压电器件和材料详解
压电薄膜材料与器件制备技术
压电薄膜材料与器件制备技术一、压电薄膜材料的概述压电薄膜材料是指具有压电效应的薄膜材料，其特点是在外加电场或机械应力下产生形变或反之，即使在微小应变下也能产生大的电荷或电场。
常见的压电薄膜材料有PZT、AlN、ZnO等。
二、压电薄膜器件制备技术1. 压电薄膜制备技术(1) 溅射法：将靶材置于真空室中，通过氩气等惰性气体离子轰击靶材表面，使得靶材表面原子被剥离并沉积在基片上形成压电薄膜。
(2) 溶胶-凝胶法：将金属离子与有机物形成络合物后，在加热过程中逐渐失去溶剂和有机物，形成纳米级粒子，并在基片上形成压电薄膜。
(3) 化学气相沉积法：通过化学反应沉积出具有良好结晶性的压电陶瓷晶体，并在基片上形成良好的压电薄膜。
2. 压电薄膜器件制备技术(1) 压电传感器：将压电薄膜固定在弹性体上，当受到外力作用时，弹性体会发生形变，从而使得压电薄膜产生电荷或电场变化，实现对外力的检测。
(2) 压电陶瓷换能器：将压电陶瓷片固定在机械结构上，当施加外力时，陶瓷片会发生形变，从而产生振动或声波。
(3) 压电马达：将压电陶瓷片与机械结构相连，在施加交流电场的情况下，使得陶瓷片产生振动，并通过机械结构转换为旋转运动。
三、压电薄膜材料与器件应用领域1. 传感领域：利用压电传感器检测温度、气体、液体等物理量。
2. 能量转换领域：利用压电陶瓷换能器将机械能转化为声波或振动能。
3. 运动控制领域：利用压电马达实现精密定位和微型运动控制。
4. 生物医疗领域：利用压电薄膜制备超声探头、人工耳蜗等医疗器械。
四、压电薄膜材料与器件的未来发展趋势1. 高性能化：发展高性能压电材料，提高其压电效应、稳定性和可靠性。
2. 微型化：将压电薄膜材料与微纳加工技术相结合，实现微型化器件的制备。
3. 多功能化：将多种功能集成在一起，实现多功能化的压电器件。
4. 智能化：利用新型材料、新型结构和智能控制技术，实现智能化的压电器件。
五、总结随着科技的不断进步，压电薄膜材料与器件在各个领域得到了广泛应用。
高性能压电电子学器件
高性能压电电子学器件高性能压电电子学器件概述压电材料因其具有独特的电-机-声耦合效应，被广泛应用于压电电子学器件中，如压电传感器、压电驱动器和压电能量转换器等。
在这些应用领域，高性能压电电子学器件具有巨大的潜力，可以满足高精度、高效能和高可靠性等要求。
本文将介绍高性能压电电子学器件的原理、应用和发展趋势等内容。
一、高性能压电电子学器件的原理1. 压电效应压电效应指的是某些晶体和陶瓷材料在受到力或压力作用时，会产生电荷或电势。
这种效应是由于晶体和陶瓷材料中原子的结构发生畸变而引起的。
压电效应可以分为直接压电效应和逆压电效应两种：直接压电效应是指当压力作用于压电材料时，会产生电荷或电势；逆压电效应则是指当对压电材料施加电场时，会产生力或变形。
高性能压电电子学器件利用这种压电效应，通过对压电材料施加力或电场，来实现电能和力、振动或声音之间的相互转换。
2. 压电电子学器件的结构高性能压电电子学器件通常由压电材料、电极、传感器和控制电路组成。
其中，压电材料是实现电-机-声耦合效应的关键部分。
电极是用来施加电场或收集电荷的部分。
传感器则用于测量与压电效应有关的参数，如压力、应变或温度等。
控制电路则用于根据传感器的信号，控制压电电子学器件的工作状态。
二、高性能压电电子学器件的应用1. 压电传感器压电传感器是一种能够将物理量转化为电信号的传感器。
通过利用压电效应，压电传感器可以测量压力、力、位移等物理量。
压电传感器具有高精度、高灵敏度和高稳定性等优点，广泛应用于工业自动化、医疗诊断、航天航空等领域。
2. 压电驱动器压电驱动器是一种能够将电信号转化为力或位移的装置。
通过对压电材料施加电场，压电驱动器可以产生力或位移。
压电驱动器具有高响应速度、高精度和高效能等优势，被广泛应用于精密定位、振动控制和精密加工等领域。
3. 压电能量转换器压电能量转换器是一种能够将机械能、振动能或声能转化为电能的装置。
通过利用逆压电效应，压电能量转换器可以将机械能转换为电能并进行储存或供电。
pdms 压电器件
pdms 压电器件
PDMS（聚二甲基硅氧烷）压电器件是一种基于压电效应的传感器件，具有快速响应时间，能够有效地测量高频动态信号。
在柔性传感器中，常用的压电材料包括P(VDF-TrFE)、ZnO、PbTiO3和PZT等。
P(VDF-TrFE)由于其柔性、制造工艺简单、性能卓越而成为柔性压电传感器中常用的材料之一。
稳定性好，压电系数大。
Persano等人报告了一种基于通过电纺丝制备的对准的P(VDF-TrFE)纤维阵列的柔性压电传感器，即使在极小的压力范围（约0.1Pa）下，这种简单的压力传感器也具有出色的感测性能。
尽管无机材料缺乏柔韧性，但许多纳米级无机材料和聚合物-陶瓷纳米复合材料（如ZnO NWs、PZT纳米带和纳米片以及P(VDF-TrFE)/BaTiO3纳米复合材料）可以表现出一定程度的柔韧性。
Shin等人将填充锂（Li）的ZnONW封装到PDMS中作为传感元件，掺锂的ZnO NW-PDMS 复合材料的压电输出电压是施加力和频率的函数。
所制造的设备能够提供人体运动的瞬时信息，这对于电子皮肤设备在人体活动监测中的应用具有重要意义。
压电传感器对于检测动态物理刺激特别有用，但在测量静态信号时表现不佳。
为了解决这个问题，Chen等人报告了一种基于PbTiO3纳米线（PTNWs）/石墨烯异质结构的用于静态测量的柔性压电压力传感器。
在该器件中，由PTNWs应变引起的极化电荷充当石墨烯中的带电杂质，并影响其载流子迁移率。
总的来说，PDMS压电器件在高频动态信号。
常用的压电材料有哪些
常用的压电材料有哪些
压电材料是一类特殊的功能材料，它们能够在外加电场或机械应力的作用下产
生电荷，或者在外加电场的作用下发生形变。
常用的压电材料主要包括晶体压电材料、陶瓷压电材料和聚合物压电材料。
首先，晶体压电材料是一类具有压电效应的晶体材料，其中最常见的是石英和
氧化锆。
石英是一种广泛应用的压电材料，它具有良好的压电性能和稳定性，可用于制造压电陶瓷、压电传感器和压电换能器。
氧化锆具有高的压电系数和良好的热稳定性，常用于制造高频压电谐振器和压电换能器。
其次，陶瓷压电材料是一类以陶瓷为基体的压电材料，常见的有钛酸锆、钛酸
钡和铅锆钛酸盐等。
钛酸锆具有优良的压电性能和热稳定性，可用于制造压电陶瓷元件和压电换能器。
钛酸钡是一种典型的铅骨架钙钛矿型压电陶瓷，具有高的压电系数和优良的机械性能，常用于制造压电陶瓷谐振器和滤波器。
铅锆钛酸盐是一种重要的多相压电陶瓷材料，具有优良的压电性能和机械性能，可用于制造压电换能器和压电陶瓷元件。
最后，聚合物压电材料是一类以聚合物为基体的压电材料，常见的有聚偏氟乙
烯（PVDF）和其共聚物。
PVDF是一种具有良好压电性能和柔韧性的聚合物材料，可用于制造压电传感器、压电换能器和压电陶瓷元件。
其共聚物是一种具有高压电性能和优良机械性能的聚合物材料，常用于制造柔性压电传感器和压电换能器。
综上所述，常用的压电材料主要包括晶体压电材料、陶瓷压电材料和聚合物压
电材料。
这些材料在电子、通信、医疗等领域具有重要的应用价值，对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
希望本文所介绍的压电材料能够对相关领域的研究和应用提供一定的参考和帮助。
压电材料、原理、应用精讲
z
x
y
o
01
PART ONE
石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
d11——x方向受力,x方向产生电量的压电系数
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx，其大小为
32种点群中，21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其中只有10种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。
自发极化
所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动
Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
N15=fr×lt
D为圆片的直径
t为薄板的厚度
l为棒的长度
lt为薄板的厚度
6.2.2 压电材料简要发展历史
02
1880 年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。
2、机电耦合系数Kp
ห้องสมุดไป่ตู้
01
伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。
02
包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。
03
切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。
04
包括平面切变振动、厚度切变振动。
05
纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。
06
横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。
压电效应材料的组成
压电效应材料的组成压电效应是指某些晶体材料在受到外力作用时，会产生电荷分离现象，从而产生电压。
这种效应被广泛应用于声波发生器、压力传感器、振动传感器等各种应用中。
在压电效应的实现中，材料的组成起着重要的作用。
本文将介绍几种常见的压电材料及其组成。
1. 铅锆钛酸钛（PZT）：铅锆钛酸钛是一种经典的压电材料，由铅酸钛和锆酸钛组成。
铅锆钛酸钛具有优异的压电性能和储能性能，被广泛应用于超声波传感器、压电陶瓷换能器等领域。
其主要成分是铅、锆、钛等元素，通过合适的比例混合制备而成。
2. 锆钛酸铅（PTZ）：锆钛酸铅是另一种常见的压电材料，由铅酸钛和锆酸钛组成。
与PZT相比，PTZ具有更高的压电系数和更宽的工作温度范围。
PTZ通常由铅、锆、钛等元素按照特定的配比制备而成。
3. 铁电材料：除了铅锆钛酸钛和锆钛酸铅，还有一些其他的铁电材料也具有压电效应。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，常见的有钛酸锶钡（SBS）、钛酸铋镧（BLT）等。
这些材料的主要成分包括钛、锶、钡、铋、镧等元素，通过合适的比例混合制备而成。
4. 聚合物压电材料：除了无机压电材料，还有一类聚合物也具有压电效应。
聚合物压电材料主要由聚合物基质和压电填料组成。
常见的聚合物基质有聚乙烯、聚丙烯等，而压电填料则通常是铅锆钛酸钛或锆钛酸铅等无机压电材料微粒。
通过将聚合物基质和压电填料进行混合、加工制备而成。
压电效应材料的组成对于其性能和应用具有重要影响。
不同的材料组成会导致其具有不同的压电性能、工作温度范围、机械强度等特点。
在选择压电材料时，需要根据具体的应用需求来确定合适的材料组成。
同时，材料的制备工艺也对其性能有影响，需要采用适当的方法进行制备和加工。
压电效应材料的组成是实现压电效应的关键。
常见的压电材料包括铅锆钛酸钛、锆钛酸铅、铁电材料和聚合物压电材料等。
它们的组成对于其性能和应用具有重要影响，需要根据具体需求选择合适的材料组成。
在制备和加工过程中，也需要采用适当的方法来提高材料的性能和稳定性。
压电材料有哪些
压电材料有哪些
压电材料是指在外力作用下，可以产生电荷分布不对称，从而产生电荷转移和电势差的材料。
常见的压电材料主要包括以下几类：
1.晶体压电材料：晶体压电材料是指在晶体结构中存在非中心
对称性，使得在外力作用下，晶体可以产生电荷分布不对称的现象。
常见的晶体压电材料有石英、铅酸锂、硼酸铋等。
2.陶瓷压电材料：陶瓷压电材料是指由陶瓷基质和压电晶体颗
粒组成的复合材料。
常见的陶瓷压电材料有氧化锆、氧化铁、氧化铅等。
3.聚合物压电材料：聚合物压电材料是指由聚合物分子构成的
材料，在外力作用下可以发生分子畸变产生电荷效应。
常见的聚合物压电材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氯乙烯（PVC）等。
4.液体压电材料：液体压电材料是指在液体介质中存在压电效应。
常见的液体压电材料有液晶材料、某些有机化合物等。
需要注意的是，不同类型的压电材料具有不同的压电性能和应用领域。
例如，晶体压电材料具有高压电系数和较高的工作温度，适用于传感器、声波发生器等领域；聚合物压电材料具有较低的压电系数和低成本，适用于柔性传感器、能量采集等领域。
因此，在选择压电材料时，需要根据实际应用需求来进行选择。
压电材料有哪些
压电材料有哪些压电材料是一类具有压电效应的材料，它们在受到外力作用时会产生电荷分离，从而产生电压。
这种特殊的性质使得压电材料在传感器、换能器、声波器件和振动控制等领域具有重要的应用价值。
下面将介绍几种常见的压电材料及其特点。
1. 石英晶体石英晶体是一种常见的压电材料，它具有良好的压电性能和稳定的物理化学性质。
石英晶体的压电系数较高，能够在较小的应变下产生较大的电荷分离，因此被广泛应用于压电传感器和压电换能器中。
此外，石英晶体还具有优异的机械性能和化学稳定性，能够在恶劣的环境条件下工作。
2. 铅锆钛酸钡（PZT）铅锆钛酸钡是一类重要的铁电压电材料，具有良好的压电性能和优异的铁电性能。
PZT材料在外加电场作用下会产生畸变，从而产生压电效应。
它具有较高的压电系数和介电常数，能够在微米尺度下产生较大的电荷分离。
PZT材料被广泛应用于压电陶瓷、压电换能器、压电马达等领域。
3. PVDF聚偏氟乙烯PVDF聚偏氟乙烯是一种新型的压电聚合物材料，具有良好的压电性能和柔韧性。
PVDF材料具有较高的极化度和良好的机械性能，能够在较大的应变下产生较大的电荷分离。
由于其优异的柔韧性和可加工性，PVDF材料被广泛应用于柔性压电传感器、柔性压电换能器和生物医学器件等领域。
4. 钛酸锆钠（ZnO）钛酸锆钠是一种新型的压电无机材料，具有优异的压电性能和光电性能。
ZnO材料具有较高的压电系数和优异的光电性能，能够在外加电场或光场作用下产生较大的电荷分离。
由于其优异的光电性能，ZnO材料被广泛应用于光电器件、光伏器件和光学传感器等领域。
综上所述，压电材料是一类具有特殊压电效应的材料，具有重要的应用价值。
石英晶体、PZT、PVDF和ZnO是几种常见的压电材料，它们在传感器、换能器、声波器件和光电器件等领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，压电材料的研究和应用将会得到进一步的推广和深化。
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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。
2、压电换能器
压电换能器工作原理
超声波是一种频率高于人的可听声波频率 范围的声波。（频率高于20000 Hz ）
人类听不出超声波，但不少动物却有此本 领（如蝙蝠）。
超声医疗
压电超声医疗仪中应用最广 的是B 型超声诊断仪。这 种诊断仪中有用压电陶瓷 制成的超声波发生探头， 它发出的超声波在人体内 传输，体内各种不同组织 对超声波有不同的反射和 透射作用。反射回来的超 声波经压电陶瓷接收器转 换成电信号，并显示在屏 幕上，据此可看出各内脏 的位置、大小及有无病变 等。
之间摩擦生热，粘合在一 起，制成超声波焊接器。
⑥超声波手枪 （15-30千赫）
3、超声马达
• 在交变电场下，陶瓷产生伸缩 现象，在弹性体中激发某种类 型的超声频率振动和波动时， 弹性体的表面借助于摩擦力， 推动与其接触的物体运动。
超声马达特点：
与传统马达相比， 超声马达具有低功 耗、大转矩、快响 应、控制性能好、 位置分辨率高、容 易与计算机接口， 没有绕组和磁场部 件，直接由压电陶 瓷材料实现机电能 量转换，无电磁干 扰和无需润滑等特 点。
5、压电陶瓷变压器
•
工作原理：
电能 （逆压电效应） 机械能 （正压电效应） 电能
当正弦交变电压加到驱动部分，通过逆压电效应，压电材料 产生伸缩振动，（电能转变成机械能），驱动部分伸缩振动， 带动发电部分振动，发电部分伸缩振动，通过正压电效应， 产生输出电压（机械能转变成电能）。无载下的升压比： Uout/Uin = (4/2)k31k33Qm(L/t), 通过改变长度L与厚度t的比例， 可以改变输出电压，起到变压器的作用
这两种正逆压电效应统称为压电效应。
具有压电效应的材料称为压电材料（piezoelectrics）。
二、压电性发现与发展
• 1880年，居里兄弟：皮尔（P·Curie） 与杰克斯（J·Curie） 发现这一现象 并证实了压电效应与晶体结构的关 系。
• 居里兄弟发现具有压电性的材料有： 闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐 （sodiumchlorate）、电气石 （tourmaline）、石英（quartz）、 酒石酸（tartaricacid）、蔗糖 （canesuger）、方硼石（boracite）、 菱锌矿（calamine）、黄晶（topaz） 及若歇尔盐（Rochellesalt）。
对晶体对称性的研究, 居里发现 压电效应
Born in Warsaw on November 7, 1867
压电效应机理
• 因为机械作用（应力或应变）引起了晶 体介质的极化，从而导致介质两端表面 内出现符号相反的束缚电荷。
压电效应对晶体的要求：没有对称中心的晶体
三、压电性的应用——压电器件
1. 压电陶瓷点火器
• 点火器工作过程分高压产生 、放电点火和点燃可燃气体 三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电 陶瓷元件为例，如图5-2所示 。当机械力F作用于圆柱体时 ，晶体发生畸变，导致晶体 中正负电荷中心偏移，从而 在圆柱体上下表面出现自由 电荷大量积聚，产生高压输 出。 放电点火——把压电陶瓷 元件放在一个闭合回路中， 并留一个适当间隙，当电压 升高到该间隙的放电电压时 ，间隙中就产生放电火花。
4. 话筒和喇叭
压电陶瓷片，也是一种发声元件，它
利用压电效应工作，既可以作发声元件又 可以作接收声音的元件。而且它很便宜， 生日卡上的发声元件就是它。压电陶瓷片 是在圆形铜底板上涂覆了一层厚约1mm的 压电陶瓷，再在陶瓷表面沉积一层涂银层， 涂银层和铜底板就是它的两个电极。压电 陶瓷有一个奇妙的特性－压电效应：如将 它弯曲，它的表面就会出现异种电荷，如 反向弯曲，电荷的极性也会相反。奇妙的 是如果在压电陶瓷片的两个电极上施加一 定的电压，它就会发生弯曲，当电压方向 改变时，弯曲的方向也随之改变。
利用压电效应，有了一种声-电，电-声 转换的两用器件，可以当话筒用：对压电 陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生 前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯 曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电 压输出。相反地，把一定的音频电压加在 压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性 和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相 应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时 候，它又成了喇叭。
超声马达应用领域
(1) 小功率压电马达在汽车上应用广泛，如车门 的玻璃升降、刮雨器等。德国奔驰公司已将超 声马达用于汽车自动门的驱动上。
(2) 由于具有抗电磁干扰，分辩力高的特点，超 声马达可用于XY绘图仪、精密手表等。
(3) 超声马达是智能机械人和微型机械的重要驱 动部件。其中厘米微马达可用于照相机、摄像 机的自动调焦。毫米微马达则可用于微小卫星 扫描装置及军用直升飞机等。