压电式微压力传感器

天津工业大学理学院

传感器课程设计

设计题目：压电式微压力传感器的设计

设计者(学号)：AAA(07……)

AAA(07……)

AAA(07……)

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200 年月日

目录

一、序言

二、方案设计及论证

三、设计图纸

四、总结心得或体会

五、主要参考文献

一、序言

1.压电式传感器简介

压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理，压电晶体是机电转化元件，从而实现非电量的电测量。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在通讯、超声、雷达、宇航、雷达等许多技术领域中，压电式传感器都获得了广泛的应用。

压电传感元件是力敏元件，它能测量最终能变换为力的那些物理量，典型的有如下几种：

（1）力测量：压电式力传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小，热释电效应小等优点，力传感器除可测单向作用力外还可利用不同切割方向的多片晶体，依靠其不同的压电

效应测量多方向力，如空间作用力3个方向的分力F

x 、F

y

、F

z

。

（2）压力测量：压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。

（3）加速度测量：压电式加速度传感器是利用质量块m，由预紧力压在晶体片上，当质量块受被测加速度a作用时，晶体片处会受到惯性力F=ma，由此产生压电效应，因此质量块的质量决定了传感器的灵敏度，也影响着传感器的高频响应。

压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。

2.压电式压力传感器的发展现状

采用压电原理进行压力检测的常用的传感器有压电爆震传感器、振梁式压电压力传感器、检测切削状态的压电压力传感器、振筒式压电压力传感器、音叉式压电压力传感器等。

分析现行压电式压力传感器可看出，目前的传感器主要为中、大量程，高精度传感器，成本高，价格昂贵，而小量程，低成本，中低精度的压电压力传感器

较少，而这类传感器又有广泛用途，如脉搏、各种微小动态力检测，因此我们选择压电微压力传感器为研究对象，目的在于设计一种小量程、低成本、高灵敏度的测量动态微小压力的传感器，可满足市场对中低精度、小体积、低成本的微压传感器的需求。压电式微压传感器适应了市场的需求。这种传感器广泛用于工业控制中的振动和加速度信号检测，医疗保健中的心音，检测脉博，管壁油压波动，振动加速度，各种振动、冲击、碰撞报警，以及其他动态压力检测。

二、方案设计及论证

1.压电式压力传感器的工作原理

压电微压传感器属于压电式压力传感器。最简单的压电式传感器的工作原理如图1所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。

图1 压电式传感器的工作原理

如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为

q=DF （1）式中：q——为电荷量；

F——为作用力(N)；

D——为压电常数(C/N)，与材质及切片的方向有关。

上式表明，电荷量与作用力成正比。当然，在作用力终止时，电荷就随之消失。显然，若要测得力值F，主要问题是如何测得电荷值。值得注意的是，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不

断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。

2.传感器的结构

压电式微压传感器结构包括:传感器的外壳，塑料支架，弹性垫圈，敏感元件的信号引线，放大器，电路盖板，如图2所示（见图纸）。敏感元件由压电陶瓷单晶片粘贴在直径较大的金属衬片上构成。金属衬片既作为压电陶瓷单晶片的背衬，又作为敏感元件的接地极。敏感元件的信号输出极，通过压电陶瓷单晶片表面焊接导线接至放大器的输入端。金属衬片边缘通过塑料支架封压在金属外壳的底部，金属外壳底端开孔，使敏感面外露，直接接触压力信号，同时外壳与内置放大器的地线连通，形成一屏蔽回路，将整个传感器包封在屏蔽腔内，可有效地敏感微小压力，去除一干扰信号。

作为敏感元件的压电陶瓷单晶片表面被有金属电极，电极引线细而软，并包覆绝缘层，压电陶瓷单晶片表面处于自由状态，有利于压电陶瓷单晶片产生自由弯曲振动，从而提高敏感元件的灵敏度。传感器内的放大器为一高输入、低输出阻抗的电荷放大器，它不仅将压电陶瓷单晶片表面产生的电荷放大并转换成电压输出，而且提高了传感器携带负载的能力。

图2中的放大器应使用高输入低输出阻抗的电荷放大器和场效应放大器，此压电微压传感器选用J型场效应放大器。

图2中传感器的金属外壳为一底端开孔的圆桶结构，孔径小于金属衬片的压电微压传感器的设计与制作直径0.5mm~1.5mm，外壳采用软性金属如铝或铜制作，以防在加工和压边中断裂，壳壁厚0.3mm~lmm。压电微压传感器属于压电式压力传感器。

3.敏感元件

敏感元件如图3所示(见图纸)，压电陶瓷单晶片4粘贴在金属衬片3上，衬片应选取软性金属如铜、铝等金属或金属合金制作，以便在压力作用下产生较大形变。压电陶瓷单晶片表面被有电极，其上接有细软的引线6，压电陶瓷单晶片表面处于自由状态，以充分实现自由弯曲振动，引线接至放大器的输入端，压力作用到金属衬片上，衬片带动压电陶瓷片变形，产生形变，继而产生电荷，再经放大器放大，并转换成电压信号输出。此压电