压电陶瓷幻灯片课件

压电陶瓷的压电效应 • 压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。 • 当压电陶瓷极化处理后，材料内部存有很强的剩余场极化； 受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化， 产生压电效应。
a—Z向施力；b—X向施力 压电陶瓷的压电效应
如图a所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
二、 压电式传感器的测量电路 1.压电元件的串联与并联
(a)并联 (b)串联 压电元件的串联与并联
压电晶片的串、并联：
Fx
＋＋＋＋＋＋＋
Fx
―――――――
――――――― ＋＋＋＋＋＋＋
＋＋＋＋＋＋＋ ―――――――
最显著
从晶体上沿轴线切下的薄片称为
“晶体切片”。垂直于电轴Ｘ切割的 石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金 属，材料常为银或金，用以测量工作 面上产生的电荷。
切片在受到不同方向的作用力会产
生不同的极化作用。主要的压电效应 有纵向效应、横向效应和剪切效应。
X FX
＋＋＋ ＋＋
――― ―― FX
X FX
――― ―――
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
2021/3/19
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用 ，从而产生稳定的振荡 输出频率。
6
• Z轴是晶体的对称轴，光轴，该轴方向没有压电效应； • X轴称电轴，电荷都积累在此轴晶面上，垂直于X轴晶
面的压电效应最显著； • Y轴称机械轴，逆压电效应时，沿此轴方向的机械变形
Q XY
d12
a b
FY

在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具有优 良的性能，已经用来制造滤波器、换能器、变压器等。
随着电子工业的发展，对压电材料与器件的要求就越来 越高了，二元系PZT已经满足不了使用要求，于是研究和 开发性能更加优越的三元、四元甚至五元压电材料。
第六章 压电陶瓷
二、压电效应 压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位移，当 不存在应变时电荷在晶格位置上分布是对称的，所 以其内部电场为零。 但当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷 分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生 一个电场，这个电场就表现为压电效应。
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因
数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。 机械品质因数Qm的定义式是：
谐振时振子储存的机械 能
Qm 2 每一谐振周期振子所消 耗的机械能
Qm
2fr R(C0
f
2 a
C1
)(
f
2 a
fr2 )
其中：
fr为压电振子的谐振频率 fa为压电振子的反谐振频率 R为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻） C0为压电振子的静电容 C1为压电振子的谐振电容
第六章 压电陶瓷
d (pC/N) 33Fra bibliotek360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
0.44
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
Composition(x)
第六章 压电陶瓷
Q m
k p
1600
kp
0.60
Qm
1500

其中，D为样品的厚度，A为样品电极面积，d为样品的直 径，CT为样品的电容，ε0为真空介电常数，其值为 8.854×10-12 F/m。
(2) 介质损耗tanδ 介质损耗主要是由极化弛豫和介质漏电引起 的。通常以电介质中存在一个损耗电阻Rn来 表示电能的消耗。把通过介质的电流分成消 耗能量的部分IR和不消耗能量的部分IC（即通 过介质纯电容部分），定义介质损耗正切角 为：tanδ= IR / IC = 1 / wCRn(w代表交变电场 的角频率)。
• 通常压电材料的压电常数有：压电应变常数 dij、压电电压常数gij和压电劲度常数hij，本 次课主要介绍压电应变常数dij的测量方法，其 余参数的测量，大家可以查阅相应的的文献。
1 静态测量法
• 1.1 静态法测量压电应变常数d33 (1) 力-电荷法：当加在样品上的压力突然改变时， 将使样品上产生的电荷发生变化，用冲击检流 计测出电荷。
砝码 G
样品
极化方向
冲击检流计
静态法测量d33原理示意图
• 试验步骤：按原理图接好电路，突然无冲击地 提起砝码，读取冲击检流计上的偏转读书α ， 从而得到电荷量Q。 • 压电应变常数d33按下式进行计算：
D /A Q 33 Q d 33 F/ A F 33
•
1.2 动态法测量压电应变常数d33 测量压电应变常数d33，采用长度纵向振动的 样品。 测量步骤： (1) 测出样品的尺寸L和直径Φ (2) 测出样品的谐振频率fr和反谐振频率fa； (3) 测量出fr和fa后，算出样品的机电耦合系数 K33和恒电场下的弹性柔性系数S33：
压电振子的等效电路和谐振特性
当信号频率从低 频向高频变化时， 通过压电振子的 电流将随着输入 信号的频率变化 而变化。

变材料性能.
• 复合材料主要通过加和效应和乘积效应影响材
料的性能.
微电子机械系统 (MEMs)
Substrate Contact Monomorph Contact Top Ti/P t P olyim ide P ZT Bottom Ti/P t SiO 2 n-type silicon P +Silicon Etched Cavity SiO 2
X<0.33, 三方相，呈 现强的介电弛豫特性 X>0.33,四方相，呈 现典型的普通铁电体 特征
PZN－PT单晶
PZN－PT单晶的介电性能
电致伸缩
5 压电陶瓷材料发展方向
• 无铅压电陶瓷
• 高温压电陶瓷
• 压电复合材料 • 压电薄膜与厚膜材料
Lead-free piezoceramics
准同型相界 Morphotropic Phase Boundary (MPB) 无准同型相界：
BaTiO3, (Na1/2Bi1/2)TiO3 (Tc=335oC, d33=74pC/N),
PbTiO3,
LiNbO3 （铌铁矿结构）Tc=1210oC, g15=91X10-3Vm/N PbNb2O6 （钨青铜结构）
Bi4Ti3O12 （铋层状结构）
Sr2Nb2O7 (焦绿石结构）
有准同型相界－－PZT
(1) BaTiO3压电陶瓷
Tc低, 在0oC有相变, 稳定性差, 影响其应用 改性:
(1) Pb取代改性—Tc提高, 第二转变温度下降, 提
高压电系数的热稳定性, 且压电效应增大.
(2) Ca取代改性—Tc不变, 但第二转变温度降低,
Microcantilever Arrays
Acoustic Wave Devices （SAW） Chemical Sensor