压电式传感器工作原理（二）：压电材料类型、特性参数与选型

压电式传感器工作原理（二）：压电材料类型、特性参数与选型

本文件是压电式传感器工作原理的第二部分，详细介绍了三种主要压电材料（压电陶瓷、压电高分子材料、石英晶体）的工作原理、特性参数、性能对比及选型原则。

压电陶瓷（多晶体）

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。其内部的晶粒有一定的极化方向，在无外电场作用下，晶粒杂乱分布，极化效应相互抵消，因此原始的压电陶瓷不具有压电性质。当在陶瓷上施加强直流外电场时，晶粒的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向排列，从而使材料整体得到极化。外电场越强，极化程度越高。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度时，所有晶粒的极化方向都与外电场方向一致。此时去掉外电场，材料整体的极化方向基本不变，即出现剩余极化，这时的材料就具有了压电特性。压电陶瓷要具有压电效应，需要有外电场和压力的共同作用。当陶瓷材料受到外力作用时，晶粒发生移动，将导致在垂直于极化方向的平面上出现极化电荷，电荷量的大小与外力成正比。

压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多，因此用它做成的压电式传感器的灵敏度较高，但稳定性（压电系数会随时间增加或温度升高而减小）、机械强度等不如石英晶体。

常见压电陶瓷材料包括：

• 钛酸钡（BaTiO₃）：最早在第二次世界大战中发现，工作温度较低（最高70°C）。
• 锆钛酸铅（PZT）：1955年由美国B. Jaffe等人发现，工作温度较高，压电性优越，应用广泛。PZT含铅，对环境和健康有一定危害，目前世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷。

压电高分子材料

高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂。目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏二氟乙烯（PVDF）。其压电效应可采用类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜（厚度1~100μm）之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别对应排列在薄膜的上下两边，形成微晶偶极矩结构。经过一定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳-氟偶极矩固定结构。正是由于这种固定取向后的极化受到一定方向的外力作用时，材料的极化面就会产生一定的电荷，即压电效应。

2017年7月《科学》杂志报道东南大学研究人员发现了一类具有优异压电性能的分子铁电材料，在压电性能上达到了传统压电陶瓷的水平，为制作柔性薄膜压电元件开辟了新路。

与石英晶体和压电陶瓷相比，压电薄膜主要有以下优点：

• 质量轻：密度只有PZT的1/4，粘贴后对原结构几乎不产生影响。
• 高电压输出：在同样受力条件下，输出电压比压电陶瓷高10倍。
• 高介电强度：可以耐受强电场的作用（75V/μm）。
• 声阻抗低：仅为PZT的1/10，与水、人体组织以及粘胶体相接近。
• 频响宽：从10⁻³~10⁹Hz均能转换机电效应，振动模式单纯。

压电材料的特性参数

具有压电效应的材料称为压电材料。主要特性参数包括：

• 压电系数：衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电输出的灵敏度。
• 弹性系数：决定压电器件的固有频率和动态特性。
• 介电常数：影响压电元件的固有电容，随之影响压电式传感器的频率下限。
• 机电耦合系数：衡量压电材料在压电效应中的能量转换效率。
• 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电式传感器的低频特性。
• 居里点：压电材料开始失去压电特性的温度。

压电材料的选取

选用合适的压电材料是设计、制作高性能压电式传感器的关键。一般应考虑：

• 转换性能：具有较高的耦合系数或较大的压电系数。
• 机械性能：机械强度高、机械刚度大，以获得宽的线性范围和高的固有振动频率。
• 电性能：具有高的电阻率和大的介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。
• 温度、湿度稳定性好：要求具有较高的居里点，以获得宽的工作温度范围。
• 时间稳定性：压电特性不随时间褪化。

石英是较好的单晶体类压电材料，除了压电系数不大外，其他特性都具有显著的优越性，主要用于测量大量值的力和加速度或作为标准传感器使用。钛酸钡是较好的多晶体陶瓷类压电材料，压电系数比石英大几十倍。PZT系压电陶瓷工作温度较高，性能较稳定，但要实现极化较困难。

常用压电材料的性能参数见表6-1（详见源文档）。