电介质材料(压电与铁电材料1).
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压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
铁电性与压电性PPT课件
第5页/共41页
等轴晶系（大于120oC） ： 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
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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，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。
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。
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2. 压电材料的性能
（1）机电偶合系数 （2）机械品质因数 （3）频率常数 （4）压电常数 （5）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：如：滤波器要求谐振频率稳定性高
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－－－－－－－
+ + ++ + 极化方向
－－－－－－－ + + ++
－－－－－
+ 极化方向
++++++
自+由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－
++++++ +
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。
电介质材料(压电与铁电材料1)
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C0，它的大小与晶片的几何尺寸、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100Ω。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 Ocean 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C0发生并联谐振，其并联 频率用fd表示。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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 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C0，它的大小与晶片的几何尺寸、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100Ω。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 Ocean 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C0发生并联谐振，其并联 频率用fd表示。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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。
Unit5电介质材料压电和铁电材料电子器件与工艺课件
压电陶瓷的应用
近年，压电陶瓷已用于传感器、驱动器、阻尼降噪等智 能系统。驱动器已用于光跟踪、自适应光学系统、机器人微 定位器等。压电陶瓷也用于小马达。压电陶瓷和聚合物组成 的传感器已用于人工智能系统。压电陶瓷纤维复合材料，集 传感器和驱动器于一身，用于自适应结构的智能系统。智能 振动控制，噪音控制，安全和舒适控制在汽车上的应用有很 大市场。压电陶瓷的电致伸缩效应也已用于致动器。
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。
压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理
的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。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，由于这些束缚 电荷的作用在陶瓷的两个表面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。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，而使表面的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。
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。
两种压电材料的特点
石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热 释电现象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定 性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。 利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。
电子材料的压电性能与铁电性能PPT(41张)
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
• 它是压电材料进行机-电能量转换的能力反映。 它与材料的压电常数、介电常数和弹性常数 等参数有关，是一个比较综合性的参数。其 值总是小于1。
2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶 体表面无荷电．
对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正、 负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电
3 正压电效应 4 逆压电效应
具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负 电荷中心的位移，导致晶体发生形变
第一节
5 压电材料 机电耦合效应
第一节 压电性能
三 压电性能的主要参数
1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能）
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗
3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律
4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数
5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量
6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
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，从而引
出了压电方程。常见的压电常数有四种：dij、
gij、 eij、 hij。
2、机电耦合系数Kp
第二节 热释电与铁电性能
二晶体的热释电效应
1 热释电效应及其产生条件 （1）热释电效应 晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变 （2）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化(固有极化)的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合 具有对称中心的晶体不可能有热释电效应
铁电材料介绍课件
Pb(B+21/2B+61/2)O3型 Pb(B+31/2B+51/2)O3型 Pb(B+32/3B+61/3)O3型 Pb(B1+41/2B2+41/2)O3型
Pb(Ti1/2Zr1/2)O3， Ba(Ti1/2Zr1/2)O3
PCMP
三：铁电体主要特征与物理属性
1. 2. 3. 4. 5. 6. 自发极化（Spontaneous polarization） 铁电畴 (Ferroelectric domain) 电滞回线(Hysteresis loop) 居里温度(Curie temperature,Tc) 介电反常(Dielectric anomalous) 重要物理效应
A1A2占据A位，满足条件： A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价 B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
尝试写出一些钙钛矿化合物？？
PCMP
PCMP
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3 (A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3 (K1/2Bi1/2)TiO3
ABO3型钙钛矿结构
PCMP
ABO3型钙钛矿晶胞结构
PCMP
形成钙钛矿条件：
离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才能组成ABO3结构：
t = ( RA + RO ) /( 2 ( RB + RO ))
式中t为容差因子（0.9~1.1范围内）， A离子半径约为1.00~1.40Å， B离子半径约为0.45~0.75Å， O氧离子半径为1.32Å。
材料的压电性与铁电性能.ppt
•电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进
继承人：蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今：
•声纳 •反潜 •海底通讯 •电话通讯 •医学诊断：超声波成像术、全像摄影术、
计算机辅助声波断层摄影术
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
(1) 不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在外力的 作用下，产生极化。
正压电效应
逆压电效应
－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++
释放电荷
－－－－－－－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++++++++
材料的压电性能与铁电性能
二、压电性能的主要参数
1、介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）即：
D ijE
不同机械条件时，测得的介电常数不同。
①当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
②相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电 能量的相互转换。
tan IR / IC 1 / (CR)
式中：ω为交变电场的角频率； C为介质电容； R为损耗电阻；
压电、热释电和铁电介质材料
数学定义式：K Ume U mm Uee
各个能量的含义：
U mm
1 2
SiEj TiT
；机械能密度。
j
U ee
1 2
T mn
Em
En；介电能密度。
U me
1 2
dmj
EiT
；机械
j
电相互作用能密度。
LOGO
工程技术上的含义：
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
LOGO
2）压电效应的物理机制
压电材料包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料。
1.压电单晶
晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而 被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方 向上的晶体表面出现剩余电荷。
LOGO
2）压电效应的物理机制
2.压电陶瓷
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，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），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面 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。 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，而使表面的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。
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能
的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
LOGO
2 介电常数 ε
反应了材料的介电性质或极化性质。
电介质材料压电材料热释电材料铁电材料
❖ 上海硅酸盐研究所,山东大学晶体材料研 究所，中科院福建物质结构研究所，中科 院物理所,四川压电与器件研究所
❖ 西安交通大学,中山大学,同济大学,湖北大 学,清华大学,
❖ 企业，国营798厂,私营民营企业
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
15
最新动态
❖ 铁电聚合物:PVDF
❖ 铁电单晶:PMN-PT
振动模式和机电转换
元件性能分析
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
19
学习本课程所需的固体物理知识
第一章
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
20
晶体结构和基本概念
❖ 晶态和非晶态 ❖ 晶体的物理模型：点阵与基元，晶格 ❖ 晶向、晶面和米勒指数 ❖ 七大晶系和十四中布拉菲格子 ❖ 对称性和点群 ❖ 晶体中的三十二个点群 ❖ 晶轴和坐标系的选择
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
29
物理简化
❖ 晶体=点阵+基元 ❖ 基元：原子、离子、原子团，分子集团
等
❖ 点阵：用一个几何点表示上述基元后， 晶体所构成的点子阵列
❖ 点阵是无限大沿三维周期性排列的点子
❖ 用直线以某种方式把点子连接起来所形 成的格子称为晶格。（晶格动力学）
电介质材料压电材料热释电材料铁
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
24
例如，石英晶体中的两个m面之间的夹 角总是12000’，r面和c面之间的夹角 总是11308’。
晶面守恒定律的发现对于结晶学的发展 起了很大的促进作用。例如，从晶面 角之间的关系导致晶体对称性概念的 产生。
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
25
不一定是酱紫的
❖ 西安交通大学,中山大学,同济大学,湖北大 学,清华大学,
❖ 企业，国营798厂,私营民营企业
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
15
最新动态
❖ 铁电聚合物:PVDF
❖ 铁电单晶:PMN-PT
振动模式和机电转换
元件性能分析
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
19
学习本课程所需的固体物理知识
第一章
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
20
晶体结构和基本概念
❖ 晶态和非晶态 ❖ 晶体的物理模型：点阵与基元，晶格 ❖ 晶向、晶面和米勒指数 ❖ 七大晶系和十四中布拉菲格子 ❖ 对称性和点群 ❖ 晶体中的三十二个点群 ❖ 晶轴和坐标系的选择
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
29
物理简化
❖ 晶体=点阵+基元 ❖ 基元：原子、离子、原子团，分子集团
等
❖ 点阵：用一个几何点表示上述基元后， 晶体所构成的点子阵列
❖ 点阵是无限大沿三维周期性排列的点子
❖ 用直线以某种方式把点子连接起来所形 成的格子称为晶格。（晶格动力学）
电介质材料压电材料热释电材料铁
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
24
例如，石英晶体中的两个m面之间的夹 角总是12000’，r面和c面之间的夹角 总是11308’。
晶面守恒定律的发现对于结晶学的发展 起了很大的促进作用。例如，从晶面 角之间的关系导致晶体对称性概念的 产生。
电介质材料压电材料热释电材料铁
电材料
25
不一定是酱紫的
压电、热释电与铁电材料
3、其结构必须有带正负电荷的质点， 即压电体是离子晶体或由离子团 组成的分子晶体。
应用
电声换能器 振动能-电能换 能器 水声换能器
超声波换能器
压电材料 压力式压力传感器 各类传感器 加速度传感器 ……
定义
• 热释电效应：极化强度随温度改变而表现
出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变 是在材料的两端出现电压或产生电流。
压电、热释电与铁电材料
定义
1、压电材料：具有压电效应，受到压力作用时
会在两端面产生电压的介电晶体 材料。
2、热释电材料： 具有热释电效应，有自发极
化特性的压电材料。压电材料。
3、铁电材料：
在一定温度范 围内，自发极化偶 极矩能随外施电场的方向而改变 的热释电材料。热释电 材料。
介电晶 体材料
压电 材料
热释电 材料
铁电 材料
定义
• 正压电效应：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。 • 逆压电效应：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。
热释电材料
有机高分子及 复合材料
金属氧化物陶 瓷及薄膜材料
特征
具有自发极化 在一定温度范围内，其自 发极化强度随外加电场的 方向而改变，且滞后于外 加电场的变化
• 铁电材料的极化强度与外加电场强度的关 系曲线称为电滞曲线。
！
• 当铁电材料升温高于其临界温度时，铁电材 料的自发极化消失，由铁电性转换为顺电性， 结构的对称性升高。
机理
具有压电性 的晶体对称 性较低 施加外力 晶胞中正负离 子的相对位移 是正负电荷中 心不在重合 晶体发 生宏观 极化 晶体表面电荷 面密度等于极 化强度在表面 法向上的投影
电介质材料压电热释电铁电介质材料
剩余极化强度
剩余伸长 (c)极化处理后
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
自由电荷 束缚电荷
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
旳自由电荷示意图
22
假如在陶瓷片上加一种与极化方向平行旳压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内旳正、 负束缚电荷之间旳距离变小，极化强度也变小。所以， 原来吸附在电极上旳自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一种膨胀过程)，片内旳正、负电荷之间旳距离变大， 极化强度也变大，所以电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正 压电效应。
早在 1984 年，美国科学家将 PVDF 薄片安顿在生物体上，以生 物体呼吸时肋骨伸张运动所产生旳能量作为研究基础，将生物体 运动时产生旳能量转换为电能，驱动外部设备。压电式发电器装 置固定在狗肋骨上，利用狗旳自然呼吸可产生 18V 电压，能量 17uW。优化 PVDF 压电换能元件形状，同步设计更适合贴在动物 肋骨上旳辅助设备，最终测试发觉输出能量能够到达1mW。
十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。
1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产生 电旳行为，第一次观察到温度变化引起旳电极化现象。
1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电旳行为称为热电 性。1817 年，法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。
1947 年美国旳 Roberts 发觉了钛酸钡（BaTiO3）旳压电性，使得 多晶材料得到发展。取得压电性所需旳极性能够经过临时施加电场 旳措施，从一块各项同性旳多晶陶瓷得到。
压电和铁电材料（ＰＤＦ）
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
《介电和铁电材料》课件
稳定性
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
铁电材料的分类
单晶体铁电体
如钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO3）等。
多晶体铁电体
如锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT）等。
有机铁电体
如聚偏氟乙烯（PVDF）等。
铁电材料的特性
电滞回线
01
铁电材料具有显著的电滞回线，即其介电常数随电场的变化而
变化。
压电效应
02
当铁电材料受到外力作用时，其内部电偶极矩发生改变，从而
记忆效应
介电和铁电材料都具有记忆效应 ，能够将外部电场的历史状态保 留下来，并在一定条件下恢复。
介电和铁电材料的差异
极化机制
介电材料的极化主要来源于电子 云位移，而铁电材料的极化则来 源于正负电荷中心的相对位移。
相变温度
铁电材料通常在一定的温度下发 生相变，表现出明显的铁电性， 而介电材料的相变温度则不明显 。
响应速度
铁电材料的极化响应速度较快， 适合用于制造高速电子器件，而 介电材料的响应速度相对较慢。
介电和铁电材料的应用领域
介电材料
主要用于制造绝缘材料、电子元件、光学薄膜等，如陶瓷、玻璃、塑料等。
铁电材料
主要用于制造压电器件、热释电器件、非线性光学器件等，如石英晶体、钛酸 钡等。
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
铁电材料的分类
单晶体铁电体
如钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO3）等。
多晶体铁电体
如锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT）等。
有机铁电体
如聚偏氟乙烯（PVDF）等。
铁电材料的特性
电滞回线
01
铁电材料具有显著的电滞回线，即其介电常数随电场的变化而
变化。
压电效应
02
当铁电材料受到外力作用时，其内部电偶极矩发生改变，从而
记忆效应
介电和铁电材料都具有记忆效应 ，能够将外部电场的历史状态保 留下来，并在一定条件下恢复。
介电和铁电材料的差异
极化机制
介电材料的极化主要来源于电子 云位移，而铁电材料的极化则来 源于正负电荷中心的相对位移。
相变温度
铁电材料通常在一定的温度下发 生相变，表现出明显的铁电性， 而介电材料的相变温度则不明显 。
响应速度
铁电材料的极化响应速度较快， 适合用于制造高速电子器件，而 介电材料的响应速度相对较慢。
介电和铁电材料的应用领域
介电材料
主要用于制造绝缘材料、电子元件、光学薄膜等，如陶瓷、玻璃、塑料等。
铁电材料
主要用于制造压电器件、热释电器件、非线性光学器件等，如石英晶体、钛酸 钡等。
电子材料的压电性能与铁电性能
第二节 热释电与铁电性能
（2）逆热释电效应或电生热效应 对热释电晶体绝热施加电场时，其温度将发生变化
（3）热释电红外敏感元件 ①能充分吸收入射的红外线 ②热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元件 3 热释电材料 PbTi03和PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度
二 压电振子与压电方程
1 压电振子及其特征频率 （1）压电振子的基本概念
压电振子固有振动频率fr
(2)最小阻抗频率fm
振子阻抗为最小的频率
(3)最大阻抗频率fn
振子阻抗为最大的频率 (4)有损耗的压电振子等效
电路图
压电性能
第一节
(5) 特征频率的含义
压电性能
第一节 压电性能
2 边界条件 机械边界条件：机械自由，机械夹持 电学边界条件：电学短路，电学开路 压电振子共有四类边界条件
1 电光行为分区
(1)二次电光效应区：处于铁电和顺电的相界，在SFE 区，组成有8.8/65/35、9/65/35、8/70/30
(2)记忆效应区：具有电驱动光开关效应，处于FERh斜 方铁电相区，组成有7/65/35和8/65/35
第一节 压电性能
三 压电性能的主要参数
1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能）
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗
3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律
4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数
5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量
6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
1、压电常数d33
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量 （电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
(推荐)10压电、热释电与铁电材料
➢ 含氧八面体 ➢ 含氢键 ➢ 含氟八面体 ➢ 含其他离子基团
铁 电 薄 膜 与 集 成 铁 电 学
铁电薄膜存储器 —FRAM与DRAM
铁电随机存储器（FRAM） 动态随机存储器（DRAM）
其他铁电薄膜
薄膜型热释电红外探测器 压电马达与集成铁电微电子机械系统 铁电薄膜集成光波导器件 铁电薄膜微波器件 光学超晶格与声学超晶格
压电陶瓷
掺杂对陶瓷性能的影响 受主杂质的介电常数降低、频率常量升高、机械品质因数
增大、老化率增大。 施主杂质的介电常数升高、机电耦合因数增大、机械品质
因数降低、老化率减少。 变价杂质的介电常数降低、频率常量增大、机械品质因数
升高温度系数变小、老化率减小 *材料对外场的顺度大，性能“软”，反之则“硬”
➢ 探测优值 Fd=p/c’ ε(tanδ)1/2
主要的热释电材料
热释电材料 最重要的应 用是制作室 温红外探测 器与阵列
铁电材料与应用
调制用非线性铁电晶体
➢ 电光晶体 ➢ 光折变晶体
① 铁电型晶体 ② 非铁电型电光晶体 ③ 化合物半导体 ④ 有机光折变材料
弛豫性铁电体
基本介电特征： ➢ 弥散相变 ➢ 频率色散
环境协调性压电陶瓷
BiTiO3基压电铁电陶瓷 BNT基压电铁电陶瓷 NaNbO3基压电铁电陶瓷
压电铁电材料的环境协调性制备技术
总的要求： 资源能源消耗少和制备加工过程对生态环境污染小 无机非金属材料软溶液制备技术SSP
使用SSP技术的优点
陶瓷薄膜的沉积、成型、剪切、取向等可进一步完成 能源、资源消耗小 材料 制备是在闭环系统中完成得，易于分离、循环、
压电聚合物
聚偏氟乙烯（PVDF） 奇数尼龙
铁 电 薄 膜 与 集 成 铁 电 学
铁电薄膜存储器 —FRAM与DRAM
铁电随机存储器（FRAM） 动态随机存储器（DRAM）
其他铁电薄膜
薄膜型热释电红外探测器 压电马达与集成铁电微电子机械系统 铁电薄膜集成光波导器件 铁电薄膜微波器件 光学超晶格与声学超晶格
压电陶瓷
掺杂对陶瓷性能的影响 受主杂质的介电常数降低、频率常量升高、机械品质因数
增大、老化率增大。 施主杂质的介电常数升高、机电耦合因数增大、机械品质
因数降低、老化率减少。 变价杂质的介电常数降低、频率常量增大、机械品质因数
升高温度系数变小、老化率减小 *材料对外场的顺度大，性能“软”，反之则“硬”
➢ 探测优值 Fd=p/c’ ε(tanδ)1/2
主要的热释电材料
热释电材料 最重要的应 用是制作室 温红外探测 器与阵列
铁电材料与应用
调制用非线性铁电晶体
➢ 电光晶体 ➢ 光折变晶体
① 铁电型晶体 ② 非铁电型电光晶体 ③ 化合物半导体 ④ 有机光折变材料
弛豫性铁电体
基本介电特征： ➢ 弥散相变 ➢ 频率色散
环境协调性压电陶瓷
BiTiO3基压电铁电陶瓷 BNT基压电铁电陶瓷 NaNbO3基压电铁电陶瓷
压电铁电材料的环境协调性制备技术
总的要求： 资源能源消耗少和制备加工过程对生态环境污染小 无机非金属材料软溶液制备技术SSP
使用SSP技术的优点
陶瓷薄膜的沉积、成型、剪切、取向等可进一步完成 能源、资源消耗小 材料 制备是在闭环系统中完成得，易于分离、循环、
压电聚合物
聚偏氟乙烯（PVDF） 奇数尼龙
Unit 5 电介质材料(压电和铁电材料) 电子器件与工艺课件
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
2020/10/2
压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。
2020/10/2
压电陶瓷材料
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。
正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成
许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。
+++++++++
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
2020/10/2
压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。
2020/10/2
压电陶瓷材料
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。
正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成
许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。
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Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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
压电石英的主要性能特点是：
(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
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
1. 基本概念
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 。
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。
加应力不 产生极化
Xiong ZhengyeGuangdong Ocean University
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，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 D=d T 或 σ =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。
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 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
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 ; 而固有电容又 影响着压电传感器的频率下限。
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与外电场强度E成正比： S= dt E 式中 dt——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。
电介质材料 Dielectric Materials
（piezoelectric material ）
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
电介质材料之压电材料
一 概述
介电体 压电体 热释电体 铁电体
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
石英晶体
石英晶体的外形(a)天然石英晶体； 理想石英晶体坐标系 (b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体 理想外形
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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α-石英。
压电材料可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。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
压电晶体产生压电效应
+ + + ±
+ + -
+
+ -
+
-
+
-
未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
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。
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。
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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。
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压电石英的主要性能特点是：
(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
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1. 基本概念
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 。
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（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。
加应力不 产生极化
Xiong ZhengyeGuangdong Ocean University
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，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 D=d T 或 σ =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。
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 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。
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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 ; 而固有电容又 影响着压电传感器的频率下限。
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压电效应 (a)正压电效应；(b)压电效应的可逆性
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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与外电场强度E成正比： S= dt E 式中 dt——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。
电介质材料 Dielectric Materials
（piezoelectric material ）
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电介质材料之压电材料
一 概述
介电体 压电体 热释电体 铁电体
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石英晶体
石英晶体的外形(a)天然石英晶体； 理想石英晶体坐标系 (b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体 理想外形
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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α-石英。
压电材料可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。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
压电晶体产生压电效应
+ + + ±
+ + -
+
+ -
+
-
+
-
未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
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。
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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。
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