传感器应用技术(3.2修)幻灯片.pptVIP

3.3 薄膜应变片 薄膜技术 薄膜技术是在一定的基底上，用真空蒸镀、溅射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件，也可加工为转换元件，在传感器的研制中得到了广泛应用。 真空蒸镀 在真空室内，将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热器上加热，当真空度抽到0.0133Pa以上时，加大钨丝的加热电流，使材料融化，继续加大电流使材料蒸发，在基底上凝聚成膜。 3.3 薄膜应变片 溅射 在低真空室中，将待溅射物制成靶置于阴极，用高压（通常在1000V以上）使气体电离形成等离子体，等离子中的正离子以高能量轰击靶面，使待溅射物的原子离开靶面，淀积到阳极工作台上的基片上，形成薄膜。 3.4 压电式压力传感器 压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能将测量量最终变换为力的一些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。 3.4.1 压电效应 正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定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的现象。 3.4.1 压电效应 在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料或压电半导体。 3.4.1 压电效应 一、石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶体之一，它理想的几何形状为正六面体晶柱。 在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。 3.4.1 压电效应 石英晶体的三个晶轴 光轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。 机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。(横向压电效应) 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。（纵向压电效应） 3.4.1 压电效应 在X轴方向施加压力时，石英晶体的X轴 正向带正电；如果作用力FX改为拉力， 则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷， 但极性相反，见图(a)、(b)。 3.4.1 压电效应 如果在同一晶片上作用力是沿着机 械轴的方向，其电荷仍在与X 轴垂 直平面上出现，其极性见图（c）、 （d），此时电荷的大小为： 3.4.1 压电效应 压电效应的物理解释 在不受力的情况下 3.4.1 压电效应 受到X方向的力—纵向压电效应 3.4.1 压电效应 受到Y方向的力—横向压电效应 3.4.1 压电效应 二、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。 压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。 3.4.1 压电效应 3.4.1 压电效应 当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷 片的电极面上吸附了一层 来自外界的自由电荷。这 些自由电荷与陶瓷片内的 束缚电荷符号相反而数量 相等，它起着屏蔽和抵消 陶瓷片内极化强度对外界 的作用。 所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度。 3.4.1 压电效应 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。 3.4.1 压电效应 在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，由