传感器原理与技术课件：压电效应

Piezoelectriceffect同学们，本节课我们学习的内容是压电效应。我们先看一个有趣的故事，来理解压电效应：压电效应压电效应力和压力的检测迄今为止，世界上已发现响沙一百多处，响沙我国有鸣沙山甘肃敦煌的鸣沙山沙坡头宁夏中卫的沙坡头银肯响沙湾和内蒙古鄂尔多斯的银肯响沙湾东额其响沙还有内蒙古赤峰市翁牛特旗布力彦的东额其响沙。沙响的原因并不神秘。由于沙粒机械成分一致，都是中粒沙或细粒沙，几乎没有灰尘，石英的含量又高，中粒、细粒沙石英含量高一定压力下产生压缩或延伸eee压电性质压电的晶体收缩和膨胀，便产生响声，挤压的石英沙子产生了电荷，当足够多电荷聚集在地表并上升到空中，引起了电荷的放电声响。响沙的由来压电效应的存在压电效应是某些物质沿某一方向受到外力作用时，物质会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料两个表面产生符号相反的电荷，物质+-会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料两个表面产生符号相反的电荷，物质+-当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，物质当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。物质当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变正压电效应顺压电效应反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力物质当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变正压电效应顺压电效应物质反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力物质当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，物质逆压电效应电致伸缩效应这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。物质第一，石英晶体的压电效应。石英晶体的压电效应图3-2-2为天然石英晶体的结构外形，在晶体学中用三根互相垂直的轴Z.X、Y来表示它们的坐标。图3-2-2石英晶体的外形图Z轴为光轴，它是晶体的对称轴；图3-2-2石英晶体的外形图晶体的对称轴Z：光轴X轴为电轴，该轴压电效应最为明显，也就是说压电效应产生的电荷一般分布在垂直于X轴的平面上；图3-2-2石英晶体的外形图压电效应最明显X：电轴

Y轴为机械轴，机械变形一般发生在此轴。图3-2-2石英晶体的外形图机械变形一般发生在此轴Y：机械轴石英晶体的压电效应与其内部结构有关。石英晶体的压电效应与其内部结构有关石英晶体的化学式是SiO2。为了直观地了解其压电效应，将一个单元中构成石英晶体的硅粒子和氧离子，在垂直于Z轴的XOY平面投影。石英晶体化学式：SiO₂等效为图3-2-4（a）所示的正六边形排列。图3-2-4石英晶体压电效应示意图图中里面是+，外面是〇，代表si4+；里面是－，外面是〇，代表2O²–。图3-2-4石英晶体压电效应示意图+++

---

当石英晶体未受外力作用时，正、负离子（即和）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等互成120°的电偶极矩P1、P2、P3，如图3-2-4(a)所示。+++---图3-2-4石英晶体压电效应示意图P=ql,q为电荷量，l为正、负电荷间的距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于0，即p1+p2+p3=0。图3-2-4石英晶体压电效应示意图P=qlq：电荷量l：正、负电荷间的距离方向：负电荷指向正电荷正、负电荷中心重合电偶极矩的矢量和等于0P1+P2+P3=0此时晶体表面不产生电荷，从整体上说它呈中性晶体表面不产生电荷整体上呈中性当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，如图3-2-4(b）所示。图3-2-4石英晶体压电效应示意图电偶极矩在x轴方向上的分量(p1+p2+p3)＞0，在x轴正方向上的晶体表面上出现正电荷；而在y轴和z轴方向上的分量均为0，所以垂直于y轴和z轴的晶体表面上不出现电荷。图3-2-4石英晶体压电效应示意图P1+P2+P3＞0X轴方向分量P1+P2+P3=0Y、Z轴方向分量X轴：正电荷Y、Z轴：无电荷这种沿x轴施加作用力，而在垂直于x轴的晶体表面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。沿X轴施加作用力，在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷纵向压电效应当石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，P1+P2+P3＜0X轴方向分量X轴：负电荷P1+P2+P3=0Y、Z轴方向分量Y、Z轴：无电荷沿Y轴施加作用在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷横向压电效应当晶体受到沿z轴方向的作用力（无论压力或拉力），因为晶体在x轴和y轴方向的变形相同，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩在x.y轴方向上的分量等于零。沿光轴方向施加力石英晶体不会产生压电效应需要指出的是，如果当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效应，只是电荷的极性将随之改变。沿x轴和y轴方向受拉力作用时，同样有压电效应石英晶体上电荷极性与受力方向的关系，如图3-2-5所示。图3-2-5晶体切片上电荷极性与受力方向关系第二，压电陶瓷的压电效应。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的发现和应用时间并不长，直到1947年才发现具有压电性能的陶瓷材料。1947年发现具有压电性能的陶瓷材料压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料无外电场作用时，电畴的极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零因此，原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，如图3-2-6(a）所示。图3-2-6陶瓷电容的极化示意图在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。图3-2-6陶瓷电容的极化示意图施加外电场电畴极化方向发生转动材料得到极化外电场越强转动电畴越多极化越饱和即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变。具有压电特性极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化，图3-2-6陶瓷电容的极化示意图当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。图3-2-6陶瓷电容的极化示意图受外力作用电畴偏转剩余极化强度变化极化电荷变化因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象。压电陶瓷的正压电效应电荷量的大小与外力成正比关系：式中d33为压电陶瓷的压电系数；F为作用力。

电荷量的大小与外力成正比关系压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。压电系数灵敏度极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。极化后的压电陶