第6章 压电式传感器优秀PPT.ppt
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1、第6章 压电式传感器现在学习的是第1页,共47页一、压电效应一、压电效应正正压压电电效效应应(顺顺压压电电效效应应):某某些些电电介介质质,当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时,内内部部就就产产生生极极化化现现象象,同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷,当当外外力力去去掉掉后后,又又重重新新恢恢复复不不带带电电状态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。状态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应(电电致致伸伸缩缩效效应应):当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场,这这些些电电介介质质就就
2、在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应现在学习的是第2页,共47页(一)石英晶体的压电效应(一)石英晶体的压电效应天天然然结结构构石石英英晶晶体体的的理理想想外外形形是是一一个个正正六六面面体体,在在晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴来来表表示示,其其中中纵纵向向轴轴ZZ称称为为光光光光轴轴轴轴;经经过过正正六六面面体体棱棱线线,并并垂垂直直于于光光轴轴的的XX轴轴称称为为电电
3、电电轴轴轴轴;与与XX轴轴和和ZZ轴轴同同时时垂垂直直的的YY轴轴(垂垂直直于于正正六六面面体体的的棱棱面面)称为称为机械轴机械轴机械轴机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴通常把沿电轴XX方向的方向的力作用下产生电荷的压电效力作用下产生电荷的压电效应称为应称为“纵向压电效应纵向压电效应”,而把沿机械轴,而把沿机械轴YY方向方向的力作用下产生电荷的压的力作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为“横向压电效应横向压电效应”,沿光轴,沿光轴ZZ方向受力方向受力则不产生压电效应。则不产生压电效应。现在学习的是第3页,共47页石石英英晶晶体体具具有有压压
4、电电效效应应,是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子Si4+和和氧氧离离子子O2-在在Z平平面面投投影影,如如图图(a)。为为讨讨论论方方便便,将将这这些些硅硅、氧氧离离子子等等效效为为图图(b)中中正正六六边边形形排排列列,图图中中“”代表代表Si4+,“”代表代表2O2-。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影(b)等效为正六边形排列的投影+现在学习的是第4页,共47页 当作用力当作用力FX=0时,正、负离子(即时,正、负离子(即Si4+和和2O2-)正好分布在正六边形顶角上,形成三个互成)正好分布在正六边形顶
5、角上,形成三个互成120 夹角的偶极矩夹角的偶极矩P1、P2、P3,如图(,如图(a)所示。)所示。此时正负电荷中心重合,电此时正负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于偶极矩的矢量和等于零,即零,即 P1P2P30当当晶晶体体受受到到沿沿X方方向向的的压压压压力力力力(FX00在在Y、Z方向上的分量为方向上的分量为(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0由由上上式式看看出出,在在X轴轴的的正正向向出出现现正正电电荷荷,在在Y、Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P3现在学习的是第5页,共47页可见,当晶体受
6、到沿可见,当晶体受到沿X(电轴电轴)方向的力方向的力FX作用时,它在作用时,它在X方向产生正压电方向产生正压电效应,而效应,而Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。晶晶体体在在Y轴轴方方向向力力FY作作用用下下的的情情况况与与FX相相似似。当当FY0时时,晶晶体体的的形形变变与与图图(b)相相似似;当当FY0时时,则则与与图图(c)相相似似。由由此此可可见见,晶晶体体在在Y(即即机机械械轴轴)方方向向的的力力FY作作用用下下,使使它它在在X方方向向产产生生正正压压电电效效应应,在在Y、Z方方向向则不产生压电效应。则不产生压电效应。(P1+P2+P3)X0Y+-X-+FXFXP2P3
7、P1+当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的拉力(方向的拉力(FX0)作用时,其变化情况如图()作用时,其变化情况如图(c)。)。此时电极矩的三个分量为此时电极矩的三个分量为在在X轴的正向出现负电荷,在轴的正向出现负电荷,在Y、Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。现在学习的是第6页,共47页晶晶体体在在Z轴轴方方向向力力FZ的的作作用用下下,因因为为晶晶体体沿沿X方方向向和和沿沿Y方方向向所所产产生生的的正正应应变变完完全全相相同同,所所以以,正正、负负电电荷荷中中心心保保持持重重合合,电电偶偶极极矩矩矢矢量量和和等等于于零零。这就表明,沿这就表明,沿Z(即光轴即光轴)方向的力方向的力FZ作用下,
8、晶体不产生压电效应。作用下,晶体不产生压电效应。假假设设从从石石英英晶晶体体上上切切下下一一片片平平行行六六面面体体晶晶体体切切片片,使使它它的的晶晶面面分分别别平平行行于于X、Y、Z轴轴,如如图图。并并在在垂垂直直X轴轴方方向向两两面面用用真真空空镀镀膜膜或或沉沉银银法得到电极面。法得到电极面。当晶片受到沿当晶片受到沿X轴方向的轴方向的压缩应力压缩应力XX作用时,晶片将作用时,晶片将产生厚度变形,并发生极化现产生厚度变形,并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内,象。在晶体线性弹性范围内,极化强度极化强度PXX与应力与应力XX成正比,成正比,即即ZYXbl石英晶体切片tabc现在学习的是第7页,
9、共47页式中式中FXX轴方向的电场强度;轴方向的电场强度;d11压压电电系系数数,当当受受力力方方向向和和变变形形不不同同时时,压压电电系系数数也也不不同同,石石英英晶晶体体d11=2.310-12CN-1;a、c石英晶片的长度和宽度。石英晶片的长度和宽度。极化强度极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度,即在数值上等于晶面上的电荷密度,即式中式中 q qX X垂直于垂直于X X轴平面上的电荷。轴平面上的电荷。将上两式整理,得将上两式整理,得 式中式中 电极面间电容。电极面间电容。其极间电压为其极间电压为现在学习的是第8页,共47页根据逆压电效应,晶体在根据逆压电效应,晶体在X轴方向将产生伸
10、缩,即轴方向将产生伸缩,即b=d11UX或用应变表示,则或用应变表示,则式中式中EXX轴方向上的电场强度。轴方向上的电场强度。在在X轴轴方方向向施施加加压压力力时时,左左旋旋石石英英晶晶体体的的X轴轴正正向向带带正正电电;如如果果作作用用力力FX改改为为拉拉力力,则则在在垂垂直直于于X轴轴的的平平面面上上仍仍出出现现等等量量电荷,但极性相反,见图电荷,但极性相反,见图(a)、(b)。FXFX+(a)(b)XX现在学习的是第9页,共47页 如如果果在在同同一一晶晶片片上上作作用用力力是是沿沿着着机机械械轴轴的的方方向向,其其电电荷荷仍仍在在与与X轴轴垂垂直平面上出现,其极性见图(直平面上出现,其
11、极性见图(c)、()、(d),此时电荷的大小为),此时电荷的大小为+(c)(d)FYFYXX式中式中d12石英晶体在石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。轴方向受力时的压电系数。根据石英晶体轴对称条件:根据石英晶体轴对称条件:d11=d12,则上式为,则上式为式中式中t晶片厚度。晶片厚度。则其极间电压为则其极间电压为现在学习的是第10页,共47页根据逆压电效应,晶片在根据逆压电效应,晶片在Y轴方向将产生伸缩变形,即轴方向将产生伸缩变形,即或用应变表示或用应变表示由上述可知:由上述可知:无无论论是是正正或或逆逆压压电电效效应应,其其作作用用力力(或或应应变变)与与电电荷荷(或电场强度)之间呈线性关
12、系;(或电场强度)之间呈线性关系;晶晶体体在在哪哪个个方方向向上上有有正正压压电电效效应应,则则在在此此方方向向上上一一定定存存在逆压电效应;在逆压电效应;石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。现在学习的是第11页,共47页(二)(二)压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体一一类类的的物物质质,是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料,它它具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。电电畴畴是是分分子子自自发发形形成成的的区区域域,它它有有一一定定的的极极化化方方向向,从从而而存存在
13、在一一定定的的电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时,各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布,它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消,因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷内内极化强度为零,见图(极化强度为零,见图(a)。)。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)极化处理后现在学习的是第12页,共47页但是,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时,却无法测出陶瓷但是,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时,却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强
14、度总是以电偶极矩电偶极矩的的形式表现出来,即在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束形式表现出来,即在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来缚电荷。由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。而数量相等,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度,如图。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度,如图。自由电荷束缚电荷电极
15、电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图现在学习的是第13页,共47页 如如果果在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F,如如图图,陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩形形变变(图图中中虚虚线线),片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小,极极化化强强度度也也变变小小。因因此此,原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷,有有一一部部分分被被释释放放,而而出出现现放放电电荷荷现现象象。当当压压力力撤撤消消后后,陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状(这这是是一一个个膨膨胀胀过过程程),片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间
16、的的距距离离变变大大,极极化化强强度度也也变变大大,因因此此电电极极上上又又吸吸附附一一部部分分自自由由电电荷荷而而出出现现充充电电现现象象。这这种种由由机机械械效效应应转转变变为为电电效效应应,或或者者由由机机械械能能转转变变为为电电能能的的现现象象,就就是正压电效应。是正压电效应。极化方向正压电效应示意图(实线代表形变前的情况,虚线代表形变后的情况)F现在学习的是第14页,共47页同同样样,若若在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场,如如图图,由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同,所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强
17、度度增增大大。这这时时,陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大,就就是是说说,陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形变(图中虚线)。形变(图中虚线)。同同理理,如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反,则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生缩缩短短形形变变。这这种种由由于于电电效效应应而而转转变变为为机机械械效效应应或或者者由由电电能能转转变变为为机机械能的现象,就是逆压电效应。械能的现象,就是逆压电效应。逆压电效应示意图(实线实线代表形变前的情况,虚线虚线代表形变后的情况)极化方向电场方向现在学习的是第15页,共47
18、页 由此可见,压电陶瓷所以具有压电效应,是由于陶瓷内部存在由此可见,压电陶瓷所以具有压电效应,是由于陶瓷内部存在自发自发极化极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后,陶瓷内即存在剩。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后,陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用(如压力或电场的作用)能使此极化强度发生余极化强度。如果外界的作用(如压力或电场的作用)能使此极化强度发生变化,陶瓷就出现压电效应。此外,还可以看出,陶瓷内的变化,陶瓷就出现压电效应。此外,还可以看出,陶瓷内的极化电荷是束缚极化电荷是束缚电荷电荷,而不是自由电荷,这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生,而不是自由电荷
19、,这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象,是通过陶瓷内部极化强度的变化,引起电极面上自由的放电或充电现象,是通过陶瓷内部极化强度的变化,引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。电荷的释放或补充的结果。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)极化处理后现在学习的是第16页,共47页二、压电材料二、压电材料种类种类:n压电晶体,如石英等;压电晶体,如石英等;n压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等;压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等;n压电半导体,如硫化锌、碲化镉等。压电半导体,如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求:对压电材料特性要求:转换性能
20、。要求具有较大压电常数。转换性能。要求具有较大压电常数。机机械械性性能能。压压电电元元件件作作为为受受力力元元件件,希希望望它它的的机机械械强强度度高、刚度大,以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。高、刚度大,以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电电性性能能。希希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数,以以减减弱弱外外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环环境境适适应应性性强强。温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好,要要求求具具有有较高的居里点,获得较宽的工作温度范围。较高的居里点,获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能
21、不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。现在学习的是第17页,共47页(一)(一)石英晶体石英晶体石石英英(SiO2)是是一一种种具具有有良良好好压压电电特特性性的的压压电电晶晶体体。其其介介电电常常数数和和压压电电系系数数的的温温度度稳稳定定性性相相当当好好,在在常常温温范范围围内内这这两两个个参参数几乎不随温度变化,如下两图。数几乎不随温度变化,如下两图。由由图图可可见见,在在20200范范围围内内,温温度度每每升升高高1,压压电电系系数数仅仅减减少少0.016。但但是是当当到到573时时,它它完完全全失失去去了了压压电电特特性性,这就是它的这就是它的居里点居里点。1.000.
22、990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率:0.016/t石英的d11系数系数相对于20的d11温度变化特性6543210100200300400500600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性现在学习的是第18页,共47页石石英英晶晶体体的的突突出出优优点点是是性性能能非非常常稳稳定定,机机械械强强度度高高,绝绝缘缘性性能能也也相相当当好好。但但石石英英材材料料价价格格昂昂贵贵,且且压压电电系系数数比比压压电电陶陶瓷瓷低低得得多。因此一般仅用于多。因此一般仅用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中。
23、或要求较高的传感器中。因因为为石石英英是是一一种种各各向向异异性性晶晶体体,因因此此,按按不不同同方方向向切切割割的的晶晶片片,其其物物理理性性质质(如如弹弹性性、压压电电效效应应、温温度度特特性性等等)相相差差很很大大。为为了了在在设设计计石石英英传传感感器器时时,根根据据不不同同使使用用要要求求正确地选择石英片的切型。正确地选择石英片的切型。石英晶片的切型符号表示方法:石英晶片的切型符号表示方法:uIRE标准规定的切型符号表示法;标准规定的切型符号表示法;u习惯符号表示法。习惯符号表示法。现在学习的是第19页,共47页IRE标标准准规规定定的的切切型型符符号号包包括括一一组组字字母母(X、
24、Y、Z、t、l、b)和和角角度度。用用X、Y、Z中中任任意意两两个个字字母母的的先先后后排排列列顺顺序序,表表示示石石英英晶晶片片厚厚度度和和长长度度的的原原始始方方向向;用用字字母母t(厚厚度度)、l(长长度度)、b(宽宽度度)表表示示旋旋转转轴轴的的位位置置。当当角角度度为为正正时时,表表示示逆逆时时针针旋旋转转;当当角角度度为为负负时时,表表示示顺顺时时针针旋旋转转。例例如如:(YXl)35 切切型型,其其中中第第一一个个字字母母Y表表示示石石英英晶晶片片在在原原始始位位置置(即即旋转前的位置旋转前的位置)时的厚度时的厚度ZZOOYYZXX35(a)(b)(YXl)35切型(a)石英晶片
25、原始位置(b)石英晶片的切割方位沿沿Y轴方向,第二个字母轴方向,第二个字母X表示石英晶片在原始位置表示石英晶片在原始位置时的长度沿时的长度沿X轴方向,第三轴方向,第三个字母个字母l和角度和角度35 表示石英表示石英晶片绕长度逆时针旋转晶片绕长度逆时针旋转35,如图。,如图。Y现在学习的是第20页,共47页又又如如(XYtl)5/-50 切切型型,它它表表示示石石英英晶晶片片原原始始位位置置的的厚厚度度沿沿X轴轴方方向向,长长度度沿沿Y轴轴方方向向,先先绕绕厚厚度度t逆逆时时针针旋旋转转5,再再绕绕长长度度l顺时针旋转顺时针旋转50,如图。,如图。习习惯惯符符号号表表示示法法是是石石英英晶晶体体
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