压电式测力传感器

压电式测力传感器的原理及应用

摘要：伴随着电子工程、机械工程、物理学及生物学的发展和需求，传感器微电子技术也逐步的成熟起来，成为一个独立的，设计生物、物理、化学、材料、工程学等领域的新学科。它也将延伸到我们生活的各行各业、方方面面。由于传感器技术的空前发展，其应用领域也不断深入，人们对这方面知识的需求愈显迫切，各种特性，功能各异的传感器也应运而生，例如生物传感器，红外传感器，压电式传感器……，对于这形色功能各异的传感器我们怎样去认识、熟悉它也是一个需要解决的难题，本文将带领我们进入这个新奇的世界，…… 关键词：微电子技术，传感器，压电式测力传感器

1引言：生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术，对这一切就

时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传感器的工作原理及其性能是什么，??，本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认识它

2 传感器的综述

2.1 传感器的专业术语及系统介绍

传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置；（狭义） 只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹 配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系，其指标是灵敏度、

线性度、稳定度迟滞等。

动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它 取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。

传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图： 被测量 敏感元件 信号调节与转换电路 电量 传感元件

图1-1 传感器组成方块图 辅助电源

敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般 为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。

传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为 电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。

信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有 用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。 传感器的简单分类：1、按被测量分类； 2、按物理量的典型效应分类。

表1-2 被测量分类

第 1 页，共8页

分类 机械 音响 频率 电气 磁性 温度 光 射线 温度 化学 生理 信息

被 测 量 长度、厚度、位移、液面、速度、加速度、旋转角、质量、重量、力、 压力、真空度、力矩、旋转力、风速、流速、流量、振动 声压、噪声 频率、时间 电流、电压、电位、功率、电荷、阻抗、电阻、电容、电感、电磁波 磁通、磁场 温度、热量、热容 照度、光度、彩色、紫外线、红外线、光位移 辐照量、剂量 温度、水分 纯度、浓度、成分、PH值、黏度、密度、气、液、固体分析 心音、血压、血流、脉电波、血流冲击、血液养饱和度、血液气体分压、气流量、速度、体温、心电波、脑电波、肌肉电波、网膜电波、心磁波 模拟、数字量、运算、传递、相关值 表1-3 物理量的典型效应

能量控制型 能量转换性 压电效应 磁致伸缩效应 热阻效应 光电动势效应 光电放射效应 热电效应 光子滞后效应 热磁效应 热电磁效应 电阻??电感?几何尺寸的控制 电容??应变式电阻效应 磁阻效应 热阻效应 光阻效应 磁致伸缩效应 霍尔效应 电离效应 约瑟夫效应

2.2 压电式测力传感器的性能分析及工作原理

2.2.1 压电式测力传感器的介绍及工作原理

压电效应：某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时会在其表面产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。

正压电效应：人们把这种机械能转化为电能的现象，就称为正压电效应。

逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械形变；当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

定义：具有压电特性的电介质称为压电材料，用压电材料制成的传感器叫做压电传感器。

压电式传感器可以看作是电荷发生器，它又是一个电容器，如图1所示。其电容量为

第 2 页，共8页

C???0???????????????????????????（2.1） ?

式中：?——压电式材料的相对介电常数，石英晶体?=4.5，钛酸钡?=1200； ?0——真空介电常数，?0=8.85?10F/m；

-12

?——极板间距离； ?——极板面积。

在图所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成两个电极，F为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。

F

金属板

?

F 图2-1 压电式测力传感器的模型

压电式传感器接入电路等效电路图，如下图所示：其中Cc为连接电缆的寄生电容形成的传感器的并生电容，R0后续电路的输入阻抗和传感器中漏电阻形成的泄漏电阻。

图2-2 传感器等效电路

Q CaCcR0

2.2.2 压电式测力传感器的材料及性能分析

具有压电效应的电介质称为压电材料，典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。

（一）石英晶体的压电效应

第 3 页，共8页

图2-3 石英晶体的结构图

x轴——电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最显著；

y轴——机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著； z轴——光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。

1、纵向压电效应

纵向压电效应是沿着x轴对晶体施加力时，在垂直于x轴的表面上产生电荷，如图（A）、（B）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。 2、横向压电效应

横向压电效应是沿着y轴对晶体施加力时，在垂直于x轴的表面上产生电荷，如图（C）、（D）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。

图2-4 石英晶体是四种受力情况（A、B、C、D）

石英晶体的压电效应的产生机理：石英晶体的化学分子为SiO2，每一个晶体单元有3个硅离子和6个氧离子，他们交替排列，在垂直z轴平面上分布在正六边形的顶角上，如下图（A）所示。当作用力为零时，正负电荷平衡，外部不带电。

图2-5 石英晶体的几种受力情况

第 4 页，共8页

图2-5 石英晶体的几种受力情况

当沿x轴施加拉力作用时电荷分布如图（B）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反； 当沿y轴施加压力作用时电荷分布如图（C）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反； 当沿z轴施加作用力时，由于负离子平移，故在表面上没有电荷出现。因此沿Z轴方向上不产生压电效应。

（二）压电陶瓷的压电效应 1、压电陶瓷的结构：

压电陶瓷是人造多晶体，其压电原理与石英晶体完全不同。其结构为多晶体，如图2-6所示。内部存在许多电畴，就象磁性材料内部存在磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时，其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向是杂乱无章、相互抵消的。

图2-6 压电陶瓷结构及极化

2、压电陶瓷的极化

极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取向一致。

在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场E，在电场作用下，电畴的自发极化方向趋向电场，方 向一致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后，各电的极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极化强度。

图2-7 压电陶瓷的压电效应

第 5 页，共8页