第5章电压型传感器2(压电式)

5、2压电式传感器

压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。应用于力学、声学、医学等领域。基本原理分析

1压电效应某些电介质，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。称为正压电效应。传感器常用。当在电介质的极化方向施加电场时，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，用于电声器件。具有压电效应的物质，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。

基本原理分析

2石英晶体的压电效应

石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。

a)b)c)图

石英晶体的外形、坐标轴及切片

a)b)c)

石英晶体的压电效应

石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷可以解释如下：石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如图a

所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象。（+）代表硅离子，（-）代表氧离子。上图是垂直Z轴的平面投影。X如果在X轴方向施加压力，如图b所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在表面B上出现负电荷。如果所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性如图c所示。施加拉力时，电荷的极性与它相反。

从晶体上切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。T表示应力。压电效应方程

沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。电荷面受剪切，称之为面切压电效应，电荷厚度受剪切，称之为剪切压电效应，多应力作用下的压电效应，称全压电效应。压电效应的类型

(a)纵向压电效应(b)横向压电效应(c)面切压电效应(d)剪切压电效应(e)体积变形压电效应电荷面有三个面，应力方向有6种，压电常数理论上有18种可能值。

石英晶体的压电效应

在x方向，有纵向、横向、面切压电效应，在y方向，有面切、剪切压电效应，在z方向，无压电效应。三、力—电荷转换关系

即压电效应产生电荷与所受外力的关系。电荷密度：对于纵向压电效应i=j,Si=Sj,所以

Qx=d11Fx石英晶片上电荷极性与受力方向关系图中，横向压电效应与纵向压电效应产生电荷极性相反，所以d12=－d11,Qx=-d11FyL/h

3压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，见图

所示。对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷。压电陶瓷的压电常数。比石英晶体高几百倍。

a)极化前b)极化

c)极化后

压电陶瓷的极化过程

极化，加电场再高温处理。

A图、b图厚度剪切压电效应C图纵向压电效应D图、E图横向压电效应F图为三向压力相等时（如在液体中）压电效应

压电效应的基本变形方式及压电常数

压电材料及压电元件的结构1压电材料选取合适的压电材料要求：1)具有较大的压电常数。2)压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3)具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，4)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)压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。

压电材料及压电元件的结构

石英晶体

石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能。

但灵敏度很低，介电常数小。双片悬梁式压电传感器

受力F作用，上面被拉长，下面被缩短，从而产生横向压电效应。每片压电片产生电荷

压电元件的常用结构型式

在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种。图a为并联接法，其输出电容C‘为单片的n倍，即C’=nC，输出电压U’=U，极板上的电荷量Q’为单片电荷量的n倍，即Q’

=nQ。图b为串联接法，这时有Q＇＝Q，U＇=nU，C＇=C/n。压电元件的串联、并联

在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合，适用于测量瞬变信号。

测量电路1等效电路

压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面会聚集电荷，且电荷量相等，极性相