锆钛酸铅系压电陶瓷PZT优秀课件
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PZT压电陶瓷介绍和测试方法-PPT精选文档
P-->“Pb”（铅元素），Z-->“Zr” （锆元素），T-->“Ti” （钛元素） 特点
– 具有显著的介电、压电和铁电特性 – PZT铁电厚膜兼有块状材料和薄膜的优点，可在低压和高频条件工作
– 压电厚膜微致动器作为磁记录行业的首选材料，被用来解决硬盘驱动器磁头精确定位的难题
应用范围：机械能电能相互转换类传感器
Q Ua Ca
电荷等效模型
F
压电常数 d
Q=U*C
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
HSA （磁头悬臂装置）结构及功能介绍
PZT元件作用是利用其高压电常数特性，使读写磁头发生水平位移，从而使HSA 水平旋转和 精确寻轨
交变电压
U 型刚体 电荷变化
PZT 元件
位移变化
精确寻轨
HSA
HSA PZT 工作原理
定义
在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料
类别
类 别
石英晶体 压电陶瓷
材 料
单晶体、水晶 （人造、天然） 人造多晶体 压电半导体
成 分
SiO2 钛酸钡、PZT 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性
特 性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力700-1000Kg/cm2 压电系数高 d33=190×10-11C/N 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
– 具有显著的介电、压电和铁电特性 – PZT铁电厚膜兼有块状材料和薄膜的优点，可在低压和高频条件工作
– 压电厚膜微致动器作为磁记录行业的首选材料，被用来解决硬盘驱动器磁头精确定位的难题
应用范围：机械能电能相互转换类传感器
Q Ua Ca
电荷等效模型
F
压电常数 d
Q=U*C
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
HSA （磁头悬臂装置）结构及功能介绍
PZT元件作用是利用其高压电常数特性，使读写磁头发生水平位移，从而使HSA 水平旋转和 精确寻轨
交变电压
U 型刚体 电荷变化
PZT 元件
位移变化
精确寻轨
HSA
HSA PZT 工作原理
定义
在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料
类别
类 别
石英晶体 压电陶瓷
材 料
单晶体、水晶 （人造、天然） 人造多晶体 压电半导体
成 分
SiO2 钛酸钡、PZT 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性
特 性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力700-1000Kg/cm2 压电系数高 d33=190×10-11C/N 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
锆钛酸铅系压电陶瓷课件
配料与混合
按照配方比例将原料混合 均匀，保证原料的分散性 和稳定性。
预处理
对原料进行破碎、球磨、 干燥等预处理，以满足后 续成型工艺的要求。
陶瓷成型与烧成
成型方法
采用干压、等静压、流延、 凝胶注模等成型方法，制 备出所需形状和尺寸的陶 瓷胚体。
烧成制度
制定合理的烧成制度，包 括烧成温度、烧成时间和 气氛等参数，确保陶瓷的 致密化和相转化。
THANKS
感谢观看
易于加工成型
锆钛酸铅系压电陶瓷可以通过 传统的陶瓷加工技术进行成型 和加工，制成各种形状和尺寸
的元件。
锆钛酸铅系压电陶瓷的应用领域
传感器
换能器
锆钛酸铅系压电陶瓷在传感器领域应用广 泛，可用于压力、加速度、声波等物理量 的测量和检测。
利用锆钛酸铅系压电陶瓷的压电效应，可 以制作超声波换能器，用于超声波清洗、 探测、医学成像等领域。
表面加工与保护
对电极层进行加工和保护，以提高其 导电性能和使用寿命。
锆钛酸铅系压电陶瓷的性能优化
掺杂改性
总结词
通过掺入其他元素对锆钛酸铅进行改性，可以改善其压电性能、温度稳定性、机械强度等。
详细描述
掺杂改性是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过掺入适量的其他元素，如镧、锶、铋等，可以改 变锆钛酸铅的晶体结构、电学性能和机械性能。掺杂元素的作用机制包括取代铅离子、改变氧空位浓度以及调节 晶格常数等。
表面改性与电极优化
总结词
表面改性和电极优化可以提高锆钛酸铅系压电陶瓷的电性能和稳定性，同时降低制造成 本。
详细描述
表面改性和电极优化是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过表面涂覆、 化学处理、离子注入等技术手段，可以改善陶瓷表面的电学性能和机械性能，提高其稳 定性。电极优化包括选择合适的电极材料、调整电极厚度和覆盖范围等，以提高压电陶
压电陶瓷幻灯片课件
在一定电场强度范围内，电场强度与形变呈线性可逆关系，这种
效应称为逆压电效应。
-
+
+
+
-
+ -
压电效应的本质：机械作用引起 介质极化
晶体中离子电荷的位移，当不
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
存在应变时电荷在晶格位置上分
极化方向
布是对称的，所以其内部电场为
－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
零。但当给晶体施加应力则电荷 发生位移，如果电荷分布不在保（实线正代压表电形效变应前示的意情图况，虚线 持对称就会出现净极化，并将伴 代表形变后的情况）
酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶 解的缺点 ）；
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
（2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
（3）.压电陶瓷
并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶 体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧 化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。
Pizoelectric Ceramics
压电陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛酸铋钠及应用
Bi0.5Na0.5TiO3 钙钛矿型晶体，有
希望取代铅基压电材料
<001>
<111>
<110>
Perovskite Structure
日本共同社报道，JR东日本公司将从10日开 始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地 板”试验。本次试验的目标是实现一人通过 时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并 希望在不久的将来实现用“发电地板”维持 自动检票机在处理IC卡时所需的电力。
变化较大。 1P压9b电5T4i性O年能3美(P国ZTB)·固贾溶菲体等系人统，。发优现点了：压非电常Pb强Z与rO稳3 定- 的 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具
效应称为逆压电效应。
-
+
+
+
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+ -
压电效应的本质：机械作用引起 介质极化
晶体中离子电荷的位移，当不
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
存在应变时电荷在晶格位置上分
极化方向
布是对称的，所以其内部电场为
－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
零。但当给晶体施加应力则电荷 发生位移，如果电荷分布不在保（实线正代压表电形效变应前示的意情图况，虚线 持对称就会出现净极化，并将伴 代表形变后的情况）
酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶 解的缺点 ）；
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
（2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
（3）.压电陶瓷
并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶 体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧 化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。
Pizoelectric Ceramics
压电陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛酸铋钠及应用
Bi0.5Na0.5TiO3 钙钛矿型晶体，有
希望取代铅基压电材料
<001>
<111>
<110>
Perovskite Structure
日本共同社报道，JR东日本公司将从10日开 始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地 板”试验。本次试验的目标是实现一人通过 时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并 希望在不久的将来实现用“发电地板”维持 自动检票机在处理IC卡时所需的电力。
变化较大。 1P压9b电5T4i性O年能3美(P国ZTB)·固贾溶菲体等系人统，。发优现点了：压非电常Pb强Z与rO稳3 定- 的 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具
压电陶瓷PPT课件
>Tc
立方顺电相
PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无 限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。
§ 7-1 压电陶瓷
1. PbZrO3-PbTiO3系压电陶瓷 （1）PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相结构
§ 7-1 压电陶瓷
§ 7-1 压电陶瓷
2. 钨青铜型结 • [BO6构]氧八面体以顶角相连构
成骨架。
• B离子为Nb、Ta、W等。
• [BO6]骨架间存在三种空隙： A1（较大）、A2（最大）、C （最小）
• 氧八面体中心因所处位置的 对称性不同可能为B1和B2
• 填满型与非填满型。
钨青铜结构在（001)面上的投影
§ 7-1 压电陶瓷
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。
机械量
压 电 元件
电量
压电效应的可逆性
§ 7-1 压电陶瓷
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但 压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的 压电材料。
输入的电能电能转变所得的机械能输入的机械能机械能转变所得电能精选ppt24常用的有横向机电耦合系数k31纵向机电耦合系33以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数k33纵向机电耦合系数31横向机电耦合系数径向机电耦合系数精选ppt25124机械品质因素q逆压电效应使压电材料产生形变形变又会产生电信号如果压电元件上加的交流信号频率与元件振子的固有振动频率f相等时便产生谐振
掺入少量稀土、NiO、MnO2等，可促进烧结。 晶粒大小与机电耦合系数k有关。
§ 7-1 压电陶瓷
压电陶瓷ppt课件
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
还具有热电性；铁电体也是一种极性晶体，属于热电体，因 而也是压电体。
2
3. 压电陶瓷
陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互 抵消；
人工极化：经直流强电场极化处理过的铁电陶 瓷，使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电 场的方向，铁电晶体所固有的压电效应就会在 陶瓷材料上呈现出来。因此，压电陶瓷实际上 也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压 电陶瓷。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K
2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
§9.5 压电陶瓷
压电陶瓷（piezoelectric ceramics） ——具有压电效应的陶瓷材料，
即能进行机械能与电能相互转变的 陶瓷； 制备方便，成本低廉，发展迅速， 一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用， 甚至超过了压电晶体。
1
一、压电效应及陶瓷压电机制
压电陶瓷分析PPT课件
➢ 以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行 煅烧粉碎，通常希望颗粒度在2um以下。
2021
8
（2）预烧
经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的 是为了使化学反应充分进行。
实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽 的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果 偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间）， 也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时 间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。
瓷的必要工序及制作方法。 压电陶瓷生产的主要工艺流程：
配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、 干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→ 烧银→极化→测试。
2021
7
（1） 原料处理
➢ 原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来 说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的 原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等， 若纯度 低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量 的原料则纯度要求相对低些。
❖ 1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种 缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。
❖ 第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶 瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电 性弱和压电性随温度变化大的缺点。
2021
14
❖ 1954年Leabharlann 国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3
2021
22
（1）压电陶瓷变压器
❖ 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电 压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆 压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分 的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应 产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换， 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。
2021
8
（2）预烧
经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的 是为了使化学反应充分进行。
实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽 的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果 偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间）， 也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时 间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。
瓷的必要工序及制作方法。 压电陶瓷生产的主要工艺流程：
配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、 干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→ 烧银→极化→测试。
2021
7
（1） 原料处理
➢ 原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来 说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的 原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等， 若纯度 低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量 的原料则纯度要求相对低些。
❖ 1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种 缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。
❖ 第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶 瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电 性弱和压电性随温度变化大的缺点。
2021
14
❖ 1954年Leabharlann 国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3
2021
22
（1）压电陶瓷变压器
❖ 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电 压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆 压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分 的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应 产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换， 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。
材料物理压电陶瓷PPT课件
2021/5/6
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
2
第2页/共85页
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，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 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此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，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量
元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能
的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传
2021/5/6 感器中应用最广泛的压电材料。
15
第15页/共85页
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的 聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不 存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在 抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成 规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极 子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为 具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容 易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、 稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电 陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。
➢表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度； ➢Qm全面越高，能量损耗就越小； ➢产生的原因是存在内摩擦。
PZT压电陶瓷介绍和测试方法PPT课件
受力、表面形变 压电器件 电荷
表现形式
.
Page 6
基本知识介绍
等效模型
正压电效应和逆压电效应等效模型如下：
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
压电介质
HSA PZT 结构示意图
U 型刚体
悬臂弹性区 压电微制动器 滑块
音圈电机
悬臂刚性区
HSA 系统架构
.HSA PZT 结构切片示意图
PZT 元件
PZT 元件
环氧胶
U 型刚体
环氧胶
HSA 压电微制动器
Page 9
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
PZT 不良背景介绍
.
Page 10
The End
.
Page 11
品种多、性能各异
集成压电传感器
质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
参数
压电常数 弹性常数（刚度） 介电常数 机电耦合系数
电阻 居里点
压电效应强弱：灵敏度 固有频率、动态特性 固有电容、频率下限 机电转换效率 泄漏电荷、改善低频特性
. 丧失压电性的温度
Page 3
基本知识介绍
压电材料
PZT 压电陶瓷 （锆钛酸铅陶瓷）---压电效应
基本知识介绍
等效电路
静电发生器或绝缘介质平板电容器：外部机械硬力作用下，电极两端产生极性相 反电量相等的电荷
机械应力 F
+++++ 等效
____ _
电极
表现形式
.
Page 6
基本知识介绍
等效模型
正压电效应和逆压电效应等效模型如下：
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
压电介质
HSA PZT 结构示意图
U 型刚体
悬臂弹性区 压电微制动器 滑块
音圈电机
悬臂刚性区
HSA 系统架构
.HSA PZT 结构切片示意图
PZT 元件
PZT 元件
环氧胶
U 型刚体
环氧胶
HSA 压电微制动器
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HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
PZT 不良背景介绍
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The End
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品种多、性能各异
集成压电传感器
质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
参数
压电常数 弹性常数（刚度） 介电常数 机电耦合系数
电阻 居里点
压电效应强弱：灵敏度 固有频率、动态特性 固有电容、频率下限 机电转换效率 泄漏电荷、改善低频特性
. 丧失压电性的温度
Page 3
基本知识介绍
压电材料
PZT 压电陶瓷 （锆钛酸铅陶瓷）---压电效应
基本知识介绍
等效电路
静电发生器或绝缘介质平板电容器：外部机械硬力作用下，电极两端产生极性相 反电量相等的电荷
机械应力 F
+++++ 等效
____ _
电极
压电陶瓷基本知识 ppt课件
LOGO
压电陶瓷基本知识
ppt课件
1
压电陶瓷的基本知识
发展历史 压电陶瓷的基本概念 压电陶瓷的主要性能参数 压电陶瓷的制作工艺 压电陶瓷的应用 市场发展前景与方向
www.themegallery.co m
2
ppt课件
压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
12
ppt课件
压电陶瓷的基本概念
正压电效应
高
气体喷嘴
压
引
线
www.themegallery.co m
磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
13
ppt课件
压电陶瓷的基本概念
逆压电效应
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节点支承 边缘支承 中心支承
压电蜂鸣器工作示意图
石英晶体和压电陶瓷的比较
石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温 度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小 数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数 小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。
压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，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。
念
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7
ppt课件
压电陶瓷的基本概念
三 铁电晶体中存在着自发极 个 化方向不同的小区域，那 重 些自发极化方向相同的区 要 域称为电畴（黑色粗线为 概 畴壁）。 念
压电陶瓷基本知识
ppt课件
1
压电陶瓷的基本知识
发展历史 压电陶瓷的基本概念 压电陶瓷的主要性能参数 压电陶瓷的制作工艺 压电陶瓷的应用 市场发展前景与方向
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2
ppt课件
压电陶瓷是什么？
压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体。因生产工 艺和陶瓷相近而得名。
12
ppt课件
压电陶瓷的基本概念
正压电效应
高
气体喷嘴
压
引
线
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磷压 外 叩
压铜 电 壳 击
电片 振
机
振
子
构
子
压电陶瓷点火示意图
13
ppt课件
压电陶瓷的基本概念
逆压电效应
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节点支承 边缘支承 中心支承
压电蜂鸣器工作示意图
石英晶体和压电陶瓷的比较
石英晶体：一种单晶体，本身具有压电效应，居里点温 度高（高达573℃），稳定性好，精度高(精度可以达到小 数点后六位数)，无热释电现象，工艺简单。但压电常数 小，成本高（相同的频点，石英要高4～10倍以上）。
压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，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。
念
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7
ppt课件
压电陶瓷的基本概念
三 铁电晶体中存在着自发极 个 化方向不同的小区域，那 重 些自发极化方向相同的区 要 域称为电畴（黑色粗线为 概 畴壁）。 念
压电陶瓷环pzt的工作原理
压电陶瓷环pzt的工作原理
压电陶瓷环PZT的工作原理基于压电效应。
PZT（锆钛酸铅）是一种压电陶瓷材料，当施加外力或机械应力时，它会发生形变，从而产生电荷的极化现象，这种现象被称为正压电效应。
相反地，当在压电陶瓷材料上施加电场时，材料会发生形变，产生机械位移或力量，这被称为逆压电效应。
压电陶瓷环是一种管状的压电陶瓷，它的内径表面和外径表面印刷有导电电极（通常为银电极）。
除了内外表面外，内部材料均为PZT压电陶瓷。
当对内外电极施加电压时，压电陶瓷环会产生径向伸缩的位移，这是逆压电效应的表现。
利用这种特性，压电陶瓷环可以将电能转换为机械能，从而实现精密的机械运动或振动。
此外，压电陶瓷环也可以用于传感器应用，当外界施加机械力或压力时，压电陶瓷环会产生电荷输出，这是正压电效应的应用。
因此，压电陶瓷环被广泛应用于精密机械、声学、电子、通讯等领域。
需要注意的是，压电陶瓷材料在制造过程中需要严格控制成分和烧结工艺等因素，以确保其具有优良的压电性能和机械性能。
同时，在使用过程中也需要注意避免过高的电压或机械应力，以避免材料的损坏或失效。
锆钛酸铅( PZT )在压电陶瓷驱动器中的应用
锆钛酸铅( PZT )在压电陶瓷驱动器中的应用1 前言智能材料包括感知材料和驱动材料。
感知材料是一类对外界或内部的应力、应变、热、光、电、磁、辐射能和化学量等参量具有感知功能的材料,用它们可以制成各种传感器件; 驱动材料则是能对环境条件或内部状态变化作出响应并执行动作的材料, 用它们可以制成各种驱动器件。
智能器件是由智能材料所制成的、具备传感驱动功能的执行器。
智能结构则是由材料和器件所构成的, 集传感、信号处理、控制和驱动于一体的材料系统或结构体系, 它能感知环境或内部参量, 进行信息处理, 发出指令, 执行并完成动作, 从而实现自诊断、自修复和自适应等多种功能。
智能材料系统和结构的应用十分广泛, 不仅在国防尖端武器如飞机、军舰等, 而且在国民经济各个领域, 特别是高技术领域具有重大战略意义。
当前完成智能材料系统和结构的主要材料有形状记忆材料、压电材料( 含压电陶瓷、压电聚合物) 、电致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体等。
利用这些机敏材料的功能, 加上巧妙精细的复合设计和制作便得到驱动、传感和控制于一体的材料系统和结构。
压电材料是智能材料系统和结构中的一类主要材料。
具有压电效应的电介质晶体在机械应力的作用下将产生极化并形成表面电荷, 若将这类电介质晶体置于电场中, 电场的作用将引起电介质内部正负电荷中心发生相对位移而导致形变。
由于压电材料具有上述特性, 故可实现传感元件与动作元件的统一。
压电材料可广泛地应用于智能材料与结构中, 特别是可以有效地用于材料损伤自诊断、自适应、减振与噪声控制等方面。
压电材料发展的类型主要有单晶、多晶、微晶玻璃、有机高分子、复合材料等。
20世纪80年代以来，随着压电陶瓷材料从二元系向三元、多元系的开发研究高潮的结束，压电材料的研究一度进展缓慢。
随着科学技术快速发展，应用需求牵引下的开发探索给予了压电材料研究的新动力，加上科技工作者在基础性研究和生产工艺改进上的不懈努力，近十几年来，新型的压电材料不断涌现出，使得压电材料研究的面貌焕然一新。
锆钛酸铅系压电陶瓷PZT课件
多功能化
压电陶瓷的应用领域不断 拓展，需要具备多种功能 ，如温度稳定性、抗腐蚀 性、高韧性等。
技术创新的挑战
制备技术
表面处理技术
如何通过改进制备技术提高压电陶瓷 的性能和稳定性，是技术创新的重点 之一。
为了满足应用需求，需要对压电陶瓷 表面进行涂层、改性等处理，以提高 其耐腐蚀、耐磨和抗疲劳等性能。
市场发展的展望
市场需求增长
随着科技的发展和应用的拓展， PZT压电陶瓷的市场需求呈现不
断增长的趋势。
技术创新推动
技术创新是推动PZT压电陶瓷市 场发展的关键因素，新材料的研 发、制备技术的改进以及应用领 域的拓展将进一步推动市场发展
。
竞争格局变化
随着新材料的涌现和技术的进步 ，PZT压电陶瓷市场的竞争格局 将发生变化，具有技术创新能力 和市场拓展能力的企业将占据竞
压电发电机
在大型机械中，PZT压电陶瓷可以将机械能转换为电能，用于回收能源。
Part
04
PZT压电陶瓷的发展趋势和挑 战
新材料的发展趋势
01
02
03
高性能化
随着科技的发展，对压电 陶瓷的性能要求越来越高 ，如提高压电常数、机电 耦合系数和稳定性等。
环保化
随着环保意识的增强，无 铅、低铅的压电陶瓷成为 未来的发展趋势，以满足 环保要求。
微观结调控
通过调控压电陶瓷的微观结构，如晶 粒尺寸、晶界相和畴结构等，可以提 高其性能。
市场发展的挑战
竞争激烈
随着技术的进步，越来越多的新 材料涌现出来，PZT压电陶瓷面
临着激烈的竞争。
成本压力
随着原材料价格的上涨和环保要求 的提高，PZT压电陶瓷的生产成本 不断上升，市场竞争力受到挑战。
锆钛酸铅系压电陶瓷PZT课件
电子乐器
PZT也被用于制作各种电子乐 器，如电子琴和电子鼓。
PZT压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
按照所需的化学计量比，称取锆 酸铅（PbZrO3）、钛酸铅（ PbTiO3）和二氧化钛（TiO2） 等原料。
混合
将称取好的原料放入球磨机中， 加入适量的溶剂和磨球，进行长 时间球磨，使原料混合均匀并形 成均一的浆料。
表面金属化与极化
表面金属化
在陶瓷表面涂覆一层金属电极材料，如镍、银等，以便于与 外部电路连接。
极化
在陶瓷上施加直流电场，使其内部正负电荷中心发生相对位 移，从而获得压电效应。
PZT压电陶瓷的性能优化
掺杂改性
掺杂改性是通过在锆钛酸铅（PZT）中加入其他元素来改变其性能的一种方法。
常见的掺杂元素包括镧、锶、铯等，这些元素可以取代PZT中的部分锆或钛离子， 从而改变其电学、热学和机械性能。
掺杂改性有助于提高PZT的压电常数、机电耦合系数和机械品质因数等关键性能参数。
热处理与晶界工程
热处理是优化PZT性能的重要手段， 通过控制热处理温度和气氛，可以影 响PZT的相变、晶体结构和缺陷状态。
热处理与晶界工程结合使用，可以实 现PZT性能的综合优化，提高其稳定 性和可靠性。
晶界工程是通过优化晶界结构来改善 PZT性能的方法，例如通过控制晶粒 尺寸和晶界相组成，可以提高PZT的 抗疲劳性能和降低漏电流。
PZT压电陶瓷的市场与未 来发展
PZT的市场现状
全球PZT压电陶瓷市场规模持 续增长，应用领域不断扩大。
PZT压电陶瓷在智能传感器、 超声波仪器、电子陶瓷等领域 占据主导地位。
中国PZT压电陶瓷市场发展迅 速，成为全球最大的生产国和 出口国。
高性能锆钛酸铅(PZT)粉体的水热法合成及其压电陶瓷性能研究
：４０％
，￣７３３Ｔ／／Ｅ０＝
１ ３３０
，
ｔａｎ（￣＝０．００４）．
关 键 词 ：压 电 陶 瓷 ；ＰＺＴ；水 热 法 ：碱 度
中 图分 类 号 ：ＴＱ１７４ 文 献 标 志 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－２３７５．２０１６．０２．００１
Ｈ ｙｄｒｏｔｈｅｒｍ ａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉபைடு நூலகம் ｏｆ ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ＰＺＴ ｐｏｗｄｅｒｓ ａｎｄ
周盈盈 ，高小琴 ，常钢 ，舒宏辉 ，尚勋忠 ，周桃 生 ，何云斌
（湖北大学材料科学与工程学院 ，功能材料 绿色制备与应用教育部重点实验 室（湖北大学 ），湖北 武汉 ４３００６２）
摘 要 ：以氧氯化锆 、钛 酸四丁酯 、硝酸铅为前驱物 ，采用两步水 热法 合成钙钛 矿结 构的 ＰｂＺｒ０ Ｔｉ。 Ｏ 粉 体并制 备 陶 瓷样 品．通过 ＸＲＤ、ＳＥＭ及 电学性 能等测试 ，系统研究 了矿化 剂浓度 对 ＰＺＴ粉体结 晶性 、形貌 以及最 终烧结 陶瓷样 品 电
第 ３８卷第 ２期 ２０１６年 ３月
湖北大学学报 （自然科学版 ） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
文 章 编 号 ：１０００—２３７５（２０１６）０２—００９１—０６
Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．２
Ｍａｒ．，２０１６
高 性 能锆 钛 酸铅 （ＰＺＴ）粉 体 的水 热 法合 成 及 其 压 电 陶 瓷 性 能 研 究
目前广泛应用的传统固相合成法制备过程繁琐且需要经过高温预烧的过程才能得到陶瓷粉体此过程会造成铅元素在高温下大量挥发使得化学组成难以精确控制而降低最终陶瓷的电学性能同时通过该方法制备的粉体存在颗粒大小不匀易团聚预烧后的粉料在球磨过程中易受污染等诸多问溶胶凝胶法910共沉淀法等化学方法制备陶瓷粉体备受关注近几十年来发展的水热法可在较低温度下13直接合成结晶性良好的超微粉体使得粉体的化学配比能够精确控制且具有无需预烧结晶性好烧结活性高等特点在制备超细粉体中得到了广泛的研究与应利用水热法制备pzt粉体的已有报道主要集中于水热条件对于粉体粒径形貌和晶相的控制5814而水热法合成的pzt粉体对最终制备的pzt压电陶瓷性能有何影响水热制备的pzt粉体能否大幅提高陶瓷的压电性能的相关研究还较少1517和碱度1molkoh下制备了结晶性良好平均粒径为1左右的高性能pzt粉体并成功烧结压电陶瓷
俗称直探头压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作PPT幻灯片课件
发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振 盘，以提高发射效率和方向性。接收器 在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器， 以滤除噪声，提高接收效率。空气传导 的超声发射器和接收器的有效工作范围 可达几米至几十米。
2019/10/4
44
空气传导型超声发生、接收器结 构示意图
1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶体片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
2019/10/4
33
超声波探头结构示意
1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜楔块 10—试件 11—耦合剂
2019/10/4
34
超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力 越弱，但反射能力越强
2019/10/4
3
声波频率的界限划分
2019/10/4
4
声波的分类 1.次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
2019/10/4
2.声速、波长与指向性
（1）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于
介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗。
介质的声阻抗Z 等于介质的密度ρ和声速 c的乘积，即
Z=ρc
2019/10/4
13
常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0℃）
材料
钢 铝 铜 有机玻璃 甘油 水（20℃） 油 空气
2019/10/4
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空气传导型超声发生、接收器结 构示意图
1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶体片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
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超声波探头结构示意
1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜楔块 10—试件 11—耦合剂
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超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力 越弱，但反射能力越强
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3
声波频率的界限划分
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4
声波的分类 1.次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。
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2.声速、波长与指向性
（1）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于
介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗。
介质的声阻抗Z 等于介质的密度ρ和声速 c的乘积，即
Z=ρc
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常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0℃）
材料
钢 铝 铜 有机玻璃 甘油 水（20℃） 油 空气
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强度较差；
• 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）：性能教稳定，压电常
数较高；
• 铌酸盐系压电陶瓷：居里点较高和机械强度较高； • 铌镁酸铅压电陶瓷：居里点和压电常数较高，
可在高温及高压下工作。
有机压电材料（压电橡胶、塑料等） 柔软、不易破碎，可大量生产，面积较大
10
常用压电材料性能参数
11
２、压电式传感器
前置放大器的作用： 放大压电元件的微弱信号； 高阻抗输入变为低阻抗输出。
17
１. 电压放大器
18
电压输出型压电传感器测量电路
19
２.电荷放大器
20
电荷输出型压电传感器测量电路
21
５.３ 压电式传感器的应用
压电元件是一种典型的力敏感元件。具有体积小、 重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏 度和信嗓比高等优点，应用广泛。在检测技术中， 常用来测量力和加速度等。
7
压电材料
❖ 对压电材料的要求： ①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常 数； ②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强 度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有 振动频率； ③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期 望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； ④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望 得到宽的工作温度范围； ⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
Ca
r0S
式中 s -- 极板面积
r -- 压电材料相对介电常数 0 -- 真空介电常数 δ-- 压电元件厚度
14
压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正负电 荷Ｑ，压电元件的开路电压Ｕ为
U Q / Ca
等效电路
15
实际等效电路
电荷等效电路
电压等效电路
16
测量电路
压电传感器的测量系统如图
上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加
一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，
变形也随着消失，称为逆压电效应。
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ石英晶体
Qx d11Fx
3
石英晶体压电效应示意图
沿X轴或Y轴作用力，产生压电效应； 沿Z轴作用力，不产生压电效应
4
压电片受力电荷极性
纵向压电效应 （沿X轴作用力）
横向压电效应 （沿Y轴作用力）
它的主要缺点是无静态输出，要求有很高的输出阻 抗，且一些压电材料的工作温度不高。
22
１、压电式测力传感器
23
２、压电式加速度传感器
F ma
24
３、压电式报警器
25
４、压电式测量均匀压力传感器
26
压电式压力传感器
27
压电元件的连接形式
C 2C, U U ,Q 2Q C C / 2 ,U 2U, Q Q
12
压电元件受力后的变形方式：
13
５.２ 等效电路和测量电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量 的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。
压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料 为电介质的电容器，其电容量为：
8
❖ 分类：
单晶体
• 石英（SiO2）：最早使用，天然晶体，稳定，高
强度，温度稳定性好，但压电常数小；
• 水溶性压电晶体（酒石酸钾钠、硫酸锂等）：
压电常数大，但受温、湿度影响大；
• 铌酸锂晶体：耐高温、压电性能和时间稳定性好，
但质脆，热冲击性差；
9
多晶体（压电陶瓷）
• 钛酸钡压电陶瓷：压电常数高，价格便宜，但机械
石英晶体受力方向与电荷极性的关系
5
压电陶瓷
压电陶瓷的极化过程和压电原理图
6
压电方程与压电系数
q dijσ （dij——压电常数）
压电常数下标的含义：
• 第一个下标：表示极化方向， i=1,2,3分别代表X，Y，Z轴； • 第二个下标：表示作用力的方向，
剪切力的作用方向
j=1,2,3,4,5,6分别代表沿X轴，Y轴，Z轴方向的单向应力和 垂直于X轴，Y轴，Z轴平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作 用的剪切力；
第5章 压电式传感器
本章主要介绍以下内容: 1、压电式传感器工作原理 2、等效电路和测量电路 3、压电式传感器的应用 重点是掌握压电式传感器的转换原理，两种放大
电路的分析及传感器的应用。
1
５.１ 工作原理
１、压电效应及压电材料
对于某些晶体或陶瓷： 当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现
象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又恢复到不带电状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
• 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）：性能教稳定，压电常
数较高；
• 铌酸盐系压电陶瓷：居里点较高和机械强度较高； • 铌镁酸铅压电陶瓷：居里点和压电常数较高，
可在高温及高压下工作。
有机压电材料（压电橡胶、塑料等） 柔软、不易破碎，可大量生产，面积较大
10
常用压电材料性能参数
11
２、压电式传感器
前置放大器的作用： 放大压电元件的微弱信号； 高阻抗输入变为低阻抗输出。
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１. 电压放大器
18
电压输出型压电传感器测量电路
19
２.电荷放大器
20
电荷输出型压电传感器测量电路
21
５.３ 压电式传感器的应用
压电元件是一种典型的力敏感元件。具有体积小、 重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏 度和信嗓比高等优点，应用广泛。在检测技术中， 常用来测量力和加速度等。
7
压电材料
❖ 对压电材料的要求： ①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常 数； ②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强 度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有 振动频率； ③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期 望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； ④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望 得到宽的工作温度范围； ⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
Ca
r0S
式中 s -- 极板面积
r -- 压电材料相对介电常数 0 -- 真空介电常数 δ-- 压电元件厚度
14
压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正负电 荷Ｑ，压电元件的开路电压Ｕ为
U Q / Ca
等效电路
15
实际等效电路
电荷等效电路
电压等效电路
16
测量电路
压电传感器的测量系统如图
上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加
一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，
变形也随着消失，称为逆压电效应。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ石英晶体
Qx d11Fx
3
石英晶体压电效应示意图
沿X轴或Y轴作用力，产生压电效应； 沿Z轴作用力，不产生压电效应
4
压电片受力电荷极性
纵向压电效应 （沿X轴作用力）
横向压电效应 （沿Y轴作用力）
它的主要缺点是无静态输出，要求有很高的输出阻 抗，且一些压电材料的工作温度不高。
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１、压电式测力传感器
23
２、压电式加速度传感器
F ma
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３、压电式报警器
25
４、压电式测量均匀压力传感器
26
压电式压力传感器
27
压电元件的连接形式
C 2C, U U ,Q 2Q C C / 2 ,U 2U, Q Q
12
压电元件受力后的变形方式：
13
５.２ 等效电路和测量电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量 的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。
压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料 为电介质的电容器，其电容量为：
8
❖ 分类：
单晶体
• 石英（SiO2）：最早使用，天然晶体，稳定，高
强度，温度稳定性好，但压电常数小；
• 水溶性压电晶体（酒石酸钾钠、硫酸锂等）：
压电常数大，但受温、湿度影响大；
• 铌酸锂晶体：耐高温、压电性能和时间稳定性好，
但质脆，热冲击性差；
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多晶体（压电陶瓷）
• 钛酸钡压电陶瓷：压电常数高，价格便宜，但机械
石英晶体受力方向与电荷极性的关系
5
压电陶瓷
压电陶瓷的极化过程和压电原理图
6
压电方程与压电系数
q dijσ （dij——压电常数）
压电常数下标的含义：
• 第一个下标：表示极化方向， i=1,2,3分别代表X，Y，Z轴； • 第二个下标：表示作用力的方向，
剪切力的作用方向
j=1,2,3,4,5,6分别代表沿X轴，Y轴，Z轴方向的单向应力和 垂直于X轴，Y轴，Z轴平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作 用的剪切力；
第5章 压电式传感器
本章主要介绍以下内容: 1、压电式传感器工作原理 2、等效电路和测量电路 3、压电式传感器的应用 重点是掌握压电式传感器的转换原理，两种放大
电路的分析及传感器的应用。
1
５.１ 工作原理
１、压电效应及压电材料
对于某些晶体或陶瓷： 当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现
象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又恢复到不带电状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。