压电式传感器电子工艺.ppt

压电式传感器电子工艺 第一页，共三十页，2022年，8月28日 一.压电式传感器 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。是一种典型的有源传感器 *特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。 *应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。 第二页，共三十页，2022年，8月28日 1.1、压电式传感器的应用1压电式脚踏报警器 第三页，共三十页，2022年，8月28日 2.玻璃打碎报警装置 粘贴位置 将压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 第四页，共三十页，2022年，8月28日 3.交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。 第五页，共三十页，2022年，8月28日 4.压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量 第六页，共三十页，2022年，8月28日 5.压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 第七页，共三十页，2022年，8月28日 1.2.总结分析、 压电传感器的工作原理 热电偶的原理： 热电效应 热能 电能 压电式传感器的原理： 正压电效应 机械能 电能 第八页，共三十页，2022年，8月28日 二.压电效应 正压电效应：当压电材料受到一定方向作用力时而发生机械变形，相应的在一定表面上产生电荷，电荷量Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。（压电式传感器） 逆压电效应：当压电材料处于变化的电场中时，压电材料的体积将产生伸长或缩短的变化，称作逆压电效应 (压电式喇叭） 第九页，共三十页，2022年，8月28日 压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 第十页，共三十页，2022年，8月28日 2.1、常用的压电材料及压电材料的压电效应 压电材料 压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅 天然：石英晶体 人造压 电材料： 高分子压电材料:聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等 第十一页，共三十页，2022年，8月28日 天然形成的石英晶体外形 天然形成的石英晶体外形 第十二页，共三十页，2022年，8月28日 天然形成的石英晶体外形（续） 第十三页，共三十页，2022年，8月28日 二.压电效应 2.2石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 在晶体学中它可用三 根互相垂直的轴表示， Z轴称为光轴； X轴称为电轴； Y轴称为机械轴。 纵向压电效应 ：X轴 横向压电效应 ：Y轴 沿光轴Z－Z方向受力 则不产生压电效应。 第十四页，共三十页，2022年，8月28日 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 第十五页，共三十页，2022年，8月28日 2.2石英晶体的压电效应 （1）.定性分析 图3-13垂直x轴的石英切片及其压电效应 第十六页，共三十页，2022年，8月28日 从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。图3-13所示是垂直于电轴Ｘ切割的石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金属。 沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴X垂直的表面上产生电荷Ｑxx为： 　 式中　d11—石英晶体的纵向压电系数 在覆以金属极面间产生的电压为： 定量计算： 第十七页，共三十页，2022年，8月28日 如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷为： 式中 d12—石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以 产生电压为： 第十八页，共三十页，2022年，8月28日 2.3?? 压电陶瓷的压电效应 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。 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中 (c)极化处理后 经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强