1、Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 电介质材料电介质材料 Dielectric Materials （piezoelectric material ）Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 电介质材料之压电材料电介质材料之压电材料 铁电体 热释电体 压电体 介电体 一 概述 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 当你在点燃煤气灶，热水器或打火机时，就有当你在点燃煤气灶，热水器或打火机时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块
2、压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应，压电陶瓷就是一种常用的压电材料。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声
3、波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。1.基本概念基本概念 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 压电晶体产生压电效应+-+-未加应力 加应力不产生极化 加应力产生极化，正负电荷中心分开 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而
4、产生电的极化，从就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面而导致其两个相对表面(极化面极化面)上出现符号相反的束缚电荷上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移，且其电位移D(在在MKS单位制中即电荷密度单位制中即电荷密度)与外应力张与外应力张量量T D=d T 或或 =d T 式中式中 d压电常数矩阵。压电常数矩阵。当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。Guangdong Ocean University
5、Xiong Zhengye 压电效应(a)正压电效应；(b)压电效应的可逆性 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起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，且其应变 S与外电场强度E成正比：S=dt E 式中 dt逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。可见，具有压电性的电介质(称压电材料称压电材料)，能实现机-电能量的相互转换。Guangdong Ocean U
6、niversity Xiong Zhengye 主要参数主要参数 压电材料的主要特性参数有压电材料的主要特性参数有 :（1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它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、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、尺寸的压电元件,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。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye（4）机械耦合系数：在压电效应中机械耦合系数：在压电效应中 ,其值等于转其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之
7、比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻：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。从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。（7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内贮存的机械能与损耗的机械能之比。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 压电材料压电材料 目前压电材料可分为三大类：一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外
8、普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 石英晶体石英晶体 石英晶体的外形(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形理想外形 理想石英晶体坐标系 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为 573，晶体的结构为六角晶系的-石英。在讨论晶体机电特性时，采用 xyz右手直角坐标较方便，并统一规定：x轴与a(或b、d
9、)轴重合，谓之电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面之电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面上压电效应最强；y轴垂直m面，谓之机轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴与c轴重合，谓之光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿 z轴方向上没有压电效应。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 压电石英的主要性能特点是：压电石英的主要性能特点是：(1)压电常数小，时间和温度稳定性极好；(2)机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；(3)居里点573，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。均好。Guangdong
10、Ocean University Xiong Zhengye 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳
11、就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容容C0，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个个PF到几十到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来来等效。一般L的值为几十的值为几十mH到几百到几百mH。晶片的弹
12、性可用电容C来等效，来等效，C的值很小，一般只有0.00020.1pF。晶片振动时。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为来等效，它的数值约为100。由于晶片的等效电感很大，而片的等效电感很大，而C很小，很小，R也小，因此回路的品质因数也小，因此回路的品质因数Q很大，可达100010000。加上晶片本身的谐振频率基本上只。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的
13、频率稳定度。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 从石英晶体谐振器的等效电从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，路可知，它有两个谐振频率，即（即（1）当）当L、C、R支路发支路发生串联谐振时，它的等效阻生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩）。串联揩振频率用振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻呈纯阻性，（性，（2）当频率高于）当频率高于fs时时L、C、R支路呈感性，可与电容容C0发生并联谐振，其并联发生并联谐振，其并联频率用频率用fd表示。表示。Guangdong Ocean University Xiong Z
14、hengye 在压电单晶中除天然在压电单晶中除天然和人工石英晶体外，锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂锂(LiNbO3)、钽酸锂、钽酸锂(LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3)等材料，也已在传感器技术中日益得到广泛应用，其中以铌酸锂为典型代表。其中以铌酸锂为典型代表。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。它的时间稳定性好，居里点高达 1200，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不
15、变。此外，它还具有良好的光电、声光效应，因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。被称为第二代压电晶体的代表。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。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磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列；极化电场
16、去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 压电陶瓷的特点是：压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，能；成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应成本低廉，利于广泛应用。用。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给电
17、传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。器，压电陶瓷的应用受到限制。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 例2：由热运动引起的自发极化 铁电体的位移性理论：自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。钛酸钡的结构：钙钛矿型结构?Guangdong Ocean University Xio
18、ng Zhengye 等轴晶系（大于等轴晶系（大于120oC）：晶胞常数：晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径：钛离子的半径：0.64 钛离子处于氧八面体中，钛离子处于氧八面体中，两个氧离子间的空隙为：两个氧离子间的空隙为：4.012 1.32=1.37 钛离子的直径：钛离子的直径：2 0.64=1.28 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 结果：结果：氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。较高温度时，热振动能比较大，钛离子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
19、持高的对称性，自发极化为零。温度降低，钛离子平均热振动能降低，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，有可能向某一个氧离子靠近，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，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye?钛、氧离子的位移 固有偶极子 自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外电场，这些介质的
20、极化强度为 0。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye(2)无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构 -+-+-+-+极化轴C-+-+纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影 表示晶体极性链的两种方法 例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 -+-+固有偶极子 正电荷层与负电荷层交替排列-+-+-+-+Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列形成一个畴。3 电畴 Guangdong Ocean University Xion
21、g Zhengye 无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 电介质的极化强度与施加电场呈正比：电介质的极化强度与施加电场呈正比：P=?o?eE 铁电材料的极化强度不与施加的电场成线性关系，并具有明显的滞后。二者典型的关系如下图：1.铁电体 二二 铁电性铁电性
22、 铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye Ps：无电场时单畴：无电场时单畴的自发极化强度；Pr：剩余极化强度；EC：矫顽场强。：矫顽场强。P 铁电陶瓷的电滞回线铁电陶瓷的电滞回线 E O A B EC Pr C Ps Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 自发极化：在某一低温时由于热能所造成的偶自发极化：在某一低温时由于热能所造成的偶极子混乱排列被局部电场所克服，而产生偶极极子混乱排列被局部电
23、场所克服，而产生偶极子取向一致的现象，此时晶体中每一个晶胞里存在固有的电偶极矩，形成永久偶极矩。这种存在固有的电偶极矩，形成永久偶极矩。这种电偶极子在无任何外场作用时自发一致排列。电偶极子在无任何外场作用时自发一致排列。极性晶体：具有自发极化特性的晶体极性晶体：具有自发极化特性的晶体。铁电体：在一定温度范围内含有能自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。化方向可随外电场作可逆转动晶体。即具有铁电性晶体。铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极铁电晶体的特点：极性晶体、特殊的晶体结构（自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变。Guangdong Ocean
24、University Xiong Zhengye 3.铁电体的性能铁电体的性能 电滞回线电滞回线 介电特性 非线性非线性 晶界效应（1）性能 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 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。在晶体两端将出现正负电荷。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。1.压电效应 三三 压电性压电性 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 极化方向+极化方向+自由电荷
25、释放电荷 极化方向+正压电效应 逆压电效应 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：D=dT d:压电常数 逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：S=dE d:压电常数压电常数 注：正、逆压电效应的压电常数一样。注：正、逆压电效应的压电常数一样。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 2.压电材料的性能（1）机电偶合系数=压电转换电能/输入的机械能（2）压电常数（3）弹性模量、相对介
26、电常数、居里温度等。介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等 特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 3.压电振子谐振特性及振动模式压电振子谐振特性及振动模式 阻抗 频率 反谐振 谐振谐振 压电振子：极化后的压电体。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。率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。(1)谐振特性谐振特性 Guangdong Ocean University Xiong Zhengy
27、e 谐振频率：形成驻波的频率。谐振频率：形成驻波的频率。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、三次等谐振频率为基频，其它为二、三次等谐振 当发生谐振时，电流与电压同相，发生在振子阻抗最小(电流最大电流最大)的频率的频率f m附近附近.在两个谐振之间有一反谐振 f a，电流与电压同相，发生在振子阻抗最大(输出电压最大)的频率f n附近。Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 4.压电材料及其应用压电材料及其应用
28、 钛酸钡 钛酸铅 锆酸铅 钛锆酸铅 非钙钛矿型：焦绿石、硫化镉、氧化锌、氮化铝（1）材料 钙钛矿型 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye（2）应用应用 电声器：扬声器、送话筒、电声器：扬声器、送话筒、水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器 雷达中的陶瓷表面波器件 通讯设备：陶瓷滤波器 精密测量：压力计 高压电源：变压器 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 高压引线 压电陶瓷点火器 垫块 外 壳 冲击块 V Guangdong Ocean University Xiong Zhengye+单片陶瓷压电膜 压电换能器 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye +串联型 双膜片压电振子+_ _ _ _ _+_ _ _ _ _ V 等效电路 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 并联型+双膜片压电振子双膜片压电振子+_ _ _ _ _+_ _ _ _ _
