学习教学课件PPT压电传感器.ppt

* 一、 压电效应和压电材料 一、物质的压电效应 某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”—— 机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。 F F 极化面 Q 压电介质 机械能 ｛ 电能 ｝ 正压电效应 逆压电效应 压电效应及可逆性 压电式传感器 二、压电材料的压电常数 以下讨论忽略外界附加电场、力场的作用和温度、磁场的影响。 1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵 石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，按X0°切型的正六面体，在三维直角坐标系内的力 —— 电作用状态如图所示： X0°切型石英晶体切片的力 —— 电分布 x z F3 (σ1) F2 F1 F4 F6 F5 (σ3 ) (σ2) (1) (3) (2) σi j = d i j Fj i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6 y F1～F3分别为沿 x、y、z 轴的正应力（或应力分量）， F4～F6分别为绕 x、y、z轴的切向应力， σ1～σ3分别是 x、y、z 表面由于压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为： 由此可见，di j 是矩阵[di j]上的元素。 右旋石英晶体取负号； 左旋石英晶体取正号。 压电常数矩阵 压电方程的矩阵表示 2.压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵 实验表明，钛酸钡压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵为：(沿Z 轴极化) 在Z 轴方向上存在d31、d32、d33(x、y、z三个方向的压电效应)，当x、y、z 三个方向的应力相等均为F 时(如在液体中)： 压电方程的矩阵形式 d 3称为体积压缩压电常数。 三、压电效应的物理机制与表面电荷计算 1.物理机制 ⑴石英晶体： 如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的 图 5-3 晶片上电荷极性与受力方向的关系 (a ) (b ) (c ) (d ) 晶体表面出现剩余电电荷而产生的。由于压电常数矩阵中只有d11、d12、d14、d25、d26不为零，并且d14、d25、d26需要切向应力作用往往不便利用，所以通常只利用d11、d12 =- d11两个相关的应力方向和这两个压电常数。 不受力 图 5-2 石英晶体压电模型 ⑵压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。 图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图 自由电荷 自由电荷 电极 束缚电荷 2.表面电荷计算 由σi j =di j Pj ，两边同乘以产生电荷表面的面积S，得 Qi j = Sσi j =Sdi j Pj，当i = j 时， Qi = di i Fj (作用力垂直于产生电荷的表面时) ，如对于石英晶体 F （F = S P）平行于 x 轴为Fx 时， Qx = d11 Fx ；如对于钛酸钡， F 平行于 Z轴为FZ 时, QZ = d33 FZ 。若i ≠ j ，如石英晶体若i =1， j =2 , F 平行于 y 轴为Fy 时,在与 x 轴垂直的表面上产生的电荷, [Qx ]y = d12 Sx Py， ⑶ 两种压电材料的特点 石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。 与 x 轴垂直的表面的面积 1→ x ； 2→ y 3.常用压电材料 ⑴ 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 ⑵ 压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。 ⑶ 压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。 图 5-7 等效电路 ( a ) ( b