壓電式傳感器

壓電式傳感器第1頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器有關(guān)晶體材料的補(bǔ)充知識(shí)第2頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器有關(guān)晶體材料的補(bǔ)充知識(shí)第3頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器有關(guān)晶體材料的補(bǔ)充知識(shí)第4頁(yè)/共44頁(yè)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣1.2第6章壓電式傳感器壓電效應(yīng)及材料6.16.2等效電路及測(cè)量電路6.3壓電式傳感器及其影響因數(shù)

6.4第5頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器壓電效應(yīng)（PiezoelectricEffect）

一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度σ)與外應(yīng)力張量T成正比：

D=dT(6-1)

式中d——壓電常數(shù)矩陣。

當(dāng)外力消失，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。第一節(jié)壓電效應(yīng)及材料第6頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器逆壓電效應(yīng)

若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比：

S=dtE（6-2）

式中dt——逆壓電常數(shù)矩陣。

這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。

第7頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器壓電效應(yīng)圖第8頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器壓電材料的主要特性參數(shù):

壓電常數(shù)

:衡量壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度

彈性常數(shù)：決定了壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性

介電常數(shù)：壓電材料的固有電容與之有關(guān)

機(jī)電耦合系數(shù)：轉(zhuǎn)換輸出能與輸入能的比值平方根

電阻：即壓電材料的絕緣電阻

居里點(diǎn)：壓電材料開始失去壓電性的溫度

第9頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器壓電材料

普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷。⑴石英晶體(SiO2)

石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分。目前傳感器中使用的均是以居里點(diǎn)為573℃，晶體的結(jié)構(gòu)為六角晶系的α-石英。其外形如圖所示，呈六角棱柱體。有m、R、r、s、x共5組30個(gè)晶面組成第10頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器第11頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器第12頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器⑴石英晶體(SiO2)

石英晶體個(gè)方向的特性不同。為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對(duì)稱軸。第13頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器⑴石英晶體(SiO2)

連接兩個(gè)錐頂點(diǎn)的一根軸叫光軸，它是晶體的對(duì)稱軸，光線沿軸通過晶體時(shí)，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而以它作為基準(zhǔn)軸，也叫中性軸，沿Z軸方向上沒有壓電效應(yīng)；連接晶體橫截面中對(duì)角線的三條軸（x軸）叫電軸（a,b,d)，在垂直于該軸的面上壓電效應(yīng)最為顯著；橫截面中與電軸相互垂直的三條軸（y軸）叫機(jī)械軸，在此軸上加電場(chǎng)，產(chǎn)生機(jī)械形變最大，故也叫力軸。第14頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器⑴石英晶體(SiO2)

其主要性能特點(diǎn)：壓電常數(shù)小，溫度穩(wěn)定性高；機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因數(shù)高，許用應(yīng)力高達(dá)（6.8-9.8）×107Pa,固有頻率高，動(dòng)態(tài)性能好；居里點(diǎn)為573℃，絕緣性和重復(fù)性好。常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合，還經(jīng)常用來制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。第15頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器⑵.其他壓電單晶壓電單晶中除天然和人工石英晶體外，鋰鹽類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鍺酸鋰LiGeO3)等材料，也已在傳感器技術(shù)中日益得到廣泛應(yīng)用。

鈮酸鋰為典型代表，它時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高達(dá)1200℃，在高溫、高輻射條件下仍具有良好的壓電性。它在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。第16頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器

（3）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工多晶鐵電體。多晶是指它由無數(shù)細(xì)微的單晶組成，所謂鐵電體是指它具有類似鐵磁材料磁疇的電疇結(jié)構(gòu)，每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，這種自發(fā)極化的電疇在極化處理之前，個(gè)晶粒內(nèi)的電疇按任意方向排列，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷的極化強(qiáng)度為零。所以，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性不具有壓電性。因此，必須作極化處理，即在一定溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使電疇趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列；極化電場(chǎng)去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。第17頁(yè)/共44頁(yè)壓電陶瓷材料第6章壓電式傳感器第18頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器壓電陶瓷極化4BaTiO3壓電陶瓷的極化第19頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器壓電陶瓷的特點(diǎn)壓電常數(shù)大靈敏度高制造工藝成熟成形工藝性好成本低廉，利于廣泛應(yīng)用第20頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器常用的壓電陶瓷(1)二元系壓電陶瓷(2)三元系壓電陶瓷(3)綜合性能更為優(yōu)越的四元系壓電陶瓷也已經(jīng)研制成第21頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器二元系壓電陶瓷主要包括鈦酸鋇BaTiO3，鈦酸鉛PbTiO3，鋯鈦酸鉛系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和鈮酸鹽系列KNbO3-PbNb2O3。其中以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷應(yīng)用最廣，它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。第22頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器三元系壓電陶瓷

目前應(yīng)用的PMN，它由鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3鈦酸鉛PbTiO3-鋯鈦酸鉛PbZrO3三成分配比而成。它具有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。

另外還有專門制造耐高溫、高壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系、鎂碲酸鉛等。第23頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器（4）新型壓電材料壓電半導(dǎo)體既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性，如硫化鋅（ZnS)、氧化鋅(ZnO)、砷化鎵(GaAs)等。*

有機(jī)高分子壓電材料一某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯（PVF)、聚氯乙烯（PVC)等。這些材料質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度高、耐沖擊、熱釋電性和熱穩(wěn)定性好。二高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。第24頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器一石英晶片的切型及符號(hào)由壓電材料取不同方向的切片（切型）做成的壓電元件，其彈性、介電特性、壓電性質(zhì)和熱電特性等也不同。第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣壓電效應(yīng)由壓電方程描寫；材料的壓電性由壓電常數(shù)決定,壓電常數(shù)與晶體的對(duì)稱性密切相關(guān);從壓電晶體上隨意切下一塊晶片，不一定能做壓電傳感元件，而是要根據(jù)該壓電晶體的壓電常數(shù)來設(shè)計(jì)晶片的切割.第25頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器一石英晶片的切型及符號(hào)切型---在晶體坐標(biāo)中取某種方位的切割。切型的表示：習(xí)慣符號(hào)法和IRE表示法IRE表示法：以厚度取向?yàn)榍行偷谋硎痉?，由坐?biāo)x、y、z，切片尺寸t、l、w和旋轉(zhuǎn)角度如切型（xyltw)40°/30°/15°第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣第26頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器一石英晶片的切型及符號(hào)第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣第27頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器X切族Y切族第28頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器二石英晶體的壓電方程第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣若從晶體上沿方向切下一塊如圖所示的晶片，當(dāng)在電軸X方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸X垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為其中d11為x軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)，F(xiàn)X為作用力。第29頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器二石英晶體的壓電方程第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力，則仍在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，其大小為

d12為軸方向受力的壓電系數(shù)，因?yàn)槭⑤S對(duì)稱，故d12=-d11；a,b為晶體切片長(zhǎng)度的和厚度。如果受到沿z軸方向的作用力,并無壓電效應(yīng)。

第30頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器二石英晶體的壓電方程第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣電荷qx和qy的符號(hào)由所受力的性質(zhì)（拉力/壓力）決定。qx的大小與晶片幾何尺寸無關(guān)，而qy與晶片幾何尺寸有關(guān)。第31頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器二石英晶體的壓電方程的矢量矩陣形式

設(shè)有一個(gè)X0°切型的正六面體左旋石英晶片，在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)的力-電作用狀況如圖6.6所示。圖中：T1、T2、T3分別為沿x、y、z向的正應(yīng)力分量(壓應(yīng)力為負(fù))T4、T5、T6分別為繞x、y、z軸的切應(yīng)力分量(順時(shí)鐘方向?yàn)樨?fù))；

σ1、σ2、σ3分別為在x、y、z面上的電荷密度(或電位移D)。第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣第32頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器圖6.6X00切型石英晶片的力電分布第33頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器各向異性的石英晶片，單一壓電效應(yīng)：

σij=dijTj式中i——電效應(yīng)(場(chǎng)強(qiáng)、極化)方向的下標(biāo)，

j——力效應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變)方向的下標(biāo)，

Tj——j方向的外施應(yīng)力分量(Pa)；σij——j方向的應(yīng)力在i方向的極化強(qiáng)度(或i面上的電荷密度)(C/m2)；

dij——j方向應(yīng)力引起i面產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電常數(shù)(C/N)。當(dāng)i=j時(shí)，為縱向壓電效應(yīng)；當(dāng)i≠j時(shí)，為橫向壓電效應(yīng)。第34頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器任意的多方向的力同時(shí)作用下的全壓電效應(yīng)第35頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器完全各向異性壓電晶體的壓電特性用壓電常數(shù)矩陣表示如下

對(duì)于不同的壓電材料，由于各向異性的程度不同，上述壓電矩陣的18個(gè)壓電常數(shù)中，實(shí)際獨(dú)立存在的個(gè)數(shù)也各不相同。第36頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器

如X0°切型石英晶體獨(dú)立的壓電常數(shù)只有兩個(gè)：d11、d14，其壓電常數(shù)矩陣表示如下d11=±2.31×10-12（C/N）；d14=±0.73×10-12（C/N）IRE標(biāo)準(zhǔn)：左旋：受拉取“+”，受壓取“-”；右旋：受拉取“-”，受壓取“+”第37頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器

如果在片狀壓電晶體材料的兩個(gè)電極面上加以交流電壓，那么石英晶體片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即晶體片在電極方向有伸長(zhǎng)和縮短現(xiàn)象，這種電致伸縮現(xiàn)象即為逆壓電效應(yīng)。逆壓電方程的壓電常數(shù)矩陣是正壓電方程壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，以X0°切型石英晶體為例第38頁(yè)/共44頁(yè)結(jié)論：

壓電晶體的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是對(duì)應(yīng)存在的，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)，而且力-電之間呈線性關(guān)系。

石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)第6章壓電式傳感器第39頁(yè)/共44頁(yè)第6章壓電式傳感器三壓電陶瓷的矩陣形式壓電方程

如果在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，因此吸附在其表面的自由電荷有一部分被釋放而呈現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)撤銷壓力時(shí)，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度增大，因此又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)