第八章 压电器件.ppt

1、第八章 压 电 器 件,本次课的要点： 1、掌握压电效应的基本知识； 2、熟悉常见的几种压电材料及其特点； 3、认识几种常见的压电陶瓷滤波器；,9.1压电效应,9.1.1 压电效应的概念 1、定义： 1）正压电效应：晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程 2）逆压电效应:晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。,2. 作用 压电材料可实现机械能电能量的相互转换。,3、有无压电效应的判断 晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩（极化强度

2、）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性；另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。,具有压电效应的晶体,不具有压电效应的晶体,主要参数 1、压电常数 它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。 2、弹性常数 压电材料的弹性常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 3、介电常数 对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。,4、绝缘电阻 压电材料的绝缘电阻可减少

3、电荷泄露，改善传感器 低频特性。 5、机械耦合系数 在压电效应中，其值等于转换输出能量与输入能量之比的平方根，它是衡量压电材料电能量转换效率的重要参数。 6、居里点 压电材料开始丧失压电特性的温度。,9.1.2 常见的压电材料及其特点,常见的压电材料按其结构特点分为三类：压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜。 一、压电单晶 常用的压电单晶有石英、磷酸二氢铵、锗酸铋等。 特点：重现性好、稳定性高，但培养单晶比较困难，成本较高。 二、压电陶瓷 压电陶瓷片时利用某些陶瓷的压电特性效应制成的具有选择性的器件。 钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）,石英,特点：压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的。它制造工艺

4、简单，价格低廉，容易制成任意形状，尺寸不受限制，而且可以通过成分和工艺的适当调整和选择来改变其各项性能，缺点是重现性和一致性较差，均匀性和机械强度不够理想，限制了它在更高频率范围的应用。 三、压电薄膜 它是用溅射或蒸镀等方法制备的具有高度取向性的薄膜压 电材料，如硫化镉、氧化锌等。还有一些以有机高分子化合物制成的薄膜压电材料，其特点是具有良好的成型性和柔顺性，加工也比较简单，可制成大面积薄膜，其中压电性最强的是聚偏二氟乙烯。,石英晶体：如图示，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产生的。,压

5、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），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像增强，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。,常用压电器件： 石英晶体元件 压电陶瓷元件 声表面波器件,压电器件,石英晶体元件,石英晶体元件简称为晶振或晶振元件，它是利用石英单晶

6、材料的压电效应而制成的一种器件。,石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。,晶振元件结构 石英晶片 晶片支架 封装外壳,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,2. 石英谐振器的基本特性与等效电路,C0是晶片的静态电容，相当于平板电容，即由晶片作介质，镀银电极和支架引线作极板构成。几十几pF,Lq、Cq、rq为晶片振动时的等效动态电感、电容和摩擦损耗。 Lq很大

7、，几十几百mH；Cq很小，百分之几pF； rq 为几几百欧。,石英谐振器Q值很高，而且其性能很稳定，因此有很高的回路标准性。,串联谐振频率,晶体等效阻抗为纯阻性,并联谐振频率,通常,所以,2. 石英谐振器的基本特性与等效电路,容性,容性,感性,石英谐振器只在 之间的很窄频率范围内呈感性，且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，具有很强的稳频作用。一般不用电容区。,2. 石英谐振器的基本特性与等效电路,容性,容性,感性,2. 石英谐振器的基本特性与等效电路,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,石英晶体元件的主要参数,标称频率f0 晶体元件外壳所指定的频率。 负载电容（

8、CL） 与晶体元件一起决定负载谐振频率的有效外界电容 激励电平 晶振正常工作时的有效电平 温度频差 在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离。 工作温度范围 晶振元件保持良好的频率特性的环境温度范围。,种类： 陶瓷滤波器（LT） 陶瓷谐振器 陶瓷陷波器（XT）,9.2.2 压电陶瓷片,压电陶瓷片的两面被银作为电极当我们在电极上加以交变电压时，由于压电效应，陶瓷片即随交变信号的变化而产生机械振动，这种机械振动能够转换成电信号的输出。,压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，,一定几何尺寸的压电陶瓷片本身都有一个固定的振动频率，当外加高频信号的频率等于陶瓷片的固有

9、频率时，机械振动最强，输出的电信号也最大，这种现象叫做谐振。与LC谐振回路很相似，因此压电振子可以等效成一个LC谐振回路。 由于压电陶瓷振子输出的电信号是由机械振动转换来的，而机械振动的频响很尖锐，所以Q值(品质因数)很高。采用陶瓷滤波器的中频放大器选择性好、插入衰耗小，因此应用十分广泛。 一个压电振子就组成一个简单的二端陶 瓷滤波器，压电陶瓷片常两面被银，夹在有 弹性的金属电极之间，并用塑料壳封装。,串联谐振频率f0 并联谐振频率f， 当f=f0时，等效阻抗最小，振子产生串联谐 振；当f=f时，等效阻抗达到最大值，产生 并联谐振。 调幅收音机中常用的二端陶瓷滤波器,2、二端压电陶瓷元件,二端

10、陶瓷滤波器的谐振曲线尖锐，谐振电阻小，但通带窄，矩形系数差，类似于单调谐回路，常用于中放的发射极电路代替其旁路电容，有助于提高对中频的选择性。,3、三端压电陶瓷器件 将二端压电陶瓷器件的单面电极分割 成互相绝缘的两部分，即可构成一个三 端陶瓷滤波器。,三端陶瓷滤波器相当于一个双调谐回路，其调谐曲线呈现双峰，与二端陶瓷滤波器相比，其通带宽，矩形系数好，因而具有较好的选择性，可用于代替中频变压器。,： 当1、3两端间的输入信号频率等于陶 瓷片的串联谐振频率f0时，输入电路 就产生串联谐振，陶瓷片在f0频率上 作较大的机械振动，由于压电效应， 这个机械振动又转换成电信号从2、3端输出，且频率也是f0。因此，在三端陶瓷滤波器中，输入电路选出的信号是通过机械振动转换成电信号而耦合到输出端的，这种耦合方式在电路上等效于一个变压器，其变压比n决定于输入、输出电极的面积比，即n2Cp/Cr。,9.2.3声表面波滤波器,概念：具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表面波。,声表面波叉