第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 5.1 5.1 压电效应压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为现象被称为压电效应压电效应。当作用力方向改变时，。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。图图5-1 5-1 正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图F F F FF FF F 反之，当在某些物质的极化方向上施加电反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形场，这些材料在某一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。这种电能转化为机形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致电致伸缩效应伸缩效应”。图图5-2 5-2 压电效应的可逆性压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应 常见的压电材料可分为两类，即压电单常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。晶体和多晶体压电陶瓷。 压电单晶体有石英压电单晶体有石英( (包括天然石英和人包括天然石英和人造石英造石英) )、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体( (包括酒石酸钾钠、包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等) )；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。酸铅压电陶瓷等。 如图所示为天如图所示为天然石英晶体，然石英晶体，其结构形状为其结构形状为一个六角形晶一个六角形晶柱，两端为一柱，两端为一对称棱锥。对称棱锥。5.1.2 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴的轴表示，其中，纵轴Z Z称为光轴称为光轴，通过，通过六棱线而垂直于光铀的六棱线而垂直于光铀的X X铀称为电轴铀称为电轴，与，与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 ( (垂直于六棱垂直于六棱柱体的棱面柱体的棱面) )称为称为机械轴机械轴。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于其晶面分别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X(X轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“纵纵向压电效应向压电效应”，把沿机械轴，把沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的作方向的作用力产生的压电效应称为用力产生的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴，沿光轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要是利用压电式传感器主要是利用纵向压电效应纵向压电效应。 石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部分分子子结结构构决决定定的的。图图- -是是一一个个单单元元组组体体中中构构成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子和和氧氧离离子子，在在垂垂直直于于z z轴轴的的xyxy平平面面上上的的投投影影，等等效效为为一一个个正正六六边边形形排排列列。 图图中中“”代代表表硅硅离离子子SiSi4+4+， “”代表氧离子代表氧离子O O2-2-。 2. 石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理图图5-4 5-4 硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图( (a a) )x xy y( (b b) )+ +x xy y+ + +- - - - - - - - - -当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P P1、P P2、P P3。 如图5-5（a）所示。 ( (a a) ) F Fx x=0=0x xy y+ +P P1 1P P2 2P P3 3- - - - - - -+ + +- - - -因为P = qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。( (b b) ) F Fx x00x x+ +F Fx xy y+ +- -F Fx x- - - -P P1 1P P2 2P P3 3- - -+ + +- -+ + + +- - - - - - -当晶体受到沿x方向的压力（F x 0 在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0当晶体受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用时，其变化情况如图5-5（c）所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (P1 +P2 +P3) x00y yx x+ + + +F Fx xF Fx xP P2 2P P3 3P P1 1+ + + +- - - - - - -+ +- - - - -可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时，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轴方向受力Fy作用下的情况与Fx 相似。当Fy 0时，晶体的形变与图5-5（b）相似；当Fy 0时，则与图5-5（c）相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力 Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。 晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。3. 作用力与电荷的关系作用力与电荷的关系（a a）y yx xz zO Ox xa az zy yb bc c（b b） 若从晶体上沿y方向切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力x 成正比。 即：即：d11压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；b、c石英晶片的长度和宽度。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度 将以上两式联立，得 (5-3) (5-2) (5-1) 反之，若沿反之，若沿x方向对晶片施加电场，电场强方向对晶片施加电场，电场强度大小为度大小为Ex 。根据逆压电效应，晶体在。根据逆压电效应，晶体在x轴轴方向将产生伸缩，即：方向将产生伸缩，即：a=d11U x (5-4) 也可用相对应变表示为：也可用相对应变表示为：(5-6) (5-5) 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力y，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为 (5-8) 根据石英晶体轴对称条件：d11 = -d12，则：晶片厚度晶片厚度晶片厚度晶片厚度(5-7) 反之，若沿反之，若沿y方向对晶片施加电场，根据逆方向对晶片施加电场，根据逆压电效应，晶片在压电效应，晶片在y轴方向将产生伸缩变形，轴方向将产生伸缩变形，即即或用相对应变表示：或用相对应变表示：(5-11) (5-10) (5-9) 图图5-7 5-7 石英晶体受力方向与电荷极性关系石英晶体受力方向与电荷极性关系 + + + + + + + + + + ( (a a) )F Fx xx x- - - - - - - - - - F Fx x( (b b) )x x+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - x xF Fy y( (c c) )+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - F Fy y( (d d) )x x+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - 当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时，方向的压力作用时，qx只与作用只与作用力力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向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；上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压压电电材材料料。材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在电电场场。 在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始始的的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。5.1.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应在在陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场时时，电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向于于按按外外电电场场方方向向的的排排列列，从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场愈愈强强，就就有有更更多多的的电电畴畴更更完完全全地地转转向向外外电电场场方方向向。让让外外电电场场强强度度大大到到使使材材料料的的极极化化达达到到饱饱和和的的程程度度，即即所所有有电电畴畴极极化化方方向向都都整整齐齐地地与与外外电电场场方方向向一一致致时时，当当外外电电场场去去掉掉后后，电电畴畴的的极极化化方方向向基基本本变变化化，即即剩剩余余极极化化强强度度很很大，这时的材料才具有压电特性。大，这时的材料才具有压电特性。 图图5-8 5-8 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化 (a) (a) 未极化未极化; (b) ; (b) 电极化电极化 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式陶瓷片内的极化强度总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，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。由于束缚电荷的作另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。图图图图5-9 5-9 陶瓷片内束缚电荷与陶瓷片内束缚电荷与陶瓷片内束缚电荷与陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示电极上吸附的自由电荷示电极上吸附的自由电荷示电极上吸附的自由电荷示意图意图意图意图极化方向极化方向极化方向极化方向- - - - - - - - - 自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极电极电极电极电极- - - - - - - - - 图图图图5-10 5-10 正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图F F- - - - - - - - - - - - - - - - - - 极化方向极化方向极化方向极化方向如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、，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，极化强度也变负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电分自由电荷而出现充电现象。现象。正压电效应正压电效应。 若在片上加一个与极化方向相同的电场，电若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场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。这种向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就变为机械能的现象，就是压电陶瓷的是压电陶瓷的逆压电效应逆压电效应。图图图图5-11 5-11 逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图电电电电场场场场方方方方向向向向极化方向极化方向极化方向极化方向- - - - - - - - - - - - - - - - - - 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，在是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，如图5-12（a）所示，其电荷量q与作用力Fz成正比，即(5-12) 式中： d33 压电陶瓷的压电系数； F F作用力。 压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比，即式中 A z极化面面积； Ax、A y受力面面积； d32、d31压电陶瓷的横向压电系数当作用力Fz、Fy或Fx反向时，电荷的极性也反向。压电陶瓷在受到如图5-12（c）所示的作用力Fx、Fy、Fz共同作用时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷。图图5-12 5-12 压电陶瓷的变形方式压电陶瓷的变形方式y y- - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + +F Fz zF Fz zx xz z（a a a a）纵向变形）纵向变形）纵向变形）纵向变形（b b b b）横向变形）横向变形）横向变形）横向变形（c c c c）体积变形）体积变形）体积变形）体积变形F Fy yF Fy yx xy yz zF Fx x+ + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - F Fz zF Fy yF Fy yx xy yz zF Fx xF Fz z+ + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - 压压电电陶陶瓷瓷的的压压电电系系数数比比石石英英晶晶体体的的大大得得多多，所所以以采采用用压压电电陶陶瓷瓷制制作作的的压压电电式式传传感感器器的的灵灵敏敏度度较较高高。极极化化处处理理后后的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料的的剩剩余余极极化化强强度度和和特特性性与与温温度度有有关关，它它的的参参数数也也随随时时间间变变化化，从从而而使使其其压压电特性减弱。电特性减弱。 最最 早早 使使 用用 的的 压压 电电 陶陶 瓷瓷 材材 料料 是是 钛钛 酸酸 钡钡（BaTiOBaTiO3 3）。它它是是由由碳碳酸酸钡钡和和二二氧氧化化钛钛按按1111摩摩尔尔分分子子比比例例混混合合后后烧烧结结而而成成的的。它它的的压压电电系系数数约约为为石石英英的的5050倍倍， 但但居居里里点点温温度度只只有有115115，使使用用温温度度不不超超过过7070，温度稳定性和机械强度都不如石英。温度稳定性和机械强度都不如石英。 压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要环境适应性。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求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 5.2 压电材料压电材料在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到升高到573时，石英晶体将完全丧去压电时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得材料价格昂贵，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多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。传感器中。5.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工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和化学性质几乎与天培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。本较低的人造石英晶体。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不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、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。在设计压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。选择石英片的切型。压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种：1. 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（和二氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温分子比例在高温下合成的压电陶瓷。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（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里倍）。不足之处是居里点温度低（点温度低（120），温度稳定性和机械强），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。度不如石英晶体。5.2.2 压电陶瓷压电陶瓷2. 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶组成的固溶体体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在电系数更大，居里点温度在300以上，各以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。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）还可以获元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压材料。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电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。压电材料。1. 压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料有压电半导体材料有ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe等，这种力敏器件具有灵敏度高，响等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。5.2.3 新型压电材料新型压电材料2. 高分子压电材料高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯、聚氯乙烯乙烯PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMG等。高等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。破碎，可以大量生产和制成较大的面积。