第八章壓電器件

第八章壓電器件

本次課的要點：

1、掌握壓電效應的基本知識；

2、熟悉常見的幾種壓電材料及其特點；

3、認識幾種常見的壓電陶瓷濾波器；

9.1壓電效應9.1.1壓電效應的概念1、定義：1）正壓電效應：晶體受到機械力的作用時，表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與施加外力大小成線性關系，這種由機械效應轉換成電效應的過程2）逆壓電效應:晶體在受到外電場激勵下產(chǎn)生形變，且二者之間呈線性關系，這種由電效應轉換成機械效應的過程稱為逆壓電效應。2.作用壓電材料可實現(xiàn)機械能—電能量的相互轉換。FF極化面Q壓電介質機械能｛電能｝正壓電效應逆壓電效應壓電效應3、有無壓電效應的判斷晶體不受外力作用時，晶體的正負電荷中心相重合，單位體積中的電矩（極化強度）等于零，晶體對外不呈現(xiàn)極性，而在外力作用下晶體變形時，正負電荷的中心發(fā)生分離，此時單位體積中的電矩不再為零，晶體表現(xiàn)出極性；另外一些晶體由于具有中心對稱的結構，無論外力如何作用，晶體正負電荷的中心總是重合在一起，因此這些晶體不會出現(xiàn)壓電效應。具有壓電效應的晶體不具有壓電效應的晶體主要參數(shù)

1、壓電常數(shù)它是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，直接關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)和剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。

3、介電常數(shù)對于一定形狀、尺寸的壓電器件，其固有電容與介電常數(shù)有關，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

4、絕緣電阻壓電材料的絕緣電阻可減少電荷泄露，改善傳感器低頻特性。5、機械耦合系數(shù)在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量與輸入能量之比的平方根，它是衡量壓電材料電能量轉換效率的重要參數(shù)。

6、居里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。9.1.2常見的壓電材料及其特點常見的壓電材料按其結構特點分為三類：壓電單晶、壓電陶瓷和壓電薄膜。一、壓電單晶常用的壓電單晶有石英、磷酸二氫銨、鍺酸鉍等。特點：重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性高，但培養(yǎng)單晶比較困難，成本較高。二、壓電陶瓷壓電陶瓷片時利用某些陶瓷的壓電特性效應制成的具有選擇性的器件。

鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）石英特點：壓電陶瓷是現(xiàn)有壓電材料中機電耦合系數(shù)最大的。它制造工藝簡單，價格低廉，容易制成任意形狀，尺寸不受限制，而且可以通過成分和工藝的適當調整和選擇來改變其各項性能，缺點是重現(xiàn)性和一致性較差，均勻性和機械強度不夠理想，限制了它在更高頻率范圍的應用。三、壓電薄膜它是用濺射或蒸鍍等方法制備的具有高度取向性的薄膜壓電材料，如硫化鎘、氧化鋅等。還有一些以有機高分子化合物制成的薄膜壓電材料，其特點是具有良好的成型性和柔順性，加工也比較簡單，可制成大面積薄膜，其中壓電性最強的是聚偏二氟乙烯。

⑴石英晶體：如圖示，晶體內部正負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)剩余電電荷而產(chǎn)生的。不受力圖2石英晶體壓電模型⑵壓電陶瓷：未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會產(chǎn)生壓電效應的。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（一端為正，另一端為負），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。當對其施加一個與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將會產(chǎn)生形變，片內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像增強，而使表面的自由電荷過剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當所受到的外力是拉力時，將會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。圖5束縛電荷和自由電荷排列示意圖自由電荷自由電荷電極束縛電荷常用壓電器件：石英晶體元件壓電陶瓷元件聲表面波器件壓電器件石英晶體元件石英晶體元件簡稱為晶振或晶振元件，它是利用石英單晶材料的壓電效應而制成的一種器件。石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。晶振元件結構石英晶片晶片支架封裝外殼Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量。——振蕩頻率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——100005000002.石英諧振器的基本特性與等效電路

C0是晶片的靜態(tài)電容，相當于平板電容，即由晶片作介質，鍍銀電極和支架引線作極板構成。幾～十幾pF

Lq、Cq、rq為晶片振動時的等效動態(tài)電感、電容和摩擦損耗。Lq很大，幾十～幾百mH；Cq很小，百分之幾pF；rq為幾～幾百歐。為品質因數(shù)石英諧振器Q值很高，而且其性能很穩(wěn)定，因此有很高的回路標準性。串聯(lián)水諧振檔頻率晶體絲式等效寇阻抗決為純蔥阻性并聯(lián)成諧振越頻率通常所以2.石英喚諧振瘋器的稈基本識特性殃與等蝦效電宣路fXfPfS容性容性感性石英諧振器只在之間的很窄頻率范圍內呈感性，且感抗曲線很陡，故當工作于該區(qū)域時，具有很強的穩(wěn)頻作用。一般不用電容區(qū)。

2.石英容諧振蛇器的樓基本極特性帳與等杯效電錢路fXfPfS容性容性感性2.石英尚諧振史器的吸基本獎特性升與等蟲效電觸路實際展使用膨時外模接一腳小電松容Cs則新留的諧腎振頻慌率為由于由此秘看出調整石英霜晶體員元件雄的主巨要參耀數(shù)標稱彈頻率f0晶體險元件昂外殼蹦所指胡定的煎頻率毛。負載然電容妹（CL）與晶蘋體元移件一鳳起決害定負翅載諧茄振頻悉率的鮮有效哨外界害電容激勵店電平晶振胖正常頌工作仇時的觀有效雖電平溫度丈頻差在整絲式個溫聚度范汁圍內磚工作賭頻率珠相對描于基沙準溫繞度時慕工作印頻率雅的允看許偏騰離。工作挑溫度攝范圍晶振策元件陪保持笑良好銀的頻淋率特龜性的局環(huán)境艦溫度卵范圍掩。種類首：陶瓷首濾波憤器（LT）陶瓷扎諧振責器陶瓷柴陷波幕器（XT）9.鉛2.鳳2壓電知陶瓷招片壓電疤陶瓷芹片的暖兩面予被銀舌作為暗電極旱當我湯們在嗎電極怒上加眠以交鍋變電浩壓時摔，由工于壓盒電效形應，灰陶瓷胞片即韻隨交淚變信戶號的安變化藥而產(chǎn)扣生機腎械振院動，鼻這種騎機械剪振動悟能夠賣轉換搶成電譜信號澆的輸毫出。壓電監(jiān)常數(shù)播大，尤成本衰低。凍但居盡里點庫溫度掀低，扔穩(wěn)定梯性不捉如石聰英晶認體，一定示幾何玩尺寸廳的壓規(guī)電陶捏瓷片件本身牧都有殼一個幕固定疤的振渡動頻五率，神當外暫加高死頻信蛾號的廳頻率麗等于不陶瓷謙片的旨固有載頻率腰時，濕機械撓振動甲最強吊，輸雨出的彎電信歉號也調最大莊，這幣種現(xiàn)財象叫畢做諧鍵振。昌與LC諧振殲回路宮很相銷似，母因此帽壓電拳振子厘可以似等效金成一煩個LC諧振哪回路追。由于躺壓電乞陶瓷點振子抗輸出杜的電總信號浙是由銀機械納振動脈轉換倦來的透，而瓶機械踩振動巧的頻暑響很奇尖銳后，所披以Q值(品質背因數(shù))很高醬。采迷用陶摧瓷濾賢波器鹿的中問頻放朝大器福選擇妥性好皇、插拾入衰貌耗小虛，因搶此應便用十妖分廣蜓泛。一個摩壓電俗振子俯就組音成一笨個簡猶單的倚二端糠陶瓷濾墾波器邀，壓端電陶共瓷片離常兩疼面被腥銀，菌夾在材有彈性摸的金刮屬電暖極之耽間，靈并用劍塑料碌殼封合裝。串聯(lián)紙諧振債頻率f0并聯(lián)艷諧振鏡頻率f∞，當f=突f0時，姜等效瀉阻抗走最小嚼，振采子產(chǎn)扒生串饑聯(lián)諧振；烏當f=圖f∞時，等俘效阻稼抗達分到最蒜大值晶，產(chǎn)紗生并聯(lián)漫諧振的。調幅撈收音竊機中垂常用術的二叫端陶國瓷濾妹波器2、二構端壓彈電陶鮮瓷元晃件二端腥陶瓷在濾波箱器的模諧振元曲線氏尖銳估，諧關振電內阻小薄，但檔通帶前窄，辰矩形附系數(shù)喚差，棵類似桑于單宋調諧屬回路趙，常偶用于怕中放草的發(fā)握射極溪電路相代替墾其旁眼路電艷容，柄有助裝于提欺高對外中頻駛的選愚擇性肯。3、三調端壓肅電陶箏瓷器婆件將二酬端壓桃電陶闖瓷器套件的市單面外電極牢分割成互那相絕識緣的堵兩部棟分，岔即可秒構成燃一個宇三端陶阿瓷濾剃波器啦。三端困陶瓷馳濾波溪器相壺當于珠一個辜雙調愿諧回夜路，石其調集諧曲俱線呈魔現(xiàn)雙餅峰，刊與二佛端陶購瓷濾薯波器爆相比仍，其膛通帶箱寬，飯矩形像系數(shù)遍好，峰因而剩具有位較好鑰的選瓶擇性鵲，可職用于念代替炭中頻做變壓弓器。：當1、3兩端啞間的郵輸入直信號群頻率賓等于舉陶瓷片漿的串挺聯(lián)諧坑振頻辦率f0時，蓋輸入峽電路就產(chǎn)奴生串強聯(lián)諧胃振，斑陶瓷斑片在f0頻率朽上作較獵大的削機械餃振動耀，由睜于壓緒電效選應，這個病機械蕩振動嫩又轉理換成削電信豎號從2、3端輸捧出，璃且頻暗率也語是f0。因鞋此，涂在三償端陶停瓷濾在波器致中，寶輸入犬電路根選出夠的信使號是橫通過道機械富振動爬轉換吹成電譜信號毅而耦側合到嬸輸出昆端的波，這嶺種耦鏡合方茅式在剖電路棵上等授效于罪一個晉變壓勢器，廟其變嶼壓比n決定您于輸燙入、主輸出悔電極惹的面濃積比尸，即n2≈Cp堡/C餓r。9.羞2.幅3聲表曾面波嶺濾波書器概念運：具覺有壓家電效擠應的厭晶體幅，在災受到液電信搞號的遭作用縫時，陡也會添產(chǎn)生棒彈性凍形變括而發(fā)賽出機付械波本（聲鍵波）斑，即憐可把唱電信認號轉炕為聲幅信號稻。由蠅于這帳種聲稈波只臂在晶歪體表群面?zhèn)鳡薏?，饞故稱傅為聲恨表面礦波。聲表面蹈波叉瘦指換尾能器將一雪塊壓下電材挖料的剝一面好表面根拋光吼，用循真空奶鍍膜于的方誰法鍍百上一柄層金詳屬薄洲膜然蘭后作慣成叉輸指電顆極叉指譯換能襪