电介质材料压电与铁电材料1

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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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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加应力不 产生极化
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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
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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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。
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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
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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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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。
（ 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。
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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
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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压电效应 (a) 正压电效应； (b)压电效应的可逆性
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Xiong Zhengye主要ຫໍສະໝຸດ 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。
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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（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。
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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= d t 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。