五、材料的压电性能.ppt

1、第五部分、材料的压电性能,授课：付鹏 QQ:54085222 E-mail: ,第五部分 压电与铁电性能,压电性能；热释电性；铁电性能。,1880年，J.Curie和P.Curie兄弟首先发现压电效应； 1920年，Valasek发现铁电体； 40年代中期，压电材料开始广泛应用。 60-70年代达成熟阶段。,对晶体对称性的研究，法国居里发现压电效应。,Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.,Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906,某些物质沿其一定

2、的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应” 机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。,一、压电效应的基本原理,1 压电现象,压电效应及可逆性,2、压电效应的物理机制 (1) 压电单晶,晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而

3、产生的。,(1) 压电单晶,(2) 压电陶瓷,压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，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），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面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。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向增强，而使表面的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。,(2) 压电陶瓷,（3）压电效应产生的条件,晶体结构没

4、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。,（4）压电材料的压电常数,张量表示的必要性：,T1T3分别为沿 x、y、z 轴的正应力（或应 力分量）， T4T6分别为绕 x、y、z轴的切 向应力， D1D3分别是 x、y、z 表面由于压 电效应而产生的电荷面密度。,石英晶体,BaTiO3陶瓷,因为晶体对称原因，只有以上几个压电应变常量不为零，其他都为零,二、 压电振子的谐振特性,压电振子：极化后的压电体。 谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频率 与压电体的固有频率一致时，产生谐振。,1 谐振特性,谐振频率：形成驻波的频率。

5、形成驻波的条件：L= n / 2 振动频率：f r=u/ （ u-声波的传播速度，与物体的 密度和弹性模量有关） 谐振线度尺寸与频率的关系：L= n（ u/ f r ） / 2 n=1, 频率为基频，其它为二、三次等泛频，当发生谐振时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小(电流最大)的频率f m附近，此频率为最小阻抗频率。频率继续增大，阻抗达到一个极大值，相应的频率f n叫做反谐振频率。,压电振子的阻抗频率变化,2 晶体振荡电路 （1） 石英晶体的谐振特性与等效电路 石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件, 其结构和外形如图7.12所示。 石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片,

6、 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的, 然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层, 并装上一对金属板, 接出引线, 封装于金属壳内。 ,为什么石英晶体能作为一个谐振回路, 而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。 物理学的研究表明， 当石英晶体受到交变电场作用时，即在两极板上加以交流电压，石英晶体便会产生机械振动。 反过来，若对石英晶体施加周期性机械力， 使其发生振动， 则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷, 即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时，便会产生“机电共振”， 振幅明显加大， 这种现象称为压电谐振。 它与LC回路的谐振现象十分相似

7、。,图 7.12石英晶体谐振器 (a) 石英晶体振荡器； (b) 外形图,压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。 从电路上分析, 石英晶体可以等效为一个LC电路, 把它接到振荡器上便可作为选频环节应用。 图7.13为石英晶体在电路中的符号和等效电路。 ,图 7.13石英晶体的符号和 等效电路 (a) 符号； (b) 等效电路,图7.14 石英晶体的电抗频率特性,图7.14为石英晶体谐振器的电抗-频率特性。 由图7.14可知, 它具有两个谐振频率, 一个是L、 C、 R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs， 另一个是L、 C、 R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp，由

8、图 7.13 等效电路得:,（7.13）,（7.14）,通过该等效电路图求出这一电路的阻抗绝对值， 对其求导，在R=0时，求出fm，fn fm=1/2(L1C1)1/2 (串联谐振） fn=1/2L1C1C0/(C0+C1) (并联谐振）,压电振子的等效电路,根据高频电子线路的知识可以 知道，压电振子的交流等效回 路是LCR电路，存在两个谐振 频率：串联谐振频率S 和并 联谐振频率P 。,三、压电方程,负号的含义 加电场后，造成同等应变需要的应力降低,负号的含义 加应力后，造成同等极化需要的电场降低,负号的含义 允许极化时，造成同等应变需要的应力降低,负号的含义 允许应变时，造成同等极化需要的

9、电场降低,四、压电性能的主要参数,五、压电材料的分类及特性,压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。,（一）石英晶体（单晶） 石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定。它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。,（二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。 常用的压电陶瓷材料主要有以下几种： 1. 锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 2. 非铅系压电陶瓷,（三）高分子压电材料 高分子压电材料是一种柔软的压电材

10、料。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出压电特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制。在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。,六、压电传感器的应用,石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；而高分子压电材料多用作定性测量。下面分别介绍几种典型的应用，并对振动测量给予简介。,压电材料的应用,1.玻璃打碎报警装置 玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波（高于20kHz）的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,2压电式周界报警系

11、统 周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的是一条边界包围的重要区域。当入侵者进入防范区之内时，系统就会发出报警信号。,3.交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以判定车速、载荷分布、车型等。,压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。因此与之相配的前置放大器有电压前置放大器和电荷放大器两种形式。,3.电荷放大器,压电式加速度计,(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型,S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。,它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有

12、频率时，则力的变化与被测加速度成正比。,压电式铝壳蜂鸣器,胶壳引线蜂鸣器广泛应用于电话机、电子钟、电器产品、防盗报警、井下报警、烟雾报警和电子玩具发声之用途。铝壳蜂鸣器可应用于电子台历、数码相机、各种仪器仪表、防丢防盗器、验钞机、玩具等发声用途。,7.1 自发极化,在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态。 这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化,氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。,（b）由热运动导致的自发极化,较高温度时，钛离子热振动能较大，

13、难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。（如图A所示）,较低温度时，钛离子热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能偏离平衡位置向某一个氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。（如图B所示）,由极性轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度，也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大部分是一个电畴。这样晶体具有

14、热释电性，大都为单畴体。 由热运动引起自发极化的晶体，产生多畴，有居里点和电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和铁电性。,C、 两种自发极化机制的比较：,热释电效应：热释电晶体除了由于机械应力作用引起压电效应外，还可以由于温度变化时的热膨胀作用而使其电极化强度变化，引起自由电荷的充放电现象。,5.2 热释电性效应,产生的条件： 一定是具有自发极化的晶体，且在结构上应具有极轴。所谓极轴，顾名思义是晶体唯一的轴，在该轴两端往往具有不同的性质，且采用对称操作不能与其它晶向重合的方向。,石英晶体：,加热前,加热后,图示：压电体不一定具有热释电性,5. 3 晶体的铁电性,在热释电晶体中，有若干种点群的晶

15、体不但在某温度范围内具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性。具有这种性质的晶体成为铁电体。 铁电体的共同特征：具有电滞回线；具有结构相变温度（居里点）；具有临界特性 铁电体重要的特征之一是电滞回线。,电畴,Ps：自发极化强度； Pr：剩余极化强度； EC ：矫顽场强。,电 畴,设一铁电体整体呈现自发极化，晶体正负端分别有一层正、负束缚电荷。在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，整个均匀极化的状态不稳定，晶体趋向于分成多个小区域。每个区域内部偶极子沿同一方向，但不同小区域的方向不同，这每个小区

16、域称为电畴（简称畴）。畴之间边界区域称之为畴壁。,BaTiO3晶体电畴结构示意图,为减少静电能，电畴取向呈杂乱分布，施加电场后，通过畴壁运动，多畴体变为单畴体，电场进一步升高则只能带来电子和离子位移极化。,电畴结构示意图,（2）居里温度：铁电顺电转变温度,当温度高于某一数值时，由于热扰动，自发极化变为零，晶体将不再具备铁电性，这一临界温度就称为居里温度Tc。 在居里点以下，由于存在自发极化，晶体呈现铁电性，为铁电相。居里电以上，材料为顺电相。 BaTiO3的例子： 120 05 909 ,（3）临界特性,晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变

17、化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。,5.4 铁电性、压电性、热释电性的关系,一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观条件,具有压电性的晶体不一定就具有热释电性，但具有铁电性的晶体一定具有热释电性。三者的关系如下图所示。,一般电介质、压电体、热释电体、铁电体所属的点群,压电材料分类及其应用,1、压电单晶材料：如水晶（石英）、LiNbO3、Bi2GeO3、Li2GeO3、Li3BO4等。 2、压电陶瓷材料：如BaTiO3、PbTiO3、PZT以及其它三元系陶瓷。PZT: Pb(Zr1-xTix)

18、O3 3、压电薄膜：如ZnO、CdS以、AlN、PLZT等 4、压电高分子：天然高分子，如骨、DNA、聚氨基酸；合成高分子，如聚偏氟乙烯（VDF）、偏氟乙烯与三氯乙烯共聚物VDF/TrFE 5、压电复合材料：由压电陶瓷和高分子聚合物或其他材料复合而成，性能可大幅度调整。,（1）压电材料的分类,（2）压电材料的应用,压电功能： 扬声器、送话筒、晶体振荡器等等 热释电功能： 红外热电探测器等 铁电功能： 压电振子、铁电存储器、精密位移 计、陶瓷滤波器、电子打火器等等 电致伸缩功能： 电光功能： 电控双折射、电控光散射,（3）压电振子的振动模式 伸缩振动、切变振动、弯曲振动,伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。 包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。 切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。 包括平面切变振动、厚度切变振动。 纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。 横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。 弯曲振动