压电双晶片传感器灵敏度特性分析.pdf

传 感 坎 术 学 报 第4期 压 电双 晶片传感器灵敏度特性分析 据 I 叶会英 浦昭邦 叮／， 2， 摘 要 本 文用模 态分析法详细分析 了压 电双 晶片力、振动 、粗糙度传感 嚣的位秽特性及 灵敏度特性 ，并给 出了灵敏度与压 电材料参数及 晶片几何足寸的关系． 关键词 压 电传 感器 灵敏度分析 振 动传感器 力传 感器 粗糙度传 感器 1 引 言 压 电转 感器 已广 泛应 用于 力、压 力 、加速 度 、振 动 、粗糙度等方面 ]．其 中压 电双晶片式 传 感器 以其结构 简单 、灵敏度 高及价格 较低等特点 ，在 一些场台 已代 替传统 的质量 载荷式 (结构较复杂、灵敏度 低且 价格较 贵)的压 电传感器．如 已制作 出压 电双 晶片式加速度 、振 动 传感器L2J． 压 电双晶片是 一种 特 殊结构 、应 用很广 的压 电元件 ，用于声学检测 、超 声马达 、激光束偏 转器 、自适 应光学 系统 、滤波器 、加速度 器、光 学斩 渡器及生物 、化 学传感器等方 面 ，近年 来 ， 又用 于微型 机器 人及 微型 控 制器 中 ，它 也是开发 MEMS(微 机械 电子 系统 )的关键元 件 ．目 前 ，已有 的关于压 电双 晶片方 面 的文献资科 ，基本 上 都是研究压 电双晶片执行器 的 。，而 有关压 电双晶片传感器方面 的理论研 究还较少．本文将 详细分析 可用 于测 力、振动 以及粗 糙 度 的悬臂梁式 压 电双 晶片式传感 器 的灵 敏度特性 ． 2 理论 分析 以串联型双晶片为例分析．如 图 l所示 为悬臂梁式双晶片传感器 ，用其 自由端感 受外部 力 、振动或被 测物表面 的粗糙度． 双 晶片每 片 的长度 、宽度 、厚度 分别用 L、u、h表示 ，一般有 ，I》 ．h．这样 ，只需考虑 粱 的厚度 方 向的弯 曲振动 ．为分 析压 电双 晶片 的电响应 ，假设 其 自由端受 力为 F．在 F 的作 用 下 ，双 晶片产生 与其 成 正 比的偏斜 ，这一垂直方 向的偏斜引起双 晶片 的弯 曲变形如 图 2所 示 ，即双 晶片 中的一 片伸长 、另一 片缩 短，由于材料 的压 电效应 ，双晶片中的应力与应变将 引 起厚度方 向 (极化方 向)的 电压产生．对于 图 1、2中串联连接 的双 晶片 ，由于双 晶片 的对 称 性 ，电极两 端输 出 电压 的大小为单 片输 出 电压 的 2倍．由图 2可知 ，如 果求 出双晶片悬臂梁 的挠度 ：(r，t)，则利用材 料力学知识 即可求 出双晶片 中各处 的应变 (r，)．为求出单 片晶片 ① 采稿 口期 ：l999一l】一蚰 282 忙 感 j 求 学 报 电材料 电极 x I ～ - F — X 图 1 一种悬臂梁式 串联型双 晶片 ．图中P表示极化方 向 图2 自由端加力时跹 晶片古白变形 Fig．1 Schematicstructureofthepiezoelectric Fig 2 Deformationofthepiezoe]ectric 一 serialconnectionbim orph bimorphwithastaticforceatitsfreeend “ ㈣ (以上片为例 )的输 出电压 ，考 虑上 片的 中间层处 (距上表面 h／Z处)的应 变 s(x，)，其与该处 的曲率半 径 R ，)的关系 为