压电元件及压电感器

压电元件及压电感器

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压电元件及压电传感器

一、压电效应

某些晶体(电介质)在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两

个表面(称为极化而)产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，义恢复到不带电状态；当作用

力方向改变时．心荷的极性也随之改变。这种现象称为压电效应。反之，若存电介质的极化方

向施加电场，则电介质会产生机械变形。这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效败。

所示为压电效应，图2示为压电效应的可逆性。

具有压电效应的物质很多，pJ分为

兵他申品；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)

压电材料阿种。

1．压电晶体

—大类：足斥电品休(申晶)，它包括压电石英仍体和

三是新型压电材料，其中有压电半导体和行机高分子

出品体学uJ知．尤对稠；中心的品体，通常具有压电件。具有压电性的孕晶体统称为压电晶

体。石英品体是最典型的常用比，巴晶体。

石英晶体(si()如俗称水品，有大然与人—L之分。石英晶体的主要性能特点是：

(1)压电常数小(矗M＝2．31×10“!C／N)，兵时间勺温皮稳定性极好，常温下几乎刁；变，

20一200℃范围内其温度变化率仅为一o．ol 6％／℃；当温度达到573℃时，石英晶体将会丧失

压电特性。因此573℃称为石英晶体的居里点。

(2)机械强度和质量因素高，许用血力高达(6．8—9．8)×10’Pa，只刚度大，固有频率高v动态特性灯。

(3)太热环电件

感器。

2．压电陶瓷

且绝缘性、重复性纤。常用于精度和稳定性要求高的场合和制作初i准作

乐电陶瓷的特点是：从屯常数远大于心英晶体的压电常数，故人敏度高；制造工艺成熟，可

通过配人和掺杂碎人工拌制来达到所要求的性能‘成本低廉，为石英晶体的1％一10火．有利

于广泛府用；除具止屯性外，还具有热释电性，因此它III作为热电传感器件而用于红外探测器

中。但这会给乐http://www.ebv.hk电传感器造成热下扰，降低J”稳定性。

常用的压电陶瓷主要有以下几种：

(〔)钻酸刨(Eall()3) 钻酸钡具仑较高的压电常数(d”—

数大(1000一5000)。居坠点为1201：．机械强度低于心焚晶体

(2)怯歇酸铅系压电陶瓷(PZT) 铅钻酸铅是出PbTIQ和P比KL组成的固熔体凡(Zr·

引)()s o它有较高的斥电常数(dM＝2u[]×10—M一50()×10—“C／N)利居里点(300℃以卜)。是

r1前常用的一种压电材料。苦加入微量的谰(Za)、妮(NL)或锑(sb)等．可得4；向性能的PZ“1’

材料。

(3)银镁酸铅压43陶瓷(PMN) 它又有较高的压电常数(dn＝800×lo☆一900×10—?’

C／N)利居玛点(260℃)。它能在大至7×10’P3的压力下正常工作，适合作为高压厂的力传

感器。

3，新型压电材料

(1)压电半导体有些品体既具钉半导体特件又反省压电特性，如硫化锌(九s)、纪化锌

(ZnO)、硫化镐((：ds)、砷化谅(GaAs)等。因此，既可用其压电特性研制传感器，又可用具半导

体特件制作电子器件；也叮购者结合，集组件与线路于一体，研制新型集成压电传感器。

(2)有机高分子压电材料TI代理商其一，某些合成高分子聚合物，经延展拉仲和电极化后具仑压

电性的高分子薄膜，如聚氯乙烯(PvF)、聚偏氟乙烯(Pv民)、聚氯乙烯(PvC)等。独特的优点

是质轻柔软、抗扯强度高、耐冲击。体电阻边10”魔‘m．击穿强度为150一200kv ／川m、便于

大量生产和大面积使用，uJ制成大面以数组传感器乃至人[：皮肤。

其二，在高分子化合物小掺杂压电陶瓷PZT或BaTiQ粉末制成的高分子压电解膜。这

种复合压电材料同样既保持高分子压电薄膜的柔软性、又具有较高的压电性和机心稠合系数。

三、压电传感器的基本原理

司以石英晶体与压电陶瓷为例说明压电效应及儿电传感器的基本原理

1．石英晶体的压电效应

有英品体是一种ATMEL代理商应用1泛的厩电晶体。它是下氧化硅单晶，届十六角从系。图8—3是天

然石英品体的外形图，为规则的；?棱柠体。石英晶体有三个晶铀：z轴义称光轴，它与品体的

纵幼线力向一致2x轴又称电铀，它通过六面体相对的两个棱线并垂立于光轴；y轴父称机械

轴，它垂立于两个相对的品柱棱面。

从晶体上沿XyZ轴线切下的一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对品片

施加力时，将在垂直于X轴的两表面产：生电荷，这种现象称为纵向压屯效府。若沿着Y钠对ATMEL

品片施加力时，仍在垂直十x轴的两表面产牛电荷，这种现象称为横问压电效府。垂直于X

轴的两表面称为极化以。沿着Z轴方间受力时小产生压电效应。

四、压电传感器的等效电路

压电元件在受到外力作用时，在两个极化面要集聚电荷，见电而等量，极性相反，此时相当于一个以压电材料为电介质的电容器。cjmc%ddz