压电式传感器
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到电极面。
石英晶体切片
4
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
• 当晶片受沿电轴(X轴)的压力Fx作用时
厚度变形
+
极化现象
PXX
d11XX
d11
FX lb
PXX
qX lb
X轴平面上电荷 qX d11FX
极间电压
UX
qX CX
d11
FX CX
PXX —极化强度 σXX —应力 FX —沿晶轴X方向施加的压缩力； d11—压电系数，与受力方向有关； l，b—石英晶片的长度和宽度 qX—垂直于X轴平面上电荷
触觉传感器
加速度传感器
1
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
压电效应：沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，其内部 就产生极化现象，在它的两个表面上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。
逆压电效应(电致伸缩效应)：在电介质的极化方向施加电场，这些 电介质产生变形。
具有压电效应的物质如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶 瓷、锆钛酸铅等。
线性关系； ②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；
（正压电效应存在，逆压电效应必存在，反之而不对。） ③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
8
第5章 压电式传感器
§5-2 压电材料
应用于压电式传感器中的压电材料主要有两种： 一种是压电晶体，如石英等； 另一种是压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
天然石英晶体
人工制造的压电陶瓷
2
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
一、石英晶体压电效应
天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体， 石英晶体的坐标系： • Z轴，也叫光轴，经过正六面体棱线； • X轴，也叫电轴，垂直于正六面体的棱边； • Y轴，也叫机械轴，垂直于正六面体的棱面。 （电轴）
（光轴） （机械轴）
• 缺点是价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。
因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。
10
第5章 压电式传感器
§5-2 压电材料
二、压电陶瓷
压电陶瓷由于具有很高的压电系数，因此在压电式传感器中得到广泛应用。 压电陶瓷主要有以下几种。 (一)钛酸钡压电陶瓷 由型，碳经酸高钡温(B1a3C0O0～3)和14二00氧oC化烧钛结(T，iO然2)后按再1∶经1人克工分极子化比处例理混得合到后的充压分电研陶磨瓷成。 优点：具有很高的介电常数和较大的压电系数(约为石英晶体的50倍)。 缺点：居里温度低(120oC)，温度稳定性和力学强度不如石英晶体。 (二)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(Zr、Ti)O3。 优点：与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300 oC以上，各项机电 参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其 他微量元素(如铌、锑、锡、锰、钨等)还可以获得不同性能的PZT材料。 因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
对压电材料要求具有以下几方面特性。 ①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械 刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容 的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点， 获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
CX —电极面间电容
5
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
• 当晶片受沿机械轴(Y轴)的压力Fy作用时， 电荷仍在与X轴垂直平面上出现 电荷的大小为： qXY d12ltbbFY d12ltFY
其中，d12 —石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数， d11=- d12 t —晶片厚度
X轴平面上电荷
11
材料
形状
石英 Α-SiO2 钛酸钡 BaTiO3 锆钛酸铅
PZT 硫化镉
CdS
单晶 陶瓷 陶瓷 单晶
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第5章 压电式传感器
§5-2 压电材料
一、石英晶体
石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温 度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。
石英的d11系数相对于 20 oC的d11 随温度变化特性
石英在高温下相对介 电常数的温度特性
• 优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。
即在压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张； 反之，若在压电体上、下表面施加反向电场．则压电体在长度方向就会 收缩。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的 弹性振动。
7
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
由上述可知： ①无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈
qXY
d11
l t
FY
极间电压
UX
qXY CX
d11
l t
FY CX
6
第5章 压电式传感器
§5-1 逆压电效应
晶体在外电场的作用下，内部正负电荷的重心会发生位移．这一极化 位移又会导致晶体发生形变。
Δt=d11UX
l
d11
l t
UX
t t
d11UtX
d11EX
l l
d11EX
其中，EX —X轴方向的电场来自百度文库度
（a）正负电互相平衡， 外部没有带电现象。
“纵向压电效应”
（b）X向压缩，表面A上呈现 负电荷、B表面呈现正电荷
“横向压电效应”
（c）Y向压缩，在A和B表
面上分别呈现、负电荷
3
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
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，如右图所示。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得
第5章 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。它以某些电介 质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现 非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量， 例如力、压力、加速度等。
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、质量轻等优点。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，在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域中，压电式传感 器获得了广泛的应用。
石英晶体切片
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第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
• 当晶片受沿电轴(X轴)的压力Fx作用时
厚度变形
+
极化现象
PXX
d11XX
d11
FX lb
PXX
qX lb
X轴平面上电荷 qX d11FX
极间电压
UX
qX CX
d11
FX CX
PXX —极化强度 σXX —应力 FX —沿晶轴X方向施加的压缩力； d11—压电系数，与受力方向有关； l，b—石英晶片的长度和宽度 qX—垂直于X轴平面上电荷
触觉传感器
加速度传感器
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第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
压电效应：沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，其内部 就产生极化现象，在它的两个表面上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。
逆压电效应(电致伸缩效应)：在电介质的极化方向施加电场，这些 电介质产生变形。
具有压电效应的物质如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶 瓷、锆钛酸铅等。
线性关系； ②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；
（正压电效应存在，逆压电效应必存在，反之而不对。） ③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
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第5章 压电式传感器
§5-2 压电材料
应用于压电式传感器中的压电材料主要有两种： 一种是压电晶体，如石英等； 另一种是压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
天然石英晶体
人工制造的压电陶瓷
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第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
一、石英晶体压电效应
天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体， 石英晶体的坐标系： • Z轴，也叫光轴，经过正六面体棱线； • X轴，也叫电轴，垂直于正六面体的棱边； • Y轴，也叫机械轴，垂直于正六面体的棱面。 （电轴）
（光轴） （机械轴）
• 缺点是价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。
因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。
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第5章 压电式传感器
§5-2 压电材料
二、压电陶瓷
压电陶瓷由于具有很高的压电系数，因此在压电式传感器中得到广泛应用。 压电陶瓷主要有以下几种。 (一)钛酸钡压电陶瓷 由型，碳经酸高钡温(B1a3C0O0～3)和14二00氧oC化烧钛结(T，iO然2)后按再1∶经1人克工分极子化比处例理混得合到后的充压分电研陶磨瓷成。 优点：具有很高的介电常数和较大的压电系数(约为石英晶体的50倍)。 缺点：居里温度低(120oC)，温度稳定性和力学强度不如石英晶体。 (二)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(Zr、Ti)O3。 优点：与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300 oC以上，各项机电 参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其 他微量元素(如铌、锑、锡、锰、钨等)还可以获得不同性能的PZT材料。 因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
对压电材料要求具有以下几方面特性。 ①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械 刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容 的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点， 获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
CX —电极面间电容
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第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
• 当晶片受沿机械轴(Y轴)的压力Fy作用时， 电荷仍在与X轴垂直平面上出现 电荷的大小为： qXY d12ltbbFY d12ltFY
其中，d12 —石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数， d11=- d12 t —晶片厚度
X轴平面上电荷
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材料
形状
石英 Α-SiO2 钛酸钡 BaTiO3 锆钛酸铅
PZT 硫化镉
CdS
单晶 陶瓷 陶瓷 单晶
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第5章 压电式传感器
§5-2 压电材料
一、石英晶体
石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温 度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。
石英的d11系数相对于 20 oC的d11 随温度变化特性
石英在高温下相对介 电常数的温度特性
• 优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。
即在压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张； 反之，若在压电体上、下表面施加反向电场．则压电体在长度方向就会 收缩。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的 弹性振动。
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第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
由上述可知： ①无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈
qXY
d11
l t
FY
极间电压
UX
qXY CX
d11
l t
FY CX
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第5章 压电式传感器
§5-1 逆压电效应
晶体在外电场的作用下，内部正负电荷的重心会发生位移．这一极化 位移又会导致晶体发生形变。
Δt=d11UX
l
d11
l t
UX
t t
d11UtX
d11EX
l l
d11EX
其中，EX —X轴方向的电场来自百度文库度
（a）正负电互相平衡， 外部没有带电现象。
“纵向压电效应”
（b）X向压缩，表面A上呈现 负电荷、B表面呈现正电荷
“横向压电效应”
（c）Y向压缩，在A和B表
面上分别呈现、负电荷
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第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
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，如右图所示。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得
第5章 压电式传感器
压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。它以某些电介 质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现 非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量， 例如力、压力、加速度等。
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、质量轻等优点。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，在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域中，压电式传感 器获得了广泛的应用。