第6章压电式传感器 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原 理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量,例如力、压力、 加速度等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年 来压电测试技术发展迅速,特别是电子技术的迅速发展,使压电式传感器 的应用越来越广泛
第6章 压电式传感器 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原 理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、 加速度等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年 来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器 的应用越来越广泛
6.1基本原理分析 6.1.1压电效应 某些晶体,在一定方向受到外力作用时,内部将产生极化现象,相应地在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时,又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时 电荷的极性也随着改变,这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多,如石英晶体 压电陶瓷、压电半导体等。 6.1.2石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶,属于六角晶系。图61.1是 天然石英晶体的外形图,它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴:Z轴又称光轴, 它与晶体的纵轴线方向一致;X轴又称电轴,它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴 轴又称机械轴,它垂直于两个相对的晶柱棱面。 b) 图6.1.1石英晶体的外形、坐标轴及切片
6.1 基本原理分析 6.1.1 压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时， 电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、 压电陶瓷、压电半导体等。 6.1.2 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图6.1.1是 天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴， 它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 a) b) c) 图6.1.1 石英晶体的外形、坐标轴及切片
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加 力时,将在垂直于X轴的表面上产生电荷,这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作 用时,电荷仍出现在与X轴垂直的表面上,这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不 产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为 gr=d F (6-1-1) 式中,qx为垂直于轴平面上的电荷,d为压电系数,下标的意义为产生电荷的面的轴向及 施加作用力的轴向;F为沿晶轴方向施加的压力。 由上式看出,当晶片受到响的压力作用时,q与作用力F成正比,而与晶片的几何尺寸 无关。如果作用力F改为拉力时,则在垂直于轴的平面上仍出现等量电荷,但极性相反 横向压电效应产生的电荷为 qxr =d b (6-1-2) 式中,④为了轴向施加压力,在垂直于轴平面上的电荷dx为压电系数,轴向施加压力, 在垂直于轴平面上产生电荷时的压电系数;F为沿晶轴Y方向施加的压力。 根据石英晶体的对称条件dx=dx,所以 axr =-dxx Fr (6-1-3) 由上式可以看出,沿机械轴方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的 式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加 力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作 用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不 产生压电效应。 纵向压电效应产生的电荷为 qxx＝dxxF x (6-1-1) 式中，qxx为垂直于X轴平面上的电荷，dxx为压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及 施加作用力的轴向；F x为沿晶轴X方向施加的压力。 由上式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx 与作用力F x成正比，而与晶片的几何尺寸 无关。如果作用力F x改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。 横向压电效应产生的电荷为 (6-1-2) 式中，qXY为了轴向施加压力，在垂直于X轴平面上的电荷 dXY为压电系数，Y轴向施加压力， 在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数；FY为沿晶轴Y方向施加的压力。 根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以 (6-1-3) 由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的， 式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。 XY XY FY b a q = d XY XX FY b a q = −d
,,m,,一 石英晶片受压力或拉力时,电荷的极性如图61.2所示。 X X X C 图6.12晶片受力方向与电荷极性的关系 ⊙53 +++++ 图6.1.3石英晶体的压电效应 石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷可以解释如下 石英晶体的每一个晶体单元中,有三个硅离子和六个氧离子,正负离子分布在正六边 形的顶角上,如图6.1.3a所示。当作用力为零时,正负电荷相互平衡,所以外部没有带电现 象
石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图6.1.2所示。 a) b) c) d) 图6.1.2 晶片受力方向与电荷极性的关系 a) b) c) 图6.1.3 石英晶体的压电效应 石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷可以解释如下： 石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边 形的顶角上，如图6.1.3a所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现 象
如果在轴方向施加压力,如图6.1.3b所示,则氧离子挤入硅离子2和6间,而硅离子4挤入 氧离子3和5之间,结果在表面A上出现正电荷,而在月表面上出现负电荷。如果所受的力为 拉力时,在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。 如果沿y轴方向施加压力时,则在表面A和B上呈现的极性如图6.1.3c所示。施加拉力时,电 荷的极性与它相反。 若沿2轴方向施加力的作用时,由于硅离子和氧离子是对称的平移,故在表面没有电荷出现, 因而不产生压电效应。 6.1.3压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种多晶铁电体,它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域, 它有一定的极化方向。在无外电场作用时,各个电畴在晶体中无规则排列,它们的极化效 应互相抵消。因此,在原始状态压电陶瓷呈现中性,不具有压电效应。 当在一定的温度条件下,对压电陶瓷进行极化处理,即以强电场使电畴规则排列,这 时压电陶瓷就具有了压电性,在极化电场去除后,电畴基本上保持不变,留下了很强的剩 余极化,见图6.1.4所示 对于压电陶瓷,通常取它的极化方向为z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直 于2轴的表面上将会出现电荷,见图6.1.5a,其电荷量q与作用力成正比,即 g d,F 式中,dz为纵向压电系数
如果在X轴方向施加压力，如图6.1.3b所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入 氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在月表面上出现负电荷。如果所受的力为 拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。 如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性如图6.1.3c所示。施加拉力时，电 荷的极性与它相反。 若沿Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现， 因而不产生压电效应。 6.1.3 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域， 它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效 应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。 当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这 时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩 余极化，见图6.1.4所示。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直 于Z轴的表面上将会出现电荷，见图6.1.5a，其电荷量q与作用力F成正比，即 q= dzzF (6-1-4) 式中，dzz为纵向压电系数