第6章压电式传感器 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原 理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量,例如力、压力、 加速度等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年 来压电测试技术发展迅速,特别是电子技术的迅速发展,使压电式传感器 的应用越来越广泛
第6章 压电式传感器 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原 理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、 加速度等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年 来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器 的应用越来越广泛
6.1基本原理分析 6.1.1压电效应 某些晶体,在一定方向受到外力作用时,内部将产生极化现象,相应地在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时,又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时 电荷的极性也随着改变,这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多,如石英晶体 压电陶瓷、压电半导体等。 6.1.2石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶,属于六角晶系。图61.1是 天然石英晶体的外形图,它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴:Z轴又称光轴, 它与晶体的纵轴线方向一致;X轴又称电轴,它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴 轴又称机械轴,它垂直于两个相对的晶柱棱面。 b) 图6.1.1石英晶体的外形、坐标轴及切片
6.1 基本原理分析 6.1.1 压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时， 电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、 压电陶瓷、压电半导体等。 6.1.2 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图6.1.1是 天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴， 它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 a) b) c) 图6.1.1 石英晶体的外形、坐标轴及切片
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加 力时,将在垂直于X轴的表面上产生电荷,这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作 用时,电荷仍出现在与X轴垂直的表面上,这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不 产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为 gr=d F (6-1-1) 式中,qx为垂直于轴平面上的电荷,d为压电系数,下标的意义为产生电荷的面的轴向及 施加作用力的轴向;F为沿晶轴方向施加的压力。 由上式看出,当晶片受到响的压力作用时,q与作用力F成正比,而与晶片的几何尺寸 无关。如果作用力F改为拉力时,则在垂直于轴的平面上仍出现等量电荷,但极性相反 横向压电效应产生的电荷为 qxr =d b (6-1-2) 式中,④为了轴向施加压力,在垂直于轴平面上的电荷dx为压电系数,轴向施加压力, 在垂直于轴平面上产生电荷时的压电系数;F为沿晶轴Y方向施加的压力。 根据石英晶体的对称条件dx=dx,所以 axr =-dxx Fr (6-1-3) 由上式可以看出,沿机械轴方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的 式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加 力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作 用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不 产生压电效应。 纵向压电效应产生的电荷为 qxx＝dxxF x (6-1-1) 式中，qxx为垂直于X轴平面上的电荷，dxx为压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及 施加作用力的轴向；F x为沿晶轴X方向施加的压力。 由上式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx 与作用力F x成正比，而与晶片的几何尺寸 无关。如果作用力F x改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。 横向压电效应产生的电荷为 (6-1-2) 式中，qXY为了轴向施加压力，在垂直于X轴平面上的电荷 dXY为压电系数，Y轴向施加压力， 在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数；FY为沿晶轴Y方向施加的压力。 根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以 (6-1-3) 由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的， 式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。 XY XY FY b a q = d XY XX FY b a q = −d
,,m,,一 石英晶片受压力或拉力时,电荷的极性如图61.2所示。 X X X C 图6.12晶片受力方向与电荷极性的关系 ⊙53 +++++ 图6.1.3石英晶体的压电效应 石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷可以解释如下 石英晶体的每一个晶体单元中,有三个硅离子和六个氧离子,正负离子分布在正六边 形的顶角上,如图6.1.3a所示。当作用力为零时,正负电荷相互平衡,所以外部没有带电现 象
石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图6.1.2所示。 a) b) c) d) 图6.1.2 晶片受力方向与电荷极性的关系 a) b) c) 图6.1.3 石英晶体的压电效应 石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷可以解释如下： 石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边 形的顶角上，如图6.1.3a所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现 象
如果在轴方向施加压力,如图6.1.3b所示,则氧离子挤入硅离子2和6间,而硅离子4挤入 氧离子3和5之间,结果在表面A上出现正电荷,而在月表面上出现负电荷。如果所受的力为 拉力时,在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。 如果沿y轴方向施加压力时,则在表面A和B上呈现的极性如图6.1.3c所示。施加拉力时,电 荷的极性与它相反。 若沿2轴方向施加力的作用时,由于硅离子和氧离子是对称的平移,故在表面没有电荷出现, 因而不产生压电效应。 6.1.3压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种多晶铁电体,它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域, 它有一定的极化方向。在无外电场作用时,各个电畴在晶体中无规则排列,它们的极化效 应互相抵消。因此,在原始状态压电陶瓷呈现中性,不具有压电效应。 当在一定的温度条件下,对压电陶瓷进行极化处理,即以强电场使电畴规则排列,这 时压电陶瓷就具有了压电性,在极化电场去除后,电畴基本上保持不变,留下了很强的剩 余极化,见图6.1.4所示 对于压电陶瓷,通常取它的极化方向为z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直 于2轴的表面上将会出现电荷,见图6.1.5a,其电荷量q与作用力成正比,即 g d,F 式中,dz为纵向压电系数
如果在X轴方向施加压力，如图6.1.3b所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入 氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在月表面上出现负电荷。如果所受的力为 拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。 如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性如图6.1.3c所示。施加拉力时，电 荷的极性与它相反。 若沿Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现， 因而不产生压电效应。 6.1.3 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域， 它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效 应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。 当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这 时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩 余极化，见图6.1.4所示。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直 于Z轴的表面上将会出现电荷，见图6.1.5a，其电荷量q与作用力F成正比，即 q= dzzF (6-1-4) 式中，dzz为纵向压电系数
直流电桥 剩余极 化 a)极化饷 b)极化 c)极化后 图6.14压电陶瓷的极化过程 a 图6.1.5压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷在受到如图6.1.5b所示的作用力附时,在垂直于Z轴的上下平面上分别出现正 负电荷,即 -dF Ax Ay Ay (6-1-5 式中,Ax为极化面面积;Ay为受力面面积
伸 长 直流电桥 剩 余 伸 长 剩 余 极 化 a)极化饷 b)极化 c)极化后 图6.1.4 压电陶瓷的极化过程 + + + - - - + + + - - - + + + - - - a) b) 图6.1.5 压电陶瓷的压电原理 压电陶瓷在受到如图6.1.5b所示的作用力F时，在垂直于Z轴的上下平面上分别出现正、 负电荷，即 (6-1-5) 式中，AX为极化面面积；AY为受力面面积。 Y X ZX Y X ZY A A d F A A q = −d F = −
6.2压电材料及压电元件的结构 6.2.1压电材料 选取合适的压电材料是压电式传感器的关键,一般应考虑以下主要特性进行选择 1)具有较大的压电常数 2)压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率 3)具有高的电阻率和较大的介电常数,以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响, 4)具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点。居里点高可以得到 较宽的工作温度范围。 5)压电材料的压电特性币随时间蜕变,有较好的时间稳定性。 6.2.1.1石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石 英晶体无多大区别,因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度 范围内,压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃,即到573℃时,它将完 全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能,没有热释电效应,但灵敏度很 低,介电常数小,因此逐渐被其他压电材料所代替
6.2 压电材料及压电元件的结构 6.2.1 压电材料 选取合适的压电材料是压电式传感器的关键，一般应考虑以下主要特性进行选择： 1) 具有较大的压电常数。 2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。 3) 具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响， 4) 具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点。居里点高可以得到 较宽的工作温度范围。 5) 压电材料的压电特性币随时间蜕变，有较好的时间稳定性。 6.2.1.1 石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石 英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度 范围内，压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完 全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很 低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替
6.2.1.2水溶性压电晶体 这类压电晶体有酒石酸钾钠( NaKC,h064H20)、硫酸锂(Li2S0H20)、磷酸二氢钾(KH2PO)等 水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数,但易于受潮,机械强度也较低,只适 用于室温和湿度低的环境下。 6.2.1.3铌酸锂晶体 铌酸锂是一种透明单晶,熔点为1250℃,居里点为1210℃。它具有良好的压电性能和时 间稳定性,在耐高温传感器上有广泛的前途。 6.2.1.4压电陶瓷 这是一种应用最普遍的压电材料,压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点 1)钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTi0)是由BaCO2和Ti02二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但 它的居里点较低,为120℃,此外机械强度不如石英。 2)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT 锆钛酸铅是 PbTio3和PbZr032组成的固溶体Pb(ZrTi)02。它具有较高的压电系数和居里点 (300℃以上)。 3)铌酸盐系压电陶瓷 姐铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435C,常用于水声传感器 中
6.2.1.2 水溶性压电晶体 这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H20)、硫酸锂(Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。 水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适 用于室温和湿度低的环境下。 6.2.1.3 铌酸锂晶体 铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250℃，居里点为1210℃。它具有良好的压电性能和时 间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。 6.2.1.4 压电陶瓷 这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。 1) 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但 它的居里点较低，为120℃，此外机械强度不如石英。 2) 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅是PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(Zr·Ti)O2。它具有较高的压电系数和居里点 (300℃以上)。 3) 铌酸盐系压电陶瓷 姐铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435C，常用于水声传感器 中
4)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN 这是一种由Pb(MgNb)03、 PbTio3、PbZr03组成的三元系陶瓷。它具有较高的压电系数 和居里点,能够在较高的压力下工作,适合作为高温下的力传感器。 6.2.1.5压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能,如ZnS、CaS、GaAs等。:因此既可利用 它的压电特性研制传感器,又可利用半导体特性以微屯子技术制成电子器件。两者结合起 来,就出现了集转换元件和电子线路为一体的新型传感器,它的前途是非常远大的。 6.2.1.6高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后,具有一定的压电性能,这类薄膜称 为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、 聚γ甲基工谷氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电材料,不易破碎,可以大量生产和制成较 大的面积。 如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中,可以制成高分子一压电陶瓷薄膜,它既保持了 高分子压电薄膜的柔软性,又具有较高的压电系数,是一种很有希望的压电材料。 6.2.2压电元件的常用结构型式 在压电式传感器中,常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的,因 此接法也有两种,如图62.1所示。图a为并联接法,其输出电容C′为单片的n倍,即C′ =nC,输出电压U=U,极板上的电荷量Q′为单片电荷量的n倍,即Q′=nQ。图中b为串联 接法,这时有Q′=Q,U′=nU,C′=Cmn
4) 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN) 这是一种由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3组成的三元系陶瓷。它具有较高的压 电系数 和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的力传感器。 6.2.1.5 压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、GaAs等。：因此既可利用 它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微屯子技术制成电子器件。两者结合起 来，就出现了集转换元件和电子线路为一体的新型传感器，它的前途是非常远大的。 6.2.1.6 高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称 为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、 聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较 大的面积。 如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子—压电陶瓷薄膜，它既保持了 高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数，是一种很有希望的压电材料。 6.2.2 压电元件的常用结构型式 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因 此接法也有两种，如图6.2.1所示。图a为并联接法，其输出电容C＇为单片的n倍，即C＇ =nC，输出电压U＇=U，极板上的电荷量Q＇为单片电荷量的n倍，即Q＇=nQ。图中b为串联 接法，这时有Q＇＝Q，U＇= nU，C＇=C/n
图62.1压电元件的串并联 在以上两种联接方式中,并联接法输出电荷大,本身电容大,因此时间常数也大,适用于 测量缓变信号,并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高,本身电容小,适用于 以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合 压电元件在压电式传感器中,必须有一定的预应力,这样可以保证在作用力变化时, 压电片始终受到压力,同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系
a) b) 图6.2.1 压电元件的串并联 在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于 测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于 以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。 压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时， 压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系