毕业设计(论文)压电效应的原理及应用.doc

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1、 毕业设计（论文） 题 目：压电效应的原理及应用院 系：物理学系与电气信息工程系专 业：物理学班 级：2009级姓 名：李宝雨学 号：20090601013指导教师：高永华2013年4月16日压电效应的原理及应用【摘要】压电效应最初由法国物理学家皮埃尔.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)于1880年的一次实验中发现。压电效应是指当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷，这种现象就叫做压电效应，具有压电效应的晶体介质叫做压电体。根据压电效应的物理作用效果不同，还分为正压电效应和逆压电效应。当前，在家用电器以及谐振器件、滤

2、波器件以及电子传感技术之中，压电效应具有广泛的应用。目前，基于压电效应的传感器已经普及并且应用于社会生产各个方面。因此对于压电效应以及压电材料的基础研究具有理论和实际意义。压电学的发展已经有100多年的历史,到目前为止,国内外学者对一次压电效应进行了大量的理论与应用研究,但只有少数学者提到了二次压电效应。近年来,应用一次压电效应理论设计的压电类传感器与执行器的应用领域越来越广阔,压电效应的基础理论研究也有了较大发展。本文通过理论与应用等方面的分析,在晶体众多的已知效应中发现,电磁效应与压电效应具有极大的相似性与可比性,可以进行对比研究,从而为压电效应的基础理论与应用的进一步研究探索出一条新途径

3、。【关键词】压电效应 材料 压电体 应用The theory and application of piezoelectric effect【Abstract】Piezoelectric effect was found at first by the French physicist Pierre Curie and Jacob. Curie in a 1880 experiment.Piezoelectric effect refers to when a certain crystal by mechanical force and tension or compression occu

4、rs, the relative two crystal surface will be the same amount of different charge, this kind of phenomenon is called the piezoelectric effect, and the crystal which has piezoelectric effect is called piezoelectric crystal medium。According to the physical effect of the piezoelectric effect is differen

5、t, it also can be divided into positive piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect.Now, in a resonant devices, filter and household appliances and electronic sensing technology, the piezoelectric effect has the widespread application.At present, based on piezoelectric effect of the sensor

6、 has been spread and applied in various aspects of social production. So for the basis of piezoelectric effect, piezoelectric materials research has theoretical and practical significance.Piezoelectric learning has a history of more than 100 years of development, so far, scholars at home and abroad

7、to a lot of a piezoelectric effect theory and application research, but only a few scholars mentioned a secondary piezoelectric effect.In recent years, the application of a piezoelectric effect theory design of the application of piezoelectric sensors and actuators field more and more broad, the bas

8、is of piezoelectric effect theory have greater development.This article through the analysis of theory and application, etc, found in the crystals of known effect, electromagnetic effect and piezoelectric effect has a great similarity and comparability, can undertake comparative study, which is the

9、basis of piezoelectric effect theory and explore a new way for the further study of the application. 【Key Words】Piezoelectric effect material piezoelectric crystal application目 录1引言11.1压电效应的简介11.2压电效应的分类11.3压电材料的介绍22压电效应的实验设计42.1实验原理42.2实验装置53两种压电效应的关系63.1压电效应的参数指标63.2两种压电效应的关系74压电材料的性能与特性84.1材料产生压电

10、效应的原因84.2压电单晶体84.3压电多晶体和压电复合材料95压电效应的应用115.1压电效应与电磁效应应用领域的相似性115.2压电效应在日常生活中的应用125.3压电式传感器的介绍13结论16附录1石英的切型和声表面波特性17附录2 石英晶体的压电系数、介电常数分布图17致谢181引言1880年法国物理学家皮埃尔.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)兄弟实验中发现:当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时,晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷。科学家把这种现象叫做压电现象。具有压电现象的介质,称之为压电体。当前，在家用电器以及谐振器件、滤波器件等电子传

11、感技术之中，压电效应具有广泛的应用。目前基于压电效应的传感器已经普及并且应用于社会生产各个方面。因此对于压电效应以及压电材料的基础研究具有理论和实际意义。随着电子技术与材料科学方面的飞速发展，相信对于压电效应的进一步研究开发会有更多的创新，为人类带来创新科技的福音。1.1压电效应的简介压电效应是指当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷，这种现象就叫做压电效应，具有压电效应的晶体介质叫做压电体。根据压电效应的物理作用效果不同，还分为正压电效应和逆压电效应。当前，在家用电器以及谐振器件、滤波器件等电子传感技术之中，压电效应具有广泛的应用。目前基于压电效应的传

12、感器已经普及并且应用于社会生产各个方面。上图为示意图，当压电材料的碟片发生形变后，将产生电压。压电学的发展已经有100多年的历史,到目前为止,国内外学者对一次压电效应进行了大量的理论与应用研究,但只有少数学者提到了二次压电效应。近年来,应用一次压电效应理论设计的压电类传感器与执行器的应用领域越来越广阔,而压电效应的基础理论研究却没有较大的发展。本文通过理论与应用等方面的分析,在晶体众多的已知效应中发现,电磁效应与压电效应具有极大的相似性与可比性,可以进行对比研究,从而为压电效应的基础理论与应用的进一步研究探索出一条新途径。1.2压电效应的分类压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两类。有些固体介

13、质,如:石英(SiO2)、电气石、酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)、钛酸钡(BaTiO3）等，由于它们结晶点阵的特殊结构,当它们发生机械形变(如压缩或伸长)时,其相对的两个表面会呈现异号电荷,外力与端面积愈大,则出现的电荷就愈多。端面电荷的符号视外力而定。当压电体发生机械形变时,其极化强度随之而变,导致表面吸附的自由电荷随之而变。如果将两个表面装上电极并用导线接通,变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板,形成电流。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

14、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，或称为电致伸缩现象。在自然界中，大多数晶体具有压电效应，但效应十分微弱。1.3压电材料的介绍1880年皮埃尔和雅克两兄弟发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。材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。

15、下面简单介绍一些压电材料的情况。石英晶体:石英晶体即二氧化硅,有天然石英晶体和人工石英晶体两种。它的压电系数d11=2.3110-12C/N,在几百度温度范围内,压电系数几乎不随温度而变化,当温度达到575时,石英晶体就完全失去了压电性质,这就是它的居里点。石英的熔点为1750,密度为2.65103kg/m3,有很大的机械强度和稳定的机械性质,可以承受的压力约为68MPa98MPa的压力。鉴于石英晶体有上述性质及灵敏度低、没有热释电效应(于温度变化导致电荷释放的效应)等特性,石英晶体主要用来测量大量值的力或用于准确度、稳定性要求高的场合和用来制作标准传感器。水溶性压电晶体:最早发现的是酒石酸钾

16、钠(NaKC4H4O64H2O),它有很大的压电灵敏度和高的介电常数压电系数d11=310- 9C/N,但是酒石酸钾钠易于受潮,它的机械强度低,电阻率也低,因此只限于在室温和湿度低的环境下使用。铌酸锂晶体:1965年通过人工掉拉发法制成铌酸锂大晶块,铌酸锂(LiNbO2)压电晶体和石英相同,也是一种单晶体,为无色或淡黄色。由于它是单晶体,所以时间稳定性远比晶体的压电陶瓷高,在耐高温的传感器上有广泛的应用前景。但是,铌酸锂具有明显的各向异性力学性能,与石英晶体相比它很脆弱,而且热冲击性很差,所以在加工装配和使用中必须小心谨慎,避免用力过猛、急冷和急热。压电陶瓷：压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,

17、与石英单晶产生压电效应有所不同。在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布,由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强时,所有电畴方向将趋于一致。去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化。钛酸钡压电陶瓷:最早

18、使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3),由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。它的压电系数约为石英的50倍,但使用温度低最高只有70,温度稳定性和机械强度都不如石英。锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT系列):目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT系列),它是钛酸钡(BaTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的(Pb（ZrTi）O3）,有较高的压电系数和较高的工作温度。铌酸盐系列压电陶瓷:铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅(Pb(MgNb)O3)、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷,具有极高的压电系数和较高的工作温度

19、,而且能承受较高的压力。压电半导体近年来出现了多种压电半导体,如硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)氧化锌(ZnO)和硫化镉(CdS)等,这些压电材料的显著特点是既具有压电效应,又具有半导体特性,有利于将原件和线路集成于一体,从而研制出新型的集成压电传感器测试系统。压电复合材料：是由两相或多相材料复合而成的,通常见到的是由压电陶瓷(如PZT)和聚合物(如聚偏氟乙烯或环氧树脂)组成的两相复合材料。这种材料兼有压电陶瓷和聚合材料的优点,与传统的压电陶瓷或与压电单晶相比,它具有更好的柔顺性和机械加工性能,克服了易碎和不易加工成形的缺点,且密度小,声速低,易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配。与聚合物

20、压电材料相比,它具有较高的压电常数和机电耦合系数,因此灵敏度很高。压电复合材料还具有单相材料所没有的新特性,如当压电材料与磁致伸缩材料组成的复合材料具有磁电效应。对于压电复合材料的研究目前还尚未全面化，目前压电材料研究的热点主要集中在弛豫型单晶(如PMN-PT)、多元体系复合材料(如PZT-PVDF、PLN-PMN-PZT、PLN-PMN-PZT)以及高居里温度压电材料（BiScO3-PbTiO3、(1-x)LiNbO3-x(Na,K)(NbyTa1-y)、PbxBa1-xNb2O3+TiO2+Me2+)、细晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷材料。2压电效应的实验设计2.1实验原理某些介质(如石英、妮

21、酸铿晶体压电陶瓷),当沿着一定的方向对其施加作用力,使它变形时,其表面或内部会出现电荷(称为极化电荷)。当外力去掉时,介质回到不带电状态.这种现象称为压电效应.当在介质出现电荷的方向(称为极化方向)施加电场时,这些介质将产生形变,这就是逆压电效应。一种常用的压电陶瓷钛酸钡是由CaCO3和TiO2在高温下合成的.它是人造的多晶材料。它的介电常数很大,不导电。这种材料的分子自发形成一些极化方向一定的区域(称为电畴),各电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消掉,因此原始的压电陶瓷没有压电性质若把原始的压电陶瓷放在外电场中,使电畴的极化方向发生转动且趋向按外电场方向排列,即进行极化处理,则压电

22、陶瓷片内的极化强度不再为零,并使其一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷,由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上将吸附一层外来的自由电荷,其符号与陶瓷内的束缚电荷相反,数量相等。如果在陶瓷上加一个与极化方向平行的压力,陶瓷片将产生压缩形变,片内的正负束缚电荷之间距离L变小,极化强度变小。因此,原来吸附在电极上的自由电荷有一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后,陶瓷片恢复原样,片内的正负电荷之间距离拉大,极化强度变大。因此,电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象, 这种机械能转变为电能的现象称为正压电效应。反之,在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场,由于电场的作用使得陶瓷片的正负电荷之间距

23、离增大,使得陶瓷片沿极化方向增大。同理,如果外加电场方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短变形。这样电效应转就变为了机械效应。压电效应在现代技术领域被广泛应用。可以进一步通过实验让学生了解压电效应及其传感原理,了解压电陶瓷的应用特点正是该实验设计的目。GW1压电实验仪按钮LED关开压电陶瓷逆压电正压电压电陶瓷2.2实验装置2.2.1工作原理本实验拟通过自制压电陶瓷实验仪以及压电陶瓷点火器和声控开关来达到实验目的。自制压电陶瓷实验仪由压电陶瓷片、控制电路等构成,可完成正压电与逆压电效应演示,该实验仪面板如上图所示。当把面板上功能转换开关拨向“正压电”一侧,如下图所示的电路接通:R1100

24、k压电陶瓷R2 82Rs1.5kSLED100FC1R3 4.7kU1U3U2 BG2 9012cceb b+3VBG19012e由于电路参数决定此时BG2:截止而BG1导通,电流从BG1的e极流向b极,BG1的集电容器C1处充电,U2为正U1为负,约过10秒钟时间U1处的电势会降到足以使BG2导通,致使BG2和U成为很小,因而U3即BG1的U eb比也就很小致使BG1截止BG1集电极上电流中断,LED熄灭。此时若将电压陶瓷片挤压一下后放手,压电陶瓷片的两引线间就产生一个电压,使BG1的b极电势降低很多,致使BG1导通,LED又亮了。F+与 阀 体 相 连压电陶瓷点火器中的压电陶瓷为PbIrO

25、3-Pb-TIO3(简写为PZT)当冲击块给压电陶瓷组一个冲击力后,压电陶瓷组中两块压电陶瓷中的每一块的两个端面都产生高压。这两个高压是并联着的,如上图所示。其优点是要获得同等的输出能量,每块压电陶瓷上受到的冲击力只有采用单块时的一半。两个压电陶瓷块之间的高电压(1万多伏)用耐高压的橡胶线引出,与阀体间产生电火花,用来点燃煤气,为了提高点燃率放电间隙要调得适当。2.2.2实验内容一：观察逆压电效应。把功能转换开关拨向“逆压电”一侧, 把压电陶瓷片接入逆压电一侧的插口,接通电源,此时音乐片上的集成电路便把声音电信号加在压电陶瓷片上奏响。然后把功能转换开关拨至“正压电”一侧,音乐片在奏完一段曲子之

26、后便停止,否则将一直奏个不停,耗尽电池。二：观察正电压效应。功能转换开关应处于“正压电”一侧。具体步骤如下：(1)将压电陶瓷片的引线接入用作直流伏特计的数显多用表插口,然后注意在用手接下压电陶瓷片与松手瞬时,伏特计示数的符号与数值,试解释一下你看到的现象。(2)把压电陶瓷片接入“正压电”一侧的插口,接通电源,待LED不亮后在下列情况下观察LED发亮情形;使电压陶瓷碰一下桌面在离压电陶瓷片500mm左右处拍一下桌面。(3)观察阀体总成,并且操作它打出明亮的火花,将阀体总成的把手朝里一按,然后往逆时针方向一拧,便可见两个尖端间出现火花,自己观察一下,两个尖端相距34mm时火花最明亮,也即释放的能量

27、最大。(4)操作声控开关,一只手握住气囊,然后与另一只手相撞便可使接在声控开关上的用电器的电源接通或断开。3两种压电效应的关系3.1压电效应的参数指标（1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。表征压电材料力学参量(应力、应变)与电参量(电场、电位移)之间耦合关系的参数。包括压电应变常数、压电应力常数、压电电压常数、压电劲度常数四种，是三阶张量。（2）压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4）在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量（如电

28、能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。（5）衡量压电材料机电能量转换效率有一重要参数。（6）压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。（7）压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。3.2两种压电效应的关系当对压电材料施以物理压力时，材料体内的电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。即：P=d其中，P为晶体的电极化率，单位是C/m2,d为压电常数单位是C/N,为应力，单位是N/m2。当在压电材料表面施加电场（电压），

29、因电场作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长，如上图所示。这种通过电场作用而产生机械形变的过程称为“逆压电效应”。逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程。即：S=dtE其中，S为晶体的杨氏模量，dt为压电常数，单位是m/V，E为电场强度适量，单位是V/m。如果外界电场较强，那么压晶体管还会出现电致伸缩效应（electrostriction effect），即材料应变与外加电场强度的平方成正比的现象。可以用以下公式给出：S=E2其中，为电致伸缩系数，单位是m4/C2可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效应的材料必然具有逆压电效应。4压电材料的性能

30、与特性4.1材料产生压电效应的原因材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心，但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。在非晶方性晶体中，施一外力使晶体变形，则由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部性不均匀电荷分布，而产生一电位移。电荷的位移是由于晶体内部所有离子的移动，或者因为原子轨道上电子分布的变形而引起离子偏极化所造成，这些电荷位移现象在所有材料中都存在，可是要具有压电效应，则必须能在材料每单位体积中造成有效地净的电双极矩变化。是否能有这种变化，端视晶格结构之对称性而定。压电现象理论最早是李普曼（Lippmann）在研究热力学原理时就已发现，后来在同一年，居里兄弟

31、做实验证明了这个理论，且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年，福克特（W.Voigt）更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类可能具有压电效应（32类中不具有对称中心的有21种，其中一种压电常数为零，其余20种都具有压电效应）。压电现象是由于应力作用于材料，在材料表面诱导产生电荷的过程，一般这一过程是可逆的，即当材料受到电参数作用，材料也会产生形变能。4.2压电单晶体压电单晶体大多数为铁晶体管。另外还包括石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等晶体。这些铁电晶体包括：含氧八面体的铁晶体管，例如钛酸钡晶体、具有铌酸锂结构的铌酸锂、铌酸钽和具有钨青铜结构的铌酸锶钡晶体；含有氢键的铁晶体管，例

32、如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、和磷酸氢铅（及磷酸氘铅）晶体；含层状结构的钛酸铋晶体等。目前应用最广泛的非铁电性的石英压晶体管、铁典型压晶体管铌酸锂和铌酸钽等。下面以石英晶体为例介绍压电单晶体的压电效应形成原理。石英晶体是由硅离子和氧离子构成的正六面体,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。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,如图a所示：由于P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心重合,电偶极的量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不带电荷,即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方

33、向的压力作用时,晶体沿x轴方向产生收缩,正负离子的相对位置也发生变化,如图b所示,此时负电荷中心不再重合,即P1+P2+P30,在x轴的正方向出现正电荷,在y方向电偶极距为零,不出现电荷;当y轴方向受到压力作用时,正负离子的相对位置也发生变化,如图c所示,此时,P1增大,P2、P3减小,在x轴正方向为负电荷,在y方向电偶极距仍然为零。当在x轴和y轴方向作用力的方向变化,电荷极性也发生变化。当沿z轴方向施加作用力,因为x和y方向变形完全相同,所以正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零。4.3压电多晶体和压电复合材料压电多晶体即压电陶瓷。陶瓷的压电性质最早是在钛酸钡上发现的，但是由于纯的钛酸钡陶

34、瓷烧结难度较大，且居里点（120左右）、室温附近（5左右）有相变发生，即使改变其掺杂特性，其压电性仍然不高。1950年左右发明的锆钛酸铅（简称：PZT）则是迄今为止使用最多的压电陶瓷。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。但各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布。如图（a）所示，由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致

35、(图b)。去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变(图c),即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性,此时,如果受到外界力的作用,电畴的界限将发生移动,方向将发生偏转,引起剩余极化强度的变化,从而在垂直极化方向的平面上引起极化电荷变化。压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活环氧树脂）的两相复合材料。这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。此外，压电复合材料还具有压电常数高的特点。压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的应用。这种高聚物的结构是由

36、微晶区分散于非晶区构成，如图（a）非晶区的玻璃化转变温度决定聚合物材料的机械性能,而微晶区的熔融温度决定了材料的使用上限温度。它首先经过熔融浇铸和退火处理,产生一定量的微晶,然后经过机械滚压和拉伸而成为薄膜之后,链轴上带负电的氟离子和带正电的氢离子分别被排列在薄膜表面的对应上下两边上(图b),可以形成尺寸为1040m的微晶偶极矩结构,又称为形晶体,再在一定温度和外电场作用下,维持一段时间之后,晶体内部的偶极矩进一步旋转定向,形成了垂直于薄膜平面的碳-氟偶极矩固定结构(图c),这种剩余极化使材料具有压电特。5压电效应的应用压电效应在当今电子科学技术领域具有广泛的应用，总的来说，压电效应归属于电磁

37、效应的一种，类似于极化效应。在日常生活中，压电效应除了在材料领域有独树一帜的应用角色，在一些常用的器件中也作为核心部件的工作机理。随着压电技术的不断发展，压电效应在传感器上的应用也为我们带来了更多的方便。5.1压电效应与电磁效应应用领域的相似性下图阐释两种压电效应的关系与电磁效应的关系电位移D应变S弹性系数介电系数正压电效应逆压电效应电场强度E应力T电位移 D磁感应强度B介电系数磁导率电磁效应磁电效应电场强度E磁场强度H压电效应与电磁效应均具有广泛的应用。1831年法拉第发现电磁效应以后,电磁效应马上被用来发明了发电机、电动机、变压器等,极大地改变了工业生产的面貌。同样,自从居里兄弟在石英晶体

38、上发现了压电效应以来,近几十年压电材料也被用来制作新型微电机、微变压器等。在同一应用领域内,使用压电效应与电磁效应各有优势。例如电机转换器作为电液控制阀的前置元件,其性质对电液控制阀的性能有直接的影响。实验证明,粘接式多层压电晶体型电-机转换器的静态特性优于电磁型电-机转换器,能够很好满足电-机转换器的要求,可广泛用于电液控制技术领域。压电点火系统是利用压电陶瓷的压电效应,将机械能转换为电能,在放电间隙产生电火花引燃燃烧物的装置。与电磁点火系统相比,它不用电池、电容、电感线圈等电子元件,节省能源,结构简单,安全可靠,因而广泛应用在日常生活、工业生产及军事等领域。压电执行器方面,微位移、微力的实

39、现既可以通过电磁驱动,也可以通过压电陶瓷驱动,而压电陶瓷驱动较之电磁驱动具有不发热、分辨率高等优点。在自感知执行器方面,利用电磁耦合可以制成电磁式自感知执行器。1996年德国科学家Guckel.H等采用恒定激励电流,研制出电磁式线性自感知执行器,而利用机电耦合可以研制出各种压电自感知执行器。在通讯领域中,使用电磁波可以在空气中通讯,但是电磁波在水中的传播损耗很大,传不多远就会被水吸收掉。而声波在水中传播损耗很小,因此,在水中通讯和探测主要利用声波来传递信息,即利用逆压电效应向水中发射声波,再通过压电效应接收从水中返回的声波。从压电效应与电磁效应的数学模型、物理模型及应用领域等各个角度来分析压电

40、效应与电磁效应的相似性。5.2压电效应在日常生活中的应用我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷,利用它可以制作石英谐振器,陶瓷滤波器、陷波器、鉴频器,拾音器、发声器,水声换能器,鱼群探测器,压电陶瓷变压器,陶瓷压力器,加速度计,超声波发声器等器件,还可以作为电子打火机、煤气点火栓、导弹与鱼雷爆炸时的电源。下面着重介绍家用电器中常用的几种压电器件。（1）石英晶体谐振器。在石英晶体上加一交变电压,就会产生机械变形振动,同机械变形振动又会产生交变的电场。由于石英晶片具有固有的振动频率(称为石英晶体的谐振频率)，因此,当外加交变电压的频率等于石英晶片的谐振频率时,这种振动就会突然增加,而在电路中反映

41、出谐振特性。这种现象称为压电谐振效应。根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器,这种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定性,已经被应用于对讲机(型号有JA44等)、电子手表(型号有JU1等)、电视机(型号有JA22等)、电子仪器等产品中作压控振荡器使用。用石英谐振器来控制振荡频率的振荡器称为晶体振荡器,这种振荡器的频率稳定度可达到10-6数量级。（2） 陶瓷滤波器、陷波器。陶瓷滤波器、陷波器一般由一个或多个压电陶瓷振子为主而组成,而压电振子实际上就是一块夹在两个电极之间的压电晶片。陶瓷滤波器、陷波器是对频率非常敏感的电路元件。它们的特点是:体积小、成本低、无调整和可靠性高等。陶瓷滤波器、陷波器已

42、应用于收录机(型号有465K系列、LT-W22-10.7MHz等)、电视机(型号有LTB6.5MHz滤波器、XT4.43M陷波器、声表面波滤波器等)等家电产品中。（3）压电晶体拾音、发声器件。晶体话筒、电唱头是拾音器件,它们是利用晶体的压电效应制作出来的。对于话筒,声波使话筒内的压电晶体振动,由于压电效应,表面上的两个电极便出现微弱的音频电压。对于晶体电唱头(又称晶体拾音器),当唱片转动时,唱片中的音纹起伏通过唱针传到唱头中的压电晶体,其电极便出现音频电压。即利用晶体的压电效应可以把音频信号变成音频电信号。而晶体扬声器(晶体喇叭)和晶体耳机则是压电发声器件。它们是利用压电晶体的逆效应制作出来的

43、,即把变化的电信号还原为晶体的机械振动。晶体再把这种振动传给一块金属薄片,发出声音。5.3压电式传感器的介绍（1）压电式测力传感器。压电式测力传感器结构如下图所示：F绝缘套上盖基座石英晶片压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。如上图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶

44、片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。（2）压电式加速传感器。压电式加速传感器结构如下图所示：预压弹簧外壳质量块螺栓压电元件基座如上图所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般

45、由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这

46、样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。5.4压电式传感电路当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上分别聚集等量的正、负电荷，因此，晶片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，于是，压电晶片相当于一只平行板介质电容器，如下图所示，其电容量为，其中为极板面积，为压电材料的相对介电常数，为真空介电常数，为压电元件的厚度。压电传感器可以等效为一个电压源和一只电容的串联，如下图（a）所示，由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压才能长期保持不变，如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数按指数规律放电