第5章压电式传感器

武汉理工大学机电工程学院第5章压电式传感器武汉理工大学机电工程学院第五章压电式传感器5.1压电效应压电效应：某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一特定方向对其施力而使它产生机械变形时，其内部将产生极化现象，并在它的两个对应晶面上产生符号相反的等量电荷；当外力取消后，电荷也随之消失，晶体又重新恢复不带电状态武汉理工大学机电工程学院逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场(电压)作用时，这些电介质晶体会在一特定的晶轴方向上产生机械变形或机械压力；外加电场消失时，这些变形或应力也随之消失，此种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩现象武汉理工大学机电工程学院式中：qi———i面上的电荷密度(C/cm2)；Qi——i面上的总电荷量(C)；j——j方向的应力(N/cm2)；Fj——j方向的作用力；Dij——材料的压电常数(C/N)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)。i——表示晶体的极化方向，当产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z轴)时i=1(或2，3)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(yz平面、zx平面、xy平面)内作用的剪切力。dij的符号——电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。压电方程：压电材料在外力作用下产生的表面电荷通常用压电方程表示iijjiijjqdQdF或武汉理工大学机电工程学院晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定111112213314415516622112222332442552663311322333344355366qddddddqddddddqdddddd压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示111213141516212223242526313233343536ijddddddddddddddddddd武汉理工大学机电工程学院天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学用三根互相垂直的轴来表示，Z－Z轴——光轴，X－X轴——电轴，经过正六面体棱线，并垂直于光轴Y－Y轴——机械轴，与X－X轴和Z－Z轴同时垂直5.2压电材料和它的主要特性5.2.1石英晶体1.石英晶体的压电效应武汉理工大学机电工程学院纵向压电效应——沿电轴X－X方向的力作用下产生的压电效应横向压电效应——沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生的压电效应沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。只在垂直于X轴的平面上积聚电荷武汉理工大学机电工程学院天然石英晶体外形武汉理工大学机电工程学院从石英晶体切下晶体切片后，在其垂直X轴方向的两个表面用真空镀膜或沉银法得到两个电极面。双面镀银并封装武汉理工大学机电工程学院纵向压电效应：当晶片受到沿X轴方向的压应力σX作用时，晶片将产生厚度变形,并发生极化的现象1111XXXFPddlbFX++++－－－－XFX－－－－++++X注：按前述坐标系为左旋石英晶体，右旋石英晶体的结构与左旋石英晶体成镜像对称，压电效果极性相反。武汉理工大学机电工程学院横向压电效应：当晶片作用力是沿着机械轴的方向时，晶片将产生宽度方向的变形,并发生极化的现象则为横向压电效应。其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，++++++++－－－－－－－－FYFYXX根据石英晶体轴对称条件：d11=－d12武汉理工大学机电工程学院①产生压电效应时，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；事实表明，逆压电效应时两者也成线性关系②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。此外，石英晶体在切向力作用下也会产生压电效应武汉理工大学机电工程学院(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影2.石英晶体产生压电压电效应的机理(b)(a)++---YXXY+武汉理工大学机电工程学院当外力0时，正、负离子分布在正六边形顶角上，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0当晶体受到沿X方向的压力（FX0）作用时，晶体沿X方向将产生压缩，正、负离子相对位置随之发生变化，此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0，在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0因此，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3(b)FX0FXXY++++－－－－FX+++---P1P2P3武汉理工大学机电工程学院在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体的形变与FX0相似；当FY＜0时相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0当晶体受到沿X方向的拉力作用（FX0），使其受到压缩，此时电极矩的三个分量为晶体在Z轴方向力FZ的作用下，不改变晶体的晶格结构，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。所以沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院5.2.2压电陶瓷1．压电陶瓷的压电效应当作用力沿极化方向时，在极化面上出现电荷：FdQ33d33—压电陶瓷的纵向压电常数。当作用力垂直极化方向时，在极化面上出现电荷：FSSdFSSdQyxyx3132Sx—极化面的面积；Sy—受力面的面积武汉理工大学机电工程学院2．压电陶瓷压电效应产生的机理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。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零武汉理工大学机电工程学院陶瓷片内的极化强度是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。而在陶瓷片的电极面上吸附来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以陶瓷片对外部不呈现带电性－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向武汉理工大学机电工程学院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，而出现放电荷现象，当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，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。这种由机械能转变为电能的现象就是压电陶瓷的正压电效应。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向F－＋武汉理工大学机电工程学院同样，若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，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Ｅ武汉理工大学机电工程学院5.2.3压电材料的主要特性压电材料主要特性：①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。武汉理工大学机电工程学院（1）压电晶体石英晶体（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，在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。武汉理工大学机电工程学院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。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。武汉理工大学机电工程学院水溶性压电晶体属于单斜晶系的有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6·4H2O)，酒石酸乙烯二铵(C4H4N2O6，简称EDT)，酒石酸二钾(K2C2H4O6·H2O，简称DKT)，硫酸锂(Li2SO4·H2O)。属于正方晶系的有磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)，磷酸二氢氨(NH4H2PO4，简称ADP)，砷酸二氢钾(KH2AsO4，简称KDA)，砷酸二氢氨(NH4H2AsO4，简称ADA)。武汉理工大学机电工程学院2.压电陶瓷（1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。(2)锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3偏钛酸铅和PbZrO3偏锆酸铅组成的固溶体。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。武汉理工大学机电工程学院(3)压电聚合物聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。武汉理工大学机电工程学院高分子压电薄膜及拉制武汉理工大学机电工程学院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武汉理工大学机电工程学院高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）武汉理工大学机电工程学院（4）压电半导体材料如ZnO、CdS、ZnO、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，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。(5)铌酸盐系压电陶瓷。武汉理工大学机电工程学院5.3压电元件的常用结构形式5.3.1压电元件的基本变形方式1.对能量转换有意义的石英晶体变形方式：(1)厚度变形（TE方式）：利用石英晶体的纵向压电效应Qx=d11·Fx或qx=d11·σx(2)长度变形（LE方式）：利用石英晶体的横向压电效应Qy=d12·Fy·Sxx/Syy或qx=d12·σy武汉理工大学机电工程学院(3)面剪切变形（FS(Faceshear)方式）：qx=d14·yz(X切晶体)qy=d25·xy(Y切晶体)(5)弯曲