传感器课件6章压电式传感器

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1、第六章压电式传感器6.1压电效应及材料6.1.1压电效应在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力而产生形变时，就会引起它内部的正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q且其电荷密度σ与外应力张量T成正比：当外力消失，又恢复不带电状态；当外力方向改变，电荷极性随之改变。这种现象称为正压电效应，简称压电效应。逆压电效应若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起它内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质产生形变，且其应变S与外电场强度E成正比：这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。可见，具有压电特性的电介质(压电材料)能实现机

2、－电能量的相互转换压电效应压电晶体石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。6.1.2压电材料主要特性参数：压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电输出的灵敏度；弹性常数：刚度决定压电器件的固有频率和动态特性介电常数：决定压电器件的固有电容，固有电容影响压电传感器的频率下限（C越大，频率下限就越低）。机械耦合系数：衡量压电材料机－电能量转换效率。是转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根。电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的

3、低频特性。居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度。即工作温度上限。6.1.2.1压电晶体单晶体结构：SiO2。正六面体。各向异性：1石英晶体由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电效应。纵轴z：光轴，沿z轴方向的作用力不产生压电效应。电轴：x轴，电轴，垂直于此轴的面上压电效应明显。纵向压电效应。机械轴：y轴，切割方向，电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显。横向压电效应。石英晶体压电模型外力＝0：正负离子分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极距P1，P2，P3。P=ql，l是正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心重合，矢量和P1+P2+P3=0。晶体

4、表面不产生电荷，呈中性。Fx拉力（Fy压力）：晶体沿x方向压缩变形，正负离子相对位置变动。正负电荷重心不再重合，P1减小，P2，P3增加，使电偶极距在x方向上的分量不等于零，在x轴正方向出现负电荷；电偶极距在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。Fx压力（Fy拉力）：晶体沿y方向压缩变形，P1增大，P2，P3减小。电偶极距x方向上的分量不等于零，x轴正方向出现正电荷；电偶极距在y方向上分量仍为零，不出现电荷。Fz0：晶体在x,y方向产生的形变完全相同，正负电荷重心重合，电偶极距矢量和等于零，晶体不会产生压电效应。石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）石

5、英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振2.其它压电单晶锂盐类压电和铁电单晶材料。时间稳定性好，居里点温度高达1200°C，在高温、强辐射条件下仍具有良好的压电效应，且机械性能好，同时具有光电、声光效应。不足之处是质地脆，抗机械和热冲击性差。6.1.2.2压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电

6、陶瓷（如BaTiO3等）。压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性(如图6.4所示)。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列〔如图6.4(中)〕；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性〔如图6.4(右)〕

7、。1.压电陶瓷的极化处理2.常用压电陶瓷(书P138表6－1)压电陶瓷外形无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）6.1.2.3新型压电材料1、压电半导体硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(Zno)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。显著特点：具有压电效应，又有半导体特性，可同时利用将两者结合，集元件与电路于一体，形成新型集成压电传感器系统。2.有机高分子压电材料聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管