医用传感器压电式传感器

压电材料--分类
具有压电效应的材料称为压电材料。 自然界中大多数晶体都具有压电效应, 但压电效应十分微弱
压电晶体：如石英等； 分类 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；
新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉等) 高分子压电材料。
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二、石Biblioteka Baidu晶体
石英是单晶体，具有规则的几何外形，其形 状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。
第6章 压电式传感器 ❖资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
6.1 压电效应及材料 16.2 等效电路及测量电路 6.3 压电传感器的应用
第一节 压电效应 ❖资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
❖压电效应
某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变 形时, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心 相对位移）, 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, 其又重新恢复到不带电 状态， 这种现象称压电效应。当作用力方向改变 时, 电荷的极性也随之改变。 这种机械能转换为 电能的现象, 称为“正压电效应” 。
z b
x a
cy
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z b
x a
cy
当沿X轴施加作用力时，晶片产生厚度变形，并在与x 轴垂直的平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：
Qx d11Fx
d 1 1 ——x轴方向受力的压电系数；
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z b
x a
cy
沿y轴施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与x轴
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❖ Z轴 (光轴），是晶体的对称轴，用光学方法确定，作 为基准轴。
❖ X轴 (电轴)，经过正六棱柱相对的两个棱线，且垂直 于光轴，该轴压电效应最显著。
❖ Y轴 (机械轴)，垂直于两个相对的表面，在此轴上加 力产生的变形最大。
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石英晶体压电效应机理
石英晶体：SiO2
当石英晶体没有受到外力 作用时：
“+ ” 代表硅离子 Si4+ “ ” 代表硅离子 2O2–
正负电荷中心重合
P1P2P30
晶体表面不产生电荷， 呈电中性。
_
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1.当石英晶体在X轴方向上受到压力时：
(P1P2P3)x0
结果： A面上呈现负电荷 B面上呈现正电荷
纵 向 压 电 效 应 横 向 压 电 效 应
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表面电荷的计算问题
有一石英晶体，其长度为5mm，宽度为4mm，厚度为 10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求在纵向压电 效应的压缩力作用下产生的电荷量。（d=2.31PC/N）
❖压电效应--定义 ❖资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
❖某些电介质（晶体），当沿着一定方向对 其施力而使它变形时，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，又重新恢复不带电状态，
这种现象称压电效应。
压电效应--分类 ❖资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
(P1P2P3)y0 (P1P2P3)z0
这种沿X轴施加力，而在垂直于 X轴的晶面上产生电荷的现象， 就是“纵向压电效应”。
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2.当石英晶体在Y轴方向上受到压力时：
(P1P2P3)x0
结果： A面上呈现正电荷 B面上呈现负电荷
(P1P2P3)y0 (P1P2P3)z0
❖ 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压 电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生 产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷 材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
压电陶瓷产品
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① 未加电场
② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与 几何尺寸有关；
③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；
④ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 一定存在逆压电效应；
⑤ 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与 电荷之间皆呈线性关系。
❖压电陶瓷的压电效应 ❖资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
压电效应--特性
压电效应具有可逆性， 利用这一特性可以实现机械能和电能 的相互转换。
正压电效应
机
械 能
压电元件
电 能
逆压电效应
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压电陶瓷：属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶体压 电材料, 具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构
电畴: 分子自发形成的区域,有一定的极化方向,从而存电场
在无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布 它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。
∴原始的压电陶瓷内呈中性 不具有压电性质。
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正压电效应：当作用力方向改变时，电荷的极性也随之 改变，常把这种机械能转换为电能的现象 称正压电效应（或顺压电效应）。
逆压电效应：当在电介质极化方向上施加电场，这些 电介质也会在产生几何变形，当外加电场 撤去时，这些变形也随之消失，这种将电 能转化成机械能的现象称逆压电效应（或 称电致伸缩效应）。
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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。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，压电陶瓷 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。
垂直的平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：
Qy
d12
a b
Fy
d 1 2 ——y轴方向受力的压电系数；
晶片厚度
d12 d11
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a
a
结论： qx d11Fx qy d12bFyd11bFy
① 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx 成正比，而与晶片的尺寸无关；
这种沿Y轴施加力，而在垂直于 X轴的晶面上产生电荷的现象， 就是“横向压电效应”。
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3.当石英晶体在Z轴方向上受到压力时：
(P1P2P3)x0 (P1P2P3)y 0
(P1P2P3)z 0
正负电荷始终中心重合，所以晶体表面无电荷产生。 沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。