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居里点
t/℃
100 200 300 400 500 600
相对介电常数 石英在高温下 石英在高温下相对介电常数 的温度特性
石英晶体
� 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝 缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比 标准仪器 或要求较高 压电陶瓷低得多。因此一般仅用于 压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器 标准仪器或要求较高 的传感器中。 � 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割 的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等） 相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要 求正确地选择石英片的切型。 � 石英晶片的切型符号表示方法：
�
压电单晶
� 具有各向异性，改变切型或声波传播方向可 获得不同的材料特性； � 优良的均匀性； � 新型材料开发难度大； � 价格较高。
石英
� 石英晶体化学式为 SiO2，是单晶体结构。 � 压电器件使用的是 α-石英，它是石英的低温相，温度达到 573°C以 上时可转变为β-石英。压电器件早期使用的是天然石英， 20世纪50 年代后，采用水热法培育了大量优质人造石英，用于制作各种压 电器件。
x a
c
y
(a) 晶体外形；
(a )
(b) 切割方向；
(b )
(c) 晶片
(c )
石英晶体
� 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成 石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图 (a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正 六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2- 。
§1.1 压电效应
对某种介质施加机械应力，导致介质两端表 � 正压电效应： 正压电效应：对某种介质施加机械应力，导致介质两端表 面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比。 这种由于机械力的作用而使电介质产生极化并形成表面电 荷的现象叫正压电效应。 F
－－－－－ － ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋ 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代表形变 后的情况）
石英晶体
� 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体 学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－ 光轴 ；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X 称为光轴 光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的 Z称为 电轴 ；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴 轴称为 轴称为电轴 电轴；与 机械轴 。 （垂直于正六面体的棱面）称为 （垂直于正六面体的棱面）称为机械轴 机械轴。
压电器件设计制作
西安交通大学 电子信息与工程学院 电子科学与技术系
压电陶瓷
压电器件设计制作
第1章 压电材料与器件 第2章 压电方程 第3章 压电振子 第4章 压电谐振器 第5章 压电滤波器 第6章 叉指换能器 第7章 其它压电器件
参考书目
� 黄新友，高春华，电子元器件及其材料概论，北京： 化学工业出版社，2009 � 王春雷，李吉超，赵明磊，压电铁电物理，北京： 科学出版社，2009 � 刘梅冬，许毓春，压电铁电材料与器件，湖北：华 中理工大学出版社，1990 � 冯冠平，谐振传感理论及器件，北京：清华大学出 版社，2008 � 张沛霖，钟维烈，压电材料与器件物理， 山东：山 东科学技术出版社，1996
� 石英晶体主要用于制作高频窄带滤波器、标 准频率控制振子、高频超声换能器等。其产 品广泛用于通信、导航、广播、时间和频率 标准等领域以及电视机、钟表、通信机等设 备中。
铌酸锂
� 铌酸锂（LiNbO3）是声表面波器件使用最广泛的 铁电、压电晶体材料。使用铌酸锂是在单晶炉中用 提拉法生长的晶体，无色或略呈淡黄绿色，用提拉 法生长的铌酸锂是多畴的。一般按要通过极化工艺 使晶体单畴化。这种极化既可在提拉过程中完成， 也可在提拉后独立进行。 � 铌酸锂晶体的最大优点是压电性强、机电耦合系数 高，特别适宜于新式器件的设计和试验。 � 目前，铌酸锂晶体已用于制造各种带通滤波器、脉 冲压缩和展开滤波器、延迟线等各种声表面波器件。 它也用于制造压电电光器件。
1.00 0.99 0.98
斜率： －0.016％/℃
6 5 4 3 2 1 0
相 对对对 对 介介介 介 电电电 电 常常常 常 数数数 数 相相相 ε εεε
d t / d 20
0.97 0.96 0.95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
20
t℃
相对于20℃的 石英的d11系数 系数相对于 d11温度变化特性
高Tc温度铁电单晶 （PIN-PMN-PT） 2000 ～90% 1－2% 150-320
§1.2 压电材料的发展历程
压电材料的发展历史与趋势 其中弛豫型铁电单晶是五十年来压电材料革命性进展
§1.3 几种压电材料
� � 压电晶体 � 石英 � 铌酸锂和钽酸锂 压电陶瓷 � 钛酸铅（PbTiO3） � 锆钛酸铅（PbZrxTi1-xO3） � 三元系和四元系陶瓷 � 弛豫型压电单晶 � 无铅压电陶瓷 � 其他压电陶瓷 其它压电材料 � 压电薄膜 � 压电复合材料 � 压电聚合物
§1.1 压电效应
在晶体上施加电场，将产生与电 逆压电效应：在晶体上施加电场，将产生与电 � 逆压电效应： 场强度成正比的应变或机械应力，这种现象称 之为逆压电效应。
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况） 电场场场 场方方方 方向向向 向 电电电
� IRE标准规定的切型符号表示法； � 习惯符号表示法。
石英晶体
� IRE标准规定的切型符号包括一组字母（X、Y、Z、t、l、b） 先后排列顺序 ，表示 和角度。用X、Y、Z中任意两个字母的 中任意两个字母的先后排列顺序 先后排列顺序，表示 厚度 和长度的原始方向 ；用字母t（厚度）、l（长 石英晶片 石英晶片厚度 厚度和 长度的原始方向；用字母 度）、b（宽度）表示旋转轴的位置。当角度为正时 ,表示逆 时针旋转；当角度为负时,表示顺时针旋转。例如：(YXl)35 º )35º Z’ Z 切型，其中第一个字母Y Z 表示石英晶片在原始位置(即旋转 前的位置)时的厚度沿Y轴方向， 第二个字母X表示石英晶片在原 始位置时的长度沿X轴方向，第 三个字母l和角度35 º表示石英晶 35º º。 片绕长度逆时针旋转35 35º
§1.2 压电材料的发展历程
� 1947年S.Robert 发现BaTiO3的强压电效应，这一发 现是压电材料发展史上的一次飞跃。 � 1954年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅（PZT）陶瓷的具 有良好的压电性能，PZT系固溶体在多形相界附近具 有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3 陶瓷的一倍。在以后的60年间，PZT材料以其较强且 稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换 能器的主要功能材料。PZT材料的出现使得压电器件 从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压 变压器及压电发电装置等。 � 上世纪九十年代，以PMN-PT为代表的弛豫型铁电单晶 被研制出来，具有极高的压电性和机电耦合系数。
§1.2 压电材料的发展历程
几种典型压电材料性能比较
BT压电 陶瓷 压电系数 d33(pC/N) 机电耦合系数k33 电致应变 居里温度Tc (oC) ～200 ～50% <0.1% 120
PZT压电 陶瓷 ～500 ～60% 0.1% 300
弛豫铁电单晶 (PMN-PT) 大于2000 ～90% 1－2% 140-170
Y + + - X + Y + X
(a ) (b ) 硅氧离子的排列示意图 （a）硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影
石英晶体
� 1——正电荷等效中心 � 2——负电荷等效中心
石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
石英晶体
� α—石英晶体的最大特点：性能稳定，频率温度系 数低（可以做到频率温度系数接近于零），在通讯 技术中有广泛地应用。
铌酸锂
压电陶瓷
� 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压 电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电 畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而 存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体 上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的 压电陶瓷内极化强度为零。
� 1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应。 国工程 师保罗兰杰文 （Paul Langevin）是第 � 1917年法 年法国 工程师保罗兰杰文 师保罗兰杰文（ 将压电效应应用于实际工程检测，他将石英晶体用 一位 一位将压电效应应用于实际工程检测，他将石英晶体用 于水底声纳换能器上，专门用来侦测德国潜水艇，这也 。 是压电材料的首次应用 是压电材料的首次应用。 � 1921年，J.Valasek发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电 性。 � 第二次世界大战期间，磷酸二氢铵（ADP）、铌酸锂等 压电晶体相继被研制出来。
Ｅ
§1.1 压电效应
如果外界作用（如压力和电场的作用）能使陶瓷的 极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。 正压电效应 逆压电效应
百度文库
电能
机械能
§1.1 压电效应
取决于 晶体的对称性 。 � 压电性 压电性取决于 取决于晶体的对称性 晶体的对称性。 � 在晶体的32种点群中，具有对称中心的11个点群不会 有压电效应。在21种不存在对称中心的点群中，除了 432点群因为对称性很高，压电效应退化以外，其余 20个点群都有可能产生压电效应。
Z Z’ Z Z’’
50°
Y’ O X
Y
O
(a)石英晶片原始位置
Y 5° (b)石英晶片的切割方位
石英晶体
特有 的表示法，它由两个大 习惯符号表示法是石英晶体特有 特有的表示法，它由两个大 � 习惯符号表示法是石英晶体 写的英文字母组成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、 MT和FC等。
石英晶体
Z � 通常把沿电轴x方向的力 Z 作用下产生电荷的压电效 应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力 Y X 作用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应”。 X 而沿光轴z方向的力作用时(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 不产生压电效应。
石英晶体
z z b o o x y x o y z
第1章 压电材料与器件
§1.1 压电效应 §1.2 压电材料的发展历程 §1.3 几种压电材料 §1.4 压电材料的应用
§1.1 压电效应
电极 －－－－－ ＋＋＋＋＋ 极化方向 自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
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。 外加电场与极化强度方向相同，极化强度增大，陶瓷沿极化方向伸长形变； 外加电场与极化强度方向相反， 陶瓷沿极化方向缩短形变；
35
Y’ O Y
O X
(a )
Y
X (b)
（YXl）35°切型 （a）石英晶片原始位置 （b）石英晶片的切割方位
石英晶体
º切型，它表示石英晶片原始位置的 又如（XYtl）5º/-50 /-50º 厚度沿X轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度t逆时针旋 º，如图。 转5º，再绕长度l顺时针旋转50 50º
20 Piezoelectric Polarized under stress
10 Pyroelectric Spontaneously polarized
Subgroup Ferroelectric Spontaneously polarized Polarization reversible
§1.2 压电材料的发展历程
无对称中心
有对称中心
Interrelationship of piezoelectric and subgroups on the basis of symmetry
32 Symmetry Point Groups
21 Noncentrosymmetric
11 Centrosymmetric (non-piezoelectric)