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深度解析压电传感器原理及应用
- 2019-01-30-

深度解析压电传感器原理及应用

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。


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