《次课压电效应》PPT课件.ppt

第三次课 压电效应,内 容,压电效应机理 主要压电材料及其性能表征 MEMS中的主要应用 特点,压电效应机理,1880年居里兄弟在 石英晶体上发现了压电效应 20世纪40年代中期，压电材料开始广泛应用。 20世纪60-70年代达成熟阶段。, 压电效应机械能转变为电能 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。 顺（正）压电效应 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 把这种机械能转为电能的现象, 称为“顺（正）压电效应”。,压电效应现象, 逆压电效应-电能转变为机械能 当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。 电致伸缩效应- -电能转变为机械能 电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应。,发生在所有的电介质中,只发生在压电体中,可逆性,压电效应的物理机制压电晶体,压电晶体的对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。,压电效应的物理机制压电陶瓷,未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。 压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），这些在陶瓷两个表面的束缚电荷吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。,压电效应的物理机制压电陶瓷,当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影响增强，而使表面自由电荷过剩出现放电现象。 当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。,产生压电效应的首要条件,晶体结构没有对称中心。 压电体是电介质。 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。,自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。 实际应用的压电材料 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 压电陶瓷（多晶体）：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。 有机压电材料：聚偏氟乙烯()和偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(-TRFE)等有机压电（薄膜）材料等。 复合压电材料：在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。,主要压电材料及其性能表征,Tj: j方向的应力 dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数 ij:j方向的力在i面产生的电荷密度,压电常数和表面电荷计算,i(i=1,2,3): 表示晶体的极化方向，即在i面上产生电荷。 1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面 j(j=1,2,3,4,5,6): 1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向应力； 4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力,压电特性的矩阵表示,表示压电体的能量转换方式,大小表示压电效应的强弱,dij=0,则表示该方向上没有压电效应,压电效应能量转换的几种基本形式,厚度切变型,平面切变型,厚度切变型,平面切变型,体积受压型,石英晶体是各向异性晶体 存在右（左）旋晶体 外形规则,石英晶体压电效应的性能表征,天然形成的石英晶体外形,石英晶体的三个晶轴,光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。 机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显，,石英晶体切片及双面镀银封装,石英晶体压电效应机理,电偶极矩P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。,当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。,受到X方向的力纵向压电效应,晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变动。 此时正负电荷重心不再重合。 电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、P2的增加而不等于零, 在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。,受到Y方向的力横向压电效应,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P3增大,P1、P2 减小。 在垂直x轴表面上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。 当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。,受到Z方向的力没有压电效应产生,如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 ,石英压电晶体特点, 介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20至200 温度范围内，温度每升高1 ，压电系数仅减少0.016%，当温度达到573 时（居里点），石英晶体丧失压电特性。 各向异性的晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质相差很大。,石英晶体的压电常数和表面电荷计算,在x面上产生电荷：在T1作用下，产生厚度变形（纵向压电效应）,石英晶体的压电常数和表面电荷计算,在x面上产生电荷：在T2作用下，产生长度变形（横向压电效应）,石英晶体的压电常数和表面电荷计算,在T3作用下，没有压电效应,石英晶体的压电常数和表面电荷计算,在T4、T5、T6剪切应力作用下,在x面上产生电荷,在y面上产生电荷,在Z面上产生电荷,石英晶体的压电方程,压电陶瓷的压电常数和表面电荷计算,在T1、T2、T3作用下,在T4作用下,在T5作用下 （d150）,压电陶瓷变形形式： 厚度变形：d33 长度变形： d31 、d32 厚度剪切变形： d24、 d15 体积变形：d31 、d32 、d33,压电陶瓷压电方程,压电/逆压电效应可分为： 纵向效应、横向效应和切向效应； 压电式微传感器/执行器主要利用纵向效应； 可用于各种动态力、机械冲击与振动的测量, 以及声学、 医学、力学、宇航等方面都有非常广泛的应用。,MEMS中的主要应用,压电式传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。相当于一个以压电材料为电介质的电容器； 把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源或为一个电压源与电容串联。,压电式传感器的等效电路,不可避免地存在电荷泄漏； 静态或准静态测量时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小； 动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故适宜作动态测量。 在实际使用中，一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。 压电元件是有极性的，连接方法有两种：并联/串联。,压电式传感器的等效电路,压电式传感器的等效电路,电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合；,电容量小，输出电压大，适用于测量高频信号和以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。,内阻抗很高，而输出能量较小（电压/电荷信号）； 接入一个高输入阻抗的前置放大器（高输出阻抗变换为低输出阻抗；放大传感器输出的微弱信号）。 前置放大器有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,压电式传感器的测量电路,电压放大器电路简单便宜，但下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关。,电荷放大器实际电路中，反馈电容量做成可选择的。电路复杂，价格昂贵。,压电MEMS最显著的优点就是通过适当的结构设计，可以在一个单元上兼具传感/执行元件的双重功能。 响应速度快，从微秒到毫秒的范围； 输出力大（和尺寸相比），可达数千帕； 微小位移输出稳定，非常适合制作微小致动器的元件，从纳米到微米级范围； 体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频，得到较宽的工作频率范围；,MEMS应用特点,灵敏度高，稳定性好，可靠。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关； 有比较