電介質(zhì)材料(壓電及鐵電材料1)

電介質(zhì)材料

DielectricMaterials

（piezoelectricmaterial

）電介質(zhì)材料之壓電材料鐵電體熱釋電體壓電體介電體一概述當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶，熱水器或打火機(jī)時(shí)，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點(diǎn)火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)用戶按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動(dòng)裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?，于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)，壓電陶瓷就是一種常用的壓電材料。壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說(shuō)的超聲波信號(hào)。也就是說(shuō)，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能。壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。1.基本概念壓電晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)+++------++++-+++---±未加應(yīng)力加應(yīng)力不產(chǎn)生極化加應(yīng)力產(chǎn)生極化，正負(fù)電荷中心分開(kāi)在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷Q，且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度σ)與外應(yīng)力張量T成正比：

D=dT或

σ=dT

式中

d——壓電常數(shù)矩陣。當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)(a)正壓電效應(yīng)；(b)壓電效應(yīng)的可逆性若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場(chǎng)作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比：S=dtE式中dt——逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮?？梢?jiàn)，具有壓電性的電介質(zhì)(稱壓電材料)，能實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量的相互轉(zhuǎn)換。主要參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)有:（1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù),它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件,其固有電容與介電常數(shù)有關(guān);而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中,其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根;它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏,從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。（7）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)：壓電振子在諧振時(shí)在一周期內(nèi)貯存的機(jī)械能與損耗的機(jī)械能之比。壓電材料目前壓電材料可分為三大類：一是壓電晶體(單晶)，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷(多晶半導(dǎo)瓷)；三是新型壓電材料，又可分為壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。在傳感器技術(shù)中，目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇與鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷。石英晶體石英晶體的外形(a)天然石英晶體；(b)人工石英晶體；(c)右旋石英晶體理想外形理想石英晶體坐標(biāo)系石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分。目前傳感器中使用的均是以居里點(diǎn)為573℃，晶體的結(jié)構(gòu)為六角晶系的α-石英。在討論晶體機(jī)電特性時(shí)，采用xyz右手直角坐標(biāo)較方便，并統(tǒng)一規(guī)定：x軸與a(或b、d)軸重合，謂之電軸，它穿過(guò)六棱柱的棱線，在垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)；y軸垂直m面，謂之機(jī)軸，在電場(chǎng)的作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯；z軸與c軸重合，謂之光軸，也叫中性軸，光線沿該軸通過(guò)石英晶體時(shí)，無(wú)折射，沿z軸方向上沒(méi)有壓電效應(yīng)。

壓電石英的主要性能特點(diǎn)是：(1)壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好；(2)機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好；(3)居里點(diǎn)573℃，無(wú)熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C0，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)PF到幾十PF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C0發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。在壓電單晶中除天然和人工石英晶體外，鋰鹽類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鍺酸鋰LiGeO3)等材料，也已在傳感器技術(shù)中日益得到廣泛應(yīng)用，其中以鈮酸鋰為典型代表。鈮酸鋰是一種無(wú)色或淺黃色透明鐵電晶體。它的時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高達(dá)1200℃，在高溫、強(qiáng)幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，它還具有良好的光電、聲光效應(yīng)，因此在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。被稱為第二代壓電晶體的代表。不足之處是質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。壓電陶瓷壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，它是由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成；所謂“鐵電體”，它具有類似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一定溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使“電疇”趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列；極化電場(chǎng)去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。壓電陶瓷的特點(diǎn)是：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟，可通過(guò)合理配方和摻雜等人工控制來(lái)達(dá)到所要求的性能；成形工藝性也好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷除有壓電性外，還具有熱釋電性。因此它可制作熱電傳感器件而用于紅外探測(cè)器中。但作壓電器件應(yīng)用時(shí)，這會(huì)給壓電傳感器造成熱干擾，降低穩(wěn)定性。所以，對(duì)高穩(wěn)定性的傳感器，壓電陶瓷的應(yīng)用受到限制。

例2：由熱運(yùn)動(dòng)引起的自發(fā)極化鐵電體的位移性理論：自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)????????°°等軸晶系（大于120oC）：晶胞常數(shù)：a=4.01A

氧離子的半徑：1.32A

鈦離子的半徑：0.64鈦離子處于氧八面體中，兩個(gè)氧離子間的空隙為：4.01－2×1.32=1.37鈦離子的直徑：2×0.64=1.28結(jié)果：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。較高溫度時(shí)，熱振動(dòng)能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個(gè)位置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率相等，晶體保持高的對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。溫度降低，鈦離子平均熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，熱振動(dòng)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(chǎng)作用，有可能向某一個(gè)氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來(lái)，并使這一氧離子出現(xiàn)強(qiáng)烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個(gè)方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。????????°°鈦、氧離子的位移固有偶極子自發(fā)極化：這種極化狀態(tài)并非由外電場(chǎng)引起，而是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，每一個(gè)晶胞內(nèi)存在有固有電矩，通常將這類晶體稱為極性晶體。一般介電極化，是介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下引起，沒(méi)有外電場(chǎng)，這些介質(zhì)的極化強(qiáng)度為0。(2)無(wú)對(duì)稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)--+++---++--++++++--++++極化軸C-++--+纖鋅礦(ZnS)結(jié)構(gòu)在（010）上投影表示晶體極性鏈的兩種方法例1：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)-+-+固有偶極子正電荷層與負(fù)電荷層交替排列-+-+-+-+電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列形成一個(gè)疇。3電疇無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂無(wú)章，使整個(gè)晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無(wú)極性。外電場(chǎng)作用時(shí)，沿電場(chǎng)方向極化疇長(zhǎng)大，逆電場(chǎng)方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場(chǎng)方向，極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的增加而增加，一直到整個(gè)結(jié)晶體成為一個(gè)單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電場(chǎng)只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。電介質(zhì)的極化強(qiáng)度與施加電場(chǎng)呈正比：

P=oeE鐵電材料的極化強(qiáng)度不與施加的電場(chǎng)成線性關(guān)系，并具有明顯的滯后。二者典型的關(guān)系如下圖：1.鐵電體二鐵電性鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。Ps：無(wú)電場(chǎng)時(shí)單疇的自發(fā)極化強(qiáng)度；Pr：剩余極化強(qiáng)度；EC

：矯頑場(chǎng)強(qiáng)。P鐵電陶瓷的電滯回線EOABECPrCPs自發(fā)極化：在某一低溫時(shí)由于熱能所造成的偶極子混亂排列被局部電場(chǎng)所克服，而產(chǎn)生偶極子取向一致的現(xiàn)象，此時(shí)晶體中每一個(gè)晶胞里存在固有的電偶極矩，形成永久偶極矩。這種電偶極子在無(wú)任何外場(chǎng)作用時(shí)自發(fā)一致排列。極性晶體：具有自發(fā)極化特性的晶體。鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可隨外電場(chǎng)作可逆轉(zhuǎn)動(dòng)晶體。即具有鐵電性晶體。鐵電晶體的特點(diǎn)：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化改變方向時(shí)，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。3.鐵電體的性能電滯回線介電特性非線性晶界效應(yīng)（1）性能壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷。逆壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加電場(chǎng)引起極化，則將產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。1.壓電效應(yīng)三壓電性極化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++極化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++自由電荷釋放電荷極化方向+++++－－－－－－－－－－－－++++++++++++－－－－－正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：

D=dTd:壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系：

S=dEd:壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。2.壓電材料的性能（1）機(jī)電偶合系數(shù)=壓電轉(zhuǎn)換電能/輸入的機(jī)械能（2）壓電常數(shù)（3）彈性模量、相對(duì)介電常數(shù)、居里溫度等。介電質(zhì)的基本性能：介電常數(shù)、介電損耗等特殊應(yīng)用要求的性能：如：濾波器要求諧振頻率穩(wěn)定性高3.壓電振子諧振特性及振動(dòng)模式阻抗頻率反諧振諧振壓電振子：極化后的壓電體。諧振的產(chǎn)生：對(duì)壓電振子施加交變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)頻率與壓電體的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧振。(1)諧振特性諧振頻率：形成駐波的頻率。形成駐波的條件：L=n/2振動(dòng)頻率：fr=u/（u----聲波的傳播速度與物體的密度和彈性模量有關(guān)）諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：L=n（u/fr

）/2n=1,頻率為基頻，其它為二、三次等諧振當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，