【正文】 第 6章 壓電式傳感器 等效電路及測量電路 第 6章 壓電式傳感器 壓電效應(yīng)及材料 壓電傳感器的應(yīng)用 第一節(jié) 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 , 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 （ 內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移 ） , 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷 , 當(dāng)外力去掉后 , 其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài) ， 這種現(xiàn)象稱 壓電效應(yīng) 。 當(dāng)作用力方向改變時 , 電荷的極性也隨之改變 。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象 , 稱為 “ 正壓電效應(yīng) ” 。 ?壓電效應(yīng) ?壓電效應(yīng) 定義 ?某些電介質(zhì)（晶體），當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ?施力而使它變形時 ，內(nèi)部就產(chǎn)生 極化現(xiàn)象 ，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生 符號相反的電荷 ，當(dāng) 外力去掉 后，又重新 恢復(fù)不帶電狀態(tài) ， 這種現(xiàn)象稱 壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng) 分類 正壓電效應(yīng) ： 當(dāng)作用力 方向改變 時，電荷的極性也隨之 改變，常把這種 機(jī)械能 轉(zhuǎn)換為 電能 的現(xiàn)象 稱正壓電效應(yīng) （或 順壓電效應(yīng) ）。 逆壓電效應(yīng)： 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向上施加 電場 ， 這些 電介質(zhì)也會在產(chǎn)生 幾何變形 ， 當(dāng)外加電場 撤去 時 ， 這些變形也隨之 消失 ， 這種將 電 能 轉(zhuǎn)化成 機(jī)械能 的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng) （ 或 稱電致伸縮效應(yīng) ） 。 壓電效應(yīng)具有 可逆性 ， 利用這一特性可以實現(xiàn) 機(jī)械能 和 電能 的相互轉(zhuǎn)換 。 壓電效應(yīng) 特性 壓電元件 機(jī)械能 電能 逆壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng) 壓電晶體：如石英等； 壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； 新型壓電材料：壓電半導(dǎo)體 (如硫化鋅、碲化鎘等 ) 高分子壓電材料。 自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng) , 但 壓電效應(yīng)十分微弱 壓電材料 分類 分類 具有壓電效應(yīng)的材料稱為 壓電材料 。 石英是單晶體，具有規(guī)則的幾何外形，其形狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。 二、石英晶體 ? Z軸 (光軸 ） ， 是晶體的對稱軸，用光學(xué)方法確定，作為基準(zhǔn)軸。 ? X軸 (電軸 )， 經(jīng)過正六棱柱相對的兩個棱線，且垂直于光軸，該軸壓電效應(yīng)最顯著。 ? Y軸 (機(jī)械軸 )， 垂直于兩個相對的表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。 石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理 石英晶體： SiO2 代表硅離子 Si4+ + “ ” 代表硅離子 2O2– _ “ ” 當(dāng)石英晶體沒有受到外力作用時： 1 2 3 0P P P? ? ?正負(fù)電荷中心重合 晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。 X軸方向上受到壓力時： 結(jié)果： 1 2 3( ) 0xP P P? ? ? 1 2 3( ) 0yP P P? ? ?A面上呈現(xiàn)負(fù)電荷 B面上呈現(xiàn)正電荷 這種沿 X軸施加力，而在垂直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，就是 “縱向壓電效應(yīng)” 。 1 2 3( ) 0zP P P? ? ? Y軸方向上受到壓力時： 結(jié)果： 1 2 3( ) 0xP P P? ? ? 1 2 3( ) 0yP P P? ? ?A面上呈現(xiàn)正電荷 B面上呈現(xiàn)負(fù)電荷 這種沿 Y軸施加力，而在垂直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，就是 “橫向壓電效應(yīng)” 。 1 2 3( ) 0zP P P? ? ? Z軸方向上受到壓力時： 1 2 3( ) 0xP P P? ? ?1 2 3( ) 0yP P P? ? ?1 2 3( ) 0zP P P? ? ?正負(fù)電荷始終中心重合，所以晶體表面無電荷產(chǎn)生。 沿 Z軸方向施加外力，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 縱向壓電效應(yīng) 橫向壓電效應(yīng) 表面電荷的計算問題 有一石英晶體，其長度為 5mm，寬度為 4mm，厚度為 10mm，當(dāng)受到壓力 P=10MPa作用時，求在縱向壓電效應(yīng)的壓縮力作用下產(chǎn)生的電荷量。（ d=） x b z y a c x b z y a c ?當(dāng)沿 X軸 施加作用力時，晶片產(chǎn)生厚度變形，并在與 x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且 電荷密度 與 應(yīng)力 成正比： 11xxQ d F??—— x軸 方向受力的壓電系數(shù)； 11dx b z y a c ?沿 y軸 施加作用力時，晶片產(chǎn)生長度變形，并在與 x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且 電荷密度 與 應(yīng)力 成正比： 12yyaQ d Fb? ? ?—— y軸 方向受力的壓電系數(shù)； 12d12 11dd??晶片厚度 xx Fdq 11? yyy FbadFbadq1112 ???結(jié)論： ① 當(dāng)晶片受到 x方向的壓力作用時， qx只與作用力 Fx 成 正比 ，而與晶片的 尺寸無關(guān) ； ② 沿機(jī)械軸 y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷與 幾何尺寸有關(guān) ； ③ 石英晶體 不是在任何方向 都存在壓電效應(yīng)的； ④ 晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng) ， 則在此方向上 一定存在 逆壓電效應(yīng) ； ⑤ 無論是正或逆壓電效應(yīng) ， 其作用力 （ 或應(yīng)變 ） 與 電荷之間皆呈 線性關(guān)系 。 ? 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大