深度解析壓電傳感器原理及應用

一、壓電效應及壓電材料

1、壓電效應

壓電材料是指受到壓力作用在其兩端面會(huì )出現電荷的一大類(lèi)單晶或多晶的固體材料，它是進(jìn)行能量轉換和信號傳遞的重要載體。最早報道材料具有壓電特性的是法國物理學(xué)家居里兄弟，1880年他們發(fā)現把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會(huì )產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成正比，并將其成為壓電效應。壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應兩種。某些介電體在機械力作用下發(fā)生形變，使介電體內正負電荷中心發(fā)生相對位移而極化，以致兩端表面出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成比例。這種由“壓力”產(chǎn)生“電”的現象稱(chēng)為正壓電效應。反之，如果將具有壓電效應的介電體置于外電場(chǎng)中，電場(chǎng)使介質(zhì)內部正負電荷位移，導致介質(zhì)產(chǎn)生形變。這種由“電”產(chǎn)生“機械變形”的現象稱(chēng)為逆壓電效應。

2、壓電材料

（1）壓電單晶

壓電單晶是指按晶體空間點(diǎn)陣長(cháng)程有序生長(cháng)而成的晶體。這種晶體結構無(wú)對稱(chēng)中心，因此具有壓電性。如石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電單晶材料的生長(cháng)方法包括水熱法、提拉法、坩堝下降法和泡生法等。

（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷則泛指壓電多晶體, 是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過(guò)程而獲得的微細晶粒無(wú)規則集合而成的多晶體, 具有壓電性的陶瓷稱(chēng)壓電陶瓷。壓電陶瓷材料具有良好的耐潮濕、耐磨和耐高溫性能，硬度較高，物理和化學(xué)性能穩定。壓電陶瓷材料包括鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。

（3）壓電薄膜

壓電薄膜材料是原子或原子團經(jīng)過(guò)或濺射的方法沉積在襯底上而形成的，其結構可以是費靜態(tài)、多晶甚至是單晶。壓電薄膜制備的器件不需要使用價(jià)格昂貴的壓電單晶，只要在襯底上沉積一層很薄的壓電材料，因而具有經(jīng)濟和省料的特點(diǎn)。而且制備薄膜過(guò)程中按照一定取向來(lái)沉積薄膜，不需要進(jìn)行極化定向和切割等工藝。另外，利用壓電薄膜制備的器件應用范圍廣泛、制作簡(jiǎn)單、成本低廉，同時(shí)其能量轉換效率高，還能與半導體工藝集成，符合壓電器件微型化和集成化的趨勢。