压电式传感器电子工艺

压电式传感器电子工艺第一页，共三十页，2022年，8月28日一.压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。是一种典型的有源传感器*特点:

工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。

*应用范围：

各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。

第二页，共三十页，2022年，8月28日1.1、压电式传感器的应用

1压电式脚踏报警器

第三页，共三十页，2022年，8月28日2.玻璃打碎报警装置

粘贴位置将压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。第四页，共三十页，2022年，8月28日3.交通监测

将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。第五页，共三十页，2022年，8月28日4.压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量

第六页，共三十页，2022年，8月28日5.压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力第七页，共三十页，2022年，8月28日1.2.总结分析、压电传感器的工作原理热电偶的原理：热电效应热能电能压电式传感器的原理：正压电效应机械能电能第八页，共三十页，2022年，8月28日二.压电效应正压电效应：当压电材料受到一定方向作用力时而发生机械变形，相应的在一定表面上产生电荷，电荷量Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。（压电式传感器）逆压电效应：当压电材料处于变化的电场中时，压电材料的体积将产生伸长或缩短的变化，称作逆压电效应(压电式喇叭）第九页，共三十页，2022年，8月28日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。第十页，共三十页，2022年，8月28日2.1、常用的压电材料及压电材料的压电效应压电材料压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅天然：石英晶体人造压电材料：高分子压电材料:聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等第十一页，共三十页，2022年，8月28日天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形第十二页，共三十页，2022年，8月28日天然形成的石英晶体外形（续）

第十三页，共三十页，2022年，8月28日二.压电效应2.2石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX在晶体学中它可用三根互相垂直的轴表示，Z轴称为光轴；X轴称为电轴；Y轴称为机械轴。纵向压电效应：X轴横向压电效应：Y轴沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。第十四页，共三十页，2022年，8月28日石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装第十五页，共三十页，2022年，8月28日2.2石英晶体的压电效应（1）.定性分析图3-13垂直x轴的石英切片及其压电效应第十六页，共三十页，2022年，8月28日

从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。图3-13所示是垂直于电轴Ｘ切割的石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金属。沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴X垂直的表面上产生电荷Ｑxx为：

式中d11—石英晶体的纵向压电系数在覆以金属极面间产生的电压为：

定量计算：第十七页，共三十页，2022年，8月28日

如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷为：

式中d12—石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以

产生电压为：

第十八页，共三十页，2022年，8月28日2.3

压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后

经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。

第十九页，共三十页，2022年，8月28日

a—Z向施力；b—X向施力

图3-14压电陶瓷的压电效应

2.3

压电陶瓷的压电效应第二十页，共三十页，2022年，8月28日则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力Fz成比例，即

:

式中dzz—压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为:

2.3

压电陶瓷的压电效应第二十一页，共三十页，2022年，8月28日当沿X轴方向施加作用力Fx时，如图所示，在镀银极化面上产生电荷Qzx为:

同理

2.3

压电陶瓷的压电效应式中的dz1、dz2是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值；且dz1=dz2电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。第二十二页，共三十页，2022年，8月28日三、压电元件的等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个电荷发生器即电荷源电荷源等效电路：可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图（a）电压源等效电路：压电传感器也可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(b)；qq＝UaCaCa（a）电荷源等效电路CaUaUa＝q/Ca（b）电压源等效电路第二十三页，共三十页，2022年，8月28日如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiCiq压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻三、压电元件的等效电路实际等效电路第二十四页，共三十页，2022年，8月28日补充：电容的串并联以两个电容串并联为例，考察串并联后，总的电容容抗、总电压、总电荷容量总容抗：C=C1+C2总电量：Q=Q1+Q2总电压：U=U1=U2并联：串联：总容抗：总电量：Q=Q1=Q2总电压：U=U1+U2因此为了增大输出，在使用过程中压电元件通常用多个元件串联或者是并联使用。三、压电元件的等效电路第二十五页，共三十页，2022年，8月28日思考：压电晶体是否适合于静态测量。为什么？当传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。第二十六页，共三十页，2022年，8月28日四、压电传感器测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。

压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。第二十七页，共三十页，2022年，8月28日四.压电传感器测量电路

(a)放大器电路；(b)输入端简化等效电路

图3-18电压放大器电路原理及其等效电路图

①电压放大器（阻抗变换器）第二十八页，共三十页，2022年，8月28日注意：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。四.压电传感器测量电路②电荷放大器