第四章 力敏材料与力传感器,20121106

1、力敏材料与力传感器1. 1. 弹性敏感元件弹性敏感元件2. 2. 应变式电阻传感器应变式电阻传感器3. 3. 压阻式压力传感器压阻式压力传感器4. 4. 压电式传感器压电式传感器5. 5. 电容式传感器电容式传感器6. 6. 电感式传感器电感式传感器7. 7. 转矩传感器转矩传感器 图示应变式电阻加速度传感器由基座(用来固定在被测物体上)、等截面悬臂梁、质量块和4个电阻应变片组成，以等截面悬臂梁为弹性敏感元件。加速度传感器l一基座； 2一质量块；3一应变片； 4一悬臂梁2.4 2.4 应变式应变式加速度加速度传感器及其应用传感器及其应用 测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部

2、位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向， 输出信号大小与加速度成正比。 应变式电阻加速度传感器具有灵敏度高、静态和动态特性好等优点，广泛应用于汽车安全气囊的控制、油箱和电梯疲劳强度的测试以及电脑游戏控制杆的倾角感应器中。aEbmllFEbll2020)(6)(63. 3. 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 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。 压阻效应压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为显变化，这种现象被称为压阻效应压阻效应。21dRdR

3、21RdREd2121ERdR对半导体材料对金属材料电阻相对变化量扩散硅压力传感器扩散硅压力传感器1 1一引出线；一引出线；2 2一电极；一电极；3 3一扩散电阻引线；一扩散电阻引线；4 4一扩散型应变片一扩散型应变片5 5 单晶硅膜片；单晶硅膜片；66硅环；硅环；7 7一玻璃粘接剂；一玻璃粘接剂；8 8一玻璃基板一玻璃基板 根据结构不同，扩散硅型传感器可用来测量压力、力、压根据结构不同，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。力差、加速度等，其中应用最广的是扩散硅压力传感器。压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片

4、 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。压阻式压阻式固态压力传感器固态压力传感器内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器小型压阻式固态压力传感器（续）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呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p p1 1进气管进气管p p2 2进气管进气管固态压力固态压力传感器传感器pKuoK传感器的灵敏度系数 小型压阻式固态压力传感器（续）小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器表压压力传感器p p1 1进气

5、管进气管投入式液位计投入式液位计 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。 投入式液位计外形（续）投入式液位计外形（续）压阻式固态压阻式固态压力传感器压力传感器光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度安装方便，适应于深度为为 几米几米 至至 几十米，几十米，且混有大量污物、杂质且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位的水或其他液体的液位测量。测量。 投入式液位计液位的计算：投入式液位计液位的计算： 安装高度安装高度h h0 0处水的表压

6、处水的表压 p p1 1= = ghgh1 1 h h= =h h0 0+ +h h1 1= =h h0 0+ +p p1 1 / /（ g g） 例：液位计安装高度为例：液位计安装高度为1m1m，测得压力，测得压力为为98kPa98kPa，求水的深度。，求水的深度。 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

7、中获得了广泛的应用。 4. 4. 压电式传感器压电式传感器压电效应压电效应正压电效应正压电效应（顺压电效应顺压电效应）：某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一定方向一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的同时在它的一定表面一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重上产生电荷，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。极性也随着改变。逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）：当在电介质的当在电介质的极化极化方向方向施加电场，这些电介质就在施加电

8、场，这些电介质就在一定方向一定方向上产生机械变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。随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应 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ZZ称为光轴；XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体( (a a) )理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 ( (b b) )坐标系坐标系ZYX 通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的

9、压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴YY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ZZ方向受力则不产生压电效应。4.1 4.1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。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组成石英晶体的硅离子SiSi4+4+和氧离子和氧离子O O2-2-在在Z Z平面投影，平面投影，如图如图( (a a) )。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图( (b b) )中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O

10、2O2-2-。(b)(a)+-YXXY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顶角上，形成三个互成120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 P P1 1P P2 2P P3 30 0 当晶体受到沿X方向的压力（FX0在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0

11、+-P1P2P3 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Y 方向产生正压电效应，在X 、Z 方向则不产生压电效应。 （P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为在在X X 轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y Y、Z Z 方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。aa石英晶体结构；石英晶体结构；b b、c c、d d、ee

12、压电效应示意图压电效应示意图石英晶体结构及压电效应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假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体晶体切片，使它的晶面分别平行于切片，使它的晶面分别平行于X X、Y Y、Z Z轴，并在垂直轴，并在垂直X X轴方向两面用真空镀膜或沉积法得到电极面。轴方向两面用真空镀膜或沉积法得到电极面。 当晶片受到沿当晶片受到沿X X轴方向轴方向的压缩应力的压缩应力XXXX作用时，晶作用时，晶片将产生厚度变形，并发片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性生极化现象。在晶体线性弹性范围内，弹性范围内，极化强度极化强度P PXXXX与应力与应力XXXX成正比成正比

13、ZYXca垂直于电轴X石英晶体切片b沿方向施加作用力x时，在与电轴垂直的表面上产生电荷xx为： XXXFdQ11 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：XXXXXXXCFdCQu11 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：YXYFbadQ12 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 YXYFbadQ11产生电压为： xYxXYXYCFbadCQu11 4.2 4.2 压电陶瓷的压电效应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

14、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。 4.2 4.2 压电陶瓷的压电效应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剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 但是，当把电压

15、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。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向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

16、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。 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）F 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

17、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） 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

18、释放或补充的结果。4.3 4.3 压电材料压电材料种类种类：n 压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；n 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；n 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求：对压电材料特性要求： 转换性能。转换性能。 机械性能。机械性能。 电性能。电性能。 环境适应性强。环境适应性强。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 （一）（一） 石英晶体石英晶体 石英（石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。）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

19、温度稳定性相当好，在常温范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。围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。 由图可见，在由图可见，在20200范围内，温度每升高范围内，温度每升高1，压电系数仅减少压电系数仅减少0.016。但是当到。但是当到573时，它完全失时，它完全失去了压电特性，这就是它的去了压电特性，这就是它的居里点居里点。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系数系数相对于20的d11温度变化特性6543210100

20、 200 300400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数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。但石英晶体材料价格昂贵，高，绝缘性能也相当好。但石英晶体材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标标准仪器准仪器或要求较高的传感器中。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、方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应

21、、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，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。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天然形成的石英晶体外形（续）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切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振晶振（二）（

22、二） 压电陶瓷压电陶瓷 1 1、 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常数和较大的压）具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度倍）。不足之处是居里温度低（低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2 2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在温度在300以上，各项机电

23、参数受温度影响小，时间以上，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元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传材料。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。感器中应用最广泛的压电材料。 压电陶瓷外形压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器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）上海硅酸盐研究所研制） （四）（四）压电半导体材料压电半导体材料 如如ZnO、CdS 、CdT

24、e，这种力敏器件具有灵敏度高，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。压电材料，可测取力和温度等参数。（三）压电聚合物（三）压电聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强）是目前发现的压电效应较强的的聚合物薄膜聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿平面锯齿”结构，存结构，存在抵消不了的在抵消不了的偶极子偶极子。经延展和拉伸后可以使分子。经延展和拉伸后可以

25、使分子链轴链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶自发极化偶极子极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成。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、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，制成混合复合材料陶瓷粉末，制成混合复合材料( (PVF2PZT) )。 高分子压电薄膜及拉制

26、高分子压电薄膜及拉制 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 4.4 4.4 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电传感器可等效为如图压电传感器可等效为如图 (a)(a)所示的电压源，也可所示的电压源，也可等效为一个电荷源，如图等效为一个电荷源，如图 (b)(b)所示。所示。 压电传感器电压源与电荷源等效电路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线路的分布电容C Cc c，放大电路的输入电阻，放大电路的输入电阻R Ri i，输入，输入电容电容C Ci i及压电传感器的内阻及压电传感器的内阻R Ra a

27、。 压电传感器实际等效电路压电传感器实际等效电路1.1.电压放大器电压放大器 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较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。抗的前置放大器。 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器等效电路图电压放大器等效电路图 icamiCCCdFuaCcCiC放大器的输出与、放大器的输出与放大器的输出与 ， ，有关，而与输入信有关，而与输入信号的频率无关。号的频率无关。 aCcCiC 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比电

28、荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器。的放大器。电荷放大器等效电路 ffoCQCAAQU)1 ( 电荷放大器的输电荷放大器的输出电压只与反馈电容出电压只与反馈电容有关，而与连接电缆有关，而与连接电缆无关。放大器的输出无关。放大器的输出灵敏度取决于灵敏度取决于 。fC4.5 4.5 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 1. YDS-7811. YDS-781型压电式单向传感器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。1-1-传力上盖；传力上盖；2-2-压电

29、片；压电片；3-3-片式电极；片式电极；4-4-电极引出插头；电极引出插头；5-5-绝缘材料；绝缘材料；6-6-底座底座YDS-781YDS-781型压电式单向力传感器结构型压电式单向力传感器结构 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，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，此力相反的惯性力，此力F Fmama。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为生电荷为 运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图2.2. 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 其结构一般有纵向效应型、横向