第四章 力敏材料與力傳感器,20121106

力敏材料與力傳感器1.彈性敏感元件2.應(yīng)變式電阻傳感器3.壓阻式壓力傳感器4.壓電式傳感器5.電容式傳感器6.電感式傳感器7.轉(zhuǎn)矩傳感器

圖示應(yīng)變式電阻加速度傳感器由基座(用來(lái)固定在被測(cè)物體上)、等截面懸臂梁、質(zhì)量塊和4個(gè)電阻應(yīng)變片組成，以等截面懸臂梁為彈性敏感元件。加速度傳感器l一基座；2一質(zhì)量塊；3一應(yīng)變片；4一懸臂梁2.4應(yīng)變式加速度傳感器及其應(yīng)用

測(cè)量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向，

輸出信號(hào)大小與加速度成正比。

應(yīng)變式電阻加速度傳感器具有靈敏度高、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)安全氣囊的控制、油箱和電梯疲勞強(qiáng)度的測(cè)試以及電腦游戲控制桿的傾角感應(yīng)器中。3.壓阻式壓力傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的，是一種新的物性型傳感器。靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等。壓阻效應(yīng)

單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。對(duì)半導(dǎo)體材料對(duì)金屬材料電阻相對(duì)變化量擴(kuò)散硅壓力傳感器1一引出線(xiàn)；2一電極；3一擴(kuò)散電阻引線(xiàn)；4一擴(kuò)散型應(yīng)變片5—單晶硅膜片；6—硅環(huán)；7一玻璃粘接劑；8一玻璃基板

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，擴(kuò)散硅型傳感器可用來(lái)測(cè)量壓力、力、壓力差、加速度等，其中應(yīng)用最廣的是擴(kuò)散硅壓力傳感器。壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片

隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開(kāi)來(lái)。壓阻式

固態(tài)壓力傳感器

內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進(jìn)氣管p2進(jìn)氣管固態(tài)壓力傳感器K—傳感器的靈敏度系數(shù)

小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進(jìn)氣管投入式液位計(jì)

壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。投入式液位計(jì)外形（續(xù)）壓阻式固態(tài)壓力傳感器光柱顯示器

橡膠背壓管

投入式液位傳感器

投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測(cè)量。

投入式液位計(jì)液位的計(jì)算：

安裝高度h0處水的表壓

p1=gh1

h=h0+h1=h0+p1/（g）

例：液位計(jì)安裝高度為1m，測(cè)得壓力為98kPa，求水的深度。

是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。4.壓電式傳感器壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中Z－Z稱(chēng)為光軸；X－X軸稱(chēng)為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時(shí)垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱(chēng)為機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX

通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。4.1石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。(b)(a)++---YXXY硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影(b)等效為正六邊形排列的投影+

當(dāng)作用力FX=0時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時(shí)，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3

可見(jiàn)，當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時(shí)，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。由此可見(jiàn)，晶體在Y（即機(jī)械軸）方向的力FY作用下，使它在Y

方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在X、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－

當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。a—石英晶體結(jié)構(gòu)；b、c、d、e—壓電效應(yīng)示意圖石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)

假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉積法得到電極面。

當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力σXX作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線(xiàn)性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度PXX與應(yīng)力σXX成正比ZYXca垂直于電軸X石英晶體切片b沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時(shí)，在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷Ｑxx為：

式中d11—石英晶體的縱向壓電系數(shù)在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為：

如果在同一切片上，沿機(jī)械軸Y方向施加作用力Fy時(shí)，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為：式中d12—石英晶體的橫向壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體的軸對(duì)稱(chēng)條件可得d12=-d11,所以產(chǎn)生電壓為：

4.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)當(dāng)壓電陶瓷極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存有很強(qiáng)的剩余場(chǎng)極化。當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，引起極化強(qiáng)度變化，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機(jī)械強(qiáng)度較石英晶體差。4.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷屬于鐵電體一類(lèi)的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類(lèi)似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見(jiàn)圖（a）。直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖

如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線(xiàn)），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過(guò)程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線(xiàn)代表形變前的情況，虛線(xiàn)代表形變后的情況）F－＋

同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變（圖中虛線(xiàn)）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線(xiàn)代表形變前的情況，虛線(xiàn)代表形變后的情況）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場(chǎng)方向Ｅ

由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。4.3壓電材料種類(lèi)：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。

對(duì)壓電材料特性要求：①轉(zhuǎn)換性能。②機(jī)械性能。③電性能。④環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。

（一）

石英晶體

石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。由圖可見(jiàn)，在20℃～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃石英的d11系數(shù)相對(duì)于20℃的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/℃相對(duì)介電常數(shù)ε居里點(diǎn)石英在高溫下相對(duì)介電常數(shù)的溫度特性

石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英晶體材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。

天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振（二）

壓電陶瓷

1、

鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2、

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。

壓電陶瓷外形

無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

（四）壓電半導(dǎo)體材料如ZnO、CdS、CdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。（三）壓電聚合物聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱(chēng)性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2—PZT)。

高分子壓電薄膜及拉制壓電式腳踏報(bào)警器

4.4壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器可等效為如圖(a)所示的電壓源，也可等效為一個(gè)電荷源，如圖(b)所示。

壓電傳感器電壓源與電荷源等效電路

壓電傳感器與測(cè)量電路連接時(shí)，還應(yīng)考慮連接線(xiàn)路的分布電容Cc，放大電路的輸入電阻Ri，輸入電容Ci及壓電傳感器的內(nèi)阻Ra。

壓電傳感器實(shí)際等效電路1.電壓放大器壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。①電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器等效電路圖

放大器的輸出與、、放大器的輸出與，，有關(guān)，而與輸入信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。②電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器。電荷放大器等效電路

電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關(guān)，而與連接電纜無(wú)關(guān)。放大器的輸出靈敏度取決于。4.5壓電式傳感器的應(yīng)用

1.YDS-781型壓電式單向傳感器

壓電測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)通常為荷重墊圈式。圖示為YDS-781型壓電式單向傳感器結(jié)構(gòu)