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32压电陶瓷片

作者:威尼斯人app    更新时间:2020-10-19 21:15

  3.2压电陶瓷片_电子/电路_工程科技_专业资料。3.4 压电式传感器 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

  3.4 压电式传感器 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。 3.4 压电式传感器 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。 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。 电能 正压电效应 逆压电效应 机械能 压电效应 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。 电能 正压电效应 逆压电效应 机械能 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 Z Z 方向的力作用下产生电 荷的压电效应称为“纵 Y 向压电效应”,而把沿 Y 机械轴Y-Y方向的力作 X 用下产生电荷的压电效 X 应称为“横向压电效应 (a) (b) ”,沿光轴Z-Z方向受 石英晶体 力则不产生压电效应。 (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-。 Y X + Y + - 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 Y + (即Si4+和2O2-)正好分布在正六边形 顶角上,形成三个互成120? 夹角的偶 P3 P1 X + 极矩P1 、P2 、P3 ,如图(a)所示。此 P2 时正负电荷中心重合,电偶极矩的矢 + 量和等于零,即 (a) FX=0 P1+P2+P3=0 当晶体受到沿X方向的压力(FX0)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 Y 极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0 FX F - + + X 在Y、Z方向上的分量为 - P1 P3 + X (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 - P2 - + + 荷,在Y、Z轴方向则不出现电荷。 (b) FX0 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)X0 (P1+P2+P3)Y=0 (P1+P2+P3)Z=0 Y FX + + + + (c) FX0 + P1 + P3 P2 - - - - - X - + FX 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。 a—石英晶体结构;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。 Z 当晶片受到沿X轴方向 的压缩应力σXX作用时,晶 片将产生厚度变形,并发 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 b X Y c a 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: QXX ? d11 FX 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: u XX Q XX d11 FX ? ? CX 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: a Q XY ? d 12 FY b 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 a Q XY ? ?d11 FY b 产生电压为: ? Q XY ? ?d a FY u XY 11 Cx b Cx 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。 ? 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。 3.4.2 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁电体一类的物质,是人工制造的多 晶压电材料,它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 电畴是分子自发形成的区域,它有一定的极化方向,从 而存在一定的电场。在无外电场作用时,各个电畴在晶 体上杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,因此原始 的压电陶瓷内极化强度为零,见图(a)。 直流电场E 剩余极化强度 电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中 剩余伸长 (c)极化处理后 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电偶极矩的形式表现出来 ,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。 电极 自由电荷 ----- +++++ 极化方向 束缚电荷 ----- 电极 + + + + + 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F, 如图,陶瓷片将产生压缩形变(图中虚线),片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小。因此, 原来吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而出 现放电荷现象。当压力撤消后,陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程),片内的正、负电荷之间的距离变大, 极化强度也变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。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,就是正压电效应。 F ----- - +++++ 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) 同样,若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场, 如图,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,陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大,就是说,陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变(图中虚线)。同理,如果外加电场的方向与 极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。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,就是逆压电效应。 ------ 逆压电效应示意图 (实线代表形变前的情况, 虚线代表形变后的情况) E ++++++ 极化 方向 ------ ++++++ 电 场 方 向 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,陶瓷内的极化电 荷是束缚电荷,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 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。 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 : QZZ ? d ZZ FZ 式中 dzz—压电陶瓷的纵向压电系数。 输出电压为: u ZZ d ZZ ? FZ CZ 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 ? d Z 1 同理 SZ FX SX SZ FY SY QZY ? d Z 2 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; 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) 石英晶体 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。 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 / d20 斜率: -0.016%/℃ 0.98 0.97 0.96 0.95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 t℃ 6 相 对5 介4 电3 常 数2 ε 1 0 居里点 t/℃ 100 200 300 400 500 600 石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化 特性 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。 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) 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 (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 无铅压电陶瓷及其换能器外形 (上海硅酸盐研究所研制) (三)压电聚合物 聚二氟乙烯(PVF2 )是目前发现的压电效应较强 的聚合物薄膜,这种合成高分子薄膜就其对称性来看, 不存在压电效应,但是它们具有“平面锯齿”结构,存 在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴 成规则排列,并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶 极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后,就可以成 为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性,并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、 稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电 陶瓷粉末,制成混合复合材料(PVF2—PZT)。 (四)压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe,这种力敏器件具有灵 敏度高,响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波 振荡器的压电材料,可测取力和温度等参数。 高分子压电薄膜及拉制 压电式脚踏报警器 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 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 小,因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻 抗的前置放大器。 ①电压放大器(阻抗变换器) 放大器的输出与 Ca 、 Cc 、 Ci dFm ui ? C a ? C c ? Ci 放大器的输出与 C a ,C c , i C 有关,而与输入信 号的频率无关。 电压放大器等效电路图 ②电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比 的放大器。 ? AQ Q Uo ? ?? (1 ? A)C f Cf 电荷放大器的输出 电压只与反馈电容有 关,而与连接电缆无 关。放大器的输出灵 敏度取决于 C f 。 电荷放大器等效电路 3.4.5 压电式传感器的应用 1. YDS-781型压电式单向传感器 压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。图示为 YDS-781型压电式单向传感器结构,它由底座、传力上盖、 片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座等组成。 1-传力上盖;2-压电片;3-片式电极;4-电极引出插头;5-绝缘材料;6-底座 YDS-781型压电式单向力传感器结构 2. 压电式加速度传感器 其结构一般有纵向效应型、横向效 应型和剪切效应型三种。纵向效应是最 常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环 型,通过螺母3对质量块预先加载,使之 压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基 座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出 信号由电极1引出。 2 1 运 动 方 向 纵向效应型加速度 传感器的截面图 3 4 5 当传感器感受振动时,因为质量块相对被测体质量较小, 因此质量块感受与传感器基座相同的振动,并受到与加速度方向 相反的惯性力,此力F=ma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产 生电荷为 q=d33F=d33ma 3. 用压电式传感器测表面粗糙度 图示为压电式传感器在轮廓仪上应用时的结构示意图。传 感器由驱动箱拖动使其触针在工件表面以恒速滑行。工件表面 的起伏不平使触针上下运动,通过针杆使压电晶体随之变形, 这样,在压电晶体表面就产生电荷,由引线输出与触针位移成 正比的电信号。 压电式传感器表面粗糙度测试示意图 4. 煤气灶电子点火装置 煤气灶电子点火装置 4. 煤气灶电子点火装置 煤气灶电子点火装置原理是利用高压跳火 来点燃煤气。当使用者将开关往里压时,把气 阀打开;将开关旋转,则使弹簧往左压;此时, 弹簧有一很大的力撞击压电晶体,则产生高压 放电,导致燃烧盘点火。 在工程和机械加工中,压电力传感器可用 于测量各种机械设备及部件所受的冲击力。例 如锻造工作中的锻锤、打夯机、打桩机、振动 给料机的激振器、地质钻机钻探冲击器、船舶、 车辆碰撞等机械设备冲击力的测量,均可采用 压电力传感器。 压电陶瓷片工作原理:当压电陶瓷片 上受到外加压力时,陶瓷片发生机械变形, 其极化强度随之变小,使一部分附加在陶 瓷片表面的电荷释放出来,而产生放电现 象。当压力取消后,又恢复原状,极化强 度增大,电极上又吸附一部分电荷,出现 充电现象。这种由机械能转变为电能的现 象,称为“正压电效应”。 反之,当在压电陶瓷片上加一电场, 陶瓷片则发生机械变形。当外加电场方向 陶瓷片极化方向相同时,极化强度增大, 使陶瓷片沿极化方向伸长。当外加电场方 向与陶瓷片极化方向相反时,陶瓷片沿极 化方向缩短。这种由电能转变为机械能的 现象,称为“反压电效应”。 +5V R1 A R3 6 80 5 00 K C1 R2 1K R4 3 50 K R5 1 3K R6 2 .7 K C2 OUT Q3 9 01 3 1 0u F Q1 9 01 3 4 7u F Q2 9 01 3 Y1

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