七章 压电式传感器 轴方向施加压缩力时， 当石英晶片在 x 轴方向施加压缩力时，产生的电 正比于作用力F 与晶片的几何尺寸无关， 荷q正比于作用力 1，与晶片的几何尺寸无关，若 正比于作用力 方向受到拉力（大小与压缩力相等） 晶片在晶轴 x 方向受到拉力（大小与压缩力相等） 的作用， 轴表面上出现等量电荷 等量电荷， 的作用，则仍在垂直于 x 轴表面上出现等量电荷， 极性相反。 但极性相反。
图（a） ）
第七章 压电式传感器 当石英晶体受到沿X方向的压 当石英晶体受到沿 方向的压 方向的 缩力作用时 晶体沿X方向产生压 作用时， 缩力作用时，晶体沿 方向产生压 缩变形， 缩变形，正、负离子的相对位置 随之变动， 随之变动，正、负电荷中心不再 重合，电偶极矩在X轴方向的分 重合，电偶极矩在 轴方向的分 uu uu uu r r r 轴的正方向 量，( p1 + p2 + p3 ) x > 0 ，在X轴的正方向 的晶体表面上出现正电荷。而在Y 的晶体表面上出现正电荷。而在 轴和Z轴方向的分量均为零 轴方向的分量均为零。 轴和 轴方向的分量均为零。在垂 直于Y轴和 轴和Z轴的晶体表面上不出 直于 轴和 轴的晶体表面上不出 现电荷。 现电荷。 这种沿X轴作用力， 这种沿 轴作用力，而在垂直于 轴作用力 此轴晶面上产生电荷的现象， 此轴晶面上产生电荷的现象，称 纵向压电效应”。（见图 见图b） 为“纵向压电效应”。（见图 ）