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1、 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能 变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比 大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由 于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及 低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感 器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石 油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广 泛的应用。 第四节 压电式传感器 一、压电效应正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着 一定方向对其施力而使它变
2、形时，内部就产生极化现象 ，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又 重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电 荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化 方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应（一）石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体 学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ 称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴 称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂 直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(
3、a)(b)石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴XX方向 的力作用下产生电荷的 压电效应称为“纵向压 电效应”，而把沿机械 轴YY方向的力作用下 产生电荷的压电效应称 为“横向压电效应”， 沿光轴ZZ方向受力则 不产生压电效应。石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。 组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影， 如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中 正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。 (b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影+当作用力FX=
4、0时，正、负离子（ 即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶 角上，形成三个互成120夹角的偶极 矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时 正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量 和等于零，即P1P2P30 当晶体受到沿X方向的压力（FX0 在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电 荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。Y +-X(a) FX=0P1P2P3FXXY + +FX(b) FX0Y+-X-+ + FXFXP2P3P1 +当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化 情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为在X轴的正向出
5、现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和 沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷 中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿 Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切 片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂 直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到沿X轴方向 的压缩应力XX作用时，晶 片将产生厚度变形，并发生 极化现象。在晶体线性弹性 范围内，极化强度PXX与应 力XX成正比，即ZYXbl石英晶体切片t式中 FXX轴方向的电场强度；d11压电系数，当受力方向
6、和变形不同时，压电系数也 不同，石英晶体d11=2.310-12CN-1；l、b石英晶片的长度和宽度。极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即 式中 qX垂直于X轴平面上的电荷。将上两式整理，得 式中 电极面间电容。 其极间电压为根据逆压电效应，晶体在X轴方向将产生伸缩，即或用应变表示，则式中 EXX轴方向上的电场强度。在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带 正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面 上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。 FXFX+ + + + + +(a)(b)XXt=d11UX如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其 电荷仍在与X轴
7、垂直平面上出现，其极性见图（c）、（ d），此时电荷的大小为 + + + + + + + (c)(d)FYFYXX式中 d12石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。 根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为式中 t晶片厚度。 则其极间电压为 根据逆压电效应，晶片在Y轴方向将产生伸缩变形，即或用应变表示由上述可知：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与 电荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 （二） 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多 晶压电材料，它具有类似铁
8、磁材料磁畴结构的电畴结构 。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向， 从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在 晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原 始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 ，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶 瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即 在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷 。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一 层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与
9、陶瓷片内的束 缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片 内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片 内的极化程度，如图。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正 、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此 ，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而 出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这 是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大 ，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷 而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效
10、应，或者 由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。 极化方向正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线 代表形变后的情况）F 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 ，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以 电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束 缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产 生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向 与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。 这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机 械能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况） 极化 方向电场方向由此可见
11、，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶 瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理 而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果 外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发 生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶 瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束 缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电 现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上 自由电荷的释放或补充的结果。二、压电材料 种类： n压电晶体，如石英等； n压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； n压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。机械性能。压电元
12、件作为受力元件，希望它的机 械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有 振动频率。电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减 弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具 有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 （一） 石英晶体石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。由图可见，在20200范围内，温度每升高1， 压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它完全失 去了压电特性，这就是它的居里点。 1.00
13、0.990.980.970.960.95 20406080 100 120 140 160 180 200dt / d20斜率： 0.016/t石英的d11系数相对于20的d11温度变化 特性6 5 43 2 1 0100 200 300400 500 600t/相 对 介 电 常 数 居里点石英在高温下相对介电常数 的温度特性石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高， 绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数 比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较 高的传感器中。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向 切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特 性等）相差很
14、大。为了在设计石英传感器时，根据不同 使用要求正确地选择石英片的切型。 石英晶片的切型符号表示方法：uIRE标准规定的切型符号表示法；u习惯符号表示法。 IRE标准规定的切型符号包括一组字母（X、Y、Z 、t、l、b）和角度。用X、Y、Z中任意两个字母的先后 排列顺序，表示石英晶片厚度和长度的原始方向；用字 母t（厚度）、l（长度）、b（宽度）表示旋转轴的位置 。当角度为正时,表示逆时针旋转；当角度为负时,表示 顺时针旋转。例如：(YXl)35切型，其中第一个字母Y 表示石英晶片在原始位置(即旋转前的位置)时的厚度ZZOOYYZXX35(a)(b)（YXl）35切型 （a）石英晶片原始位置 （
15、b）石英晶片的切割方位沿Y轴方向，第二个字母 X表示石英晶片在原始位 置时的长度沿X轴方向， 第三个字母l和角度35表 示石英晶片绕长度逆时 针旋转35，如图。Y又如（XYtl）5/-50切型，它表示石英晶片原始位置的 厚度沿X轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度t逆时针旋 转5，再绕长度l顺时针旋转50，如图。习惯符号表示法是石英晶体特有的表示法，它由两 个大写的英文字母组成。例如，AT、BT、CT、DT、 NT、MT和FC等。OO50ZZZYY5ZXY(a)石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位（二） 压电陶瓷 1、 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化 钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石 英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120）， 温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（ Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温 度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳 定性好。此外，在锆钛酸中添
