压电陶瓷传感器的特性及工作原理解析

陶瓷的压电性

某些电介质（如石英、电气石、酒石酸钾钠等晶体）在特定方向受力作用下会产生电荷位移，从而在其两端表面间出现电势差；反之，在其两端表面间加上电压，则电介质会发生弹性形变。前者称“正压电效应”，后者称“逆压电效应”或一般称为“电致伸缩”，总称压电现象。用作传感器的压电材料，要求其压电效应强、温度稳定性和老化性能好。压电材料有单晶和多晶两种。前者以石英晶体为代表，其特点是温度稳定性和老化性能好，且Q值极高；后者以钛锆酸铅压电陶瓷为代表，其特点是容易制作，性能可调，便于批量生产。压电材料已广泛用于力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器，下表列出用压电材料制作的各种传感器。

压电传感器（压电陶瓷传感器）

陶瓷的热释电性

有自发极化的晶体，通常其表面俘获大气中的电荷而保持电平衡状态。当温度变化时，处于电平衡状态的晶体，其内部的自发极化发射随温度变化相应地变化。因为晶体表面电荷的变化跟不上晶体内部自发极化的变化，故可在晶体表面观测到电荷。图（a）示出晶体表面的最初电平衡态，图（b）示出晶体内部自发极化的变化，图（c）示出晶体达到新的平衡态。处于图（b）状态时，可观测到表面电荷，这种当温度变化时，因晶体内部自发极化发生变化而在晶体表面释放感应电荷的现象称热释放电效应。若在热释电体的两侧安装电极，并在两电极间接上负载，则因温度变化而释放的表面电荷将通过负载形成热电流。

温度变化时热电体表面电荷的变化

利用热释电效应可构成性能良好的红外线敏感元件，其对热释电材料的要求为：

①应能充分吸收人射的红外线。

②为了使吸收的单位热能对应大的温度上升幅度，热释电材料体积比热应小，且便于加工成微型或薄膜化元件。

③与温度变化相对应的表面电荷变化应大，即热释电系数=dPr/dT大。室温的Pr（剩余极化）大，（居里温度）适当高时，λ 变大。当Tc低，λ 大时，Tc低使工作温度受到限制，且的温度变化率大。

④与表面电荷变化相应的电容应小，使之能产生大的电压。

⑤构成噪声源之一的tanδ应小。

关于红外吸收，像硫酸三甘肽（TGS）那样的有机晶体，从2〜3 μm到长波长，其吸收系数大，但对钛酸铅（PbTi03）和铌酸锶钡（SrxBa1-xNb2O6）等无机氧化物，直至10 μm附近的远红外区多数是透明的。若在元件的两边蒸发上数百埃（A）厚的金属模电极，则可产生由膜引起的红外吸收。为了获得足够的灵敏度，必须在表面附加红外吸收膜。

下表列出部分热释电材料的性能。其中LiTa03，LiNb03和SBN（Sr0.5Ba0.5Nb2O5）单晶，PZT（PbZr1-yTiyO3，y≈0.1）和PbTi03是陶瓷，TGS和PVF2（聚偏二氟乙烯）是有机材料。利用热释电材料构成的敏感元件，它能以物体辐射的红外线作为热源，从而进行非接触检测。这种红外线热敏元件的特点是：非接触、高灵敏度、宽范围（—80〜+1500℃）检测温度；对波长依赖性小，能检测任意红外线；能在常温工作；快速响应。

部分热电材料的性能

热释电材料种类繁多，但实用化的材料还仅是PbTi03和PZT陶瓷，以及LiTa03单晶。PbTi03铁电体，它有居里点高、自发极化和介电常数大等特点，有望成为髙温、高频压电材料。纯PbTi03烧结困难，必须掺人Bi2/3Ti03，PbZn1/3Nb2/303，或添加La203和Mn02的组合物，这样即可获得红外线敏感元件的实用材料。另外，由于单晶生产技术的进步，已能提供便宜的优良LiTa03单晶材料。 　　红外线敏感元件的应用：在民用品中有调理敏感元件、排气气体热敏元件、来客报知器、防盗报警器和火灾报聱器；在工业领域有非接触测量旋转和高温体的温度，以及非破坏性检査。此外，这种敏感元件还可用于卫星上作监测环境污染和资源调査用，也可用于检测导弹和皮肤温度。
来源：muRata