压电石英传感器（一）水晶的秘密

shuszhao

压电石英传感器（一）水晶的秘密

从2012年底开始设计公路动态衡（WIM）传感器，一直为压电石英传感器的灵敏度一致性和线性度困扰，直到制造了一台高速高精度的D33测试机，许多过去的未解之谜才一一揭开。
通常用于测量力学的压电石英晶体，都是X轴线切割，这样的薄片，只对X方向的信号敏感，压电系数是2.31pC/N。如果你买一台普通的加载10N振动力的D33测试机，确实可以测得你的压电石英晶体的压电系数是2.31pC/N，偏差不会大于1%。但是做出来的传感器，每只的压电系数都不同，差别可能有20%之多。我刚开始认为是传感器外壳金属的一致性不好，于是在材料均匀性，热处理和机械尺寸精度上大费周章，却发现无论如何改进，传感器的一致性始终是偏差很多，同一个传感器拆开重新装配后，压电系数居然就变了！
所以虽然石英晶体的物理特性决定了其压电系数是稳定的2.31pC/N，但是做成传感器时，电极材料和石英晶片的接触耦合却造成很大的压电系数的偏移，我们称之为耦合系数。耦合系数与石英晶片表面粗糙度，电极材料的材质，表面光洁度，纹理和硬度都有关系。最让人难受的是，每次的耦合系数是不确定的，所以事先的测量分选是无用的，只有把传感器装配好了，才能测量得到其灵敏度。也就是同样的元件，你装出来的传感器的压电系数可能是1.5pC/N，也可能是1.2pC/N，完全靠随机的运气而定。
在偶然的测试中，我发现电荷探针敲打在石英晶片的边沿很容易测量到高的电荷信号，而敲打在石英晶片的中心，得到的电荷信号却比较小，这使我怀疑，石英晶片表面也许并不是均质的，有些区域压电系数大，有些区域压电系数小。当装配传感器时，如果压电系数大的区域恰好分配了较多的压力，则传感器的压电系数会比较大；而当我拆开传感器再重新装配时，石英晶片表面的受力分布变化了，这时候传感器的压电系数也就变化了。这就可以解释为什么每次装配传感器，压电系数都不一样。
压电石英晶体是在水热釜里面生长出来的，实际上看视透明均质的石英晶体，内部有很多微观的晶格错位是看不出来的，越是生长周期短的石英晶体，晶格错位就越严重，就会形成不同的压电系数的表面。
除了晶格错位，石英晶体里面的杂质也有很大影响，影响最大的就是Al，Al杂质在石英晶体生长中是非常难去除的，而Al杂质以三氧化二铝的形式夹杂在石英晶体里面（三氧化二铝就是蓝宝石），三氧化二铝晶体是没有压电效应的。
石英晶体的加工切割和研磨过程，也造成晶体表面的变化。首先机械加工过程产生的微观的高温（500℃左右），会使有压电效应的α-石英变成没有压电效应的β-石英；其次研磨材料会和石英晶体表面结合，形成错位晶格，这些都会影响石英晶体的表面压电效应。
为了做出最好的精度，我选了进口的石英原材料，石英晶片粗加工切割研磨后，再用腐蚀剂将石英晶片表面一层材质溶解掉，然后将晶体放置在氢氧化锂水溶液里，高温高压保持一段时间，让石英晶片表面重新微观生长，才获得一致性最好的压电石英晶元。
即使这样，还是不够！压电石英传感器还有很严重的回归滞后误差。如下图这样，一个压电石英测力传感器的加载后又立刻卸载，其信号曲线是不重合的。

从曲线上看，卸载刚开始的时候，电荷信号滞后于压力信号，到了中间，电荷信号又超前于压力信号，最终电荷信号和压力信号重合。所以我怀疑在卸载的刚开始阶段，有一部分电荷没有传导出来，所以我用了表面镀银的石英晶片进行测试，但信号却没有明显的改善。如下图是镀银石英晶片的加载卸载曲线：





用石墨烯材料涂敷在石英晶体表面能有效减小电荷回归滞后，但是压电系数随着载荷增加直线下降，从开始的1.92pC/N降低到1.67pC/N。

最后动用了黑科技，先在高温500℃的真空条件下用高压3KV/cm的电场对晶片进行电清洗，降低晶体微观应力，腐蚀隧道密度降低，断裂强度提高，电导率明显减小。然后在200MPa压力下，将特殊的偶联剂材料挤进石英晶片表面缝隙，起到提高电荷稳定性的作用，最后获得了最好的效果。

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h09721

张宇12122

liy2020

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