压电效应ppt课件

1、压电效应，王春雷山东大学物理大学晶体国家重点研究所，石英晶体：石英晶体的结构，培养，主要特性，质量检验，缺陷，电清洗压电效应：压电效应，压电晶体，切割型和方向，旋转坐标系，频率温度系数振动模式：振动模式压电效应由压电方程描述。材料的压电特性由压电常数决定。不是所有材料都有压电性能，只有满足一定对称性的晶体材料才能有压电效果。比较：电扩效应(electrostriction)，电压作用材料发生与电量平方成正比的变形。几乎所有材料都有电拉伸效果。没有反效果。压电效应：线性效应，正效应，逆效应，电伸缩效应：非线性效应，无逆效应，力学量-电量关系，晶体属于六角晶系32点组，坐标系o-xyz。沿垂直于晶

2、体X轴的方向切割薄芯片。芯片面垂直于X轴，如图4-1b所示。这称为X切割。更详细的说明是，如果芯片的厚度在x轴方向，长度沿y方向，则称为xy切割。该芯片的长度为L，宽度为lw，厚度为lt，在垂直于X轴的两个晶面上涂抹电极，并连接到冲击电流表(测量功率使用情况)(见图4-1c)。现在分别执行以下实验：(1)芯片沿X轴受到力Fx的作用时，可以通过冲击电流表测量X轴方向电极面的电荷q(1)1。我们发现x轴方向电极面的电荷密度(q(1)1/llw)的大小与x轴方向单位面积中的力(Fx /llw)成正比。也就是说，(q(1)1/llw)是极化的，(Fx/llw)是X方向的应力X1，(4-1)，因为内部应

3、力作用于物体的总力矩为零，所以存在以下关系：作用于立方体的应力张量元素、缩写下标3360、应力、应变长量圆的定义、缩写下标3360、变形：变形的相对变化量、拉伸变形：扩展相切变形：sheetension比例系数d12有时称为压电常数。X1=X2时，P(2)1=-P(1)1，因此您可以得到d11=-d12。也就是说，晶体中压电常数d12的大小等于压电常数d11的负值。(3)芯片在Z方向的力Fz作用时，会冲击电流表，发现X方向电极面没有电荷。例如，(4-3)，因为X30，压电常数d13=0。由此可见，对于X切割石英晶片，Z方向受应力X3影响时，在X方向不会发生压电效应。(4)芯片由剪切应力X4操作

4、时，通过冲击电流表测量X方向电极面的表面电荷密度(q(4)1/llw)=P(4)1，并发现P(4)1和X2为正数，(5)芯片通过剪切应力X5或X6作用时，会冲击电流表，发现X方向电极面没有电荷，(4-5)，(4-5)，X50，X60导致压电常数d15=0，d16=0，上述实验结果电场E=0时，应力张量X对Y方向的极化强度分量P2的贡献是，(，选择z方向作为电极面，然后重复上述实验)。电场E=0时，应力张量x对z方向极化强度分量P3的贡献为，(4-8)，(4-8)，(4-8)，在压电物理学中，经常使用电位移d代替极化强度p，当电场E=0时，D1=P1 0ep=将此关系即，根据(4-6)、(4-7

5、)和(4-8)式的结果，可以获得石英晶体的正向压电效应。(1)晶体在任何方向都没有压电效应，只能在任何方向，任何力的作用下产生正压效应。例如，在修正X方向，仅当X1、X2、X4工作时，才能在X方向进行滚动，但X3、X5、X6不能在X方向进行滚动。在石英晶体的Z方向上，无论在什么方向作用，在Z方向上施加压力都会渡边杏。(2)逆压电常数等于正压电常数，一一对应。(3)正压电效应方向具有相应的反向压电效应。晶体中如果其方向有正压效应，那么这个方向一定会有逆压强效应。一般情况下(例如，三射系统的压电晶体)，逆压力效应以矩阵表示。旋转：transpose，将正压效应方程与逆压电效应方程进行比较，表明逆压

6、电效应表达式中的压电常数矩阵是正压电常数矩阵D的旋转矩阵。通常表示dt。Dt是一个6行3列的矩阵，因此逆压电效应方程是，压电选择：并非所有方向都具有压电特性。什么是频率温度系数？什么因素决定频率温度系数？为什么要剪？以石英谐振器长度拉伸振动模式的频率方程为例，说明了频率温度系数，(10-1)。其中是芯片的密度。l是芯片的长度。n是泛音数，即通过石英片的半波数(正奇数)。弹性服从系数，旋转角度。影响频率温度系数的因素：芯片的大小和密度(热膨胀，收缩)，弹性常数(随温度变化)！长度拉伸振动的基本和初级谐波的位移图，节点，夹具的固定位置，频率温度系数的定义，其中：T0是参考温度，通常是室温。第一频率

7、温度系数，第二频率温度系数，第三频率温度系数，n次频率温度系数，零次温度系数切线3360 (ZTC，零temperature coefficient)表示第一频率温度系数为零的切线类型，长度扩展振动模式的频率，注意同样理论预测的频率温度系数也有实际情况和偏差，以减少实验工作量为参考。，长度伸缩振动模式下的频率温度系数：长度伸缩振动模式下的切线：(XYT):=0，5，18.5是绕x轴旋转的角度，弹性常数s22的第一温度系数随旋转角度变化，第一频率温度系数随旋转角度变化。二次频率温度系数，长度拉伸振动模式频率方程长度扩展振动模式频率的每一步频率温度系数与每一步弹性常数的温度系数，密度温度系数与热膨

8、胀系数的关系，修正决定弹性服从系数矩阵：6个独立常数，18个非零。S11=12.7710-12 m2/N；s33=9.610-12 m2/N；s55=20.0410-12 m2/N；S12=-1.7910-12 m2/N；S13=-1.2210-12 m2/N；s14=4.510-12 m2/N；s66=2(S11-S12)=29.1210-12 m2/N；s56=2s14=9.0010-12 m2/N；修正遗传常数矩阵：3个非零值，2个独立值，11=4.520，33=4.680；0=8.85410-12F/m；切削符号规定：IRE符号、X、Y和Z表示晶体的三个轴，L、W和T表示芯片的长度、宽

9、度和厚度。例如：xy切线指示芯片的厚度与X轴平行，长度与Y轴平行，第一个字符指示厚度方向，第二个字符指示长度方向。另一个示例：xz切向表示芯片的厚度与X轴平行，长度与Z轴平行。也有一些Xy切线型和xz切线型简称为x切线型。长度、宽度、厚度、芯片相切图、XY-相切XY-cut、XZ-相切XZ-cut、YZ-相切YZ-cut、一次旋转切削Xyt 45切削的厚度方向平行于X轴，长轴平行于z轴，绕厚度逆时针有时，此切削也称为45x切削。yzw-50相切yzw-50 cut，xyt 45相切xyt 45 cut，1旋转相切图，2旋转相切，yzlt40/50相切，厚度方向平行于y轴，长轴平行于Z轴，绕长度

10、逆时针旋转40，yzlt 40/500X切割是最先采用的切割，X切割的芯片，频率温度系数约为-3010-6/度，不理想。y切割芯片的频率温度系数高，约为10010-6/度。因此，y切割芯片很少用于生产。目前生产中广泛采用的切割方式如图4-15所示。石英晶体的一般切割类型，一般石英切割类型，这种切割的温度系数在大范围内接近于0。高频中常用的切割为： AT切割(=3515)，250 khz 3 MHz；中选择所需的构件。BT切割(=-49)套用至3MHz或更高。低频方面常用的切削是CT切削(=3836)为100kHz400kHz适用于。DT切割(=-51)为70kHz500kHz中选择所需的构件。

11、ET切割(=66)为250kHz800kHz中选择所需的构件。FT切割(=-57)为200kHz600kHz中选择所需的构件。GT切割(二次旋转)为100kHz500kHz中选择所需的构件。晶体切割习惯符号和IRE符号对应关系、压力方程式、第一类压力方程式、一般格式：矩阵格式：D:压力变形常数压力位移器要求高D常数。原子力显微镜，这个方程的特征是应力X，电场强度E作为自变量，变形X，位移D作为变量。也就是说，变形X，位移D的变化被认为是应力X，电场E的变化引起的。还包含短路弹性相容常数sE、自由介电常数X和压力常数D。第二类压电方程，一般格式为：矩阵格式：e:压电应力常数，格式中的：cE称为段

12、落弹性刚度常数，是当外部电路短路时测量的弹性刚度常数。x称为机械夹紧遗传常数，是在机械夹紧条件下测量的遗传常数。第三类压电方程，一般格式如下：矩阵格式：g:压电电压常数压电点火器要求高G常数，sD称为开放弹性服从常数，是在外部电路开放的情况下测量的弹性服从常数。x称为自由介质隔离率。，第四种类型的压电方程，一般格式为：矩阵格式：h:压电刚度常数，cD称为开放弹性刚度服从常数，是在外部电路开放的情况下测量的弹性刚度常数。x称为钳形介质隔离率。徐璐其他压电方程都描述了相同的压电效应，因此徐璐其他压电方程之间的参数并不独立。可以从一组参数中获取另一组参数。但是由于应变的定义和二次压电效应的原因，根据

13、压电方程的参数形式，可能会有一些差异。(David aser，Northern Exposure，季节)所有参数中非零矩阵元素的位置相同，但矩阵元素之间的关系可能不同。例如：压电变形常数D和压电电压常数G的格式相同，d26=-2d11，g26=-2g11。压力应力常数E和压力刚度常数H的形式相同。e26=-e11，h26=-h11。旋转坐标系中的压电方程，典型的压电方程是主轴坐标系中的压电方程，介电常数，弹性常数和压电常数是主轴坐标系中的值。这些数字可以在相关手册中找到。但是，实用的压电芯片位于与主轴坐标系不同的坐标系中(通常以芯片的长度、宽度和厚度为轴)。因此，压电常数、弹性常数也不同。但是

14、，这些参数在晶片座标系统中的值可透过座标转换取得，包括温度系数。以确定轴、主轴、轴、第一类压力方程为例，说明了在旋转坐标系中获得压力方程的方法。其他压力方程式的转换类似。主轴坐标系：已知s，d，芯片坐标系：未知s，d，坐标转换：参数转换：转换的参数是晶片坐标系中的参数。这些参数可以确定压电常数的大小。可以计算压电谐振子的频率温度系数。可以对压电驱动器的振动模式进行分析。具体转换过程的数学表示很麻烦，坐标转换矩阵，压电常数d26随旋转角度变化。AT和BT切线设计，压电常数d25随旋转角度变化。通过CT和DT切线设计、修正结晶压电常数矩阵、徐璐其他切线型，消除或减少相交项目的弹性常数。更好的单频率裴珉姬！分析弹性服从(平滑)常数、compliance、各种旋转角度的压力常数、弹性常数和温度系数。根据需要设计其他切削芯片。相切符号：直角座标系统；因为性能分析很方便。示例：AT相切=(yxl)35，方向切削：确定轴坐标系；因为x射线方向方便。晶面的表达(hkl)或(hkil)表示原子平面。获得(hkil)后，计算原子面间距dhkl，最后计算X射线衍射角度。方向余弦，绕X