第5章 压电传感器

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1、第5章 压电传感器 第5章 压电传感器5.1 压电效应5.2 压电材料5.3 等效电路与测量电路5.4 压电传感器及其应用思考题与习题 第5章 压电传感器 5.1 压电效应5.1.1 石英晶体的压电效应石英晶体具有如图5.1所示的规则的几何形状,它是一个六棱柱,两端是六棱锥。石英晶体是各向异性体,即在各个方向晶体性质是不同的。 第5章 压电传感器 图5.1 石英晶体第5章 压电传感器 在结晶学中,将石英晶体的结构用三根互相垂直的轴来表示,其中纵向轴Z称为光轴,经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴,与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）称为机械轴。石英晶体的压电效应与其内部结构有关。石英晶

2、体即二氧化硅,它的化学式为SiO2。为了直观地了解其压电效应,将一个单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于Z轴的XY平面上的投影,等效为图5.2中的正六边形排列。图中代表Si 4+, 代表2O2。第5章 压电传感器 当石英晶体未受外力作用时,正、负离子（即Si4+和2O2）正好分布在正六边形的顶角上,形成三个大小相等、互成120夹角的电偶极矩P1、P2和P3,如图5.2(a)所示。P=ql，q为电荷量,l为正、负电荷之间的距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时,正、负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1 + P2 + P3 =0。这时晶体表面不产生电荷,从整体上说它呈电中性。

3、第5章 压电传感器 图5.2 石英晶体压电效应机理示意图第5章 压电传感器 当石英晶体受到沿X轴方向的压力作用时,将产生压缩变形,正、负离子的相对位置随之变动,正、负电荷中心不再重合,如图5.2(b)所示。电偶极矩在X轴方向的分量为（P1+P2+P3）X0,在X轴的正方向的晶体表面上出现正电荷；而在Y轴和Z轴方向的分量均为零,即（P1+P2+P3）Y=0,（P1+P2+P3）Z=0；在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿X轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“纵向压电效应”。第5章 压电传感器 当石英晶体受到沿Y轴方向的压力作用时,晶体如图5.2(c) 所示变形。

4、电偶极矩在X轴方向的分量（P1+P2+P3）X0,在 X轴的正方向的晶体表面上出现负电荷。同样,在垂直于Y轴 和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿Y轴施加力,而在垂 直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“横向压电效应”。当晶体受到沿Z轴方向的力（无论是压力或拉力）作用 时,因为晶体在X方向和Y方向的变形相同,正、负电荷中心始 终保持重合,电偶极矩在X、Y方向的分量等于零。所以,沿光 轴方向施加力,石英晶体不会产生压电效应。需要指出的是,上述讨论均假设晶体沿X轴和Y轴方向受 到了压力。当晶体沿X轴和Y轴方向受到拉力作用时,同样有 压电效应,只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力

5、方向的关系如图5.3所示。 第5章 压电传感器 图5.3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系 (a) X轴方向受压力；（b） X轴方向受拉力； （c） Y轴方向受压力；（d） Y轴方向受拉力 第5章 压电传感器 5.1.2 压电常数压电材料的压电常数和表面电荷,是衡量压电材料性能的 重要参数。如果从石英晶体上切下一片平行六面体晶体 切片（如图5.4所示）,当晶片受到X方向的作用力q11时,则在 与电轴垂直的平面上产生电荷q11,它的大小为 q11 =d11F1 (5.1)式中d11为压电常数（单位为库仑牛顿,即CN）。 q11 、d11脚标中的第一个1表示在垂直于X轴表面产生电荷,第二 个1表

6、示在X轴方向施加力。q11的单位为库仑（C）, F1的单位为牛顿（N）。电荷q11 的正、负符号由F1是压力还是拉力而定。从式（5.1）可以看 出,沿电轴方向对晶片施加作用力时,切片上产生的电荷大小与切片的几何尺寸无关。 第5章 压电传感器 图5.4 平行六面体晶体切片第5章 压电传感器 如果在同一切片上作用的力是沿着机械轴的方向,其电荷 仍在与X轴垂直的平面上出现,而极性方向相反。此时电荷的大小为 (5.2)式中：F2沿Y轴方向对晶体施加的作用力（N）； q12在F2作用下,在垂直于X轴的晶片表面上出现的电 荷量（C）；l、t、w 分别为石英晶体的长度、厚度和宽度,l、t、 w的单位均为米（

7、m）。从式（5.2）可知,沿机械轴方向对晶片施加作用力时,切片上产生的电荷大小与切片的几何尺寸有关。适当选择切片 的相对尺寸（长度和厚度）,可以使电荷量增加。第5章 压电传感器 图5.5 石英晶体的剪切应力示意图第5章 压电传感器 顺便指出,当石英晶体分别受到剪切应力T4、T5、T6作用时,压电常数的脚标中就会出现4、5或6。T4 、 T5 、 T6分别为晶片X面（即YZ面）、Y面（即ZX面）和Z面（即XY面）上作用的如图5.5所示的剪切应力。总之,压电常数dij有两个脚标,即i和j。其中i(i=1,2,3)表示在i面上产生电荷,例如i=1, 2, 3分别表示在垂直于X、Y、Z轴的晶片表面即X

8、、Y、Z面上产生的电荷；脚标j=1, 2, 3, 4, 5, 6, j=1, 2, 3分别表示晶体沿X、Y、Z轴方向承受单向应力,j=4, 5, 6则分别表示晶体在YZ平面、ZX平面和XY平面上承受剪切应力。第5章 压电传感器 5.1.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是自发极化的小区域 。自发极化的方向完全是任意排列的,如图5.6（a）所 示。未极化处理前,从整体来看,这些电畴无极化效应,呈 电中性,不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应,必须进行极化处理 。所谓极化处理,就是在一定温度下对压电陶瓷施加强 电场（如2030kVc

9、m直流电场）,经过23h以后,压电陶瓷就具备压电性能了。这是因为陶瓷内部的电畴 的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向（如 图5.6(b)所示）,这个方向就是压电陶瓷的极化方向。 第5章 压电传感器 图5.6 钛酸钡压电陶瓷的电畴结构示意图第5章 压电传感器 压电陶瓷的极化过程与铁磁材料的磁化过程极其相似。经 过极化处理的压电陶瓷,在外电场去掉后,其内部仍存在着很强 的剩余极化强度。当压电陶瓷受外力作用时,电畴的界限发生移 动,因此剩余极化强度将发生变化,压电陶瓷就呈现出压电效应 。 压电陶瓷的极化方向通常取Z轴方向,在垂直于Z轴平面上 的任何直线都可取作为X轴或Y轴。对X轴和Y轴,其压电

10、特性是 等效的。压电常数dij的两个脚标中的1和2可以互换。例如,钛酸 钡压电陶瓷的压电常数d33=19010-12CN,d31=d32=-0.41d33=- 7810-12CN ,d15=d24=25010-12CN 。钛酸钡压电陶瓷除 可以利用厚度变形、长度变形获得压电效应外,还可以利用体积 变形获得压电效应。在测量流体静压力时,常采用体积变形方式 。图5.7示出了这种BaTiO3压电陶瓷受力时的压电效应情况。 第5章 压电传感器 （1） 在X和Y方向上分别有d15和d24的厚度剪切压电效应,如图5.7（c）所示。（2） 在Z方向存在有d33的纵向压电效应,如图5.7（a）所示。(3) 在

11、Z方向存在有d31或d32的横向压电效应,如图5.7(b)所示。（4） 在Z方向还可得到由三向应力F1、F2、F3同时作用下产生的体积变形压电效应,如图5.7(d)所示。 第5章 压电传感器 图5.7 Z向极化BaTiO3的压电效应 （a） 纵向压电效应；（b）横向压电效应； （c） 剪切压电效应；（d）体积压电效应 第5章 压电传感器 5.2 压电材料5.2.1 压电晶体压电晶体的种类很多,如石英、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵（ADP）、硫酸锂等。其中,石英晶体是压电传感器中常用的一种性能优良的压电材料。第5章 压电传感器 石英晶体在XYZ直角坐标中,沿不同方位进行切割,可得到不同的几何切型,

12、而不同切型的晶片其压电常数、弹性常数、介电常数、温度特性等参数都不一样。 石英晶体的切型很多,如xy（即X0）切型,表示晶体的厚度方向平行于X轴,晶片面与X轴垂直,不绕任何坐标轴旋转,简称X切,如图5.8(a)所示。又如yx（即Y0）切型,表示晶片的厚度方向与Y轴平行,晶片面与Y轴垂直,不绕任何坐标轴旋转,简称Y切,如图5.8（b）所示,等等。设计传感器时可根据需要,适当选择切型。第5章 压电传感器 图5.8 石英晶体的切族 第5章 压电传感器 石英晶体的突出优点是性能非常稳定。它不需要人工极 化处理,没有热释电效应,介电常数和压电常数的温度稳定性 好,在常温范围内,这两个参数几乎不随温度变化

13、。在20200 温度范围内,温度每升高1 ,压电常数仅减小0.061%,温 度上升到400 , 压电常数d11也只减小5%。但当温度超过500 时,d11值急剧下降,当温度达到573 (居里点温度)时,石英 晶体就完全失去压电特性。此外,它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线 性范围宽等优点。石英晶体的缺点是压电常数较小,因此,它大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中用作压电 元件。 而在一般要求测量用的压电式传感器中,则基本上采 用压电陶瓷。第5章 压电传感器 5.2.2 压电陶瓷压电陶瓷的特点是： 压电常数大,灵敏度高；制造 工艺成熟

14、,可通过合理配方和掺杂等人工控制方法来达 到所要求的性能；成形工艺性好,成本低廉,利于广泛应 用。 压电陶瓷除具有压电性外,还具有热释电性（这一 特性在第2章2.5节中已进行了讨论）。常用的一种压电陶瓷是钛酸钡,它的压电常数d33要 比石英晶体的压电常数d11大几十倍,且介电常数和体电阻率也都比较高。但其温度稳定性、长时期稳定性以 及机械强度都不如石英,而且工作温度最高只有80 左 右。第5章 压电传感器 另一种著名的压电陶瓷是锆钛酸铅（ PZT ）压电陶瓷,它是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。它具有很高的介电常数,工作温度可达250 ,各项机电参数随温度和时间等外界因素的变化较小。由于锆钛酸铅

15、压电陶瓷在压电性能和温度稳定性等方面都远远优 于钛酸钡压电陶瓷,因此, 它是目前最普遍使用的一种压电材料。第5章 压电传感器 若按不同的用途对压电性能提出的不同要求,在锆钛酸 铅材料中再添加一种或两种如铌（Nb）、锑（Sb）、锡（ Sn）、锰（Mn）等微量元素,就可获得不同性能的 PZT压电陶瓷。在压电材料中,除常用的石英晶体和 PZT 压电陶瓷外 ,人工制造的铌酸锂（LiNbO3）单晶可称得上是一种性能良 好的压电材料。其压电常数达8010 -12CN ,相对介电常 数r=85。它是单晶但不是单畴结构。为得到单畴结构,需作 单畴化（即极化）处理,使其具有压电效应。由于它是单晶 体,所以时间稳定性比压电陶瓷的好得多。更为突出的是,它 的居里点温度高达1200,最高工作温度达760,因此,用它可制成非冷却型高温压电式传感器。 第5章 压电传感器 5.2.3 新型压电材料1. 压电半导体压电半导体材料有硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉