他們都具有較大的壓電常數(shù)，機械性能良好，時間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。

 1、壓電晶體

天然形成的石英晶體外形

石英晶體切片及封裝

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。  

石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸：x軸、y軸和z軸。vz軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：y軸又稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。 

石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機理可說明。石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成隊出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為正六邊形排列結(jié)構(gòu)。

圖中1—正電荷等效中心  2—負電荷等效中心

2、壓電陶瓷 

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。

在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本沒變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。 

壓電陶瓷的極化   (a) 未極化; (b) 電極化 

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。        

3、新型壓電材料

壓電薄膜

（1）  壓電半導(dǎo)體材料

壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS（硫化鎘） 、CdTe（碲化鎘 ）等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。

（2）  高分子壓電材料

某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。

4、壓電材料的主要特性參數(shù)

1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。

3）介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

4） 機械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。

5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。

6）居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。

壓電式傳感器的測量電路

將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。當(dāng)壓電元件受力時，就會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個電荷源；兩個電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當(dāng)于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為 Ca = εRε0A/δ

v壓電元件等效為一個與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源

壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量。 

2、壓電式傳感器測量電路 

壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。

壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；二是把傳感器的微弱信號進行放大。

根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。

由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。

(1)電荷放大器 

v并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實際上是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路 

電荷放大器原理圖 

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。

(2)電壓放大器（阻抗變換器）

串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓輸出型測量電路時，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗