第三次课压电效应-PPT课件

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压电效应振动模式

压电效应振动模式

Gjllw lt
S33
ds1E2311
tank(lk2l)
2
高次谐波的不同说法:泛音、副音。
一次谐波、二次谐波 … n=0,1,2…
基波、三次谐波 … m=2n+1=1,3,5…
tan( kl ) ; 2
kl 2 n 1 ; n 0 ,1, 2 ,...
2
2
kl 2n 1; l 2n 1 ;
对于正弦电流V=V0ejt,代入上式 后可得:
IjCR 1j 1LVGeV
第二十四页,共70页。
比较以上三式,可得机电类比如表5-1所示。
机械振动
FjmRmjK UZmU
LC串联电路 VjLRj1CIZeI
LC并联电路
IjCR 1j 1LVGeV
第二十五页,共70页。
表5-1 机械量及电学量类比
F ZmU ZmeI
V
ZemU
ZeI
(5-94)
式中:
Ze=(V/I)u=0为机械端开路(即夹持)时的电学端输入阻抗; Zem=(V/U)I=0为电学端开路时的变换参数;Zme=(F/I)u=0为机械端 开路(即夹持)时的变换参数;
Zm=(F/U)I=0为电学端开路时力学端的输出机械阻抗。
第三十一页,共70页。
第四页,共70页。
压电振动模式分析过程
牛顿定律
压电方程
波动方程
电位移、应力、应变
边界条件
质点位移
电流、导纳、阻抗
材料设计
材料参数|等效电路
元件设计
第五页,共70页。
例子:薄长片压电振子
设d310的压电晶体的zx切割晶片,长度l沿x方向,宽度lw沿y 方向,厚度lt沿z方向,并且有l>>lw和lt,电极面及z轴垂直, 如图6-3所示。因为l>>lw和lt,长度方向是主要因素,所以只考 虑应力分量X1的作用,其它应力分量X2、X3、X4、X5、X6可以忽 略不计。

压电效应

压电效应

石英晶体的压电效应
第‹#› 页
26.05.2020
现分别进行如下实验:
(1)当晶片受到沿x轴方向的力Fx作用时,通过冲击电流 计,可测出在x轴方向电极面上的电荷q(1)1。并发现x轴 方向电极面上的电荷密度(q(1)1/llw)的大小与x轴方向 单位面积上的力(Fx /llw)成正比,即:
q (1) 1
P 2 E 0 ( d 2 5 X 5 d 2 6 X 6 ) ( d 1 4 X 5 2 d 1 1 X 6 ) (4-7)
• 振动模式:
– 振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电 网络
• 谐振器和振荡器:
– 谐振器的等效电路、振动模式;振荡器原理
石英晶体的压电效应
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26.05.2020
压电效应 Piezoelectric effect
• 压电效应 (Piezoelectric effect):是指材料在压力作用下 产生与压力成正比的电荷量,正压电效应;或者在电压作 用下,材料发生与电压成正比的机械形变量,逆压电效应。 压电效应由压电方程描写;材料的压电性由压电常数决定。 并不是所有材料都具有压电性,只有满足一定对称性的晶 体材料才会有压电效应。
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—石英晶体属于六角晶系32点群,坐标系o-xyz。
石英晶体的压电效应
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在晶体x轴垂直的方向上,切下一块薄晶片,晶片面与x轴垂 直,如图4-1b所示,称为x切割。更详细的说法是:如果晶 片的厚度沿x轴方向,长度沿y方向,则称为xy切割。该晶片 的长度为l,宽度为lw,厚度为lt,与x轴垂直的二个晶面上涂 上电极,并与冲击电流计连接(测量电量用),如图4-1c所示。

压电效应

压电效应

压电材料的应用领域可以粗略分为两大类:即振动能和超声振动能-电能换能器应用,包括电声换能器,水声 换能器和超声换能器等,以及其它传感器和驱动器应用。
1、换能器
换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件
压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应,而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片 在外电场驱动下的弯曲振动,利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚 合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点,研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声 功能的器件,如抗噪声、宽带超声信号发射系统等。
下面我们利用压电陶瓷测试压电效应和逆压电效应。
常用的压电陶瓷是由锆钛酸铅(PZT)材料做成的。将PZT材料做成的压电陶瓷片粘在圆形黄铜片上就构成了 压电陶瓷元件。它具有明显的压电效应。
首先,将压电陶瓷片A的两根引线通过一个按钮开关与信号发生器相联。将压电陶瓷片B的两根引线与扩音器 (带喇叭)的输入端相连。将A、B两个压电陶瓷片用黑封泥固定在同一个木板制成的箱子上。
的发现
1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现电气石具有压电效应。1881年,他们通过实验验证了逆压电效应, 并得出了正逆压电常数。1984年,德国物理学家沃德马·沃伊特(德语:Woldemar Voigt),推论出只有无对 称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。
应用现状
应用
现状
新领域
压电效应
正压电效应、逆压电效应
01 定义
03 分类 05 应用现状
目录
02 原理 04 的发现 06 历史应用
07 打火机
09 压电高分子 011 0 压电陶瓷
压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个 相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作 用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变 形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称 为压电传感器。

压电效应

压电效应

3 q3
6
5
2
4 1
q2
q1
力的作用下,才能产生
压电效应。
d11 d11 0 d14 0
0
dij
0
0 0 0 d14 2d11
0 0 0 0 0
0
3. 上述石英压电常数矩阵还表明,当石英承受机械应力作 用时,可通过dij将五种不同的机械效应,转化为电效应; 也可以通过dij将电效应转化为五种不同模式的振动。亦 即逆压电效应也可以写出其压电方程。
由于石英晶体有对称性(晶格对称),实际上其矩阵可简化为:
d11 d11 0 d14 0
0
dij
0
0 0 0 d14 2d11
0 0 0 0 0
0
d11 d11 0 d14 0
0
d
ij
0
0 0 0 d14 2d11
0 0 0 0 0
0
d11 2.311012C / N
d14 0.671012C / N
4
1 q1
q2
拉应力为正,压应力为负;
剪应力逆时针方向为正,顺
时针方向为负。
qi [dij ] j i 1,2,3
压电常数矩阵的表示方法:
d11 d12 d13 d14 d15 d16
dij d21
d22
d23
d24
d25
d
26
d31 d32 d33 d34 d35 d36
石英晶体的压电常数矩阵:
d11
0 0
d11
0
0
0
d11 d14
d ji
2.311012C / N
0.671012C / N

压电性能及其应用PPT课件

压电性能及其应用PPT课件

可编辑
2019/
43
9/22
在相界附近的PZT瓷压电性能比BaTiO3瓷高得多 。 由于相界处PZT瓷的Tc高(360℃),因而在200℃以内,KP 和 ε都很稳定,是理想的压电材料。
PZT陶瓷的掺杂改性
为了满足不同的使用目的,我们需要具有各种性能的 PZT压电陶瓷,为此我们可以添加不同的离子来取代A位的 Pb2+离子或B位的Zr4+, T i 4+离子,从而改进材料的性能。
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2019/
26
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机电耦合系数的定义是:
K 2 通过逆压电效应转换所得的机械能
转换时输入的总电能

K 2 通过正压电效应转换所得的电能
转换时输入的总机械能
可编辑
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机械能与压电振子形状和振动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式有关
: 压电陶瓷振子(具有一定形状、大小和被覆工作电 极的压电陶瓷体)的机械能与其形状和振动模式有 关,不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。
dij33的简化矩阵表示8548548522p351转换时输入的总电能通过逆压电效应转换所得的机械能转换时输入的总机械能通过正压电效应转换所得的电能压电陶瓷振子具有一定形状大小和被覆工作电极的压电陶瓷体的机械能与其形状和振动模式有关不同的振动模式将有相应的机电耦合系数
(书上8.5 压电性
)8.3 介电材料的 压
常见的压电常数有四种:dij、gij、 eij、 hij。
可编辑
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电极化的一个分量将由压电常数的九个分 量来表述(二阶张量)
可编辑
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压电效应ppt课件

压电效应ppt课件

No.1
• 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)上出现符号相反的束缚电荷Q〔如图6-1(a)所 示〕,且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度 σ)与外应力张量T成正比.:

D=dT
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2.
• 压电薄膜传感器的设计主要考虑了传感器 的灵敏度和信噪比,根据测量信号的频率 和响应幅度,我们设计薄膜传感器的结构 有如同图1所示的几种。在采集人体心音的 信号时,由于心音的频响范围较宽,同时 其输出的物理信号值也很微弱,采用硬质 衬底和中空的设计。这样可以提高传感器 中薄膜在收到心音信号时的形变量,从而 提高信号强度。这样结构设计的缺点是结 构不牢固,使用时间长了需要校正。
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பைடு நூலகம்
2.压电薄膜传感器 及其在心脏监测 中的应用
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原 理 介 绍
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关于…
• 压电薄膜传感器的设计 PVDF压电薄膜是一种 新型的高分子压电材料,在医用传感器中应用很 普遍[2,3]。它既具有压电性又有薄膜柔软的机 械性能,用它制作压力传感器,具有设计精巧、 使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全 舒适,能紧贴体壁,以及声阻抗与人体组织声阻 抗十分接近等一系列特点[4],可用于脉搏心音等 人体信号的检测。脉搏心音信号携带有人体重要 的生理参数信息,通过对该信号的有效处理,可 准确得到波形、心率次数等可为医生提供可靠的 诊断依据。
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谢谢观看!
~~~~~
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压电效应的应用

《压电材料》课件

《压电材料》课件

水热法
总结词
水热法制备的压电材料具有较高的取向度和结晶度,但需要高温高压的条件。
详细描述
水热法是一种在高温高压条件下制备压电材料的方法。首先,将原料放入密封的容器中,加入适量的 水,然后通过具有较高的取向度和 结晶度,但需要高温高压的条件,对设备要求较高。
要求较高。
04
压电材料的发展趋势与展望
高性能压电材料的研发
高性能压电材料是当前研究的热 点,旨在提高压电常数、机电耦 合系数和居里点温度等关键性能
参数。
研究方向包括通过元素掺杂、纳 米结构设计、多相复合等手段优 化材料组成和结构,提高压电性
能。
高性能压电材料在超声成像、传 感器、驱动器等领域具有广泛的
压电陶瓷传感器用于检测汽车发动机的燃烧压力和气瓶压力,确保发动机和气瓶的 安全运行。
压电陶瓷传感器还可以用于检测汽车轮胎胎压,提高驾驶安全性和燃油经济性。
压电陶瓷传感器在汽车制动系统中也有应用,用于检测制动盘的振动和温度,确保 制动系统的稳定性和安全性。
压电复合材料在智能结构中的应用
压电复合材料可以用于智能结构 的振动控制和监测,提高结构的
机械耦合系数
描述压电材料在机械能和电能之间转换效率的参数。高的机械耦合系数意味着高 效的能量转换。
温度稳定性
居里温度
某些压电材料在达到居里温度时会失去压电效应。居里温度 的高低是衡量温度稳定性的重要指标。
热膨胀系数
描述材料在温度变化时尺寸变化的参数。低的热膨胀系数有 助于提高温度稳定性。
环境稳定性
利用压电材料的特性,可以制作各种 医疗器械,如超声波探头、心电图机 等。
军事领域
利用压电材料的特性,可以制作各种 军事设备,如声呐、引信等。

【大学课件】压电材料PPT

【大学课件】压电材料PPT

ppt课件
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一、电子导电陶瓷
电子导电陶瓷是依靠加热 或以其他方法启动后,产 生自由电子,在外加电场 的作用下,进行导电的一 种陶瓷材料。
电子导电陶瓷不仅是良好 的电热材料,也是磁流体 发电机优先考虑使用的电 极材料。
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二、离子导电陶瓷
离子导电陶瓷是一种像电 解质溶液或电解质熔融体, 具有高离子导电性的固体 陶瓷材料,又称作离子导 体。
=11&f_SUB_ID=3022&f_ART_ID=221675 2009-11-13 新闻速报 中广新闻/陈映竹 /news/newsshow.asp?FDocNo=1510&CL =63 科学人杂志网 撰文╱李名扬
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肆、文献
.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/990 2/9902-10.pdf
科学发展2010年2月,446 苏明德 嘉义大学应用化学系 /mag/campus/storypage.jsp?f_MAIN_ID
此外,半导体陶瓷还可以做成各种电子组件。例 如,钛酸钡陶瓷可以用于定温发热体、温度检测 组件等。
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贰、压电材料新星-环保铁酸铋
目前最好的压电材料是使用钛酸铅(PbTiO3)和 锆酸铅(PbZrO3)混合制成的复合材料,通电时 形变程度最多可达20%,但铅具有毒性,制程相 当麻烦。
交通大学材料科学与工程学系助理教授朱英豪与 国外团队合作,研发出通电后形变程度也可达 20%的无毒单一压电材料「铁酸铋」,这项研究 刊载于2009年11月13日的《科学》。

材料物理压电ppt课件

材料物理压电ppt课件
石英晶体
以压电晶体为例,压电效应是由于单晶受外应力时其内部晶格结构 变形,使原来宏观表现的电中性状态(正负电荷中心重合)被破坏而产 生电极化。
① 介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20℃至200 ℃温度范围内,温度每升高1 ℃,压电系数仅减少
0.016%,当温度达到573 ℃时(居里点),石英晶体丧失压电特性。 ② 各向异性的晶体,按不同方向切割的晶片,其物理性质相差很大。
}电能
“雪亮工程"是以区(县)、乡(镇) 、村( 社区) 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
二 压电效应
机械能转变为电能 压 电 效 应
电能转变为机械能
正压电效应 逆压电效应
“雪亮工程"是以区(县)、乡(镇) 、村( 社区) 三级综 治中心 为指挥 平台、 以综治 信息化 为支撑 、以网 格化管 理为基 础、以 公共安 全视频 监控联 网应用 为重点 的“群 众性治 安防控 工程” 。
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之
间耦合关系的物理量,是压电材料进行机—电能量转换能力的 反映。机电耦合系数的定义是:
的极化方向(z轴)施加压应力T3时,在电极面上产生电
荷,则有以下关系式:
D3 d33T3
式中d33为压电常数,足标中第一个数字指电场方向或电 极面的垂直方向,第二个数字指应力或应变方向;T3为应 力;D3为电位移,它是压电介质把机械能(或电能)转换
为电能(或机械能)的比例常数,反映了应力(T)、应 变(S)、电场(E)或电位移(D)之间的联系,直接反 映了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。

压电效应与压电材料介绍

压电效应与压电材料介绍
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 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性 的温度。
7
2、压电晶体
石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构 压电系数d11=2.31×10-12 C/N; 机械强度与品质因素高; 居里点为573℃.
优点: 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性 好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达 550℃(压电系数不随温度而改变)、工作湿 度高达100%、稳定性好。
8
石 英 晶 体
人工合成水晶
按特定方向切片
9
水溶性压电晶体
这一类包括单晶体包括酒石酸钾钠、磷酸二氢 钾、磷酸二氢铵、砷酸二氢钾、砷酸二氢铵、 铌酸锂。
优点: 压电灵敏度较高,高温强辐射条件下工作性能 稳定
缺点: 易于受潮,质地脆,机械强度低,电阻也较低
10
3、常见压电陶瓷 :
(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如石英。
2
反之,当在某些物质的极化方向上施加电场, 这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压 力;当外加电场撤去时,这些变形或应力也随 之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆 压电效应”。
电能
逆压电效应 正压电效应
机械能
压电效应的可逆性
3
电致收缩效应
电介质在电场作用下,会由于极化而引起与电 场方向无关的的变形现象,与逆压电效应都是 将电能转化为机械能的效应。
压电效应和压电材 料介绍
5.1.1 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时,会产生 变形,同时其内部产生极化现象,此时在这种 材料的两个表面产生符号相反的电荷,当外力 去掉后,它又重新恢复到不带电的状态,这种 现象被称为压电效应。当作用力方向改变时, 电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的 现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。

《压电材料》PPT课件

《压电材料》PPT课件

• 4. Cellular response to electrical
• stimulation
• 5. Piezoelectric materials in tissue
• regeneration applications
• 6. Conclusion
h
5
1. Introduction
Piezoelectric materials are smart materials that can generate electrical activity in response to minute deformations. First discovered by Pierre and Jacques Curie in 1880, deformation results in the asymmetric shift of ions or charges in piezoelectric materials, which induces a change in the electric polarization, and thus electricity is generated.
1、压电现象
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。压电现象主 要发现在晶体分子排列不对称的材料上。
2、压电效应
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。
The piezoelectricity of such tissues is attributed to the

压电效应

压电效应

(3)受到沿y轴方 向的压力作用时, 晶体的变形如图 (c)所示, P1增 大, P2、P3 减小。 , P 在垂直于x轴正方 向出现正电荷, 在y 轴方向上不出现电 荷。
多晶体的压电特性
(1)压电陶瓷的极化
①未加电场 压电陶瓷是人工制造 的多晶体压电材料。 材料 内部的晶粒有许多自发极 化的电畴, 它有一定的极化 方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的 极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。 因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
∆Q − d11ma ∆u0 = − = Cf Cf
由上式可知,电荷放大器的输出电压的增量
∆u0 与加速度a成正比。因此,只要将 ∆u0
测出,即可测出构件的加速度。 如果在电路中增加一级或两级积分电路,则 还可测出构件的速度或位移量。
压电式玻璃破碎报警器 压电式玻璃破碎报警器 检测原理:它利用压电元件对振动敏感的特性来 感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振 动波转换成电压输出,输出电压经放大、滤波、比较 等处理后提供给报警系统。 检测时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆 和报警电路相连。 带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号 通过,其它频段的信号滤除。
第六章 压电磁敏传感技术
压电式传感器的工作原理是基于某些介 质材料(石英晶体和压电陶瓷)的压电效应。 是双向传感器。实现力与电荷的双向转换。 双向传感器。 双向传感器 实现力与电荷的双向转换。 可测与力相关的物理量,如各种动态力、 机械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
压电式金属加工切削力 测量 测量 由于压电陶瓷元件 的自振频率高, 特别适 合测量变化剧烈的载荷。 图中压电传感器位于车 刀前部的下方, 当进行 , 切削加工时, 切削力通 过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转 换为电信号输出, 记录 下电信号的变化便测得 切削力的变化。

压电材料、原理、应用精讲(课堂PPT)

压电材料、原理、应用精讲(课堂PPT)

C1为压电振子的谐振电容
2021/3/29
20
4、频率常数N
对某一压电振子,其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数,即频率常数N。
其中:
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率;
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动 薄板厚度伸缩振动 细长棒K33振动 薄板切变K15振动
Np=fr×D Nt=fr×t N33=fr×l N15=fr×lt
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。当外加电场撤 去时,这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机 械能的现象称为“逆压电效应”。
2021/3/29
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自由电荷
极化方向
+++++++ 极化方向
-------
正压电效应 释放电荷
2021/3/29
逆压电效应
2021/3/29
16
2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系
的物理量,是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系数
的定义是:

K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械能
转换时输入的总电能
K2
通过正压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
压电陶瓷振子(具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体)
z
生的形变完全相同,所以正负
电荷重心保持重合,电偶极矩 矢量和等于零。
O y
这表明沿z轴方向施加作用力, x 晶体不会产生压电效应。
dz=0
2021/3/29
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压电特性的矩阵表示
表示压电体的能量转换方 式
dij=0,则表示该方向上没有压电效应
1 d11 d12 d13 d14 d15

2


d21
d22
d23
d24
d25
3 d31 d32 d33 d34 d35
大小表示压电效应的强弱
T1
d16 d26 d36
TTTT5432
正压电效应
横向压电效应 切向压电效应
逆应——机械能转变为电能 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变
形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面 上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新 恢复到不带电状态, 这种现象称压电效应。 ● 顺(正)压电效应
压电常数和表面电荷计算
i,j di,j Tj
Tj: j方向的应力 dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数 σij:j方向的力在i面产生的电荷密度
z(3)
x(1) i(i=1,2,3):
y(2)
z
(3)
(σ 3 ) F3 F6
σi j = d i j Fj
i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6
体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
主要压电材料及其性能表征
• 自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。
实际应用的压电材料 ① 压电晶体(单晶体):石英;铌酸锂等。 ② 压电陶瓷(多晶体):钛酸钡;锆钛酸铅系列(PZ系列) 等。 ③ 有机压电材料:聚偏氟乙烯(PVDF)和偏氟乙烯三氟乙 烯共聚物(VDF-TRFE)等有机压电(薄膜)材料等。 ④ 复合压电材料:在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状 、杆状、或粉末状压电材料构成的。
- P3
-
+
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布
在正六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电
偶极矩P1、 P2、P3。此时正负电荷重心重合, 电偶 极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表 面不产生电荷, 即呈中性。
受到X方向的力—纵向压电效应
(p 1p 2p 3)x0
第三次课 压电效应
内容
压电效应机理 主要压电材料及其性能表征 MEMS中的主要应用 特点
压电效应机理
•1880年居里兄弟在 石英晶体上发现了压电效应
•20世纪40年代中期,压电材料开始广泛应用。 •20世纪60-70年代达成熟阶段。
纵向压电效应
机械能转变为电能 压 电 效 应
电能转变为机械能
当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。
受到Y方向的力—横向压电效应

(p 1p 2p 3)x 0
(p 1p2p3)y0
(p 1p2p3)y0Y
(p 1p 2p 3)z 0
X
+ P2 P1 +
- P3
-
+
晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变 动。 此时正负电荷重心不再重合。
于电零偶, 极在矩x在轴x的方正向方上向的出分现量正由电于荷P3,的电减偶小极和矩P1、在Py2方的向增上加的而分不量等 仍为零, 不出现电荷。
压电效应的物理机制——压电陶瓷
• 未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。 • 压电陶瓷经极化处理后,剩余极化强度会使与极化方向垂直
的两端出现束缚电荷(一端为正,另一端为负),这些在陶 瓷两个表面的束缚电荷吸附一层来自外界的自由电荷,并使 整个压电陶瓷片呈电中性。
压电效应的物理机制——压电陶瓷
③ 电致伸缩效应- --电能转变为机械能 电介质在电场的作用下会由于极化的变化而
引起形变,若形变与电场方向无关,这个现象 就称为电致伸缩效应。
发生在所有的电介质中
可逆性
压电效应的物理机制——压电晶体
压电晶体的对称性较低,当受到外力作用发生 形变时,晶胞中正负离子的相对位移使正负电 荷中心不再重合,导致晶体发生宏观极化,而 晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向 上的投影,所以压电材料受压力作用形变时两 端面会出现异号电荷。反之,压电材料在电场 中发生极化时,会因电荷中心的位移导致材料 变形。
当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 把这种机械能转为电能的现象, 称为“顺(正)压电 效应”。
② 逆压电效应--电能转变为机械能 当在电介质的极化方向施加电场,某些电
介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力 ,当外电场撤去后,变形或应力也随之消失, 这种物理现象称为逆压电效应。
只发生在压电体中
F5 (σ 2) (2) y
F4
F2
(σ1)
x (1)F1
X0°切型石英晶体切片的力 —— 电分布
表示晶体的极化方向,即在i面上产生电荷。
1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面
j(j=1,2,3,4,5,6):
1,2,3表示沿x,y,z方向作用的单向应力;
4,5,6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力
• 电轴(X轴):经过晶体棱线,垂直于该轴的表面 上压电效应最强。
• 机械轴(Y轴):垂直xz面,在电场作用下,该轴 方向的机械变形最明显,
石英晶体切片及双 面镀银封装
石英晶体压电效应机理
电偶极矩P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。
X
Y
p1p2p30
+ P2 P1 +
• 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力,压电陶 瓷片将会产生形变,片内束缚电荷层的间距变小,一端的 束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影响增强,而使表面自 由电荷过剩出现放电现象。
• 当所受到的外力是拉力时,将会出现充电现象。
产生压电效应的首要条件
• 晶体结构没有对称中心。 • 压电体是电介质。 • 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电

T6
压电效应能量转换的几种基本形式
厚度受压型
长度受压型
厚度切变型
平面切变型
厚度切变型
平面切变型
体积受压型
石英晶体压电效应的性能表征
天然形成的石英晶体外形
• 石英晶体是各向异性晶体 • 存在右(左)旋晶体 • 外形规则
石英晶体的三个晶轴
• 光学轴(基准轴,Z轴):光沿该方向通过没有双 折射现象,该方向没有压电效应,光学方法确定。
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