第三次课压电效应-PPT课件
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压电效应振动模式
Gjllw lt
S33
ds1E2311
tank(lk2l)
2
高次谐波的不同说法：泛音、副音。
一次谐波、二次谐波 … n=0,1,2…
基波、三次谐波 … m=2n+1=1,3,5…
tan( kl ) ; 2
kl 2 n 1 ; n 0 ,1, 2 ,...
2
2
kl 2n 1; l 2n 1 ;
对于正弦电流V=V0ejt，代入上式 后可得:
IjCR 1j 1LVGeV
第二十四页，共70页。
比较以上三式，可得机电类比如表5-1所示。
机械振动
FjmRmjK UZmU
LC串联电路 VjLRj1CIZeI
LC并联电路
IjCR 1j 1LVGeV
第二十五页，共70页。
表5-1 机械量及电学量类比
F ZmU ZmeI
V
ZemU
ZeI
（5-94）
式中：
Ze=(V/I)u=0为机械端开路（即夹持）时的电学端输入阻抗； Zem=(V/U)I=0为电学端开路时的变换参数；Zme=(F/I)u=0为机械端 开路（即夹持）时的变换参数；
Zm=(F/U)I=0为电学端开路时力学端的输出机械阻抗。
第三十一页，共70页。
第四页，共70页。
压电振动模式分析过程
牛顿定律
压电方程
波动方程
电位移、应力、应变
边界条件
质点位移
电流、导纳、阻抗
材料设计
材料参数|等效电路
元件设计
第五页，共70页。
例子：薄长片压电振子
设d310的压电晶体的zx切割晶片，长度l沿x方向，宽度lw沿y 方向，厚度lt沿z方向，并且有l>>lw和lt，电极面及z轴垂直， 如图6-3所示。因为l>>lw和lt，长度方向是主要因素，所以只考 虑应力分量X1的作用，其它应力分量X2、X3、X4、X5、X6可以忽 略不计。
压电效应
石英晶体的压电效应
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26.05.2020
现分别进行如下实验：
（1）当晶片受到沿x轴方向的力Fx作用时，通过冲击电流 计，可测出在x轴方向电极面上的电荷q(1)1。并发现x轴 方向电极面上的电荷密度（q(1)1/llw）的大小与x轴方向 单位面积上的力（Fx /llw）成正比，即：
q (1) 1
P 2 E 0 ( d 2 5 X 5 d 2 6 X 6 ) ( d 1 4 X 5 2 d 1 1 X 6 ) （4-7）
• 振动模式：
– 振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电 网络
• 谐振器和振荡器：
– 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理
石英晶体的压电效应
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压电效应 Piezoelectric effect
• 压电效应 (Piezoelectric effect)：是指材料在压力作用下 产生与压力成正比的电荷量，正压电效应；或者在电压作 用下，材料发生与电压成正比的机械形变量，逆压电效应。 压电效应由压电方程描写；材料的压电性由压电常数决定。 并不是所有材料都具有压电性，只有满足一定对称性的晶 体材料才会有压电效应。
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—石英晶体属于六角晶系32点群，坐标系o-xyz。
石英晶体的压电效应
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在晶体x轴垂直的方向上，切下一块薄晶片，晶片面与x轴垂 直，如图4-1b所示，称为x切割。更详细的说法是：如果晶 片的厚度沿x轴方向，长度沿y方向，则称为xy切割。该晶片 的长度为l，宽度为lw，厚度为lt，与x轴垂直的二个晶面上涂 上电极，并与冲击电流计连接(测量电量用)，如图4-1c所示。
压电效应
压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声 换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。
1、换能器
换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件
压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片 在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚 合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声 功能的器件，如抗噪声、宽带超声信号发射系统等。
下面我们利用压电陶瓷测试压电效应和逆压电效应。
常用的压电陶瓷是由锆钛酸铅（PZT）材料做成的。将PZT材料做成的压电陶瓷片粘在圆形黄铜片上就构成了 压电陶瓷元件。它具有明显的压电效应。
首先，将压电陶瓷片A的两根引线通过一个按钮开关与信号发生器相联。将压电陶瓷片B的两根引线与扩音器 （带喇叭）的输入端相连。将A、B两个压电陶瓷片用黑封泥固定在同一个木板制成的箱子上。
的发现
1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现电气石具有压电效应。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应， 并得出了正逆压电常数。1984年，德国物理学家沃德马·沃伊特（德语：Woldemar Voigt），推论出只有无对 称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。
应用现状
应用
现状
新领域
压电效应
正压电效应、逆压电效应
01 定义
03 分类 05 应用现状
目录
02 原理 04 的发现 06 历史应用
07 打火机
09 压电高分子 011 0 压电陶瓷
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个 相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作 用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变 形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称 为压电传感器。
压电效应
3 q3
6
5
2
4 1
q2
q1
力的作用下，才能产生
压电效应。
d11 d11 0 d14 0
0
dij
0
0 0 0 d14 2d11
0 0 0 0 0
0
3. 上述石英压电常数矩阵还表明，当石英承受机械应力作 用时，可通过dij将五种不同的机械效应，转化为电效应； 也可以通过dij将电效应转化为五种不同模式的振动。亦 即逆压电效应也可以写出其压电方程。
由于石英晶体有对称性(晶格对称)，实际上其矩阵可简化为：
d11 d11 0 d14 0
0
dij
0
0 0 0 d14 2d11
0 0 0 0 0
0
d11 d11 0 d14 0
0
d
ij
0
0 0 0 d14 2d11
0 0 0 0 0
0
d11 2.311012C / N
d14 0.671012C / N
4
1 q1
q2
拉应力为正，压应力为负；
剪应力逆时针方向为正，顺
时针方向为负。
qi [dij ] j i 1,2,3
压电常数矩阵的表示方法：
d11 d12 d13 d14 d15 d16
dij d21
d22
d23
d24
d25
d
26
d31 d32 d33 d34 d35 d36
石英晶体的压电常数矩阵：
d11
0 0
d11
0
0
0
d11 d14
d ji
2.311012C / N
0.671012C / N
压电性能及其应用PPT课件
可编辑
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在相界附近的PZT瓷压电性能比BaTiO3瓷高得多 。 由于相界处PZT瓷的Tc高(360℃)，因而在200℃以内,KP 和 ε都很稳定，是理想的压电材料。
PZT陶瓷的掺杂改性
为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的 PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的 Pb2+离子或B位的Zr4+, T i 4+离子，从而改进材料的性能。
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2019/
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机电耦合系数的定义是：
K 2 通过逆压电效应转换所得的机械能
转换时输入的总电能
或
K 2 通过正压电效应转换所得的电能
转换时输入的总机械能
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机械能与压电振子形状和振动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式有关
： 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电 极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有 关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。
dij33的简化矩阵表示8548548522p351转换时输入的总电能通过逆压电效应转换所得的机械能转换时输入的总机械能通过正压电效应转换所得的电能压电陶瓷振子具有一定形状大小和被覆工作电极的压电陶瓷体的机械能与其形状和振动模式有关不同的振动模式将有相应的机电耦合系数
（书上8.5 压电性
）8.3 介电材料的 压
常见的压电常数有四种：dij、gij、 eij、 hij。
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电极化的一个分量将由压电常数的九个分 量来表述（二阶张量）
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压电效应ppt课件
No.1
• 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生 变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移 而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化 面)上出现符号相反的束缚电荷Q〔如图6-1(a)所 示〕，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度 σ)与外应力张量T成正比.:
•
D=dT
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2.
• 压电薄膜传感器的设计主要考虑了传感器 的灵敏度和信噪比，根据测量信号的频率 和响应幅度，我们设计薄膜传感器的结构 有如同图1所示的几种。在采集人体心音的 信号时，由于心音的频响范围较宽，同时 其输出的物理信号值也很微弱，采用硬质 衬底和中空的设计。这样可以提高传感器 中薄膜在收到心音信号时的形变量，从而 提高信号强度。这样结构设计的缺点是结 构不牢固，使用时间长了需要校正。
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பைடு நூலகம்
2.压电薄膜传感器 及其在心脏监测 中的应用
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原 理 介 绍
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关于…
• 压电薄膜传感器的设计 PVDF压电薄膜是一种 新型的高分子压电材料，在医用传感器中应用很 普遍[2，3]。它既具有压电性又有薄膜柔软的机 械性能，用它制作压力传感器，具有设计精巧、 使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全 舒适，能紧贴体壁，以及声阻抗与人体组织声阻 抗十分接近等一系列特点[4]，可用于脉搏心音等 人体信号的检测。脉搏心音信号携带有人体重要 的生理参数信息，通过对该信号的有效处理，可 准确得到波形、心率次数等可为医生提供可靠的 诊断依据。
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~~~~~
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压电效应的应用
《压电材料》课件
水热法
总结词
水热法制备的压电材料具有较高的取向度和结晶度，但需要高温高压的条件。
详细描述
水热法是一种在高温高压条件下制备压电材料的方法。首先，将原料放入密封的容器中，加入适量的 水，然后通过具有较高的取向度和 结晶度，但需要高温高压的条件，对设备要求较高。
要求较高。
04
压电材料的发展趋势与展望
高性能压电材料的研发
高性能压电材料是当前研究的热 点，旨在提高压电常数、机电耦 合系数和居里点温度等关键性能
参数。
研究方向包括通过元素掺杂、纳 米结构设计、多相复合等手段优 化材料组成和结构，提高压电性
能。
高性能压电材料在超声成像、传 感器、驱动器等领域具有广泛的
压电陶瓷传感器用于检测汽车发动机的燃烧压力和气瓶压力，确保发动机和气瓶的 安全运行。
压电陶瓷传感器还可以用于检测汽车轮胎胎压，提高驾驶安全性和燃油经济性。
压电陶瓷传感器在汽车制动系统中也有应用，用于检测制动盘的振动和温度，确保 制动系统的稳定性和安全性。
压电复合材料在智能结构中的应用
压电复合材料可以用于智能结构 的振动控制和监测，提高结构的
机械耦合系数
描述压电材料在机械能和电能之间转换效率的参数。高的机械耦合系数意味着高 效的能量转换。
温度稳定性
居里温度
某些压电材料在达到居里温度时会失去压电效应。居里温度 的高低是衡量温度稳定性的重要指标。
热膨胀系数
描述材料在温度变化时尺寸变化的参数。低的热膨胀系数有 助于提高温度稳定性。
环境稳定性
利用压电材料的特性，可以制作各种 医疗器械，如超声波探头、心电图机 等。
军事领域
利用压电材料的特性，可以制作各种 军事设备，如声呐、引信等。
【大学课件】压电材料PPT
ppt课件
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一、电子导电陶瓷
电子导电陶瓷是依靠加热 或以其他方法启动后，产 生自由电子，在外加电场 的作用下，进行导电的一 种陶瓷材料。
电子导电陶瓷不仅是良好 的电热材料，也是磁流体 发电机优先考虑使用的电 极材料。
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二、离子导电陶瓷
离子导电陶瓷是一种像电 解质溶液或电解质熔融体， 具有高离子导电性的固体 陶瓷材料，又称作离子导 体。
=11&f_SUB_ID=3022&f_ART_ID=221675 2009-11-13 新闻速报 中广新闻／陈映竹 /news/newsshow.asp?FDocNo=1510&CL =63 科学人杂志网 撰文╱李名扬
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肆、文献
.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/990 2/9902-10.pdf
科学发展2010年2月，446 苏明德 嘉义大学应用化学系 /mag/campus/storypage.jsp?f_MAIN_ID
此外，半导体陶瓷还可以做成各种电子组件。例 如，钛酸钡陶瓷可以用于定温发热体、温度检测 组件等。
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贰、压电材料新星－环保铁酸铋
目前最好的压电材料是使用钛酸铅（PbTiO3）和 锆酸铅（PbZrO3）混合制成的复合材料，通电时 形变程度最多可达20%，但铅具有毒性，制程相 当麻烦。
交通大学材料科学与工程学系助理教授朱英豪与 国外团队合作，研发出通电后形变程度也可达 20%的无毒单一压电材料「铁酸铋」，这项研究 刊载于2009年11月13日的《科学》。
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压电特性的矩阵表示
表示压电体的能量转换方 式
dij=0,则表示该方向上没有压电效应
1 d11 d12 d13 d14 d15
2
d21
d22
d23
d24
d25
3 d31 d32 d33 d34 d35
大小表示压电效应的强弱
T1
d16 d26 d36
TTTT5432
正压电效应
横向压电效应 切向压电效应
逆应——机械能转变为电能 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变
形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面 上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新 恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。 ● 顺（正）压电效应
压电常数和表面电荷计算
i,j di,j Tj
Tj: j方向的应力 dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数 σij:j方向的力在i面产生的电荷密度
z(3)
x(1) i(i=1,2,3):
y(2)
z
(3)
(σ 3 ) F3 F6
σi j = d i j Fj
i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6
体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
主要压电材料及其性能表征
• 自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。
实际应用的压电材料 ① 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 ② 压电陶瓷（多晶体）：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列） 等。 ③ 有机压电材料：聚偏氟乙烯(ＰＶＤＦ)和偏氟乙烯三氟乙 烯共聚物(ＶＤＦ-TRFE)等有机压电（薄膜）材料等。 ④ 复合压电材料：在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状 、杆状、或粉末状压电材料构成的。
- P3
-
+
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布
在正六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电
偶极矩P1、 P2、P3。此时正负电荷重心重合, 电偶 极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表 面不产生电荷, 即呈中性。
受到X方向的力—纵向压电效应
(p 1p 2p 3)x0
第三次课 压电效应
内容
压电效应机理 主要压电材料及其性能表征 MEMS中的主要应用 特点
压电效应机理
•1880年居里兄弟在 石英晶体上发现了压电效应
•20世纪40年代中期，压电材料开始广泛应用。 •20世纪60-70年代达成熟阶段。
纵向压电效应
机械能转变为电能 压 电 效 应
电能转变为机械能
当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。
受到Y方向的力—横向压电效应
(p 1p 2p 3)x 0
(p 1p2p3)y0
(p 1p2p3)y0Y
(p 1p 2p 3)z 0
X
+ P2 P1 +
- P3
-
+
晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变 动。 此时正负电荷重心不再重合。
于电零偶, 极在矩x在轴x的方正向方上向的出分现量正由电于荷P3,的电减偶小极和矩P1、在Py2方的向增上加的而分不量等 仍为零, 不出现电荷。
压电效应的物理机制——压电陶瓷
• 未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。 • 压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直
的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），这些在陶 瓷两个表面的束缚电荷吸附一层来自外界的自由电荷，并使 整个压电陶瓷片呈电中性。
压电效应的物理机制——压电陶瓷
③ 电致伸缩效应- --电能转变为机械能 电介质在电场的作用下会由于极化的变化而
引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象 就称为电致伸缩效应。
发生在所有的电介质中
可逆性
压电效应的物理机制——压电晶体
压电晶体的对称性较低，当受到外力作用发生 形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电 荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而 晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向 上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两 端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场 中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料 变形。
当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 把这种机械能转为电能的现象, 称为“顺（正）压电 效应”。
② 逆压电效应--电能转变为机械能 当在电介质的极化方向施加电场，某些电
介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力 ，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失， 这种物理现象称为逆压电效应。
只发生在压电体中
F5 (σ 2) (2) y
F4
F2
(σ1)
x (1)F1
X0°切型石英晶体切片的力 —— 电分布
表示晶体的极化方向，即在i面上产生电荷。
1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面
j(j=1,2,3,4,5,6):
1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向应力；
4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力
• 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面 上压电效应最强。
• 机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴 方向的机械变形最明显，
石英晶体切片及双 面镀银封装
石英晶体压电效应机理
电偶极矩P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。
X
Y
p1p2p30
+ P2 P1 +
• 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶 瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的 束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影响增强，而使表面自 由电荷过剩出现放电现象。
• 当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
产生压电效应的首要条件
• 晶体结构没有对称中心。 • 压电体是电介质。 • 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电
T6
压电效应能量转换的几种基本形式
厚度受压型
长度受压型
厚度切变型
平面切变型
厚度切变型
平面切变型
体积受压型
石英晶体压电效应的性能表征
天然形成的石英晶体外形
• 石英晶体是各向异性晶体 • 存在右（左）旋晶体 • 外形规则
石英晶体的三个晶轴
• 光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双 折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。