第6章 压电传感器PPT课件
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5
内部结构： 一个晶体单元，3个硅离子Si4+，6个氧离子O2－（成对的）。 一个硅离子，二个氧离子，交替排列。
电偶极距： p q l 方向：负电荷→正电荷
6
（a）未受力时，石英晶体表面不产生电荷，呈电
中性
p1 p2 p3 0
（b）x方向加FX 时：
∵ ↑ p1 p2 p3
∴ ( p1 p2 p3 )x 0
i—电效应方向（在i面上产生电荷）；
j—机械效应方向（沿j方向受力）。
14
dij物理意义：在“短路条件”下，单位应力所产生的 电荷密度。
石英晶体通过dij有4种基本变形方式，将机械能→电能
1）厚度变形 dx→d11→纵向压电效应（X方向受力）
2）长度变形 dy→d12→横向压电效应（Y方向受力）
3）面剪切变形
表6－2 常用压电材料的主要性能
4
6. 1. 2 压电效应 （1）石英晶体的压电效应
3个晶轴：光轴、电轴、机械轴
Z 轴——光轴，没有压电效应
X 轴——电轴，经过晶体棱线， 垂直于Z轴，作用力FX，压电 效应最明显。 Y 轴——机械轴，垂直于X-Z平面，
作用力 FX、FY，在Y轴方向 不产生压电效应，只产生 形变。
在垂直于Z轴晶面上 ，
源自文库
* 3
0
∴石英晶体的压电常数只有d11、d14是独立的。
6
* i
dij Tj
（i=1,2,3 j=1,2……6）
j 1
* 1
* 2
d11 0
* 3
0
d11 0 0
0 0 0
d14 0 0
0 d14 0
0 2d11
T1 T2
0
T6
（7-14）
压电常数dij的两个下标。
1）X方向（电轴）受到应力T1，产生纵向压电效应；
电荷密度：
因为：
1
d11
T1
d11
F1 S1
q s
所以：
q1 d11 F1
压电常数与受力和变形方式有关，产生的电荷正比于作用 力，而与晶片尺寸无关。
11
2）Y方向（机械轴）受到应力T2，产生横向压电效应
∵
q12 12 s1
12 d12 T2
第 6 章 压电式传感器
1
§6. 1 压电效应与压电材料
压电效应——分为顺压电效应和逆压电效应
顺压电效应——某些电介质物质，在一定方向上受 外力 作用变形时，内部产生极化现象，同时表面产生 电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种 将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。
逆压电效应——在电介质极化方向上施加电场，会 产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之 消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电 效应”。
铁磁性——原子磁矩形成有序排列。
顺磁性——原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因 而具有原子或分子磁矩。但磁矩间无强的相互 作用。弱磁性。
石英晶体的切型表示法： 图 6.4 3
（2）压电陶瓷： 具有很高的压电系数
1) 钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3）
2) 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）
3) 聚二氟乙烯（PVF2）——高效分子聚合物薄膜，在 膜厚方向加直流高压、电场极化后，具有压电性能。
py 0， pz 0 在x 轴正方向的晶面上产生负电荷。 即产生 “横向压电效应”。
压电常数： d11 d12 0 ， d22 d32 0 （d）在Z方向，施加Fz时，X、Y方向变形， dx dy ，正 负电荷中心始终重合。px py 0 ，不产生压电效应：
d13 d23 d33 0
（e）各个方向同时受均等作用力（如液体压力），保 持电中性，石英晶体没有体积压电效应。
8
石英晶体的压电效应演示
石英晶体压电效应
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输出电压的 频率与动态力的频率相同；
当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄 漏消失。
（2）石英晶体压电常数和表面电荷的计算
YZ面剪切应力→d14→X面产生电荷 X切型 ZX面剪切应力→d25→Y面产生电荷 Y切型
4）厚度剪切变形
XY面剪切应力→d26→Y 面产生电荷 d26＝－2d11 压电效应最强
15
（3）压电陶瓷的压电效应
原始的压电陶瓷，电畴无序排列，极化效应相互抵 消，不具备压电性质。
极化处理：——施加强电场（20~39kv/cm直流电 场），2~3h，具备压电性质。
q12
d12
F2
S1 S2
根据晶体对称条件：
d12 d11
q12
d11F2
S1 S2
可知，产生的电荷与晶片尺寸有关。
12
3）Z方向（光轴）受到应力T3
13 d13 T3 0 ∵ T3 0 ∴ d13 0 ，q13 0
（4）受到剪切应力T4、T5、T6时
14 d14 T4 ，15 d15 T5 0 （∴d15=0）
2
6.1.1 压电材料 （1）石英晶体：
优点：性能稳定、机械强度高、绝缘性好。温度升高 1℃，压电系数仅减少0.016%。居里点：573℃。图6.2
缺点：价格昂贵，压电系数比压电陶瓷低很多。 d11=2.31。陶瓷：d33=190
居里点——指铁磁性物质达到该温度时，其铁磁性全部消失 而变为顺磁性。失去压电特性。
在X 方向产生压电效应，“纵向压电效应”，令
p1 p2 p3 p
而Y、Z方向的电偶极距仍为零。
py 0
( p1 p2 p3 )z 0
pz 0
( p1 p2 p3 ) y 0
压电常数： d11 0 ，d21 0 ，d31 0 。
7
（c）当在Y方向施加Fy时，( p1 p2 p3)x 0 ∵合矢量方向 与x轴正向相反。
Z轴——极化方向。
16
q d33F
压电晶体与压电陶瓷的比较： 相同点：都是具有压电效应的压电材料。 不同点：
石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合 做工作温度范围很宽的传感器。
极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新 定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几 百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。
16 d16 T6 0 （∴d16=0）
结论：只有X、Y方向的单向应力T1、T2和X面上的剪切应 力T4，才能在垂直X轴的晶面上产生电荷。
* 1
d11
T1
d11T2
d14T4
13
同理，在垂直于Y轴晶面上，只有剪切应力T5、T6起作用。
* 2
d25
T5
d26T6
d14T5
2d11T6
（∵ d25 d14 ，d26 2d11 ）
内部结构： 一个晶体单元，3个硅离子Si4+，6个氧离子O2－（成对的）。 一个硅离子，二个氧离子，交替排列。
电偶极距： p q l 方向：负电荷→正电荷
6
（a）未受力时，石英晶体表面不产生电荷，呈电
中性
p1 p2 p3 0
（b）x方向加FX 时：
∵ ↑ p1 p2 p3
∴ ( p1 p2 p3 )x 0
i—电效应方向（在i面上产生电荷）；
j—机械效应方向（沿j方向受力）。
14
dij物理意义：在“短路条件”下，单位应力所产生的 电荷密度。
石英晶体通过dij有4种基本变形方式，将机械能→电能
1）厚度变形 dx→d11→纵向压电效应（X方向受力）
2）长度变形 dy→d12→横向压电效应（Y方向受力）
3）面剪切变形
表6－2 常用压电材料的主要性能
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6. 1. 2 压电效应 （1）石英晶体的压电效应
3个晶轴：光轴、电轴、机械轴
Z 轴——光轴，没有压电效应
X 轴——电轴，经过晶体棱线， 垂直于Z轴，作用力FX，压电 效应最明显。 Y 轴——机械轴，垂直于X-Z平面，
作用力 FX、FY，在Y轴方向 不产生压电效应，只产生 形变。
在垂直于Z轴晶面上 ，
源自文库
* 3
0
∴石英晶体的压电常数只有d11、d14是独立的。
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* i
dij Tj
（i=1,2,3 j=1,2……6）
j 1
* 1
* 2
d11 0
* 3
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d11 0 0
0 0 0
d14 0 0
0 d14 0
0 2d11
T1 T2
0
T6
（7-14）
压电常数dij的两个下标。
1）X方向（电轴）受到应力T1，产生纵向压电效应；
电荷密度：
因为：
1
d11
T1
d11
F1 S1
q s
所以：
q1 d11 F1
压电常数与受力和变形方式有关，产生的电荷正比于作用 力，而与晶片尺寸无关。
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2）Y方向（机械轴）受到应力T2，产生横向压电效应
∵
q12 12 s1
12 d12 T2
第 6 章 压电式传感器
1
§6. 1 压电效应与压电材料
压电效应——分为顺压电效应和逆压电效应
顺压电效应——某些电介质物质，在一定方向上受 外力 作用变形时，内部产生极化现象，同时表面产生 电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种 将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。
逆压电效应——在电介质极化方向上施加电场，会 产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之 消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电 效应”。
铁磁性——原子磁矩形成有序排列。
顺磁性——原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因 而具有原子或分子磁矩。但磁矩间无强的相互 作用。弱磁性。
石英晶体的切型表示法： 图 6.4 3
（2）压电陶瓷： 具有很高的压电系数
1) 钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3）
2) 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）
3) 聚二氟乙烯（PVF2）——高效分子聚合物薄膜，在 膜厚方向加直流高压、电场极化后，具有压电性能。
py 0， pz 0 在x 轴正方向的晶面上产生负电荷。 即产生 “横向压电效应”。
压电常数： d11 d12 0 ， d22 d32 0 （d）在Z方向，施加Fz时，X、Y方向变形， dx dy ，正 负电荷中心始终重合。px py 0 ，不产生压电效应：
d13 d23 d33 0
（e）各个方向同时受均等作用力（如液体压力），保 持电中性，石英晶体没有体积压电效应。
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石英晶体的压电效应演示
石英晶体压电效应
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输出电压的 频率与动态力的频率相同；
当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄 漏消失。
（2）石英晶体压电常数和表面电荷的计算
YZ面剪切应力→d14→X面产生电荷 X切型 ZX面剪切应力→d25→Y面产生电荷 Y切型
4）厚度剪切变形
XY面剪切应力→d26→Y 面产生电荷 d26＝－2d11 压电效应最强
15
（3）压电陶瓷的压电效应
原始的压电陶瓷，电畴无序排列，极化效应相互抵 消，不具备压电性质。
极化处理：——施加强电场（20~39kv/cm直流电 场），2~3h，具备压电性质。
q12
d12
F2
S1 S2
根据晶体对称条件：
d12 d11
q12
d11F2
S1 S2
可知，产生的电荷与晶片尺寸有关。
12
3）Z方向（光轴）受到应力T3
13 d13 T3 0 ∵ T3 0 ∴ d13 0 ，q13 0
（4）受到剪切应力T4、T5、T6时
14 d14 T4 ，15 d15 T5 0 （∴d15=0）
2
6.1.1 压电材料 （1）石英晶体：
优点：性能稳定、机械强度高、绝缘性好。温度升高 1℃，压电系数仅减少0.016%。居里点：573℃。图6.2
缺点：价格昂贵，压电系数比压电陶瓷低很多。 d11=2.31。陶瓷：d33=190
居里点——指铁磁性物质达到该温度时，其铁磁性全部消失 而变为顺磁性。失去压电特性。
在X 方向产生压电效应，“纵向压电效应”，令
p1 p2 p3 p
而Y、Z方向的电偶极距仍为零。
py 0
( p1 p2 p3 )z 0
pz 0
( p1 p2 p3 ) y 0
压电常数： d11 0 ，d21 0 ，d31 0 。
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（c）当在Y方向施加Fy时，( p1 p2 p3)x 0 ∵合矢量方向 与x轴正向相反。
Z轴——极化方向。
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q d33F
压电晶体与压电陶瓷的比较： 相同点：都是具有压电效应的压电材料。 不同点：
石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合 做工作温度范围很宽的传感器。
极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新 定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几 百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。
16 d16 T6 0 （∴d16=0）
结论：只有X、Y方向的单向应力T1、T2和X面上的剪切应 力T4，才能在垂直X轴的晶面上产生电荷。
* 1
d11
T1
d11T2
d14T4
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同理，在垂直于Y轴晶面上，只有剪切应力T5、T6起作用。
* 2
d25
T5
d26T6
d14T5
2d11T6
（∵ d25 d14 ，d26 2d11 ）