4.5_压电性(材料物理性能)

振子的参数值跟晶体的切型、振动模式、工作频率有关
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（2）频率常数
Nl = fr l
fr 1 Y 2l 1 Y 2
fr谐振频率 l振动方向的长度 N的单位为kHz〃m Nl，fr是设计振子形状
的条件
（3）机电耦合系数
Nl
机电耦合系数k是综合反映压电材料性能的参数。压电材料的机械能与电 能的耦合效应，定义为：
（a）
（b）
（c）
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4.压电振子的振动模式
例是X切的一块石英薄片，在两面加上电极，图（a）。在不同频率上 用交流电压激发各种模式的机械谐振。
伸缩振动：极化方向与电场 方向平行时产生的振动。包括 长度伸缩振动、厚度伸缩振动。 图（b）和（c） 切变振动：极化方向与电场 方向垂直时产生的振动。包括 平面切变振动、厚度切变振动。 图（d）
电介质、压电体、热电体 和铁电体的关系
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二、压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 1、石英单晶压电效应 A.石英晶体结构 石英晶体各个方向的特性是不同的。 Z-Z轴—光轴，该轴无压电效应和无双折射现象； X-X轴—电轴，垂直于此轴的棱面上压电效应最强； Y-Y轴—机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的机械变 形最明显。 沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 “纵向压电效应”, 石英晶体化学式为SiO2 单晶体结构：正六面体 沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为 “横向压电效应”。
夹角的电偶极矩Pl、P2和P3。
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（a）不受力时 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。 如图 （a） 所示。 因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距 离。 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。
电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外 力成正比关系:

q = d33 F
式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数; F——作用力。 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
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三、压电振子及其参数
1、压电振子 压电振子：极化后的压电体 压电振子是最基本的压电元件。元件的几何形状不同,形成各种不同的振 动模式。
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（b）在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于 按外电场方向的排列, 从而使材料 得到极化。外电场愈强, 就有更多 的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化 达到饱和的程度, 即所有电畴极化 方向都整齐地与外电场方向一致。
注意：外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这 时的材料才具有压电特性。
由机械能转换的电能 输入的总机械能 由电能转换的机械能 或k 2 输入的总电能 k2
由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和不同 振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。
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3.晶体的切型 压电晶体通常按特殊的方式切割成具有某种几何形状，再在表面加 上一对适当的电极，利用他的机械谐振性能与压电效应相耦合而成 为压电谐振器。薄片状振子的切型如图所示。
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1）压电体的结构特点 不具有对称中心的晶体，质点排列不对称，在应力作用下，它们就受 到不对称的内应力，产生不对称的相对位移．结果形成新的电矩，呈现 出压电效应。 + + + + -
+
+
-
-
表示晶体极性链的两 种方法
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纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
极 化 轴 C
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（b）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时
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。如图（ b ）所示 , 此
时正负电荷重心不再重合 , 电偶极矩在 x 方 向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而 不等于零, 即（P1+P2+P3）x> 0 。 在x轴的 正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分 量仍为零, 不出现电荷。
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2） 预极化的参数 （a）极化电场E
极化电场越高，促使电畴取向排列 的作用越大，极化就越充分。
极化电场必须大于样品的矫顽场，通 常为矫顽场的二、三倍。 （b）极化温度 极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电 畴取向排列较易，极化效果好。 常用压电陶瓷材料的极化温度320-420K （c）极化时间 极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好。 一般极化时间从几分钟到几十分钟
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C.石英单晶片的压电效应与压电机理 极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强 的剩余极化, 当陶瓷材料受到外力作用时 , 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而 引起剩余极化强度的变化 , 因而在垂直于 极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 这种因受力而产生的由机械效应转变为电
效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压
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C.石英单晶的压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。
石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结
构单元 ( 晶胞 ) 中，有三个硅离子 Si4+ 和六个氧 离子 O2 ，后者是成对的，所以一个硅离子和 二个氧离子交替排列。为了讨论方便，我们 将石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的 正六边形排列，如图（ a ）所示，图中“ ” 代表Si4+、“⊙”表示O2。形成三个互成120º
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（1） 压电振子谐振频率 A. 谐振特性 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。
反谐振 阻抗
谐振 频率
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B.谐振频率与反谐振频率
压电振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为最小阻抗频率fm =谐 振频率fr
交变电场频率继续增大到fn ，输出电流达最小值， fn叫最大阻抗频率=反谐 振频率fa
如硫化镉、氧化 锌等。还有一些 以有机高分子化 合物制成的薄膜 压电材料， 特点是具有良好的成型性和 柔顺性，加工也比较简单， 可制成大面积薄膜，其中压 电性最强的是聚偏二氟乙烯
是重现性和一致 性较差，均匀性 和机械强度不够 理想，限制了它 在更高频率范围 的应用。
压电 薄膜
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3）电介质、压电体、热释电体、铁电体的关系
+
+
固 有 偶 极 子
-
+
+
正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
+ -
-
+ + -
+ -
2)常见的压电材料
种类 压电 单晶 材料 特点 缺点 培养单晶比较困 难，成本较高
wenku.baidu.com
石英、磷酸二氢 重现性好、稳定性高， 铵、锗酸铋等
压电 陶瓷
钛酸钡、钛酸铅、压电陶瓷是现有压电材料中 锆钛酸铅(PZT) 机电耦合系数最大的。它制 造工艺简单，价格低廉，容 易制成任意形状，尺寸不受 限制，而且可以通过成分和 工艺的适当调整和选择来改 变其各项性能，
铁电体是一种极性晶体，属于热电体。它的结构是非中心对称的，因 而也一定是压电体。必须指出，压电体必须是介电体。
介电体 压电体
热电性:含有固有电偶 极矩的极性晶体，由 于温度变化引起电极 化状态的改变,当均匀 加热时,能够产生电荷。 这种偶极子的效应称 为热电性，具有热电 性的物体叫热电体
热释电体
铁电体
当交变电场的频率为某一特定值时, 振幅骤然增大, 产生共振, 称之为压电 压电振子的阻抗特性曲线示意图 24 振荡。 这一特定频率就是的固有频率, 也称谐振频率。
C.压电振子的等效电路
等效电路由动态参数L1、C1、R1和并电容C0组成。
L1
C1
R
C0
L1为等效电感，单位mH C1为等效电容，单位fF R1为等效电阻，一般叫谐振电阻， 单位Ω
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2、逆压电效应
当在电介质的极化方向上施加 电场(加电压)作用时，这些电 介质晶体会在一定的晶轴方向 产生机械变形，外加电场消失， 变形也随之消失，这种现象称 为逆压电效应(电致伸缩)。
δ
3
－－－－－－－ + + + + +
极化方向
－－－－－－－ + + + + +
极化方向
自由电荷
－ － － － － + + + + + + +
4.5 压电性
内容简介 一、压电效应及压电体 二、压电机理 三、压电振子 要求： 理解压电效应的概念与机理 理解压电性与晶体结构的关系
理解压电振子的作用
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一、压电效应与压电体
压电性：电介质材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。
1、压电效应
某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生 符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不 带电状态，这种现象称为压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
－ － － － － + + + + + + + － － － － － －－－－－－－ 释放电荷 + + + + +
极化方向
正压电效应
－ － － － － + + + + + + + + + + + +
逆压电效应
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3、压电体
能产生压电效应的晶体就叫压电体。
2007报道，澳大利亚的Adam Best博士开发出一种发电 材料，能利用衣服发电。 这项技术主要是运用“压电效应”，将这种材质 编入衣服布料内，当我们穿着它活动，压折或扭曲到 衣服时便会产生电流，然后储存进镶嵌在衣服内的软 式蓄电池里，就可以拿来为行动电话或是MP3充电。
例如
将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切 割成很薄的晶片, 再将晶片两个对应的表面 抛光和涂敷银层, 并作为两个极引出管脚, 加以封装, 就构成石英晶体谐振器。 其结构 示意图和符号如右图所示。
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2、压电振子的参数 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、频率常数 压电材料的频率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。 4、绝缘电阻 压电材料的绝缘电阻可减少电荷泄露，改善传感器低频特性。 5、机械耦合系数 在压电效应中，它是衡量压电材料电能量转换效率的重要参数。 6、居里点 压电材料开始丧失压电特性的温度。
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电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。 在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其符号如图（a） 和（b）所示。拉应力时为正，压应力时 为负。
在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用 力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电 荷qy, 其符号如图（c）和（d）所示。 拉应力时为正，压应力时为负。
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（c）当晶体受到沿y轴方向的压力作用时
晶体的变形如图所示, P1增大, P2、P3 减小。
在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负 电荷。 在y轴方向上不出现电荷。
当作用力 fx 、fy 的方向相反时 , 电荷的极性
也随之改变。
逆压电效应 将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重 心产生位移。这一位移导致晶体发生形变。
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B.石英单晶片的压电效应
从晶体上沿 y 方向切下一块如图（c）所示晶 片, 当在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其大小为： qx = d11 fx d11—x方向受力的压电系数; fx—作用力。
在同一切片上 , 沿机械轴 y 方向施加作用力 fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为： qy=d12 fy d12——y 轴 方 向 受 力 的 压 电 系 数 , d12=-d11; a、 b——晶体切片长度和厚度。
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2、 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 A.压电陶瓷晶体结构 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。 如图 （a）所示。
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B .压电陶瓷的预极化 只有经过极化工序处理的陶瓷才能显示压电效应 预极化：在压电陶瓷上加一个强直流电场,使陶瓷中的电畴沿电场方向取 向排列完成预极化。 1）预极化过程 （a）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。如图 （a）所示。