传感器应用技术32修课件

3.3薄膜应变片薄膜技术是在一定的基底上，用真空蒸镀、溅射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件，也可加工为转换元件，在传感器的研制中得到了广泛应用。真空蒸镀在真空室内，将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热器上加热，当真空度抽到0.0133Pa以上时，加大钨丝的加热电流，使材料融化，继续加大电流使材料蒸发，在基底上凝聚成膜。1—真空室2—基底3—钨丝4—接高真空泵。3.3薄膜应变片溅射在低真空室中，将待溅射物制成靶置于阴极，用高压（通常在1000V以上）使气体电离形成等离子体，等离子中的正离子以高能量轰击靶面，使待溅射物的原子离开靶面，淀积到阳极工作台上的基片上，形成薄膜。1—靶2—阴极3—直流高压4—阳极5—基片6—惰性气体入口7—接真空系统。3.3薄膜应变片3.4.1压电效应正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应3.4.1压电效应在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体（如石英晶体）；经过极化处理的压电陶瓷；高分子压电材料或压电半导体。3.4.1压电效应一、石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一，它理想的几何形状为正六面体晶柱。在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z称为光轴；经过正六面体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。3.4.1压电效应在X轴方向施加压力时，石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX——压电系数受力方向和变形不同压电系数也不同3.4.1压电效应如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为：++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXXl、h——晶体切片的长度和厚度——Y轴方向上受力的压电系数3.4.1压电效应压电效应的物理解释在不受力的情况下+++---XYP1P2P33.4.1压电效应受到Y方向的力—横向压电效应+++---XYP1P2P33.4.1压电效应二、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。压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。3.4.1压电效应直流电场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

3.4.1压电效应如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向F－＋3.4.1压电效应在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ3.4.1压电效应由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。二、压电材料的主要特性参数压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。(C/N)弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。3.4.2压电材料机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。3.4.2压电材料3.4.2压电材料三、常用压电材料特点1.石英晶体石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。3.4.2压电材料石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。3.4.2压电材料3.压电半导体材料具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。3.4.3测量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静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。＋＋＋＋――――QQ电极压电晶体Ca(b)(a)压电传感器的等效电路其电容量为：3.4.3测量电路因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。UaQ3.4.3测量电路压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。3.4.3测量电路压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri

,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。压电传感器的实际等效电路（a）电压源;（b）电荷源

Q3.4.3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前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。3.4.3测量电路一、电压放大器3.4.3测量电路若压电元件受正弦力F=Fmsinωt的作用，则其电压为式中：

Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；

d——压电系数。3.4.3测量电路由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为：Ui的幅值Uim为：输入电压和作用力之间相位差:电压灵敏度：3.4.3测量电路在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，那么理想情况下输入电压幅值Uim为：令τ=R(Ca+Cc+Ci)，τ为测量回路的时间常数，并令ω0=1/τ，则可得：3.4.3测量电路讨论：(Uam=dFm/Ca,)ω=0（静态量）时→Uim=0（输入电压为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量ω/ω0>>3（高频情况），Uim/Uam≈1，实际接近理想。输入电压与作用力频率无关τ一定，ω越高，高频响应越好对低频测量情况：τ一定，ω越小偏差越大。所以要求τ要大，扩大低频响应范围3.4.3测量电路改善低频特性的措施：式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。3.4.3测量电路二、电荷放大器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。其等效电路如图所示。3.4.3测量电路3.4.3测量电路输出与电缆电容无关电缆长达1km电缆可更换Rf提供直流负反馈减小零漂、提高稳定度可测准静态量：τ=RfCf相当大，可测低频f=0.5Hz3.4.3测量电路由式可见：电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。输出与电缆电容无关,电缆可长