第六章第一节

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石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
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注意：
利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，
必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经
测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态
式中 A z——极化面面积； Ax、A y——受力面面积； d32、d31——压电陶瓷的横向压电系数
当作用力Fz、Fy或Fx反向时，电荷的极性也反 向。 压电陶瓷在受到如图5-12（c）所示的作用力Fx、 Fy、Fz共同作用时，在垂直于z轴的上、下平面 上分别出现正、负电荷。
+ +
z Fz
z
+ +
变化，从而使其压电特性减弱。
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯
（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚
强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不
具有压电性质。
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。外电场愈强，就有更多的电畴更
完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使
材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化
方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场
去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极
石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养
的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶
体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造
石英晶体。
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。在设计石英传感器时
，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型
晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x
方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所
以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢
量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向
的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。
3. 作用力与电荷的关系
若从晶体上沿y方向切下一块如 图（a）所示的晶片，当沿电轴x 方向施加应力σx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 P11与应力σx 成正比。
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一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到 压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷 Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效 应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质 的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电 致伸缩效应）。
何尺寸有关的；
③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；
④ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定 存在逆压电效应； ⑤ 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷 （或电场强度）之间皆呈线性关系。
石英晶体特性：居里点温度：是指压电材料
丧失压电特性的温度。
在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电 系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到 573℃时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就 是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大 的机械强度和稳定的机械性能。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。
”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电
效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应
。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。
2. 石英晶体产生压电效应的微观机理
石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构
决定的。下图是一个单元组体中构成石英晶体
的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的
投影，等效为一个正六边形排列。 图中“＋”
化强度很大，这时的材料才具有压电特性。
电场 方向
(a)
(b)
图 压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化
对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂 直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，在 是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极 化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面 上将会出现电荷，如图（a）所示，其电荷量q 与作用力Fz成正比，即
q d 33 Fz
式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； F——作用力。
压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy 或沿x方向 的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分 别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、Fx 也成正比，即
Az Az q d 32 Fy d 31 Fx Ay Ax
。
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，
它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造
成本却较低，因此目前国内外生产的压电元
件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶
瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
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压电陶瓷主要有以下几种： 1. 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3） 和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高 温下合成的压电陶瓷。 它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 里点温度低（120℃），温度稳定性和机械 强度不如石英晶体。
+ + Fx - P1 P3 + x + + P2 + + - (b) Fx<0
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）所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 y (P1 +P2 +P3) x<0 Fx Fx (P1+ P2+ P3)y =0 + + + P3 - x P1 (P1 +P2 +P3)z =0 +
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 ，居里点温度在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。
反之，若沿x方向对晶片施加电场，电场强度大小 为Ex 。根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸 缩，即：Δa=d11U x
qx Fx Ux d11 Cx Cx
也可用相对应变表示为：
Ux a d 11 d 11 E x a a
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力σy，
则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小
x
当晶体受到沿x方向的压力（F x < 0）作用时，晶 体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随 之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中 心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它 们在x 方向上的分量不再等于零: (P1+P2+P3)x>0 y
Fx -
在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0
压电陶瓷外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材
料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有
一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电
场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各
自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化
或用相对应变表示：
b d 11 E x b
x + + -
Fx + + + -
x + +
Fx
+ (b)
+
+
(a)
x Fy + + + x + +
Fy
+
+
+
+ + (c)
-
-
(d)
-
图 石英晶体受力方向与电荷极性关系
① 石英晶体最大特点是--各向异性 而与晶片的几何尺寸无关；
当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比， ② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几
第六章
压电传感器
本章学习压电传感器 的原 理、应用。
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第一节
压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某 些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介 质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能 变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、 振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、 可靠性、稳定性高。
z Fz
+ +
y
- - - -
Fy
- + +
y
Fy
+ + - -
+ -
+ -
y Fy
Fy
x
x
Fz
x
Fx
Fx