第三章 壓電、熱釋電及鐵電材料

1、LOGO第三章 壓電、熱釋電與鐵電材料LOGO第三章第三章 壓電與鐵電性能壓電與鐵電性能壓電性能；熱釋電性；鐵電性能。壓電性能；熱釋電性；鐵電性能。v18801880年，年，J.CurieJ.Curie和和P.CurieP.Curie兄弟首先發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)；兄弟首先發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)；v19201920年，年，ValasekValasek發(fā)現(xiàn)鐵電體；發(fā)現(xiàn)鐵電體；v4040年代中期，壓電材料開始廣泛應(yīng)用。年代中期，壓電材料開始廣泛應(yīng)用。v60-7060-70年代達(dá)成熟階段。年代達(dá)成熟階段。LOGO對晶體對稱性的研究，法國居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。對晶體對稱性的研究，法國居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。Pierre Curie

2、 was born in Paris, on May 15, 1859. Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906 LOGO某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產(chǎn)生，會某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產(chǎn)生，會在其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷（表面電荷的極性與拉、在其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)正

3、壓電效應(yīng)” 機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軝C械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，在極化；反之，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個表面）施加電場，它又會產(chǎn)生機械形變，方向上（產(chǎn)生電荷的兩個表面）施加電場，它又會產(chǎn)生機械形變，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。具有壓電效。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。一、壓電效應(yīng)的基本原理一、壓電效應(yīng)的基本原理1 1 壓電現(xiàn)象壓電現(xiàn)象LOGOF FF F極化面極化面Q Q壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機械能機械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性LOGOxyxyxyxy( (

4、a a ) )( (b b ) )( (c c ) )( (d d ) ) 2 2、壓電效應(yīng)的物理機制、壓電效應(yīng)的物理機制 (1) (1) 壓電單晶壓電單晶LOGO晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。而產(chǎn)生的。 (1) (1) 壓電單晶壓電單晶LOGO(2) (2) 壓電陶瓷壓電陶瓷LOGO壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機理與壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機理與壓電單晶壓

5、電單晶大不相同，未經(jīng)極化處理的大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，壓電陶瓷材料是不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，剩余極化強度會使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為剩余極化強度會使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個表面正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個表面吸附一層來自外界的自由電荷，并使整個壓電陶瓷片呈電中性。吸附一層來自外界的自由電荷，并使整個壓電陶瓷片呈電中性。當(dāng)對其施加一個與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將當(dāng)對其施加一個與極化方向平行或垂直的外壓力

6、，壓電陶瓷片將會產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對另會產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對另一端異號的束縛電荷影向增強，而使表面的自由電荷過剩出現(xiàn)放一端異號的束縛電荷影向增強，而使表面的自由電荷過剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時，將會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時，將會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 (2) 壓電陶瓷壓電陶瓷LOGO（3）壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件）壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件v晶體結(jié)構(gòu)沒有對稱中心。晶體結(jié)構(gòu)沒有對稱中心。v壓電體是電介質(zhì)。壓電體是電介質(zhì)。v其結(jié)構(gòu)必須有帶正負(fù)電荷的質(zhì)點。即壓電體其結(jié)構(gòu)必須有帶正負(fù)電荷的質(zhì)點。即壓電體是離子晶體或由離子團(tuán)組成的

7、分子晶體。是離子晶體或由離子團(tuán)組成的分子晶體。LOGO（4 4）壓電材料的壓電常數(shù)）壓電材料的壓電常數(shù)張量表示的必要性：張量表示的必要性：112233DEDEDEDE各向同性的情形，：或，111112132212223231323333DEDEDE111112213322112222333311322333DEEEDEEEDEEE各向異性的情形：LOGOxz zT3 (D1)T2T1T4T6T5(D D3 )(D2)y yT T1 1T T3 3分別為沿分別為沿 x x、y y、z z 軸的正應(yīng)力（或應(yīng)軸的正應(yīng)力（或應(yīng)力分量），力分量）， T T4 4T T6 6分別為繞分別為繞 x x、y

8、y、z z軸的切軸的切向應(yīng)力，向應(yīng)力， D D1 1D D3 3分別是分別是 x x、y y、z z 表面由于壓表面由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。LOGO121111213141516322122232425264313233343536356TTDddddddTDddddddTddddddDTT正壓電效應(yīng) mmjjDd Tmj愛因斯坦求和符號：代表電學(xué)量的方向， 代表力學(xué)量的方向。LOGO:mmjjmjmmjjmjDdTdDeSe正 壓 電 效 應(yīng) 壓 電 應(yīng) 變 系 數(shù) 壓 電 應(yīng) 力 系 數(shù)TTnimjnjmjddee； :ininnijnjnnjSdEdTe

9、Ee逆 壓 電 效 應(yīng) 壓 電 應(yīng) 變 系 數(shù) 壓 電 應(yīng) 力 系 數(shù)LOGO - - - - 00000020000000000000000000011141411112625141211363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddddddddddddij 0000000000000000000000000033313124243332312415363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddddddddddddij石英晶體石英晶體BaTiO3陶瓷陶瓷因為晶體對稱

10、原因，因為晶體對稱原因，只有以上幾個壓電應(yīng)只有以上幾個壓電應(yīng)變常量不為零，其他變常量不為零，其他都為零都為零LOGO二、二、 壓電振子的諧振特性壓電振子的諧振特性壓電振子：極化后的壓電體。壓電振子：極化后的壓電體。諧振的產(chǎn)生：對壓電振子施加交變電場，當(dāng)電場頻率諧振的產(chǎn)生：對壓電振子施加交變電場，當(dāng)電場頻率與壓電體的固有頻率一致時，產(chǎn)生諧振。與壓電體的固有頻率一致時，產(chǎn)生諧振。1 諧振特性諧振特性LOGO諧振頻率：形成駐波的頻率。諧振頻率：形成駐波的頻率。形成駐波的條件：形成駐波的條件：L= n / 2 振動頻率：振動頻率：f r=u/ （ u-聲波的傳播速度，與物體的聲波的傳播速度，與物體的密

11、度和彈性模量有關(guān)）密度和彈性模量有關(guān)）諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：L= n（ u/ f r ） / 2 n=1, 頻率為基頻，其它為二、三次等泛頻，當(dāng)發(fā)生諧振頻率為基頻，其它為二、三次等泛頻，當(dāng)發(fā)生諧振時，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小時，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小(電流最大電流最大)的的頻率頻率f m附近，此頻率為最小阻抗頻率。頻率繼續(xù)增大，附近，此頻率為最小阻抗頻率。頻率繼續(xù)增大，阻抗達(dá)到一個極大值，相應(yīng)的頻率阻抗達(dá)到一個極大值，相應(yīng)的頻率f n叫做反諧振頻率。叫做反諧振頻率。LOGO壓電振子的阻抗頻率變化壓電振子的阻抗頻率變化反諧振反諧振阻阻抗抗頻率頻

12、率 f諧振諧振fm1fn1LOGO2 2 晶體振蕩電路晶體振蕩電路 （1 1） 石英晶體的諧振特性與等效電路石英晶體的諧振特性與等效電路 石英晶體諧振器是晶振電路的核心元件石英晶體諧振器是晶振電路的核心元件, , 其結(jié)構(gòu)和外形如圖其結(jié)構(gòu)和外形如圖7.127.12所示。所示。 石英晶體諧振石英晶體諧振 器是從一塊石英晶體上按確定的方位角切器是從一塊石英晶體上按確定的方位角切下的薄片下的薄片, , 這種晶片可以是正方形、矩形或圓形、這種晶片可以是正方形、矩形或圓形、 音叉形的音叉形的, , 然后將晶片的兩個對應(yīng)表面上涂敷銀層然后將晶片的兩個對應(yīng)表面上涂敷銀層, , 并裝上一對金屬板并裝上一對金屬板

13、, , 接接出引線出引線, , 封裝于金屬殼內(nèi)。封裝于金屬殼內(nèi)。LOGO 為什么石英晶體能作為一個諧振回路為什么石英晶體能作為一個諧振回路, 而且具有極高的頻而且具有極高的頻率穩(wěn)定度呢？這要從石英晶體的固有特性來進(jìn)行分析。率穩(wěn)定度呢？這要從石英晶體的固有特性來進(jìn)行分析。 物理學(xué)的研究表明，物理學(xué)的研究表明， 當(dāng)石英晶體受到交變電場作用時，當(dāng)石英晶體受到交變電場作用時，即在兩極板上加以交流電壓，石英晶體便會產(chǎn)生機械振即在兩極板上加以交流電壓，石英晶體便會產(chǎn)生機械振動。動。 反過來，若對石英晶體施加周期性機械力，反過來，若對石英晶體施加周期性機械力， 使其發(fā)使其發(fā)生振動，生振動， 則又會在晶體表面

14、出現(xiàn)相應(yīng)的交變電場和電荷則又會在晶體表面出現(xiàn)相應(yīng)的交變電場和電荷, 即在極板上有交變電壓。當(dāng)外加電場的頻率等于晶體的即在極板上有交變電壓。當(dāng)外加電場的頻率等于晶體的固有頻率時，便會產(chǎn)生固有頻率時，便會產(chǎn)生“機機電共振電共振”， 振幅明顯加大，振幅明顯加大， 這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。 它與它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相回路的諧振現(xiàn)象十分相似。似。 LOGO底座絕緣體管腳晶片引線(a)金屬殼(b) 圖 7.12石英晶體諧振器(a) 石英晶體振蕩器； (b) 外形圖 LOGO 壓電諧振的固有頻率與石英晶體的外形尺寸及切割方式有關(guān)。壓電諧振的固有頻率與石英晶體的外形尺寸及切割方式有關(guān)

15、。 從電路上分析從電路上分析, 石英晶體可以等效為一個石英晶體可以等效為一個LC電路電路, 把它接到振蕩把它接到振蕩器上便可作為選頻環(huán)節(jié)應(yīng)用。器上便可作為選頻環(huán)節(jié)應(yīng)用。 圖圖7.13為石英晶體在電路中的符號和等效電路。為石英晶體在電路中的符號和等效電路。(a)C0LCR(b) 圖圖 7.13石英晶體的符號和石英晶體的符號和 等效電路等效電路 (a) 符號；符號； (b) 等效電路等效電路 LOGOX0fsfpf容性容性感性 圖7.14 石英晶體的電抗頻率特性 LOGO 圖圖7.14為石英晶體諧振器的電抗為石英晶體諧振器的電抗-頻率特性。頻率特性。 由圖由圖7.14可知可知, 它具有兩個諧振頻率

16、它具有兩個諧振頻率, 一個是一個是L、 C、 R支支路發(fā)生串聯(lián)諧振時的串聯(lián)諧振頻率路發(fā)生串聯(lián)諧振時的串聯(lián)諧振頻率fs， 另一個是另一個是L、 C、 R支路與支路與C0支路發(fā)生并聯(lián)諧振時的并聯(lián)諧振頻率支路發(fā)生并聯(lián)諧振時的并聯(lián)諧振頻率fp，由圖，由圖 7.13 等效電路得等效電路得:002121CCCCLfLCfps（7.13） （7.14） LOGOC1C0L1R通過該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對值，通過該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對值，對其求導(dǎo)，在對其求導(dǎo)，在R=0時，求出時，求出fm，fn fm=1/2 (L1C1)1/2 (串聯(lián)諧振）串聯(lián)諧振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C

17、1) (并聯(lián)諧振）并聯(lián)諧振）壓電振子的等效電路壓電振子的等效電路根據(jù)高頻電子線路的知識可以根據(jù)高頻電子線路的知識可以知道，壓電振子的交流等效回知道，壓電振子的交流等效回路是路是LCR電路，存在兩個諧振電路，存在兩個諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率頻率：串聯(lián)諧振頻率S 和并和并聯(lián)諧振頻率聯(lián)諧振頻率P 。LOGO(a)C0LCR(b)此等效電路只適用于基頻附近,mnraspffffff特征頻率： LOGO考 慮 四 個 物 理 量 時 ， 除 了 直 接 效 應(yīng) ，還 要 考 慮 耦 合 效 應(yīng) 。TDSETDSE三、壓電方程LOGO第 一 類 邊 界 條 件 ： 機 械 自 由 T=0,C 電 學(xué) 短 路

18、 E=0,C第 二 類 邊 界 條 件 ： 機 械 夾 持 S=0,C 電 學(xué) 短 路 E=0,CT第 三 類 邊 界 條 件 ： 機 械 自 由 =0,C 電 學(xué) 開 路 D=0,C第 四 類 邊 界 條 件 ： 機 械 夾 持 S=0,C 電 學(xué) 開 路 D=0,C1.邊 界 條 件 及 其 含 義LOGO 第一類邊界條件：機 械自由電學(xué)短路TmmjjmnnDd TE 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)恒應(yīng)力介電常數(shù)恒應(yīng)力介電常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)EininijjSd ES T 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)短路彈性柔順常數(shù)短路彈性柔順常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)LOGO負(fù)號的含義負(fù)號的含義 加電場后，造成

19、同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低加電場后，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低 第二類邊界條件：機 械夾持電學(xué)短路SmmiimnnDe SE 恒應(yīng)變介電常數(shù)恒應(yīng)變介電常數(shù)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電應(yīng)力常數(shù)壓電應(yīng)力常數(shù)EjnjnjiiTe EC S- 短路彈性勁度常數(shù)短路彈性勁度常數(shù)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電應(yīng)力常數(shù)壓電應(yīng)力常數(shù)LOGO 第三類邊界條件：機 械自由電學(xué)開路TnnjjnmmEg TD- 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)自由介電隔離常數(shù)自由介電隔離常數(shù)DimimijjSgDS T 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)開路彈性柔順常數(shù)開路彈性柔順常數(shù)負(fù)號的含義負(fù)號的含義 加應(yīng)力后，造成同等

20、極化需要的電場降低加應(yīng)力后，造成同等極化需要的電場降低LOGO 第四類邊界條件：機 械夾持電學(xué)開路SnniinmmEh SD- 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電剛度常數(shù)壓電剛度常數(shù)夾持介電隔離常數(shù)夾持介電隔離常數(shù)DjmjmjiiTh DC S- 壓電剛度常數(shù)壓電剛度常數(shù)開路彈性勁度常數(shù)開路彈性勁度常數(shù)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)負(fù)號的含義負(fù)號的含義 允許極化時，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低允許極化時，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低負(fù)號的含義負(fù)號的含義 允許應(yīng)變時，造成同等極化需要的電場降低允許應(yīng)變時，造成同等極化需要的電場降低LOGO STTTESTTTEDDDeSETeEC SEgTEDdTESdESDhSDTS

21、gDSCThDST - - - -正壓電效應(yīng)： 正正壓正壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)： 壓電效應(yīng)： 電效應(yīng)： 逆壓電 逆壓 逆壓電效應(yīng)：電效應(yīng)： 效應(yīng)： LOGOmemmeeElectroMechanical Coupling Coefficient EMCCUKUU-1 機電耦合系數(shù) （）數(shù)學(xué)定義式：121212eem eEijjTm nmimjmnmjiUTUEUSTEdTE-各 個 能 量 的 含 義 ：； 介 電； 機 械 能 密 度 。； 機 械電 相 互 作 用能 密 度 。能 密 度 。四、壓電性能的主要參數(shù)四、壓電性能的主要參數(shù)LOGO22KK工程技術(shù)上的含義：機械能轉(zhuǎn)變的電能正壓電效

22、應(yīng)：輸入的機械能電能轉(zhuǎn)變的機械能逆壓電效應(yīng)：輸入的電能2K 并非能量轉(zhuǎn)換效率：因為在壓電體中未被轉(zhuǎn)化是以機械能或電能的形式可逆的存儲在壓電體內(nèi)的那部分能量250%,90K例如：而轉(zhuǎn)換效率可以為LOGO22220,04:7:memmeearaDEDUBerlincourtKUUffMasonKfUUKU-壓電元件機電耦合系數(shù)定義研究數(shù)學(xué)定義式： 僅適用于靜態(tài) ， 僅適用于動態(tài)開路短路法電子元件與材料年 月第七期 ：，適用于兩種狀態(tài)LOGO112233,2ijijDE壓電體也是電介質(zhì)，尤其是鐵電體，具有大的介電常數(shù)，是高效電容的研究熱點。 對于：由熱力學(xué)討反應(yīng)了材料的介電性質(zhì)或極化性論得出：是二階

23、對稱張量。對極化為Z軸方向的壓電陶瓷，由對稱關(guān)系因此極化壓電陶瓷有2個介電常數(shù)，考慮不同機械條件時則有4個介電常數(shù)。質(zhì) 介電常數(shù)LOGO113RCeIICRQ00理想電介質(zhì)在正弦交變電場下，電流超前電壓90 ，但是在壓電陶瓷中，因有極化和電導(dǎo)損耗（對于鐵電體還包括電疇壁移動所消耗的能表征介電體在電場作用下，由發(fā)量），電流超前的相位熱而導(dǎo)致能量的損角小于90 。其正切表示介電損耗大?。?tan（損耗因子或介質(zhì)損耗） 電學(xué)品質(zhì)因數(shù)的定義： t耗。an 介質(zhì)損耗LOGO11121333441112133344sc6365,;,4STTcSSTSCsssssccccc s ； 為彈性柔順系數(shù)； 為彈性

24、剛度系數(shù)。非張量表示時，和各有 個分量，故根據(jù)前述的矩陣表示法，和各有個分量，由于力學(xué)量的對稱關(guān)系，獨立分量最多為21個，對于極化后的壓電陶瓷，由于對稱關(guān)系，獨立分量各有 個：若考慮開路和短路兩種電學(xué)條件，則壓電陶瓷的彈性系數(shù)各有 彈性系數(shù) 10個。LOGO5mjniminjminjddeegg-電場恒定時，單位應(yīng)力變化引起的電位移變化。應(yīng)力恒定時，單位電場變化引起的應(yīng)變的變化。電場恒定時，單位應(yīng)變變化引起的電位移變表示壓電體機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑蛘唠娔芑?yīng)變恒定時轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的轉(zhuǎn)換系數(shù)。反應(yīng)了機械性能和介電性能之間的，單位電場變化引起的應(yīng)力的變化。電位移耦合關(guān)系。恒定時，單位應(yīng)力變化引起的電場

25、變化。應(yīng)力恒 壓電常數(shù): 反映機電耦合效應(yīng)的強弱nimjhh-定時，單位電位移變化引起的應(yīng)變變化。電位移恒定時，單位應(yīng)變變化引起的電場變化。應(yīng)變恒定時，單位電位移變化引起的應(yīng)力變化。LOGO111226emmsemmmmmEQEf C REEQQQQ由 于 內(nèi) 摩 擦 ， 壓 電 振 子 諧 振 時 要 消 耗 機 械 能 ，定 義 機 械 品 質(zhì) 因 數(shù) ： : 諧 振 一 周 儲 存 的 機 械 能 。 : 諧 振 一 周 消 耗 的 機 械 能 。根 據(jù) 定 義 式 ，越 大 ， 消 耗 的 能 量 越 小越 小 ， 消 耗 的 能 量 越 大 。與 振 子 的 振 動 模 式 有 關(guān)

26、， 通 常 采 用 的是 圓 片 試 樣 徑 向 振 動 模 式 下 的。 機 械 品 質(zhì) 因 數(shù)LOGO五、壓電材料的分類及特性五、壓電材料的分類及特性v 壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（單晶體）；另一類是經(jīng)過極化一類是壓電晶體（單晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；第三類是高分子壓處理的壓電陶瓷（多晶體）；第三類是高分子壓電材料。電材料。LOGO（一）石英晶體（單晶）（一）石英晶體（單晶） 石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定。它還具有自振頻突出優(yōu)點是

27、性能非常穩(wěn)定。它還具有自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。 LOGO（二）壓電陶瓷（二）壓電陶瓷（P51-61P51-61） 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的電疇組成。無數(shù)細(xì)微的電疇組成。常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：1. 1. 鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZTPZT） 2.2. 非鉛系壓電陶瓷非鉛系壓電陶瓷LOGO（三）高分子壓電材料（三）高分子壓電材料 高分

28、子壓電材料是一種柔軟的壓電材料。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料。可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀?？筛鶕?jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出壓電特性。它不易經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出壓電特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制。破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制。在一些不要求測量精度的場合，例如水聲在一些不要求測量精度的場合，例如水聲測量，防盜、振動測量等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。測量，防盜、振動測量等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。LOGO六、壓電傳感器的應(yīng)用六、壓電傳感器的應(yīng)用v 石英晶體主要用于精密測量，多作為實驗石英晶體主要用于精密測量，多作為實驗室基準(zhǔn)傳感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機室基準(zhǔn)傳

29、感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機械強度稍低，多用作測力和振動傳感器；械強度稍低，多用作測力和振動傳感器；而高分子壓電材料多用作定性測量。下面而高分子壓電材料多用作定性測量。下面分別介紹幾種典型的應(yīng)用，并對振動測量分別介紹幾種典型的應(yīng)用，并對振動測量給予簡介。給予簡介。 LOGO壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用1.1.玻璃打碎報警裝置玻璃打碎報警裝置 玻璃破碎時會發(fā)出幾千赫茲至超聲波玻璃破碎時會發(fā)出幾千赫茲至超聲波（高于（高于20kHz20kHz）的振動。將高分子壓電薄膜）的振動。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動，并粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。將電壓

30、信號傳送給集中報警系統(tǒng)。LOGO2 2壓電式周界報警系統(tǒng)壓電式周界報警系統(tǒng) 周界報警系統(tǒng)又稱線控報警系統(tǒng)。它警戒的周界報警系統(tǒng)又稱線控報警系統(tǒng)。它警戒的是一條邊界包圍的重要區(qū)域。當(dāng)入侵者進(jìn)入是一條邊界包圍的重要區(qū)域。當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)之內(nèi)時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。防范區(qū)之內(nèi)時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。3.3.交通監(jiān)測交通監(jiān)測 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車速、載荷分布、車型等。速、載荷分布、車型等。LOGO 壓電式傳感器的輸出信號非常微弱，一般壓電式傳感器的輸出信號非常微弱，一般需將電信號放大后才能檢測出來。因此與需將電信號放大后才能檢測出來。因此與

31、之相配的前置放大器有電壓前置放大器和之相配的前置放大器有電壓前置放大器和電荷放大器兩種形式。電荷放大器兩種形式。 3.電荷放大器電荷放大器LOGO壓電式加速度計壓電式加速度計(a)中心安裝壓縮型中心安裝壓縮型 (b)環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型 (c) 三角剪切型三角剪切型 S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。 它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測

32、加速度成正比。有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。 LOGO壓電壓電式膠式膠殼蜂殼蜂鳴器鳴器壓電式鋁殼蜂鳴器壓電式鋁殼蜂鳴器膠殼引線蜂鳴器廣泛應(yīng)用于電話機、電子鐘、電器產(chǎn)品、防膠殼引線蜂鳴器廣泛應(yīng)用于電話機、電子鐘、電器產(chǎn)品、防盜報警、井下報警、煙霧報警和電子玩具發(fā)聲之用途。鋁殼盜報警、井下報警、煙霧報警和電子玩具發(fā)聲之用途。鋁殼蜂鳴器可應(yīng)用于電子臺歷、數(shù)碼相機、各種儀器儀表、防丟蜂鳴器可應(yīng)用于電子臺歷、數(shù)碼相機、各種儀器儀表、防丟防盜器、驗鈔機、玩具等發(fā)聲用途。防盜器、驗鈔機、玩具等發(fā)聲用途。 LOGO7.1 自發(fā)極化自發(fā)極化v在晶體中，如果晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，即每一個在晶體中，如

33、果晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，即每一個晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會沿同一方向排列整齊，重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)。使晶體處于高度極化狀態(tài)。v這種在無外電場作用下存在的極化現(xiàn)象稱為這種在無外電場作用下存在的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化自發(fā)極化 七、 熱釋放電性與鐵電性LOGO1 自發(fā)極化的微觀機制 （a）極性軸導(dǎo)致的自發(fā)極化 （b）熱運動引起的自發(fā)極化 依據(jù)能量最低原理討論了 熱運動自發(fā)極化需要的條件。 （C）有序無序型極化：自發(fā)極化同 個別離子的有序化相聯(lián)系。LOG

34、O-+-+-+-+極極化化軸軸C-+-+ （a）極性軸導(dǎo)致的自發(fā)極化）極性軸導(dǎo)致的自發(fā)極化-+-+固固有有偶偶極極子子正正電電荷荷與與負(fù)負(fù)電電荷荷層層交交替替排排列列-+-+-+-+LOGO氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。 （b）由熱運動導(dǎo)致的自發(fā)極化）由熱運動導(dǎo)致的自發(fā)極化較高溫度時，較高溫度時，鈦離子熱振動能較大，難于在偏離中心的某一個鈦離子熱振動能較大，難于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。（如圖對稱性，

35、自發(fā)極化為零。（如圖A所示）所示）圖圖 A LOGOv 較低溫度時，鈦離子熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很較低溫度時，鈦離子熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能偏離平衡位置向某一個大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能偏離平衡位置向某一個氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向延長，晶胞發(fā)生輕

36、微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。（如圖延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。（如圖B所示）所示） 圖圖 BLOGOu由極性軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場很由極性軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場很強，外電場的作用并不能改變晶體的極化強強，外電場的作用并不能改變晶體的極化強度度，也不能改，也不能改變其方向，所有質(zhì)點的偶極矩都平行，大部分是一個電疇。變其方向，所有質(zhì)點的偶極矩都平行，大部分是一個電疇。這樣晶體具有熱釋電性，大都為單疇體。這樣晶體具有熱釋電性，大都為單疇體。u由熱運動引起自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居里點和由熱運動引起自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居里點和電滯回線等特

37、性，這類晶體具有熱釋電性和鐵電性。電滯回線等特性，這類晶體具有熱釋電性和鐵電性。C、 兩種自發(fā)極化機制的比較：兩種自發(fā)極化機制的比較：LOGOv熱釋電效應(yīng)：熱釋電晶體除了由于機械應(yīng)力作用熱釋電效應(yīng)：熱釋電晶體除了由于機械應(yīng)力作用引起壓電效應(yīng)外，還可以由于溫度變化時的熱膨引起壓電效應(yīng)外，還可以由于溫度變化時的熱膨脹作用而使其電極化強度變化，引起自由電荷的脹作用而使其電極化強度變化，引起自由電荷的充放電現(xiàn)象。充放電現(xiàn)象。產(chǎn)生的條件：產(chǎn)生的條件：u一定是具有自發(fā)極化的晶體，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極軸。一定是具有自發(fā)極化的晶體，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極軸。所謂極軸，顧名思義是晶體唯一的軸，在該軸兩端往往所謂極軸，

38、顧名思義是晶體唯一的軸，在該軸兩端往往具有不同的性質(zhì)，且采用對稱操作不能與其它晶向重合具有不同的性質(zhì)，且采用對稱操作不能與其它晶向重合的方向。的方向。LOGOx3x2x1x3x2x1LOGO熱釋電晶體分類第一類 自發(fā)極化不隨外加電場的作用而轉(zhuǎn)向。第二類 自發(fā)極化可隨外加電場的作用而轉(zhuǎn)向，即鐵電體。鐵電體需極化處理才能顯示熱釋電和壓電效應(yīng)壓電體與熱釋電體的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別：因為溫度變化引起晶體脹縮無方向性，因此由正負(fù) 電荷中心位移產(chǎn)生的壓電晶體并不產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)聯(lián)系：雖然溫度變化引起晶體脹縮無方向性，但是由于自 發(fā)極化偶極矩的存在使得熱釋電晶體具備壓電效應(yīng)2 晶體的熱釋電效應(yīng)LOGO3. 3 晶體

39、的鐵電性晶體的鐵電性v 在熱釋電晶體中，有若干種點群的晶體不但在某溫度范圍內(nèi)具有在熱釋電晶體中，有若干種點群的晶體不但在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個或多個可能的取向，在不超過晶體自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個或多個可能的取向，在不超過晶體擊穿電場強度的電場作用下，其取向可以隨電場改變，這種特性擊穿電場強度的電場作用下，其取向可以隨電場改變，這種特性稱為鐵電性。具有這種性質(zhì)的晶體成為鐵電體。稱為鐵電性。具有這種性質(zhì)的晶體成為鐵電體。v 鐵電體的共同特征：鐵電體的共同特征：具有電滯回線；具有電滯回線；具有結(jié)構(gòu)相變溫度（居具有結(jié)構(gòu)相變溫度（居里點）；里點）；具有臨界特性具有臨界特性v 鐵電

40、體重要的特征之一是電滯回線。鐵電體重要的特征之一是電滯回線。LOGO（1）電滯回線電滯回線存在的原因：Ps：飽和極化強度；：飽和極化強度；Pr：剩余極化強度；：剩余極化強度；EC ：矯頑場強：矯頑場強。LOGOv設(shè)一鐵電體整體呈現(xiàn)自發(fā)極化，設(shè)一鐵電體整體呈現(xiàn)自發(fā)極化，晶體正負(fù)端分別有一層正、負(fù)晶體正負(fù)端分別有一層正、負(fù)束縛電荷。在受機械約束時，束縛電荷。在受機械約束時，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加，整個均勻極化的應(yīng)變能增加，整個均勻極化的狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分成狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分成多個小區(qū)域。每個區(qū)域內(nèi)部偶多個小區(qū)域。每個區(qū)域內(nèi)部偶極子沿同一方向，但不

41、同小區(qū)極子沿同一方向，但不同小區(qū)域的方向不同，這每個小區(qū)域域的方向不同，這每個小區(qū)域稱為稱為電疇（簡稱疇）。電疇（簡稱疇）。疇之間疇之間邊界區(qū)域稱之為邊界區(qū)域稱之為疇壁。疇壁。BaTiO3晶體電疇結(jié)構(gòu)示意圖晶體電疇結(jié)構(gòu)示意圖LOGO 為減少靜電能，電疇取向呈雜亂分布，施加電場后，為減少靜電能，電疇取向呈雜亂分布，施加電場后，通過疇壁運動，多疇體變?yōu)閱萎狊w，電場進(jìn)一步升高通過疇壁運動，多疇體變?yōu)閱萎狊w，電場進(jìn)一步升高則只能帶來電子和離子位移極化。則只能帶來電子和離子位移極化。電疇結(jié)構(gòu)示意圖電疇結(jié)構(gòu)示意圖LOGOv當(dāng)溫度高于某一數(shù)值時，由于熱擾動，當(dāng)溫度高于某一數(shù)值時，由于熱擾動，自發(fā)極化變?yōu)榱悖?/p>

42、晶體將不再具備鐵電自發(fā)極化變?yōu)榱?，晶體將不再具備鐵電性，這一臨界溫度就稱為性，這一臨界溫度就稱為居里溫度居里溫度T Tc c。v在居里點以下，由于存在自發(fā)極化，晶在居里點以下，由于存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。居里電以上，體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。居里電以上，材料為順電相。材料為順電相。 BaTiOBaTiO3 3的例子：的例子： 120 0120 05 5 90909 9 順電相順電相鐵電相鐵電相鐵電相鐵電相鐵電相鐵電相立方相立方相四方相四方相正交相正交相三方相三方相LOGOv晶體在發(fā)生順電晶體在發(fā)生順電-鐵電相變或其它極化狀態(tài)發(fā)生變化鐵電相變或其它極化狀態(tài)發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)相變時，晶體

43、的一系列物理性質(zhì)發(fā)生反常變的結(jié)構(gòu)相變時，晶體的一系列物理性質(zhì)發(fā)生反常變化。例如晶體的介電性質(zhì)、彈性、壓電性、光學(xué)性化。例如晶體的介電性質(zhì)、彈性、壓電性、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)等大都出現(xiàn)明顯的變化。晶體在相變質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)等大都出現(xiàn)明顯的變化。晶體在相變點附近發(fā)生的各種性能反常變化通稱為臨界現(xiàn)象。點附近發(fā)生的各種性能反常變化通稱為臨界現(xiàn)象。DDCTC-居里外斯定律 順電相的介電常數(shù)遵循：居里外斯常數(shù)；：居里外斯溫度LOGO指 在 電 場 的 作 用 下 ， 由 誘 導(dǎo) 極 化 而 引 起 的 形 變 。逆 壓 電 效 應(yīng) 和 誘 導(dǎo) 極 化 均 可 導(dǎo) 致 伸 縮 效 應(yīng) ，逆 壓 電 效 應(yīng) 符 合

44、 壓 電 方 程 描 述 的 線 性 關(guān) 系 ，誘 導(dǎo) 極 化 引 起 的 應(yīng) 變 與 極 化 強 度 的 平 方 成 正 比 。誘 導(dǎo) 極 化 伸 縮 與 E方 向 無 關(guān) 。（4）鐵電體的電致伸縮LOGO一般電介質(zhì)一般電介質(zhì)壓電體壓電體熱釋電體熱釋電體鐵電體鐵電體電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化無對稱中心無對稱中心無對稱中心無對稱中心無對稱中心無對稱中心自發(fā)極化自發(fā)極化自發(fā)極化自發(fā)極化唯一自發(fā)唯一自發(fā)極化方向極化方向多個自發(fā)多個自發(fā)極化方向極化方向電滯回線電滯回線一般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體存在的宏觀條件一般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體存在的宏觀

45、條件LOGO 具有壓電性的晶體不一定就具有熱釋電性，但具有鐵電具有壓電性的晶體不一定就具有熱釋電性，但具有鐵電性的晶體一定具有熱釋電性。三者的關(guān)系如下圖所示。性的晶體一定具有熱釋電性。三者的關(guān)系如下圖所示。 一般電介質(zhì)一般電介質(zhì) 壓電體壓電體 熱釋電體熱釋電體 鐵電體鐵電體LOGO 介電晶類（介電晶類（3232種）種）不具有對稱不具有對稱中心的晶類中心的晶類 （2121種）種）其中壓電晶類其中壓電晶類 （2020種）種）極性晶類（熱釋極性晶類（熱釋電晶類）電晶類） （1010種）種）1 1，2 2，3 3，4 4，6 6，m m，mm2mm2，4mm,3m,6mm4mm,3m,6mm 非極性晶

46、類非極性晶類 （1111種）種）222,-4,-6,23,432(222,-4,-6,23,432(不具不具有壓電性）有壓電性）,-43m,422,-43m,422,-42m,32,622,-6m2-42m,32,622,-6m2 具有對稱中心的晶類具有對稱中心的晶類 （1111種）種）-1,2/m,4/m,-3-1,2/m,4/m,-3， 6/m,m3,mmm,4/mmm,6/m,m3,mmm,4/mmm,6/m6/m，mm,m3m,-3mmm,m3m,-3m一般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體所屬的點群一般電介質(zhì)、壓電體、熱釋電體、鐵電體所屬的點群LOGOv 1 1、壓電單晶材料壓電單晶材

47、料：如水晶（石英）、：如水晶（石英）、LiNbOLiNbO3 3、BiBi2 2GeOGeO3 3、LiLi2 2GeOGeO3 3、LiLi3 3BOBO4 4等。等。v 2 2、壓電陶瓷材料壓電陶瓷材料：如：如BaTiOBaTiO3 3、PbTiOPbTiO3 3、PZTPZT以及其它三元系陶瓷。以及其它三元系陶瓷。PZT: PZT: Pb(ZrPb(Zr1-x1-xTiTix x)O)O3 3v 3 3、壓電薄膜壓電薄膜：如：如ZnOZnO、CdSCdS以、以、AlNAlN、PLZTPLZT等等v 4 4、壓電高分子壓電高分子：天然高分子，如骨、：天然高分子，如骨、DNADNA、聚氨基酸

48、；合成高分子，如聚偏、聚氨基酸；合成高分子，如聚偏氟乙烯（氟乙烯（VDFVDF）、偏氟乙烯與三氯乙烯共聚物）、偏氟乙烯與三氯乙烯共聚物VDF/TrFEVDF/TrFEv 5 5、壓電復(fù)合材料壓電復(fù)合材料：由壓電陶瓷和高分子聚合物或其他材料復(fù)合而成，性能可：由壓電陶瓷和高分子聚合物或其他材料復(fù)合而成，性能可大幅度調(diào)整。大幅度調(diào)整。LOGO（2 2）壓電材料的應(yīng)用）壓電材料的應(yīng)用壓電功能：壓電功能： 揚聲器、送話筒、晶體振蕩器等等揚聲器、送話筒、晶體振蕩器等等熱釋電功能：熱釋電功能： 紅外熱電探測器等紅外熱電探測器等鐵電功能：鐵電功能： 壓電振子、鐵電存儲器、精密位移壓電振子、鐵電存儲器、精密位移

49、 計、陶瓷濾波器、電子打火器等等計、陶瓷濾波器、電子打火器等等電致伸縮功能：電致伸縮功能：電光功能：電光功能： 電控雙折射、電控光散射電控雙折射、電控光散射LOGO （3）壓電振子的振動模式）壓電振子的振動模式 伸縮振動、切變振動、彎曲振動伸縮振動、切變振動、彎曲振動薄片型薄片型極極化化方方向向薄長片薄長片極化方向極化方向厚度振動厚度振動徑向振動徑向振動輪廓振動或輪廓振動或長度振動長度振動橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)沿軸向振動沿軸向振動厚度厚度切變切變振動振動LOGO伸縮振動：極化方向與電場方向平行時產(chǎn)生的振動。伸縮振動：極化方向與電場方向平行時產(chǎn)生的振動。 包括長度伸縮振動、厚度伸縮振動。包括長度伸縮振動、厚度伸縮振動。切變振動：極化方向與電場方向垂直時產(chǎn)生的振動。切變振動：極化方向與電場方向垂直時產(chǎn)生的振動。 包括平面切變振動、厚度切變振動。包括平面切變振動、厚度切變振動?？v向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸平行。縱向效應(yīng)：彈性波