压电材料、原理、应用.

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1、6.2 压电材料 电介质材料 电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电 阻率大于1010cm的一类在电场中以感应而并非传导的 方式呈现其电学性能的物质。 电介质材料的主要效应： 压电性-压电效应 热释电性-热释电效应 铁电性-自发极化与铁电体 32种点群中，21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其 中只有10种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才 是铁电体。 所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中 心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面 上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。 自发极化 压电效应：在20种晶体上施加压力、张

2、力、切向力时， 则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出 现正负电荷。 热释电效应：10种极性晶体具有自发极化，晶体可以因 温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效 应 铁电效应：极性晶体具有自发极化，且自发极化方向能 随外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是具有 电滞回线。 压电、热释电和铁电效应的关系 电介质(绝缘体)与导体不同，带电粒子被束缚在固定位 置上，在电场作用下，仅能作微小的位移，即产生电极 化，但不产生电流，称这种性质为介电性 极性晶体与非极性晶体 在晶体的32种对称群中，有11种具有对称中心，晶格上 为非极性原子或分子，在电性上是完全电中性的，称为各 向同

3、性介电体另有20种结构的晶体，其结构上无对称中 心，在压力作用下可产生极化现象，此即压电效应 极性晶体的极化可能是自发产生的,此时在结构中产生永 久偶极矩。当环境变化时，此偶极矩可能发生变化，这 种变化可能是大小和方向同时变化，也可能仅仅是方向 上的变化 C热释电效应与铁电效应的实质 两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时 ，自发极化偶极矩发生变化，从而使晶体表面出 现束缚电荷，即热释电效应； 自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此 即铁电效应 D压电、热释电和铁电效应的关系 介电体 压电体 热释电体 铁电体 6.2.1 压电效应 正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时 ，则发

4、生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将 出现正负电荷。这种机械能转化为电能的现象称为“正压 电效应”。 逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产 生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤 去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机 械能的现象称为“逆压电效应”。 自由电荷 极化方向 逆压电效应 极化方向 + + + + + + + 释放电荷 正压电效应 力 + + + + + + + + + + 释放电荷 极性压电效应 极化方向 极 化 方 向 + + + + + + + 非极性压电效应 释放电荷 压电效应可逆性 利用压电材料的这些特性可实现机械振利用压电材料的这些特

5、性可实现机械振 动（声波）和交流电的互相转换动（声波）和交流电的互相转换 压电材料的性能指标性能指标 u压电常数d33 u机电耦合系数Kp u机械品质因数Qm u频率常数N 1、压电常数d33 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电 场）间相互耦合的线性响应系数。当沿压电陶瓷的极化方向（z 轴）施加压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有以下关系式： 式中d33为压电常数，足标中第一个数字指电场方向或电极面的 垂直方向，第二个数字指应力或应变方向；T3为应力； D3为电位移,它是压电介质把机械能（或电能）转换为电能（或 机械能）的比例常数，反映了应力（T）、应变（S）、电场（ E

6、）或电位移（D）之间的联系，直接反映了材料机电性能的耦 合关系和压电效应的强弱。 2、机电耦合系数Kp 机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关 系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的反映。机电耦合系 数的定义是： 或 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体） 的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦 合系数。 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。 伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动

7、。 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。 Kp K33 Kt K15 K31 3、机械品质因数Qm 工业上很多压电元件是利用谐振效应而形成的，比如压电滤波器、超 声换能器、压电谐振器。当压电体所受外施电场的频率与压电体谐振频 率fr一致时，产生机械谐振，但由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而 消耗部分能量，即产生机械损耗。Qm便是描述这种能量损耗的参数 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数Qm是反 映能量消耗大小的一个

8、参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数Qm的 定义式是： 其中： fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容 4、频率常数N 对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度 的乘积为一个常数，即频率常数N。 N=frl 其中： fr为压电振子的谐振频率； l为压电振子振动方向的长度。 薄圆片径向振动 Np=frD 薄板厚度伸缩振动 Nt=frt 细长棒K33振动N33=frl 薄板切变K15振动N15=frlt D为圆片的直径 t为薄板的厚度 l为棒的长度 lt为薄板的厚度 6.2.2 压电材料

9、简要发展历史 l 1.1880 年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使 得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。 l 2.1921 年，J.Valasek 发现了水溶性酒石酸钾钠具有压 电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一 次发现材料的铁电性。 l 3.1941-1949 年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性 能。 l 4.1954 年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅（PZT） 陶瓷的具有 良好的压电性能。在以后的30 年间，PZT材料以其较强且稳 定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主 要功能材料。 l 5.随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来越

10、 高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和开发 性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。 压电材料应用： 机-电耦合之间的纽带！ 作为机械能与电能相互转换的机电换能方面的应用 利用其弹性及固有振动特性，在压电谐振方面的应用 频率器件（滤波器，谐振器），电声器件，超声换能器，压电 加速器，变压器等 压电材料分类： 压电单晶体：有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压 电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫 酸锤等)； 多晶体压电陶瓷：有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷 、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。 高分子压电材料：极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯，低声

11、学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。 压电参数小，需极高的 极化电场(MV/mm) 石英晶体化学式为SiO2，是 属三方晶系的氧化物单晶体 结构。天然结构的石英晶体 外形是一个六角柱状 6.2.3 石英晶体 1 1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体各个方向的特性是不同的 x轴（1轴）：经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴 y轴（2轴） ：与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴 z轴（3轴） ：称为光轴 纵向压电效应：通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为“纵向压电效应”。 横向压电效应：而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z方向

12、的力作用时不产生压电效应。 z x y o 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加作 用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为 d11x方向受力,x方向产生电量的压电系数 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴 垂直的平面上产生电荷qx，其大小为 式中：d12y轴方向受力，x方向产生电量的压电系数， 根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11； a、b晶体切片的长度和厚度。 当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿x 轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方 向施加作用力时，石英

13、晶体不会产生压电效应， 即dz=0 y y x x z z O O 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图2是一个单 元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的 xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“+”代表 硅离子Si4+， “”代表氧离子O2-。 2 2 石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理 图2 图1 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1、 2、3。 =ql q为电荷量，l为正负电荷之间距离 。 此时正负电荷重心重合，电偶极矩 的矢量和等于零。 即：1+ 2+ 3=0 所

14、以晶体表面不产生电荷，即呈中 性。 当晶体受到沿x轴方向的压力作用时 ： 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1的减小和2、3的增加 而不等于零。 在x轴的正方向出现负电荷，电偶极矩 在y方向上的分量仍为零，不出现电荷 。 当晶体受到沿y轴方向的压力作 用时： 晶体的变形如图所示。 1增大， 2、 3减小。 在x轴上出现电荷，它的极性为x 轴正向为正电荷。 在y轴方向上仍不出现电荷。 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。

15、这表明沿z轴方向施加作用力， 晶体不会产生压电效应。 y y x x z z O O dz=0 石英晶体的特点：性能非常稳定，机械强度高，绝 缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比 压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高 的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向 切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特 性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同 使用要求正确地选择石英片的切型。 晶体具有压电性的必要条件是：晶体不具有对称中心 。 所有铁电体都具有压电效应和热释电效应。 6.2.4 6.2.4 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷：是一种能够将机械能和电能互相转换的功 能陶瓷材料，一般多晶体压电材料。压电陶瓷利用其 材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对 位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的 束缚电荷即压电效应而制作。 铁电材料内