五、材料的压电性能.ppt

第五部分、材料的压电性能 授课：付鹏 QQE-mail: fupeng@lcu.edu.cn 第五部分 压电与铁电性能 1880年，J.Curie和P.Curie兄弟首先发现压电效应； 1920年，Valasek发现铁电体； 40年代中期，压电材料开始广泛应用。 60-70年代达成熟阶段。 对晶体对称性的研究，法国居里发现压电效应。 （3）压电效应产生的条件 晶体结构没有对称中心。 压电体是电介质。 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。 压电振子的阻抗频率变化 ＊2 晶体振荡电路 （1） 石英晶体的谐振特性与等效电路 石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件, 其结构和外形如图7.12所示。  石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片, 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的, 然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层, 并装上一对金属板, 接出引线, 封装于金属壳内。  为什么石英晶体能作为一个谐振回路, 而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。 物理学的研究表明， 当石英晶体受到交变电场作用时，即在两极板上加以交流电压，石英晶体便会产生机械振动。 反过来，若对石英晶体施加周期性机械力， 使其发生振动， 则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷, 即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时，便会产生“机—电共振”， 振幅明显加大， 这种现象称为压电谐振。 它与LC回路的谐振现象十分相似。 ? 压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。 从电路上分析, 石英晶体可以等效为一个LC电路, 把它接到振荡器上便可作为选频环节应用。  图7.13为石英晶体在电路中的符号和等效电路。  图7.14为石英晶体谐振器的电抗-频率特性。 ? 由图7.14可知, 它具有两个谐振频率, 一个是L、 C、 R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs， 另一个是L、 C、 R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp，由图 7.13 等效电路得: 五、压电材料的分类及特性 压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。 （一）石英晶体（单晶） 石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定。它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 （二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。 　常用的压电陶瓷材料主要有以下几种： 　1. 锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 　2. 非铅系压电陶瓷 （三）高分子压电材料 高分子压电材料是一种柔软的压电材料。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出压电特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制。在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。 六、压电传感器的应用 石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；而高分子压电材料多用作定性测量。下面分别介绍几种典型的应用，并对振动测量给予简介。 压电材料的应用 1.玻璃打碎报警装置 玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波（高于20kHz）的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 2．压电式周界报警系统 周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的是一条边界包围的重要区域。当入侵者进入防范区之内时，系统就会发出报警信号。 压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。因此与之相配的前置放大器有电压前置放大器和电荷放大器两种形式。 压电式加速度计 7.1 自发极化 在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态。 这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化 较低温度时，钛离子热振动能降低，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，有可能偏离平衡位置向某一个氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子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，使晶体顺着该方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。（如图B所示） 5.2 热释电性效应 热释电效应：热释电晶体除了由于机械应力作用引起压