敏感功能材料03機(jī)電轉(zhuǎn)換特性

1、第三章第三章 機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換特性電轉(zhuǎn)換特性主要內(nèi)容主要內(nèi)容v 機(jī)電轉(zhuǎn)換特性及材料（機(jī)電轉(zhuǎn)換特性及材料（3 3學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性u(píng)機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換將應(yīng)力、應(yīng)變、旋轉(zhuǎn)、位移等機(jī)械量將應(yīng)力、應(yīng)變、旋轉(zhuǎn)、位移等機(jī)械量 轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)的電量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)的電量機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 無對(duì)稱中心的晶體，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾鼰o對(duì)稱中心的晶體，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到

2、不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形。何變形。逆壓電效應(yīng)（逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）電致伸縮效應(yīng)）：定義：定義：一一 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性圖圖8-1 壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性 壓電元件機(jī)械量電量正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)y機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性二、壓電材料二、壓電材料1、壓電材料的分類、壓電材料的分類

3、（1 1）、壓電晶體）、壓電晶體晶體中晶體中21個(gè)無對(duì)稱中心的晶體個(gè)無對(duì)稱中心的晶體20個(gè)有壓電特性。個(gè)有壓電特性。其他晶體壓電效應(yīng)十分微弱。其他晶體壓電效應(yīng)十分微弱。石英晶體是壓電性能好的材料。石英晶體是壓電性能好的材料。理想的幾何形狀為正六面體晶柱理想的幾何形狀為正六面體晶柱石英晶體簡介石英晶體簡介可以分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷、可以分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷、 高分子壓電材料高分子壓電材料 機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向軸向軸Z Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱

4、線且垂直于光軸的x x軸稱為電軸；與軸稱為電軸；與x x軸和軸和z z軸同時(shí)垂直的軸同時(shí)垂直的y y軸稱為機(jī)械軸。軸稱為機(jī)械軸。xyz機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z Z軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。 機(jī)械軸（機(jī)械軸（Y Y軸）：垂直軸）：垂直xzxz面，在電場作用下，該軸方向的面，在電場作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯，機(jī)械變形最明顯， 電軸（電軸（X X軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。應(yīng)最強(qiáng)

5、。石英晶體的三個(gè)晶軸石英晶體的三個(gè)晶軸機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子和氧離子O2-在在Z平面投影，平面投影，如圖如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中中正六邊形排列，圖中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 (a)XY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影(b)+-YX+機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性10 當(dāng)作用力當(dāng)作用力FX=0時(shí)，正、

6、負(fù)離子（即時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成三個(gè)互成120夾角的偶極矩夾角的偶極矩P1、P2、P3，如，如圖（圖（a）所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電）所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶偶極矩的矢量和等于零，即極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（方向的壓力（FX0在在Y、Z方向上的分量為方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+-X(

7、a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0+-P1P2P3機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性可見，當(dāng)晶體受到沿可見，當(dāng)晶體受到沿X(電軸電軸)方向的力方向的力FX作用時(shí)，它在作用時(shí)，它在X方向產(chǎn)生方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在晶體在Y軸方向力軸方向力FY作用下的情況與作用下的情況與FX相似。當(dāng)相似。當(dāng)FY0時(shí)，晶體時(shí)，晶體的形變與圖（的形變與圖（b）相似；當(dāng)）相似；當(dāng)FY0時(shí)，則與圖（時(shí)，則與圖（c）相似。由此可）相似。由此可見，晶體在見，晶體在Y（即機(jī)械軸）方向的力（即機(jī)械軸）方向的力FY作用下，使它在作用下，使它在X方向產(chǎn)方向

8、產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 （P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用時(shí)，其變化情況如圖）作用時(shí)，其變化情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為在在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。方向則不出現(xiàn)電荷。機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 晶體在晶體在Z軸方向力軸方向力FZ的作用下，因?yàn)榫w沿的作用下，因?yàn)榫w沿X方向和沿方向和沿Y方向方向所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的正應(yīng)變正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電完全

9、相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸即光軸)方向的力方向的力FZ作用作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它晶體切片，使它的晶面分別平行于的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 當(dāng)晶片受到沿當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓軸方向的壓縮應(yīng)力縮應(yīng)力XX作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。厚度變形，并發(fā)生極化

10、現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化極化強(qiáng)度強(qiáng)度PXX與應(yīng)力與應(yīng)力XX成正比，成正比，即即ZYXbl石英晶體切片石英晶體切片t機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性式中式中 FXX軸方向的力；軸方向的力； d11壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英晶壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英晶體體d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的長度和寬度。石英晶片的長度和寬度。 極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即 式中式中 q qX X垂直于垂直于X X 軸平面上的電荷。軸平面上的電荷。將上兩式整理，得將

11、上兩式整理，得 lbFddPXXXXX1111lbqPXXX式中式中 電極面間電容。電極面間電容。 XXFdq11XXXXXCFdCqU11tlbCrX0其極間電壓為其極間電壓為ZYXbl石英晶體切片石英晶體切片t機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即 XXEdtUdtt1111FX+ + + (a)XFX + + +(b)Xt=d11UX在在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的石英晶體的X軸正向帶正電；軸正向帶正電；如果作用力如果作用力FX改為拉力，則改為拉力，則在垂直于在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)軸的

12、平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見等量電荷，但極性相反，見圖圖(a)、(b)。 用應(yīng)變表示用應(yīng)變表示,則則式中式中 EXX軸方向上的電場強(qiáng)度。軸方向上的電場強(qiáng)度。ZYXbl石英晶體切片t機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、）、（d），此時(shí)電荷的大小為），此時(shí)電荷的大小為 + + + +(c)FYX+ + + +(d)FYXYYXYFtldFtblbdq1212式中式中 d12石英晶體在石英晶體在Y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。軸方向受

13、力時(shí)的壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：d11=d12，則上式為，則上式為YXYFtldq12XYXXYXCFtldCqU11式中式中 t晶片厚度。晶片厚度。則其極間電壓為則其極間電壓為ZYXblt機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即XUtldl11XEdll11由上述可知：由上述可知： 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定晶體

14、在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；存在逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 或用應(yīng)變表示或用應(yīng)變表示:機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜

15、亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見圖（零，見圖（a）。）。 剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 剩余極化強(qiáng)度直流電場E（2 2）、壓電陶瓷）、壓電陶瓷如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 鈣鈦礦型的單晶體或多晶體陶瓷都具有壓電性。鈣鈦礦型的單晶體或多晶體陶瓷都具有壓電性。機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 自由電荷極化方向 束縛電荷電極電極在陶瓷片的電極面上吸附了一層

16、來自外界的自由電荷。這些在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。 極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F 放電荷現(xiàn)象：施加與極化方向平行的壓力放電荷現(xiàn)象：施加與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷

17、，小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放。有一部分被釋放。(1)、正壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性充電現(xiàn)象：充電現(xiàn)象：當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀( (這是一這是一個(gè)膨脹過程個(gè)膨脹過程) )，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F 極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）

18、這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，如同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場的作圖，由于電場的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果

19、外加電場的方向與極化方向相反，則陶虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況） 極化方向電場方向 這種電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能這種電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。 機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶

20、瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。自由電荷的釋放或

21、補(bǔ)充的結(jié)果。機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性（3 3）高分子壓電材料）高分子壓電材料 典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氯乙烯（）、改性聚氯乙烯（PVCPVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)價(jià)格便宜，頻率

22、響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB80dB。機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性2 2、壓電材料的主要特性參數(shù)、壓電材料的主要特性參數(shù)（1）介電常數(shù)）介電常數(shù): 壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器.tACr0AtC0為真空介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)；r為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)； t為壓電元件的厚度；為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積。為壓電元件極板面積。其電容量為：其電容

23、量為：機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 極化后的陶瓷是各向異性的晶體，沿極化方向的介電性質(zhì)與極化后的陶瓷是各向異性的晶體，沿極化方向的介電性質(zhì)與其它兩個(gè)方向的介電性質(zhì)不一樣。其它兩個(gè)方向的介電性質(zhì)不一樣。332211有兩個(gè)介電常數(shù)有兩個(gè)介電常數(shù)機(jī)械自由介電常數(shù)：機(jī)械自由介電常數(shù)：機(jī)械夾持介電常數(shù)：機(jī)械夾持介電常數(shù)：TS機(jī)械條件制約：機(jī)械條件制約：T11S11T33S33四個(gè)介電常數(shù)：四個(gè)介電常數(shù)：機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)

24、電轉(zhuǎn)換特性（2）彈性常數(shù)）彈性常數(shù)彈性體服從胡克定律：彈性體服從胡克定律：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。sTS cST T: 應(yīng)力；應(yīng)力；S: 應(yīng)變；應(yīng)變；s：彈性順度系數(shù)：彈性順度系數(shù), 單位：單位：m2/Nc：彈性進(jìn)度系數(shù)：彈性進(jìn)度系數(shù), 單位：單位：N/m2cs1獨(dú)立的彈性順度系數(shù)和獨(dú)立的彈性勁度系數(shù)各有獨(dú)立的彈性順度系數(shù)和獨(dú)立的彈性勁度系數(shù)各有5個(gè)。個(gè)。；、4433131211sssss4433131211ccccc、電學(xué)條電學(xué)條件制約件制約外電路短路：外電路短路：外電路開路：外電路開路：；、EE

25、EEEsssss4433131211；、DDDDDsssss4433131211機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性（3）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)表示在機(jī)械能轉(zhuǎn)換時(shí)材料內(nèi)部消耗的程度。表示在機(jī)械能轉(zhuǎn)換時(shí)材料內(nèi)部消耗的程度。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。111RCQsmR1：等效電阻；：等效電阻；s：串聯(lián)諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率 C1：振子諧振時(shí)的等效電路。：振子諧振時(shí)的等效電路。（4 4）壓電常數(shù)和壓電方程）壓電常數(shù)和壓電方程正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：D=dT逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場強(qiáng)度有如下關(guān)系：逆壓電效

26、應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場強(qiáng)度有如下關(guān)系：S=dEd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。 d機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。關(guān)系到壓電輸出靈敏度。gdg 表示內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的電場，或應(yīng)變所引起的電位移的關(guān)系。表示內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的電場，或應(yīng)變所引起的電位移的關(guān)系。 壓電方程壓電方程 在電場強(qiáng)度、電位移和應(yīng)力、應(yīng)變這四組變量中在電場強(qiáng)度、電位移和應(yīng)力、應(yīng)變這四組變量中,可可以任選一組力學(xué)量和一組電學(xué)量作自變量以任選一組力學(xué)量和一組電學(xué)量作自變量,這就有四種

27、情這就有四種情況況,有四組壓電方程。有四組壓電方程。 在壓電方程中在壓電方程中,彈性常數(shù)、柔性常數(shù)各有彈性常數(shù)、柔性常數(shù)各有36個(gè)個(gè),壓電壓電常數(shù)有常數(shù)有18個(gè)個(gè),介電常數(shù)、介電隔離率各有介電常數(shù)、介電隔離率各有9個(gè)。由于晶體個(gè)。由于晶體的對(duì)稱性的對(duì)稱性,獨(dú)立的常數(shù)將有不同程度的減少。獨(dú)立的常數(shù)將有不同程度的減少。機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性（5 5）機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能）機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效

28、率的一個(gè)重要參數(shù)。電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 輸入機(jī)械能輸入機(jī)械能機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軝C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌斎腚娔茌斎腚娔茈娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 2k計(jì)算見書上圖表計(jì)算見書上圖表83（6）頻率常數(shù)）頻率常數(shù)是諧振頻率和決定諧振頻率的線度尺寸的乘積。是諧振頻率和決定諧振頻率的線度尺寸的乘積。若外加磁場垂直于振動(dòng)方向，則諧振頻率為若外加磁場垂直于振動(dòng)方向，則諧振頻率為串聯(lián)諧振頻率；串聯(lián)諧振頻率；若電場平行于振動(dòng)方向，則諧振頻率為若電場平行于振動(dòng)方向，則諧振頻率為并聯(lián)諧振頻率。并聯(lián)諧振頻率。（7 7）居里點(diǎn)溫度）居里點(diǎn)溫度: : 它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。它是指壓電材料開始喪失壓電

29、特性的溫度。機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性種類種類：(1)(1)壓電晶體，如石英等；壓電晶體，如石英等；(2)(2)壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；(3)(3)壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。對(duì)壓電材料特性要求：對(duì)壓電材料特性要求：轉(zhuǎn)換性能轉(zhuǎn)換性能: :要求具有較大壓電常數(shù)。要求具有較大壓電常數(shù)。機(jī)械性能機(jī)械性能: :壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。電性能電性能: :希望具有高電阻率和大介電

30、常數(shù)，以減弱外部分布希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。電容的影響并獲得良好的低頻特性。環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng): :溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性: :要求壓電性能不隨時(shí)間變化。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 3 3、壓電材料特性要求、壓電材料特性要求機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性石英晶體石英晶體 石英（石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在

31、常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。乎不隨溫度變化，如下兩圖。 由圖可見，在由圖可見，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)，壓電系數(shù)僅減少僅減少0.016。但是當(dāng)?shù)?。但是?dāng)?shù)?73時(shí)，它完全失去了壓電特性，這時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的就是它的居里點(diǎn)居里點(diǎn)。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系數(shù)系數(shù)相對(duì)于20的d11溫度變化特性6543210100 200 300400 5

32、00 600t/相對(duì)介電常數(shù)居里點(diǎn)石英在高溫下相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的溫度特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。或要求較高的傳感器中。 因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。地選擇石英片的切型。 石英晶片的切型符號(hào)表示方法：石英晶片的切型符號(hào)表示方法：uIRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)表示法；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)表示法；u習(xí)慣符號(hào)表示法。習(xí)慣符號(hào)表示法。 機(jī)電轉(zhuǎn)換特性機(jī)電轉(zhuǎn)換特性32 IREIRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)包括一組字母（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)包括一組字母（X X、Y Y