傳感器技術壓電式傳感器資料

1、傳感器技術壓電式傳感器資料某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種變形，同時其內部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態(tài)，這種去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應。當作用力方向改變時，現(xiàn)象被稱為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為“正壓電效應正壓電效應”或或“順壓電效應順壓電效應”。反之，當在某些物質的

2、極化方向上施加電反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機械變形場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。這種電能轉化為機形或應力也隨之消失。這種電能轉化為機械能的現(xiàn)象稱為械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應逆壓電效應”或或“電致電致伸縮效應伸縮效應”。 常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。晶體和多晶體壓電陶瓷。 壓電單晶體有石英壓電單晶體有石英( (包括天然石英和人造包括天然石英和人造石英石英) )、水溶性壓電晶體、水溶性壓電晶體( (包括

3、酒石酸鉀鈉、包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等) )；多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。鎂酸鉛壓電陶瓷等。 如圖所示為天如圖所示為天然石英晶體，然石英晶體，其結構形狀為其結構形狀為一個六角形晶一個六角形晶柱，兩端為一柱，兩端為一對稱棱錐。對稱棱錐。在晶體學中，可以把將其用三根互相垂直在晶體學中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸的軸表示，其中，縱軸Z Z稱為光軸，通過稱為光軸，通過六棱線而垂直于光軸的六棱

4、線而垂直于光軸的X X軸稱為電軸，與軸稱為電軸，與X-XX-X軸和軸和Z-ZZ-Z軸垂直的軸垂直的Y-YY-Y軸軸 ( (垂直于六棱垂直于六棱柱體的棱面柱體的棱面) )稱為機械軸。稱為機械軸。 如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分別平行于其晶面分別平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X軸線。軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸(X(X軸軸) )方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應稱為方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應稱為“縱向壓電效應縱向壓電效應”，把沿機械軸，把沿機械軸(Y(Y軸軸) )方向方向的作用力產(chǎn)生的

5、壓電效應稱為的作用力產(chǎn)生的壓電效應稱為“橫向壓電效橫向壓電效應應”，沿光軸方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應。，沿光軸方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切向效應。壓電沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切向效應。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應。式傳感器主要是利用縱向壓電效應。 石英晶體石英晶體具有壓電效應，是由其內部分子具有壓電效應，是由其內部分子結構決定的。結構決定的。圖圖- -是一個單元組體中是一個單元組體中構成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直構成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于于z z軸的軸的xyxy平面上的投影，等效為一個正平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。六邊形排列。 圖中圖

6、中“”代表硅離子代表硅離子SiSi4+4+， “”代表氧離子代表氧離子O O2-2-。 當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩1、2、3。 如圖5-5（a）所示。 因為= qL（q為電荷量，L為正負電荷之間的距離），此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 1+2+30所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。當晶體受到沿x方向的壓力（x 0在y、z方向上的分量為: (1+2+3)y = 0 (1+2+3)z= 0當晶體受到沿x方向的拉力（x 0）作用時，其變化情況如圖5-5（c）所示。電偶極矩1增大， 2、 3減小，此時它們在x、y、

7、z三個方向上的分量為 (1 +2 +3) x0 (1+ 2+ 3)y =0 (1 +2 +3)z =0在x軸的正向出現(xiàn)負電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。可見，當晶體受到沿x(電軸)方向的力x 作用時，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應。晶體在y軸方向受力y作用下的情況與x 相似。當y 0時，晶體的形變與圖5-5（b）相似；當y 0時，則與圖5-5（c）相似。由此可見，晶體在y（即機械軸）方向的力 y作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應。 晶體在z軸方向受力z的作用時，因為晶體沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，

8、電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力z 作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應。 若從晶體上切下一塊如圖5-6（a）所示的晶片，當沿電軸x方向施加應力x時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內，極化強度11與應力x 成正比。bcFddPxx111111bcqPx11xxFdq11反之，若沿反之，若沿x方向對晶片施加電場，電場強方向對晶片施加電場，電場強度大小為度大小為Ex 。根據(jù)逆壓電效應，晶體在。根據(jù)逆壓電效應，晶體在x軸軸方向將產(chǎn)生伸縮，即：方向將產(chǎn)生伸縮，即：a=d11U x (5-4) xxxxxCFdCqU11也可用相對應變表示為：也可用相對應變表示為：x

9、xEdaUdaa1111若在同一切片上，沿機械軸y方向施加應力y，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為 yyFabdFacbcdq121212根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11 = -d12，則：yFabdq1112反之，若沿反之，若沿y方向對晶片施加電場，根據(jù)逆方向對晶片施加電場，根據(jù)逆壓電效應，晶片在壓電效應，晶片在y軸方向將產(chǎn)生伸縮變形，軸方向將產(chǎn)生伸縮變形，即即xUabdb11xyxxCFabdCqU1112或用相對應變表示：或用相對應變表示：xEdbb11圖圖5-7 5-7 石英晶體受力方向與電荷極性關系石英晶體受力方向與電荷極性關系 當晶片受到當晶片受到x方向的壓力作用時，方

10、向的壓力作用時，qx只與作用力只與作用力x成正比，而與晶片的幾何尺寸無關；成正比，而與晶片的幾何尺寸無關； 沿機械軸沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關的；荷是與幾何尺寸有關的； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的；石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；上一定存在逆壓電效應； 無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關系。與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關系。壓電

11、陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。它有一定的極化方向，從而存在電場。 在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向于按外電場方向的排列，發(fā)生轉動，

12、趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本無變化，即剩余極化強度的極化方向基本無變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。很大，這時的材料才具有壓電特性。 圖圖5-8 5-8 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化 (a) (a) 未極化未極

13、化; (b) ; (b) 電極化電極化 陶瓷片內的極化強度總是以電偶極矩的形式陶瓷片內的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內些自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符號相反而的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內極化強度消了陶瓷片內極化強度對外界的作用。對外界的作用。如果在陶瓷片上加一個與極化方向平

14、行的壓如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內的正、，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，極化強度也變大，原狀，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象?，F(xiàn)象。正壓電效應。正壓電效應。 若在片上加一個與極化方向相同的電場，電若在片上加一個與極化方向相同的電場，電場的作用使極化強

15、度增大。陶瓷片內的正、場的作用使極化強度增大。陶瓷片內的正、負束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極負束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變。同理，如果外加電場化方向產(chǎn)生伸長形變。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應而轉變?yōu)闄C由于電效應而轉變?yōu)闄C械效應，或者由電能轉械效應，或者由電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應。是壓電陶瓷的逆壓電效應。對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向為z軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸，這是和石英晶體的不同

16、之處。當壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會出現(xiàn)電荷，如圖5-12（a）所示，其電荷量q與作用力z成正比，即(5-12) 式中： d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； 作用力。 zFdq33壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力y或沿x方向的作用力x時，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負電荷，其電荷量q與作用力y、x也成正比，即xzxyzyAAFdAAFdq3132式中 A z極化面面積； Ax、A y受力面面積； d32、d31壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)當作用力z、y或x反向時，電荷的極性也反向。壓電陶瓷在受到如圖5-12（c）所示的作用力x、y、z共同作用時，在垂直于z軸的上、

17、下平面上分別出現(xiàn)正、負電荷。 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關，瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。性減弱。 最 早 使 用 的 壓 電 陶 瓷 材 料 是 鈦 酸 鋇最 早 使 用 的 壓 電 陶 瓷 材 料 是 鈦 酸 鋇（BaTiOBaTiO3 3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦

18、按按1111摩爾分子比例混合后燒結而成的。摩爾分子比例混合后燒結而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的它的壓電系數(shù)約為石英的5050倍，倍， 但居里但居里點溫度只有點溫度只有115115，使用溫度不超過，使用溫度不超過7070，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。 壓電材料應具備以下幾個主要特性：壓電材料應具備以下幾個主要特性：轉換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。轉換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。機械性能。機械強度高、剛度大。機械性能。機械強度高、剛度大。電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。環(huán)境適應性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，環(huán)境適應性。溫度和濕度穩(wěn)定性

19、要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。溫度范圍。時間穩(wěn)定性。壓電性能不隨時間變化。時間穩(wěn)定性。壓電性能不隨時間變化。 在幾百攝氏度的溫度范圍內，其介電常數(shù)在幾百攝氏度的溫度范圍內，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當溫度升高到溫度升高到573時，石英晶體將完全喪去時，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點。壓電特性，這就是它的居里點。石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，它石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能。但有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能。但石英材料價格昂貴，

20、且壓電系數(shù)比壓電陶石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。求較高的傳感器中。石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學性質幾乎工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學性質幾乎與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應用成本較低的人造石英晶體。應用成本較低的人造石英晶體。因為石英是一種各向異性晶體，因此，按因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質（如彈不同方向切割的晶片，其物理性質（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。在設計石英傳感器時，應根據(jù)不同使用要在設計石英傳感器時，應根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。求正確地選擇石英片的切型。壓電陶瓷主要有以下幾種：壓電陶瓷主要有以下幾種