（机械制造及其自动化专业论文）压电石英晶片扭转效应研究及新型扭矩传感器的研制.pdf

摘要自从1 8 8 0 年发现压电效应以来，压电效应研究便一直是压电学科基础理论和智能材料的核心课题。当前，由于科技发展和工程实际需要，压电效应的研究已经由单纯基于应力的纵向效应、横向效应、剪切效应等二维效应发展到基于晶体变形的拉伸、压缩、弯曲、扭转的三维复合效应，但尚未完善建立起基于变形的压电效应理论体系。本文在高校博士学科点基金( 9 8 0 1 4 1 0 6 ) 和国家自然科学基金( 6 0 3 7 4 0 4 3 ) 的资助下，运用压电学、晶体物理学、电介质物理学、各向异性弹性理论以及各向异性电磁理论等交叉学科的理论成果，对三维复合效应中的压电石英晶片扭转效应进行了深入系统的研究，从而首次给出了一套完整的压电晶体扭转效应的研究方法：并在该理论研究的基础上成功研制出一种新型扭矩传感器。一首先，探讨了在机械扭矩载荷作用下压电晶体内部由弹性各向异性引起的复杂应力状态，结合各向异性扭转理论和各向异性麦克斯韦电磁理论，得出了y 0 切型石英晶片扭转应力场和非线性极化体电荷与面电荷密度分布规律，并采用有限元法模拟了极化电场在压电片内的分布。结果发现在晶片机械轴垂直表面上扭转极化电荷密度分布是非均匀的，而是以电轴为分界线成反对称分布。所以为了合理布置电极以有效检测晶片的扭转效应，必须采用分割电极法，而不是通常所用的单电极法：采用电荷法，而不是常用的电压法来进行电极间连线。理论与实验结果均表明压电石英晶片确实存在扭转效应，且外扭矩与所产生的电量之间是确定的线性关系。其次，在压电石英晶片扭转效应研究的基础上，采用有限元法对基于石英晶片扭转效应的新型扭矩传感器结构中的关键尺寸进行了分析计算，研制成功一种全新具有自主知识产权的压电扭矩传感器。该新型扭矩传感器同其他压电扭矩传感器相比突出特点：它采用了石英晶片的扭转效应，面不是剪切效应。整个扭矩晶组仅用三片普通y 0 切型的石英晶片组成，晶组组成方式能够消除径向力与轴向力的向间干扰，而且又能提高传感器的灵敏度。标定结果表明该传感器具有良好的线性静态特性，固有频率高于1 2 k h z 。传感器的技术指标全面达到c i r p s t c c 规定的测力仪标准，该研究成果已经申请中国国家发明专利。最后，采用三因素( 钻头直径d ，进给量 钻床的转速一) 正交试验法对钻削中的扭矩进行实测。通过方差分析指出影响扭矩的主次顺序为d 厂 嚣，并根据多元线性回归建立了钻削4 5 钢的扭矩经验公式，从而验证了该扭矩传感器完全可以用于实际测量。关键词：压电；石英；扭转效应；各向异性；扭矩传感器英文摘要a b s t r a c ts i n c ec u r i eb r o t h e r sd i s c o v e r e dp i e z o e l e c t r i c i t yo fq u a r t zc r y s t a li nl8 8 0 ，t h er e s e a r c ho np i e z o e l e c t r i ce f f e c ti sa l w a y st h ek e ys u b j e c to f t h ef o u n d a t i o nt h e o r yo f p i e z o e l e c t r i c i t ya n dt h es c i e n c eo fs m a r tm a t e r i a l b e c a u s eo ft h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n de n g i n e e r i n gp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t a tp r e s e n tt h ep i e z o e l e c t r i ct h e o r yh a sa l r e a d yp l a c ee m p h a s i s 丘o mo i lt h et w od i m e n s i o ne f f e c tb a s e do ns t r e s sa n a l y s i s ，n a a t l e l yt h el o n g i t u d i n a le f f e c t 。t r a n s v e r s ee f f e c ta n ds h e a re 娲c tt oo nt h et h r e ed i m e n s i o ne f f e c tb a s e do nd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，s u c ha st h ee x t e n d i n ge f f e c t ，c o m p r e s s i n ge f f e c t ，b e n d i n ge f f e c t ，t o r s i o n a le f f e c t ，b u tm ep i e z o e l e c t r i ct h e o r yb a s e d0 1 2d e f o r m a t i o na n a l y s i sh a sn o ty e te s t a b l i s h e d s u p p o r t e db yt h ed o c t o rs u b j e c tf o u n d a t i o no ft h em i n i s t r yo fe d u c a t i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o 9 8 0 1 4 1 0 6a n db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o nu n d e rg r a n tn o 6 0 3 7 4 0 4 3 b yu s i n gt h ek n o w l e d g eo fd i f f e r e n th a t e r d i s c i p l i n e ss u c ha sp i e z o e l e c t r i c i t - y , p h y s i c so fd i e l e c t r i c s ，p h y s i c so fc r y s t a l s ，t h e o r yo fa n i s o a - o p i ce l a s t i c i t ya n dt h em a x w e l le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yt h ep i e z o e l e c t r i ct o r s i o n a le f f e c to fq u a r t zd i s ci si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e la n dt h e nt h ei n t e g r a lr e s e a r c hm e t h o do fp i e z o e l e c t r i ct o r s i o n a le f f e c ti sf i r s to b t a i n e d b a s e do nt h et o r s i o ne f f e c tan e wt o r q u ei ss u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e d f i r s t l y , t h ec o m p l i c a t e ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fa l ly 0 0c u tp i e z o e l e c l r i cq u a r t zd i s cu n d e rt o r s i o ni sf i r s ti n v e s t i g a t e db yu t i l i z i n gt h et o r s i o nt h e o r yo fa n i s o t r o p i ce l a s t i c i t y , a n dt h e nt h r o u g ht h em a x w e l le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n dp i e z o e l e c t r i c i t yt h ed i s t r i b u t i o no fb o u n dv o i u m ea n ds u r f a c ec h a r g ed e n s i t i e si sc o m p u t e d b yf i n i t ee 1 e m e n tm e t h o dt h ed i s t r i b u t i o no fn o n l i n e a rp o l a r i z e de l e c t r i cf i e l di nt 1 1 eq u a r t zd i s ci ss i m u l a t e d 皿1 er e s u l t so fc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h eb o u n dc h a r g ed e n s i t yo nt h es u r f a c ep e r p e n d i c u l a rt ot h em e c h a n i c a la x i si sn o n h o m o g e n e o u sa n da n t i s y m m e t r i cw i t hr e s p e c tt ot h ee l e c t r i ca x i s t h e r e f o r et oe f f e c t i v e l yd i s p o s ed e t e c t i o ne l e c t r o d e st om e a s u r e 也ee l e c t r i cr e s u l to ft o r s i o n a le f f e c t ，t h ep a r t i t i o n e de l e c t r o d em e t h o d ，r a t h e rt h a nu s u a ls i n g l ee l e c t r o d em e t h o dm u s tb ea d o p t e d , a n dt h ec h a r g em e t h o d ，n o tg e n e r a lv o r a g em e t h o di su s e dt oc o n n e c t 也eo u t p u to fa l le l e c t r o d e s t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep i e z o e l e c t r i ct o r s i o n a le 伍 c ti se x i s t e di nq u a r t zd i s ca n dt h ec h a r g em e a s u r e di sl i n e a rw i t ht h et o r q u e ，s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o no ft h et o r s i o n a le f f e c to fq u a r t zd i s c ，t h ek e yd i m e n s i o n so ft h et o r q u es e n s o rb a s e do nt o r s i o n a le r i e c ta r ed e s i g n e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h e nan e w - t y p ep i e z o e l e c t r i ct o r q u es e n s o ri ss u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e d n eo u t s t a n d i n gf e a t u r eo ft h et o r q u es e n s o rc o n t r a r yt oo t h e l t y p eo fq u a r t zt o r q u es e n s o ri st h a ti ta d o p t st o r s i o ne f f e c to fq u a r t zd i s c ，r a t h e rt h a ns h e a re r i e c t o n l yt h r e ey 0 0c u td i s c sa r eu s e di nt h et o r s i o nq u a r t zm e a s u r i n gc e l l ，w h i c hc a na v o i do rr e d u c et h ec r o s st a l ko f a na x i a la n da r b i t r a r yr a d i a lf o r o e a n da tt h es a m et i m ei m p r o v es e n s i t i v i t y t h ec a l i b m t i o nr e s u l t ss h o w st h a ti th a sh i g hs t a t i cl i n e a r i t y , a n di t sn a t u r a lf r e q u a n c yi sg r e a t e rt h a n1 2k i l o h e n z s ot h et o r q u es e n s o rh a sf u l lr e a c h e dt h ed y n a m o m e t e rs t a n d a r ds t i p u l a t e db yc i r p s t c c t h en e wt c r q u es e n s o rh a sa p p l i e df o rc h i n e s ei n v e n t i o np a t e n t f i n a l l y , i no r d e rt om e a s u r et h et o r q u eo fd r i l l i n g ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o di nw h i c ht h et h r e ef a c t o r sa r et h ed i a m e t e ro fd r i l l ，f e e da n ds p i n d l es p e e di sp e r f o r m e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i so fv a r i a n c e ，i ti ss u g g e s t e dt h a tt l l ed i a m e t e ro fd r i l li st h em o r ei i英文摘要s i g n i f i c a n tt h a nf e e d ，a n dt h a nc u t t i n gs p e e d t h r o u g hm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n ，t h ee x p e r i e n t i a le x p r e s s i o no ft o r q u ed u r i n gd r i l l i n g4 5s t e e li so b t a i n e d h e r e b yi tp r o v e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e w - t y p et o r q u es e n s o rr e a c ht h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sw h i c hc a nb eu s e di np r a c t i c a lm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i c i t y ；q u a r t z ；t o r s i o n a le f f e c t ；a n i s o t r o p y ；t o r q u es e n s o ri l l符号与含义面积( m 2 )张量的坐标变换矩阵磁感应强度( t )弹性体扭转刚度弹性刚度系数( n m 2 )线积分域；电容( f )直径( m m )压电应变模量，压电应变张量( c n 。)电位移矢量( c m 2 )电场强度( v ，m )摩擦系数；进给量( r a m r )平面应力函数剪切弹性模量；吉布斯自由能磁场强度( a m )截面惯性矩下标( 1 ，2 ，3 )电流密度( a m 。)光能的示强变量面电流密度线积分域微分方程的微分算子应力张量的坐标变换矩阵扭矩( n m )弹性力矩阻尼力矩惯性力矩晶片数目v 力krh爿ab 。勺cd“de 厂即gh，一jkk ，lm鸠埤坞，nnpppq ，qr ，ri js 血ss 丰s st口盯fv占岛sr s 【ix ，y ，zz 。，艺，乙以甜臼t 9妒( x ，y )r人vp表面单位法向量应变张量的坐标变换矩阵电偶极距( c m )声能的有效声压电极化强度( c m 2 )电荷，电荷量( c )半径( n a n )极差弹性顺度系数( c 2 n )应变，应变张量；面积分域熵方差厚度( m m )扭转角，相位角( r a d )正应力，应力张量( m p a )剪应力( m p a )电压，电势( v ) ；体积( m 3 )过载系数，幅值误差真空介电常数( c 2 n m 也) e o = 8 8 5 x 1 0 “相对介电常数单位体积力( n m 3 )表面力分量( m p a )下标( i ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 )温度( k )单位长度扭转角( r a d )扭转应力函数截面边界曲线有效声压转速( m s ) ；有效质点速度( m s )体电荷密度( c m 2 )v i l i, u o 真空介电常数( h m ) t o = 4 , f f 1 0 。佴，心相对磁导率面电荷密度( c m 2 )抗压强度极限( m p a )频率( i - i z )固有频率( h z )阻尼比折减顺度系数( c 椭)i x瑁甜饥孝岛第一章绪论第一章绪论1 1 课题来源及意义2 1 世纪是人类全面进入信息电子化的时代，现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器处于信息采集系统的前端，是感知、获取与检测信息的窗口，它提供系统赖以进行决镱和处理所必需的原始数据。不难得出，传感器是自动控制系统和信息系统的关键基础器件，其技术水平直接影响到自动化系统和信息系统的水平，自动化技术水平越高，对传感器技术依赖程度越大。随着自动控制系统的发展，对传感系统的要求也越来越高，因此开发新的传感系统以适应控制系统提出的新要求是现在传感领域发展的新趋势。传感器的工作原理是利用各种物理现象、化学反应和生物效应，所以发现新现象与新效应是发展传感器技术的重要工作，是研制新型传感器的重要基础，对于研制新的传感系统具有革命性的意义。在传感器件中起关键作用的就是具有电、磁、热、机械、光、化学反应及流变特性藕合作用的敏感材料，如压电材料、形状记忆合金等。这些材料都具有选择牲( s e l e c t i v i t y ) 、自我诊断性( s e l f - d i a g n o s i s ) 、自我调节性( s e l f - t u n i n g ) 、灵敏性( s e n s i t i v i t y ) 、自我恢复性( s e l f - r e c o v e r ) , ) 、简单性( s i m p l i c i t y ) 、自我修复性( s e l f - r e p a i r ) 、稳定性( s t a b i l i t y ) 、可代用性( s t a n d b yp h e n o m e n a ) 、耐久性( s u r v i v a b i l i t y ) 和开关性( s w i t c ha b i l i t y )等所谓s 一行为【i j 。这些行为的实现要求在材料的某些性能之间具有耦合性，最普遍应用的机电耦合材料就是压电材料。压电材料具有优良特性，如较高的力电转换频率和转换精度，线性范围宽，重复精度高，稳定性好，刚度高，绝缘阻抗高，滞后小等，因而在工程中得到了广泛的应用。主要的应用有：利用正压电效应先后研制成功压电引信、压电点火装置和压电电源等多神电压发生器件以及振动加速度计、流体监控器等多种压敏传感器件；利用逆压电效应研制成功各种用途的超声波发生器以及压电扬声器；利用正、逆压电效应研制成功压电陀螺、压电线性加速度表、压电变压器、压电延迟线、声纳以及压电声表面波器件；利用压电振子的谐振特性和伸缩特性，研制成功压电谐振嚣、压电振荡器、压电滤波器以及压电继电器、压电泵、压电阀门、位移发生器等器件；利用部分压电材料具有的线性和非线性热释电效应，研制成功红外线探钡0 器、红外摄像管以及热释电发电机；利用压电铁电晶体的光学效应和压电效应，研制成功电光调制器、电光偏转器、声光调制器、声光偏转器以及光信频器、光参量振荡器等激光技术必不可少的器件。总之，半个世纪以来，压电效应的应用研究越来越广泛，在电子、激光、超声、水声、微声、红外、导航、生物等各个技术领域都取得了惊人的成绩。虽然压电效应发现百余年，压电体在技术上的广泛应用，也开展了将近半个世纪，但在压电性的微观理论研究方面还存在许多困难。早在1 9 2 0 年，著名物理学家m b o r n f 2 曾试图计算立方z n s 的压电系数，后来也有不少学者相继做过努力。虽然z n s是结构最简单的一种压电晶体，只有一个非零独立的压电系数，但理论得到的结果往往连正负号也难以和实验一致【3 】。因此对压电效应的研究，较多地还局限于材料的研制、参数测量和技术应用。但是，压电效应的研究并未终结，科学技术的发展和工程实际需要是其持续发展的动力。考察上述压电效应的研究与应用，可以发现其中绝大部分都限于利用单压电参数，且研究范围都限于线性极化的范畴，并在上述研究的范围肉建立起了基于应力分析的压电效应理论，即纵向效应、横向效应和剪切效应，近年来，伴随石英弯曲、扭转特性的应用，石英的弯曲效应、扭转效应及各静组合效应大连理工大学博士学位论文逐渐被人们所认识，对它们的研究也取得了一些进展【4 j 。当前压电效应的研究已经由单纯基于应力的纵向效应、横向效应、剪切效应等二维效应发展到基于晶体变形的拉伸、压缩、弯曲、扭转的三维复合效应，但尚未完善建立起基于变形的压电效应理论。虽然压电晶体受弯矩作用而产生的弯曲是拉伸力和压缩力共同作用的复合结果，但由于晶体内部所产生的应力具有对坐标的简单线性性质，因而有时也把弯曲效应作为压电效应的一种形式【5 】。这样，外界作用于压电晶体的基本形式，即拉压力、剪切力和弯矩都对应于压电效应的一种表现形式，惟独没有与扭矩相对应的形式，即压电晶体的扭转效应。目前压电扭矩传感器还不是直接利用晶体扭转效应来实现测量，而是沿用一般传统的“力力臂”法来测量的。扭矩传感器中的力臂是固定不变的，石英晶片均匀分布在一定大小的分布圆上，被测扭矩是通过测量力的大小再乘上分布圆半径后换算出来。因此该类型扭矩传感器只能进行定点或定心测量，无法解决移动扭矩的多点测量问题，而且测试装置庞大，结构与工艺复杂，成本较高。这些正是与现代传感器的要求背道而驰的。因此，为了提高传感器的性能价格比，无论从设计、制造还是从工程技术实际应用角度来看，迫使人们寻求一种直接与扭矩相对应的压电效应，即勿需中间机械变换环节，晶体直接在扭矩作用下产生极化电场，或直接在电场作用下产生扭转变形，利用该扭转效应可使扭矩传感器和测力仪实现从结构型向物性型的转化，可以解决目前亟待解决的移动扭矩的多点测量和结构集成化问题。因此作者的导师孙宝元教授在充分研究本领域国内外发展的基础上，从工程实际出发，提出了压电晶体扭转效应的新概念，并取得了博士点科研基金和国家自然科学基金的资助。压电晶体扭转效应的提出是基于扭矩传感器的设计，制造和工艺及使用要求而提出的，它的理论涉及到晶体的各种一维压电效应的复合效应的研究，其目的主要是为了寻找扭矩和与其相关联的电学量之间的联系，最终完善基于变形的压电效应理论，并在此基础上开发出新型扭矩传感器。在大连理工大学机械工程学院传感测控研究所的孙宝元教授、吴涧彤博士t 6 j 和郭莉硕士【7 】等人近4 年的不懈努力下，压电晶体扭转效应的理论分析和实验研究取得了一定的进展。但如前文所述，“压电晶体扭转效应”的概念为国内外首次提出，带有一定的探索性，从理论分析到工程应用之间尚有大量的工作要做。1 2 压电效应研究的历史与现状压电效应发现的历史可追溯到1 8 1 5 年c o u l o m b 第一次在理论上提出了设想，即机械压力能产生电信号。该设想导致了在1 8 2 0 年h a u y 和b e c q u e r e l 通过实验进一步提出了由于受压产生的电荷主要是摩擦生电或接触生电。b e c q u e r e l 参照拉伸橡胶生电的原理，提出在晶体材料受压时可能出现同样的效应( 生电) ，这种拉压生电的原因可能是由于材料的各向异性所致 8 】。勿容置疑压电效应的正式发现要等到1 8 8 0 年c u r i e 兄弟( p i e r r ec u r i e 和j a c q u e sc u r i e ) 在研究热电现象和晶体对称性的关系时，在j a c q u e sc u r i e 的实验室里在口石英晶体上最先发现了压电效应，他们得到的结论为 9 】“对于一些晶体有一个或多个晶轴( 借助于该晶体所属点群中的其他对称操作不能使其两端相互重合( 译者著) ) ，当有温度变化时，在这些晶轴方向上两端会产生极化电荷。这就是现在所说的热电效应”；“在相同的晶体上，我们发现一种新的产生极化电荷的方法当有变化的压力沿这些半面晶轴作用时也会产生相应的极化电荷”。1 8 8 1 年h a n k e l 建议用“p i e z o e l e c t r i c i t y ”来描述这种力电效应，词头“p i e z o ”来自希腊文“p i e z e i n ”，意思是“加压”，表示晶体加压后能产生电现象。c a d y 对这个词所下的概括性定义如下：“压电是因某些种类晶体上的机械应变而产生2第一章绪论的电极化，这种极化的强弱与应变的大小成正比，极化的正负随应变的方向而变化”，从这以后这个词被大家广泛采用。1 8 8 1 年l i p p m a n 根据热力学原理和能量守恒及电荷守恒定律从理论上预言了逆压电效应的存在。同年，c u r i e 兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会出现应变和应力，并发现压电效应是固态电介质的力学参数和电学参数之问的线性耦合效应，同时获得了石英晶体相同的正逆压电常数，证明了正逆压电效应具有相同的压电常数。在1 8 9 0 年n e u m a n n 通过实验建立了描述晶体物理性质的三条准则，使得解决压电效应与晶体对称性的关系成为可能。1 8 9 0 年f e d e r e v和1 8 9 1 年s c h o e n f i e s 相继用群论方法系统地解决了晶体的分类问题，证明了具有周期性排列规则的晶格按晶系，点群和空间群由粗到细共分成7 个晶系，3 2 个点群和2 3 0 个空间群。晶系按结晶学晶胞的三个边长和三个边之间的夹角的相互关系来区分，点群描述了晶体的方向对称性，面空间群还同时描述了晶体的平移对称性。在1 8 9 3年l o r dk e l v i n 提出了一个简单的原子模型来解释压电效应，以后d u h e m 和p o c k e l s对压电效应的发展都做出了相应的贡献 1 m 。但是直到1 8 9 4 年w o l d e m a rv o i g t 用热力学唯象理论推导出压电方程，并得到了热电和压电与晶体对称性的关系，才使压电效应理论逐渐走向成熟。w o l d e m a rv o i g t通过综合考虑晶体对称性与弹性张量和电场矢量对称性指出，在3 2 中点群中仅无对称中心的2 0 种点群的晶体才可能具有压电效应。因为在这2 0 类点群的晶体的三阶张量独立分量数不等于零，从而可以产生压电效应，因此压电晶体的必要条件是其没有对称中心。1 9 1 0 年，v o i g t 在他的专著“l e h r b u c hd e rk r i s t a l l y z i k ”【l l j 中第一次提出了张量的概念，定义了压电张量、弹性张量等物性参数，并指出控制晶体压电行为的方程由张量相互联系，应力张量正比于应变张量，应变张量又正比于电场张量。因此，耦合力学量与电学置的压电系数是相同的。同时提出了下标缩并法可将三阶张量变换为二维的形式，所以压电方程可以写成二维空间的形式。由于v o i g t 的这部专著是有关压电性方面的第一本经典的著作，张量的定义流行甚广。第二次世界大战期间，石英和其它晶体的压电效应在军事和通讯技术上得到了广泛的应用，使得关于压电方面的术语越来越多地出现于技术领域。在1 9 2 0 年，m b o r n 用晶格动力学研究立方晶系介电、热电和压电效应，并从理论上推导b z n 8 的压电系数。到后来c a d y 从应用技术角度出发总结出与压电效应有关的晶体性质时，改称弹性常数为弹性刚度常数、弹性模量为弹性顺度常数、压电常数为压电应力常数和压电模量为压电应交常数，此时压电效应才真正从理论上具有的神秘色彩转化为实际应用【1 2 j 。m a s o n 在总维压电效应的难象理论和技术应用时也采用了c a d y 提出的这些定义【l ”。后来，国际上关于压电方面的术语基本上以此为准。压电学是晶体物理学的一个分支，它是研究压电材料在机械应力或电场作用下所发生的弹性效应和电极化效应相互耦合原理及其应用的- - f 科学。压电效应的发现虽然已有百年，但在早期主要着重研究晶体的物理现象，由于应用上没有重视，因而发展缓慢。压电效应最开始的应用仅仅用于测量电荷，利用它产生已知电荷来测量电压、电流、电容等电学量【1 4 】。但公认压电效应的真正应用要追溯到第一次世界大战。在战争期间，由于德国潜艇击沉了大量船只，所以迫切需要寻求一种方法来定位潜艇，而无线电波不能在海水中传播，所以最好的办法就是利用声波来监视潜艇。t 9 1 7 年，p a u ll a n g e v i n 使用压电激励的石英片产生水中声波，制成水下声波探测器来探测潜水艇，从而开辟了超声学和水声学领域，也揭开了压电应用史的光辉篇章，他也被誉为声纳之父【1 5 】一战后不久石英变换器和换能器就得到了重要的应用，g w p i e r c e 发明了超生干涉计用来测量波长和速度。t 9 2 7 年，w o o d 和l o o m i s 首次采用l a n g e v i n 式变换器和真空管研刽大连理工大学博士学位论文成功了可产生高能超声信号的石英换能器。尽管在水声研究中石英晶体很快就被罗谢尔盐所代替了。但当要求高稳定性和低温度频率系数时，石英晶体又起着不可替代的作用，广泛应用于晶振器的频率控制和选频滤波器中“”。观察压电晶体在激振频率接近其机械谐振频率时的特性，引发了压电谐振器件的研究，a m n i c h o l s o n 和w c a d y 是这一领域的先驱。早在1 6 5 5 年由法国罗息的药剂师息格涅特( p i e r r e d el as e i g n e t t e ) 制备出酒石酸钾钠( 即罗息盐n a k c 4 儿0 。4 h 。0 ，简称r s ) ，1 8 8 4 年，f p o c k e l s 对它的压电效应进行定量测量，到了1 9 1 7 年贝尔电话实验室的a n i c h o l s e n 用它做成拾音器、微音器和扬声器，并取得了使用罗息盐晶体振荡器的专利【l “。1 9 2 0 年，c a d y 获得了一种振荡器电路的专利，从而第一个压电谐振器于1 9 2 1 年问世【“j 。他的振荡器是一种三级放大器，而石英谐振器则位于反馈电路中。c a d y 在他的著作p i e z o e l e c t r i c i t y 论述了谐振器的研究，并阐述共振的石英晶体和电力振荡器之间的联系以及穗频的方法。稍后，p i e r c e 证明了晶体控制振荡器可以只用一个真空管作成，与此同时，b u t t e r w o r t h ( 1 9 1 5 ) 、v a nd y k e ( 1 9 2 5 ) 、d y e ( 1 9 2 6 )和m a s o n ( 1 9 4 3 ) 进行了晶体谐振器的机械参数及等效电路的研究，这些研究更深入的探讨了如何利用晶体谐振器来制作滤波器和振荡器，尽管对它的研究姗姗来迟，但它还是在很大程度上影响了电子设备的发展。在第一次世界大战初期，电子管设备第一次应用在电话线路中，并于战争末期应用在无线通信设备中。下一步重要的发展是在通讯中的应用，美国国家标准局首次应用石英晶体振荡器作为频率标准；1 9 2 6 年，石英谐振器首次用于发报机的稳频。这标志着石英晶体振荡器应用的开始。从这以后，压电效应获得了飞速的发展，广泛应用在航空通信、信号发射和民用通信中的在频率控制、滤波和换能等方面逐渐得到广泛应用。在石英晶体谐振器发展的历史中，值得提的有如下标志性事件：w a m a r r i s o n在贝尔实验室工作时发现可对石英晶体进行温度补偿，当f r l a c k 、g w w i l l a r d 和i e f a i r 在1 9 3 4 年发现了a t 和b t 切型后，这一初期的结论得到进一步的研究。这两种切型至今乃在世界范围内广泛应用。1 9 3 3 年，i 。k o g a 和n 。t a k a g i 分别发现a t切和b t 切具有较好的温度特性。随后又发现了一系列晶体切型，s c h i g h t 和g w w i l l a r d 发现c t 切和d t 切，s c h i g h t 又发现e t 切和f t 切，w m a s o n 发现g t切。s y k e s 和w a r n e r 等人对晶体表面的电极布置做出了重大贡献，这些技术今天仍然得到广泛的应用。最近又涌现出一批双转角切型，具有代表性的是e e r n i s s e 发现的s c 切和b e s s o n 发明的b v a 谐振器。t 9 2 0 年后，j v a l a s e k 又迸一步发现罗息盐具有铁电性，它在外电场作用下能够极化反转，具有电滞回线，在居里点附近出现介电异常。1 9 2 1 年，j v a l a s e k 发现单晶体的铁电效应和压电罗谢尔盐，它是第一个被发现具有铁电效应的材料。在这之后很多年罗谢尔盐是所知道的唯一铁电材料，但现在已发现了上百种铁电材料。铁电材料之所以能作为变换器，是由于这类材料即具有自发极化又具有感应极化的性质，而且相对于石英这样的压电晶体来说，它们具有很高的机电耦合系数，但它们的稳定性不如石英晶体。从十九世纪八十年代发现压电效应到二十世纪四十年代以前，压电效应的研究和应用只局限于晶体材料，到目前为止，发现并进行过测量的压电晶体不下五百余种。但多数晶体的压电效应很弱，已被仔细研究的只有几十种，其中只有几种得到了广泛应用。这是因为看一种压电晶体是否有实用价值，除了看其压电系数和机电耦合系数( 测量压电晶体机械能与电能之间耦合的重要参数) 外，还必须考虑其压电参数对温度和时间的稳定性、机械强度和成型加工性能、化学稳定性以及是否易于获得大块均匀单晶等因素。一些水溶性压电晶体，如酒石酸钾钠( k n t ) 、磷酸二氢铵( a d p ) 等，4第一章绪论压电模量大，也易于获得大单晶，在2 0 世纪4 0 、5 0 年代曾广为应用并一度大量生产，但是由于其稳定性和机械强度较差，易潮解，限制了它们的应用”。通常人们把压电晶体分为非铁电性压电晶体和铁电性压电晶体，非铁电性压电晶体晶体包括锗酸铋晶体，碘酸锂晶体和正磷酸铝晶体等剧j 。锗酸铋晶体为b b o z - g e 0 2( 简称b g 0 ) ，这是一种具有优良性能的电光及压电晶体材料。锗酸铋晶体属于立方晶系，点群对称性为2 3 ，b g o 晶体的压电效应来源于在有效力场的作用下，g e o 。阴离子基团结构组成的正四面体中的正电荷中心，g e 原子的相对位移而发生的极化结果。b g o晶体具有一次电光效应、二次电光效应及光电导效应的性质，由于其高对称性，b g o晶体能产生理想的纯振动模式，由 1 l o 晶片制成的厚度剪切模式的换能器，耦合系数岛5 = 2 4 ； 1 1 1 晶片制成的厚度伸缩模式的换能器，耦合系数南【- 1 6 。b g o 晶体的传声性能优良，s a w 速度较低，适合于制作延时器件，由于它是立方晶体结构，所以s a w 的传播几乎是各向同性的，这样不但使其与晶轴成一个角的方向上传播表面波成为可能，而且使其沿着弯曲线周围传播表面波也成为可能。利用这个特点，可以制成环绕式延迟线，使s a w 沿基片的螺旋形轨迹传播，延迟线的有效长度比基片的物理长度长许多倍，利用它的环形通道传输时不会产生伪表面的特征，制成了延时长达2 7 m s的环绕式延迟线。另外种很有前途的压电非铁电晶体是正磷酸铝晶体，关于正磷酸铝的研究，虽然在1 9 3 5 年就开始了，但是直到1 9 5 4 年美国的s t a n le y 才成功地在e轴方向生长出比较大的晶体，到了1 9 7 5 年，随着声表面波的发展，需要研究一种能用于体波及声表面波器件的具有较好的温度特性，满意的机械性能和高耦合系数的材料时，这种材料才得到重视和发展。正磷酸铝晶体的优点很多，它的耦合系数在体波与声表面波的应用中，比人造石英的大2 4 倍，磷和铝是很普通的材料，价格又便宜，正磷酸铝晶体可采用人造石英相同的方法水热法得到，但它的生长温度与压力比人造石英的低得多，这样即可节约能源又有利于安全。它主要用于制作体波及声表面波元器件，还可以制作压控振荡器、温度补偿晶体振荡器等【2 l j 。由于铁电性晶体一般都具有良好的压电、热释电和电光性能。因此铁电性晶体的研究也格外引人注意，发展十分迅速。1 9 2 0 年发现了酒石酸钾钠晶体具有铁电性，1 9 3 5年发现了水溶性铁电晶体磷酸二氢钾( k d p ) ，1 9 4 5 年发现了钛酸钡晶体具有铁电性，1 9 5 3 年发现了钛酸铅晶体，1 9 6 3 年发现了铌酸锂晶体，1 9 9 6 年制备成功性能优良的铌镁酸铅一钛酸铅( p 州t ) 和铌锌酸铅一钛酸铅( p z n t ) 铁电驰豫晶体，它们均具有良好的压电铁电性能。目前铁电性压电晶体已成为最重要的一大类压电晶体材料，并广泛用于电子、激光、超声、水声、微声、红外、导航、生物等各个技术领域。通常采用的铁电性单晶体有含氧八面体的铁电晶体，如具有钙钛矿结构的钛酸钡、钛酸铅晶体、镐钛酸铅晶体，具有铌酸锂结构的铌酸锂晶体和钽酸锂晶体等，另外还有含氢键的铁电晶体，如磷酸二氢钾( k h 2 p 0 4 ) 和磷酸氢铅( p b d p 仉) 。铁电压电单晶通常采用熔盐法、提拉法或坩埚下降法制备1 2 0 。由于铁电压电晶体通常热导率低，晶界能高，当晶体冷却通过居里点时，在内应力作用下易自行开裂，故很滩制备成大的单晶，而且铁电单晶的压电性能较差，因此铁电性压电晶体作为压电或热释电材料使用时，多采用陶瓷或薄膜材料的形式，从而导致了压电陶瓷和压电薄膜等材料的研究。第二次世界大战对压电材料的研究起到了巨大的推动作用，研究发现磷酸二氢铵( a d p ) 比罗谢尔盐更适合作潜艇声学研究。这个时期，a v s h b n j k o v 预言非晶体和多晶体也存在压电效应，这个预言后来分别被证实了。在1 9 4 6 年左右，a y o n h i p p e l 、b w u l 、a r z h a n o v 、t o g a w a 、s m o l e n s k y 等人分别对钛酸钡和钙钛矿类进行研究，发现它靠 具有很强的铁电特性【2 2 j ，到了1 9 4 7 年美国的r o b e r t s 才发现其压电性【2 3 2 4 1 。大连理工大学博士学位论文这些发现极大的促进了铁电陶瓷特性的研究及它们在各种器件和系统中的广泛应用。从这以后，压电陶瓷的发展较快，在不少场合已经取代了压电单晶，促使压电单晶向新的领域迈进，当前陶瓷、薄膜、聚合物和复合材料是压电材料和器件的几类主要材料1 7 l 。二十世纪五十年代初期，为了进一步改善b a t i0 3 陶瓷谐振频率的温度稳定性，人们一方面对b a t i o 。陶瓷进行改性，另一方面研究以铌酸铅为代表的铌酸盐固溶体的压电性。1 9 5 4 年j a f f e 等人 2 5 j 公布了锆钛酸铅( p z t ) 固溶体陶瓷压电性能的研究结果，发现锆钛酸铅锆钛酸铅( p z t ) 固溶体在类质异晶相界附近具有优异的物理性能，它的机电耦合系数、压电常数、机械品质因素、居里温度和稳定性都有不少改善，它的出现大大扩展了压电陶瓷的应用领域，从而使压电陶瓷不仅用于一般的滤波器和换能器，而且还可以用于水下通讯、电声、变压器，引燃引爆装置和超声延迟线，促进了新型压电材料和器件的研究【2 6 j 。p z t 压电陶瓷1 9 5 4 年在美国获得了专利权，但1 9 5 3年日本就公布了p b z r o a 和p b t i o 。固溶体的相图。图的中间部分相当于p z t ，遗憾的是日本未将基础研究和应用研究结合起来，没有研究p z t 的压电性，因而失去了专利权幽j 。此后在1 9 6 5 年，日本松下电气公司的科研人员在二元系p z t