测试技术-61压电效应及压电材料课件.ppt

1、第6章压电式传感器 6.1压电效应及压电材料 6.1压电效应及压电材料6.1.1 压电效应 压电式传感器是基于某些电介质的压电效应，压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。当电介质（晶体）受到一定方向外力的作用而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生极化现象，从而导致在相应的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，表面的电荷也随之消失，又重新恢复不带电状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。相反，当对电介质沿极化方向施加电场作用时，在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力；当外加电场撤去后，其内部的应力或变形也随之消失。这种

2、现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。具有压电效应的电介质称为压电材料，能实现机械能电能之间的相互转换，因此压电式传感器是双向传感器。常见的压电材料有石英（SiO2）晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等。石英晶体具有各向异性特性，即在不同晶向其性能不同。如图6-1所示为天然石英晶体结构，其外形是一个六棱柱，两端是一对称的六棱锥（图中所示为其剖开的一半）。在讨论晶体结构时，常采用xyz右手直角坐标表示，其中纵向轴Z轴称为光轴（或称为中性轴），沿Z轴方向无压电效应；经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴，垂至于X轴的表面压电效应最强；与X轴和Z轴同时垂直的Y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿Y轴方向的机械变形

3、最明显。6.1压电效应及压电材料 常将沿X轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；将沿Y轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为横向压电效应；当外力沿Z轴方向作用时，不产生压电效应。图6-1 石英晶体 6.1压电效应及压电材料 通常从晶体上切下一个平行六面体切片，并使其晶面分别平行z-z、y-y、x-x轴线，如图6-2所示，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当沿X轴方向施加作用力Fx时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷qx（即纵向压电效应），如图6-2，其大小为 （6-1）式中 d11晶体在X轴方向受力时的压电常数（C/N）。可见，产生电荷的大小与切片的几何尺寸无关，与所受外力大小成正

4、比。产生电荷的极性视作用力Fx是受压或受拉而决定。若作用力沿着Y轴方向，产生的电荷仍然在与X轴垂直的平面上出现（即横向压电效应），但极性相反。此时电荷的大小为 （6-2）式中 d12晶体在轴方向受力时的压电常数（C/N）；（石英轴对称，d12d11）；a、b晶体切片的长度和厚度。由式（6-2）可见，沿机械轴方向施加作用力时，产生的电荷大小与晶体切片的几何尺寸有关。式中的负号说明沿Y轴的压力所引起的电荷极性与沿X轴的压力所引起的电荷极性是相反的。11xxqd F1211yyaaqdFdFbb 6.1压电效应及压电材料 图6-2 石英晶体切片上电荷极性与受力方向的关系图图6-3石英晶体的压电效应石

5、英晶体的压电效应 6.1压电效应及压电材料 石英晶体除纵向、横向压电效应外，在剪切力作用下也会产生电荷，即剪切压电效应，产生的电荷仍然与所受到的剪切力大小成正比，如图6-3所示。如果在石英晶片的两个电极上施加交流电压，将产生机械振动，即逆压电效应。利用压电材料的这种性能可做电声设备、超声波发射探头等。显然，为了利用石英晶体的压电效应进行力电转换，需要将晶体沿一定的方向切割成晶片。针对不同的应用有许多切割的方法，最常用的是将石英晶体沿垂直于轴的平面切成薄片，称为度切。综上所述，压电晶体的正压电效应和逆压电效应是相互对应的，哪个方向上有正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，而且力-电之间呈线

6、性关系。石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应：在x方向：只有d11的纵向压电效应、d12的横向压电效应和d14的剪切压电效应。在y方向：只有d25和d26的剪切压电效应。在z方向：无任何压电效应。6.1压电效应及压电材料 6.1.2压电材料1 1压电材料的主要特性压电材料的主要特性压电材料的主要特性包括：（1）机电转换性能：应具有较大的压电系数；（2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率；（3）电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性；（4）温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作

7、温度范围；（5）时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。压电材料的主要特性参数有：(1)压电常数、(2)弹性常数、(3)介电常数、(4)机电耦合系数、(5)电阻、(6)居里点。6.1压电效应及压电材料2 2压电材料的分类压电材料的分类 压电材料可分为三类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和新型压电材料。其中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应用较普遍。（1）压电晶体1）石英晶体石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅（SiO2），其压电常数d11=2.110-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20200范围内

8、，其压电系数几乎不变；达到573时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性（了解更多）。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，如图6-4，构成六边的形状。在没有外力的作用时，电荷互相平衡，外部没有带电现象。如果在X轴方向或Y轴方向受压，由于离子之间造成错位，电荷的平衡关系受到破坏，产生极化现象，使表面产生电荷。当在Z轴方向受力时，由于离子对称平移，表面不呈现电荷，没有压电效应。这

9、就是石英晶体产生压电效应的机理。6.1压电效应及压电材料图6-4 石英晶体模型 6.1压电效应及压电材料 2）其他压电晶体 锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3)等压电材料，也得到广泛应用，其中以铌酸锂为典型代表。铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。从结构看，它是一种多畴单晶。它必须通过极化处理后才能成为单畴单晶，从而呈现出类似单晶体的特点，即机械性能各向异性。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、频率等均保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应，因此在光电

10、、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。6.1压电效应及压电材料（2）压电陶瓷 压电陶瓷是人工合成的多晶体压电材料，它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的，如图6-5（a）所示。在无外电场作用时，各电畴的极化作用相互抵消，因此不具有压电效应；只有经过极化处理后才具有压电效应。即在一定的温度和强电场（例如2030KV/cm直流电场）作用下，内部电畴自发极化方向都趋向于电场的方向，如图6-5（b）所示，极化处理后压电陶瓷具有一定极化强度。在外电场去除后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外电场方向取向，其内部仍存在有

11、很强的剩余极化强度，使得压电陶瓷极化的两端就出现束缚电荷（一端为正电荷,另一端为负电荷），由于束缚电荷的作用，在压电陶瓷的电极表面就会吸附自由电荷。这些自由电荷与压电陶瓷内的束缚电荷符号相反而数值相等，如图6-6所示。图6-5 压电陶瓷的极化处理 6.1压电效应及压电材料 6.1压电效应及压电材料图6-6 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 当压电陶瓷受到与极化方向平行的外力作用而产生压缩变形，电畴发生偏转，内部正负束缚电荷之间的距离变小，剩余极化强度也将变小，因此，原来吸附的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。当外力撤消后，压电陶瓷恢复原状，内部的正负束缚电荷之间的距离变大，极

12、化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。充、放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，这种由机械能转变为电能的现象，称为压电陶瓷的正压电效应。同样，压电陶瓷也存在逆压电效应。6.1压电效应及压电材料 通常将压电陶瓷的极化方向定义为Z轴，在垂直于Z轴的平面上的任意选择一正交轴系作为X轴和Y轴。对于X轴和Y轴，其压电效应是相同的（即压电常数相等），这是与石英晶体的不同之处。常见的压电陶瓷有锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）、钛酸钡陶瓷（BaTiO3）、铌酸盐系压电陶瓷，如铌酸铅（PbNb2O3）、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）等，压电陶瓷的特点是压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方

13、和掺杂等人工控制来达到所要求的性能。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。另外，压电陶瓷的成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷按照受力和变形的形式不同可以制成各种形状的压电元件，常见的有片状和管状，管状压电元件的极化方向可以是轴向的，也可以是圆环的径向。6.1压电效应及压电材料（3）新型压电材料 新型压电材料可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。1）压电半导体 硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等材料具有显著的特点，即既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。2）有机高分子压电材料 一些合成的高分子聚合物，如聚氟乙烯（PVF)、聚二氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）等经延展拉伸和电极化后可以制成压电材料，这种材料质地柔软、不易破碎，在很宽的频率范围内有平坦的响应，性能稳定，能和空气的声阻抗自然匹配。另外，高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末也可制成高分子压电薄膜。