電介質(zhì)材料-壓電熱釋電鐵電介質(zhì)材料課件

1、第九章 電介質(zhì)材料1電介質(zhì)材料電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010 cm的一類在電場中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。電介質(zhì)材料的主要效應(yīng)：壓電性-壓電效應(yīng)熱釋電性-熱釋電效應(yīng)鐵電性-自發(fā)極化與鐵電體2 壓電效應(yīng)：在晶體上施加壓力、張力、切向力時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化。 熱釋電效應(yīng)：具有自發(fā)極化，晶體可以因溫度變化而引起晶體表面電荷，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng) 鐵電效應(yīng)：具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向能隨外場改變。它們最顯著的特征，宏觀的表現(xiàn)就是具有電滯回線。熱釋電效應(yīng)與鐵電效應(yīng)的區(qū)別兩種晶體均存在自發(fā)極化。當(dāng)晶體溫度改變時，自發(fā)極化偶極矩發(fā)生變化，

2、即熱釋電效應(yīng)； 自發(fā)極化強度矢量在電場作用下會改變方向，此即鐵電效應(yīng)。33.1 壓電材料 氣體噴嘴氣體噴嘴高高壓壓引引線線壓壓電電振振子子磷磷銅銅片片壓壓電電振振子子外外殼殼叩叩擊擊機機構(gòu)構(gòu)壓電陶瓷點火示意圖壓電蜂鳴器 4壓電陶瓷因受力形變而產(chǎn)生電的效應(yīng)5壓電陶瓷片，它利用壓電效應(yīng)工作，既可以作發(fā)聲元件又可以作接收聲音的元件。而且它很便宜，生日卡上的發(fā)聲元件就是它。壓電陶瓷片是在圓形銅底板上涂覆了一層厚約1mm的壓電陶瓷，再在陶瓷表面沉積一層涂銀層，涂銀層和銅底板就是它的兩個電極?，F(xiàn)象之一：如將它彎曲，它的表面就會出現(xiàn)異種電荷，如反向彎曲，電荷的極性也會相反?，F(xiàn)象之二：如在壓電陶瓷片的兩個電極

3、上施加一定電壓，它就會發(fā)生彎曲，當(dāng)電壓方向改變時，彎曲方向也隨之改變。 6 利用壓電效應(yīng)，有了一種聲-電，電-聲轉(zhuǎn)換的兩用器件，可以當(dāng)話筒用：對壓電陶瓷片講話，使它受到聲波的振動而發(fā)生前后彎曲，當(dāng)然人的眼睛分辨不出這種彎曲，在壓電陶瓷片的兩電極就會有音頻電壓輸出。 相反地，把一定的音頻電壓加在壓電陶瓷片的兩極，由于音頻電壓的極性和大小不斷變化，壓電陶瓷片就會產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲運動，推動空氣形成聲音，這時候，它又成了喇叭。 7主要內(nèi)容一、概述二、研究史三、基本原理四、性能參數(shù)五、典型的壓電材料六、應(yīng)用8壓電效應(yīng)：除了電場產(chǎn)生極化外，在某些電介質(zhì)晶體中，還可以通過純粹的機械作用（拉壓力、壓應(yīng)力或切應(yīng)力

4、）而發(fā)生極化，出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成比例。一、概述9壓電效應(yīng)：v正壓電效應(yīng)： 材料受到機械應(yīng)力處于應(yīng)變狀態(tài)時，材料內(nèi)部會引起電極化，其值與應(yīng)力的大小成比例，其符號取決于應(yīng)力的方向。外力撤掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。v逆壓電效應(yīng)： 逆壓電效應(yīng)則與正壓電效應(yīng)相反，當(dāng)材料在電場的作用下發(fā)生電極化時，則會產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變值與所加電場的強度成正比，其符號取決于電場的方向。有正壓電效應(yīng)的晶體必然有逆壓電效應(yīng)，正壓電常數(shù)數(shù)與逆壓電常數(shù)必然相等，且一一對應(yīng)。10F FF F極化面極化面Q Q壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機械能機械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性能量的

5、轉(zhuǎn)換力形變電壓 正壓電效應(yīng)電壓形變 逆壓電效應(yīng)11壓電單晶：是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰等。水晶（-石英）是一種有名的壓電晶體。壓電陶瓷：壓電陶瓷泛指壓電多晶體。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT等?？顾釅A，易制成任意形狀。需高壓極化處理。高分子壓電材料：如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜），這類材料材質(zhì)柔韌，可做極薄的組件，需極高的極化電場1.無機壓電材料壓電材料分類2.有機壓電材料3.復(fù)合壓電材料這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構(gòu)成的。12早在世紀(jì)前，錫蘭和印度土著人就已經(jīng)注意到電氣石的特

6、殊性質(zhì)，當(dāng)電氣石投入熱的灰燼當(dāng)中時，這種晶體能夠吸引小塊灰燼而又在幾分鐘之后排斥掉它們。十八世紀(jì)初，荷蘭商人將這種電氣石引入歐洲，被稱為錫蘭磁石。1756年，德國物理學(xué)家 Aepinus（電容器發(fā)明者）研究電氣石產(chǎn)生電的行為，第一次觀測到溫度改變引起的電極化現(xiàn)象。1824 年，蘇格蘭物理學(xué)家 D.Brewster將這種產(chǎn)生電的行為稱為熱電性。1817 年，法國礦物學(xué)家 Ren Just Heuy 第一次提到了壓電效應(yīng)。1880 年，法國物理學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)石英具有壓電性：當(dāng)重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。 他們所報導(dǎo)的這些晶體中就有后來廣為研究的羅息鹽(酒石酸鉀

7、鈉NaKC4H4O64H2O)。二、壓電材料的歷史131881年 李普曼(G. Lippman)根據(jù)能量守恒和電荷量守恒的原理，推測逆壓電效應(yīng)(Converse piezoelectric effect) 的存在，這一預(yù)言很快就被居里兄弟用實驗所證實。1916年 朗之萬(Langevin)用壓電石英晶體作成水下發(fā)射和接收換能器，這是最早的壓電換能器，并用于探測水下的物體。1917年 美國貝爾（Bell）實驗室的A.M. Nicolson制成壓電拾音器和揚聲器，并在1918年取得壓電晶體管振蕩器的專利。1918 年 卡迪（Cady）研究了羅息鹽晶體在機械諧振頻率特有的電性能。1919年 用羅息鹽

8、制成了電聲組件，這為壓電材料在通訊技術(shù)和頻率控制等方面的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。隨后羅息鹽又在濾波器、換能器和聲納等方面獲得了應(yīng)用。14n1947 年美國的 Roberts 發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇（BaTiO3）的壓電性，使得多晶材料得到發(fā)展。獲得壓電性所需的極性可以通過暫時施加電場的方法，從一塊各項同性的多晶陶瓷得到。 n采用BaTiO3壓電陶瓷制成了拾音器，鈦酸鋇陶瓷的發(fā)現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的一個飛躍，至此，壓電材料形成了兩大類：壓電單晶材料及壓電陶瓷材料。n1969年 發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯薄膜制程的駐極體具有優(yōu)良的壓電性后，聚合物駐極體的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展起來。n之后，又經(jīng)過近六十多年的發(fā)展，壓電材料已經(jīng)從最初

9、的壓電晶體，發(fā)展到壓電陶瓷、進而發(fā)展到壓電聚合物以及壓電陶瓷/聚合物復(fù)合材料。15 壓電式發(fā)電器裝置從環(huán)境中吸取機械能，轉(zhuǎn)換成電能驅(qū)動微機電系統(tǒng)。早在 1984 年，美國科學(xué)家將 PVDF 薄片安置在生物體上，以生物體呼吸時肋骨伸張運動所產(chǎn)生的能量作為研究基礎(chǔ)，將生物體運動時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動外部設(shè)備。壓電式發(fā)電器裝置固定在狗肋骨上，利用狗的自然呼吸可產(chǎn)生 18V 電壓，能量 17uW。優(yōu)化 PVDF 壓電換能元件形狀，同時設(shè)計更適合貼在動物肋骨上的輔助設(shè)備，最終測試發(fā)現(xiàn)輸出能量能夠達到1mW。1996 年，英國科學(xué)家試驗分析發(fā)現(xiàn)發(fā)電器裝置內(nèi)部的壓電陶瓷發(fā)電總量與其變形頻率的立方成正比

10、。此發(fā)電器裝置，在 70Hz 的振動頻率下產(chǎn)生1uW 的能量，在振動激勵為 330Hz 的情況下產(chǎn)生 0.1mW 能量。16q1998 年，美國麻省理工大學(xué)科學(xué)家 Kymissis 將壓電式發(fā)電器裝置以不同方式安置入鞋中，收集人行走過程中所丟失的能量。安置壓電沖擊式裝置在鞋后跟處，同時安裝一個 PVDF 材料的薄板在鞋子的前鞋底處。測試發(fā)現(xiàn)壓電式?jīng)_擊機構(gòu)產(chǎn)生峰值電能為 80mW，PVDF 材料峰值電能達到 20mW，電磁式機構(gòu)峰值電能為 20mW。由于外界激勵緩慢，PVDF 裝置和沖擊式壓電裝置的平均電能都很低，電磁式結(jié)構(gòu)不易實現(xiàn)，安裝在鞋子里很困難，并受步伐影響。q此研究證明了壓電發(fā)電裝置在

11、自身供能系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，表現(xiàn)出了吸收外界能量應(yīng)用于傳送數(shù)據(jù)的能力。17三、壓電轉(zhuǎn)換機理1. 壓電單晶的轉(zhuǎn)換機理晶體存在對稱中心，晶體發(fā)生形變后仍保持極化強度為零，無壓電效應(yīng)。由于石英晶體不存在對稱中心，當(dāng)給晶體施加壓力時，產(chǎn)生極化后某一方向出現(xiàn)剩余偶極矩。183232種點群種點群晶體晶體不具有對不具有對稱中心的稱中心的晶體（晶體（2121） 極性晶體極性晶體（1010）壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)熱釋電熱釋電鐵電鐵電非極性晶非極性晶體（體（1111）壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)（1010種）種）具有對稱中具有對稱中心的晶體心的晶體（1111） 按照晶體的宏觀對稱性，晶體可分為：七大晶系、32種點群，其中21種點群

12、沒有對稱中心，其中20種點群具有壓電效應(yīng)。19單晶具有壓電性的必要條件是晶體不具有對稱中心。無對稱中心并不是產(chǎn)生壓電效應(yīng)的充分條件，即無對稱中心的晶體并不能保證都有壓電性。產(chǎn)生機理：晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電偶極矩?？偨Y(jié)：單晶壓電效應(yīng)20壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機理與壓電單晶大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷屬于鐵電體，人工制造多晶材料，它具有電疇結(jié)構(gòu)在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（a

13、）。 直流電場E剩余極化強度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 2. 壓電多晶轉(zhuǎn)換機理（自發(fā)極化）21 電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。原因？ 極化后，在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷，由于束縛電荷的作用，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)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極極化方向極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖的自由電荷示

14、意圖剩余極化強度剩余極化強度剩余伸長剩余伸長(c)極化處理后極化處理后 22 如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，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小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，就是正壓電效應(yīng)。 極化方向極化方向正壓電效應(yīng)示意圖正壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）代表形

15、變后的情況）F正壓電效應(yīng)示意圖（實線代表無外力情況，虛線代表加外力的情況）2324 同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，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。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況） 極化方向電場方向壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化，這些自發(fā)極化經(jīng)過人工極化工序

16、處理后被迫取向排列的結(jié)果，即人工極化后的壓電陶瓷內(nèi)部存在剩余極化強度。外界的作用（如壓力或電場的作用）使該剩余極化強度發(fā)生變化，導(dǎo)致陶瓷出現(xiàn)（充放電或形變）壓電效應(yīng)。在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部束縛電荷極化強度的變化，引起電極表面上外界自由電荷的釋放或補充?？偨Y(jié)：壓電陶瓷的壓電效應(yīng)25壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變與電場成正比，當(dāng)電場反向時，應(yīng)變改變符號，即正向電場使試樣伸長，反向電場使試樣縮短。電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變與電場的平方成正比，當(dāng)電場反向時，應(yīng)變不改變符號，即無論正向電場或反向電場均使試樣伸長（縮短）。逆壓電效應(yīng)電致伸縮 SE226對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能。要求機械能與電能

17、轉(zhuǎn)換效率高。 機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。 電性能。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。 環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。 四、壓電材料的性能參數(shù)27 作為介電材料：可用介電系數(shù)，介電損耗tg，絕緣電阻率和介電強度Eb等表征。 作為壓電材料：極化處理以后才具有壓電性，但對外表現(xiàn)為各向異性，也就是說各項性能參數(shù)在不同方向上表現(xiàn)為不同的數(shù)值。這使得其表征性能的參數(shù)比各向同性材料的要多得多。一些參數(shù)：

18、 壓電系數(shù)d 壓電電壓系數(shù)g 機電耦合系數(shù)k 機械品質(zhì)因素Qm 頻率系數(shù)N281、壓電系數(shù)d ：單位機械應(yīng)力T所產(chǎn)生的極化強度常用的為橫向壓電系數(shù)d31和縱向壓電系數(shù)d33（腳標(biāo)第一位數(shù)字表示壓電陶瓷的極化方向；第二位數(shù)字表示機械振動方向）。 d=P/T（C/N）壓電常數(shù)是力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量（電位移或電場）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。直接反映了材料壓電效應(yīng)的強弱。越大越好或：單位電場強度V/x所產(chǎn)生的應(yīng)變x/x VxxVxxd/)/()/( 292、壓電電壓系數(shù)g：單位應(yīng)力T所產(chǎn)生的電場強度E；或單位電荷所產(chǎn)生的形變。 （Vm/N） TEg/d和g在不同的角度反映了材料的壓電性能，d用

19、得較為普遍，g常用于接收型換能器、拾音器，高壓發(fā)生器等場合。對于由機械應(yīng)力而產(chǎn)生電壓(如壓電傳感器)的材料來說，希望具有高的壓電電壓常數(shù)。30 3、機電耦合系數(shù)、機電耦合系數(shù)k 或或 輸輸入入的的電電能能電電能能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變所所得得的的機機械械能能2k輸輸入入的的機機械械能能機機械械能能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變所所得得電電能能2k機電耦合系數(shù)反映了機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換程度，它與材料的壓電系數(shù)、和彈性常數(shù)等有關(guān)，是一個比較綜合的參數(shù)。由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)傳播，因而k總是小于1的。與其形狀和振動模式有關(guān)，不同振動模式將有相應(yīng)的機電耦合系數(shù)： 如對薄圓片徑向伸縮模式的耦

20、合系數(shù)為Kp（平面耦合系數(shù)）； 薄形長片長度伸縮模式的耦合系數(shù)為K31（橫向耦合系數(shù)）； 圓柱體軸向伸縮模式的耦合系數(shù)為K33（縱向耦合系數(shù)）等。31KpK33KtK15K31324、機械品質(zhì)因數(shù) Qm 壓電陶瓷在振動時，由于必須克服晶格形變等內(nèi)磨擦效應(yīng)而消耗部分能量，即產(chǎn)生機械損耗。Qm便是描述這種能量損耗的參數(shù)，機械品質(zhì)因數(shù)Qm的定義式是： 機械品質(zhì)因數(shù)的存在表明任何壓電材料都不可能把輸入的機械能全部用于輸出。機械品質(zhì)因數(shù)Qm是反映能量消耗大小的一個參數(shù)。Qm越大，能量消耗越小。耗的機械能每一諧振周期振子所消能諧振時振子儲存的機械2mQ335、頻率常數(shù)N 對給定壓電振子，其諧振頻率和振子振

21、動方向長度的乘積為一個常數(shù)，即頻率常數(shù)N。只與材料性質(zhì)相關(guān)，這是選擇確定壓電陶瓷的重要參數(shù)。N=frl其中：fr為壓電振子的諧振頻率；l為壓電振子振動方向的長度。薄圓片徑向振動Np=frD薄板厚度伸縮振動Nt=frt細(xì)長棒K33振動N33=frl薄板切變K15振動N15=frltD為圓片的直徑t為薄板的厚度l為棒的長度lt為薄板的厚度346、相對介電常數(shù)不同用途的壓電元件對相對介電常數(shù)要求也不相同。通常壓電元件在高頻狀態(tài)工作時，相對介電常數(shù)要小，反之要大一些，由于壓電發(fā)電器裝置通常工作在超聲波頻率范圍內(nèi)，故常取1500。7、彈性常數(shù) s壓電陶瓷材料也是一種彈性體，在彈性極限范圍之內(nèi)，受力與變形

22、成正比。它反映壓電陶瓷彈性變形的能力。其值定義為(在線性彈性變形之內(nèi))8、工作條件參數(shù)限定壓電陶瓷工作范圍或規(guī)定工作條件的參數(shù)，居里溫度 Tc壓電陶瓷在某一溫度以下方具有壓電性，其臨界溫度點稱為居里溫度 Tc。35五、典型的壓電材料壓電晶體：q壓電石英晶體水晶：性能很穩(wěn)定，居里點溫度高（高達573）。廣泛用作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子和濾波器，以及換能器用大功率發(fā)射器。q鈮酸鋰（LiNbO3)：特點是居里溫度高，達1210oC，并且在很高的溫度范圍內(nèi)壓電性能隨溫度變化很小，可在高溫下工作-1050，以及良好的機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在超聲技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。q羅息鹽(酒石酸鉀鈉NaKC4H4O64H2O

23、)：從其上第一次發(fā)現(xiàn)了鐵電性：壓電性高、制做方便、價格便宜。優(yōu)點是壓電性高，水晶的1000倍。缺點是性能不穩(wěn)定，機械性能差。它在濕度高于85潮解。在溫度高于55 時分解成酒石酸納和酒石酸鉀。目前應(yīng)用很少。q磷酸二氫銨晶體：性能較穩(wěn)定、機械性能較好，但濕度超過93時潮解。故已基本不用。36q鈦酸鋇（BaTiO3)壓電陶瓷：最先制成、并廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷。除羅息鹽外，其機電偶合系數(shù)最高，但性能較羅息鹽穩(wěn)定，能在較大的溫度范圍內(nèi)工作。其缺點是居里點較低，約為115 ，并且還有兩個相變點，這樣其機電性能很不穩(wěn)定。經(jīng)過組成改性，使其性能得到改善，至今仍得到較多應(yīng)用。q鈦鋯酸鉛（ PbZr0.53Ti0.

24、47O3)：特點是居里溫度高，達1210 ，并且在很高的溫度范圍內(nèi)壓電性能隨溫度變化很小，可在高溫下工作1050 ，以及良好的機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在超聲技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷：壓電高分子材料：壓電復(fù)合材料：37六、壓電材料的應(yīng)用（一）壓電式傳感器（二）壓電變壓器（三）超聲測速（四）壓電發(fā)電器38（一）壓電傳感器用壓電陶瓷制成的傳感器可用來檢測微弱的機械振動并將其轉(zhuǎn)換為電信號，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙感遙測、環(huán)境保護、家用電器。如汽車上測量氣壓、發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力和真空度。39壓電變壓器 壓電變壓器的外形與結(jié)構(gòu)示意圖-n 壓電變壓器外形n壓電變壓器結(jié)構(gòu) （二）壓電變壓器40正壓電效

25、應(yīng)的應(yīng)用主要用于燃?xì)恻c火器，基本工作原理是：由外力壓縮一個彈簧并釋放，推動一個重錘打擊壓電陶瓷柱產(chǎn)生一數(shù)千伏的高壓并形成放電火花，點燃可燃?xì)怏w； 壓電陶瓷變壓器的基本構(gòu)成則是將一壓電蜂鳴器的應(yīng)用與一壓電點火器的應(yīng)用組合起來。根據(jù)壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)不同，可以是升壓型，也可以是降壓型。如：輸入端施加一定頻率的低壓，由逆壓電效應(yīng)在變壓器內(nèi)部首先將電能轉(zhuǎn)換為機械能縱駐波傳播，然后變壓器輸出端再將機械能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生一定頻率的高壓，從而實現(xiàn)升壓過程。 壓電變壓器工作原理逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用主要用于壓電蜂鳴器，基本工作原理為：當(dāng)壓電陶瓷片施加交變電場時，壓電陶瓷片產(chǎn)生形變即振動，如果振動頻率在音頻范圍內(nèi)就

26、會發(fā)出聲音。應(yīng)用此特性制造諧振器、濾波器等電子元件。41壓電陶瓷變壓器（升壓型）輸入端輸入端極化方向極化方向極化方向極化方向驅(qū)動部分驅(qū)動部分發(fā)電部分發(fā)電部分振動方向振動方向輸出端輸出端twl/2tw421、原理超聲波產(chǎn)生和接收 發(fā)射和接收超聲波的器件：壓電陶瓷 在發(fā)射壓電陶瓷上加交變電壓，則產(chǎn)生縱向機械振動，產(chǎn)生超聲波（逆壓電效應(yīng)）. 接收壓電陶瓷接收到超聲波后，產(chǎn)生電信號。（正壓電效應(yīng)）。n 超聲波單色性好，方向性強，波長較短，故用超聲波作聲源，聲速測量精確度較高。固定固定超聲波發(fā)射頭超聲波發(fā)射頭可移動可移動超聲波接收頭超聲波接收頭底座底座標(biāo)尺標(biāo)尺 刻度刻度 鼓輪鼓輪 聲速測量儀簡圖聲速測量

27、儀簡圖（三）超聲測速2、聲速原理 V = f （f：聲源振動頻率，直接由函數(shù)發(fā)生器讀出。：聲波波長，駐波振幅極值法和相位比較法測量。）43q機械能在日常環(huán)境中普遍存在，與其它能量相比便于利用。因此機械發(fā)電器是目前研究較多的一種環(huán)境能量收集方案。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換得機械結(jié)構(gòu)，可以將其分兩類。第一類就是利用質(zhì)量塊的振動或位移來將機械能轉(zhuǎn)換為電能，或者稱之為慣性轉(zhuǎn)換。如：電磁感應(yīng)、靜電效應(yīng)。第二類結(jié)構(gòu)是非慣性轉(zhuǎn)換，即外界施加的壓強被轉(zhuǎn)換為壓電材料的彈性能，利用壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能。q在機械發(fā)電器的研究中，壓電轉(zhuǎn)換方式具有很多優(yōu)點，首先它可以直接產(chǎn)生合適的電壓，其次它不像靜電轉(zhuǎn)換那樣需要初始電壓。此外，它沒有

28、結(jié)構(gòu)設(shè)計限制，從理論上說它的機械阻尼系數(shù)可以設(shè)計得比較小。同時壓電式發(fā)電器裝置沒有電磁干擾等。壓電式發(fā)電器裝置在微電子設(shè)備無源化的研究中，壓電能量的儲存和應(yīng)用是目前研究的焦點。（四）壓電發(fā)電器44壓電振蕩器 用于加濕機，醫(yī)療霧化等領(lǐng)域。霧氣出口水箱壓電振子水霧風(fēng)機45一、概述二、基本原理三、性能參數(shù)四、典型的熱釋電材料五、應(yīng)用46定義：具有自發(fā)極化的晶體的自發(fā)極化強度隨溫度改變的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。當(dāng)外加電場施加于熱釋電晶體時，電場的改變會引起晶體溫度變化，這種現(xiàn)象稱為電卡效應(yīng)。不具有對稱中心的晶體（21） 極性晶體（10）壓電效應(yīng)熱釋電鐵電非極性晶體（11）壓電效應(yīng)（10種）一、概

29、述47產(chǎn)生條件：極性晶體（具有特殊極性方向的晶體） 一定是具有自發(fā)極化的晶體，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極軸。所謂極軸，顧名思義是晶體唯一的軸，在該軸兩端往往具有不同的性質(zhì)，且采用對稱操作不能與其它晶向重合的方向。有10種含有唯一極軸點群。 自發(fā)極化是外電場為零時自發(fā)產(chǎn)生，晶胞的偶極矩會沿著某一方向排列，即晶胞為高度極化狀態(tài)的極性晶體 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的條件 不具有對稱中心的晶體（21） 極性晶體（10）壓電效應(yīng)熱釋電鐵電極性晶體-自發(fā)極化4849x3x2x1x3x2x1非極性晶體無熱釋電現(xiàn)象。（無極軸）50壓電體不一定是熱釋電體：因為溫度變化引起的晶體膨脹無方向性，非極性晶體不會產(chǎn)生剩余偶極矩，不具有熱

30、釋電效應(yīng)。應(yīng)力也會改變粒子間的距離鍵角，使晶體自發(fā)極化強度改變，熱釋電晶體總是壓電體。 熱釋電效應(yīng)：熱釋電晶體除了由于機械應(yīng)力作用引起壓電效應(yīng)外，還可以由于溫度變化時的熱膨脹作用而使其電極化強度變化，引起自由電荷的充放電現(xiàn)象。 壓電與熱釋電區(qū)別聯(lián)系 51二、基本原理 自發(fā)極化的晶體是一個永久帶電體，自發(fā)極化建立的表面束縛電荷被外來的表面自由電荷所屏蔽，束縛電荷建立的電場被抵消。 溫度變化時，晶體的總電矩發(fā)生改變，使束縛在表面的自由電荷層釋放掉，晶體呈現(xiàn)帶電狀態(tài)或在閉合電路中產(chǎn)生電流。52熱誘導(dǎo)的電偶極子在平衡軸附近的隨機擺動，在某一確定的溫度下，電偶極子自發(fā)極化形成的總的平均強度是不變的，因此

31、，熱釋電沒有輸出。熱釋電材料的溫度升高，電偶極子劇烈的擺動，擺角增加，總平均自發(fā)極化降低，感生電荷量也減少，釋放自由電荷，放電。熱釋電材料被冷卻，電偶極子更小的角度范圍內(nèi)擺動，自發(fā)極化將增強，感生電荷量也增加，充電熱釋電效應(yīng)的強弱由熱釋電系數(shù)來表示。假設(shè)這個晶體的溫度均勻地改變了一個小量dT，則極化強度P的改變?yōu)椋簾後岆娤禂?shù)pdTdP Pi是熱釋電系數(shù)，是一個矢量，大多數(shù)晶體的自發(fā)極化隨溫度增加而下降。 熱釋電系數(shù)為負(fù)值，溫度升高，熱運動傾向于干擾晶體中電矩的有序取向，使固有極化強度減小。材料材料PX(10-6Cm-2K-1)Px(10-6Cm-2K-1)Ppc(10-6Cm-2K-1)CdS

32、(6mm)CdSe(6mm)ZnO(6mm)LiSO4 H2O(2)LiTaO3(3m)Pb3Ge3O11(3)電氣石電氣石(3m)Sr0.5Ba0.5Nb2O6(4mm)-4.0-3.5-9.4+86.3-176-100+4.0-600-2.97-2.94-6.9+60-175-116+0.48-500-0.13-0.67-0.35-161-92-470一些材料的熱釋電系數(shù) 若晶體均勻受熱，且在此過程中受到機械夾持，從而幾何尺寸不變，此時自發(fā)極化的改變?yōu)榈谝活悷後岆娦?yīng)。自發(fā)極化改變量與溫度改變量間的比例系數(shù)稱為第一熱釋電系數(shù)p1。若晶體均勻受熱，無機械夾持，此時晶體受熱膨 脹，出現(xiàn)壓電效應(yīng)

33、并疊加到第一類熱釋電效應(yīng)上， 這一附加的熱釋電效應(yīng)稱為第二熱釋電效應(yīng)，對 應(yīng)的第二熱釋電系數(shù)p2熱釋電效應(yīng)是第一和第二熱釋電效應(yīng)之和。熱釋電效應(yīng)的分類56若晶體非均勻受熱，則晶體中會產(chǎn)生附加的應(yīng)力梯度，這應(yīng)力梯度通過壓電效應(yīng)改變電極化并疊加于第一熱釋電效應(yīng)上，這種因非均勻加熱引入的附加熱釋電效應(yīng)稱為第三熱釋電效應(yīng)。由于第三熱釋電效應(yīng)通常很小，往往可以忽略熱釋電晶體分類：第一類 自發(fā)極化方向不隨外加電場作用而轉(zhuǎn)向；第二類 自發(fā)極化可隨外加電場的作用而轉(zhuǎn)向，即鐵電體。57性能參數(shù):rVvCpF21)(tgCpFrVMl電壓響應(yīng)優(yōu)值：l探測度優(yōu)值：p為熱釋電系數(shù)；C為材料體積熱容 由上公式看出：為提

34、高熱釋電探測器探測性能，選擇熱釋電材料時，要求： 具有較大的熱釋電系數(shù)，較低的介電常數(shù)，介電損耗和熱容三、熱釋電探測器原理： 外界輻射功率被熱釋電探測器吸收后，熱釋電探測器的敏感元材料的溫度發(fā)生變化，引起熱釋電敏感元件材料的自發(fā)強度改變，在它的表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷的變化，于是在外回路中就獲得了與輸入輻射功率成比例變化的電信號。58常用的材料有：1.無機熱釋電材料：(鈣鈦礦型氧化物)l單晶(LiNbO3 、LiTaO3 等)、l壓電陶瓷（PT(PbTiO3)及其摻雜改性材料 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)及其摻雜改性材料PMN(Pb(MgxNb1-x)O3) BST(BaSr)TiO3) S

35、BN(BaSr)NbO3)等） 2.有機熱釋電材料：聚偏氟乙烯(PVDF)四、典型熱釋電材料59民用：可用作機械和工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控、安全監(jiān)視、防火報警、非接觸式快速測溫、紅外熱成像、變頻空調(diào)自動控制、車輛及飛枧的自動駕駛輔助裝置、疲物及污染物檢測和醫(yī)療診斷等。五、 熱釋電材料應(yīng)用軍事：用熱釋電靶代替光電導(dǎo)靶的熱釋電攝像器件，可用于空中與地面?zhèn)刹?、入侵報警、?zhàn)地觀察、火情觀測、醫(yī)用熱成像、環(huán)境污染監(jiān)視以及其他領(lǐng)域。60光輻射的光譜范圍:紫外光波段:0.10.38um可見光波段:0.380.78um紅外光波段:0.78300uml熱釋電紅外傳感器人體皮膚溫度在37時，大約有32輻射能量在8-12u

36、m波段范圍，僅有1的輻射能量在3.2um波段內(nèi)。人體輻射探測常是安全和軍事信息的重要任務(wù)，在醫(yī)學(xué)診斷上也有重要價值。62 當(dāng)人體進入檢測區(qū)，人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，會發(fā)出10m左右特定波長的紅外線，紅外人體探測傳感器就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行。紅外線通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。631. 相關(guān)概念2. 基本特性3. 典型的材料和應(yīng)用 3. 3 鐵電性64鐵電體與鐵磁體在其它許多性質(zhì)上也具有相應(yīng)的平行類似性，“鐵電體”之名即由此而來，其實它的性質(zhì)與“鐵”毫無關(guān)系。在歐洲（

37、如法國、德國）常稱“鐵電體”為“薛格涅特電性” 或“羅息爾電性”。因為歷史上鐵電現(xiàn)象是首先于1920年在羅息鹽中發(fā)現(xiàn)的，而羅息鹽是在1665年被法國藥劑師薛格涅特在羅息這個地方第一次制備出來。 一、概念65鐵電體(ferroelectrics)是熱釋電的一個亞類，其定義是指在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化且極化強度可以在外電場作用下改變方向的晶體。由于自身結(jié)構(gòu)的原因，鐵電體同時具有壓電性和熱釋電性，此外一些鐵電晶體還具有非線性光學(xué)效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光折變效應(yīng)等。鐵電體這些性質(zhì)使它們可以將聲、光、電、熱效應(yīng)互相聯(lián)系起來，成為一類重要的功能材料。問題：為何鐵電體是熱釋電的一個亞類？具有熱釋電的晶

38、體不一定能夠?qū)崿F(xiàn)鐵電性質(zhì)？66自發(fā)極化的微觀機制： 極性軸導(dǎo)致的自發(fā)極化 熱運動引起的自發(fā)極化u由極性軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場很強，外電場的作用并不能改變晶體的極化強度，也不能改變其方向，所有質(zhì)點的偶極矩都平行，大部分是一個電疇。大都為單疇體。 電疇是具有自發(fā)極化的晶體中存在一些自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域u由熱運動引起自發(fā)極化的晶體，一般有兩個或多個可能的取向，為多疇體，在電場下可重新定向，這類晶體具有鐵電性。67在熱釋電晶體中，高度的自發(fā)極化狀態(tài)，極化強度P一般很高，外場很難改變其方向，只有少數(shù)可在外電場下重新定向，顯示鐵電性。 鐵電體內(nèi)自發(fā)極化相同的小區(qū)域稱為電疇，電疇與電疇之間的交界稱為疇壁。兩種：90疇壁