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1、Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,电介质材料,Dielectric Materials,（,piezoelectric material,）,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,电介质材料之压电材料,铁电体,热释电体,压电体,介电体,一,概述,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,当你在点燃煤气灶，热水器或打火机时，就有,一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家,在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用,户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加,
2、在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能,引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃,了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应，压电陶,瓷就是一种常用的压电材料。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产,生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械,应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生,的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高,频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。,也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的,功能,。,压电材料可
3、以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产,生机械变形，这种固有的机,-,电耦合效应使得压电材料在工程中,得到了广泛的应用。,1.,基本概念,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,压电晶体产生压电效应,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,-,-,-,未加应力,加应力不,产生极化,加应力产生极化，,正负电荷中心分开,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，,就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从,而导致其两个相对表面,(,极化面
4、,),上出现符号相反的束缚电荷,Q,，且其电位移,D(,在,MKS,单位制中即电荷密度,),与外应力张,量,T,D=d T,或,=d T,式中,d,压电常数矩阵。,当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷,极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,压电效应,(a),正压电效应；,(b),压电效应的可逆性,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起,电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质,产生变形，且其应变,S
5、,与外电场强度,E,成正比：,S=d,t,E,式中,d,t,逆压电常数矩阵。,这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。,可见，具有压电性的电介质,(,称压电材料,),，能,实现机,-,电能量的相互转换。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,主要参数,压电材料的主要特性参数有,:,（,1,）,压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强,弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。,（,2,）,弹性常数：压电材料的弹性常数、,刚度决定,着压电器件的固有频率和动态特性。,（,3,）,介电常数：对于一定形状、,尺寸的压电元,件,其固有电容与介电常数有关,;,而固有电
6、容又,影响着压电传感器的频率下限。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,（,4,）,机械耦合系数：在压电效应中,其值等于转,换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）,之比的平方根,;,它是衡量压电材料机电能量转换,效率的一个重要参数。,（,5,）,电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。,（,6,）,居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度,称为居里点。,（,7,）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内,贮存的机械能与损耗的机械能之比。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengy
7、e,压电材料,目前压电材料可分为三大类：,一是压电晶体,(,单晶,),，它包括压电石英晶体和其,他压电单晶；,二是压电陶瓷,(,多晶半导瓷,),；,三是新型压电材料，,又可分为压电半导体和有机,高分子压电材料两种。,在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电,单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅,系列压电陶瓷。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,石英晶体,石英晶体的外形,(a),天然石英晶体；,(b),人工石英晶体；,(c),右旋石英晶体,理想外形,理想石英晶体坐标系,Guangdong Ocean University,Xiong Z
8、hengye,石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前,传感器中使用的均是以居里点为,573,，晶体的结构,为六角晶系的,-,石英。,在讨论晶体机电特性时，采用,xyz,右手直角坐标,较方便，并统一规定：,x,轴与,a(,或,b,、,d),轴重合，谓,之电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面,上压电效应最强；,y,轴垂直,m,面，谓之机轴，在电场,的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；,z,轴与,c,轴重合，谓之光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过,石英晶体时，无折射，沿,z,轴方向上没有压电效应。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,压电石英的主
9、要性能特点是：,(1),压电常数小，时间和温度稳定性极好；,(2),机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，,动态特性好；,(3),居里点,573,，无热释电性，且绝缘性、重复性,均好。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,石英晶体振荡器,石英晶体振荡器是高精度和,高稳定度的振荡器，被广泛,应用于彩电、计算机、遥控,器等各类振荡电路中，以及,通信系统中用于频率发生器、,为数据处理设备产生时钟信,号和为特定系统提供基准信,号。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅
10、的,结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本,构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄,片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极,上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成,了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。,其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或,塑料封装的。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电,容,C,0,，它的大小与晶片
11、的几何尺寸、电极面积有关，一般约几,个,PF,到几十,PF,。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感,L,来,等效。一般,L,的值为几十,mH,到几百,mH,。晶片的弹性可用电容,C,来等效，,C,的值很小，一般只有,0.0002,0.1pF,。晶片振动时,因摩擦而造成的损耗用,R,来等效，它的数值约为,100,。由于晶,片的等效电感很大，而,C,很小，,R,也小，因此回路的品质因数,Q,很大，可达,1000,10000,。加上晶片本身的谐振频率基本上只,与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。,Guangdong Oce
12、an University,Xiong Zhengye,从石英晶体谐振器的等效电,路可知，它有两个谐振频率，,即（,1,）当,L,、,C,、,R,支路发,生串联谐振时，它的等效阻,抗最小（等于,R,）。串联揩,振频率用,fs,表示，石英晶体,对于串联揩振频率,fs,呈纯阻,性，（,2,）当频率高于,fs,时,L,、,C,、,R,支路呈感性，可与电,容,C,0,发生并联谐振，其并联,频率用,fd,表示。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,在压电单晶中除天然,和人工石英晶体外，锂盐,类压电和铁电单晶如铌酸,锂,(LiNbO,3,),、钽酸锂,(LiT
13、aO,3,),、锗酸锂,LiGeO,3,),等材料，,也已在传感器技,术中日益得到广泛应用，,其中以铌酸锂为典型代表。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。,它的时间稳定性好，居里点高达,1200,，在高,温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械,性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均,保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应，,因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。,被称为第二代压电晶体的代表。,不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。,Guangdong Ocean University
14、,Xiong Zhengye,压电陶瓷,压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓,“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，,它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一,单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶,瓷呈现各向同性而不具有压电性。,要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下,对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则,排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强,的剩余极化，从而呈现出压电性,。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,压电陶瓷的特点是：,压电常数大，灵敏度高；
15、,制造工艺成熟，可通过,合理配方和掺杂等人工,控制来达到所要求的性,能；成形工艺性也好，,成本低廉，利于广泛应,用。,压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热,电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给,压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感,器，压电陶瓷的应用受到限制。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,例,2,：由热运动引起的自发极化,铁电体的位移性理论：,自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，,使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用,使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时,
16、晶体结构发生了畸变。,钛酸钡的结构：钙钛矿型结构,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,等轴晶系（大于,120,o,C,）,：,晶胞常数：,a=4.01A,氧离子的半径：,1.32A,钛离子的半径：,0.64,钛离子处于氧八面体中，,两个氧离子间的空隙为：,4.01,2,1.32=1.37,钛离子的直径：,2,0.64=1.28,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,结果：,氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。,较高温度时，热振动能比较大，
17、钛离子难于在偏离中心的某一,个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高,的对称性，自发极化为零。,温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特,别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，,有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使,这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方,向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,钛、氧离子的位移,固,有,偶,极,子,自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由
18、,晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内,存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。,一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外,电场，这些介质的极化强度为,0,。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,(2),无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构,-,-,+,+,+,-,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,+,-,-,+,+,+,极,化,轴,C,-,+,+,-,-,+,纤锌矿,(ZnS),结构在（,010,）上投影,表示晶体极性,链的两种方法,例,1,：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构,-,+,-,+,固,有,偶,极,子
19、,正,电,荷,层,与,负,电,荷,层,交,替,排,列,-,+,-,+,-,+,-,+,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列,形成一个畴。,3,电畴,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整,个晶体表现为电中性，宏观上无极性。,外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方,向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，,极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结,晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电,场只有电子与离
20、子的极化效应，和一般电介质一样。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,电介质的极化强度与施加电场呈正比：,P=,?,o,?,e,E,铁电材料的极化强度不与施加的电场成线性关系，并具,有明显的滞后。二者典型的关系如下图：,1.,铁电体,二,铁电性,铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电,场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电,场强度间的关系呈电滞回线特征。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,P,s,：无电场时单畴,的自发极化强度；,P,r,：剩余极化强度；,E,C,：矫顽场强。,P,铁电陶瓷
21、的电滞回线,E,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,自发极化：在某一低温时由于热能所造成的偶,极子混乱排列被局部电场所克服，而产生偶极,子取向一致的现象，此时晶体中每一个晶胞里,存在固有的电偶极矩，形成永久偶极矩。这种,电偶极子在无任何外场作用时自发一致排列。,极性晶体：具有自发极化特性的晶体,。,铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极,化方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。,铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极,化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。,Guangdong O
22、cean University,Xiong Zhengye,3.,铁电体的性能,电滞回线,介电特性,非线性,晶界效应,（,1,）性能,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,压电效应：,正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切,向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时,在晶体两端将出现正负电荷。,逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。,1.,压电效应,三,压电性,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,极化方向,+,+,极化方向,+,+,自由电荷,释放电荷,极
23、化方向,+,+,+,正压电效应,逆压电效应,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：,D=dT,d:,压电常数,逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关,系：,S=dE,d:,压电常数,注：正、逆压电效应的压电常数一样。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,2.,压电材料的性能,（,1,）机电偶合系数,=,压电转换电能,/,输入的机械能,（,2,）压电常数,（,3,）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。,介电质的基本性能：,介电常数、介电损耗等,特殊应用要求的性能：
24、,如：滤波器要求谐振频率稳定,性高,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,3.,压电振子谐振特性及振动模式,阻抗,频率,反谐振,谐振,压电振子：极化后的压电体。,谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频,率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。,(1),谐振特性,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,谐振频率：形成驻波的频率。,形成驻波的条件：,L=n,?,/2,振动频率：,f,r,=u/,?,（,u-,声波的传播速度与物体的密,度和弹性模量有关）,谐振线度尺寸与频率的关系：,L=n,（,u/f,r,）,
25、/2,n=1,频率为基频，其它为二、三次等谐振,当发生谐振时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小,(,电流最大,),的频率,f,m,附近,.,在两个谐振之间有一反谐振,f,a,，电流与电压同相，发生,在振子阻抗最大,(,输出电压最大,),的频率,f,n,附近。,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,4.,压电材料及其应用,钛酸钡,钛酸铅,锆酸铅,钛锆酸铅,非钙钛矿型：,焦绿石、硫化镉、氧化,锌、氮化铝,（,1,）材料,钙钛,矿型,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,（,2,）,应用,电声器：扬声器、送话筒
26、、,水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器,雷达中的陶瓷表面波器件,通讯设备：陶瓷滤波器,精密测量：压力计,高压电源：变压器,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,高压引线,压电陶瓷点火器,垫块,外,壳,冲击块,V,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,单片陶瓷压电膜,压电换能器,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,串联型,双膜片压电振子,+,_ _ _ _ _,+,_ _ _ _ _,V,等效电路,Guangdong Ocean University,Xiong Zhengye,并联型,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,双膜片压电振子,+,_ _ _ _ _,+,_ _ _ _ _,
