压电陶瓷传感器的特性及工作原理解析图（压电陶瓷传感器的特性及工作原理解析）

陶瓷的压电性能

一些电介质(如应时、电气石、酒石酸钾钠等。)会在特定方向的力的作用下产生电荷位移，导致其两端面产生电位差；相反，当在两个端面之间施加电压时，电介质将弹性变形。前者称为“正压电效应”，后者称为“逆压电效应”或“电致伸缩”，一般称为压电现象。用作传感器的压电材料要求压电效应强，温度稳定性和老化性能好。压电材料有单晶和多晶。前者以应时晶体为代表，其特点是温度稳定性和老化性能好，Q值极高；后者以锆钛酸铅压电陶瓷为代表，其特点是制造容易，性能可调，便于批量生产。压电材料已广泛应用于力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏传感器。下表列出了由压电材料制成的各种传感器。

压电传感器(压电陶瓷传感器)

陶瓷的热释电性能

具有自发极化的晶体，通常其表面捕获大气中的电荷并保持电平衡。当温度变化时，处于电平衡态的晶体的自发极化发射随温度变化而相应变化。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，所以可以在晶体表面观察到电荷。图(a)显示晶体表面的初始电平衡状态，图(b)显示晶体内部自发极化的变化，图(c)显示晶体达到新的平衡状态。在图(B)所示的状态下，可以观察到表面电荷。这种由于温度变化时晶体内部自发极化的变化而在晶体表面释放出感应电荷的现象称为热释电效应。如果在热释电体两侧安装电极，两个电极间接加载，温度变化释放的表面电荷会通过负载形成热流。

温度变化时热电体表面电荷的变化。

利用热释电效应可以形成性能良好的红外传感器，其对热释电材料的要求如下：

应能充分吸收人发出的红外线。

为了使吸收的单位热能对应较大的温升，热释电材料的体积热容量应较小，且易于加工成微型或薄膜元件。

温度变化对应的表面电荷变化要大，即热释电系数=dPr/dT大。在室温下，Pr(剩余极化)较大，当居里温度适当高时，变大。当Tc低，大时，低Tc限制了工作温度，温度变化率大。

表面电荷变化对应的电容要小，才能产生大电压。

噪声源之一的tan要小。

关于红外吸收，诸如TGS的有机晶体具有从23 m到长波长的大吸收系数，但是对于诸如钛酸铅(PBT io 3)和铌酸锶钡(SrxBa1-xNb2O6)的无机氧化物，直到大约10 m的远红外区域，大部分是透明的。如果在元件的两侧蒸发几百埃(a)厚的金属芯片电极，则可以产生由薄膜引起的红外吸收。为了获得足够的灵敏度，必须在表面贴上红外吸收膜。

下表列出了一些热电材料的特性。其中LiTa03、LiNb03和SBN(Sr0.5Ba0.5Nb2O5)单晶，PZT(PbZr1-yTIyO3，y0.1)和PBT io 3为陶瓷，TGS和PVF2(聚偏氟乙烯)为有机材料。利用热释电材料组成的敏感元件，可以利用物体的红外辐射作为热源，从而进行非接触检测。这种红外热敏元件具有以下特点：非接触、高灵敏度、宽范围(-801500)温度检测；对波长依赖性小，可以探测任何红外

热释电材料种类繁多，但实用的材料只有PbTI03和PZT陶瓷，以及LiTa03单晶。PbTi03铁电体具有高居里点、自发极化和大介电常数的特性，有望成为一种高温高频压电材料。纯PbTi03很难烧结，因此需要添加Bi2/3ti O3、PbZn1/3Nb2/303，或者La203和Mn02的组合，以获得用于红外传感器的实用材料。此外，由于单晶生产技术的进步，可以提供廉价且优良的LiTa03单晶材料。红外敏感元件的应用：民用产品中有空调敏感元件、废气热敏元件、访客报警器、防盗报警器、火灾报警器；在工业领域，有旋转和高温物体温度的非接触测量和无损检测。此外，这种敏感元件还可用于监测卫星上的环境污染和资源调整，还可用于探测导弹和皮肤的温度。资料来源：村田