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3.2压电陶瓷片教材课程.ppt
压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 (上海硅酸盐研究所研制) (四)压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe,这种力敏器件具有灵敏度高,响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料,可测取力和温度等参数。 (三)压电聚合物 聚二氟乙烯(PVF2)是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜,这种合成高分子薄膜就其对称性来看,不存在压电效应,但是它们具有“平面锯齿”结构,存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列,并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后,就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性,并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末,制成混合复合材料(PVF2—PZT)。 高分子压电薄膜及拉制 是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件,所以它能测量最终能变换为力的那些物理量,例如力、压力、加速度等。 3.4 压电式传感器 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 3.4 压电式传感器 压电效应 正压电效应(顺压电效应):某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的一定表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 压电效应 逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体,在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示,其中Z-Z称为光轴;X-X轴称为电轴;与X-X轴和Z-Z轴同时垂直的Y-Y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X-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”,而把沿机械轴Y-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”,沿光轴Z-Z方向受力则不产生压电效应。 3.4.1 石英晶体的压电效应 石英晶体具有压电效应,是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影,如图(a)。为讨论方便,将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列,图中“+”代表Si4+,“-”代表2O2-。 (b) (a) + + - - - Y X X Y 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 (b)等效为正六边形排列的投影 + 当作用力FX=0时,正、负离子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六边形顶角上,形成三个互成120o夹角的偶极矩P1、P2、P3,如图(a)所示。此时正负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即 P1+P2+P3=0 当晶体受到沿X方向的压力(FX0)作用时,晶体沿X方向将产生收缩,正、负离子相对位置随之发生变化,如图(b)所示。此时正、负电荷中心不再重合,电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0 在Y、Z方向上的分量为 (P1+P2+P3)Y=0 (P1+P2+P3)Z=0 由上式看出,在X轴的正向出现正电荷,在Y、Z轴方向则不出现电荷。 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + - - - - FX (b) FX0 + + + - - - P1 P2 P3 可见,当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时,它在X方向产生正压电效应,而Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。由此可见,晶体在Y(即机械轴)方向的力FY作用下,使它在X方向产生正压电效应,在Y、Z方向则不产生压电效应。 (P1+P2+P3)X0 (P1+P2+P3)Y=0 (P1+P2+P3)Z=0 (c) FX0 Y + + + - - X - + + + - - - FX FX P2 P3 P1 + - 当晶体受到沿X方向的拉力(FX>0)作用时,其变化情况如图(c)。此时电极矩的三个分量为
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