第六章 压电式传感器

第6章压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的双向有源传感器。压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。第6章压电式传感器6.1压电效应及压电材料6.2压电元件的常用结构形式6.3压电式传感器的等效电路和测量电路6.4压电式传感器的结构组成6.5压电式传感器的应用6.1压电效应及压电材料6.1.1压电效应6.1.2压电材料6.1.1压电效应①压电效应某些电介质，沿一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又会恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。②逆压电效应在这些电介质的极化方向上施加电场，它们也会产生变形，电场去掉后，变形随之消失，这种现象称逆压电效应，或电致伸缩效应。6.1.1压电效应1.石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一。其化学成分为SiO2，是单晶体结构。它理想的几何形状为正六面体晶柱，实际上两端为晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z轴称为光轴，在此方向不产生压电效应。6.1.1压电效应经过正六面体(两相对)棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。按照图示方向切割，得到的压电晶体切片三条棱边分别沿x、y、z方向。实际切割方向有多种。6.1.1压电效应通常把沿电轴(x轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，把沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。作用力为剪切力时称为切向压电效应。6.1.1压电效应从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体如图所示。若晶体切片受到x方向的压力Fx作用，在垂直于x轴的平面(称为x面)上所产生的电荷qx与作用力Fx成正比，即)1.6(11xxFdq式中，d11为压电系数。当受力方向和变形不同时，压电系数也不同。石英晶体d11＝2.31×10－12C/N。6.1.1压电效应从式(6.1)可以看出，此时切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。电荷qx的符号由晶体受压还是受拉决定。)1.6(11xxFdq6.1.1压电效应如果在同一切片上作用的压力是沿着机械轴y方向的，其电荷仍出现在与x轴垂直的平面上，但极性方向相反。此时电荷的多少与尺寸有关，大小为)2.6(12yxFhldq当在同一切片的各个面上作用着多个应力时，用d1、d2、d3分别表示垂直于x、y、z轴的x面、y面、z面上的电荷密度；用s1、s2、s3、s4、s5、s6表示各个面上的应力；用dij表示应力sj对di的贡献大小的系数，称为压电系数。则有6.1.1压电效应6.1.1压电效应此式称为压电晶体的压电方程。654321363534333231262524232221161514131211321ssssssddddddddddddddddddddd6.1.1压电效应压电方程是压电传感器原理、设计和应用技术的理论基础。它是对压电元件全压电效应的数学描述，反映了压电介质的力学行为与电学行为之间的相互作用(即机—电转换)的规律。为简明起见，所进行的分析基于如下的前提：在讨论正压电效应(即压电效应)时，暂不考虑外界附加电场的作用；在讨论逆压电效应时，暂不考虑外界附加力场的作用；忽略磁场和温度场的影响。6.1.1压电效应由于对称性，石英晶体的压电系数矩阵表示为00000020000000000000000000011141411112625141211363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddddddddddd石英晶体独立的压电系数只有两个d11＝±2.31×10－12C/Nd14＝±0.73×10－12C/N6.1.1压电效应结论(1)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。(2)石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应。6.1.1压电效应石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。一个单元组体中构成石英晶体的硅离子Si4＋和氧离子O2－在垂直于z轴的平面上的投影，等效为一个正六边形排列。6.1.1压电效应当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，每两个相对顶点上的电荷形成一个电偶极矩，共形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3，它们的矢量和为零。电偶极矩的大小为qlP式中，q为电荷量；l为正负电荷间的距离。6.1.1压电效应当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面上产生正电荷。然而，电偶极矩的矢量和在y轴和z轴的分量还是零，所以在垂直于y轴和z轴的晶体表面上不会出现电荷，d21＝d31＝0。6.1.1压电效应当石英晶体沿y方向被压缩时，x轴方向产生的电荷极性相反，所以有d12与d11符号相反。另由对称性可知d12与d11大小相等。即1112dd同样，电偶极矩的矢量和在y轴和z轴的分量还是零，所以，d22＝d32＝0。依此类推。6.1.1压电效应由压电方程可得，仅在y方向受力Fy的作用时，仅在x平面上产生电荷。即yxdsd110000000000000000000021121114141111321ssddddddddd亦即6.1.1压电效应yxdsd11所以，x平面上的电荷量为)3.6(1111yyxxFhldbhFlbdlbqd6.1.1压电效应2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。6.1.1压电效应压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。电畴实质上是自发形成的小区域，每个小区域有一定的极化方向，从而存在着一定的电场，BaTiO3压电陶瓷电畴结构如图所示。但由于电畴分布杂乱无章，未极化时不会产生压电效应。为了使压电陶瓷具有压电效应，就必须在一定温度下对其进行极化处理，即给压电陶瓷加外电场，使电畴规则排列，从而具备压电性能。6.1.1压电效应外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零，而是存在着很强的剩余极化强度。6.1.1压电效应此时，在与极化方向垂直的两端面将会出现束缚电荷，一面为正，一面为负。由于束缚电荷的作用，在束缚电荷附近很快吸附一层来自周围外界的自由电荷，且束缚电荷与自由电荷数目相等，极性相反，因此压电陶瓷对外不呈现极性。6.1.1压电效应当极化后的材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。6.1.1压电效应用矩阵表示的压电陶瓷的压电方程为)6.6(0000000000000000000000000065432133313115156543213332312415321ssssssssssssddddddddddddd对于BaTiO3压电陶瓷，有d33＝190×10－12C/Nd31＝－0.41d33＝－78×10－12C/Nd15＝260×10－12C/N6.1压电效应及压电材料6.1.1压电效应6.1.2压电材料√6.1.2压电材料压电材料的种类很多。从取材方面看，有天然的和人工合成的，有有机的和无机的。从晶体结构方面看，有单晶的和多晶的。压电式传感器中压电元件的材料选用，应考虑以下几方面的特性(1)转换性能这个特性表明了压电材料“压电”转换的效率。压电材料应具有较大的压电系数或机电耦合系数。6.1.2压电材料(2)机械性能压力元件作为受力元件，希望它的机械强度大，机械刚度大，以便获得较宽的线性范围和较高的固有频率。(3)电性能希望压电材料具有高的电阻率和大的介电常数，这样才能减弱分布电容的影响，使压电传感器的频率下限向下延伸。6.1.2压电材料(4)温度性能要求压电材料具有较高的居里点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居里点是压电材料开始失去压电性的温度。(5)长期稳定性要求压电材料的压电特性不随时间蜕变。6.1.2压电材料1.压电晶体由晶体学可知无对称中心的晶体，通常具有压电性，具有压电性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是(1)压电系数小，但其时间和温度稳定性极好。常温下几乎不变。在20～200℃范围内其温度变化率仅为－0.016%/℃6.1.2压电材料(2)机械强度和品质因数高，最大安全应力高达95～100MPa，且刚度大固有频率高，动态特性好。(3)居里点573℃。(4)无热释电性，且绝缘性、重复性均好。天然石英的上述性能尤佳。因此，石英材料常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。另一种常用的压电晶体是铌酸锂，其压电系数极高，但机械性能不如石英。6.1.2压电材料2.压电陶瓷压电陶瓷的特点是：压电系数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，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。因此它可制作热电传感器而用于红外探测中。但用作压电器件时，会造成热干扰，降低稳定性，所以不适用于高稳定性的压电传感器。6.1.2压电材料最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3)。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数比石英大得多，但使用温度较低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。6.1.2压电材料目前使用较多的是锆钛酸铅PZT系列，它是钛酸钡BaTiO3和锆酸铅PbZrO3组成的Pb(ZrTi)O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷材料。它是由铌镁酸铅Pb(Mg·Nb)O3、锆酸铅PbZrO3和钛酸铅PbTiO3按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，具有很高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。6.1.2压电材料3.压电半导体1968年以来出现了多种压电半导体，如硫化锌ZnS、碲化镉CdTe、氧化锌ZnO、硫化镉CdS、碲化锌ZnTe和砷化镓GaAs等，这些材料的显著特点是，既具有压电特性，又具有半导体特性。因此既可用其压电特性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件，也可以两者结合，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。6.1.2压电材料4.有机高分子压电材料其一是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后成为具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯PVF、聚偏氟乙烯PVF2、聚氯乙烯PVC、聚r甲基-L谷氨酸脂PMG和尼龙等。这些材料的特点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲击，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。6.1.2压电材料其二是高分子化合物中掺杂压电陶瓷锆钛酸铅或钛酸钡粉末制成的高分子压电薄膜。这种复合压电材料既保持了高分子压电薄膜的