文档介绍：第六章压电式传感器
一、压电效应
二、石英晶体压电特性
三、等效电路
四、压电传感器应用
五、影响压电传感器工作
的主要因素
•压电式传感器是一种典型的有源
传感器;
•压电效应具有可逆性,也是一种
典型的”双向传感器”。
•材料受力变形时,其表面会有电
荷产生而实现非电量测量。
•特点:
工作频带宽,灵敏度高,结构简
单,体积小,重量轻,工作可靠。
•应用范围:
各种动态力、机械冲击、振动测
量、生物医学、超声、通信、宇航等
领域。
一、什么是压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用
而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的
两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去
掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称
为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的
极性也随之改变。
相反,当在电介质的极化方向上施加电场,
这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质
的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或
称为电致伸缩现象。
•压电材料----石英晶体和压电陶瓷。
•其特性:
(1)压电常数:是衡量材料压电效应强弱的参
数,与压电输出灵敏度有关。
(2)弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定
着压电元件的固有频率和动态特性。
(3)介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元
件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容
又影响着压电传感器的频率下限。
(4)机械耦合系数:在压电效应中,转换输出
能量与输入能量之比的平方根,是衡量压电材
料机—电能量转换效率的一个重要参数。
(5)电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄
漏,从而改善压电传感器的低频特性。
(6)居里点温度:是指压电材料丧失压电特性
的温度。
压电材料主要有三大类:(单晶体)
(多晶半导体)

①单晶硅
当今,固态传感器大部分是用单晶硅材料
制造,因为单晶硅具有优良的机械和物理性
质,材质纯,内耗低,功耗小。单晶硅机械品
质因数可高达106数量级(实际值比最大值小几
倍),滞后和蠕变极小,几乎为零,机械稳定
性好。
硅材料质量轻,密度为不锈钢的1/3,而弯
。它具有高的强度,
密度比和高的刚度密度比。
硅材料为立方晶体,是各向异性材料。许多
物理特性取决于晶向,如弹性性质。
单晶硅具有很好的热导性,是不锈钢的5
倍,而热膨胀系数则不到不锈钢的1/7。
单晶硅又是半导体材料,具有优良的电学
性质,其压阻效应取决于晶向.
单晶硅应变灵敏系数比金属的高1到2数量
级。
单晶硅传感器制造工艺与硅集成电路工艺
有很好的兼容性。可实现微型化低功耗,有利
于提高传感器的一致性可靠性和快响应。
②多晶硅
多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物,排列
是无序的,不同晶粒有不同的单晶取向。晶粒与
晶粒间的部位称为晶界。晶界对压阻效应的影响
可以通过控制掺杂浓度来降低。
晶粒大小对压阻效应有一定影响。晶粒越
大,压阻效应越大,即应变灵敏系数越大(单晶
情况下最大)
低温淀积的多晶硅膜经过高温处理过后晶粒
明显增大,有利于高压阻效应。
多晶硅压阻膜与单晶硅相比,其优点
是可在不同衬底材料上制作,如金属材料
衬底,而制备过程与常规半导体工艺相
容,且无PN结隔离问题,因而有良好的温
度稳定性。多晶硅压阻膜应变灵敏系数虽
比单晶硅膜低,但仍比金属的高一个数量
级。用多晶硅压阻膜可有效地抑制传感器
的温漂,是制造低温漂传感器的好材料。