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干货:压电传感器原理及应用

导读: 压电式传感器是基于压电效应的传感器,是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成,压电材料受力后表面产生电荷,此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

一、压电效应及压电材料

1、压电效应

压电材料是指受到压力作用在其两端面会出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料,它是进行能量转换和信号传递的重要载体。最早报道材料具有压电特性的是法国物理学家居里兄弟,1880年他们发现把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成正比,并将其成为压电效应。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种。某些介电体在机械力作用下发生形变,使介电体内正负电荷中心发生相对位移而极化,以致两端表面出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与应力成比例。这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应。反之,如果将具有压电效应的介电体置于外电场中,电场使介质内部正负电荷位移,导致介质产生形变。这种由“电”产生“机械变形”的现象称为逆压电效应。

2、压电材料

(1)压电单晶

压电单晶是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心,因此具有压电性。如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。压电单晶材料的生长方法包括水热法、提拉法、坩埚下降法和泡生法等。

(2)压电陶瓷

压电陶瓷则泛指压电多晶体, 是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结,由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体, 具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。压电陶瓷材料具有良好的耐潮湿、耐磨和耐高温性能,硬度较高,物理和化学性能稳定。压电陶瓷材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。

(3)压电薄膜

压电薄膜材料是原子或原子团经过或溅射的方法沉积在衬底上而形成的,其结构可以是费静态、多晶甚至是单晶。压电薄膜制备的器件不需要使用价格昂贵的压电单晶,只要在衬底上沉积一层很薄的压电材料,因而具有经济和省料的特点。而且制备薄膜过程中按照一定取向来沉积薄膜,不需要进行极化定向和切割等工艺。另外,利用压电薄膜制备的器件应用范围广泛、制作简单、成本低廉,同时其能量转换效率高,还能与半导体工艺集成,符合压电器件微型化和集成化的趋势。

压电传感器原理及应用

压电薄膜的主要制备方法

目前应用较为广泛的压电薄膜材料主要有氮化铝AlN)、氧化锌(ZnO)和 PZT系列的压电薄膜材料。性能比较如下表所示:

压电传感器原理及应用

AlN是一种具有纤锌矿结构的重要III-V族氮化物,其结构稳定性高。与ZnO和PZT压电薄膜相比较,AlN薄膜的压电响应较低,但是其优点在于AlN薄膜的声波速较高,这就使得AlN薄膜可以用来制备高频下如GHz的滤波器件和高频谐振器等。此外,AlN压电薄膜是一种很好的高温材料,因为AlN材料的压电性在温度为1200℃时依旧良好,所以AlN压电薄膜器件能够适应高温环境,该薄膜材料还具有很高的化学稳定性,在腐蚀性工作环境下薄膜器件依旧能够正常工作而不受影响。AlN材料还具有良好的热传导性能,在器件工作时会及时将产生的热量传导出去,不会因为产热过多而减少器件的使用寿命。由于AlN薄膜材料的多方面性能优点使其得到了相应的应用。例如基于AlN压电薄膜的体声波谐振器(FBAR),其谐振频率可达GHz,在通讯领域得到了广泛的应用。

ZnO与AlN一样具有纤锌矿结构。高质量高c轴择优取向的ZnO具有很好的压电性能。ZnO晶格常数与硅衬底相差不多,所以晶格匹配度高。目前制备洁净度高的ZnO薄膜技术已经很成熟。然而,ZnO很大的缺陷在于难以用于恶劣的环境,由于其是两性氧化物,所以抗腐蚀的能力很弱,这就影响了其在一些特定环境下的应用。

锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的二元系固溶体,其化学式为Pb(Zr1-xTix)O3,简写为PZT。PbTiO3和PbZrO3均是ABO3型钙钛矿结构,所以PZT也是钙钛矿结构。此外,还可以在PZT中添加其它微量元素(如铌、锑、锡、锰、钨等)来改善性能。

PZT薄膜是目前应用最为广泛的压电材料之一,就是高压电特性的PZT材料已经被大量应用在了扬声器、超声成像探头、超声换能器、蜂鸣器和超声电机等电子器件中。最早人们利用溶胶-凝胶法制备了PZT薄膜,并在MEMS器件中进行实际应用,如驱动器、换能器和压力传感器。随着薄膜制备技术的提高,开始涌现出多种制备手段,并且也利用多种技术制备了PZT压电薄膜,如磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术(PLD)、化学气相沉积(CVD)和金属化合物气相沉积技术等。PZT压电薄膜与非铁电的ZnO材料相比较,最重要的优点就是PZT材料具有铁电性,在一定的外加电场和温度条件下,PZT材料内部电畴发生转动,自发极化方向重新确定,这样使得在多晶材料中原本随机排列的极化轴通过电场的作用取向排列而产生了净压电响应。所以PZT材料的压电性能要高于ZnO材料,是ZnO的两倍以上。在光电子学、微电子学、微机电系统和集成光学等领域,PZT薄膜已经被广泛应用。

PZT薄膜材料具有高介电常数、低的声波速度、高的耦合系数,横向压电系数和纵向压电系数在三者之中最高,也被视为三者之中最为有前途的压电薄膜材料,但是PZT薄膜制备过程复杂,与MEMS工艺兼容性较差,制备过程须严格控制各组分的比例,压电特性受到晶向、成分配比、颗粒度等因素影响,重复制备高质量的PZT薄膜存在较大困难。目前工业界最常采用的压电材料仍以AlN为主流。

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