《有源傳感器》ppt課件

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1、第2章有源傳感器2.2.1壓電效應(yīng)和壓電材料一、物質(zhì)的壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產(chǎn)生，會在其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”——機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽环粗?，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個表面）施加電場，它又會產(chǎn)生機械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”——電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。FF極化面Q壓電介質(zhì)機械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆

2、性2.2壓電式傳感器2.1磁電式式傳感器0755-83376489二、壓電材料的壓電常數(shù)以下討論忽略外界附加電場、力場的作用和溫度、磁場的影響。1.石英晶體的壓電方程及壓電常數(shù)矩陣石英晶體是一種各向異性的（壓電材料）介質(zhì)，按X0°切型的正六面體，在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)的力——電作用狀態(tài)如圖所示：X0°切型石英晶體切片的力——電分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFji=1、2、3j=1、2、3、4、5、6yF1～F3分別為沿x、y、z軸的正應(yīng)力（或應(yīng)力分量），

3、F4～F6分別為繞x、y、z軸的切向應(yīng)力，σ1～σ3分別是x、y、z表面由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。其壓電方程為：由此可見，dij是矩陣[dij]上的元素。0755-83376489右旋石英晶體取負(fù)號；左旋石英晶體取正號。壓電常數(shù)矩陣壓電方程的矩陣表示0755-833764892.壓電陶瓷的壓電方程及壓電常數(shù)矩陣實驗表明，鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電方程及壓電常數(shù)矩陣為：(沿Z軸極化)在Z軸方向上存在d31、d32、d33(x、y、z三個方向的壓電效應(yīng))，當(dāng)x、y、z三個方向的應(yīng)力相等均為F時(如在液體中)：壓

4、電方程的矩陣形式d3稱為體積壓縮壓電常數(shù)。0755-83376489三、壓電效應(yīng)的物理機制與表面電荷計算1.物理機制⑴石英晶體：如圖示，晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系(a)(b)(c)(d)晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。由于壓電常數(shù)矩陣中只有d11、d12、d14、d25、d26不為零，并且d14、d25、d26需要切向應(yīng)力作用往往不便利用，所以通常只利用d11、d12=-d11兩個相關(guān)的應(yīng)

5、力方向和這兩個壓電常數(shù)。不受力石英晶體壓電模型0755-83376489⑵壓電陶瓷：壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機理與石英晶體大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，剩余極化強度會使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個表面吸附一層來自外界的自由電荷，并使整個壓電陶瓷片呈電中性。當(dāng)對其施加一個與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將會產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對另一端異號的束縛電荷影像增強，而使表面

6、的自由電荷過剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時，將會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。束縛電荷和自由電荷排列示意圖自由電荷自由電荷電極束縛電荷0755-833764892.表面電荷計算由σij=dijPj，兩邊同乘以產(chǎn)生電荷表面的面積S，得Qij=Sσij=SdijPj，當(dāng)i=j時，Qi=diiFj(作用力垂直于產(chǎn)生電荷的表面時)，如對于石英晶體F（F=SP）平行于x軸為Fx時，Qx=d11Fx；如對于鈦酸鋇，F(xiàn)平行于Z軸為FZ時，QZ=d33FZ。若i≠j，如石英晶體若i=1，j=2，F(xiàn)平行于y軸為Fy時,在與x軸垂直的

7、表面上產(chǎn)生的電荷,[Qx]y=d12SxPy，⑶兩種壓電材料的特點石英晶體：居里點溫度高（高達(dá)573℃），穩(wěn)定性好，無熱釋電現(xiàn)象。但壓電常數(shù)小，成本高。壓電陶瓷：壓電常數(shù)大，成本低。但居里點溫度低，穩(wěn)定性不如石英晶體，有熱釋電現(xiàn)象，會給傳感器帶來熱干擾。利用熱釋電現(xiàn)象特性可以制作熱電傳感器，如紅外探測。與x軸垂直的表面的面積1→x；2→y3.常用壓電材料⑴壓電晶體（單晶體）：石英；鈮酸鋰等。⑵壓電陶瓷：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）等。⑶壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）等。0755-8337648

8、9等效電路(a)(b)導(dǎo)電層2.2.2壓電傳感器的等效電路和測量電路一、等效電路壓電傳感器的基片結(jié)構(gòu)如右圖(a)，幾何形狀有圓片、方片、圓柱、圓筒等形狀，在基片的兩個相互絕緣(產(chǎn)生電荷)的表面鍍有導(dǎo)電金屬膜(如銀膜)并焊接一對電極而成。由于壓電傳感器的基片一般具有較大的介電常數(shù)，電極間的距離也不大，所以壓電傳感器可以等效為一只電容器。根據(jù)高頻電子線路的知識我們知道，石英晶體的交流等效回路是LCR電路，存在兩個諧振