压电式传感器学时幻灯片.ppt

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1、压电式传感器学时1第1页，共127页，编辑于2022年，星期五第第6章章 压电式传感器压电式传感器传感器原理传感器原理6464第一节第一节 压电效应压电效应 一、压电效应一、压电效应 二、压电材料二、压电材料第二节第二节 压电方程压电方程 一、石英晶片的切型和符号一、石英晶片的切型和符号 二、压电方程和压电常数二、压电方程和压电常数第三节第三节 压电式传感器的等效电路与测量电路压电式传感器的等效电路与测量电路 一、压电式传感器的等效电路一、压电式传感器的等效电路 二、压电式传感器的测量电路二、压电式传感器的测量电路压电式压电式2第2页，共127页，编辑于2022年，星期五第四节第四节 压电式传

2、感器的应用压电式传感器的应用 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器 二、压电式力和压力传感器二、压电式力和压力传感器 三、逆压电效应的应用三、逆压电效应的应用第第6章章 压电式传感器压电式传感器传感器原理传感器原理6464压电式压电式3第3页，共127页，编辑于2022年，星期五第第6章章 压电式传感器压电式传感器教材教材97页页压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。器。压电材料在沿一定方向上受到外力的作用变形（应变）时，内部压电材料在沿一定方向上受到外力的作用变形（应变）时，内部会产生极化现象，在其表面产生（电

3、荷）带电的状态；当外力去会产生极化现象，在其表面产生（电荷）带电的状态；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态（正压电效应）；掉后，又重新回到不带电的状态（正压电效应）；相反，在压电材料的极化方向上施加电场，它会产生机械变形（应变），相反，在压电材料的极化方向上施加电场，它会产生机械变形（应变），当去除外加电场时，压电材料的变形随之消失（负压电效应）。当去除外加电场时，压电材料的变形随之消失（负压电效应）。基于这一特性，压电器件被广泛应用于超声、通信、宇航、雷达等基于这一特性，压电器件被广泛应用于超声、通信、宇航、雷达等领域。领域。2012年年11月月28日日续第续第12讲讲 3学时学时4第4页

4、，共127页，编辑于2022年，星期五 第一节第一节 压电效应压电效应 一、压电效应一、压电效应 1、正压电效应、正压电效应 2、负压电效应、负压电效应 3、压电材料的主要特性参数、压电材料的主要特性参数 二、压电材料二、压电材料 1、压电晶体、压电晶体 石英晶体压电效应的机理石英晶体压电效应的机理 2、压电陶瓷、压电陶瓷 压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电机理 3、其它压电材料、其它压电材料5第5页，共127页，编辑于2022年，星期五第一节第一节 压电效应压电效应一、压电效应一、压电效应(piezoelectric effect)由物理学知道：由物理学知道：一些离子型晶体的电介质（如石英、钛

5、酸钡等）不仅在电场作用下，一些离子型晶体的电介质（如石英、钛酸钡等）不仅在电场作用下，而且在机械力的作用下，都会产生极化现象。而且在机械力的作用下，都会产生极化现象。6第6页，共127页，编辑于2022年，星期五1 1、正压电效应、正压电效应式中：d 压电常数（矩阵）Q 电荷电量F 施加的力T 应变 电荷密度当外力消失，当外力消失，又恢复不带电原状；又恢复不带电原状；当外力变向，当外力变向，电荷极性随之而变。电荷极性随之而变。这种现象称为这种现象称为正压电正压电效应效应，或简称或简称压电效应压电效应。在在一些离子型晶体的一些离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力电介质的一定方向上施加机械力F

6、而产生变形（应变）而产生变形（应变）时，就会引起内部正负电荷中心相对转移而产生极化；从而导致其两个时，就会引起内部正负电荷中心相对转移而产生极化；从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的约束电荷相对表面（极化面）上出现符号相反的约束电荷Q，且其端面产生电荷电且其端面产生电荷电量量Q与施加的力与施加的力 F 成正比（产生电荷密度成正比（产生电荷密度与应变与应变 T 成正比）。成正比）。F正压电效应正压电效应正压电效应压电介质压电介质机械能FQ电荷电量+-TTQF7第7页，共127页，编辑于2022年，星期五2、负压电效应负压电效应若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷

7、中若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形（应变），且其应变心的相对位移而导致电介质产生变形（应变），且其应变 T与外电场与外电场强度成正比强度成正比式中：dt 逆压电常数（矩阵）外电场强度 T 应变这种现象称为这种现象称为负（逆）压电效应负（逆）压电效应，或称，或称电致伸缩电致伸缩。负压电效应负压电效应压电介质压电介质正压电效应负压电效应机械能电能TEQE8第8页，共127页，编辑于2022年，星期五(1)压电系数压电系数(2)弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）(3)介电常数介电常数(4)机电偶合系数机电偶合系数(5)电阻电阻(6)居里点居里

8、点3、压电材料的主要特性参数、压电材料的主要特性参数衡量材料压电效应强弱的系数衡量材料压电效应强弱的系数决定压电器件的固有频率和动态特性决定压电器件的固有频率和动态特性 对于一定形状、尺寸的压电元件，固有电容与对于一定形状、尺寸的压电元件，固有电容与介电常数有关，固有电容影响压电传感器的频介电常数有关，固有电容影响压电传感器的频率下限率下限在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的主要参数衡量压电材料机电能量转换效率的主要参数压电材料的绝缘电阻将减

9、少电荷泄漏，从而改善压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性压电传感器的低频特性压电材料开始丧失压电性的温度压电材料开始丧失压电性的温度不讲9第9页，共127页，编辑于2022年，星期五二、压电材料二、压电材料1、压电晶体、压电晶体压电材料可分为三大类：压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶）包括：压电石英晶体、压电单晶压电晶体（单晶）包括：压电石英晶体、压电单晶压电陶瓷压电陶瓷其它压电材料包括：压电半导体、有机高分子压电材料其它压电材料包括：压电半导体、有机高分子压电材料由晶体学可知由晶体学可知无对称中心的晶体，通常具有压电性。无对称中心的晶体，通常具有压电性。具有压电性

10、的单晶材料统称压电晶体具有压电性的单晶材料统称压电晶体。石英（晶体）是最典型石英（晶体）是最典型、常用的压电晶体。、常用的压电晶体。10第10页，共127页，编辑于2022年，星期五传感器中使用的石英一般是居里点传感器中使用的石英一般是居里点 573其结构为六角晶系的其结构为六角晶系的石英，其外形如图，石英，其外形如图，呈六角棱柱体呈六角棱柱体柱体上部、下部形状对称柱体上部、下部形状对称它有它有m、R、r、s、x 共共5组组 30 个晶面组成个晶面组成（1 1）石英晶体（俗称水晶）石英晶体（俗称水晶）mRmmrr石英晶体的外形石英晶体的外形mmmRrrsx其中其中6个个 m 面或称柱面面或称柱

11、面6个个 R 面或称棱面面或称棱面6个个 r 面或称小棱面面或称小棱面6个个 s 面面6个个 x 面面石英晶体的外形石英晶体的外形石英晶体具有有规则的几何形状。石英晶体具有有规则的几何形状。这是由于晶体内部结构对称性的缘故。这是由于晶体内部结构对称性的缘故。11第11页，共127页，编辑于2022年，星期五晶体的物理特性晶体的物理特性-机电性能与方向有关，机电性能与方向有关，因此，在讨论晶体的机电特性时，需要在晶体因此，在讨论晶体的机电特性时，需要在晶体内选定参考方向，内选定参考方向，这种方向称为晶体轴。这种方向称为晶体轴。晶体轴并非一条直线，而是晶体中的一个方向。晶体轴并非一条直线，而是晶体

12、中的一个方向。按规定，不论右旋石英体还是左旋石英体按规定，不论右旋石英体还是左旋石英体都采用右手直角坐标系表示晶轴的方向。都采用右手直角坐标系表示晶轴的方向。石英晶体坐标系石英晶体坐标系 晶体轴晶体轴mRmmrr石英晶体的外形石英晶体的外形mmmRrrsx12第12页，共127页，编辑于2022年，星期五a b d 轴轴与与 c 轴垂直、相交轴垂直、相交与与 m 面的棱相交且相互成面的棱相交且相互成 120角角讨论晶体结构时讨论晶体结构时常采用对称轴坐标常采用对称轴坐标 a b c d 如图所示如图所示石英晶体对称坐标系石英晶体对称坐标系abcdmmmRrrsx此图为左旋石英体，它与右旋石英体

13、此图为左旋石英体，它与右旋石英体的结构成镜象对称，压电效应极性相的结构成镜象对称，压电效应极性相反。反。其中其中c 轴轴与晶体上、下晶锥顶点重合的连线与晶体上、下晶锥顶点重合的连线可用光学的方法测定可用光学的方法测定即光线沿该轴通过石英体时，无折射。即光线沿该轴通过石英体时，无折射。mmm理想石英晶体坐标系理想石英晶体坐标系cabd13第13页，共127页，编辑于2022年，星期五讨论晶体机电特性时，一般采用讨论晶体机电特性时，一般采用 x y z 右手直角坐标。即规定右手直角坐标。即规定:x 轴轴与与a（或或b、d）轴重合，它穿过轴重合，它穿过 m 面六棱柱的棱面六棱柱的棱角，与角，与z轴成

14、轴成 90角，称为角，称为电轴电轴。在垂直于在垂直于 x 轴的面上压电效应最强轴的面上压电效应最强 y 轴轴与与 x 轴在同一个平面上且与轴在同一个平面上且与 x 轴成轴成 90角角垂直垂直 m 柱面，垂直于柱面，垂直于z轴，称为轴，称为机轴机轴。在电场的作用下，在电场的作用下，沿沿 y 轴方向的机械变形最明显轴方向的机械变形最明显 z 轴轴与与 c 轴重合，称为轴重合，称为光轴光轴（也称为中性轴）（也称为中性轴）此轴可用光学的方法测定，即光线沿该轴通此轴可用光学的方法测定，即光线沿该轴通过石英体时，无折射。过石英体时，无折射。与与xy轴垂直。轴垂直。沿沿 z 轴方向上没有压电效应轴方向上没有

15、压电效应mmmxzz1yy1abdo理想石英晶体坐标系理想石英晶体坐标系cmmmRrrsx石英晶体坐标系石英晶体坐标系xyz14第14页，共127页，编辑于2022年，星期五（2）石英晶体的压电效应）石英晶体的压电效应mmmxzyo石英晶体坐标系石英晶体坐标系石英晶体由三个晶轴组成石英晶体由三个晶轴组成其中：其中：z轴轴x轴轴 y轴轴 石英晶体的石英晶体的 xyz 直角坐标系直角坐标系称为光轴，平行于六棱柱线，与晶体上、下晶锥顶称为光轴，平行于六棱柱线，与晶体上、下晶锥顶点连线重合，可用光学的方法测定点连线重合，可用光学的方法测定z 轴方向上没有压电效应轴方向上没有压电效应称为电轴，穿过六棱柱

16、的棱角，垂直称为电轴，穿过六棱柱的棱角，垂直 z 轴轴x 轴上压电效应最强轴上压电效应最强称为机械轴，垂直于称为机械轴，垂直于x、z 轴、轴、m 面，面，y 轴上机械效应最明显轴上机械效应最明显15第15页，共127页，编辑于2022年，星期五电偶极子电偶极子（electric dipole）电偶极子是一对相距很近的等量异号点电荷所组成的体系。电偶极子是一对相距很近的等量异号点电荷所组成的体系。电偶极子产生的电势电偶极子产生的电势为：为：式中：p 电偶极矩r 为电偶极子中心至考察点的矢径电偶极子在外电场中的静电势能电偶极子在外电场中的静电势能W为：为：式中：p 电偶极矩e 电偶极子中心处外电场

17、的电势Ee 电偶极子中心处外电场的电场强度电偶极子（electric dipole）电偶极子的（电）性质可用电偶极子的（电）性质可用电偶极矩电偶极矩描写。描写。若电偶极矩为若电偶极矩为 p，则电偶极子产生的电势、静电势能、所受的力、力矩为：则电偶极子产生的电势、静电势能、所受的力、力矩为：16第16页，共127页，编辑于2022年，星期五电偶极子（electric dipole）电偶极子在外电场中所受的力电偶极子在外电场中所受的力 F 为：为：上述结果表明上述结果表明只有当电偶极子处于非均匀电场中才受到作用力，作用力的方向指向电只有当电偶极子处于非均匀电场中才受到作用力，作用力的方向指向电场强

18、度增加的方向。（摩擦起电后的物体能吸引轻小物体，就是这种力场强度增加的方向。（摩擦起电后的物体能吸引轻小物体，就是这种力的结果。）另一方面，的结果。）另一方面，不论在均匀电场还是在非均匀电场中，电偶极子常不论在均匀电场还是在非均匀电场中，电偶极子常会受到力矩的作用，力矩为会受到力矩的作用，力矩为:=pEe sin()式中：为电偶极矩p与电场强度Ee 的夹角力矩作用效果将使电偶极矩力矩作用效果将使电偶极矩 p 转向外电场方向转向外电场方向电偶极子在外电场中所受的力矩电偶极子在外电场中所受的力矩为：为：电偶极子在外电场中所受的力电偶极子在外电场中所受的力 F 与力矩与力矩式中：p 电偶极矩Ee 电

19、偶极子中心处外电场的电场强度17第17页，共127页，编辑于2022年，星期五电偶极矩电偶极矩（electric dipole moment）电偶极矩是描写电偶极子本身特性的物理量。电偶极矩是描写电偶极子本身特性的物理量。是一个矢量，一般用是一个矢量，一般用 p 表示，表示，电偶极子所激发的场与它在外场中所具有的静电势能都取决于它的电偶极矩。电偶极子所激发的场与它在外场中所具有的静电势能都取决于它的电偶极矩。对于两个彼此相距为对于两个彼此相距为 l 的等量异号点电荷的等量异号点电荷 q 所组成的电偶极子，所组成的电偶极子，其电偶极矩为：其电偶极矩为：式中：l 表示正负电荷之间的距离 矢量 l

20、的方向从负电荷指向正电荷q 点电荷电量对于任意分布在小区域对于任意分布在小区域 V 内的电荷系统，相对于某一中心的电偶极矩定义为：内的电荷系统，相对于某一中心的电偶极矩定义为：式中：r 为所取中心到电荷元(r)dV的矢径电偶极子（electric dipole）18第18页，共127页，编辑于2022年，星期五如：如：在外电场作用下电介质的原子和分子中，由于正负电荷中心微小位移而形成电在外电场作用下电介质的原子和分子中，由于正负电荷中心微小位移而形成电偶极子。偶极子。电偶极子的例子电偶极子的例子如：如：无线电或雷达的棒形金属天线中，电子周期性地涌来涌去，使天线一无线电或雷达的棒形金属天线中，电

21、子周期性地涌来涌去，使天线一会这端带正电，那端带负电，一会又反过来，从而形成会这端带正电，那端带负电，一会又反过来，从而形成“振荡电偶极振荡电偶极子子”。电偶极子（electric dipole）不讲19第19页，共127页，编辑于2022年，星期五 石英晶体压电效应的机理石英晶体压电效应的机理石英晶体的压电效应与其内部离子结构有关石英晶体的压电效应与其内部离子结构有关石英晶体内部电荷的排列（离子的结构）石英晶体内部电荷的排列（离子的结构）石英晶体正负离子排列分布的平面与石英晶石英晶体正负离子排列分布的平面与石英晶体体xyz坐标中坐标中xy平面平行。平面平行。mmmxzyo石英晶体坐标系石英晶

22、体坐标系石英晶体内部电荷硅离子石英晶体内部电荷硅离子 Si4+和氧离子和氧离子 2O22-空间分布的情况为：空间分布的情况为：其正负离子对称分布在平面正六边形的顶其正负离子对称分布在平面正六边形的顶角上，等效为图的正六边形排列。角上，等效为图的正六边形排列。以石英以石英 SiO2 为例为例Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-石英晶体内部电荷的排列石英晶体内部电荷的排列xy为了直观地了解其压电效应，将组成石英为了直观地了解其压电效应，将组成石英（SiO2）晶体的硅离子、氧离子（其中有代晶体的硅离子、氧离子（其中有代表意义的一组）的排列和分布投影在垂直于晶表意义的一组）的排列和分布投影

23、在垂直于晶体体 z 轴的轴的 xy 平面上。平面上。如图所示。如图所示。20第20页，共127页，编辑于2022年，星期五石英晶体无外力作用石英晶体无外力作用正离子正离子Si4+、负离子、负离子2O2-正好分布在正六边形的顶角上正好分布在正六边形的顶角上形成三个大小相等、互成形成三个大小相等、互成120夹角的夹角的电偶极子电偶极子其电偶极矩其电偶极矩 p1、p2、p3电偶极矩为电荷电量电偶极矩为电荷电量 q 与距离与距离 l 的乘积，的乘积，即：即：石英晶体正负离子所形成的电偶极子石英晶体正负离子所形成的电偶极子式中：q 为电荷量 l 为正负电荷之间距离 电偶极矩方向为负电荷指向正电荷P=q

24、l Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-P1P3P2yx石英晶体未受力作用时石英晶体未受力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布21第21页，共127页，编辑于2022年，星期五这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从总体上这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从总体上呈电中性。呈电中性。石英晶体未受力作用石英晶体未受力作用此时，三个大小相等、互成此时，三个大小相等、互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩 p1、p2、p3 所产生的所产生的正负电荷中心重合，电偶极矩（正负电荷中心重合，电偶极矩（在在xy平面的各个方向上平面的各个方向上）的矢量）的矢量和等于零，即和等于零，即

25、 电偶极矩电偶极矩 p2、p3 在在 x 方向的矢量分量方向的矢量分量和与电偶极矩和与电偶极矩 p1 大小相等方向相反大小相等方向相反电偶极矩电偶极矩 p2、p3 在在 y方向的矢量分量方向的矢量分量大小相等方向相反大小相等方向相反或或Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-P1P3P2yx石英晶体未受力作用时石英晶体未受力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布在在 z 轴方向没有任何电性轴方向没有任何电性22第22页，共127页，编辑于2022年，星期五在在 x 轴的正方向的晶体表面上出现正轴的正方向的晶体表面上出现正电（荷）量，在电（荷）量，在 x 轴的反方向的

26、晶体轴的反方向的晶体表面上出现负电（荷）量。表面上出现负电（荷）量。石英晶体受到沿石英晶体受到沿 x 方向的压缩力作用方向的压缩力作用当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿 x 方向的压缩力方向的压缩力Fx 作用时作用时（产生（产生纵向压电效应纵向压电效应）电偶极矩在电偶极矩在 x 轴方向的分量为：轴方向的分量为：晶体沿晶体沿 x 方向产生压缩变形，方向产生压缩变形，正离子正离子Si4+、负离子、负离子2O2-在空间的在空间的相对位置随之变动，正、负电荷中相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重和，心不再重和，电偶极矩电偶极矩 p2、p3在在 x 方向的矢量分方向的矢量分量和大于电偶极矩量和大于电偶极

27、矩 p1。如图所示。如图所示。Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-P1P3P2yx石英晶体未受力作用时石英晶体未受力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-P1P3P2 yxFx Fx 石英晶体受石英晶体受 x 轴方向力作用时轴方向力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布Fx Fx 23第23页，共127页，编辑于2022年，星期五电偶极矩电偶极矩 p2、p3 在在y方向的矢量分量大小相等方向相反，即：方向的矢量分量大小相等方向相反，即：此时，晶体在此时，晶体在y方向也会产生应变，但电偶极矩矢量和

28、在方向也会产生应变，但电偶极矩矢量和在 y 轴方向为零，轴方向为零，在垂直于在垂直于 y 轴和轴和 z 轴的晶体表面上不出轴的晶体表面上不出现极化现极化石英晶体受到沿石英晶体受到沿 x 方向的压缩力作用方向的压缩力作用这种受沿这种受沿 x 轴方向压缩力轴方向压缩力Fx作用，在垂直作用，在垂直于此轴晶面上产生（电荷）极化的现象，称于此轴晶面上产生（电荷）极化的现象，称为晶体的为晶体的纵向压电效应纵向压电效应。Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-P1P3P2 yxFx Fx 石英晶体受石英晶体受 x 轴方向力作用时轴方向力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布Fx

29、Fx 此时，晶体在此时，晶体在 z 方向也会产生应变，方向也会产生应变，但但 z 轴方向没有电性，即：轴方向没有电性，即：24第24页，共127页，编辑于2022年，星期五在在 x 轴的正方向的晶体表面上出现负轴的正方向的晶体表面上出现负电（荷）量。在电（荷）量。在 x 轴的反方向的晶体轴的反方向的晶体表面上出现正电（荷）量。表面上出现正电（荷）量。石英晶体受到沿石英晶体受到沿 y 轴方向的压缩力作用轴方向的压缩力作用当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿 y 轴方向的压缩力轴方向的压缩力Fy作用时作用时（产生（产生横向压电效应横向压电效应）晶体沿晶体沿 y 方向产生压缩变形，方向产生压缩变形，正离

30、子正离子Si4+、负离子、负离子2O2-在空间的在空间的相对位置随之变动，相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重和，正、负电荷中心不再重和，电偶极矩电偶极矩 p2、p3在在 x 方向的矢量分方向的矢量分量和小于电偶极矩量和小于电偶极矩 p1。如图所示。如图所示。电偶极矩在电偶极矩在 x 轴方向的分量为：轴方向的分量为：x2O2-P1P3P2y FyFy石英晶体受石英晶体受 y 轴方向力作用时轴方向力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布FyFy2O2-2O2-Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-P1P3P2yx石英晶体未受力作用时石英晶体

31、未受力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布25第25页，共127页，编辑于2022年，星期五石英晶体受到沿石英晶体受到沿 y 轴方向的压缩力作用轴方向的压缩力作用这种受沿着这种受沿着 y 轴方向压缩力轴方向压缩力Fy作用，作用，而在垂直于而在垂直于 x 轴晶面上产生（电荷）轴晶面上产生（电荷）极化的现象，称为晶体的极化的现象，称为晶体的横向压电效横向压电效应应。同样，在垂直于同样，在垂直于 y 轴方向上，电偶极矩轴方向上，电偶极矩 p3、p2 在在 y方向的矢量分量方向的矢量分量和大小相等方向相反，矢量和为零；和大小相等方向相反，矢量和为零；在在 z 轴的晶面上不出现极化

32、，即：轴的晶面上不出现极化，即：x2O2-P1P3P2y FyFy石英晶体受石英晶体受 y 轴方向力作用时轴方向力作用时电荷的排列及电偶极矩的分布电荷的排列及电偶极矩的分布FyFy2O2-2O2-Si4+Si4+Si4+26第26页，共127页，编辑于2022年，星期五因为晶体在因为晶体在 x 方向和方向和 y 方向的变形相同，（在与方向的变形相同，（在与xy平面平行的各层平面的各个方向上形变相同）正、平面平行的各层平面的各个方向上形变相同）正、负离子（负离子（Si4+、2O2-）相对对称的位置不变，正负相对对称的位置不变，正负电荷中心始终保持重和，电偶极矩在电荷中心始终保持重和，电偶极矩在

33、x、y方向方向的分量和等于零，此时，没有压电效应。的分量和等于零，此时，没有压电效应。在在 z 方向也没有压电效应。方向也没有压电效应。晶体受到沿晶体受到沿 z 轴方向的压缩力作用轴方向的压缩力作用当作用力当作用力x、y 的方向相反时，的方向相反时，（电荷的极性）极化方向将随之改变。（电荷的极性）极化方向将随之改变。作用力作用力x、y 的方向相反的方向相反Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-yx石英晶体内部电荷的排列石英晶体内部电荷的排列mmmxzyo石英晶体坐标系石英晶体坐标系当晶体受到沿当晶体受到沿 z 轴方向的力（压缩力或拉伸力）作用时轴方向的力（压缩力或拉伸力）作用时所以沿

34、光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压电效应。电效应。27第27页，共127页，编辑于2022年，星期五如果石英晶体的各个方向受到均等的作用力（如如果石英晶体的各个方向受到均等的作用力（如液体压力），石英晶体在各方向上应变量一致，液体压力），石英晶体在各方向上应变量一致，不会破坏电偶极子的对称分布，石英晶体将保持不会破坏电偶极子的对称分布，石英晶体将保持电中性。电中性。石英晶体的各个方向受到均等的作用力石英晶体的各个方向受到均等的作用力Si4+Si4+Si4+2O2-2O2-2O2-yx石英晶体内部电荷的排列石英晶体内部电荷的排列mmmxzyo石英晶

35、体坐标系石英晶体坐标系因此，石英晶体没有体积均匀变形的压电效应因此，石英晶体没有体积均匀变形的压电效应（没有体压电效应）。（没有体压电效应）。28第28页，共127页，编辑于2022年，星期五其它压电单晶其它压电单晶在压电单晶中除天然和人工石英晶体外，还有硫化镉、硫化锌等在压电单晶中除天然和人工石英晶体外，还有硫化镉、硫化锌等硫化镉硫化镉 CdS氧化锌氧化锌 ZnOPI-MOS 力敏器件力敏器件氧化锌膜制作在氧化锌膜制作在MOS场效应管栅极上，场效应管栅极上，测量时，压电效应在氧化锌薄膜上产生电荷并测量时，压电效应在氧化锌薄膜上产生电荷并加在加在MOS场效应管栅极上，从而改变晶体管漏场效应管栅

36、极上，从而改变晶体管漏极电流。极电流。漏极D源极S栅极GVGSVDS压电系数压电系数(10-12C/N)：d33=10.3d31=-5.2d15=-14相对介电系数：相对介电系数：10.39.35密度密度(103kg/m3)：4.8压电系数压电系数(10-12C/N)：d33=12.4d31=-5.0d15=-8.3相对介电系数：相对介电系数：11.09.26密度密度(103kg/m3)：5.6829第29页，共127页，编辑于2022年，星期五2、压电陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是一种是一种经极化处理后的人工多晶压电材料经极化处理后的人工多晶压电材料（铁电体）。（铁电体）。没有极化没有极化

37、所谓多晶，它是由无数细微的单晶组成。所谓多晶，它是由无数细微的单晶组成。所谓铁电体，它具有类似铁磁材料（中的磁畴）的电畴结构。所谓铁电体，它具有类似铁磁材料（中的磁畴）的电畴结构。每个单晶自发极化形成一单个电畴；无数单晶每个单晶自发极化形成一单个电畴；无数单晶电畴的无规则排列，电畴极化方向各自取向，电畴的无规则排列，电畴极化方向各自取向，致使原始的压电陶瓷不具有压电性。致使原始的压电陶瓷不具有压电性。如图所示。如图所示。（1）压电陶瓷的结构）压电陶瓷的结构30第30页，共127页，编辑于2022年，星期五极化后极化后剩余极化剩余极化在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如在一定温度下对压电陶瓷施加

38、强电场（如20-30kV/cm 直流电场），迫使电畴极直流电场），迫使电畴极化方向趋向外电场方向作有规则排列，化方向趋向外电场方向作有规则排列，（2）压电陶瓷的极化处理）压电陶瓷的极化处理极化极化直流电场20-30kV/cm保持23小时没有极化没有极化经过经过2-3小时去掉电场后，电畴极化方向趋向基本保持不变，形成很小时去掉电场后，电畴极化方向趋向基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而使压电陶瓷呈现出极化性能。强的剩余极化，从而使压电陶瓷呈现出极化性能。通常通常压电陶瓷的极化方向取压电陶瓷的极化方向取 z 轴方向轴方向。极化处理极化处理31第31页，共127页，编辑于2022年，星期五（3）压

39、电陶瓷的压电机理）压电陶瓷的压电机理无外力作用无外力作用无外力作用时，压电陶瓷两个电极上无电压。无外力作用时，压电陶瓷两个电极上无电压。教材教材100页页这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷一端这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷一端出现出现正束缚电荷正束缚电荷，另一端出现，另一端出现负束缚电荷负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极上吸附了一层来自外界的自由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极上吸附了一层来自外界的自由电荷。由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和符号相反

40、而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。故压电陶瓷两个电极上的电压为零。故压电陶瓷两个电极上的电压为零。+-外部自由电荷+极化方向-内部束缚电荷无外力作用时，陶瓷片内束缚无外力作用时，陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的外部自由电荷与电极上吸附的外部自由电荷相互作用电荷相互作用32第32页，共127页，编辑于2022年，星期五有外有外力力作用作用在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压力在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压力 F 时，陶瓷片将产生压缩变形，片内的时，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小（电偶极子间的距离变小、电偶极矩

41、变小），极化强度正、负束缚电荷之间的距离变小（电偶极子间的距离变小、电偶极矩变小），极化强度也变小。也变小。+极化方向极化方向-+-内部束缚电荷外部自由电荷压电陶瓷正压电效应压电陶瓷正压电效应力作用时陶瓷片内束缚电荷与电极上吸力作用时陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的外部自由电荷相互作用附的外部自由电荷相互作用+-+F当压力撤消后，陶瓷片恢复原状（这是一当压力撤消后，陶瓷片恢复原状（这是一个膨胀过程），片内正、负电荷之间的距个膨胀过程），片内正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。吸附一部分自由电荷而出现充电现象。

42、这种由机械效应转变为电效应或由这种由机械效应转变为电效应或由机械能转变为电能的现象称为机械能转变为电能的现象称为压电陶压电陶瓷正（顺）压电效应瓷正（顺）压电效应。+-+-内部束缚电荷外部自由电荷压电陶瓷正压电效应压电陶瓷正压电效应力作用时陶瓷片内束缚电荷与电极上吸力作用时陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的外部自由电荷相互作用附的外部自由电荷相互作用因此，原吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象；因此，原吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象；由于内部电荷失去由于内部电荷失去外部自由电荷后，又会试图再次吸附来自外界的自由电荷；但在陶瓷片内出现束缚电外部自由电荷后，

43、又会试图再次吸附来自外界的自由电荷；但在陶瓷片内出现束缚电荷极化强度变小的情况，吸附在电极上的自由电荷，有一部分又被释放；只要陶瓷片荷极化强度变小的情况，吸附在电极上的自由电荷，有一部分又被释放；只要陶瓷片上施加的力上施加的力F不消失，这个循环过程就不会结束，从而在陶瓷片上出现电效应不消失，这个循环过程就不会结束，从而在陶瓷片上出现电效应。+-+-内部束缚电荷外部自由电荷压电陶瓷正压电效应压电陶瓷正压电效应力作用时陶瓷片内束缚电荷与电极上吸力作用时陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的外部自由电荷相互作用附的外部自由电荷相互作用33第33页，共127页，编辑于2022年，星期五有外有外电场电场作用作用

44、在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的外电场时，由于外电场的方向与陶在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的外电场时，由于外电场的方向与陶瓷片极化方向相同，所以电场作用使陶瓷内部的极化强度增大。瓷片极化方向相同，所以电场作用使陶瓷内部的极化强度增大。实际陶瓷片内的正负束缚电荷之间的距离在增大（电偶极矩变大、电偶极子间实际陶瓷片内的正负束缚电荷之间的距离在增大（电偶极矩变大、电偶极子间的距离变大），陶瓷片极化方向产生伸长变形。的距离变大），陶瓷片极化方向产生伸长变形。如果外加电场的方向与陶瓷极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生的缩如果外加电场的方向与陶瓷极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生的缩短变形。短变

45、形。+极化方向极化方向-+-内部束缚电荷外加电场方向压电陶瓷逆压电效应压电陶瓷逆压电效应这种由于电效应而转变为机这种由于电效应而转变为机械效应或由电能转变为机械械效应或由电能转变为机械能的现象，称为能的现象，称为压电陶瓷负压电陶瓷负（逆）压电效应（逆）压电效应。如果施加电场为交流电场，则压如果施加电场为交流电场，则压电陶瓷在电场方向上产生（伸长、电陶瓷在电场方向上产生（伸长、缩短应变）交变的机械振动（这缩短应变）交变的机械振动（这种振动的频率可以很高）。种振动的频率可以很高）。34第34页，共127页，编辑于2022年，星期五（4）压电陶瓷的特点）压电陶瓷的特点压电常数大、灵敏度高压电常数大、

46、灵敏度高例：钛酸钡例：钛酸钡 BaTiO3压电陶瓷材料压电陶瓷材料碳酸钡碳酸钡BaCO3、二氧化钛二氧化钛 TiO2按按 1:1 比例混合比例混合高温高温13001400C 烧结烧结研磨加工研磨加工人工极化人工极化成型加工成型加工介电常数高介电常数高压电系数大（为压电系数大（为石英晶体的石英晶体的50倍倍）居里温度低（居里温度低（120C）温度稳定性差温度稳定性差机械强度差（非常脆）机械强度差（非常脆）优点优点缺点缺点35第35页，共127页，编辑于2022年，星期五锆钛酸铅锆钛酸铅 PZT特点：特点：介电常数高介电常数高压电系数大压电系数大居里温度较高（居里温度较高（300C）温度稳定性好温

47、度稳定性好时间稳定性好时间稳定性好应用广泛的压电材料应用广泛的压电材料钛酸钡钛酸钡 BaTiO3 +锆酸铅锆酸铅 PbZrO3 组成的固溶体组成的固溶体 （5）常用压电陶瓷材料）常用压电陶瓷材料PZT36第36页，共127页，编辑于2022年，星期五3、其它压电材料、其它压电材料包括：压电半导体、有机高分子压电材料包括：压电半导体、有机高分子压电材料（1 1）压电半导体）压电半导体压电半导体有压电半导体有硫化锌（硫化锌（ZnS）单晶单晶氧化锌（氧化锌（ZnO）单晶单晶碲化镉（碲化镉（CdTe）硫化镉（硫化镉（CdS）碲化锌（碲化锌（ZnTe）砷化镓（砷化镓（GaAs）这些材料的特点这些材料的特

48、点具有压电效应特性又有半导体特性具有压电效应特性又有半导体特性不讲37第37页，共127页，编辑于2022年，星期五（2）有机高分子压电材料）有机高分子压电材料某些高分子聚合物是半晶态聚合物，结晶度约某些高分子聚合物是半晶态聚合物，结晶度约50%经过经过延展、拉伸、极化处理延展、拉伸、极化处理后后成为具有压电性的高分子压电材料成为具有压电性的高分子压电材料有机高分子压电材料有有机高分子压电材料有聚氟乙烯（聚氟乙烯（PVF）聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）聚聚r甲基甲基L谷氨酸脂（谷氨酸脂（PMG）尼龙尼龙11根据使用要求，可将其制成根据使用要求，可将其制成薄膜

49、、厚膜、管状、粉状薄膜、厚膜、管状、粉状等各种形状等各种形状测量时，在一定的范围内变化形状测量时，在一定的范围内变化形状有机高分子压电材料的加工有机高分子压电材料的加工38第38页，共127页，编辑于2022年，星期五质轻柔软质轻柔软不脆不脆抗拉强度高抗拉强度高机械强度高机械强度高蠕变小蠕变小耐冲击耐冲击体电阻高体电阻高击穿强度高击穿强度高频率范围宽频率范围宽可塑强可塑强 易成形加易成形加工工有机高分子压电材料有机高分子压电材料的特点的特点在高分子化合物中掺杂压电陶瓷锆钛酸铅（在高分子化合物中掺杂压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）或钛酸钡（或钛酸钡（BaTiO3）粉末制成高分子压电薄膜。这种复合压电材

50、料保持了高分子压电薄膜的柔软性，粉末制成高分子压电薄膜。这种复合压电材料保持了高分子压电薄膜的柔软性，又有较高的压电性和机电偶合系数。又有较高的压电性和机电偶合系数。体电阻达体电阻达1012击穿强度击穿强度150 200kv/mm在在10-5Hz 500MHz 频率范围内具有平坦的响应特性频率范围内具有平坦的响应特性制成薄膜、厚膜、管状、粉状等各种形状制成薄膜、厚膜、管状、粉状等各种形状易加工成大面积元件和阵列元件易加工成大面积元件和阵列元件高分子化合物高分子化合物+陶瓷陶瓷39第39页，共127页，编辑于2022年，星期五 聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯（PVF2）聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PV