模拟电子技术 教学课件 作者 曾令琴 石英晶体.pdfVIP

第五章 压电式传感器 主要知识点：晶体、压电陶瓷的压电效应原理，压电元件的结构形式，压电传感 器的工作原理、结构及压电传感器的等效电路、测量电路。 重点： 压电传感器的工作原理、结构及其等效电路、测量电路。 难点： 压电加传感器的应用。 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。 5.1 压电效应 5.1.1 压电效应及其可逆性 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在 这种材料的两个表面产生符号相反的电荷。当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态， 这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为 电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机 械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称 为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。 利用压电效应的这种可逆性可以实现机械能和电能的相互转换。 5.1.2 石英晶体的压电效应 1. 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图 5-1 （a ） 是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来 表示，如图 5-1 （b ）所示，其中z 轴称为光轴， 它与晶体的纵轴线方向一致，z 轴又叫中性轴， z z 因为沿着 z 轴方向受力时不产生压电效应；x 轴 称为电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直 y 于光轴，在垂直于此轴的面上压电效应最强；y y x 轴称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 x 从晶体上切下的平行六面体的薄片称为晶体 (a) (b) 切片。当沿着 x 轴对压电晶片施加力时，将在垂 图5-1 石英晶体 直于 x 轴的表面上产生电荷，这种现象称为“纵 (a) 理想石英晶体的外形 (b) 坐标系 向压电效应”；沿着y 轴施加力的作用时，电荷 1 仍出现在与 x 轴垂直的表面上，这种现象称为“横向压电效应”；当沿着z 轴方向受力时不 产生压电效应。 2. 石英晶体产生压电效应的微观机理 石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图 5-2 是一个单元组体中构成石 英晶体的硅离子 Si4+ 和氧离子 O2- 在垂直于 z 轴的 xy 平面上的投影。图中“+”代表 Si4+ ，“-” 代表 2O2- 。 当作用力Fx =0 时，正、负离子（即 Si4+和 2O2- ）正好分布在正六边形顶角上，形成三个 互成 120º 夹角的电偶极矩 P 、P 、P ，因为P = qL ，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢 1 2 3 量和等于零，即 P +P +P ＝0 1 2 3 y