第5章電壓型傳感器2(壓電式)

5、2壓電式傳感器

壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它可以測(cè)量最終能變換為力的各種物理量，例如壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于力學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?；驹矸治?/p>

1壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。稱為正壓電效應(yīng)。傳感器常用。當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，用于電聲器件。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。

基本原理分析

2石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。石英晶體有三個(gè)晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸又稱電軸，它通過六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；y軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。

a)b)c)圖

石英晶體的外形、坐標(biāo)軸及切片

a)b)c)

石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體在機(jī)械力的作用下為什么會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷可以解釋如下：石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，如圖a

所示。當(dāng)作用力為零時(shí)，正負(fù)電荷相互平衡，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。（+）代表硅離子，（-）代表氧離子。上圖是垂直Z軸的平面投影。X如果在X軸方向施加壓力，如圖b所示，則氧離子擠入硅離子2和6間，而硅離子4擠入氧離子3和5之間，結(jié)果在表面A上出現(xiàn)正電荷，而在表面B上出現(xiàn)負(fù)電荷。如果所受的力為拉力時(shí)，在表面A和B上的電荷極性就與前面的情況正好相反。如果沿y軸方向施加壓力時(shí)，則在表面A和B上呈現(xiàn)的極性如圖c所示。施加拉力時(shí)，電荷的極性與它相反。

從晶體上切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。當(dāng)沿著X軸對(duì)壓電晶片施加力時(shí)，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。T表示應(yīng)力。壓電效應(yīng)方程

沿著y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著Z軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。電荷面受剪切，稱之為面切壓電效應(yīng)，電荷厚度受剪切，稱之為剪切壓電效應(yīng)，多應(yīng)力作用下的壓電效應(yīng)，稱全壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的類型

(a)縱向壓電效應(yīng)(b)橫向壓電效應(yīng)(c)面切壓電效應(yīng)(d)剪切壓電效應(yīng)(e)體積變形壓電效應(yīng)電荷面有三個(gè)面，應(yīng)力方向有6種，壓電常數(shù)理論上有18種可能值。

石英晶體的壓電效應(yīng)

在x方向，有縱向、橫向、面切壓電效應(yīng)，在y方向，有面切、剪切壓電效應(yīng)，在z方向，無壓電效應(yīng)。三、力—電荷轉(zhuǎn)換關(guān)系

即壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷與所受外力的關(guān)系。電荷密度：對(duì)于縱向壓電效應(yīng)i=j,Si=Sj,所以

Qx=d11Fx石英晶片上電荷極性與受力方向關(guān)系圖中，橫向壓電效應(yīng)與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷極性相反，所以d12=－d11,Qx=-d11FyL/h

3壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結(jié)構(gòu)的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中無規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具有壓電效應(yīng)。當(dāng)在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，見圖

所示。對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閆軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于Z軸的表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷。壓電陶瓷的壓電常數(shù)。比石英晶體高幾百倍。

a)極化前b)極化

c)極化后

壓電陶瓷的極化過程

極化，加電場(chǎng)再高溫處理。

A圖、b圖厚度剪切壓電效應(yīng)C圖縱向壓電效應(yīng)D圖、E圖橫向壓電效應(yīng)F圖為三向壓力相等時(shí)（如在液體中）壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)的基本變形方式及壓電常數(shù)

壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu)1壓電材料選取合適的壓電材料要求：1)具有較大的壓電常數(shù)。2)壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動(dòng)頻率。3)具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響，4)具有較高的居里點(diǎn)。所謂居里點(diǎn)是指壓電性能破壞時(shí)的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。居里點(diǎn)高可以得到較寬的工作溫度范圍。5)壓電材料的壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。

壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu)

石英晶體

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+化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體無多大區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點(diǎn)為573℃，即到573℃時(shí)，它將完全喪失壓電性質(zhì)。它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。

但靈敏度很低，介電常數(shù)小。雙片懸梁式壓電傳感器

受力F作用，上面被拉長(zhǎng)，下面被縮短，從而產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)。每片壓電片產(chǎn)生電荷

壓電元件的常用結(jié)構(gòu)型式

在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種。圖a為并聯(lián)接法，其輸出電容C‘為單片的n倍，即C’=nC，輸出電壓U’=U，極板上的電荷量Q’為單片電荷量的n倍，即Q’

=nQ。圖b為串聯(lián)接法，這時(shí)有Q＇＝Q，U＇=nU，C＇=C/n。壓電元件的串聯(lián)、并聯(lián)

在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合，適用于測(cè)量瞬變信號(hào)。

測(cè)量電路1等效電路

壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面會(huì)聚集電荷，且電荷量相等，極性相