3.3压阻式与压电式传感器

+ P1
P3 -
P2
-
+
X
P1＋P2＋P3＝0
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X
方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，
如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶
极在矩Y、在ZX方方向向上的的分分量量为为(P1+P2+P3)X>0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电
b、c、d、e—压电效应示意图
石英晶体结构及压电效应
假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切
片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，并在垂直X轴
方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。
当晶片受到沿X轴方向
b
Z
的压缩应力σXX作用时，晶 片将产生厚度变形，并发
X
Y
生极化现象。在晶体线性
弹性范围内，极化强度PXX 与应力σXX成正比
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
小型压阻式固态压力传感器（续）
呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器
p1进气管
固态压力 传感器
p2进气管
uo Kp
K—传感器的灵敏度系数
投入式液位计
压阻式固态压力传感器用于投入式液位计： p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用 硅油传导压力而与液体相通。
机械轴Y－Y方向的力作
用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应
”，沿光轴Z－Z方向受
力则不产生压电效应。
Z
Z
Y
Y X
X
(a)
(b)
石英晶体
(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。
组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影， 如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b) 中 正 六 边 形 排 列 ， 图 中 “ ＋ ” 代 表 Si4+ ， “ － ” 代 表 2O2-。
荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。
FX－ -
Y +
+FX
－ + P1 P3 - + X
－
P2
+
－ - ++
(b) FX<0
当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变 化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为
（P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
FX +
Y
Y
-
+
X
X
+
-
-
+
(a)
(b)
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
当作 用 力 FX=0 时 ，正 、 负 离 子 （即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形
Y
-
+
顶角上，形成三个互成120º夹角的偶 极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此 时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢 量和等于零，即
解：受力F作用后，石英晶体产生电荷量为 q=d•F=d•p•S
代入数据得
q= 2 .3 1 1 0 1 2 1 0 1 0 6 3 1 0 4 6 .9 3 1 0 9C
则输出电压 uq c3 6..9 98 3 1 10 0 191 174V
3.4.2 压电陶瓷的压电效应
➢ 当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存 有很强的剩余场极化。
石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化 特性
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数
的温度特性
石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度 高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且 压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准 仪器或要求较高的传感器中。
3.3压阻式压力传感器
是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的 物性型传感器。灵敏度高、动态响应好、精度高、易于 微型化和集成化等。
压阻效应
单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显 变化，这种现象被称为压阻效应。
根据结构不同，扩散硅型传感器可用来测量压力、力、压 力差、加速度等，其中应用最广的是扩散硅压力传感器。
电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。
3.4.3 压电材料 种类：
压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。
对压电材料特性要求： ①转换性能。 ②机械性能。 ③电性能。 ④环境适应性强。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
（一） 石英ห้องสมุดไป่ตู้体
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。
是以某些电介质的压电效应为基础，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。
压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能 变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。
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。在工程力学、 生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领 域中获得了广泛的应用。
1.电压放大器 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较
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由图可见，在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃， 压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失 去了压电特性，这就是它的居里点。
1.00
0.99
dt / 0.98 d20 0.97
斜率： －0.016％/℃
0.96
t℃
0.95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同 方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、 温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时， 根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。
天然形成的石英晶体外形
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
+
(c) FX>0
+ +
+
Y
-
+
－FX
P1
- P2
P3
-
－ －
+－
X
在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。
可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它
在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效
应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。由此 可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它 在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效 应。
d12
a b
FY
式中 d12—石英晶体的横向压电系数。根据 石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以
QXY d11abFY
产生电压为：uXYQ CXxYd11abC FYx
例：有一压电晶体，其面积S=3c m 2,晶体的电容量 为 3.981011 F,在零度，x切型纵向石英晶体压电系 数d= 2.311012 C/N。求受到压力p=10 MPa 作用时 产生的电荷q及输出电压U。
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
3.4.1 石英晶体的压电效应
天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在
晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中Z－Z称 为光轴；X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂 直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。
通常把沿电轴X－X
方向的力作用下产生电 荷的压电效应称为“纵 向压电效应”，而把沿
晶振
石英晶体在振荡电路 中工作时，压电效应与逆 压电效应交替作用，从而 产生稳定的振荡输出频率。
（二） 压电陶瓷
1、 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常数和较大的压
电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度 低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆 钛 酸 铅 是 由 PbTiO3 和 PbZrO3 组 成 的 固 溶 体 Pb
➢ 当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限 发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效 应。
➢ 经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电 系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较 石英晶体差。
当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）的作 用力Fz时（即作用力垂直于极化面），则在两个镀银 （或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力 Fz成比例，即 :
（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里 温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间 稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量 元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能 的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传 感器中应用最广泛的压电材料。
压电陶瓷外形
a
c
垂直于电轴X石英晶体切片
沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴垂直的表面 上产生电荷Ｑxx为：
QXXd11FX
式中 d11—石英晶体的纵向压电系数 在覆以金属极面间产生的电压为：
uXXQCXXX
d11FX CX
如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加
作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生
电荷为：
QXY
投入式液位传感器
投入式液位传感器安 装方便，适应于深度为 几 米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他 液体的液位测量。
投入式液位计液位的计算：
安装高度h0处水的表压 p1=gh1
h=h0+h1=h0+p1 /（g）
例：液位计安装高度为1m，测得压力 为98kPa，求水的深度。
3.4 压电式传感器
压电效应
正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着
一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象， 同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重 新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷 极性也随着改变。
逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化
方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 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。
过 才 知 感 慨 ，摆脱 寂寞的 阴霾， 奢求幸 福的未 来，说 着甜蜜 的对白 ，难忍
扩散硅压力传感器 1一引出线；2一电极；3一扩散电阻引线；4一扩散型应变片 5— 单晶硅膜片；6—硅环；7一玻璃粘接剂；8一玻璃基板
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压膜 片可以将腐蚀性的 气体、液体与硅膜 片 隔离开来。
3.4.4 压电式传感器的测量电路
压电传感器可等效为如图 (a)所示的电压源,也可等 效为一个电荷源，如图 (b)所示。
压电传感器电压源与电荷源等效电路
压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连接 线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻Ri，输入 电容Ci及压电传感器的内阻Ra。
压电传感器实际等效电路
QZZdZZFZ
式中 dzz—压电陶瓷的纵向压电系数。
输出电压为:
uZZ
dZZ CZ
FZ
压电陶瓷的压电效应
当沿X轴方向施加作用力Fx时，在镀银极化 面上产生电荷Qzx为:
QZX dZ1
SZ SX
FX
同理
QZY
dZ2
SZ SY
FY
式中的dz1、dz2是压电陶瓷在横向力作用时 的压电系数，且均为负值；