第8章压电传感器 ·125· (1)石英石英即二氧化硅(S,O),压电效应就是在这种晶体中发现的，它是 种天然的晶体，现在已有高化学纯度和结构完善的人工培养的石英晶体。它的压电系数 4,=2.3×10C·N,在几百度的温度范围内，压电系数不随温度而变，到温度575℃ 时，石英完全丧失了压电性质，这是它的居里点。石英的熔点为1750℃，密度为 2.65×10Kg/m,有很大的机械强度和稳定的机减性质，因而曾被广泛地应用，但是由 于它的压电系数比其它压电材料要低得多，因此逐渐为其它的压电材料所代替。 (2)水溶性压电晶体最早发现的酒石酸钾钠(N,KC,H,O,4H,0),它有很大的 压电系数d,=2.31×10C1N,但是酒石酸钾钠易于受潮，机械强度低，电阻率也低，因 此应用只限于在室温(<45℃)和温度低的环境下。 从酒石酸钾钠发现后，在人工育成水溶性晶体方面取得了很大的成就，育成了一系 列水溶性压电晶体，并付诸实际应用。 (3)铌酸锂晶体铌酸锂(LNbO,)是无色或浅黄色的单晶体。由于它是单晶体 所以时间稳定性远比多晶体的压电陶瓷为好。它是一种压电性能良好的电声换能材料， 它的居里温度为1200℃左右，远比石英和压电陶瓷高，所以在耐高温的传感器上有广泛 的前途。在机械性能方面各项异性很明显，与石英晶体相比，晶体很脆弱，而目热冲击 性很差，因此在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛和急热急冷。 8.1.2.2压电陶瓷
8 ·125· （1）石英 石英即二氧化硅（ i 2 S O ），压电效应就是在这种晶体中发现的，它是一 种天然的晶体，现在已有高化学纯度和结构完善的人工培养的石英晶体。它的压电系数 12 1 11 d C N 2.3 10− − = ，在几百度的温度范围内，压电系数不随温度而变，到温度 575℃ 时，石英完全丧失了压电性质，这是它的居里点。石英的熔点为 1750℃，密度为 3 3 2.65 10 / Kg m ，有很大的机械强度和稳定的机械性质，因而曾被广泛地应用，但是由 于它的压电系数比其它压电材料要低得多，因此逐渐为其它的压电材料所代替。 （2）水溶性压电晶体 最早发现的酒石酸钾钠（ 4 4 6 2 .4 N KC H O H O a ）,它有很大的 压电系数 9 11 d C N 2.31 10 / − = ,但是酒石酸钾钠易于受潮，机械强度低，电阻率也低，因 此应用只限于在室温（<45℃）和温度低的环境下。 从酒石酸钾钠发现后，在人工育成水溶性晶体方面取得了很大的成就，育成了一系 列水溶性压电晶体，并付诸实际应用。 （3）铌酸锂晶体 铌酸锂（ LiNbO2 ）是无色或浅黄色的单晶体。由于它是单晶体， 所以时间稳定性远比多晶体的压电陶瓷为好。它是一种压电性能良好的电声换能材料， 它的居里温度为 1200℃左右，远比石英和压电陶瓷高，所以在耐高温的传感器上有广泛 的前途。在机械性能方面各项异性很明显，与石英晶体相比，晶体很脆弱，而且热冲击 性很差，因此在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛和急热急冷。 8.1.2.2 压电陶瓷
·126· 传感器技术设计与应用 (1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡(BaTiO,)是由BaCO,和TiO,两者在高温下合成的， 具有比较高的压电系数(107×102C/N)和介电常数(1000-50000)，但它的居里点较 低，约为120℃，此外机械强度也不及石英由于它的压电系数高（约为石英的50倍）， 因而在传感器中得到广泛应用。 (2)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)锆钛酸铅是PbTO,和PbZO,组成的固溶体 Pb(ZrTi0,)。它有较高的压电系数(200-500×10~2C1N)和居里点(300℃)以上， 各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化较小，是目前经常采用的一种压电材料。 在锆钛酸铅的基本配方中掺入另外一些元素，可获得不同的PZT材料. (3)铌酸盐系压电陶瓷这种压电陶瓷是以铌酸钾(KNbO,)和铌酸铅(PbNbO,) 为基础的， 铌酸铅具有很高的居里点(570℃)，低的介电常数。在铌酸铅中用钡或锶替代一部 分铅，可引起性能的根本变化，从而得到具有较高机械品质因素铌酸盐压电陶瓷。 铌酸钾是通过热压过程制成的，它的居里点也较高(480℃)，特别适应于作 10-40MHz的高频换能器。 近年来，铌酸盐系压电陶瓷在水生传感器方面受到了重视，由于它的性能比较稳定 适用于深海水听器。 （4)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)纪镁酸铅压电陶瓷由P%M!,O,-P670,-
·126· （1）钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（ BaTiO3 ）是由 BaCO3 和 TiO2 两者在高温下合成的， 具有比较高的压电系数（ 12 107 10 / C N − ）和介电常数（1000~50000），但它的居里点较 低，约为 120℃，此外机械强度也不及石英。由于它的压电系数高（约为石英的 50 倍）， 因而在传感器中得到广泛应用。 （2）锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是 PbTiO2 和 PbZrO3 组成的固溶体 3 Pb ZrTiO ( ) 。它有较高的压电系数（200~ 12 500 10 / C N − ）和居里点（300℃）以上， 各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化较小，是目前经常采用的一种压电材料。 在锆钛酸铅的基本配方中掺入另外一些元素，可获得不同的 PZT 材料。 （3）铌酸盐系压电陶瓷 这种压电陶瓷是以铌酸钾（ KNbO3 ）和铌酸铅（ PbNbO2 ） 为基础的。 铌酸铅具有很高的居里点（570℃），低的介电常数。在铌酸铅中用钡或锶替代一部 分铅，可引起性能的根本变化，从而得到具有较高机械品质因素铌酸盐压电陶瓷。 铌酸钾是通过热压过程制成的，它的居里点也较高（480℃），特别适应于作 10~40MHz 的高频换能器。 近年来，铌酸盐系压电陶瓷在水生传感器方面受到了重视，由于它的性能比较稳定， 适用于深海水听器。 （4）铌镁酸铅压电陶瓷（PMN） 铌镁酸铅压电陶瓷由 1 2 3 3 3 3 Pb Mg Nb O PbTiO ( ) − −
第8章压电传感器 ·127· PbZO,三元素组成，它是在PbTiO,-Pb2O,的基础上加上一定量的Pb(Mg,Nb,)O,制 成的，具有较高的压电系数(800-900×10~C/N)和居里点，它能在压力大至7×10Pa时 继续工作，因此可作为高温下的力传感器。表81给出了几种常用压电材料的主要参数。 表81几种常用压电材料的主要参数 相对介 压电 电阻率 最大 禅性模 最大安全 安全 安全湿 材料 工作方式 电常数 109 度 量×109 女力×10g 湿度 度范围 E. (2m) (kg*cm-3) Nm-2) Nm-2) (% (C) 石英 厚度变 4 23 >004 >100 28 80 0 98 长度变形 30 0-100 0-100 钛酸钡 厚度变 1200 140 >100 55 110 80 70 0-100 1200 >100 5.5 80 0-100 长度变开 1200 >100 5.5 70 0-100 体积变形 钛酸 厚度变开 1500 320 >104 75 675 250 0-100 铅 1500 140 >104 15 6.75 250 0-100 长度变形 PZT5 1500 >104 7.5 250 0-100 体积变形 PZT4 长度变形 1200 131 >104 7.5 815 250 0-100 银铅化 厚度变形 900 80 >104 6 92 20 0-100 900 >100 6 92 20 长度变开 0-100 900 >100 6 270 0-100 体积变形 8.2压电元件的常用结构形式 为了提高压电传感器的灵敏度，压电材料通常将二片或二片以上组合在一起。 8.2.1压电元件的串并联结构与特点 8.2.1.1压电元件的并联结构与特点 如图8-4所示。在图84(a)中，负电荷集中在中间电极上，而正电荷出现在上下 两边的电极上，这种接法称为并联。此时，相当于两个电容器并联。其总电容量C为单
8 ·127· PbZrO3 三元素组成，它是在 PbTiO PbZrO 3 3 − 的基础上加上一定量的 1 2 3 3 3 Pb Mg Nb O ( ) 制 成的，具有较高的压电系数（800~900 12 10 / C N − )和居里点，它能在压力大至 7 10 Pa 时 继续工作，因此可作为高温下的力传感器。表 8-1 给出了几种常用压电材料的主要参数。 表 8-1 几种常用压电材料的主要参数 材料 工作方式 相对介 电常数 压电 系数 ×10-12 (C•N-1) 电阻率 ×109 ( •m) 密度 (kg•cm-3) 弹性模 量×109 (N•m-2) 最大安全 应力×109 (N•m-2) 最大 安全 湿度 (℃) 安全湿 度范围 (%) 石英 厚度变形 长度变形 4.5 4.5 2.3 2.3 >1000 >1000 2.65 2.65 80 80 98 98 550 550 0~100 0~100 钛酸钡 厚度变形 长度变形 体积变形 1200 1200 1200 140 56 28 >100 >100 >100 5.5 5.5 5.5 110 110 80 80 70 70 70 0~100 0~100 0~100 锆钛酸 铅 PZT5 厚度变形 长度变形 体积变形 1500 1500 1500 320 140 40 >104 >104 >104 7.5 7.5 7.5 6.75 6.75 250 250 250 0~100 0~100 0~100 PZT4 长度变形 1200 131 >104 7.5 81.5 250 0~100 铌铅化 合物 330 厚度变形 长度变形 体积变形 900 900 900 80 32 10 >104 >100 >100 6 6 6 92 92 20 20 270 270 270 0~100 0~100 0~100 为了提高压电传感器的灵敏度，压电材料通常将二片或二片以上组合在一起。 8.2.1.1 压电元件的并联结构与特点 如图 8-4 所示。在图 8-4（a）中，负电荷集中在中间电极上，而正电荷出现在上下 两边的电极上，这种接法称为并联。此时，相当于两个电容器并联。其总电容量 ' C 为单