第7讲压电器件
压电原理及材料
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晶体受到 x 方向的压力 Fx 作 用，晶片将产生厚度变形，并 发生极化现象；
在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx 与作用力Fx成正比，即 qx =d11Fx
式中， d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石 英晶体的d11=2.31*10-12C/N qx--垂直于X轴的平面上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力
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第一节
压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以 某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的 目的。 压电式传感器主要用途：压电传感元件是力 敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物 理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等， 但不能用于静态参数（例如重量）的测量。
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（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，
它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造
成本却较低，因此目前国内外生产的压电元
件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶
瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
压电陶瓷的极化过程
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压电式传感器是一种典型的有源传感器 ；
压电效应具有可逆性，也是一种典型的“双向传 感器”；
压电式传感器的特点:
工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量 轻，工作可靠。 燃气灶与打火机
压电效应最贴近生活的应用：
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一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀 具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时， 晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷 Q与所施加的 力F成正比 ，这种现象称为：“压电效应” 。
压电器件的用途
压电器件的用途压电器件是一种能够将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能的器件。
它们广泛应用于各种领域，包括声学、电子、医学等。
本文将重点介绍压电器件在以下几个领域的应用。
一、声学领域压电器件在声学领域有着广泛的应用，其中最为常见的是扬声器和麦克风。
扬声器是一种能够将电能转化为声音的器件，它利用压电效应使振动板产生机械振动，从而产生声音。
而麦克风则是一种能够将声音转化为电能的器件，它利用压电效应使振动板受到声音的振动，从而产生电信号。
二、电子领域压电器件在电子领域有着广泛的应用，其中最为常见的是压电晶体管和压电陶瓷电容器。
压电晶体管是一种能够将机械压力转化为电信号的器件，它利用压电效应使固体晶体产生电荷，从而产生电信号。
而压电陶瓷电容器则是一种能够将电信号转化为机械运动的器件，它利用压电效应使电容器发生形变，从而产生机械运动。
三、医学领域压电器件在医学领域有着广泛的应用，其中最为常见的是超声波探头和骨科手术器械。
超声波探头是一种能够将电信号转化为超声波的器件，它利用压电效应使晶体振动，从而产生超声波。
而骨科手术器械则是一种能够将机械力转化为电信号的器件，它利用压电效应使手术器械发生形变，从而产生电信号。
四、其他领域除了以上三个领域，压电器件还有着广泛的应用。
例如，在航空航天领域中，压电器件被用于飞机的结构健康监测和振动控制；在汽车工业中，压电器件被用于汽车发动机的控制和排放控制；在石油工业中，压电器件被用于油井的控制和监测等等。
压电器件在各个领域中都有着广泛的应用。
随着科技的不断发展和创新，压电器件的应用将会越来越广泛，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。
压电晶体
U im
1 R Cc Ci Ce 2
Rd 33 Fm
, 设 R Cc Ci Ce ，U im
Rd 33 Fm
1
2
~ ~ U i与F的相位差 arc ctg arc tg 2 对于理想压电元件和系统R ，此时的U im U am
p1 p 2 p3 p4 p5 p6
3 d 31 d 32 d 33 F 2d 31 d 33 F d 3 F
d 3 2d 31 d 33 2 0.4d 33 d 33 0.2d 33
极化面
F
Q
机械能 ｛ 逆压电效应 压电介质 正压电效应 电能 ｝
F
压电效应及可逆性
二、压电材料的压电常数
以下讨论忽略外界附加电场、力场的作用和温度、磁场的影响。
1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵 石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，按X0°切型的正六 面体，在三维直角坐标系内的力 —— 电作用状态如图所示： F1～F3分别为沿 x、y、z 轴的正 z (3) σi j = d i j Fj 应力（或应力分量）， F4～F6分 (σ 3 ) F 3 i =1、2、3 别为绕 x、y、z轴的切向应力， j =1、2、3、4、5、6 F6 σ1～σ3分别是 x、y、z 表面由于 F5 (σ 2) (2) y 压电效应而产生的电荷面密度。 F2 F4 其压电方程为：
U am
d 33 Fm U im RCc Ci Ce 2 Cc Ci Ce U am 1 R Cc Ci Ce 2 1
由
U 得， im 2 n U am 1 1
第7章---压电式传感器
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
(b)极化处理中
剩余伸长
(c)极化处理后
图6-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图
2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外 力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的 压电过程。
（1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。
不呈现极性而呈现中性。
1、压电效应过程分析 石英晶体压电片如图6-1（c）所示，在其X轴或Y 轴上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号 相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生 任何压电效应。
（1）石英晶体 Si4O22 的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图6-2中（a）
Y
Y
-
+
X+
-X
-
+
（a)硅氧离子在Z平面上的投影
第二节 压电效应的分析 一、石英晶体的压电效应的分析 石英晶体：SiO2又称石英晶体（单晶体）。天然结 构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图6-1 （a）所示：
图6-1 石英晶体
其中： X轴----电轴，经过六面体棱线 Y轴----机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴---光轴，垂直于晶体截面且与X、Y轴垂直
+
P2
P3
+
X
-
-
Fx
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
（c)Fx>0
图6-5 石英晶体的压电示意图
(5)在Y轴方向施加力Fy(横向压电效应)
1. 当受拉力时，Fy>0,则其效果与图6-4 Fx<0情况相同。 2.当受压力时，Fy<0,则其效果与图6-5 Fx>0情况相同。
压电元件的等效电路
压电元件的等效电路压电元件是一种应用广泛的电子元件，它的主要作用是将机械能转换为电能或者将电能转换为机械能。
压电元件的等效电路是描述其特性和工作原理的重要方法。
本文将从压电元件的工作原理、等效电路的构成和应用场景等方面进行探讨。
一、压电元件的工作原理压电现象是指某些晶体在受到外力作用时，会产生电荷分布的不均匀现象，从而产生电势差。
这种现象被称为压电效应。
压电材料是一种特殊的晶体材料，它的晶格结构呈现出不对称性，所以它会在受到外力作用时产生电荷分布的不均匀现象。
这种现象被称为压电效应，压电材料就是利用这种效应制成的元件。
压电元件的工作原理是利用压电效应将机械能转换为电能，或者利用反压电效应将电能转换为机械能。
压电元件一般是由压电材料制成的，它的两端分别连接着电极，当压电元件受到外力作用时，会产生电势差，从而在电极之间形成电压。
反之，当在电极之间施加电压时，压电元件会发生形变，从而将电能转换为机械能。
压电元件的等效电路是描述其特性和工作原理的重要方法。
它是压电元件的电学模型，可以在设计和分析电路时使用。
压电元件的等效电路一般由电容、电感和阻抗等元件构成。
1.电容压电元件具有电容特性。
当压电元件的两端施加电压时，会在其内部形成电场，从而产生电容效应。
压电元件的电容取决于压电材料的形状和尺寸，压电材料的电容一般很小，一般是几个皮法德以下。
2.电感压电元件也具有电感特性。
当压电元件受到外力作用时，会产生形变，从而改变其自感系数，从而产生电感效应。
压电元件的电感取决于其形状和尺寸，一般比电容大得多。
3.阻抗压电元件的等效电路也包含了阻抗元件。
压电元件在受到外力作用时，会产生电势差，从而在电极之间形成电流。
这个电流与电压之间的比值就是压电元件的阻抗。
压电元件的阻抗一般很大，可以达到几千兆欧姆。
三、压电元件的应用场景压电元件是一种应用广泛的电子元件，它被广泛应用于振动传感器、声波发生器、压力传感器、电动机控制等领域。
压电元件的基本原理
压电元件的基本原理压电元件是一种能够产生电荷变化或机械变形的材料。
其基本原理是当施加力或压力时，压电材料会发生形变，产生电荷变化或电势差。
这种现象被称为压电效应，是压电元件工作的基础。
压电材料一般具有非中心对称结构，如石英、铁电材料等。
在这些材料中，晶格的正负离子会因压力的作用而发生微小位移，从而引起电荷的不平衡。
这种电荷的不平衡会导致电场的形成，产生电势差。
当施加外加电场时，电势差会导致晶格的变形，从而产生机械振动。
压电效应的产生与材料的结构和晶格特性密切相关。
压电元件主要由压电材料和电极组成。
压电材料通常是一种薄片状的陶瓷材料，如PZT（铅锆钛酸铅）和PZN-PT（铅锆钛酸铅镁）等。
这些材料具有良好的压电性能和稳定性，可广泛应用于压电传感器、压电马达和压电陶瓷等领域。
在压电元件中，电极的作用是引导电荷的流动。
一般情况下，压电材料的两侧会贴上电极，形成正负极。
当施加外加电压时，电荷会在电极之间产生移动，从而产生电流。
反之，当施加外加压力时，压电材料会发生形变，导致电荷的不平衡，产生电势差。
这种电势差可以被电极接收和测量。
压电元件在实际应用中具有广泛的用途。
例如，压电传感器可以将压力或力转换为电信号，用于测量和控制。
压电陶瓷可用于制造超声换能器，广泛应用于医学成像、清洗和检测等领域。
此外，压电元件还可以作为振动源，用于制造压电马达和压电陶瓷喷墨头等。
压电元件的基本原理是利用压电效应，将施加的力或压力转化为电荷变化或机械变形。
通过合理设计和选择压电材料，以及合适的电极配置，可以实现不同类型和性能的压电元件。
这些元件在各个领域具有重要的应用价值，为现代科技的发展做出了重要贡献。
压电器件和材料详解
无机材料与人类文明进步
压电器件和压电材料
应耀 材料科学与技术学院
一、压电材料和压电效应
正压电效应：当一个机械力作用于某些晶体上时，在晶体表 面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的 大小有关，当机械力撤去后，电荷会消失；
逆压电效应：当一个电场作用于一块晶体时，晶体会发生形 变，且形变大小与电场大小有关，若撤除电场，则晶体又 恢复原状。
②超声波诊断仪 超声波可以成像。医院
利用 B 型超声波诊断仪做 胃部、腹部检查，还可以观 察胎儿的发育情况。
③超声波速度测定器 利用超声波的多普勒
效应制成速度测定器，交警 在高速公路上测定车辆的速 度。
④超声波清洗器Βιβλιοθήκη 超声波能使清洗液剧烈振动，有去污作用，人们 制成超声波清洗器。
⑤超声波焊接器 超声波还能使塑料膜
超声治疗 进入人体的超声波达到
某一强度时，能使人 体某一部分组织发热、 轻微振动，起到按摩 推拿作用，达到治疗 的目的，如用于治疗 关节、肌肉及其他软 组织的创伤和劳损。 此外，还可用超声波 粉碎体内结石，如胆 结石、肾结石、尿路 结石等。
小知识
超声波仪器
①声纳 人们利用超声波定向
性好，在水中传播距离远特 点制成声纳，可以发现潜艇 和鱼群，还可以测绘海底形 状。
• 在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
压电器件及其制备方法、面板、触觉再现装置与流程
压电器件及其制备方法、面板、触觉再现装置与流程压电器件及其制备方法压电器件是一种能够产生电荷或电磁场反应的器件，利用它可以实现电信号与机械信号的转换，成为了现代科技中不可缺少的部分。
压电材料是制作压电器件的核心材料，常见的压电材料有石英、硼酸铅等。
以下是压电器件的制备方法：1. 单晶制备法：通常采用单晶生长法，由于该方法制备的压电材料具有高的晶质度和均匀性，因此适用于高精度压电器件的制备。
2. 烧结法：将粉末压制成坯体，然后在高温下进行烧结，得到均一的压电材料。
此方法制备的压电器件便宜、易制备、可大规模生产。
3. 溶液法：将压电材料的浓缩溶液喷涂于基片上，干燥后进行烧结或煅烧，获得沉积的薄膜的方法。
压电面板压电面板是一种能够将机械能转换为电能的电子设备。
它可以应用于触控屏、键盘、游戏手柄等设备中。
压电面板由导电层、压电层和底部衬底组成。
压电层上的电极可以感应到由外部施加的压力或振动，从而产生电荷或电磁波，导电层上的电位差通过薄膜电容进行检测和放大。
触觉再现装置触觉再现装置是一种可以再现人类触感和手感的设备，它能够在虚拟世界与现实世界之间建立桥梁，使用户能在虚拟世界中感受到真实的物理反馈。
触觉再现装置的工作原理是利用压电晶体产生异方性应变，改变电场，从而使物体表面的形状发生变化。
当用户在虚拟世界中触摸虚拟物体时，系统会自动调整压电晶体的工作状态，同步降低或增加机械力的产生，从而模拟真实感受。
制作压电面板及触觉再现装置的流程1. 制备压电材料：选择适当的压电材料并按照上述的制备方法进行制备。
2. 制作导电层：通过真空蒸镀、喷涂和印刷等方式制作导电层。
3. 制作压电层：通过烧结、单晶制备和溶液法等方法制备压电层，然后进行抛光。
4. 薄膜电容的制备：将导电层和压电层间的电容层制作成薄膜电容。
5. 安装感应器件：在压电面板或触觉再现装置的表面上安装一些感应器件，监测机械反馈的信号。
6. 结合电路板：将导电层、压电层和感应器件与电路板结合在一起，控制状态并传输信号。
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若给这种物体加上交变电场它就会产生机 械振动并发出声音。
2.压电材料
(1)压电单晶。 常用压电单晶有石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢 铵、铌酸钡、钽酸锂、锗酸铋等。压电单晶的重现 性、稳定性好。
(2)压电陶瓷。
压电陶瓷是一种具有压电特性的多晶体，主 要有钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅及包含锆钛酸铅 的三元素材料。压电陶瓷重现性和一致性较差， 稳定性也不足。
(3)压电薄膜。
压电薄膜是用溅射或蒸镀的方法制成的具有 高度取向性的薄膜压电材料。常用 的有硫化镉、 氧化锌、铌酸锂等。压电薄膜具有良好的成型性 和柔顺性，加工简单。
常用的压电器件石英晶体元件、压电陶瓷
元件、声表面滤波器件等。
3、石英晶体 石英晶体又称为石英晶体振荡器，通常简 称晶振或晶振元件。它是利用具有压电效应的
1.9.2 霍尔元件 1.霍尔效应 霍尔效应是指当半导体上通过电流且电流 的方向与外界磁场方向相垂直时，在垂直于电 流和磁场的方向上产生霍尔电动势的现象。
2、霍尔元件的检测 （1）测量输入电阻 用万用表测量输入电流两端的直流电阻， 并与手册参考对照。 （2）测量输出电阻 用万用表测量输出电动势两端的直流电阻， 并与手册参考对照。
（3）检测灵敏度
作业：
简述1.7~1.9中的元件检测方法。
1.9 压电元件和霍尔元件的检测 1.9.1压电元件 1.压电效应 在自然界中某些物体在受到外部压力(或 拉力)时，在其两端表面上出现符号相反的束 缚电荷(产生电场)，电荷的密度与外力成正比。
如果给这种物体加上电场它又会产生机械 形变，我们称这种物体为压电体。它们具有的 这种特点叫压电效应，前者称为正压电效应， 而后者称为逆压电管）是一种具有干 式接点的密封开关。
1.8 半导休传感器
1.8.1 热敏传感器 1、热电偶
2、热敏电阻 （1）PTC正温度系数热敏电阻
（2）NTC负温度系数热敏电阻 （3）CTR临界温度系数热敏电阻 （4）热敏三极管 磁敏、力敏、气敏、湿敏伟感器（略）。
石英晶体，按特殊的轴向进行切割，然后加以
封装制成的谐振元件。通过不同的切割方法以 及所切晶片的薄厚，可以制成不同谐振频率的 石英晶体振荡器。
图2-24 石英晶体振荡器 (a) 外形图 (b)电路符号 (c)等效电路
4、压电陶瓷元件。 压电陶瓷元件通常叫压电陶瓷片是利用锆钛酸 铅陶瓷材料做成薄片，在其两面镀银做电极，经过 封装而成。 压电陶瓷元件的优点是Q值较高、体积小、稳定 度高、价格低廉。但其性能不及晶振，所以主要用 在一些频率 较低、要求不高的电路中。
压电陶瓷元件按功能和用途可分为陶瓷滤波器、 陶瓷谐振器和陶瓷陷波器等三类。
5、声表面滤波器 声表面波是沿物体自由表面传播的声波，经 过1~2个波长传播之后，表面层以下的波基本消 失。 声表面滤波器(SAWF，即Sound Around Wave Filter的缩写)是用压电材料制成的一种集 成滤波器，它是利用压电效应和反效应的原理进 行信号传播。不同频率的信号，在SAWF中换能 的能力不同，从而形成了对不同频率信号的滤波 能力。
1.7开关、接插件和继电器的检测
1.7.1 开关器件 1、机械开关
2、导电胶开关
3、薄膜开关 薄膜开关分为软性和硬性两种。硬性的多 为金属薄膜，如铜薄膜开关，用于手机按键开 关。软性的薄膜开关多为塑料基材。 薄膜开关的特点：结构简单、密闭性好、 性能稳定、寿命长等。
1.7.2
接插件
1、插头 2、插座
1.7.3 继电器 1、电磁继电器 电磁继电器是一种小电流控制大电流的自 动开关。
2、固态继电器 固态继电器（SSR）是一种由集成电路和 分立元件组合而成的一体化无触点的电子开关 器件，其功能与电磁继电器相似，但其采用光 电耦合方式作为控制端与输出端之间的信号传 输。 固态继电器因没有触点，其工作频率高。