壓電式傳感器常用的壓電材料有哪些

壓電式傳感器是一種利用壓電材料的壓電效應(yīng)將機械量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。壓電材料是一類具有壓電效應(yīng)的材料，當受到機械應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生電荷或電壓，從而實現(xiàn)機械量與電信號的轉(zhuǎn)換。

1. 壓電效應(yīng)原理

壓電效應(yīng)是指某些材料在受到機械應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生電荷或電壓的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象最早由法國科學(xué)家雅克·庫侖于 1880 年發(fā)現(xiàn)。壓電效應(yīng)可以分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指材料在受到機械應(yīng)力作用時產(chǎn)生電荷或電壓，而逆壓電效應(yīng)是指材料在受到電場作用時產(chǎn)生形變。

壓電效應(yīng)的產(chǎn)生是由于材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的特殊性。在壓電材料中，晶格結(jié)構(gòu)的非對稱性導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的非對稱性，從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的強弱與材料的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和晶體取向等因素有關(guān)。

2. 壓電材料的分類

壓電材料可以根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)、壓電性能和應(yīng)用領(lǐng)域進行分類。常見的壓電材料可以分為以下幾類：

1. 單晶壓電材料：單晶壓電材料具有較高的壓電性能和穩(wěn)定性，常用的單晶壓電材料有石英晶體、鈮酸鋰晶體、鉭酸鋰晶體等。
2. 多晶壓電材料：多晶壓電材料是由多個晶體組成的壓電材料，具有較低的成本和較好的加工性能，常用的多晶壓電材料有鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鋇（BaTiO3）等。
3. 陶瓷壓電材料：陶瓷壓電材料是由多種氧化物組成的壓電材料，具有較高的壓電性能和穩(wěn)定性，常用的陶瓷壓電材料有鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）、鈦酸鋇鍶（BST）等。
4. 有機壓電材料：有機壓電材料是由有機高分子材料組成的壓電材料，具有較低的密度和良好的柔韌性，常用的有機壓電材料有聚偏氟乙烯（PVDF）等。
5. 復(fù)合材料：復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的材料組成的壓電材料，具有較高的壓電性能和良好的機械性能，常用的復(fù)合材料有壓電陶瓷與金屬、聚合物等的復(fù)合材料。
6. 常用壓電材料的特性
7. 石英晶體：石英晶體是一種天然存在的單晶壓電材料，具有較高的壓電系數(shù)和穩(wěn)定性。石英晶體的壓電系數(shù)隨晶體取向和溫度變化而變化，因此在設(shè)計壓電傳感器時需要考慮這些因素。石英晶體廣泛應(yīng)用于諧振器、濾波器、傳感器等領(lǐng)域。
8. 鈮酸鋰晶體：鈮酸鋰晶體是一種人工合成的單晶壓電材料，具有較高的壓電系數(shù)和較低的介電常數(shù)。鈮酸鋰晶體的壓電性能受溫度影響較小，因此在高溫環(huán)境下具有較好的穩(wěn)定性。鈮酸鋰晶體廣泛應(yīng)用于高頻濾波器、傳感器等領(lǐng)域。
9. 鉭酸鋰晶體：鉭酸鋰晶體是一種人工合成的單晶壓電材料，具有較高的壓電系數(shù)和較低的介電常數(shù)。鉭酸鋰晶體的壓電性能受溫度影響較小，且具有較高的機械強度和耐化學(xué)腐蝕性。鉭酸鋰晶體廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器等領(lǐng)域。
10. 鋯鈦酸鉛（PZT）：鋯鈦酸鉛是一種多晶壓電材料，具有較高的壓電系數(shù)和良好的溫度穩(wěn)定性。PZT可以通過調(diào)整鋯和鈦的比例來優(yōu)化其壓電性能。PZT廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器、執(zhí)行器等領(lǐng)域。
11. 鈦酸鋇（BaTiO3）：鈦酸鋇是一種多晶壓電材料，具有較高的壓電系數(shù)和較低的介電常數(shù)。BaTiO3的壓電性能受溫度影響較大，因此在設(shè)計壓電傳感器時需要考慮溫度補償。BaTiO3廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器等領(lǐng)域。
12. 鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）：鋯鈦酸鉛鑭是一種陶瓷壓電材料，具有較高的壓電系數(shù)和良好的溫度穩(wěn)定性。PLZT可以通過調(diào)整鑭的含量來優(yōu)化其壓電性能。PLZT廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器、光學(xué)調(diào)制器等領(lǐng)域。