传感技术 第6章 压电式传感器

6.1 压电效应及材料
6.1 压电效应及材料 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴 的平面上任何直线都可作为 x 或 y 轴，在是和石英晶体 的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在 垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量 Q与作用力Fz成正比，即
Q d33 F
压电陶瓷的极化处理
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材 在陶瓷上施加 外电场时，电 料。材料内部的晶粒有许多自发极化 畴的极化方向 的电畴，它有一定的极化方向，从而 发生转动，趋 存在电场。在无外电场作用时，电畴 向于按外电场 在晶体中杂乱分布，它们各自的极化
无外电场作用时 总极化强度为零
方向的排列， 效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强 从而使材料得 施加外电场时 度为零。原始的压电陶瓷呈中性，不 外电场去掉后 到极化。 电畴自发极化方向 具剩余极化强度 具有压电性质。 与外电场一致
6.2 压电方程及压电常数矩阵
当晶体受到沿 x方向的压力时，晶体沿x方向将产生收缩，正、 负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再 重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量 不再等于零:
(P1+P2+P3)x>0
在y、z方向上的分量为:
FX － － +
Y
+ P3 P2 -
第6章 压电式传感器
第6章 压电式传感器
6.1
1.2 6.2 6.3 6.4
压电效应及材料 压电方程及压电常数矩阵 等效电路及测量电路 压电式传感器的应用
6.1 压电效应及材料
概述
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料 的压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电 荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带 宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因 此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声 学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的 应用。
6.1 压电效应及材料
6.1 压电效应及材料 若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使 极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也 增大，即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，则陶瓷片沿极化 电 ＋＋＋＋＋ 场 方向产生缩短形变。这种 Ｅ 极化方向 方 由于电效应而转变为机械 - - - - - 向 ＋＋＋＋＋ 效应，或者由电能转变为 机械能的现象，就是压电 陶瓷的逆压电效应。
天然形成的石英晶体外形
6.1 压电效应及材料
石英晶体
6.1 压电效应及材料 其他压电单晶 压电单晶中除天然和人工石英晶体外，锂盐类 压电和铁电单晶如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂 (LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3)等材料， 也已在传感器 技术中日益得到广泛应用，其中以铌酸锂为典型代 表，在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。 不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
Y
FX
FX
+
+ + +
+
P1
P2
+ P3 +
-
－ － － －
X
在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向不出现电荷。 这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电 荷的现象即为纵向压电效应。
6.2 压电方程及压电常数矩阵
Y FY
－ － －
+
P1
+ P3 P2
+ +
晶体受到沿Y方向的拉力 与X方向压力相同
6.1 压电效应及材料 压电陶瓷外形
超声波美容仪器用压电陶瓷晶片
医用B超换能器用晶片
表 常用压电材料性能参数
6.1 压电效应及材料
3) 新型压电材料
(a) 压电半导体
比如：ZnS、CdTe、ZnO、CdS、ZnTe和GaAs等； 特点：既有压电特性，又有半导体特性。
(b) 有机高分子压电材料
某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有 压电性高分子压电薄膜，如聚氟乙烯PVF、PVF2、PVC 等。特点是：质轻柔软、抗拉强度高、耐冲击、体电 阻大，热释电和热稳定性好，便于大批量生产。 高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成 的高分子压电薄膜。特点是：柔软性好、同时具有较 高的压电性和机电耦合系数。
6.1 压电效应及材料
2) 压电陶瓷
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，因此，必须作极化处 理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使电 畴趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后， 趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从 而呈现出压电性。
6.1 压电效应及材料
6.2 压电方程及压电常数矩阵
(a) 晶体外形；
Байду номын сангаас
(b) 切割方向；
(c) 晶片
6.2 压电方程及压电常数矩阵 1. 石英晶体产生压电效应原理
石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。 如图所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子， 在垂直于 z轴的xy 平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代表氧离子2O2-。 y y x + x
+
FX
(P1+P2+P3)y=0
(P1+P2+P3)z =0
P1
+ X +
－ － -
+
+
在x轴的正向出现正电荷，在y、z方向不出现电荷。
6.2 压电方程及压电常数矩阵
晶体受到沿x方向的拉力 P1增大， P2、P3减小 (P1+P2+P3)x<0 (P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z =0
6.1 压电效应及材料
高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎， 可以大量生产和制成较大的面积。
6.2 压电方程及压电常数矩阵 天然结构的石英晶体外形是一个正六面体。石英晶 体各个方向的特性是不同的。
Z
纵向轴Z称 为光轴
Y
与X轴和Z轴同时垂直 的Y轴（垂直于正六 面体的棱面）称为机 械轴
X
经过正六面体棱线， 并垂直于光轴的X轴称 为电轴
介电常数
固有电容、频率下限
机电转换效率
机电耦合系数 电阻 居里点
泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度
6.1 压电效应及材料
常用压电材料
类 别
石英晶体
材 料
单晶体、水晶 （人造、 天然）
成 分
SiO2
特 性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力 700-1000Kg/cm2
6.1 压电效应及材料
1 压电效应（Piezoelectric Effect）
压电效应
某些电介质，当沿着一定 F 方向对其施力而使它变形时， 其内部就产生极化现象，同时 在它的两个表面上便产生符号 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 相反的电荷，当外力去掉后， － － － － － － F 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。
6.1 压电效应及材料 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好。 在 20℃～ 200℃范围内，温度每升高 1℃，压电系 数仅减少0.016％。但是当到 573℃时，它完全失去了 压电特性，这就是它的居里点。
1.00
dt / d20
0.99
0.98 0.97 0.96 0.95
6.1 压电效应及材料 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来， 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚 电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸 附了一层来自外界 自由电荷 电极 的自由电荷。这些自由 - - - - 电荷与陶瓷片内的束缚 ＋＋＋＋＋ 极化方向 电荷符号相反而数量相 - - - - - 束缚电荷 等，它屏蔽和抵消了陶 ＋＋＋＋＋ 电极 瓷片内极化强度对外界 陶瓷片内束缚电荷与 的作用。 电极上吸附的自由电荷
式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； F——作用力。
6.1 压电效应及材料 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以 采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极 化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温 度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性 减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。 它是由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后 烧结而成的。它的压电系数约为石英的 50 倍， 但居 里点温度只有115℃，使用温度不超过 70℃，温度稳 定性和机械强度都不如石英。
6.1 压电效应及材料 电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应 力张量T成正比： T D = dT (6-1) 式中 d——压电常数矩阵。
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－ T T －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ T
当作用力方向改变时，电荷的 极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象， 称为“正压电效应”。
斜率： －0.016％/℃
t℃
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
6 相 对5 介4 电3 常 数2 ε 1 0
居里点 t/℃
100 200 300 400 500 600
石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化 特性
石英在高温下相对介电常数 的温度特性
6.1 压电效应及材料
6.1 压电效应及材料
逆压电效应
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电 介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产 生变形，且其应变S与外电场强度E成正比：