压电式传感器及应用

1、压电式传感器及应用压电式传感器及应用 冯超 引导语 传感器按信号变换特征可分为结构型和物 性型两大类。而物性型传感器是依靠传感 元件材料本身物理性质的变化来实现信号 变换的。例如，热电偶测温是利用某些材 料的热电效应；压电式测力传感器是利用 石英等材料的压电效应等，物性型又常被 称作发电型。 压电式传感器 压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工 作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有 源传感器。石英晶体的压电效应早在1680年就已被发 现，1948年制作出第一个石英传感器。在石英晶体的 压电效应被发现后，一系列的单晶多晶陶瓷材料和近 些年来发展起来的有机高分子聚合材料，都具有相

2、当 强的压电效应。压电式传感器具有使用频带宽、灵敏 度高、信噪比高、结构简单、体积小、重量轻、工作 可靠、测量范围广等特点。它可以把加速度、压力、 位移、温度、湿度等许多非电量信号转换为电信号。 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。 工作原理压电效应 压电效应 某些电介质物质，在沿着一定方向上受到外力的作 用而变形时，内部产生极化现象，同时在它的相应 表面上会产生极性相反的电荷； 当外力撤消后，又重新回到不带电的状态；当作用 力改变方向时，电荷的极性也随之改变，这种将机 械能转化为电能的现象称为正压电效应，又称为顺 压电效应。 相

3、反地，在电介质物质的极化方向上施加电场，它 会产生机械变形，当外加电场撤消时，电介质的变 形也随之消失，这种将电能转化为机械能的现象称 为逆压电效应，又称为电致伸缩效应。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应，即压电 效应是可逆的。 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。压电材 料有很多种，如石英（二氧化硅）是性能良好的天 然压电晶体，钛酸钡、锆钛酸铅等系列压电陶瓷也 具有很好的压电功能。 工作原理压电效应 压电效应可逆性 压电效应所带来的 常见的应用 1.1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶体，天然的结构具有规 则的几何形状，其理想外形是一个正六面体，如图 6-16-1（a a）

4、所示。 石英晶体的结构可用三条相互垂直的晶轴来表示， 如图6-16-1（b b）所示，纵向的Z Z轴是过锥形顶端的轴线 ，称为光轴；经过六面体的棱线且垂直于Z Z轴的为X X 轴，称为电轴；垂直于六面体的棱面且与X X轴和Z Z轴 同时垂直的Y Y轴称为机械轴。 图图6-1 石英晶体结构图石英晶体结构图 1.1.石英晶体的压电效应 在晶体上沿Y Y轴线切下一块平行六面体晶块，如图6-6- 1 1（c c）所示。 石英晶体的化学分子式为SiO2SiO2，每一个晶格单元中 有三个硅离子和六个氧离子，硅离子和氧离子交替 排列，它们在XYXY平面上的投影为正六边形，如图6-26-2 （a a）所示。

5、（a）不受力时）不受力时 （b）X轴向受力时轴向受力时 （c）Y轴向受力时轴向受力时 图图6-2 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 1.1.石英晶体的压电效应 u当同一晶片受到沿y y轴方向上的力作用时，同样会产 生极化现象，电荷仍然产生在垂直于x x轴的表面上， 如图6-26-2（c c）所示。 u综上所述，无论沿X X轴方向，还是沿Y Y轴方向对石英 晶体施加作用力时，都会产生压电效应。沿电轴X X方 向施加力而产生电荷的压电效应称为纵向压电效应 ，沿机械轴Y Y方向施加力而产生电荷的压电效应称为 横向压电效应。 u 石英晶体上电荷极性与受力方向的关系 压电效应作用力的方向不同时，其电

6、荷的极性也不 一样，如图6-36-3所示。 （a）X轴向受压力轴向受压力 （b）X轴向受拉力轴向受拉力 （c）Y轴向受压力轴向受压力 （d）Y轴向受拉力轴向受拉力 图图6-3 石英晶体上电荷极性与受力方向的关系石英晶体上电荷极性与受力方向的关系 当石英晶体受到沿Z Z轴方向的力作用时，无论是压缩 应力，还是拉伸应力，都不会产生压电效应. . 因此不会有电荷产生。但压电晶体除了有纵向和横 向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。 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 天然形成的石英晶体外形（续） 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装双面镀银并封装 石英晶体振荡器

7、（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。 晶振晶振 结论 沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几 何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷极性与 沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。 压电材料 压电材料的种类很多，从取材方面可分为天然的和 人工合成的，有无机的和有机的。 目前应用于压电式传感器中的压电材料大致可分为 三类：一类是压电晶体（属单晶体），它包括石英 晶体和其它压电单晶；另一类是压电陶瓷（属多晶 半导瓷），如钛酸钡（BaTiO3BaTiO3）、锆钛酸铅（PZTPZT ）等； 第三类是新型压电材料

8、，主要有压电半导体和高分 子压电材料两种，已经有良好的应用前景。 1. 1. 压电晶体 u压电晶体的种类很多，除了天然和人工石英晶体外 ，钾盐类压电和铁电单晶如铌酸锂（LiNbO3LiNbO3）、钽 酸锂（LiTaO3LiTaO3）、锗酸锂（LiGeO3LiGeO3）、镓酸锂（ LiGaO3LiGaO3）和锗酸秘（Bi12GeO20Bi12GeO20）等都是较好的 压电材料，近年来已在传感器技术中日益得到广泛 应用。 （1 1）石英晶体 石英晶体是一种性能优良的压电材料，有天然和人 工培养两种类型。 压电效应最早就是在天然石英晶体中发现的，人工 培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英 晶

9、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。 2 2高分子压电材料 n 高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其 压电效应较复杂。高分子压电材料在压电式传感器 中的应用主要有以下两个方面： 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氟乙烯（PVFPVF）、聚偏二 氟乙烯（PVF2PVF2）、聚氯乙烯（PVCPVC）等。 这些材料的优点是质轻柔软，抗拉强度较高、蠕变 小、热稳定性好、耐冲击、不易破碎，可以大量生 产和制成较大的面积。 u压电材料的选取一般应从以下几个方面进行考虑。 （1 1）具有较

10、大的压电系数和较高的耦合系数。 （2 2）压电元件的机械强度高、刚度大，有较高的固 有振动频率和较宽的线性范围。 （3 3）具有高的电阻率和较大的介电常数，以减少电 荷的泄漏和外部分布电容的影响，获得良好的低频 特性。 （4 4）温度、湿度稳定性好，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 5）压电材料的压电特性不随时间蜕变，具有较好 的时间稳定性。 高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电材料的应用 3. 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测 振薄膜粘贴在玻璃上振薄膜粘贴在玻璃上 ，可以感受到玻璃破，可以感受到玻璃破 碎时会发出的振动，碎时会发出的振动， 并将电压信号传送给并将电压信号传送给 集中报警系统。集中报警系统。 粘贴粘贴 位置位置 4压电式周界报警系统 （用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层 ，可起分布式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内探测人的步 行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信 号处理系统分辨出来。右图为测量系 统的输出波形。 5.交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取