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1、第6章 压电式传感器,,第6章 压电式传感器,有关晶体材料的补充知识,,第6章 压电式传感器,有关晶体材料的补充知识,,第6章 压电式传感器,有关晶体材料的补充知识,,第6章 压电式传感器,有关晶体材料的补充知识,,压电方程及压电常数矩阵,1.2,第6章 压电式传感器,等效电路及测量电路,6.3,压电式传感器及其影响因数,6.4,,第6章 压电式传感器,压电效应（Piezoelectric Effect） 一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比： D = dT (6-1) 式中 d压电常数矩
2、阵。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。,第一节 压电效应及材料,,第6章 压电式传感器,逆压电效应 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S=dtE （6-2） 式中 dt逆压电常数矩阵。 这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。,,第6章 压电式传感器,压电效应图,,第6章 压电式传感器,压电材料的主要特性参数: 压电常数 :衡量压电效应强弱的参数，直接关系到 压电输出灵敏度 弹性常数：决定了压电器件的固有频率和动态特性 介电常数：
3、 压电材料的固有电容与之有关 机电耦合系数：转换输出能与输入能的比值平方根 电阻：即压电材料的绝缘电阻 居里点：压电材料开始失去压电性的温度,,第6章 压电式传感器,压电材料 普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡和锆钛酸铅系列压电陶瓷。 石英晶体(SiO2) 石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573，晶体的结构为六角晶系的-石英。其外形如图所示，呈六角棱柱体。有m、R、r、s、x共5组30个晶面组成,,第6章 压电式传感器,,第6章 压电式传感器,,第6章 压电式传感器, 石英晶体(SiO2),石英晶体个方向的特性不同。为了便于研究，人们根据石
4、英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴。,,第6章 压电式传感器, 石英晶体(SiO2),连接两个锥顶点的一根轴叫光轴，它是晶体的对称轴，光线沿轴通过晶体时，不产生双折射现象，因而以它作为基准轴，也叫中性轴，沿Z轴方向上没有压电效应； 连接晶体横截面中对角线的三条轴（x轴）叫电轴（a,b,d)，在垂直于该轴的面上压电效应最为显著； 横截面中与电轴相互垂直的三条轴（y轴）叫机械轴，在此轴上加电场，产生机械形变最大，故也叫力轴。,,第6章 压电式传感器, 石英晶体(SiO2),其主要性能特点： 压电常数小，温度稳定性高； 机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8-9.8）107 Pa,
5、固有频率高，动态性能好； 居里点为573，绝缘性和重复性好。 常用于精度和稳定性要求高的场合，还经常用来制作标准传感器。,,第6章 压电式传感器,.其他压电单晶 压电单晶中除天然和人工石英晶体外，锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3)等材料， 也已在传感器技术中日益得到广泛应用。 铌酸锂为典型代表，它时间稳定性好，居里点高达1200，在高温、高辐射条件下仍具有良好的压电性。它在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。,,第6章 压电式传感器,（3）压电陶瓷 压电陶瓷是人工多晶铁电体。多晶是指它由无数细微的
6、单晶组成，所谓铁电体是指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，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零。所以， 原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性。 因此，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；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。,,压电陶瓷材料,第6章 压电式传感器,,第6章 压电式传感器,压电陶瓷极化,4BaTiO3压电陶瓷的极化,,第6章 压电式传感器,压电陶瓷的特点 压电常数大 灵敏度高 制造工艺成熟 成形工艺性
7、好 成本低廉，利于广泛应用,,第6章 压电式传感器,常用的压电陶瓷 (1)二元系压电陶瓷 (2)三元系压电陶瓷 (3)综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成,,第6章 压电式传感器,二元系压电陶瓷 主要包括钛酸钡BaTiO3，钛酸铅PbTiO3，锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和铌酸盐系列KNbO3-PbNb2O3。其中以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广，它有较高的压电系数和较高的工作温度 。,,第6章 压电式传感器,三元系压电陶瓷 目前应用的PMN，它由铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三成分配比而成。它具有较高的
8、压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。 另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。,,第6章 压电式传感器,（4）新型压电材料 压电半导体 既具有压电特性，又具有半导体特性，如硫化锌（ZnS)、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)等。 * 有机高分子压电材料 一 某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF)、聚氯乙烯（ PVC)等。这些材料质轻柔软、抗拉强度高、耐冲击、热释电性和热稳定性好。 二 高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。,,第6章 压电式传感器,一 石英晶片的切型及符号
9、 由压电材料取不同方向的切片（切型）做成的压电元件，其弹性、介电特性、压电性质和热电特性等也不同。,第二节 压电方程及压电常数矩阵,压电效应由压电方程描写； 材料的压电性由压电常数决定,压电常数与晶体的对称性密切相关; 从压电晶体上随意切下一块晶片，不一定能做压电传感元件，而是要根据该压电晶体的压电常数来设计晶片的切割.,,第6章 压电式传感器,一 石英晶片的切型及符号 切型-在晶体坐标中取某种方位的切割。 切型的表示：习惯符号法和IRE表示法 IRE表示法：以厚度取向为切型的表示法，由坐标x、y、z，切片尺寸t、l、w和旋转角度 如切型（xyltw)40/30/15,第二节 压电方程及压电常
10、数矩阵,,第6章 压电式传感器,一 石英晶片的切型及符号,第二节 压电方程及压电常数矩阵,,第6章 压电式传感器,X切族,Y切族,,第6章 压电式传感器,二 石英晶体的压电方程,第二节 压电方程及压电常数矩阵,若从晶体上沿方向切下一块如图所示的晶片，当在电轴X方向施加作用力Fx时，在与电轴X垂直的平面上将产生电荷，其大小为 其中d11为x轴方向受力时的压电系数，FX为作用力。,,第6章 压电式传感器,二 石英晶体的压电方程,第二节 压电方程及压电常数矩阵,若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力，则仍在与X轴垂直的平面上产生电荷，其大小为 d12为轴方向受力的压电系数，因为石英轴对称，故d12
11、=-d11；a,b为晶体切片长度的和厚度。 如果受到沿z轴方向的作用力,并无压电效应。,,第6章 压电式传感器,二 石英晶体的压电方程,第二节 压电方程及压电常数矩阵,电荷qx和qy的符号由所受力的性质（拉力/压力）决定。qx的大小与晶片几何尺寸无关，而qy与晶片几何尺寸有关。,,第6章 压电式传感器,二 石英晶体的压电方程的矢量矩阵形式 设有一个X0切型的正六面体左旋石英晶片，在三维直角坐标系内的力-电作用状况如图6.6所示。图中：T1、T2、T3分别为沿x、y、z向的正应力分量(压应力为负) T4、T5、T6分别为绕x、y、z轴的 切应力分量(顺时钟方向为负)； 1、2、3分别为在x、y、
12、z面上的电荷密度(或电位移D)。,第二节 压电方程及压电常数矩阵,,第6章 压电式传感器,图6.6 X00切型石英晶片的力电分布,,第6章 压电式传感器,各向异性的石英晶片，单一压电效应： ij= dijTj 式中 i 电效应(场强、极化)方向的下标， j 力效应(应力、应变)方向的下标， Tj j方向的外施应力分量(Pa)；ijj方向的应力在i方向的极化强度(或i面上的电荷密度)(C/m2)； dij j方向应力引起i面产生电荷时的压电常数(C/N)。当i=j时，为纵向压电效应；当ij时，为横向压电效应。,,第6章 压电式传感器,任意的多方向的力同时作用下的全压电效应,,第6章 压电式传感器
13、,完全各向异性压电晶体的压电特性用压电常数矩阵表示如下,对于不同的压电材料，由于各向异性的程度不同，上述压电矩阵的18个压电常数中，实际独立存在的个数也各不相同。,,第6章 压电式传感器,如X0切型石英晶体独立的压电常数只有两个：d11、d14，其压电常数矩阵表示如下,d11=2.3110-12（C/N）； d14 =0.7310-12（C/N） IRE标准： 左旋：受拉取“+”，受压取“-”； 右旋：受拉取“-”，受压取“+”,,第6章 压电式传感器,如果在片状压电晶体材料的两个电极面上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振动，即晶体片在电极方向有伸长和缩短现象，这种电致伸缩现象即为逆压电
14、效应。 逆压电方程的压电常数矩阵是正压电方程压电常数矩阵的转置矩阵， 以X0切型石英晶体为例,,结论： 压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存在的，哪个方向上有正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，而且力-电之间呈线性关系。 石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应,第6章 压电式传感器,,第6章 压电式传感器,三 压电陶瓷的矩阵形式压电方程 如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶 瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴 发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷 有一部分被释放而呈现放电现象。 当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因 此又吸附一部分
15、自由电荷而出现充电现象。这种因受力而 产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就 是压电陶瓷的正压电效应。 压电陶瓷在极化方向上的压电效应最明显。我们把极 化方向叫Z轴，垂直于轴平面上的任何直线都可作为x轴 （或y轴）。,,第6章 压电式传感器,三 压电陶瓷的矩阵形式压电方程 以BaTi03为例 ，其压电常数矩阵为： 其中:d33=19010-12 (C/N) d31=d32=0.41d33=-7810-12 (C/N) d15=d24=25010-12 (C/N),,第6章 压电式传感器,三 压电陶瓷的矩阵形式压电方程,以a图中受力情况为例: Q=d33T3,,第6章 压电式传感器,结论： BaTi03压电陶瓷不是在任何方向上都存在压电效应,x方向和y方向：只有d15和d24的厚度剪切压电效应 图(c)。 z方向：有d33的纵向压电效应图(a), d31和 d32的横向压电效应图 (b);还可得到体积变形压电效应图 (d) 。 体积压缩压电常数 d3= 2d31+ d32,