传感器与检测技术教程压电陶瓷
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正压电效应
在这些电介质的一定方 向上施加机械力而产生变形 时，就会引起它内部正负电 荷中心相对转移而产生电的 极化，从而导致其两个相对 表面(极化面)上出现符号相反 的束缚电荷Q
传感器与检测技术教程
当外力消失，又恢复不 带电原状；当外力变向，电 荷极性随之而变。这种现象 称为正压电效应，或简称 压电效应。
Curie）（1856年10月29 日-1941年），法国物理 学家，蒙彼利埃大学教授。
皮埃尔· 居里 (Pierre Curie)
(1859 -1906)
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传感器与检测技术教程
他们发现了一些晶体在某
一特定方向上受压时，在 它们的表面上会出现正或 负电荷，这些电荷与压力 的大小成正比，而当压力 排除之后电荷也消失。 1881年，他们发表了关于 石英与电气石中压电效应 的精确测量。 1882年，他们证实了李普 曼(G．Lippmann)关于逆 效应的预言：电场引起压 电晶体产生微小的收缩。 利用压电现象，他们还设 计了一种压电石英静电 计——居里计。
锆钛酸铅系列 钛酸钡 铌镁酸铅 铌酸锂 BaTiO3 PZT-4 PZT-5 PZT-8 DMN LiNbO3 d15 260 -78 190 1200 115 5.5 110 410 -100 200 1050 310 7.45 83.3 670 -185 4.5 2100 260 7.5 117 410 -90 200 1000 300 7.45 123 -230 700 2500 260 7.6 2200 -25.9 487 3.9 1210 4.64 24.5
体电阻率 (m) 最高允许温度 (℃)
1010
80
1010
250
1010
250
>1012
350
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§2 等效电路和测量电路
一、压电晶片的连接方式
传感器与检测技术教程
（1）并联：
C 2C , q 2q,U U
（2）串联：
1 C C , q q,U 2U 2
1、正（顺）压电效应
2、逆压电效应（电致伸缩）
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§2 压电材料
压电材料的主要参数 压电常数 介电常数 电阻 居里点
传感器与检测技术教程
压电效应强弱：灵敏度 固有电容、频率下限
弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 机电耦合系数 机电转换效率
泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度
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传感器与检测技术教程
压电式传感器
受力、表面形变
压电器件
电荷
1
目
录
•压电效应
•压电材料 •测量电路
传感器与检测技术教程
•压电传感器及其特点
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传感器与检测技术教程
Page 3
传感器与检测技术教程 §1 压电效应 Piezoelectric Effect
居里兄弟
雅克· 居里（Jacques
传感器与检测技术教程
压电材料可分为三大类：
一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和 其他压电单晶；
二是压电陶瓷(多晶半导瓷)； 三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有 机高分子压电材料两种。
在传感器技术中，目前国内外普遍应用的
是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的 钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。
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二、压电传感器的等效电路
压电晶片：
传感器与检测技术教程
Ce
压电传感器：
S
d
Q U Ce
只适宜动态测量
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传感器与检测技术教程
压电传感器在实际测量 系统中的等效电路
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三、压电传感器的测量电路
前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗转换
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传感器与检测技术教程
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：
S dt E
式中： dt — 逆压电常数矩阵。这种现象称为 逆压 电效应，或称 电致伸缩。
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传感器与检测技术教程
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1. 石英晶体的压电效应
传感器与检测技术教程
左旋石英晶体
石英晶体的晶轴
Page 6
传感器与检测技术教程
X 轴垂直的平面上产 生的电荷 Qx，它的大小 为
Qx d11Fx
式中： 方向和变形不同时压电系 数也不同。石英晶体的
ｄ11 为压电系数，受力
d11 2.31ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ C/N
压电系数 (C/N) 相对介电常数 (r) 性 居里点温度 (℃) 能 密度 (103 kg/m3) 参 数 弹性模量 (108 Pa) 机械品质因数
d31 d33
4.5 573 2.65 80
300
81
2500
76
80
76
≥800
83
105
105~106
95~10
最大安全应力(106 N/m2)
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压电晶体
传感器与检测技术教程
(a) (b) (c)
天然石英晶体； 人工石英晶体； 右旋石英晶体理想外形
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压电陶瓷
传感器与检测技术教程
压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电 体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成； 所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电 畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电 畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同 性而不具有压电性
有机高分子压电材料
其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极 化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯 （PVF)等。 其二，是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。
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传感器与检测技术教程 常用压电晶体和压电陶瓷材料特性
压电陶瓷 压电材料 压电晶体 石英 SiO2 d11=2.31 d14=2.31
BaTiO3压电陶瓷的极化
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新型压电材料
压电半导体
传感器与检测技术教程
硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉 (CdS)等，这些材料显著的特点是：既具有压电特性又 具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器， 又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一， 集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测 试系统。
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正压电效应
在这些电介质的一定方 向上施加机械力而产生变形 时，就会引起它内部正负电 荷中心相对转移而产生电的 极化，从而导致其两个相对 表面(极化面)上出现符号相反 的束缚电荷Q
传感器与检测技术教程
当外力消失，又恢复不 带电原状；当外力变向，电 荷极性随之而变。这种现象 称为正压电效应，或简称 压电效应。
Curie）（1856年10月29 日-1941年），法国物理 学家，蒙彼利埃大学教授。
皮埃尔· 居里 (Pierre Curie)
(1859 -1906)
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他们发现了一些晶体在某
一特定方向上受压时，在 它们的表面上会出现正或 负电荷，这些电荷与压力 的大小成正比，而当压力 排除之后电荷也消失。 1881年，他们发表了关于 石英与电气石中压电效应 的精确测量。 1882年，他们证实了李普 曼(G．Lippmann)关于逆 效应的预言：电场引起压 电晶体产生微小的收缩。 利用压电现象，他们还设 计了一种压电石英静电 计——居里计。
锆钛酸铅系列 钛酸钡 铌镁酸铅 铌酸锂 BaTiO3 PZT-4 PZT-5 PZT-8 DMN LiNbO3 d15 260 -78 190 1200 115 5.5 110 410 -100 200 1050 310 7.45 83.3 670 -185 4.5 2100 260 7.5 117 410 -90 200 1000 300 7.45 123 -230 700 2500 260 7.6 2200 -25.9 487 3.9 1210 4.64 24.5
体电阻率 (m) 最高允许温度 (℃)
1010
80
1010
250
1010
250
>1012
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§2 等效电路和测量电路
一、压电晶片的连接方式
传感器与检测技术教程
（1）并联：
C 2C , q 2q,U U
（2）串联：
1 C C , q q,U 2U 2
1、正（顺）压电效应
2、逆压电效应（电致伸缩）
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§2 压电材料
压电材料的主要参数 压电常数 介电常数 电阻 居里点
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压电效应强弱：灵敏度 固有电容、频率下限
弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 机电耦合系数 机电转换效率
泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度
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传感器与检测技术教程
压电式传感器
受力、表面形变
压电器件
电荷
1
目
录
•压电效应
•压电材料 •测量电路
传感器与检测技术教程
•压电传感器及其特点
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传感器与检测技术教程 §1 压电效应 Piezoelectric Effect
居里兄弟
雅克· 居里（Jacques
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压电材料可分为三大类：
一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和 其他压电单晶；
二是压电陶瓷(多晶半导瓷)； 三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有 机高分子压电材料两种。
在传感器技术中，目前国内外普遍应用的
是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的 钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。
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二、压电传感器的等效电路
压电晶片：
传感器与检测技术教程
Ce
压电传感器：
S
d
Q U Ce
只适宜动态测量
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压电传感器在实际测量 系统中的等效电路
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三、压电传感器的测量电路
前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗转换
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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：
S dt E
式中： dt — 逆压电常数矩阵。这种现象称为 逆压 电效应，或称 电致伸缩。
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1. 石英晶体的压电效应
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左旋石英晶体
石英晶体的晶轴
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X 轴垂直的平面上产 生的电荷 Qx，它的大小 为
Qx d11Fx
式中： 方向和变形不同时压电系 数也不同。石英晶体的
ｄ11 为压电系数，受力
d11 2.31ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ C/N
压电系数 (C/N) 相对介电常数 (r) 性 居里点温度 (℃) 能 密度 (103 kg/m3) 参 数 弹性模量 (108 Pa) 机械品质因数
d31 d33
4.5 573 2.65 80
300
81
2500
76
80
76
≥800
83
105
105~106
95~10
最大安全应力(106 N/m2)
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压电晶体
传感器与检测技术教程
(a) (b) (c)
天然石英晶体； 人工石英晶体； 右旋石英晶体理想外形
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压电陶瓷
传感器与检测技术教程
压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电 体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成； 所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电 畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电 畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同 性而不具有压电性
有机高分子压电材料
其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极 化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯 （PVF)等。 其二，是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。
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传感器与检测技术教程 常用压电晶体和压电陶瓷材料特性
压电陶瓷 压电材料 压电晶体 石英 SiO2 d11=2.31 d14=2.31
BaTiO3压电陶瓷的极化
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新型压电材料
压电半导体
传感器与检测技术教程
硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉 (CdS)等，这些材料显著的特点是：既具有压电特性又 具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器， 又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一， 集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测 试系统。