第六章-压电式传感器

Y
FY Y
-
+
－ - ++
z
+ P1
P3 - X
P2
－ + P1 P3 - + X
－
P2
+
o x
y
-
+
－ - ++
(a) FY=0
FY (b) FY>0
工程实际中，从石英晶体上切下一片平行六面
体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z
轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉 银法得到电极面。（该方法分析压电效应最简单， 还有许多种切法）
-
+
Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形 成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，
+ P1
P3 - X
如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电
P2
偶极矩的矢量和等于零，即
-
+来自百度文库
P1＋P2＋P3＝0
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用 时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离 子相对位置随之发生变化，如图（b）所 示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶 极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
FX + + + + +
Y
FX
-
+－
P1
-
P2
P3 +
－ -－
－
X
（P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
(c) FX>0
在X轴的正向出现负(束缚)电荷，
在Y、Z方向则不出现(束缚)电荷。
晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体 的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。由此可 见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产 生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。
该方向压电效应称横向压电效应。
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的，其分子式为
SiO2。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在xy平面投影，如 图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形
排列。
Y
-
Y +
Si4
Si4
X +
-X
2O2
O 2
(a)
-
+
(b)
Y
当 作 用 力 FX=0 时 ， 正 、 负 离 子 （ 即
d11 0 0
0 0 0
d14 0 0
0 d14
0
0 2d11
0
T T T T T
2 3 4 5 6
+ + ++ (b) X
FY －－－－
++ ++ (c)
2）、居里温度 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度（石英573C）。
3）、其它参数：介电常数、弹性常数、绝缘电阻等。 压电晶体突出优点是性能非常稳定，介电常数和压电常数
逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电 场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外 加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
压电材料可以分为两大类：天然石英晶体和人工压电陶瓷。
6.1.2、石英晶体的压电效应
Z
z
b
z
o
Y
o
y
x
y
x
c
a
与应力T1成正比，即：
+ + ++
z
o y
c
a
11d11T1
T1
Fx ac
11d11a Fxc(C/m2)
又11qa11c(C/m2)
q11d1F 1x(C)
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数。
z
x
y
i1,2,3 分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表
z
面，即yz、xz、xy面上产生的电荷。
j1,2,3,4,5,6
x
j 1,2,3 分别表示沿x、y、z轴方向承受单向应力。
y
j 4,5,6 分别表示沿yz、xz、xy平面上承受的剪切应力。
i1,2,3 分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表
几乎不随温度变化，在20~200C范围内温度每升高1 C，压 电场数仅减小0.016%。另外，它还具有自振频率高、动态性 能好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性
范围宽等优点。
b
二、石英晶体的表面(束缚)电荷计 算
X FX
当晶体受到x方向的拉应力时，在
－ － －－ x
垂直于x轴表面上产生的电荷密度11
由石英晶体的对称性，d11=-d12 d25=-d14 d26=-2d11
d 11 2 .3 1 1 0 ( 2 C /N ) d 14 0 .7 3 1 1 0 ( 2 C /N )
X FX
－ － －－
通过实验和理论分析，对于石英晶体，只有d11 d12 d14 d25 d26不为零。
T1
1 d11 20 3 0
X
(a)
(a)
(c)
天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三 根互相垂直的轴来表示：
纵向轴Z－Z称为光轴，在该方向施加压力不产生压电效应；
经过正六面体相对的两个棱线，垂直于光轴的X－X轴称为电轴（3个），
该方向压电效应最显著，该方向压电效应称纵向压电效应；
与X轴和Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴，
z b
o
y
x
c
a
6.1.3 、石英晶体的压电常数和电荷计算
X FX + + ++
－ － －－
(a)
X FX
－ － －－
X
FY －－－－
+ + ++ (b)
++ ++ (c)
石英晶片(束缚)电荷极性与受力方向关系
X FY + + + +
－－ － －
(d)
一、石英晶体的性能参数
1）、压电常数 d ij
FX－ -
Y +
+FX
－ + P1 P3 - + X
－
P2
+
－ - ++
在Y、Z方向上的分量为：
(b) FX<0
（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正(束缚)
电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。
当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0） 作用时，其变化情况如图（c）。此时 电极矩的三个分量为：
面，即yz、xz、xy面上产生的电荷。
j1,2,3,4,5,6
z
x
y
j 1,2,3 分别表示沿x、y、z轴方向承受单向应力。
z
j 4,5,6 分别表示沿yz、xz、xy平面上承受的剪切应力。
如：d11在x方向上的单向应力下，在yz平面上产生的电荷(能力)；x
y
d12在y方向上的单向应力下，在yz平面上产生的电荷(能力) ；
第6章 压电式传感器
（有源传感器）
6.1
6.2 压电式传感器测量电路
6.3 压电式传感器的应用
6.1 压电效应及压电材料
6.1.1、压电效应
正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对 其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表 面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。 当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。