压电器件和材料
压电原理及材料
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晶体受到 x 方向的压力 Fx 作 用，晶片将产生厚度变形，并 发生极化现象；
在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx 与作用力Fx成正比，即 qx =d11Fx
式中， d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石 英晶体的d11=2.31*10-12C/N qx--垂直于X轴的平面上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力
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第一节
压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以 某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的 目的。 压电式传感器主要用途：压电传感元件是力 敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物 理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等， 但不能用于静态参数（例如重量）的测量。
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（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，
它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造
成本却较低，因此目前国内外生产的压电元
件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶
瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
压电陶瓷的极化过程
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压电式传感器是一种典型的有源传感器 ；
压电效应具有可逆性，也是一种典型的“双向传 感器”；
压电式传感器的特点:
工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量 轻，工作可靠。 燃气灶与打火机
压电效应最贴近生活的应用：
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一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀 具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时， 晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷 Q与所施加的 力F成正比 ，这种现象称为：“压电效应” 。
压电薄膜材料与器件制备技术
压电薄膜材料与器件制备技术一、压电薄膜材料的概述压电薄膜材料是指具有压电效应的薄膜材料，其特点是在外加电场或机械应力下产生形变或反之，即使在微小应变下也能产生大的电荷或电场。
常见的压电薄膜材料有PZT、AlN、ZnO等。
二、压电薄膜器件制备技术1. 压电薄膜制备技术(1) 溅射法：将靶材置于真空室中，通过氩气等惰性气体离子轰击靶材表面，使得靶材表面原子被剥离并沉积在基片上形成压电薄膜。
(2) 溶胶-凝胶法：将金属离子与有机物形成络合物后，在加热过程中逐渐失去溶剂和有机物，形成纳米级粒子，并在基片上形成压电薄膜。
(3) 化学气相沉积法：通过化学反应沉积出具有良好结晶性的压电陶瓷晶体，并在基片上形成良好的压电薄膜。
2. 压电薄膜器件制备技术(1) 压电传感器：将压电薄膜固定在弹性体上，当受到外力作用时，弹性体会发生形变，从而使得压电薄膜产生电荷或电场变化，实现对外力的检测。
(2) 压电陶瓷换能器：将压电陶瓷片固定在机械结构上，当施加外力时，陶瓷片会发生形变，从而产生振动或声波。
(3) 压电马达：将压电陶瓷片与机械结构相连，在施加交流电场的情况下，使得陶瓷片产生振动，并通过机械结构转换为旋转运动。
三、压电薄膜材料与器件应用领域1. 传感领域：利用压电传感器检测温度、气体、液体等物理量。
2. 能量转换领域：利用压电陶瓷换能器将机械能转化为声波或振动能。
3. 运动控制领域：利用压电马达实现精密定位和微型运动控制。
4. 生物医疗领域：利用压电薄膜制备超声探头、人工耳蜗等医疗器械。
四、压电薄膜材料与器件的未来发展趋势1. 高性能化：发展高性能压电材料，提高其压电效应、稳定性和可靠性。
2. 微型化：将压电薄膜材料与微纳加工技术相结合，实现微型化器件的制备。
3. 多功能化：将多种功能集成在一起，实现多功能化的压电器件。
4. 智能化：利用新型材料、新型结构和智能控制技术，实现智能化的压电器件。
五、总结随着科技的不断进步，压电薄膜材料与器件在各个领域得到了广泛应用。
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
压电材料的应用领域
压电材料的应用领域压电材料是一类具有特殊物理性质的材料，具有压电效应，即在外加压力下能够产生电荷。
这使得压电材料在许多领域具有广泛的应用。
一、压电传感器领域1.压力传感器：利用压电材料的压电效应，将压力转化为电信号，广泛应用于各种压力测量领域，如工业控制、航空航天、汽车制造等。
2.加速度传感器：将压电材料作为传感器的敏感元件，可以通过测量物体的加速度或振动信号来确定其位置和运动状态，应用于惯性导航，机械振动和医药检测等领域。
3.声音传感器：压电材料能够将声波转化为电信号，广泛应用于麦克风、扬声器、声音检测等声音传感器领域。
二、压电器件领域1.压电陶瓷换能器：将电能转化为机械能，广泛应用于超声波发生器、超声波清洗机、声波喷雾器等超声波设备中。
2.压电陶瓷马达：将电能转化为机械能，能够实现精确的位置控制和振动驱动，广泛应用于精密仪器、精确加工设备等领域。
3.压电陶瓷电子滤波器：利用压电特性能够滤除特定频率信号，广泛应用于无线通信、雷达和电视等领域。
三、压电发电领域1.压电振动发电：利用压电材料的压电效应，将自然或人为振动能量转化为电能，广泛应用于无线传感器网络、自供电传感器、环境能量收集等领域。
2.压电风力发电：利用风的作用力使压电材料产生变形，从而产生电能，应用于微型风力发电机和环境能源收集等领域。
四、医疗领域1.超声诊断：利用压电材料的压电效应，产生超声波信号，应用于医学超声诊断中，如超声心动图、超声胃镜等。
2.手术刀：利用压电材料的压电特性，制成超声刀，用于切割和凝固组织，无血刀技术的一种。
五、其他领域1.电子经络仪：利用压电材料的特性，检测人体经络的状况，以及调节和疏通经络。
2.压电陶瓷电子烟：利用压电材料的特性，将电子烟加热，产生雾化效果，替代传统烟草。
总之，压电材料的应用领域非常广泛，涵盖了传感器、器件、发电、医疗等领域，随着科技的发展，压电材料在更多领域的应用将会不断扩展。
常用的压电材料有哪些
常用的压电材料有哪些
首先，陶瓷压电材料是最常见的一类压电材料。
它们具有优良的压电性能和稳
定的物理化学性质，广泛应用于压电换能器、压电传感器、压电陶瓷滤波器等领域。
常见的陶瓷压电材料包括PZT（铅锆钛瓷）、PZN-PT（铅锆镍钛瓷）等，它们具
有较高的压电系数和良好的稳定性，是目前应用最为广泛的压电材料之一。
除了陶瓷压电材料，聚合物压电材料也是一类重要的压电材料。
相较于陶瓷材料，聚合物压电材料具有更好的柔韧性和可塑性，可以制备成各种形状的压电器件，具有广阔的应用前景。
常见的聚合物压电材料包括PVDF（聚偏氟乙烯）、
P(VDF-TrFE)（聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物）等，它们具有良好的压电性能和优异的机械性能，适用于柔性压电器件的制备。
此外，无机-有机复合压电材料也是近年来备受关注的一类新型压电材料。
它
们将无机和有机相结合，兼具无机材料的高压电性能和有机材料的柔韧性，具有很高的应用潜力。
常见的无机-有机复合压电材料包括钙钛矿-聚合物复合材料、铁电-聚合物复合材料等，它们不仅具有优异的压电性能，还具有良好的可加工性和可塑性，适用于柔性电子器件的制备。
总的来说，常用的压电材料包括陶瓷压电材料、聚合物压电材料和无机-有机
复合压电材料。
它们各具特点，在不同的应用领域有着广泛的应用。
随着科技的不断进步和压电材料研究的深入，相信将会有更多新型的压电材料涌现，为现代科技的发展带来新的动力和可能性。
压电材料与应用
迄今为止，可被考虑的无铅压电陶瓷体系有： 1.BaTiO3基无铅压电陶瓷 a（1-x） BaTiO3-xABO3（A=Ba、Ca等，B=Zr、Sn、Hf、Ce等） I II I II b （1-x） BaTiO3-xA B O3 （A =K、Na，B =Nb、Ta） c（1-x） BaTiO3-xAII0.5NbO3 （AII=Ca、Sr、Ba）
材料 Kp Kt d33 (PC/N)
g33 (×10－3Vm/N)
F15-6 15PZTPZT-4 F15-7 15F C-1 P-5 PS PZTPZT-8 F3 SW2 SW3 PGB PZTPZT-7 F 2-6 BTBT-2
0.62 0.58 0.52 0.57 0.58 0.55 0.59 0.59 0.51 0.56 0.32
压电材料性能指标 压电材料性能指标
Kt Kp
K33 K15 K31
3、机械品质因数Qm
压电材料性能指标 压电材料性能指标
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm 是反映能量消耗大小的一个参数。 越大，能量消耗越小。 是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数 的定义式是： Qm的定义式是：
压电材料概述
压电陶瓷
优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状，价格 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状， 便宜。 便宜。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm) (kV/mm)。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。
压电聚合物
优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm) 缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)
压电器件和材料详解
无机材料与人类文明进步
压电器件和压电材料
应耀 材料科学与技术学院
一、压电材料和压电效应
正压电效应：当一个机械力作用于某些晶体上时，在晶体表 面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的 大小有关，当机械力撤去后，电荷会消失；
逆压电效应：当一个电场作用于一块晶体时，晶体会发生形 变，且形变大小与电场大小有关，若撤除电场，则晶体又 恢复原状。
②超声波诊断仪 超声波可以成像。医院
利用 B 型超声波诊断仪做 胃部、腹部检查，还可以观 察胎儿的发育情况。
③超声波速度测定器 利用超声波的多普勒
效应制成速度测定器，交警 在高速公路上测定车辆的速 度。
④超声波清洗器Βιβλιοθήκη 超声波能使清洗液剧烈振动，有去污作用，人们 制成超声波清洗器。
⑤超声波焊接器 超声波还能使塑料膜
超声治疗 进入人体的超声波达到
某一强度时，能使人 体某一部分组织发热、 轻微振动，起到按摩 推拿作用，达到治疗 的目的，如用于治疗 关节、肌肉及其他软 组织的创伤和劳损。 此外，还可用超声波 粉碎体内结石，如胆 结石、肾结石、尿路 结石等。
小知识
超声波仪器
①声纳 人们利用超声波定向
性好，在水中传播距离远特 点制成声纳，可以发现潜艇 和鱼群，还可以测绘海底形 状。
• 在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
压电材料有哪些
压电材料有哪些压电材料是一种能够产生电荷的材料，当受到机械应力时会产生电势差。
这种特殊的材料在现代科技领域有着广泛的应用，包括传感器、声波器件、振动器件等。
那么，究竟有哪些常见的压电材料呢？首先，陶瓷材料是最常见的压电材料之一。
陶瓷材料具有良好的压电性能，能够稳定地产生电荷。
其中，氧化铅和氧化钛是最为常见的压电陶瓷材料，它们不仅具有良好的压电性能，还具有优异的机械性能和化学稳定性，因此被广泛应用于压电传感器和压电换能器件中。
其次，聚合物材料也是常见的压电材料之一。
相比于陶瓷材料，聚合物材料具有更好的柔韧性和加工性能，因此在一些特殊的应用场合中得到了广泛的应用。
例如，聚偏氟乙烯（PVDF）材料具有良好的压电性能和耐候性，被广泛应用于声波传感器和压电振动器件中。
此外，压电复合材料也是一种重要的压电材料。
压电复合材料是将压电陶瓷材料或压电聚合物材料与其他功能材料复合而成的材料，具有多种功能的综合性能。
例如，将压电陶瓷材料与聚合物材料复合可以兼顾机械性能和压电性能，被广泛应用于超声波传感器和医疗器械中。
除了以上几种常见的压电材料外，还有一些新型的压电材料正在不断被研发和应用。
例如，柔性压电材料、纳米压电材料等，都具有着独特的优势和应用前景。
这些新型压电材料不仅可以满足传统压电材料的性能要求，还可以在柔性电子、生物医学等领域发挥重要作用。
总的来说，压电材料种类繁多，每种材料都具有着独特的性能和应用特点。
随着科学技术的不断进步，压电材料的研究和应用也将会不断取得新的突破，为人类社会的发展带来更多的可能性。
希望通过本文的介绍，能够让大家对压电材料有一个更加深入的了解。
压电器件
压电陶瓷片
压电陶瓷片时利用某些陶瓷的压电特性效应 制成的具有选择性的器件。 制成的具有选择性的器件。
压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛 压电陶瓷片由于结构简单造价低廉， 的应用于电子电器方面如：玩具， 的应用于电子电器方面如：玩具，发音电子 电子仪器，电子钟表，定时器等方面。 表，电子仪器，电子钟表，定时器等方面。
结束， 谢谢！
石英晶体元件
石英晶体元件简称为晶振或晶振元件， 它是利用石英单晶材料的压电效应而制 成的一种器件。 特点 体积小、 Q值高、 性能稳定可靠的特点
晶振元件结构，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有 压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外 加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率 与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就 是晶体谐振特性的反应。
声表面波叉指换能器 •将一块压电材料的一面表面抛光，用真空镀膜 的方法镀上一层金属薄膜然后作成叉指电极 声表面波带通滤波器 •在压电材料基片的一面的两端各设置一个叉指换 能器，一个为输入叉指换能器，另一个为输出叉 指换能器。
声表面波滤波器等效电路
•优点：电路简单、应用方便、成本 优点：电路简单、应用方便、 优点 低、质量高 •缺点：损耗大、易产生图像反射重 缺点： 缺点 损耗大、 影，要加预放大电路
第9章 压电器件
学习重点 了解常用的压电器件的种类 学习压电器件的工作原理及主 要特性 掌握压电器件的应用
压电效应
分类： 正压电效应 逆压电效应
压电材料和压电器件简介
压电材料： 压电材料： 1. 压电单晶 2. 3. 压电陶瓷 压电薄膜
压电器件 常用压电器件：
石英晶体元件 压电陶瓷元件 声表面波器件
种类： 种类 陶瓷滤波器（LT） 陶瓷谐振器 陶瓷陷波器（XT）
压电材料有哪些
压电材料有哪些
压电材料是一类具有压电效应的材料，它们可以在受到外力作用时产生电荷，或者在施加电场时产生机械变形。
压电材料在声波传感器、超声波发生器、压电换能器等领域有着广泛的应用。
那么，压电材料有哪些呢？
首先，陶瓷材料是常见的压电材料之一。
陶瓷材料的晶体结构使其具有压电性能，如氧化锆、氧化铅和氧化钛等。
这些陶瓷材料具有优良的压电性能，被广泛应用于压电换能器和压电传感器中。
其次，聚合物材料也是一类重要的压电材料。
聚合物材料通常具有良好的柔韧性和可塑性，可以用于制备柔性压电器件。
例如，聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物是常见的柔性压电材料，可以制备成薄膜或纤维状的压电器件，广泛应用于生物医学、智能传感等领域。
此外，无机晶体材料也是重要的压电材料之一。
无机晶体材料具有良好的压电性能和稳定性，如石英、石英晶体、磷酸盐晶体等。
这些材料在电子通信、计时器件、压电换能器等方面有着重要的应用价值。
另外，压电复合材料也是当前研究的热点之一。
压电复合材料是将压电材料与其他功能材料复合而成，以发挥各种功能。
例如，将压电陶瓷与聚合物复合可以制备出柔性压电材料，具有更广泛的应用前景。
总的来说，压电材料种类繁多，包括陶瓷材料、聚合物材料、无机晶体材料和压电复合材料等。
这些材料在声波传感器、超声波发生器、压电换能器等领域有着重要的应用，对于推动科技进步和产业发展具有重要意义。
希望未来能够有更多新型压电材料的涌现，为各个领域的应用提供更多选择。
压电器件的种类特点及应用
压电器件的种类特点及应用压电器件是一类利用压电效应进行能量转换和信号转换的器件。
根据其结构和性能特点的不同，压电器件可以分为多种类型。
下面将分别介绍几种常见的压电器件的种类特点及应用。
1. 压电陶瓷压电陶瓷具有良好的压电效应和尺寸效应特点。
它通常由铅锆钛酸钡等复合材料制成。
压电陶瓷具有高的机械耐久性和耐腐蚀性，可在宽温度范围内工作。
它被广泛应用于超声波传感器、超声波发生器、压力传感器、压电加速度计等领域。
2. 压电薄膜压电薄膜是将压电材料制成薄膜状的器件。
它具有厚度较小、重量轻、柔韧性好等特点，可以与其它材料结合使用。
压电薄膜广泛应用于压力传感器、触控屏、声波酒塞等领域。
3. 压电陶瓷复合材料压电陶瓷复合材料是将压电陶瓷和其它材料复合在一起得到的一种新型压电材料。
它综合了不同材料的优点，既具有压电陶瓷的压电效应，又具有其它材料的特性。
压电陶瓷复合材料被广泛应用于声波滤波器、声波振荡器、微机械系统等领域。
4. 压电压敏电阻压电压敏电阻是一种同时具有压电效应和电阻特性的器件。
它可以将机械能转换为电能，并且具有电阻随压力变化的特点。
压电压敏电阻被广泛应用于压力传感器、动态测量系统等领域。
5. 压电液体晶体压电液体晶体是一种在电场和机械力共同作用下会出现液体结构变化的压电材料。
它具有密度变化大、响应速度快等特点。
压电液体晶体被广泛应用于声波传感器、液体振荡器等领域。
压电器件的应用非常广泛。
它们在工业、医疗、汽车、通信、军事等领域都扮演着重要的角色。
以下是一些常见的应用案例：1. 超声波传感器：利用压电陶瓷或压电薄膜的压电效应，将机械能转换为电能，实现对超声波的检测和测量。
广泛应用于医疗、无损检测、仪器仪表等领域。
2. 压电陶瓷振荡器：利用压电陶瓷的压电效应，将电能转换为机械振动，实现高精度的振荡器功能。
广泛应用于时钟、无线通信、音频设备等领域。
3. 压力传感器：利用压电器件的压电效应，将被测压力转换为相应的电信号。
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷是一种应用于压电器件中的材料，具有压电效应。
其工作原理是基于压电效应，也即当施加压力或拉力时，压电陶瓷会产生电荷分离和电位变化的现象。
具体来说，压电陶瓷是由多晶型铁电陶瓷组成的，具有正、负极化特性。
在压力加之前，压电陶瓷处于自由状态，晶体内部的正负离子都是随机排列的，不存在电荷分离现象。
当施加压力或拉力时，压电陶瓷晶体内部的离子结构会发生畸变，正负离子发生位移，因此会产生电荷分离。
电荷分离导致了内部电位的变化，从而形成电势差。
该电势差可以产生电场，导致电势差的变化。
通过连接外部电路，可以将产生的电势差转化为电流或电压输出。
压电陶瓷广泛应用于传感器、驱动器、声学器件等领域。
其中，压电传感器是将物理量转化为电信号的装置。
当施加力或压力到压电传感器上时，它将产生电信号输出，用于测量、检测和控制目的。
综上所述，压电陶瓷通过压电效应产生电荷分离和电位变化，进而转化为电信号输出，实现各种应用。
它的工作原理基于压电效应，具有灵敏度高、频率响应快等特点，因此成为了许多领域中重要的材料。
有机压电材料及应用
在医疗仪器中的应用
PVDF压电高聚物对生物组织的适应性和相容性很好，用它们制成的电子型人工脏器 及其组件将有可能移植到动物体内，用它们制成的医疗血流扰动和脉动的 PVDF压力传感器 同时测量心脏内的压力和声音的 PVDF血管内诊断装置 监测婴儿呼吸状况的非接触长期呼吸监视装置
特点
压电性强、介电常数高、 压电性弱、介电常数低、
易加工成型
加工尺寸局限
机械品质因子低、
机械品质因子高、
电损耗大、稳定性差
稳定性好
柔韧性好、低密度、低 阻抗
应用 领域
大功率换能器和宽带 滤波器
标准频率控制的振子、高频、 高温超声换能器等
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
由PVDF压电高聚物制作的器件对温度、湿度和化学物质高度稳定，机械强度又高， 用其制作的声电转换器件结构简单、形状细致、重量轻、失真小、音质好、稳定性 高， 能广泛应用于声学设备，特别适宜于高质量的立体声耳机、 扬声器和话筒等 此外PVDF压电高聚物还可应用于红外探测器、辐射计、电荷分离器、滤波器、光扫 描器、方位探测器、光相调制器等
PVDF的晶型与压电性
PVDF存在四种晶相：α，β，γ，δ
α晶型是PVDF最普通的结晶形式，为单斜晶系，构型为TGTG
在同一单胞内偶极子反向排布，偶极矩相互抵 消，因此分子为非极性；
PVDF的晶型与压电性
PVDF存在四种晶型：α，β，γ，δ
β晶型是PVDF的重要结晶形式，为正交晶系，构型为全反式TTT
置80~110℃恒温场中， 以 500~800kV/cm极化电压极化0.5~1h
PZT-PVDF复合压电膜
采用陶瓷 PZT微粉和高聚物 PVDS 制备复合材料膜，通过轧膜、 镀 电极和极化3个主要工艺制备 轧膜（用热轧挤压成膜方法， 轧辊升温到120~40℃）→加PVDF粉末 →软化→缓慢添加PZT粉料→混轧→成膜→自然冷却→取膜
压电发电原理材料与应用
压电陶瓷点火器 走路发电
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压电应用
压 电 写 真 机
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谢 谢！
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压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、 压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、 电损耗较大、稳定性差， 电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用
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压电材料
2.有机压电材料（压电聚合物） 有机压电材料（压电聚合物） 有机压电材料
偏聚氟乙烯（ ）（薄膜 偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其以为代表的其他有机 ）（薄膜） 压电（薄膜） 压电（薄膜）材料
压电材料及其应用
压电发电原理 压电材料 压电应用
1
压电发电原理
1880年，法国物理学家发现，把重物放在石英晶体上， 年 法国物理学家发现，把重物放在石英晶体上， 晶体某些表面会产生电荷， 晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例
压电效应
对压电材料施加压力，它便会产生电位差。 对压电材料施加压力，它便会产生电位差。
水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、 水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等 ）、镓酸锂
介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高， 介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高， 多用来作标准频率控制的振子，高选择性的滤波器以及高频、 多用来作标准频率控制的振子，高选择性的滤波器以及高频、高温超声换能器等
材质柔韧，低密度， 材质柔韧，低密度，低阻抗等优点为世人瞩目 发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感， 发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用 不足之处是压电应变常数偏低， 不足之处是压电应变常数偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制
压电材料的性质与应用
压电材料的性质与应用压电效应是指某些晶体在受到力的作用时会产生电位变化，反之也成立。
这是一种特殊的物理现象，由于其独特的性质和极大的应用潜力，压电材料成为现代科技领域的重要研究方向之一。
压电材料主要分为陶瓷和聚合物两种类型。
最经典的压电材料是酸钛酸钡（PZT）陶瓷，它具有良好的压电性能和较高的稳定性。
除此之外，聚乙烯二氟乙烯（PVDF）是一种具有很强压电效应的聚合物材料，广泛应用于生物医学、电子通信等领域。
压电材料的性质非常独特且有趣。
当外力施加在压电材料上时，它会发生形变，并产生内电位变化。
这种电位变化与施加在材料上的压力成正比。
同样地，当施加额外电场时，压电材料会发生形变。
这种双向耦合性使得压电材料能够被广泛应用于传感器、声音放大器、悬浮平台等装置中。
压电材料的应用范围广泛且多样化。
其中，压电传感器是最常见的应用之一。
压电传感器使用压电效应来测量各种力和压力。
举一个例子，汽车碰撞传感器利用压电效应来检测碰撞的力量和位置，从而触发安全气囊。
在航空航天领域，压电传感器广泛应用于测量机翼变形和飞机结构的应力变化。
此外，压电材料还被使用在电子设备中，如压电谐振器可用于产生稳定的频率信号。
除了压电传感器，压电材料还可以用于应力传感器。
力传感器是一种用于测量物体上施加的力量的设备。
压电材料参与制造传感器的感应机制是：当外界力施加于压电材料上时，材料会产生电荷。
这种电荷可以转换为电压或电流，从而量化外力。
压电材料在医学领域的应用也非常广泛。
压电陶瓷或聚合物材料制成的压电换能器可以将机械运动转化为电学信号，并用于心电图、骨密度扫描等医疗设备中。
此外，压电器件还可以用于充当假肢和听力辅助设备中的感知器。
总而言之，压电材料以其独特的性质和广泛的应用潜力，成为了现代科学领域的研究热点之一。
通过深入研究压电材料的性质和应用，科学家们可以进一步开发出更多的创新技术和设备，为我们的社会和生活带来更多的便利和进步。
第八章 压电器件
第八章 压 电 器 件
本次课的要点：
1、掌握压电效应的基本知识； 2、熟悉常见的几种压电材料及其特点； 3、认识几种常见的压电陶瓷滤波器；
9.1压电效应
9.1.1 压电效应的概念
1、定义： 1）正压电效应：晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚 电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种 由机械效应转换成电效应的过程 2）逆压电效应:晶体在受到外电场激励下产生形变，且二 者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程 称为逆压电效应。
压电器件 常用压电器件：
石英晶体元件
压电陶瓷元件 声表面波器件
石英晶体元件
石英晶体元件简称为晶振或晶振元件，它是利 用石英单晶材料的压电效应而制成的一种器件。
石英晶体薄片受到外加交变电 场的作用时会产生机械振动， 当交变电场的频率与石英晶体 的固有频率相同时，振动便变 得很强烈，这就是晶体谐振特 性的反应。
具有压电效应的晶体
不具有压电效应的晶体
主要参数 1、压电常数 它是衡量材料压电效应强弱的参数，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和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、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数 有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
声表面波叉指换能器
将一块压电材料的一面表面抛光，用真空镀膜的方法镀上 一层金属薄膜然后作成叉指电极
叉指换能器的频率响应特性 －具有带通性
声表面波带通滤波器
在压电材料基片的一面的两端各设置一个叉指换能器，一 个为输入叉指换能器，另一个为输出叉指换能器。
•优点：电路简单、应用方便、成本低、质量高 •缺点：损耗大、易产生图像反射重影，要加预放大电路
压电陶瓷主要成分
压电陶瓷主要成分压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，其主要成分包括钛酸锆、钛酸铅和硅酸钠等。
压电陶瓷具有压电效应，即在受到外力作用时会产生电荷分离现象，从而产生电压差。
这种材料常被用于传感器、驱动器和压电换能器等设备中。
钛酸锆是一种重要的压电陶瓷材料，其化学式为ZrTiO4。
它具有较高的压电系数和介电常数，因此在压电陶瓷中具有广泛的应用。
钛酸锆是一种晶体材料，其晶体结构为正交晶系。
它的压电性能主要是由晶格结构变形引起的，当外力施加到钛酸锆晶体上时，晶格会发生畸变，导致正电荷和负电荷的分离，从而产生电压。
钛酸铅是另一种常见的压电陶瓷材料，其化学式为PbTiO3。
它具有良好的压电性能和介电性能，因此在压电器件中得到广泛应用。
钛酸铅是一种钙钛矿结构的陶瓷材料，其晶体结构具有较高的对称性，因此表现出优异的压电性能。
钛酸铅的压电效应是由晶体结构的畸变引起的，当外力作用到钛酸铅晶体上时，晶格会发生畸变，导致电荷的分离。
硅酸钠是一种常用的玻璃基质材料，它的化学式为Na2SiO3。
硅酸钠在压电陶瓷中常用作玻璃相的添加剂，可以提高陶瓷的烧结性能和机械强度。
硅酸钠的加入可以改善压电陶瓷的工艺性能，并且对陶瓷的压电性能没有明显的影响。
除了以上主要成分外，压电陶瓷中还可能含有其他添加剂，如氧化铁、氧化钴等。
这些添加剂的加入可以改变陶瓷的物理性能和电学性能，从而适应不同的应用场景。
压电陶瓷具有许多优异的性能，如高压电系数、宽工作频率范围、稳定性好等。
它在传感器领域中被广泛应用，如压力传感器、加速度传感器等。
此外，压电陶瓷还可以用于声波发生器、压电换能器等设备中。
压电陶瓷的应用领域非常广泛，涉及到电子、通信、医疗、汽车等多个行业。
压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，其主要成分包括钛酸锆、钛酸铅和硅酸钠等。
这些成分赋予了压电陶瓷优异的压电性能和介电性能，使其在传感器、驱动器和压电换能器等设备中得到广泛应用。
压电陶瓷的发展将为电子技术的进步和应用提供强大的支持。
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压电器件和压电材料
应耀 材料科学与技术学院
一、压电材料和压电效应
正压电效应：当一个机械力作用于某些晶体上时，在晶体表 面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的 大小有关，当机械力撤去后，电荷会消失； 逆压电效应：当一个电场作用于一块晶体时，晶体会发生形 变，且形变大小与电场大小有关，若撤除电场，则晶体又 恢复原状。 这两种正逆压电效应统称为压电效应。
压电陶瓷变压器的优点
（1）体积小，重量轻 （2）无噪声，无电磁干扰，无需电磁屏蔽 （3）耐高温，安全性高，不会被高压击穿，不会 起火燃烧 （4）无需磁芯和铜线，可节省有色金属材料 （5）升压比大，转换效率高，输出波形好 （6）结构简单，制作简便，易于批量生产
新型压电陶瓷 变压器
6.钟表应用——等效
超声马达应用领域
(1) 小功率压电马达在汽车上应用广泛，如车门 的玻璃升降、刮雨器等。德国奔驰公司已将超 声马达用于汽车自动门的驱动上。 (2) 由于具有抗电磁干扰，分辩力高的特点，超 声马达可用于XY绘图仪、精密手表等。 (3) 超声马达是智能机械人和微型机械的重要驱 动部件。其中厘米微马达可用于照相机、摄像 机的自动调焦。毫米微马达则可用于微小卫星 扫描装置及军用直升飞机等。
• 点火器工作过程分高压产生 、放电点火和点燃可燃气体 三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电 陶瓷元件为例，如图5-2所示 。当机械力F作用于圆柱体时 ，晶体发生畸变，导致晶体 中正负电荷中心偏移，从而 在圆柱体上下表面出现自由 电荷大量积聚，产生高压输 出。 放电点火——把压电陶瓷 元件放在一个闭合回路中， 并留一个适当间隙，当电压 升高到该间隙的放电电压时 ，间隙中就产生放电火花。
在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
•
2、压电换能器
压电换能器工作原理
超声波是一种频率高于人的可听声波频率 范围的声波。（频率高于20000 Hz ）
人类听不出超声波，但不少动物却有此本 领（如蝙蝠）。
超声医疗 压电超声医疗仪中应用最广 的是B 型超声诊断仪。这 种诊断仪中有用压电陶瓷 制成的超声波发生探头， 它发出的超声波在人体内 传输，体内各种不同组织 对超声波有不同的反射和 透射作用。反射回来的超 声波经压电陶瓷接收器、大小及有无病变 等。
5、压电陶瓷变压器
• 工作原理： 电能 （逆压电效应） 机械能 （正压电效应） 电能
当正弦交变电压加到驱动部分，通过逆压电效应，压电材料 产生伸缩振动，（电能转变成机械能），驱动部分伸缩振动， 带动发电部分振动，发电部分伸缩振动，通过正压电效应， 产生输出电压（机械能转变成电能）。无载下的升压比： Uout/Uin = (4/2)k31k33Qm(L/t), 通过改变长度L与厚度t的比例， 可以改变输出电压，起到变压器的作用
3、超声马达
• 在交变电场下，陶瓷产生伸缩 现象，在弹性体中激发某种类 型的超声频率振动和波动时， 弹性体的表面借助于摩擦力， 推动与其接触的物体运动。
超声马达特点：
与传统马达相比， 超声马达具有低功 耗、大转矩、快响 应、控制性能好、 位置分辨率高、容 易与计算机接口， 没有绕组和磁场部 件，直接由压电陶 瓷材料实现机电能 量转换，无电磁干 扰和无需润滑等特 点。
电子钟表的工作原理
• 是根据“电生磁、磁生电”的物理现象设计而成。即由电能转换 为磁能，再由磁能转换为机械能，带动时分针运转，达到计时目 的。 1、晶体管摆轮钟 以干电池为能源，用晶体管作为开关，摆轮游丝为振荡系统，统 一机芯为J1型，外形与普通闹钟一样。 2、晶体闹钟 与晶体管摆轮钟一样性能，加上一个由电能供给的闹时装置。 3、晶体管摆钟 用电子电路控制摆作为振荡元件，外形与机械摆钟相似。 4、石英钟 由谐振频率搜索为32768HZ的石英晶体稳频，振荡电路产生 32768HZ的脉冲信号，经15次分频，得秒信号，推动单相步进电机 ，经齿轮传动系统，带动时，分，秒指针，显示时间。品种有台 钟、挂钟、日历钟、闹钟、音乐钟、落地钟，也有汽车钟、舰船 钟、天文钟等各种技术用钟。 5、数显钟 也用石英晶体作为振荡器，直接用发光管或液晶显示时间，不用 机械传动。具有时、分、秒、日历、周历、月历等多种功能。 6、电子表 以电池为能源代替发条，不用手上弦，有多种结构，外形同机械 手表，统称电子手表。
超声治疗 进入人体的超声波达到 某一强度时，能使人 体某一部分组织发热、 轻微振动，起到按摩 推拿作用，达到治疗 的目的，如用于治疗 关节、肌肉及其他软 组织的创伤和劳损。 此外，还可用超声波 粉碎体内结石，如胆 结石、肾结石、尿路 结石等。
小知识
超声波仪器
①声纳 人们利用超声波定向 性好，在水中传播距离远特 点制成声纳，可以发现潜艇 和鱼群，还可以测绘海底形 状。
2. 聚合物 • PVF2（聚二氟乙烯）
2 压电陶瓷材料
1942
在BaTiO3陶瓷上获得了压电陶瓷的电 压性。飞跃。但与两类铁电体相比也 有缺点。
50年代
美国日本先后利用BaTiO3压电陶
电子表分为四代
• 第一代是摆轮游丝电子手表，是以摆轮游丝作为振荡器， 以微型电池为能源，通过电子线路驱动摆轮工作。 • 第二代是音叉电子手表，是以金属音叉作为振荡器，用电 子线路输出脉冲电流，使机械音叉振动。 • 第三代是指针式石英电子手表，是利用石英谐振器作为振 荡器，通过电子分频器后驱动步进马达带动轮系和指针。 • 第四代是数字式石英电子表，它也是采用石英谐振器作为 振荡器，不同的是它经过分频、计数和译码后利用显示器 件以数字的形式来显示时间。 前三代电子手表均带有传统的机械指针机构，而第四代采 用大规模集成电路，完全脱离了传统的机械结构的全电子 手表。
电路
压电传感器的基片结构如 图，几何形状有圆片、方片、 圆柱、圆筒等形状，在基片的 两个相互绝缘(产生电荷)的表 面镀有导电金属膜(如银膜)并 焊接一对电极而成。由于压电 传感器的基片一般具有较大的 介电常数，电极间的距离也不 大，所以压电传感器可以等效 为一只电容器。
(a)
导电层
Ce
Ce
A
d
利用压电效应，有了一种声-电，电-声 转换的两用器件，可以当话筒用：对压电 陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生 前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯 曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电 压输出。相反地，把一定的音频电压加在 压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性 和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相 应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时 候，它又成了喇叭。
Born in Warsaw on November 7, 1867
压电效应机理
• 因为机械作用（应力或应变）引起了晶 体介质的极化，从而导致介质两端表面 内出现符号相反的束缚电荷。
压电效应对晶体的要求：没有对称中心的晶体
三、压电性的应用——压电器件
1. 压电陶瓷点火器
这是一种将机械力转换为电火花而点燃 燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开 创利用钛酸钡（BaTiO3 ）陶瓷的压电效应 进行点火，但这种材料着火率不高，噪音 大，1962年开始试用锆钛酸铅（PZT）压电 陶瓷制作点火器，这种点火器广泛应用日 常生活、工业生产以及军事方面，用以点 燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。
2.5W
数字视 116KHz 88% 频摄像 机 笔记本 56KHz 89% 电脑 笔记本 56KHz 电脑 89%
4W
厚度振动型： • 功率较大、工作频 率很高，能够降低 电压 • 多用于高频开关电 源中
径向振动型： • 结构简单，制作方便， 能以很小的尺寸实现 低频和大功率。 • 可用在电子整流器、 适配器及DC/DC 变换 器中。
超声波 探测仪
压电陶瓷
压电 点火器
压电 驱动器
市场应用
压电振动 加速计
压电陶 瓷风扇
压电陶瓷
压电 点火器
压电 陶瓷 继电 器
压电式 触屏
Company Logo
具体的压电材料
1 非陶瓷压电材料
1. 压电晶体
• 石英（ SiO2 ，J· 居里和P· 居里兄弟于1880年发现的）， 性能稳定，但价格高，一般仅用于标准仪器或要求较高 的传感器中； • 酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值， 但有易溶解的缺点 ）； • 磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
7. 声呐
声呐原理：
声纳工作原理
发射器
电 信 号
接收机
（放大等处理） 正压电效应
换能器
（压电材料） 逆压电效应 声 波 信 号
换能器
（压电材料）
显示系统
目标物
反射声波 信号
生物“声纳”
蝙蝠、海狮、海豹、海豚和鲸都有他 们自身的声呐系统。
压 电 材 料 的 应 用
市场应用
压电 引爆器
声音 转换 器
②超声波诊断仪 超声波可以成像。医院 利用 B 型超声波诊断仪做 胃部、腹部检查，还可以观 察胎儿的发育情况。
③超声波速度测定器 利用超声波的多普勒 效应制成速度测定器，交警 在高速公路上测定车辆的速 度。
④超声波清洗器 超声波能使清洗液剧 烈振动，有去污作用，人们 制成超声波清洗器。
⑤超声波焊接器 超声波还能使塑料膜 之间摩擦生热，粘合在一 起，制成超声波焊接器。 ⑥超声波手枪 （15-30千赫）
具有压电效应的材料称为压电材料（piezoelectrics）。
二、压电性发现与发展
• 1880年，居里兄弟：皮尔（P· Curie） 与杰克斯（J· Curie） 发现这一现象 并证实了压电效应与晶体结构的关 系。 • 居里兄弟发现具有压电性的材料有： 闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐 （sodiumchlorate）、电气石 （tourmaline）、石英（quartz）、 酒石酸（tartaricacid）、蔗糖 （canesuger）、方硼石（boracite）、 菱锌矿（calamine）、黄晶（topaz） 及若歇尔盐（Rochellesalt）。 对晶体对称性的研究, 居里发现 压电效应