电介质材料(压电与铁电材料1).
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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 压来自百度文库体 热释电体 铁电体
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
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
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。
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
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。
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
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
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； 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。
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
（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 Zhengye
Guangdong 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。
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。
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电介质材料之压电材料
一 概述
介电体 压来自百度文库体 热释电体 铁电体
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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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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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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。
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
+ + + ±
+ + -
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+ -
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未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
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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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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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。
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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（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 Zhengye
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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。
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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。
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