俗称直探头压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作
压电薄膜材料与器件制备技术
压电薄膜材料与器件制备技术一、压电薄膜材料的概述压电薄膜材料是指具有压电效应的薄膜材料，其特点是在外加电场或机械应力下产生形变或反之，即使在微小应变下也能产生大的电荷或电场。
常见的压电薄膜材料有PZT、AlN、ZnO等。
二、压电薄膜器件制备技术1. 压电薄膜制备技术(1) 溅射法：将靶材置于真空室中，通过氩气等惰性气体离子轰击靶材表面，使得靶材表面原子被剥离并沉积在基片上形成压电薄膜。
(2) 溶胶-凝胶法：将金属离子与有机物形成络合物后，在加热过程中逐渐失去溶剂和有机物，形成纳米级粒子，并在基片上形成压电薄膜。
(3) 化学气相沉积法：通过化学反应沉积出具有良好结晶性的压电陶瓷晶体，并在基片上形成良好的压电薄膜。
2. 压电薄膜器件制备技术(1) 压电传感器：将压电薄膜固定在弹性体上，当受到外力作用时，弹性体会发生形变，从而使得压电薄膜产生电荷或电场变化，实现对外力的检测。
(2) 压电陶瓷换能器：将压电陶瓷片固定在机械结构上，当施加外力时，陶瓷片会发生形变，从而产生振动或声波。
(3) 压电马达：将压电陶瓷片与机械结构相连，在施加交流电场的情况下，使得陶瓷片产生振动，并通过机械结构转换为旋转运动。
三、压电薄膜材料与器件应用领域1. 传感领域：利用压电传感器检测温度、气体、液体等物理量。
2. 能量转换领域：利用压电陶瓷换能器将机械能转化为声波或振动能。
3. 运动控制领域：利用压电马达实现精密定位和微型运动控制。
4. 生物医疗领域：利用压电薄膜制备超声探头、人工耳蜗等医疗器械。
四、压电薄膜材料与器件的未来发展趋势1. 高性能化：发展高性能压电材料，提高其压电效应、稳定性和可靠性。
2. 微型化：将压电薄膜材料与微纳加工技术相结合，实现微型化器件的制备。
3. 多功能化：将多种功能集成在一起，实现多功能化的压电器件。
4. 智能化：利用新型材料、新型结构和智能控制技术，实现智能化的压电器件。
五、总结随着科技的不断进步，压电薄膜材料与器件在各个领域得到了广泛应用。
传感器与检测技术习题集
《传感器与检测技术》习题集一、单项选择题1、某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.4%~0.6%，该压力表的精度等级应定为（）级。
A. 0 .2B. 0 .5C. 1 .0D. 1.52、另一家仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.9%，应购买（）级的压力表。
A. 0 .2B. 0 .5C. 1 .0D. 1.53、某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg,但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，在这个例子中，产生此心理作用的主要因素是（）。
A.绝对误差B.示值相对误差C.满度相对误差D.精度等级4、在选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。
这时必须考虑到应尽量使选购的仪表量程为欲测量的（）左右为宜。
A.3 倍B.10 倍C.1.5 倍D.0.75 倍5、用某万用表直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为1.8V，该误差属于（）。
A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差6、重要场合使用的元器件或仪表，购入后需进行高、低温循环老化试验，其目的是为了（）。
A.提高精度B.加速其衰老C.测试其各项性能指标D.提高可靠性7、有一温度计，它的测量范围为0〜200℃,精度为0.5级，该表可能出现的最大绝对误差为（）。
A. 1℃B. 0.5℃C. 10℃D. 200℃8、有一温度计，它的测量范围为0〜200℃,精度为0.5级，当示值为20℃时的示值相对误差为（）。
A. 1℃B. 5％C. 1％D. 10％9、欲测240V左右的电压，要求测量示值相对误差的绝对值不大于0.6%, 问：若选用量程为250V电压表，其精度应选（）级。
A. 0.25B. 0.5C. 0.2D.1.010、电子秤中所使用的应变片应选择（）应变片.A.金属丝式B.金属箔式C.电阻应变仪D.固态压阻式传感器11、为提高集成度，测量气体压力应选择（）。
压电MEMS传感器介绍及原理解析
压电MEMS传感器介绍及原理解析一、压电效应及压电材料1、压电效应压电材料是指受到压力作用在其两端面会出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料，它是进行能量转换和信号传递的重要载体。
最早报道材料具有压电特性的是法国物理学家居里兄弟，1880年他们发现把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成正比，并将其成为压电效应。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种。
某些介电体在机械力作用下发生形变，使介电体内正负电荷中心发生相对位移而极化，以致两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成比例。
这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应。
反之，如果将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场使介质内部正负电荷位移，导致介质产生形变。
这种由“电”产生“机械变形”的现象称为逆压电效应。
2、压电材料（1）压电单晶压电单晶是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。
这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。
如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。
压电单晶材料的生长方法包括水热法、提拉法、坩埚下降法和泡生法等。
（2）压电陶瓷压电陶瓷则泛指压电多晶体，是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体，具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。
压电陶瓷材料具有良好的耐潮湿、耐磨和耐高温性能，硬度较高，物理和化学性能稳定。
压电陶瓷材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。
（3）压电薄膜压电薄膜材料是原子或原子团经过或溅射的方法沉积在衬底上而形成的，其结构可以是费静态、多晶甚至是单晶。
压电薄膜制备的器件不需要使用价格昂贵的压电单晶，只要在衬底上沉积一层很薄的压电材料，因而具有经济和省料的特点。
而且制备薄膜过程中按照一定取向来沉积薄膜，不需要进行极化定向和切割等工艺。
另外，利用压电薄膜制备的器件应用范围广泛、制作简单、成本低廉，同时其能量转换效率高，还能与半导体工艺集成，符合压电器件微型化和集成化的趋势。
自动检测技术及应用(选择题答案)(1)
考试安排：星期天1点30到3点30在3-101考运动控制；4点到6点在3-101考工厂供电；7点到9点在4-101考微机。
自动检测技术及应用——梁森选择题答案1.单项选择题1）某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.4%~0.6%，该压力表的精度等级应定为__C__级，另一家仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.9%，应购买__B__级的压力表。
A. 0 .2 B. 0 .5 C. 1 .0 D. 1.52）某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，在这个例子中，产生此心理作用的主要因素是__B__。
A.绝对误差B.示值相对误差C.满度相对误差D.精度等级3）在选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。
这时必须考虑到应尽量使选购的仪表量程为欲测量的__C__左右为宜。
A.3倍 B.10倍 C.1.5倍 D.0.75倍4）用万用表交流电压档（频率上限仅为5kHz）测量频率高达500kHz、10V左右的高频电压，发现示值还不到2V，该误差属于__D__。
用该表直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为1.8V，该误差属于 A 。
A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差5）重要场合使用的元器件或仪表，购入后需进行高、低温循环老化试验，其目的是为了__D__。
A.提高精度B.加速其衰老C.测试其各项性能指标D.提高可靠性2.各举出两个非电量电测的例子来说明1）静态测量； 2）动态测量；3）直接测量； 4）间接测量；5）接触式测量； 6）非接触式测量；7）在线测量； 8）离线测量。
3.有一温度计，它的测量范围为0～200℃，精度为0.5级，试求：1）该表可能出现的最大绝对误差为__A__。
A. 1℃B. 0.5℃C. 10℃D. 200℃2）当示值为20℃时的示值相对误差为__B__，100℃时的示值相对误差为__C__。
无损检测问答题
初、中级无损检测技术资格人员-超声检测考题汇编问答题问答题1.将超声波直探头置于IIW1试块侧面上探测100mm距离的底波,如下图所示在第一次底波与第二次底波之间前两个迟到波各是什么波型?（前面为L-L-L波,后面为L-S-L波）2．何谓超声波？它有哪些重要特性？答：频率高于20000Hz的机械波称为超声波。
重要特性：①超声波可定向发射，在介质中沿直线传播且具有良好的指向性。
②超声波的能量高。
③超声波在界面上能产生反射，折射和波型转换。
④超声波穿透能力强。
3．产生超声波的必要条件是什么？答：①要有作超声振动的波源（如探头中的晶片）。
②要有能传播超声振动的弹性介质（如受检工件或试块）。
4.在棒材圆周面上进行超声探伤时,第一次底波与第二次底波之间可见到有两个迟到波,如下图所示,请指出这两个迟到波各是什么波型?（前面为L-L-L波,后面为L-S-L波）5．一个探头的标记为5I 20SJ 20DJ，试说明其中数字和字母的含义？答：5：频率5MHZ；I：压电晶片材料碘酸锂单晶；20：圆晶片直径20mm；SJ：水浸探头；20DJ：点聚焦，水中焦距20mm6.画出下图中不同情况下声波的收敛或发散的情况:（答案从略）7.在下图中画出超声纵波从钛合金中以45°斜入射到钢中的反射与折射情况:C钛L=6150m/s C钛S=3150m/s C钢L=5850m/s C钢S=3200m/s（答案从略）8．液体中为什么只能传播纵波，不能传播横波？答：凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波，液体虽然不能承受拉伸应力，但能承受压应力而产生容积变化，故液体介质可传播纵波。
介质传播横波时，介质质点受到交变的剪切应力作用，液体介质不能承受剪切应力，故横波不能在液体中传播。
9．简述影响超声波在介质中传播速度的因素有哪些？答：①超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和介质的密度有关。
对一定的介质，弹性模量和密度为常数。
不同介质，声速不同。
2017传感器技术超声波技术
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——传感器技术
2．耦合剂
在探伤测试中，超声波探头一般不能将直接放在被测介质 (特别是粗糙金属)表面来回移动，一是会发生磨损，二是由于超 声波探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间必然存在 一层空气薄层。空气的密度很小，将引起3个界面间强烈的杂乱 反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。
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——斜探头
——传感器技术
有时为了使超声波能倾斜入射到被测介质中，可选用斜探 头，如图9-10c所示。压电晶片粘贴在与底面成一定角度 (如30º 、 45º 等)的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼 块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质(试件)接神时，超声波 产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计 算求得。
波能量引起的交替变化的表面张力作用，
质点在介质表面的平衡位置附近作椭圆 轨迹振动，这种振动称为表面波。当工 件表面存在缺陷时，表面波被反射回探 头，可以在荧光屏上显示出来。
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2．超声波流量计
——传感器技术
如图9-16所示。在被测管道上下游的一定距离上，分别 安装两对超声波发射和接收探头(F1，T1)、(F2，T2)，其 中(F1，T1)的超声波是顺流传播的，而(F2，T2)的超声波 是逆流传播的。根据这两束超声波在流体中传播速度的不 同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差、相位差 或频率差等方法，可测量出流体的平均速度及流量。
为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入
射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体 物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的 耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水和化学浆糊等。耦合 剂的厚度立尽量薄些，以减小耦合损耗。
压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用
压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用摘要：压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料，具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性，在电子材料领域占据相当大的比重。
本文从压电效应入手，阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。
针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况，综述了其近年来的研究进展，并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。
关键词：压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展引言1880年皮埃尔•居里和雅克•居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。
1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。
1894年，德国物理学家沃德马•沃伊特，推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。
[1]石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。
在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。
除了石英晶体外，酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。
1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。
随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。
1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。
BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。
采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末也已实用化。
上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。
《传感器技术》习题答案完整
《传感器技术》习题答案目录第一章传感器的基本概念及一般特性 (1)第二章电阻式传感器 (3)第三章电容式传感器 (5)第四章电感式传感器 (6)第五章磁电式传感器 (8)第六章压电式传感器 (9)第七章光电式传感器 (12)第八章热电及红外辐射传感器 (13)第九章数字式传感器 (14)第十章气敏和湿敏传感器 (15)第十三章传感器的标定与校准 (19)第一章 传感器的基本概念及一般特性4.解：对于一阶传感器，其幅频特性为21j )()()(ωτωω+==k H A要求幅值误差不超过5%，即a (j )115%H X k ω=-=≤因为ω=2πf=200π，带入解得0≤τ≤5.23×10-4s = 523 μs5.解：一阶传感器，其微分方程为)()()(t x b t y a dtt dy a 001=+ 对照题目所给微分方程可见：a 1=1，a 0=3，b 0=0.15。
静态灵敏度00a b k =；时间常数01a a =τ。
于是可求得∴ τ=a 1/a 0=1/3=0.33 （s ）k=b 0/a 0=0.15/3=0.05 (mV/ oC )6./（）/由()k ω=()k k ω=令00f x f ωωτω=== （1） 当()0.97k kω=时 421.960.0630x x --=解得，23 1.99x =（舍去负值），即3 1.41x =（舍去负值） 301.4128.28f f kHz ∴==（2） 当()1.03k kω=时， 421.960.05740x x -+=解得，211.39()0.172x x ==舍去负值， （舍去负值） 110 3.44f x f kHz ∴== 22027.8f x f kHz ==所以，工作频率为0~3.44kHz ，27.8~28.28kHz 。
但由于27.8~28.28kHz 距离0f 太近，易引起共振，工程上一般不予采用，故最终的工作频率范围为0~3.44kHz 。
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0.0004
0.34
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（2）波长
超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，
即
λ f =c
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（3）指向性
超声波声源发出的超声波束以一定的角 度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心 轴线上，超声波最强，且随着扩散角度 的增大而减小。
1—超声源 2—轴线 3—指向角 4—等强度线
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指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ
之间的关系为
sinθ= 1.22λ/D
设超声源的直径D=20mm，射入钢板的
超声波（纵波）频率为5MHz，则根据
式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性
是十分尖锐的。
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3.超声波的反射和折射
超声波从一种介质传播到另一介质，在 两个介质的分界面上一部分能量被反射 回原介质，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射，
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9.1超声波及其物理性质
9.1.1 超声波的基本概念
1．超声波的概念和波形
机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称 为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz， 即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz 以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称 为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～ 8kHz。
密度 ρ(103kg·m-
1)
声阻抗 Z（
103MPa·s 1）
纵波声速 cL（km/ s
）
横波声速 cs（km/s）
7.8
46
5.9
3.23
2.7
17
6.32
3.08
8.9
42
4.7
2.05
1.18
3.2
2.73
1.43
1.26
2.4
1.92
—
1.0
1.48
1.48
—
0.9
1.28
1.4
—
0.0013
第9章 波式传感器
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引言
超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料 学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。 它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理 过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很 小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超 声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介 质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的 传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射 和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在 检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损 探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超 声成像等。
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。
超声波加湿器
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超声波雾化器
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声波的波型
（1）纵波—质点振动方向与波的传播方 向一致的波。
（2）横波—质点振动方向垂直于传播方 向的波。
（1）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于
介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗。
介质的声阻抗Z 等于介质的密度ρ和声速 c的乘积，即
Z=ρc
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常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0℃）
材料
钢 铝 铜 有机玻璃 甘油 水（20℃） 油 空气
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9.2.1 微波的性质与特点
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9.2.1 微波的性质与特点
1、微波频段的划分
波段 L S X K Q V W
频率范围/GHz 0.390~1.550 1.550~5.200 5.200~10.900 10.900~36.000 36.000~46.000 46.000~56.000
56.000~100.000
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波的反射和折射
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（1）反射定律
入射角 的正弦与反射角'的正弦之比等于波
速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速
相等时，入射角 等于反射角'。
（2）折射定律
入射角 的正弦与折射角的正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中 介质的波速c2之比，即
在真空中波长/cm 76.9~19.3 19.3~5.77 5.77~2.75 2.75~0.834 0.834~0.652 0.652~0.536 0.536~0.300
微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性； 当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。
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（3）表面波—质点的振动介于横波与纵 波之间，沿着表面传播的波。
横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表 面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采
用纵波。
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Hale Waihona Puke 纵 波2020/3/3
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横波
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表面波
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2.声速、波长与指向性
sin / sin = c1 / c2
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4.超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加， 能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、 散射及吸收等因素有关。
超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声 波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波 的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距 离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介 质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声 波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性 及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热 能。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力 越弱，但反射能力越强
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声波频率的界限划分
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声波的分类 1.次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
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9.2 微波传感器
微波传感器的基本原理是根据微波的传播特 性（反射、透射、散射、干涉等）以及被测 材料的电磁特性(介电常数和损耗角正切)， 通过对微波基本参数的测量，实现对物理量 的感知。因此在学习微波传感器之前，先对 微波的相关知识作一个简单的介绍，以更好 地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理 量。