電子功能材料及元器件：8-3 壓電式壓力傳感器的工作原理

1、8-3 壓電式壓力傳感器的工作原理第八章 壓力傳感器8-3-1 壓電效應 當對某些晶體在某些特定方向上加力時，在施力方向的垂直平面上出現(xiàn)正、負束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。 當晶體受到機械力作用時，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，電荷密度大小與所加應力大小成線性關系，這種由機械效應轉換為電效應的過程稱為正壓電效應。 當某些晶體在外電場激勵下，會使晶體在某些方向上產(chǎn)生形變（或諧振）現(xiàn)象，且二者之間亦存在線性關系，這種由電效應轉換為機械效應的過程稱為逆壓電效應。圖1 壓電效應可逆性 8-3-1 壓電效應 壓電元件在受到力作用時，作用力與產(chǎn)生的表面電荷間的關系可表示為 q=dijq為產(chǎn)生表面電荷的密度

2、，為單位面積上的作用力，dij為壓電常數(shù)8-3-1 壓電效應常見晶體的壓電系數(shù)逆壓電效應 S=dtE ,產(chǎn)生變形，應變S，外加電場強度E 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。圖1 石英晶體結晶軸向示意圖X軸為二度旋轉對稱軸，又稱為電軸或極化軸，沿X軸方向的壓電效應最顯著，Y軸又稱機械軸，沿Y軸方向具有橫向壓電效應。Z軸是三度旋轉對稱軸，又稱光軸，在這個方向上沒有壓電效應。在實際應用中，以X軸方向作為壓電晶片的厚度方向切割石英，簡稱X切石英。同理，還有

3、Y切石英。圖2 石英晶體結構示意圖（左旋石英）在正常情況下，石英的硅離子和氧離子配備在六棱柱的晶格上，硅離子按螺旋線排列，螺旋線的螺旋方向表明是右旋石英還是左旋石英，上圖示出的是左旋石英，硅離子2的位置比硅離子1要深入，而硅離子3的位置比硅離子2要深入（這里指從書本紙面向內(nèi)以左旋方式進入）。石英晶體的壓電效應壓電晶體圖3 X切石英的縱向壓電效應 X切石英縱向壓電效應表現(xiàn)如圖 3 所示。當沿X方向施加應力（壓應力或者張應力）時，石英晶體中帶正電荷的硅離子與帶負電荷的氧離子間相對位置發(fā)生變化，破壞了如圖2 所示的分子間原先的平衡，在晶體內(nèi)產(chǎn)生電場，于是在垂直于X軸的兩極板表面產(chǎn)生等值的異號電荷堆積

4、（注意是束縛電荷），亦即產(chǎn)生了壓電效應。相反，若在垂直于軸的兩極板表面施加電場時，電場的作用使離子極化，而極化電荷因同性相斥，異性相吸導致離子發(fā)生相對位移，使晶體在X軸方向上的厚度發(fā)生變化，其表現(xiàn)與正壓電效應的情況相反，亦即產(chǎn)生了逆壓電效應。圖4 Y切石英的橫向壓電效應 對于Y切石英，其橫向壓電效應表現(xiàn)為沿Y軸方向施加壓力（壓應力或者張應力）使得改變硅離子與氧離子相對位置時，在X軸方向的兩個極板上出現(xiàn)等值異號電荷堆積（圖4）。在逆效應時，石英晶體受外加電場作用，使離子發(fā)生極化，晶胞中的離子因極化電荷的同性相斥、異性相吸而產(chǎn)生相對位移，使得晶胞內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力（壓電力），最終引起宏觀應變的發(fā)生。壓

5、電晶體壓電晶體圖3 石英晶體壓電模型 不受力時； (b) x軸方向受力； (c) y軸方向受力 圖3是一個單元組體中構成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。 圖中“+”代表硅離子Si4+， “-”代表氧離子O2-。 壓電晶體 當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。 如圖3（a）所示。 因為P=ql, q為電荷量，l為正負電荷之間距離。此時正負電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。 當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時

6、，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負離子的相對位置也隨之變動。如圖3（b）所示，此時正負電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。在x軸的正方向出現(xiàn)負電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。 當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體的變形如圖-3c）所示。與圖-3（b）情況相似，P1增大，P2、P3減小。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向為正電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。 如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應。

7、 當作用力Fx、Fy的方向相反時，電荷的極性也隨之改變。 壓電晶體壓電晶體石英晶體的壓電常數(shù)矩陣 d11 d12 0 d14 0 0 0 0 0 0 d25 d26 0 0 0 0 0 0圖-6 壓電元件變形方式（a）厚度變形( TE ); (b) 長度變形( LE )； (c) 體積變形( VE )； 面剪切變形( FS )； (e)厚度 剪切變形( TS ) 壓電晶體壓電陶瓷2 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。 在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因

8、此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì), 如圖（a）所示。壓電陶瓷 在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強， 就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性所示。 極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強的剩余極化，當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，電疇發(fā)生偏轉，從而引起剩余極化強度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機械

9、效應轉變?yōu)殡娦?，將機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。對Z軸方向極化的鈦酸鋇陶瓷，其壓電常數(shù)矩陣：0 0 0 0 d15 00 0 0 d24 0 0d31 d32 d33 0 0 0壓電陶瓷 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關，它的參數(shù)也隨時間變化， 從而使其壓電特性減弱。 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按11摩爾分子比例混合后燒結而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍， 但居里點溫度只有115，使用溫度不超過70，溫度穩(wěn)定性和機械強

10、度都不如石英。 壓電陶瓷 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列， 它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點在300以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)（性能指標見表6-1）。 鈮鎂酸鉛是20世紀60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛 、鋯酸鉛（PbZrO3）和鈦酸鉛（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度， 而且能承受較高的壓力。 19 1880年法國人居里兄弟皮爾（PCurie）與杰克斯（JCurie）發(fā)現(xiàn)壓電效應（piezoelectriceffect，注一）。起先，皮爾致力于

11、焦電現(xiàn)象（pyroelectriceffect，注二）與晶體對稱性關系的研究，后來兄弟倆卻發(fā)現(xiàn)，在某一類晶體中施以壓力會有電性產(chǎn)生。他們有系統(tǒng)的研究了施壓方向與電場強度間的關系，及預測某類晶體具有壓電效應。經(jīng)他們實驗而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有：閃鋅礦（zincblende）、鈉氯酸鹽（sodiumchlorate）、電氣石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、異極礦（calamine）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。這些晶體都具有非晶方性（anisotropic）結

12、構，晶方性（isotropic）材料是不會產(chǎn)生壓電性的。壓電陶瓷20壓電現(xiàn)象理論最早是李普曼（Lippmann）在研究熱力學原理時就已發(fā)現(xiàn)，后來在同一年，居里兄弟做實驗證明了這個理論，且建立了壓電性與晶體結構的關系。1894年，?？颂兀╓.Voigt）更嚴謹?shù)囟ǔ鼍w結構與壓電性的關系，他發(fā)現(xiàn)32種晶類（class）可能具有壓電效應（32類中不具有對稱中心的有21種，其中一種壓電常數(shù)為零，其余20種都具有壓電效應） 壓電陶瓷21早在居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電性后的三分之一世紀中，壓電效應在應用上幾乎沒有受到任何重視。就是皮爾本人也只不過用它來測量鐳元素所輻射出的電荷罷了。到了第一次世界大戰(zhàn)，盟軍軍艦受到

13、德國潛艇的攻擊大量受損，于是設法尋找有效偵測潛艇的方法。因為電磁波無法有效穿透海水，而聲波則能容易地在海里行進，因此，當時的藍杰文（P.Langevin）發(fā)展出利用石英壓晶體管作為聲波產(chǎn)生器。可惜等到有了好結果，大戰(zhàn)已接近尾聲而來不及用上了。石英兩面各貼一鋼片，使其振蕩頻率降到50KHz，外加一電脈波訊號，則經(jīng)換能器轉換成聲波傳至海底；過一段時間后，換能器接收到由海底反射之回波，由來回時間及波在海中行進的速度，可決定換能器到海底的距離。這個原理同樣可測潛艇的位置。壓電陶瓷二次大戰(zhàn)聲納音鼓所使用的材料是若歇爾鹽而非石英晶體。1942年，第一個壓電陶瓷材料鈦酸鋇先后在美國、前蘇聯(lián)和日本制成。194

14、7年，鈦酸鋇拾音器第一個壓電陶瓷器件誕生了。50年代初，又一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料-鋯鈦酸鉛研制成功。從此，壓電陶瓷的發(fā)展進入了新的階段。60年代到70年代，壓電陶瓷不斷改進，逐趨完美。如用多種元素改進的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎的三元系、四元系壓電陶瓷也都應運而生。這些材料性能優(yōu)異，制造簡單，成本低廉，應用廣泛。早期壓電效應僅止于學術上的趣味性研究，而如今則已成為非常有用的效應， 壓電陶瓷如今壓電傳感器已經(jīng)被科學家應用到國防建設、科學研究、工業(yè)生產(chǎn)以及和人民生活密切相關的許多領域中，成為信息時代的多面手。在航天領域，壓電材料制作的壓電陀螺，是在太空中飛行的航天器、人

15、造衛(wèi)星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造衛(wèi)星，才能保證其既定的方位和航線。傳統(tǒng)的機械陀螺，壽命短，精度差，靈敏度也低，不能很好滿足航天器和衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高，可靠性好。壓電陶瓷在潛入深海的潛艇上，都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統(tǒng)。它是水下導航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設備，也是開發(fā)海洋資源的有力工具，它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統(tǒng)中，有一雙明亮的“眼睛”壓電水聲換能器。當水聲換能器發(fā)射出的聲信號碰到一個目標后就會產(chǎn)生反射信號，這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收，于是，就發(fā)現(xiàn)了目標。在醫(yī)學上，醫(yī)生將壓電探頭放在人體的檢查部位，通

16、電后發(fā)出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。壓電陶瓷在工業(yè)上，地質(zhì)探測儀里有壓電元件，用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況，查明地下礦藏。還有電視機里的變壓器，它體積變小、重量減輕，效率可達60%80%，能耐住3萬伏的高壓，使電壓保持穩(wěn)定，完全消除了電視圖象模糊變形的缺陷?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的電視機大都采用了壓電陶瓷變壓器。一只15英寸的顯像管，使用75毫米長的壓電變壓器就行了。這樣就使電視機體積變小、重量減輕了。壓電陶瓷壓電也廣泛用于日常生活中。用了兩個直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代了普通的火石制成的氣體電子打火機，可連續(xù)打火幾萬次。利用同一原理制成的電子點火槍是點燃煤氣爐極好的用具。還有一種用壓電元件制作的兒童玩具，比如