壓電式傳感器由天然和鐵電陶瓷晶體制成(如圖1)。晶體的選擇取決于環(huán)境和性能要求。在不同的應(yīng)用中，每種材料均具有各自不同的特點和優(yōu)勢。天然晶體往往具有***高的溫度范圍和***低的熱釋電輸出。然而，鐵電陶瓷在輸出等量電荷的情況下，具有更寬頻率范圍和更小的尺寸。

        多種壓電晶體

　　單晶天然晶體，例如石英或電氣石本身就具有固有壓電特性。大多數(shù)天然材料是以單晶的形式在實驗室中生長的，而不是經(jīng)過開采得到的，在保證其始終如一的品質(zhì)的同時，還降低了晶體供應(yīng)的風(fēng)險。此外，人工培育天然晶體使得開發(fā)新的、具有更高性能的晶體成為可能。

　　另一方面，鐵電陶瓷材料本身不具備固有壓電特性，由隨機(jī)取向的多個晶體組成。要使陶瓷具有壓電特性，必須使晶體內(nèi)部的偶極子必須對齊。對準(zhǔn)/極化過程包含對材料施加很高的電壓，以使鐵電陶瓷元件內(nèi)的極性區(qū)域?qū)?zhǔn)。這個過程被稱為極化。

　　 極化

　　鐵電陶瓷針對每單位輸入力具有較高的靈敏度或電荷輸出。***常見的材料為鈦酸鉍(Bismuth Titanate)，其輸出是***常見的高溫天然晶體(電氣石)的十倍，工作溫度高達(dá)510℃，而且可以將各種化合物添加到陶瓷材料中以調(diào)整傳感器特性，但是實現(xiàn)高工作溫度是以犧牲靈敏度為代價的。

　　天然單晶材料可以在剪切或壓縮模式的傳感器設(shè)計中使用(如圖3)。在壓縮模式中，材料產(chǎn)生的電荷與所施加的力具有相同的方向。在剪切模式中，材料在垂直于所施加的力的方向上產(chǎn)生電荷。鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate ,PZT)是一種陶瓷材料，廣泛應(yīng)用于高達(dá)288°C的溫度環(huán)境中。PZT可以設(shè)計成使用剪切和壓縮模式的傳感器，但是應(yīng)用在剪切模式中是效率***高的，因為可以輸出更多的電荷和實現(xiàn)更高的工作溫度。通常情況下，剪切模式的傳感器具有更小的體積，更寬的頻響和更高多的電荷輸出，所以比壓縮模式更高效。此外，由于將晶體固定在適當(dāng)位置所需預(yù)載力垂直于偏振軸，所以采用剪切模式設(shè)計的傳感器隨時間具有極其穩(wěn)定的輸出，具有的更好的設(shè)計靈活性和性能。

　　 壓縮和剪切模式

　　在高溫應(yīng)用中必須考慮許多關(guān)于溫度，帶寬，安裝和其他方面之間的權(quán)衡。 如果溫度影響超出了具體工作環(huán)境的限制，可能產(chǎn)生無關(guān)的輸出，并可能改變靈敏度和其他參數(shù)。壓電傳感器不對恒定溫度產(chǎn)生輸出，因為它不對恒定輸入產(chǎn)生響應(yīng)，這是它的自然特性。然而，它們可以對溫度的變化而響應(yīng)并產(chǎn)生輸出。

　　壓電元件本身通常是具有熱釋電特性的，即它對溫度響應(yīng)而產(chǎn)生輸出。此外，溫度或溫度梯度可能會引起熱膨脹，從而改變元件的上的預(yù)載荷應(yīng)力。傳感器內(nèi)的溫度變化由于傳熱導(dǎo)而相對較慢，因此，熱釋電輸出出現(xiàn)在低頻段，會被系統(tǒng)低頻衰減，因此，熱釋電輸出通常不是問題。但是，當(dāng)壓電傳感器在溫度變化較大時，可能會在其輸出中出現(xiàn)尖峰，這與熱釋電場的靜電表面放電相關(guān)。在熱釋電放電之后繼續(xù)出現(xiàn)的尖峰，與壓電材料和各個部件的設(shè)計以及傳感器的處理有關(guān)系。

　　利用鐵電陶瓷材料的壓縮設(shè)計的傳感器比具有壓電剪切設(shè)計或使用天然晶體的設(shè)計的傳感器具有更大的熱釋電輸出。

　　原因有兩個：壓縮模式設(shè)計的加速度計中，壓電材料通過傳感器的基座與環(huán)境直接耦合。此外，鐵電材料對垂直于極化軸的表面上的均勻溫度變化非常敏感。

　　然而，熱釋電輸出是非常低的頻率現(xiàn)象，其通常遠(yuǎn)低于我們感興趣的頻率范圍，并且可以通過在測量系統(tǒng)中使用高通濾波器來避免。