傳感器技術(shù)壓電式傳感器資料

1、傳感器技術(shù)壓電式傳感器資料某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”或或“順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)”。反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的

2、極化方向上施加電反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”或或“電致電致伸縮效應(yīng)伸縮效應(yīng)”。 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(jié)構(gòu)形狀為其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶一個(gè)六角形晶柱，兩端為一柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。對(duì)稱棱錐。在晶體學(xué)中，可以把將其用三根互相垂直在晶體學(xué)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(jī)械軸。稱為機(jī)械軸。 如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使如果從石英晶體中切下一個(gè)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(yīng)稱為方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸，把沿機(jī)械軸(Y(Y軸軸) )方向方向的作用力產(chǎn)生的

5、壓電效應(yīng)稱為的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效橫向壓電效應(yīng)應(yīng)”，沿光軸方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。，沿光軸方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。 石英晶體石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。結(jié)構(gòu)決定的。圖圖- -是一個(gè)單元組體中是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直構(gòu)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(gè)正平面上的投影，等效為一個(gè)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(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩1、2、3。 如圖5-5（a）所示。 因?yàn)? qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)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(dāng)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(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（x 0）作用時(shí)，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(shí)它們?cè)趚、y、

7、z三個(gè)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(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷?？梢?，當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力x 作用時(shí)，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在y軸方向受力y作用下的情況與x 相似。當(dāng)y 0時(shí)，晶體的形變與圖5-5（b）相似；當(dāng)y 0時(shí)，則與圖5-5（c）相似。由此可見，晶體在y（即機(jī)械軸）方向的力 y作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 晶體在z軸方向受力z的作用時(shí)，因?yàn)榫w沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)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(yīng)。 若從晶體上切下一塊如圖5-6（a）所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力x時(shí)，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(nèi)，極化強(qiáng)度11與應(yīng)力x 成正比。bcFddPxx111111bcqPx11xxFdq11反之，若沿反之，若沿x方向?qū)┘与妶?chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)方向?qū)┘与妶?chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為度大小為Ex 。根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在。根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在x軸軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即：方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即：a=d11U x (5-4) xxxxxCFdCqU11也可用相對(duì)應(yīng)變表示為：也可用相對(duì)應(yīng)變表示為：x

9、xEdaUdaa1111若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加應(yīng)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(duì)稱條件：d11 = -d12，則：yFabdq1112反之，若沿反之，若沿y方向?qū)┘与妶?chǎng)，根據(jù)逆方向?qū)┘与妶?chǎng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在壓電效應(yīng)，晶片在y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即即xUabdb11xyxxCFabdCqU1112或用相對(duì)應(yīng)變表示：或用相對(duì)應(yīng)變表示：xEdbb11圖圖5-7 5-7 石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系 當(dāng)晶片受到當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，方

10、向的壓力作用時(shí)，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(guān)；成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)； 沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；荷是與幾何尺寸有關(guān)的； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；上一定存在逆壓電效應(yīng)； 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)系。與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)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(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，材料內(nèi)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(chǎng)。它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。 在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，

12、趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)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(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本無變化，即剩余極化強(qiáng)度的極化方向基本無變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。很大，這時(shí)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(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)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(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作另一端出現(xiàn)負(fù)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(nèi)些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵?jǐn)?shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。對(duì)外界的作用。如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平

14、行的壓如果在陶瓷片上加一個(gè)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(nèi)的正、，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)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(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大，原狀，極化強(qiáng)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(yīng)。正壓電效應(yīng)。 若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)

15、度增大。陶瓷片內(nèi)的正、場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極負(fù)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(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)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(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸，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(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)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(shí)，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)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(dāng)作用力z、y或x反向時(shí)，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(shí)，在垂直于z軸的上、

17、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)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(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特它的參數(shù)也隨時(shí)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(jié)而成的。摩爾分子比例混合后燒結(jié)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(diǎn)溫度只有點(diǎn)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(jī)械強(qiáng)度都不如石英。溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。 壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)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(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性

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

20、且壓電系數(shù)比壓電陶石英材料價(jià)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(biāo)準(zhǔn)儀器或要瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性質(zhì)幾乎工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)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(yīng)用成本較低的人造石英晶體。應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用要在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)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