壓電陶瓷傳感器的特性及工作原理解析

陶瓷的壓電性

某些電介質(zhì)（如石英、電氣石、酒石酸鉀鈉等晶體）在特定方向受力作用下會(huì)產(chǎn)生電荷位移，從而在其兩端表面間出現(xiàn)電勢(shì)差；反之，在其兩端表面間加上電壓，則電介質(zhì)會(huì)發(fā)生彈性形變。前者稱“正壓電效應(yīng)”，后者稱“逆壓電效應(yīng)”或一般稱為“電致伸縮”，總稱壓電現(xiàn)象。用作傳感器的壓電材料，要求其壓電效應(yīng)強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性和老化性能好。壓電材料有單晶和多晶兩種。前者以石英晶體為代表，其特點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性和老化性能好，且Q值極高；后者以鈦鋯酸鉛壓電陶瓷為代表，其特點(diǎn)是容易制作，性能可調(diào)，便于批量生產(chǎn)。壓電材料已廣泛用于力敏、聲敏、熱敏、光敏、濕敏和氣敏等傳感器，下表列出用壓電材料制作的各種傳感器。

壓電傳感器（壓電陶瓷傳感器）

陶瓷的熱釋電性

有自發(fā)極化的晶體，通常其表面俘獲大氣中的電荷而保持電平衡狀態(tài)。當(dāng)溫度變化時(shí)，處于電平衡狀態(tài)的晶體，其內(nèi)部的自發(fā)極化發(fā)射隨溫度變化相應(yīng)地變化。因?yàn)榫w表面電荷的變化跟不上晶體內(nèi)部自發(fā)極化的變化，故可在晶體表面觀測(cè)到電荷。圖（a）示出晶體表面的最初電平衡態(tài)，圖（b）示出晶體內(nèi)部自發(fā)極化的變化，圖（c）示出晶體達(dá)到新的平衡態(tài)。處于圖（b）狀態(tài)時(shí)，可觀測(cè)到表面電荷，這種當(dāng)溫度變化時(shí)，因晶體內(nèi)部自發(fā)極化發(fā)生變化而在晶體表面釋放感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱熱釋放電效應(yīng)。若在熱釋電體的兩側(cè)安裝電極，并在兩電極間接上負(fù)載，則因溫度變化而釋放的表面電荷將通過(guò)負(fù)載形成熱電流。

溫度變化時(shí)熱電體表面電荷的變化

利用熱釋電效應(yīng)可構(gòu)成性能良好的紅外線敏感元件，其對(duì)熱釋電材料的要求為：

①應(yīng)能充分吸收人射的紅外線。

②為了使吸收的單位熱能對(duì)應(yīng)大的溫度上升幅度，熱釋電材料體積比熱應(yīng)小，且便于加工成微型或薄膜化元件。

③與溫度變化相對(duì)應(yīng)的表面電荷變化應(yīng)大，即熱釋電系數(shù)=dPr/dT大。室溫的Pr（剩余極化）大，（居里溫度）適當(dāng)高時(shí)，λ 變大。當(dāng)Tc低，λ 大時(shí)，Tc低使工作溫度受到限制，且的溫度變化率大。

④與表面電荷變化相應(yīng)的電容應(yīng)小，使之能產(chǎn)生大的電壓。

⑤構(gòu)成噪聲源之一的tanδ應(yīng)小。

關(guān)于紅外吸收，像硫酸三甘肽（TGS）那樣的有機(jī)晶體，從2?3 μm到長(zhǎng)波長(zhǎng)，其吸收系數(shù)大，但對(duì)鈦酸鉛（PbTi03）和鈮酸鍶鋇（SrxBa1-xNb2O6）等無(wú)機(jī)氧化物，直至10 μm附近的遠(yuǎn)紅外區(qū)多數(shù)是透明的。若在元件的兩邊蒸發(fā)上數(shù)百埃（A）厚的金屬模電極，則可產(chǎn)生由膜引起的紅外吸收。為了獲得足夠的靈敏度，必須在表面附加紅外吸收膜。

下表列出部分熱釋電材料的性能。其中LiTa03，LiNb03和SBN（Sr0.5Ba0.5Nb2O5）單晶，PZT（PbZr1-yTiyO3，y≈0.1）和PbTi03是陶瓷，TGS和PVF2（聚偏二氟乙烯）是有機(jī)材料。利用熱釋電材料構(gòu)成的敏感元件，它能以物體輻射的紅外線作為熱源，從而進(jìn)行非接觸檢測(cè)。這種紅外線熱敏元件的特點(diǎn)是：非接觸、高靈敏度、寬范圍（—80?+1500℃）檢測(cè)溫度；對(duì)波長(zhǎng)依賴性小，能檢測(cè)任意紅外線；能在常溫工作；快速響應(yīng)。

部分熱電材料的性能

熱釋電材料種類繁多，但實(shí)用化的材料還僅是PbTi03和PZT陶瓷，以及LiTa03單晶。PbTi03鐵電體，它有居里點(diǎn)高、自發(fā)極化和介電常數(shù)大等特點(diǎn)，有望成為髙溫、高頻壓電材料。純PbTi03燒結(jié)困難，必須摻人Bi2/3Ti03，PbZn1/3Nb2/303，或添加La203和Mn02的組合物，這樣即可獲得紅外線敏感元件的實(shí)用材料。另外，由于單晶生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，已能提供便宜的優(yōu)良LiTa03單晶材料。 　　紅外線敏感元件的應(yīng)用：在民用品中有調(diào)理敏感元件、排氣氣體熱敏元件、來(lái)客報(bào)知器、防盜報(bào)警器和火災(zāi)報(bào)聱器；在工業(yè)領(lǐng)域有非接觸測(cè)量旋轉(zhuǎn)和高溫體的溫度，以及非破壞性檢査。此外，這種敏感元件還可用于衛(wèi)星上作監(jiān)測(cè)環(huán)境污染和資源調(diào)査用，也可用于檢測(cè)導(dǎo)彈和皮膚溫度。
來(lái)源：muRata