传感器应用技术32修.ppt
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。,1真空室 2基底3钨丝 4接高真空泵。,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。,1靶 2阴极 3直流高压4阳极 5基片6惰性气体入口 7接真空系统。,3.3 薄膜应变片,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)。,压电系数,受力方向和变形不同压电系数也不同,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：,l、h晶体切片的长度和厚度,Y轴方向上受力的压电系数,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，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。,极化方向,电场方向,3.4.1 压电效应,由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。,3.4.2 压电材料,一、常用压电材料1.压电晶体 石英晶体 水溶性压电晶体 铌酸锂晶体 2.压电陶瓷 钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷 3.压电半导体 硫化锌 碲化镉,二、压电材料的主要特性参数压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。(C/N)弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。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。,3.4.2 压电材料,机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。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。居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。,3.4.2 压电材料,3.4.2 压电材料,二、压电材料特性要求转换性能:要求具有较大压电常数。机械性能:压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,3.4.2 压电材料,三、常用压电材料特点1.石英晶体石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。,3.4.2 压电材料,石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。,3.4.2 压电材料,2.压电陶瓷优点：具有很高的介电常数和较大的压电系数。缺点：居里温度低，温度稳定性和机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,3.4.2 压电材料,3.4.2 压电材料,3.压电半导体材料具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。,3.4.3 测量电路,当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。,Q,Q,电极,压电晶体,Ca,(b),(a),压电传感器的等效电路,其电容量为：,3.4.3 测量电路,因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。,Ua,Q,3.4.3 测量电路,压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。,3.4.3 测量电路,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。,压电传感器的实际等效电路（a）电压源;（b）电荷源,Q,3.4.3 测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,3.4.3 测量电路,一、电压放大器,3.4.3 测量电路,若压电元件受正弦力F=Fmsint的作用，则其电压为,式中：Um压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；d压电系数。,3.4.3 测量电路,由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为：,Ui的幅值Uim为：,输入电压和作用力之间相位差:,电压灵敏度：,3.4.3 测量电路,在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么理想情况下输入电压幅值Uim为：,令=R(Ca+Cc+Ci)，为测量回路的时间常数，并令0=1/，则可得：,3.4.3 测量电路,讨论：(Uam=dFm/Ca,)=0（静态量）时Uim=0（输入电压为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量/03（高频情况），Uim/Uam1，实际接近理想。输入电压与作用力频率无关一定，越高，高频响应越好对低频测量情况：一定，越小偏差越大。所以要求要大，扩大低频响应范围,3.4.3 测量电路,改善低频特性的措施：,式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。,3.4.3 测量电路,二、电荷放大器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。其等效电路如图所示。,3.4.3 测量电路,3.4.3 测量电路,输出与电缆电容无关电缆长达1km电缆可更换Rf提供直流负反馈减小零漂、提高稳定度可测准静态量：=RfCf相当大，可测低频f=0.5Hz,3.4.3 测量电路,由式 可见：电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。输出与电缆电容无关,电缆可长达1km，也可更换。为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100104pF。通常A=104108,3.4.3 测量电路,电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,四通道电荷放大器外形,电荷放大器外形,3.4.4 压电传感器,一、指套式电子血压计,3.4.4 压电传感器及其特点,二、高分子压电电缆,
