第3章 压电材料

D 0 E P

ε0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。它和 极化强度P，电场强度E，应力T，应变均为矢量。 当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表达 式中的P均可换为D。
三、机电耦合系数 机电耦合系数是一个综合反映压电晶体的机械能 与电能之间耦合关系的物理量，是衡量压电材料 性能的一个很重要参数。通过测量机电耦合常数 可以确定弹性、介电、压电等参量，即使介电常 数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机 电耦合常数也可直接比较。机电耦合系数定义为： k=机械能转变的电能/输入的机械能（正压电效应） k=电能转变的机械能/输入的电能（逆压电效应） 机电耦合系数k是一个无量纲的物理量，是压电材 料机械能和电能相互转换能力的量度。它并不代 表转换效率，因为它没有考虑能量损失，是在理 想情况下，以弹性能或介电能的存储方式进行转 换的能量大小。

图3－2 压电效应机理示意图

晶体的压电效应的本质是因为机械作用（应力 与应变）引起了晶体介质的极化，从而导致两 端表面内出现符号相反的束缚电荷。其机理可 用图3－2加以解释。图中（a）表示压电晶体中 质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作 用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体 总电矩为0，因而晶体表面不荷电。但是当沿某 一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导 致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化， 从而引起晶体表面荷电；（b）为晶体在压缩时 荷电的情况；（c）是拉伸时的荷电情况。




二、压电常数 压电常数：极化强度和应变之间的关系常数。 当压电材料产生正压电效应时，施加应力将产生 额外电荷，发生极化，其极化强度P和应变之间的 关系可用压电（应力）常数与沿x、y、z轴的应变 和切应变的方程来表示，其中18个系数eik被称为 压电（应力）常数。 其极化强度和应力的关系可用压电（应变）常数 与沿x、y、z轴的应力和切应力的方程来表示表示， 其中18个系数dik被称为压电（应变）系数。 压电常数eik和压电系数dik都是压电效应的重要特 征值。
图3－1 石英压电效应产生的根源（晶体无对称心）
由图3－1(b)可见，由于石英晶体不存在对称中心， 当给晶体施加压力时，晶体内部将产生极化。由 原来P=0的状态，变成有极化强度P的状态，表现 为产生一电场。 如果晶体存在对称中心的话，即使晶体发生形变 后仍保持极化强度为零，就不会产生压电效应 （图3－1(a) ）。因此，只有那些原胞无对称中心 的物质才有可能产生压电效应。 晶体共有32个点群，也就是按对称性分为32类。 其中20类是非对称中心的，它们可能具有压电效 应。但是，无对称中心只是产生压电效应的必要 条件，而不是充分条件。因此，只有ADP、KDP 和α-石英、罗息盐等少数几种晶体才具有压电效 应。 所有铁电晶体同时具有压电性，但压电晶体不一 定具有铁电性。

图3－4 交流电路中 电流电压矢量图
在交变电场下，压电材料所积累的 电荷有两种分量：一种为有功部分 （同相），即由电导过程引起，即 电导损耗（IC） ；另一种为无功部 分（异相），即由介质驰豫过程引 起，即极化损耗（IR）。介质损耗为 异相分量与同相分量的比值，通常 用tanδ表示，如图3－4所示。 tanδ=IR/IC =1/ωCR 式中：ω 为交变电场的角频率； C为 介质电容；R为损耗电阻。 tanδ 与压电材料中能量损耗成正比， 因此也往往就把 tanδ 叫做损耗因子， 或直接叫做介质损耗。

第三章 压电材料
没有对称中心的材料受到机械应力处于应变状态 时，材料内部会引起电极化和电场，其值与应力 的大小成比例。其符号取决于应力的方向。这种 现象称为正压电效应。也就是受力应变产生电场。 逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场 的作用下发生电极化时，会产生应变，其应变值 与所加电场的强度成正比。其符号取决于电场的 方向。此现象称为逆压电效应。也就是电场作用 产生应变。 具有压电效应的材料叫做压电材料。由此可见， 通过压电材料可将机械能和电能相互转换。利用 逆压电效应，还发展了一系列电致伸缩材料。

3.1 压电效应的机理

压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移， 当不存在应变时电荷在晶格位置上的分布是对称 的，所以其内部电场为零。但是当给晶体施加应 力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称 就会出现净极化，并将伴随产生一电场，这个电 场就表现为压电效应。例如石英产生压电效应即 是如此，如图3－1所示。








二、压电材料的应用和发展趋势 压电材料已广泛应用于电子学和传感器领域。石 英、铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅等用得最多。 压电材料的发展趋势为： ①研究压电材料的结构和性能的关系。 ②研究各向异性压电陶瓷。 ③研究特优性能的压电材料。 ④研究耐高温高压压电材料。 ⑤研究复合压电材料及其应用。 ⑥研究新型压电高聚物。 ⑦研究开发生物压电高分子，探索制作分子压电 器件的可能性。
S C n0 s d
C与介质层数及介质材料的介电常数成正比, 与介质层厚度成反比
增大层数、使用高介电常数介质材料及减小介质 层的厚度，可以获得大电容量C。但不能一味的 增大层数，因为现代通讯设备向小型化发展， 故在适当增大层数的同时，应考虑提高材料介 电常数，减小材料颗粒大小,即多层化和薄层化 （小型化，每层为0.6μm）。

3.3 压电材料的种类和应用



一、压电材料的种类 （一）晶体 在无中心对称的21种类型中有20种有压电效应。 这些压电晶体性能稳定，内耗小。 （二）半导体 常用的有Ⅱ—Ⅵ族化合物和Ⅲ—Ⅴ族化合物。最 常用的为CdS、CdSe、ZnO，其k大兼有光电导性。 （三）陶瓷多晶压电材料 陶瓷多晶压电材料比晶体便宜但易老化，典型的 有钛酸钡陶瓷和锆钛酸铅陶瓷。 （四）高分子压电材料
(2) 减小介质层厚度: 纳米四方相钛酸钡既可以 提高MLCC的电容量，又可以提高抗击穿强度。
MLCC的制造工艺
BT粉体 粘结剂 浆体 流延 电极印刷 层叠 热压 高温烧结 接电极 检测 溶剂 脱胶
切割
产品
MLCC用Nano-BaTiO3关键技术问题 MLCC用纳米钛酸钡粉体关键技术 问题有如下几个方面： 1）纳米四方相 2）团聚 3）流延浆料的分散性及稳定性 4）烧结问题
MLCC（多层陶瓷电容器）：
是世界上用量最大、发展最快的片 式元件品种。主要用于电子整机中的振 荡、耦合、滤波、旁路等，是移动通讯、 卫星导航、全球定位(GPS)、军事雷达 等领域必不可少的设备，在军用及民用 产品中具有十分重要的地位。MLCC的介 质材料主要为BaTiO3。
MLCC样品
MLCC通过多层介质陶瓷并联而成：


一、弹性模量 压电晶体是弹性体，服从于胡克定律：在弹性限 度内，应力与应变成正比。对于三斜晶系（21个 独立元）、正交晶系（9个独立元）、立方晶系 （3个独立元）等不同晶系有不同的弹性模量。 压电晶体具有压电效应，因此，在不同电学条件 下有不同的弹性模量。 在外电路的电阻很小时，即相当于短路条件下测 得的，称为短路弹性模量。 在外电路的电阻很大时，即相当于开路条件下测 得的，称为开路弹性模量。
O
Y
X
6
1
Si
2
C
5
4
3
D
5
4
3
B ( )
6, 5, 2, 3 离子向内 移动同样数值；1, 4 离子 向外移动 C 和 D 面不出现 电荷；表面 A 和 B 呈现电荷
横向压 电效应
α-石英单晶正压电效应
石英压电效应的机理
O
Y
X
6
1
Si
2
晶片沿 z 方向压缩
5
4
3
无压电效应






四、介电常数 介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）， 通常用ε表示，单位是F/m 。 当压电材料的电行为用电场强度E和电位移D作变 量来描述时，则有： D=εE或ε=D/E 有时也使用相对介电常数 εr （反映电介质极化的 能 力 ） ， 它 与 介 电 常 数 的 关 系 为 ε / ε 0 ， ε0 为 8.85×10-12F/m，相对介电常数是无量纲的物理量。 对于压电陶瓷片，可用下式计算介电常数： ε=Cd/A 式中：C为电容（F）；d为电极距离（m）；A为 电极面积（m2）。

图3－3 介质的驰豫过程
介质在交变电场中通常发生驰豫现象。 在一个实际介质的样品上突然加上一电场，所产 生的极化过程不是瞬时的，见图3－3。P0代表瞬 时建立的极化（位移极化），P1代表松弛极化， P1(t)渐渐达到一稳定值。这一滞后通常是由偶极子 极化和空间电荷极化所致。在外电场施加或移去 后，系统逐渐达到平衡状态的过程叫介质驰豫。
五、介质损耗 电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其 内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电 流包括：①由样品的几何电容的充电所造成的电 流；②由各种介质极化的建立所造成的电流；③ 由介质的电导（漏电）造成的电流。 第一种电流简称电容电流，不损耗电流；第二种 电流引起的损耗称为极化损耗；第三种电流引起 的损耗称为电导损耗。 极化损耗主要与极化的驰豫（松弛）过程有关。
第三章

压电材料
3.1 压电效应的机理 3.2 压电材料的特征值 3.3 压电材料的种类和应用
教学目标及基本要求
掌握压电效应的机理、压电材料的特征值。 熟悉压电材料的种类和应用。

教学重点和教学难点
（1）压电效应及其机理 （2）压电材料及其特征值 （3）机电耦合系数 （4）介质损耗
石英压电效应的机理
O
Y
X
6
1
Si
2
晶片沿 y 方向压缩
A()
6
1
4
2
5
4
3
5
3
B()
1, 4 离子向中心； 6, 5, 2, 3 离子向 外移动
表面 A 出现负 电荷；表面 B 呈正电荷
纵向压电 效应
α-石英单晶正压电效应
石英压电效应的机理
A()
1
6 2
晶片沿 x 方向压缩
介质层越薄,MLCC电击穿强度越大.对于高压MLCC要求 其电击穿强度在5000V以上。



温度特性： 对温度依赖 性要小； 居里温度： 居里温度向 低温漂移有 利于获得高 介电常数。
百度文库
适合MLCC的介质材料
纳米四方相钛酸钡是适合MLCC的最佳介质材料： (1) 提高BaTiO3的介电常数：纳米尺寸且为四方 相（铁电相）时，BaTiO3介电常数更高；
正压电效应本质：外力改变了晶体中的离子原来 的相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出 现净电偶极矩. 压电晶体：结构上必须是无对称中心,中心对称的 晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应 ；组成上必须是离子、或离子性原子、或含离子 基团的分子. 铁电体必具有强压电性，但压电体不一定是铁电 体.
3.2 压电材料的特征值
一、弹性模量
二、压电常数
D：电位移 IR：异相电荷分量
三、机电耦合系数
机械能转变的电能 k 输入的机械能
IC：同相电荷分量
W：交变电场角频率 C：介质电容
四、介电常数
D E
IR 1 tan IC CR
R：损耗电阻
五、介电损耗：导电和极化驰豫过程



逆压电效应与电致伸缩效应不同。电致伸缩效应是指 在外电场作用下，任何电介质都会发生尺寸变化，即 产生应变，是液、固、气电介质一般都具有的性质。 而逆压电效应只存在于不具有对称中心的点群的晶体 中。此外，电致伸缩效应的形变与电场方向无关，与 电场强度的平方成正比，而逆压电效应的形变是随电 场反向而反号，与电场强度的一次方成正比。 对于国际单位制有