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出現電荷的一大類單晶或多晶的固體材料，它是進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家居里兄弟，1880年他們發現把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，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生形變，使介電體內正負電荷中心發生相對位移而極化，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”產生“電”的現象稱為正壓電效應。反之，如果將具有壓電效應的介電體置于外電場中，電場使介質內部正負電荷位移，導致介質產生形變。這種由“電”產生“機械變形”的現象稱為逆壓電效應。

2、壓電材料

（1）壓電單晶

壓電單晶是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，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行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規則集合而成的多晶體, 具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷。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過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、多晶甚至是單晶。壓電薄膜制備的器件不需要使用價格昂貴的壓電單晶，只要在襯底上沉積一層很薄的壓電材料，因而具有經濟和省料的特點。而且制備薄膜過程中按照一定取向來沉積薄膜，不需要進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、制作簡單、成本低廉，同時其能量轉換效率高，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。