压电式传感器can原理与应用

第五章 压电式传感器

压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。当材料表面受力作用变形时；其表面会有电荷产生从顺实现非电量测量。

第一节 压电效应和压电材料表 一、压电效应

当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时、会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。有时人们又把这种机械能转变为电能的现象称为“顺压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。具有压电效应的电介物质称为压电材料。在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应应都十分微弱。随着对压电材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。

二、压电材料简介

压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶 体。它们都是具有较好特性：具有较大的压电常数，机械性能优良(强度高，固有振荡频率稳定)，时间稳定性好，温度稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。 1．压电晶体

常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成分为SiO 2(二氧化硅)，压电 系数N C d /1031.21211⨯=。在几百度的温度范围内，其压电系数稳定不变，能产生十分稳定的固有频率0f ，能承受2/1000~700cm kg 的压力，是理想的压电传感器的压电材料。 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体。它属于单斜晶系。例如酒石酸钾钠(O H O H NaKC

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4⋅)、酒石酸乙烯二铵(6246O N H C )等，还有正方晶系如磷酸二氢

钾(KH 2PO 4)、磷酸二氢氨(NH 4H 2PO 4)等等。

2．压电陶瓷

压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。

它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡(BaTiO 3)压电系数N C d /1019012

33-⨯=。但

介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异,，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。 常用的压电材料的性能列于表5—1。

三、石英晶体的压电特性

石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，如图5—1所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。在三维直角坐标系中，z 轴被称为晶体的光铀。经过六棱柱棱线，垂直于光铀z 的x 轴称为电轴，把沿电抽x 施加作用力后的压电效应称为纵向压电效应。垂直于光轴z 和电轴x 的y 轴称为机械轴。把沿机械轴y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。沿光轴z 方向施加作用力则不产生压电效应。

若从石英晶体上沿y 方向切下一块如图5—1（c ）所示的晶体片，当在电轴x 方向施加作用力时，在与电轴（x ）垂直的平面上将产生电荷q x ，其大小为

x x F d q 11= （5—1）

式中 d 11——x 轴方向受力的压电系数；

Fx ——作用力。

若在同一切片上，沿机械轴y 向施加作用力Fy ，则仍在与x 轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为

y y y F b

a d F b

a d q 11

12

-== （5—2）

式中 d 12 —— y 轴方向受力的压电系数，因石英轴对称，所以d 11 =-d 12

a,b ——晶体片的长度和厚度。

电荷q x和q y的符号由受压力还是拉力决定。由式(5—1)可知q x的大小与晶体片几何尺寸无关，而q y则与晶体片几何尺寸有关。

为了直观地了解石英晶体压电效应和各向异性的原因，将一个单元组体中构成石英晶体的硅离于和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为图5—2中的正六边形排列。

图中“ ”代表Si4离子，“○—”代表氧离子2O2’。

当石英晶体未受外力作用时，带有4个正电荷的硅离子和带有2×2个负电荷的氧离子正好分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等，互成120°夹角的电偶极矩P1、P2和P3，如图5—2(a)所示。P＝ql，q为电荷量，l为正、负电荷之间距离。电偶极矩方向从负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+ P2 + P3＝0，电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。

当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相时位置随之变动．正、负电荷中心不再重合。如图5—2(b)所示。硅离子(1)被挤入氧离子(2)和(6)之间．氧离子(4)被挤入硅离子(3)和(5)之间，电偶极矩在x轴方向的分量(P1+ P2+ P3)＜0，结果表面A上呈负电荷，B面呈正电荷；如果在x轴方向施加拉力，结果A面和B面上电荷符号与图5—2(b)所示相反。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，即为前面所说的“纵向压电效应”。

当石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体如图5—2(c)所示变形。电偶极矩在x 轴方向的分量(P1+ P2 + P3)＞0，即硅离子(3)和氧离子(2)以及硅离子(5)和氧离子(6)都向内移动同样数值；硅离子(1)和氧离子(4)向A，B面扩伸，所以C，D面上不带电荷，而A，B面分别呈现正、负电荷。如果在y轴方向施加拉力，结果在A，B表面上产生如图5—2(c)所示相反电荷。这种沿y轴施加力，而在垂直于y轴的晶面上产生电荷的现象被称为“横向压电效应”。

当石英晶体在z轴方向受力作用时，由于硅离子和氧离于是对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在x，y方向的分量为零。所以表面无电荷出现，因而沿光轴(z)方向施加力，石英晶体不产生压电效应。

图5—3表示晶体切片在x轴和y轴方向受拉力和压力的具体情况。图5—3(a)是在x轴力向受压力，图(b)是在x轴方向受拉力、图(c)是在y轴方向受压力，图(d)是在y轴方向受拉力。

如果在片状压电材料的两个电极面上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振动，即晶体片在电极方向有伸长和缩短的现象。这种电致伸缩现象即为前述的逆压电效应。

四、压电陶瓷的压电现象

压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴。在极化处理以前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，如图5—4(a)所示。

在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，如图5—4(b)所示。既然已极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，如图5—4(c)所示，此时存在剩余极化强度。同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图5—5所示。由于束缚电荷的作用、在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。