东南大学《传感器技术》第6章_压电式传感器课案.ppt

第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 压电效应（Piezoelectric Effect） 一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比： D = dT (6-1) 式中 d——压电常数矩阵。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 第6章 压电式传感器 逆压电效应 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比：  S=dtE （6-2） 式中 dt——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 压电材料的主要特性参数: 压电常数 弹性常数 介电常数 机电耦合系数 电阻 居里点 第6章 压电式传感器 压电材料 压电晶体(单晶) 压电陶瓷(多晶半导瓷) 新型压电材料 第6章 压电式传感器 压电晶体 ⑴ 石英晶体(SiO2) 石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α-石英。其外形如图所示，呈六角棱柱体。有m、R、r、s、x共5组30个晶面组成 第6章 压电式传感器 ⑵.其他压电单晶 压电单晶中除天然和人工石英晶体外，锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3)等材料， 也已在传感器技术中日益得到广泛应用，其中以铌酸锂为典型代表，在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。 第6章 压电式传感器 压电陶瓷 压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性，因此，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使电畴趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性。 第6章 压电式传感器 压电陶瓷极化 第6章 压电式传感器 压电陶瓷的特点 压电常数大 灵敏度高 制造工艺成熟 成形工艺性好 成本低廉，利于广泛应用 还具有热释电性 第6章 压电式传感器 常用的压电陶瓷 (1)二元系压电陶瓷 (2)三元系压电陶瓷 (3)综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成 第6章 压电式传感器 二元系压电陶瓷 主要包括钛酸钡BaTiO3，钛酸铅PbTiO3，锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和铌酸盐系列KNbO3-PbNb2O3。其中以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。 第6章 压电式传感器 三元系压电陶瓷 目前应用的PMN，它由铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。 第6章 压电式传感器 新型压电材料 ⑴ 压电半导体 ⑵ 有机高分子压电材料 一 某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜，如聚氟乙烯PVF)等。 二 高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。 第6章 压电式传感器 石英晶体的压电方程 应指出，压电效应式(6-1)只适用于各向同性的电介质材料。对于各向异性的压电材料，方程必须能反映出材料机电特性的方向性。因此，式(6-1)应表示为矢量矩阵形式。 设有一X0°切型的正六面体左旋石英晶片，在三维直角坐标系内的力-电作用状况如图6.6所示。图中：T1、T2、T3分别为沿x、y、z向的正应力分量(压应力为负) T4、T5、T6分别为绕x、y、z轴的 切应力分量(顺时钟方向为负)；σ、σ2、σ3分别为在x、y、z面上的电荷密度(或电位移D)。 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 各向异性的石英晶片，单一压电效应： σij= dijTj 式中 i —— 电效应(场强、极化)方向的下标， j ——力效应(应力、应变)方向的下标，