压电式传感器

1、第5章 压电式传感器 压电式传感器 压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当 材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。 压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。 5.1 5.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 5.2 5.2 压电材料的主要特性压电材料的主要特性 5.3 5.3 压电元件常用的结构形式压电元件常用的结构形式 5.4 5.4 压电式传感器的信号调理电路压电式传感器的信号调理电路 5.5 5.5 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 第5章 压电式传感器 压电式传感器 5.1 压电式传感器的工作原理 一、压电效应一、

2、压电效应 二、压电材料二、压电材料 三、石英晶体的压电机理三、石英晶体的压电机理 四、压电陶瓷的压电机理四、压电陶瓷的压电机理 第5章 压电式传感器 压电式传感器 一、压电效应 当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这 种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回 到不带电状态，这种现象被称为压电效应。 把这种机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。 反之，在某些物质的极化方向上施加电场（加电压） ，它会产生机 械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变 为机械能的现象，称为“逆压电效应”。 逆压电效应 极化面 机械能 正压电效应 压

3、电介质 电能 第5章 压电式传感器 压电式传感器 压电材料的压电特性常用压电方程压电方程来描述： qi= dij j 或 Q = dij F dij 压电常数（CN），（i = 1，2，3，j = 1，2，3，4，5，6）； q 电荷的表面密度（Ccm2）， 单位面积上的作用力，即应力（Ncm2）； Q 总电荷量（C）， F 作用力 （N） 。 i 晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂于 x 轴（y 轴或z 轴）时，记为i = 1（2 或3）。 j = 1，2，3，4，5，6 分别表示沿 x 轴、y 轴、 z 轴方向的单向应力和在垂直于 x 轴、y 轴、z 轴 的平面 （即 yz 平面、zx 平

4、面、xy 平面）内作用的剪切力。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用 右螺旋定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还需要对因逆压电 效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定 dij 的符号。当电 场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。 压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示： 363534333231 262524232221 161514131211 dddddd dddddd dddddd dij 第5章 压电式传感器 压电式传感器 二、压电材料 具有压电效应的电介物质称为压电材料。 在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然

5、而大多 数晶体的压电效应都十分微弱。 石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能 优良的压电材料。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 l 压电晶体（单晶）：它包括压电石英晶体和其它压电单晶； l 压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体； l 新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。 目前普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电陶瓷中的钛酸 钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。 压电晶体 压电陶瓷 新型压电材料 压电材料可以分为三大类 第5章 压电式传感器 压电式传感器 压电晶体 石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。 目前传感器中使用的均是以居里

6、点为573、晶体结构为六角晶系的 石英。 石英晶体的外形 （a） 天然石英晶体；（b） 人工石英晶体；（c） 右旋石英晶体的理想外形 m柱面 R大棱面 r小棱面 s棱界面 x棱角面 第5章 压电式传感器 压电式传感器 第5章 压电式传感器 压电式传感器 . 压电常数小（压电系数d112.3110-12CN），其时间和温度稳定性极 好，常温下几乎不变，在20200内其温度变化率约为2.15106 / ； . 机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.89.8）107Pa。且刚度大， 能承受7001000kgcm2的压力。固有频率高且十分稳定，动态特性好； . 居里点573，无热释电性，且绝缘性、重

7、复性均好。 所以石英是理想的压电传感器的压电材料。 天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合 和制作标准传感器。 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。 例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等， 还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等。 石英晶体的主要性能特点：石英晶体的主要性能特点： 第5章 压电式传感器 压电式传感器 压电陶瓷 压电陶瓷是人造多晶系压电材料。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PbTiO3PbZrO3） （PZT）、铌酸盐系压

8、电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡压 电系数 d3319010-12 CN，但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们 品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器。 压电陶瓷元件 第5章 压电式传感器 压电式传感器 压电陶瓷具有明显的热释电效应。 热释电效应热释电效应：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电 极化（压电效应）之外，还可由于温度变化而产生电极化。 用热释电系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1 时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为C/ （m2g）。 如果把BaTiO3作为单元系压电陶瓷的代表，则锆钛酸铅 （Pb（Ti,Zr）O3 ，

9、PZT）就是二元系的代表，它是1955年以来 压电陶瓷之王。在压电陶瓷的研究中，研究者在二元系的锆钛酸 铅中进一步添加另一种成分组成三元系压电陶瓷，其中镁铌酸铅 Pb（Mg1/3Nb2/3）O3 与 PbTiO3 和 PbZrO3 所组成的三元系获得了 更好的压电性能，d33 =（800900）10-12 C/N和较高的居里点， 前景非常诱人。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 新型压电材料 压电半导体压电半导体 1963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。 v 这些材料的显著特

10、点是即有压电特性，又具有半导体特性。 因此，即可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制 作电子器件；也可以二者结合，集元件与线路于一体，研制成 新型压电集成传感器测试系统。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 有机高分子压电材料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）、聚甲基L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。 这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达162m，击穿强度为150200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳

11、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。 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。 这种复合压电材料同样保持了高分子压电薄膜的柔软性，而且 还具有较高的压电性和机电耦合系数。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 三、石英晶体的压电机理 石英晶体是单晶体结构，属六角晶系，其形状为六角形 晶柱，两端呈六棱锥形状。共有30个晶面，其中六个m 面 （或称柱面），六个R 面（或称大棱面），六个 r 面（或称小 棱面），还有六个 s 面（棱界面）和六个 x 面（棱角面）。 天然和人造石英的外形虽有不同，但是两个晶面之间的 夹角是相

12、同的。 石英晶体各个方向的特性是不同的。在三维直角坐标系中 v 光轴： z 轴是晶体的对称轴，此轴可用光学方法确定，光线沿 z 轴通过 晶体，不产生双折射现象，因而以它作为基准轴，故称为光轴（中性轴）； v 电轴： 经过六棱柱棱线垂直于光轴 z 的 x 轴，此轴上的压电效应最强， 故称为电轴，共有三个； v 机械轴： 垂直于光轴 z 和电轴 x 的 y 轴，在电场作用下沿该轴方向的机 械变形最明显，故称为机械轴（力轴），共有三个。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 v 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 Qx ，其大小为 xx FdQ 11 d11 x

13、 轴方向受力的压电系数； （d11 =2.3110-12C/N，对右旋石英晶体，受压时取+，受拉时取-） v 若在同一切片上，沿机械轴y 方向施加作用力Fy ，则仍在与x 轴垂直的 平面上将产生电荷Qy，其大小为 yyy F h l dF h l dQ 1112 为了利用石英的压电效 应进行力电转换，需将晶 体沿一定方向切割成晶片。 适于各种不同应用的切割方 法很多，最常用的就是 X 切 型（如图所示）和 Y 切型。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 d12y 轴方向受力的压电系数，因石英轴对称，所以d12 =d11； l，h晶体片的长度和厚度。 电荷Qx 和Qy 的符号由受压力还是拉力决定

14、。 Qx 的大小与晶体片几何尺寸无关，而Qy 则与晶体片几何尺寸有关。 上，形成3个大小相等，互成120夹角的电偶极矩P1、P2 和P3（矢量）。Pql，q为电荷量，l 为正、负电荷之间 距离。方向从负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中 心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P3=0， 电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 为了直观地了解石英晶体压电效应和各向异性的原因，将一个单元组体 中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z 轴的 x y 平面上的投影，等 效为图中的正六边形排列。图中“”代表Si4+离子，“”代表氧离子 2O2。 v 当石英晶体未受外力作用时（不产生形变），带

15、有4个正电荷的硅离子和 带有22个负电荷的氧离子在 xy 平面上的投影正好分布在正六边形的顶角 第5章 压电式传感器 压电式传感器 v 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时（厚度变形），将产生如图b所 示压缩变形，正、负离子的相时位置随之变动，正、负电荷中心不再重合。 硅离子（1）被挤入氧离子（2）和（6）之间，氧离子（4）被挤入硅离子 （3）和（5）之间，电偶极矩在 x 轴方向的分量（P1P2P3）x 0，（P1 P2P3）y= 0，（P1P2P3）z= 0，结果在x轴负向呈负电荷，在x 轴正向 呈正电荷； 如果在 x 轴方向施加拉力（长度变形），如图c所示。结果与之相反， 在x 轴正向呈负

16、电荷，在x 轴负向呈正电荷。 这种沿x轴施 加力，而在垂直于 x轴晶面上产生电 荷的现象，称为 “纵向压电效应”。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 v 当石英晶体受到沿 y 轴方向的压力作用时（长度变形），晶体产生如 图c所示变形。电偶极矩在x轴方向的分量（P1P2P3）x1 ，也无电荷泄漏。那么，在理想情况下，前 置放大器的理想输入电压的幅值 RCCC)(arctan 2 ica ica m am CCC dF U 第5章 压电式传感器 压电式传感器 它与实际输入电压Uim之幅值比为 得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线。当作用于压电元件上的力为静 态力（ = 0）时，则前置放大器的输

17、入电压等于0。因为电荷会通过放大器 输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态测量。 当3/n1，即31时，前置放大器输入电压Uim 随频率变化不 大，当/n 3时，可近似认为输入电压与作用力的频率无关。这说明压电 传感器的高频响应比较好，所以它用于高频交变力的测量，相当理想。 2 ica 2 ica am im )()(1 )( CCCR CCCR U U K )( ica CCCR测量电路的时间常数 令n=1/=1/R(Ca+Cc+Ci) 2 n n am im )/(1 / U U K )/arctan( 2 n 第5章 压电式传感器 压电式传感器 图a 给出了一个电压

18、放大器的具体电路。它具有很高的输入阻 抗（1000M）和很低的输出阻抗（100），增益为0.96，频 率范围为2100kHz，因此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传 感器与一般放大器匹配。 图b 是由运算放大器构成的电压比例放大器。该电路输入阻抗 极高，输出电阻很小，是一种比较理想的石英晶体的电压放大器。 输出 输入 电源 (a)(b) 第5章 压电式传感器 压电式传感器 2. 电荷放大器 电荷放大器是一个有反馈电容Cf 的高增益运算放大器。当略去Ra 和Ri 并联等效电阻R后，压电传感器常使用的电荷放大器可用如图所示的等效 电路表示。图A为运算放大器的开环增益。由于运算放大器具有极高的输 入

19、阻抗，因此放大器的输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf 充电， 充电电压接近放大器的输出电压，即 f Cf C Q UU o 式中 Uo 放大器输出电压； UCf 反馈电容两端的电压 由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器 的输出电压 f CACCC AQ U 1 ica o 当A 1，且满足（1+A）Cf 10（Ca+ Cc + Ci）时，就可认为 。 可见电荷放大器的输出电压Uo 和电缆电容Cc 无关，而且与Q 成正比，这是电 荷放大器的最大特点。 f C Q U o 第5章 压电式传感器 压电式传感器 优点：压电转换元件具有自发和可逆两种重要性能，体积小、 重量轻、结构简单、工作可

20、靠、固有频率高、灵敏度和信噪比 高，特别适合于动态测量。 缺点：无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的 低噪声电缆，很多压电材料的工作温度在250 左右。 5.5 压电式传感器的应用 广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各种传 感器，都可称为压电式传感器，它们已被广泛地应用在工业、 军事和民用等领域。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器 二、压电式测力传感器二、压电式测力传感器 三、压电式压力传感器三、压电式压力传感器 四、微重力压电晶体生物传感器四、微重力压电晶体生物传感器 五、压电血压传感器五、压电血压传感器 六、医用电子鼻六

21、、医用电子鼻 利用正压电效应可研制成压电电源（煤气灶和汽车发动机的自动点火装 置等多种电压发生器）；在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏 元件，能测量最终可变换为力的有关物理量，例如压力、位移、加速度、 机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见 到压电式传感器的应用。 利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和 压电扬声器等。 利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电 线性加速度计、压电变压器、声纳和压电声表 面波器件等。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 一、压电式加速度传感器 用于测量加速度的传感器种类很多，压电式加速度传感器是一种最常 用的加速度计（80以上）。

22、具有一系列优点：体积小，重量轻，坚实牢 固，有较好的频率响应（几千赫几十千赫），如果配以电荷放大器，低 频响应也很好（可低至零点几赫），测量范围大（加速度为10-510-4 g，g 为重力加速度 9.8ms2）等。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 因为 F = ma （m 为重块质量，a 为加速度），当传感器选定后，m 为常数，所以传感器输出电荷为 madFdQ ijij Q 与加速度 a 成正比。 因为，压电传感器的输出电压为 ，若传感器中电容量 C 不变， 那么 ，因此，可以用电压值表示测量的加速度。 C Q U C mad U ij 压电元件（一般由两片压电晶片并联）置 于基座上，其

23、上面加一块比重较大的质量块， 质量块上用弹簧压紧，从而对压电晶片施加预 应力。 测量加速度时，被测物件与传感器刚性固 定在一起，质量块也受加速度的作用产生一个 与加速度成正比的惯性力 F 作用于压电元件上， 因而产生电荷Q。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 二、压电式测力传感器 压电式测力传感器在直接测量拉力或压力时，通常多 采用双片或多片石英晶体作压电元件。按测力状态分为单 向力、双向力和三向力传感器。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 单向压电石英力传感器的结构如图所示。 压电元件采用xy（即0X）切型石英晶片，利 用其纵向压电效应，通过d11实现力电转换。 它用两块晶片（81mm）

24、作传感元件，被测 力通过传力上盖（1）使石英晶片（2）沿电轴 方向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶 片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方 向并联叠加，负电荷由片形电极（3）输出， 压电晶片正电荷一侧与底座连接。两片并联可 提高其灵敏度。压力元件弹性变形部分的厚度 较薄，其厚度由测力大小决定。这种结构的单 向力传感器体积小、重量轻（仅10g），固有 频率高（约5060kHz），可检测高达5000N的 动态力，分辨率为10-3 N。 1. 单向力传感器单向力传感器 1 传力上盖 2 石英晶片 3 电极 4 底座 5 电极引出插头 6 绝缘材料 第5章 压电式传感器 压电式传感器 2. 双向

25、力传感器双向力传感器 双向力传感器基本用于 测量垂直分力Fz 与切向分力 Fx 或Fy，以及测量互相垂直 的两个切向分力，即Fx和Fy 。 无论哪一种测量，传感器的 结构形式相似。图（a）为双 向压电石英晶片的力传感器 的结构。两组石英晶片分别 测量两个分力，下面一组采 （a）双向力石英传感器 （b）厚度剪切的yx（ 0 Y ）切型 用xy（0X）切型，通过 d11 实现力电转换，测量轴向力Fz ；上面一组采用 yx（0Y）切型，晶片的厚度方向为y 轴方向，在平行于x 轴的剪切应力6 （在 xy 平面内）的作用下，产生厚度剪切变形。所谓厚度剪切变形是指晶 体受剪切应力的面与产生电荷的面不共面，

26、如图（b）所示。这一组石英晶 体通过 d26 实现力电转换来测量Fy 。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 3. 三向力传感器三向力传感器 （a）结构 （b）压电组件 （c） x，y，z双晶片 压电组件为三组双晶片石英叠成并联方式。它可以测量空间任一个或 三个方向的力。三组石英晶片的输出极性相同。其中一组取xy（0X）切型 晶片，利用厚度压缩纵向压电效应 d11 来实现力电转换，测量主轴切削 力Fz ；另外两组采用厚度剪切变形的yx（0Y）切型晶片，利用剪切压电系 数 d26 来分别测量 Fy 和 Fx 。由于 Fy 和 Fx 正交，因此，这两组晶片安装时 应使其最大灵敏轴分别取向 x 和

27、y 方向。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 三、压电式压力传感器 图(a)是一种压电式压力传 感器结构图。拉紧的薄壁管对 晶片提供预载力，而感受外部 压力的是由挠性材料做成的很 薄的膜片。预载筒外的空腔可 以连接冷却系统，以保证传感 器工作在一定的环境温度下， 避免因温度变化造成预载力变 化引起的测量误差。 图(b)是另一种结构的压力 传感器，采用两个相同的膜片 对晶片施加预载力从而可以消 除由振动加速度引起的附加输 出。 第5章 压电式传感器 压电式传感器 四、微重力压电晶体生物传感器 压电材料价廉、简单，且输出电压较大，因而在生物医学领域得到广泛 应用。下面介绍一种使用压电晶体的电子微重力测量传感器及其原理。 工业上生产的石英晶体具有很高的纯净度。固有频率十分稳定，且其压 电振荡频率主要取决于石英片的厚度。用于电子微重力测量传感器的石英晶 片厚度为1015mm、采用“Y ”形切割的剪切模式，该模式可以克服谐振和 泛音造成的干扰。因此，石英晶体的谐振频率极大地依赖于晶体以及涂层的 组合质量。例如，现有的商品石英传感器，其表面吸附的被分析物质而引起 的谐振频率变化可按下式算出： S m ff 26 103 . 2 式中 f 晶体频率（Hz）； m 晶体吸附的被测物质质量（g）； S 传感器敏感区面积（cm2）。 利用这一原理可对