医用传感器 6

b Qy = d12 ⋅ ⋅ Fy a
b Qy = −d11 ⋅ ⋅ Fy a
当晶片受到y 向的压力作用时， 与晶片的几何尺寸有关 几何尺寸有关。 当晶片受到 向的压力作用时，Qy 与晶片的几何尺寸有关。 把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向 把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向 压电效应。 压电效应。
（3）受到沿 轴方向的压 ）受到沿y轴方向的压 力作用时, 力作用时 晶体的变形如图 所示，电偶极矩在 方向上 所示，电偶极矩在x方向上 的分量, 即（P1+P2+P3） 的分量 ） >0 。 当晶体沿y方向受到作用力 当晶体沿 方向受到作用力 方向 电荷将出现在 轴方向 时，电荷将出现在x轴方向 轴和z轴方向上不出 上, 在y轴和 轴方向上不出 轴和 现电荷。 现电荷。
（1）未受外力作用时 正、 ）未受外力作用时, 负离子正好分布在正六边 形的顶角上, 形的顶角上 形成三个互成 120°夹角的电偶极矩P1、 °夹角的电偶极矩 P2、P3。 如图 a所示。 所示。 所示 P1+ P2+P3=0。正负电荷中 。 心重合，晶体垂直X轴表面 心重合，晶体垂直 轴表面 不产生电荷。呈中性。 产生电荷。呈中性。
x + + x Fy + + + Fx + (a) + ( c) + Fy + + x + + x + + + ( d) + ( b) + + Fx
+
-
+
晶片受力方向与电荷极性的关系
当晶片受到x方向的压力作用时 方向的压力作用时， 只与作用力F 正比， ① 当晶片受到 方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比， 而与晶片的几何尺寸无关 几何尺寸无关； 而与晶片的几何尺寸无关； ② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几 沿机械轴 方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几 方向向晶片施加压力时 何尺寸有关的； 何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 不是在任何方向都存在压电效应的 ③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应， ④ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存 逆压电效应 在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变） ⑤ 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷 或电场强度）之间皆呈线性关系 呈线性关系。 （或电场强度）之间皆呈线性关系。
Qx = d11 ⋅ Fx
极间电压为
Qx d11 Ux = = ⋅ Fx Cx Cx
式中: 方向受力的压电系数； 式中 d11——x方向受力的压电系数；Cx——晶片电容 方向受力的压电系数 晶片电容
Qx = d11 ⋅ Fx
当晶片受到X 向的压力作用时， 与作用力F 当晶片受到 向的压力作用时，Qx 与作用力 x成正 而与晶片的几何尺寸无关 如果作用力F 几何尺寸无关。 比，而与晶片的几何尺寸无关。如果作用力 x改为 拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷 轴的平面上仍出现等量电荷， 拉力时，则在垂直于 轴的平面上仍出现等量电荷， 极性相反。 但极性相反。 把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 纵向压电效应。 纵向压电效应。
（ 2） 受 x轴方向的压力作用 ） 轴方向的压力作用 晶体沿x方向将产生压缩 时, 晶体沿 方向将产生压缩 变形, 正负离子的相对位置 变形 也随之变动。 如图所示, 此 也随之变动 。 如图所示 时正负电荷重心不再重合, 电偶极矩在x方向上的分量 电偶极矩在 方向上的分量, 方向上的分量 即（P1+P2+P3）< 0 。 轴方向出现电荷, 在 x轴方向出现电荷 在 y轴 轴方向出现电荷 轴 轴方向上不出现电荷。 和z轴方向上不出现电荷。 轴方向上不出现电荷
当在电介质极化方向施加电场, 当在电介质极化方向施加电场 , 这些电介质也会 产生机械变形；在撤掉外加电场时，机械变形也随 产生机械变形；在撤掉外加电场时， 之消失。这种电能转换为机械能的现象, 称为“ 之消失。这种电能转换为机械能的现象, 称为“逆 压电效应” 电致伸缩效应） 压电效应”（电致伸缩效应）。 具有压电效应的材料称为压电材料, 具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实 压电材料 现机—电能量的相互转换。 现机—电能量的相互转换。
当沿着y轴对压电晶片施加力 晶片将产生长度变形， 当沿着 轴对压电晶片施加力Fy时，晶片将产生长度变形， 轴对压电晶片施加力 仍然出现在于X轴垂直的表面上 轴垂直的表面上， 电荷 Qy仍然出现在于 轴垂直的表面上，大小为
式中: d12—y方向受力的压电系 式中 方向受力的压电系 数，根据轴对称条件， d12 =-d11 根据轴对称条件，
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工多晶铁电体， 压电陶瓷是人工多晶铁电体 ， 原始的压电陶瓷呈现各向 同性不具有压电性。 无外电场作用时 作用时， 同性不具有压电性 。 在 无外电场 作用时 ， 电畴在晶体中 杂乱分布， 它们各自的极化效应被相互抵消 相互抵消， 杂乱分布 ， 它们各自的极化效应被 相互抵消 ， 压电陶瓷 极化强度为零 因此原始的压电陶瓷呈中性 中性， 内 极化强度为 零 。 因此原始的压电陶瓷呈 中性 ， 不具有 压电性质。 压电性质。
方向受到外力时 （4）当晶体在 方向受到外力时，晶体在 轴 ）当晶体在z方向受到外力时，晶体在x轴 轴方向上的变形相同， 和y轴方向上的变形相同，正负电荷中心重 轴方向上的变形相同 轴方向施加外力时， 合。因此沿 z 轴方向施加外力时，压电晶 不产生压电效应。 体不产生压电效应。
石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为 晶 轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶 从晶体上沿 轴线切下一片平行六面体的薄片称为 体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力 轴对压电晶片施加力F 体切片。当沿着 轴对压电晶片施加力 x时，晶片将产生 厚度变形， 并在垂直于X轴的表面上产生电荷 轴的表面上产生电荷Q 厚度变形 ， 并在垂直于 轴的表面上产生电荷 x ， 大小 为
－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线 代表形变后的情况）
同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图， 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图， 由于电场的方向与极化强度的方向相同， 由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用 极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距 使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距 离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变 伸长形变。 离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。 同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿 同理，如果外加电场的方向与极化方向相反， 极化方向产生缩短形变 缩短形变。 极化方向产生缩短形变。
－－－－－－
这种将电能转变为机械能 的现象，就是逆压电效应 逆压电效应。 的现象，就是逆压电效应。
电 ＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 场 方 向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
压电材料
种类： 种类： 压电单晶体，如石英等； 压电单晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求： 对压电材料特性要求： ①转换性能。要求具有较大压电常数。 转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。希望它的机械强度高、刚度大， ②机械性能。希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线 性范围和高的固有振动频率。 性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数， ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性。 电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好， ④ 环境适应性强 。 温度和湿度稳定性要好 ， 要求具有较高的居 里点，获得较宽的工作温度范围。 里点，获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
－－－－－ ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图 束缚电荷
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图， 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 ， 如图 ， 陶瓷片将产生压缩形变，片内的正、负束缚电荷之间的距 陶瓷片将产生压缩形变，片内的正、 负束缚电荷之间的距 压缩形变 离变小，极化强度也变小。因此， 离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自 由电荷，有一部分被释放 而出现放电荷现象。 释放， 由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之 F 间的距离变大 距离变大， 间的距离变大，极化强度也变 －－－－－ － 吸附一部分 因此电极上又吸附 大，因此电极上又吸附一部分 ＋＋＋＋＋ 自由电荷而出现充电现象。 自由电荷而出现充电现象。 极化方向 这种由机械能转变为电能的现 就是正压电效应 正压电效应。 象，就是正压电效应。
直流电桥 剩余伸长 剩 余 极 化 伸长
a)极化前
b)极化
c)极化后
由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0 由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0 ，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷， 一端出现正束缚电荷 缚电荷。由于束缚电荷的作用， 缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上 自由电荷。 吸附了一层来自外界的自由电荷 吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶 瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等 符号相反而数量相等。 瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等。所以整体上 电极 自由电荷 表现为电中性 电中性。 表现为电中性。