传感器应用技术修优秀课件.ppt
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1、传感器应用技术修第1页,本讲稿共47页n真空蒸镀n在真空室内,将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热器上加热,当真空度抽到0.0133Pa以上时,加大钨丝的加热电流,使材料融化,继续加大电流使材料蒸发,在基底上凝聚成膜。1真空室 2基底3钨丝 4接高真空泵。3.3 薄膜应变片第2页,本讲稿共47页n溅射n在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压(通常在1000V以上)使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使待溅射物的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜。1靶 2阴极 3直流高压4阳极 5基片6惰性气体入口 7接真空系统。3.3 薄膜应变片第3页,本讲稿共47页
2、3.4 压电式压力传感器n压电式传感器是以某些电介质的压电式传感器是以某些电介质的压电效应压电效应为基础,在外力为基础,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。作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量。n压电传感元件是力敏感元件,所以它能将测量量最终变换为压电传感元件是力敏感元件,所以它能将测量量最终变换为力的一些物理量,例如力、压力、加速度等。力的一些物理量,例如力、压力、加速度等。n压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。结构简单、工作可靠、重量轻等优点。第4页,本讲稿
3、共47页3.4.1 压电效应n正压电效应:某些电介质,当沿着正压电效应:某些电介质,当沿着一定方向一定方向对其施力而使它对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的变形时,内部就产生极化现象,同时在它的一定表面一定表面上产生电上产生电荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象。当作用荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。力方向改变时,电荷极性也随着改变。n逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的极化方向极化方向施加电场,施加电场,这些电介质就在这些电介质就在一定方向一定方向上产生机械变形或机械压力
4、,当外加电场上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。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第5页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。酸铅等材料是性能优良的压电材料。n压电传感器中的压电元件材料一般有三类:压电传感器中的压电元件材料一般有三类:1.压电晶体(如石
5、英晶体);压电晶体(如石英晶体);2.经过极化处理的压电陶瓷;经过极化处理的压电陶瓷;3.高分子压电材料或压电半导体。高分子压电材料或压电半导体。第6页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应n石英晶体是最常用的压电晶体之一,它理想的几何形状为石英晶体是最常用的压电晶体之一,它理想的几何形状为正六面体晶柱。正六面体晶柱。n在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示,其中纵向轴在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示,其中纵向轴Z Z称为称为光轴;经过正六面体棱线且垂直于光轴的光轴;经过正六面体棱线且垂直于光轴的x x轴称为电轴;与轴称为电轴;与x x轴轴和和z z
6、轴同时垂直的轴同时垂直的y y轴称为机械轴轴称为机械轴。第7页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应石英晶体的三个晶轴石英晶体的三个晶轴n光轴(基准轴,光轴(基准轴,Z Z轴):光沿该方向通过没有双折射轴):光沿该方向通过没有双折射现象,该方向没有压电效应,光学方法确定。现象,该方向没有压电效应,光学方法确定。n机械轴(机械轴(Y Y轴):垂直轴):垂直xzxz面,在电场作用下,该轴方面,在电场作用下,该轴方向的机械变形最明显。向的机械变形最明显。(横向压电效应横向压电效应)n电轴(电轴(X X轴):经过晶体棱线,垂直于该轴的表面上轴):经过晶体棱线,垂直于该轴的表面上压电效应最强。(纵向压电效
7、应)压电效应最强。(纵向压电效应)第8页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n在在X X轴方向施加压力时,石英晶体的轴方向施加压力时,石英晶体的X X轴轴 正向带正电;如果作用力正向带正电;如果作用力F FX X改为拉力,改为拉力,则在垂直于则在垂直于X X轴的平面上仍出现等量电荷,轴的平面上仍出现等量电荷,但极性相反,见图但极性相反,见图(a a)、(b b)。FXFX+(a)(b)XX压电系数压电系数v受力方向和变形不同压电系数也不同受力方向和变形不同压电系数也不同第9页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n如果在同一晶片上作用力是沿着机如果在同一晶片上作用力是沿着机 械轴的方向,其电荷仍
8、在与械轴的方向,其电荷仍在与X X 轴垂轴垂 直平面上出现,其极性见图(直平面上出现,其极性见图(c c)、)、(d d),此时电荷的大小为:),此时电荷的大小为:+(c)(d)FYFYXXl、h晶体切片的长度和厚度晶体切片的长度和厚度Y轴方向上受力的轴方向上受力的压电系数压电系数第10页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应压电效应的物理解释压电效应的物理解释n在不受力的情况下在不受力的情况下+-XYP1P2P3第11页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n受到受到X X方向的力方向的力纵向压电效应纵向压电效应+-XYP1P2P3第12页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n受到受到Y Y方向
9、的力方向的力横向压电效应横向压电效应+-XYP1P2P3第13页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应n压电陶瓷与石英晶体不同,前者是压电陶瓷与石英晶体不同,前者是人工制造的多晶体压人工制造的多晶体压电材料电材料,而后者是单晶体。,而后者是单晶体。n压电陶瓷在未进行压电陶瓷在未进行极化处理极化处理时,不具有压电效应;经过极时,不具有压电效应;经过极化处理后,它的压电效应非常明显,具有很高的压电系数,化处理后,它的压电效应非常明显,具有很高的压电系数,为石英晶体的几百倍。为石英晶体的几百倍。n压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。压电陶瓷具有与铁
10、磁材料磁畴结构类似的电畴结构。第14页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应直流电场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 第15页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n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是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来,即在陶瓷的一端出现正的形式表现出来,即在陶瓷的一端出现正束缚电束缚电荷荷,另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用,在陶瓷,另一
11、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片的电极面上吸附了一层 来自外界的自由电荷。这来自外界的自由电荷。这 些自由电荷与陶瓷片内的些自由电荷与陶瓷片内的 束缚电荷符号相反而数量束缚电荷符号相反而数量 相等,它起着屏蔽和抵消相等,它起着屏蔽和抵消 陶瓷片内极化强度对外界陶瓷片内极化强度对外界 的作用。的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度。自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极极化方向极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图的自由电荷示意图第16页,本讲稿共47页3.4.1
12、压电效应n如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F F,陶瓷片将产生压,陶瓷片将产生压缩形变,片内的缩形变,片内的正、负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变正、负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小小。因此,原来。因此,原来吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而出现放电现象出现放电现象。n当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,片内的正、负电荷之间的距当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,片内的正、负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因此离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而电极上又吸附一部分自由电荷而
13、出现充电现象出现充电现象。n这种由机械效应转变为电效应,或者由机械能转变为电能的现这种由机械效应转变为电效应,或者由机械能转变为电能的现象,就是象,就是正压电效应正压电效应。极化方向F第17页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n在陶瓷片上加一个在陶瓷片上加一个与极化方向相同与极化方向相同的电场,的电场,由于电场的方向与极化强度的方向相同,所由于电场的方向与极化强度的方向相同,所以电场的作用使极化强度增大。这时,陶瓷以电场的作用使极化强度增大。这时,陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大,就是片内的正负束缚电荷之间距离也增大,就是说,陶瓷片说,陶瓷片沿极化方向产生伸长形变沿极化方向产生伸长形变。
14、n同理,如果外加电场的方向同理,如果外加电场的方向与极化方向相反与极化方向相反,则陶瓷片则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变沿极化方向产生缩短形变。n这种由于电效应而转变为机械效应或者由这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象,就是电能转变为机械能的现象,就是逆压电效逆压电效应应。极化方向电场方向第18页,本讲稿共47页3.4.1 压电效应n由此可见,压电陶瓷所以具有压电效应,是由于陶瓷内由此可见,压电陶瓷所以具有压电效应,是由于陶瓷内部存在部存在自发极化自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被。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。如果外界迫取
15、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变的作用(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。化,陶瓷就出现压电效应。n此外,还可以看出,陶瓷内的此外,还可以看出,陶瓷内的极化电荷是束缚电荷极化电荷是束缚电荷,而不是,而不是自由电荷,这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产自由电荷,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,生的放电或充电现象,是通过陶瓷内部极化强度的变化,引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。第19页,本讲稿共47页3
16、.4.2 压电材料一、常用压电材料一、常用压电材料1.1.压电晶体压电晶体 石英晶体石英晶体 水溶性压电晶体水溶性压电晶体 铌酸锂晶体铌酸锂晶体 2.2.压电陶瓷压电陶瓷 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷 3.3.压电半导体压电半导体 硫化锌硫化锌 碲化镉碲化镉第20页,本讲稿共47页二、压电材料的主要特性参数二、压电材料的主要特性参数压电常数压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出灵敏度。接关系到压电输出灵敏度。(C/N)
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