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1、电介质材料电介质：电介质：在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电阻率大于在电场作用下，能建立极化的物质。通常是指电阻率大于1010 cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。电介质材料的主要效应：电介质材料的主要效应：压电性压电性-压电效应压电效应热释电性热释电性-热释电效应热释电效应铁电性铁电性-自发极化与铁电体自发极化与铁电体1第1页/共79页 压电效应：在晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化。 热释电效应：具有自发极化，晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为热释电效应 铁
2、电效应：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变。它们最显著的特征，宏观的表现就是具有电滞回线。热释电效应与铁电效应的区别两种晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，自发极化偶极矩发生变化，即热释电效应； 自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即铁电效应。2第2页/共79页3.1 压电材料 气体喷嘴气体喷嘴高高压压引引线线压压电电振振子子磷磷铜铜片片压压电电振振子子外外壳壳叩叩击击机机构构压电陶瓷点火示意图压电蜂鸣器 3第3页/共79页压电陶瓷因受力形变而产生电的效应4第4页/共79页压电陶瓷片，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
3、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。现象之一：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。现象之二：如在压电陶瓷片的两个电极上施加一定电压，它就会发生弯曲，当电压方向改变时，弯曲方向也随之改变。 5第5页/共79页 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
4、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。 6第6页/共79页主要内容一、概述二、研究史三、基本原理四、性能参数五、典型的压电材料六、应用7第7页/共79页压电效应：除了电场产生极化外，在某些电介质晶体中，还可以通过纯粹的机械作用（拉压力、压应力或切应力）而发生极化，出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成比例。一、概述8第8页/共79页压电效应：v正压电效应： 材料受到机械应力处于应变状态时，材料内部会引起电极化，其值与应力的大小成比例，其符号取决于应力的方向。外力撤掉后，又重新回到不带电的状态。v逆压电效应： 逆压电效应则与正压电效应相反，当材料在电场的作用
5、下发生电极化时，则会产生应变，其应变值与所加电场的强度成正比，其符号取决于电场的方向。 有正压电效应的晶体必然有逆压电效应，正压电常数数与逆压电常数必然相等，且一一对应。9第9页/共79页F FF F极化面极化面Q Q压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性能量的转换能量的转换力力形变形变电压电压 正压电效应正压电效应电压电压形变形变 逆压电效应逆压电效应10第10页/共79页压电单晶：是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂等。水晶（-石英）是一种有名的压电晶体。压电陶瓷：
6、压电陶瓷泛指压电多晶体。如：钛酸钡BTBT、锆钛酸铅PZTPZT等。抗酸碱，易制成任意形状。需高压极化处理。高分子压电材料：如偏聚氟乙烯（PVDFPVDF）（薄膜），这类材料材质柔韧，可做极薄的组件，需极高的极化电场1.无机压电材料压电材料分类2.有机压电材料3.复合压电材料这类材料是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。11第11页/共79页早在世纪前，锡兰和印度土著人就已经注意到电气石的特殊性质，当电气石投入热的灰烬当中时，这种晶体能够吸引小块灰烬而又在几分钟之后排斥掉它们。十八世纪初，荷兰商人将这种电气石引入欧洲，被称为锡兰磁石。1756年，德国物理学家 A
7、epinus（电容器发明者）研究电气石产生电的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电性。1817 年，法国矿物学家 Ren Just Heuy 第一次提到了压电效应。1880 年，法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性：当重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。 他们所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O)。二、压电材料的历史12第12页/共79页1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理，推测逆压电效应(Conver
8、se piezoelectric effect) 的存在，这一预言很快就被居里兄弟用实验所证实。1916年 朗之万(Langevin)用压电石英晶体作成水下发射和接收换能器，这是最早的压电换能器，并用于探测水下的物体。1917年 美国贝尔（Bell）实验室的A.M. Nicolson制成压电拾音器和扬声器，并在1918年取得压电晶体管振荡器的专利。1918 年 卡迪（Cady）研究了罗息盐晶体在机械谐振频率特有的电性能。1919年 用罗息盐制成了电声组件，这为压电材料在通讯技术和频率控制等方面的应用研究奠定了基础。随后罗息盐又在滤波器、换能器和声纳等方面获得了应用。13第13页/共79页n19
9、47 年美国的 Roberts 发现了钛酸钡（BaTiO3）的压电性，使得多晶材料得到发展。获得压电性所需的极性可以通过暂时施加电场的方法，从一块各项同性的多晶陶瓷得到。 n采用BaTiO3压电陶瓷制成了拾音器，钛酸钡陶瓷的发现是压电材料发展的一个飞跃，至此，压电材料形成了两大类：压电单晶材料及压电陶瓷材料。n1969年 发现聚偏氟乙烯薄膜制程的驻极体具有优良的压电性后，聚合物驻极体的研究和应用迅速发展起来。n之后，又经过近六十多年的发展，压电材料已经从最初的压电晶体，发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物以及压电陶瓷/聚合物复合材料。14第14页/共79页 压电式发电器装置从环境中吸取机械能，
10、转换成电能驱动微机电系统。早在 1984 年，美国科学家将 PVDF 薄片安置在生物体上，以生物体呼吸时肋骨伸张运动所产生的能量作为研究基础，将生物体运动时产生的能量转换为电能，驱动外部设备。压电式发电器装置固定在狗肋骨上，利用狗的自然呼吸可产生 18V 电压，能量 17uW。优化 PVDF 压电换能元件形状，同时设计更适合贴在动物肋骨上的辅助设备，最终测试发现输出能量能够达到1mW。1996 年，英国科学家试验分析发现发电器装置内部的压电陶瓷发电总量与其变形频率的立方成正比。此发电器装置，在 70Hz 的振动频率下产生1uW 的能量，在振动激励为 330Hz 的情况下产生 0.1mW 能量。
11、15第15页/共79页q1998 年，美国麻省理工大学科学家 Kymissis 将压电式发电器装置以不同方式安置入鞋中，收集人行走过程中所丢失的能量。安置压电冲击式装置在鞋后跟处，同时安装一个 PVDF 材料的薄板在鞋子的前鞋底处。测试发现压电式冲击机构产生峰值电能为 80mW，PVDF 材料峰值电能达到 20mW，电磁式机构峰值电能为 20mW。由于外界激励缓慢，PVDF 装置和冲击式压电装置的平均电能都很低，电磁式结构不易实现，安装在鞋子里很困难，并受步伐影响。q此研究证明了压电发电装置在自身供能系统中应用的可行性，表现出了吸收外界能量应用于传送数据的能力。16第16页/共79页三、压电转
12、换机理1. 压电单晶的转换机理晶体存在对称中心，晶体发生形变后仍保持极化强度为零，无压电效应。由于石英晶体不存在对称中心，当给晶体施加压力时，产生极化后某一方向出现剩余偶极矩。17第17页/共79页32种点群晶体不具有对称中心的晶体（21） 极性晶体（10）压电效应热释电铁电非极性晶体（11）压电效应（10种）具有对称中心的晶体（11） 按照晶体的宏观对称性，晶体可分为：七大晶系、32种点群，其中21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应。18第18页/共79页单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。单晶具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。无对称中心并不是产生压电效应的充分
13、条件，无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即即无无对对称中心称中心的晶体的晶体并不并不能能保证保证都都有压电性有压电性。产生机理：产生机理：晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电偶极矩。剩余电偶极矩。总结：单晶压电效应19第19页/共79页压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电
14、效应的。处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷属于压电陶瓷属于铁电体，人工制造多晶材料，它具有电畴结构在无外电场作铁电体，人工制造多晶材料，它具有电畴结构在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。）。 直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 2. 压电多晶转换机理（自发极化）20第20页/共79页 电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法电压表接到陶瓷片
15、的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因？测出陶瓷片内部存在的极化强度。原因？ 极化后，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚极化后，在陶瓷的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吸附了一层来自电荷，由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电
16、荷与电极上吸附的自由电荷示意图剩余极化强度剩余伸长(c)极化处理后 21第21页/共79页 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。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，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状( (这是这是一个膨胀过程一个膨胀过程) )，片
17、内的正、负电荷之间的距离变大，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正压电效应。压电效应。 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F正压电效应示意图（实线代表无外力情况，虚线代表加外力的情况）22第22页/共79页23 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电如图，由于电场的方向与极
18、化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线
19、代表形变后的情况） 极化方向电场方向第23页/共79页压电陶瓷的压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极压电陶瓷的压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化，这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向化，这些自发极化经过人工极化工序处理后被迫取向排列的结果，即排列的结果，即人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余人工极化后的压电陶瓷内部存在剩余极化强度。极化强度。外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电效应。效应。在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部在陶瓷中产生的放电
20、或充电现象，是通过陶瓷内部束缚电荷极化强度的变化，引起电极表面上外界自由束缚电荷极化强度的变化，引起电极表面上外界自由电荷的释放或补充。电荷的释放或补充。总结：压电陶瓷的压电效应24第24页/共79页压电效应产生的应变与电场成正比，当电场反向时，应变改变符号，即正向电场使试样伸长，反向电场使试样缩短。电致伸缩效应产生的应变与电场的平方成正比，当电场反向时，应变不改变符号，即无论正向电场或反向电场均使试样伸长（缩短）。逆压电效应电致伸缩 SE225第25页/共79页对压电材料特性要求： 转换性能。要求机械能与电能转换效率高。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽
21、的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 四、压电材料的性能参数26第26页/共79页 作为介电材料：可用介电系数：可用介电系数，介电损耗，介电损耗tgtg，绝缘电阻率，绝缘电阻率和介电强度和介电强度E Eb b等表征。等表征。 作为压电材料：极化处理以后才具有压电性，极化处理以后才具有压电性，但对外表现为各向异性，也就是说各项性能参数在但对外表现为各向异性，也就是说各项性能参数在不同方向上表现为
22、不同的数值。这使得其表征性能不同方向上表现为不同的数值。这使得其表征性能的参数比各向同性材料的要多得多。的参数比各向同性材料的要多得多。一些参数：一些参数： 压电系数压电系数d d 压电电压系数压电电压系数g g 机电耦合系数机电耦合系数k k 机械品质因素机械品质因素Q Qm m 频率系数频率系数N N27第27页/共79页1、压电系数压电系数d ：单位机械应力单位机械应力T所产生的极化强度所产生的极化强度常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33（脚标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。 d=P/T（C/N）压电常数是力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电
23、场）间相互耦合的线性响应系数。直接反映了材料压电效应的强弱。越大越好或：单位电场强度或：单位电场强度V/xV/x所产生的应变所产生的应变x/x x/x VxxVxxd/)/()/( 28第28页/共79页2 2、压电电压系数压电电压系数g g：单位应力单位应力T T所产生的电场强度所产生的电场强度E E；或单位电荷所产生的形变。或单位电荷所产生的形变。 （Vm/N） TEg/d d和g g在不同的角度反映了材料的压电性能，d d用得较为普遍，g g常用于接收型换能器、拾音器，高压发生器等场合。对于由机械应力而产生电压(如压电传感器)的材料来说，希望具有高的压电电压常数。29第29页/共79页
24、3、机电耦合系数、机电耦合系数k 或或 输输入入的的电电能能电电能能转转变变所所得得的的机机械械能能2k输输入入的的机机械械能能机机械械能能转转变变所所得得电电能能2k机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换程度，它与材料的压电系数、和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而k总是小于1的。与其形状和振动模式有关，不同振动模式将有相应的机电耦合系数： 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为K Kp p（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K K3131（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K K3
25、333（纵向耦合系数）等。30第30页/共79页KpK33KtK15K3131第31页/共79页4、机械品质因数 Qm 压电陶瓷在振动时，由于必须克服晶格形变等内磨擦效应而消耗部分能量，即产生机械损耗。QmQm便是描述这种能量损耗的参数，机械品质因数Q Qm m的定义式是： 机械品质因数的存在表明任何压电材料都不可能把输入的机械能全部用于输出。机械品质因数Q Qm m是反映能量消耗大小的一个参数。Q Qm m越大，能量消耗越小。耗的机械能每一谐振周期振子所消能谐振时振子储存的机械2mQ32第32页/共79页5、频率常数、频率常数N 对给定压电振子，其谐振频率和振子振动方向长对给定压电振子，其谐
26、振频率和振子振动方向长度的乘积为一个常数，即度的乘积为一个常数，即频率常数频率常数N N。只与材料性质。只与材料性质相关，相关，这是选择确定压电陶瓷的重要参数。这是选择确定压电陶瓷的重要参数。N=frl其中：fr为压电振子的谐振频率；l为压电振子振动方向的长度。薄圆片径向振动Np=frD薄板厚度伸缩振动Nt=frt细长棒K33振动N33=frl薄板切变K15振动N15=frltD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33第33页/共79页6、相对介电常数不同用途的压电元件对相对介电常数要求也不相同。通常压电元件在高频状态工作时，相对介电常数要小，反之要大一些，由于压电发电器装置
27、通常工作在超声波频率范围内，故常取1500。7、弹性常数 s压电陶瓷材料也是一种弹性体，在弹性极限范围之内，受力与变形成正比。它反映压电陶瓷弹性变形的能力。其值定义为(在线性弹性变形之内)8、工作条件参数限定压电陶瓷工作范围或规定工作条件的参数，居里温度 Tc压电陶瓷在某一温度以下方具有压电性，其临界温度点称为居里温度 Tc。34第34页/共79页五、典型的压电材料五、典型的压电材料压电晶体：q压电石英晶体水晶：性能很稳定，居里点温度高（高达573573）。广泛用作标准频率控制的振子和滤波器，以及换能器用大功率发射器。q铌酸锂（LiNbO3)：特点是居里温度高，达1210oC，并且在很高的温度
28、范围内压电性能随温度变化很小，可在高温下工作-1050，以及良好的机械性能和化学稳定性，在超声技术中得到广泛应用。q罗息盐(酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O)：从其上第一次发现了铁电性：压电性高、制做方便、价格便宜。优点是压电性高，水晶的1000倍。缺点是性能不稳定，机械性能差。它在湿度高于85潮解。在温度高于55 时分解成酒石酸纳和酒石酸钾。目前应用很少。q磷酸二氢铵晶体：性能较稳定、机械性能较好，但湿度超过93时潮解。故已基本不用。35第35页/共79页q钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3)压电陶瓷：最先制成、并广泛应用的压电压电陶瓷：最先制成、并广泛应用的压电陶瓷。除罗息盐外，其机电偶合系
29、数最高，但性能较罗息盐陶瓷。除罗息盐外，其机电偶合系数最高，但性能较罗息盐稳定，能在较大的温度范围内工作。其缺点是居里点较低，稳定，能在较大的温度范围内工作。其缺点是居里点较低，约为约为115 ，并且还有两个相变点，这样其机电性能很不稳，并且还有两个相变点，这样其机电性能很不稳定。经过组成改性，使其性能得到改善，至今仍得到较多应定。经过组成改性，使其性能得到改善，至今仍得到较多应用。用。q钛锆酸铅（钛锆酸铅（ PbZr0.53Ti0.47O3)：特点是居里温度高，达：特点是居里温度高，达1210 ，并且在很高的温度范围内压电性能随温度变化很小，并且在很高的温度范围内压电性能随温度变化很小，可在
30、高温下工作可在高温下工作1050 ，以及良好的机械性能和化学稳定，以及良好的机械性能和化学稳定性，在超声技术中得到广泛应用。性，在超声技术中得到广泛应用。压电陶瓷：压电高分子材料：压电复合材料：36第36页/共79页六、压电材料的应用（一）压电式传感器（二）压电变压器（三）超声测速（四）压电发电器37第37页/共79页（一）压电传感器用压电陶瓷制成的传感器可用来检测微弱的机械振动并将其转换为电信号，可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器。如汽车上测量气压、发动机内部燃烧压力和真空度。38第38页/共79页压电变压器压电变压器 压电变压器的外形与结构示压电变压器的外形与结构示意
31、图意图-n压电变压器外形n压电变压器结构 （二）压电变压器39第39页/共79页正压电效应的应用主要用于燃气点火器，基本工作原理是：由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压并形成放电火花，点燃可燃气体；压电陶瓷变压器的基本构成则是将一压电蜂鸣器的应用与一压电点火器的应用组合起来。根据压电陶瓷变压器的结构不同，可以是升压型，也可以是降压型。如：输入端施加一定频率的低压，由逆压电效应在变压器内部首先将电能转换为机械能纵驻波传播，然后变压器输出端再将机械能转换为电能，产生一定频率的高压，从而实现升压过程。 压电变压器工作原理逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，基本工作原
32、理为：当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。应用此特性制造谐振器、滤波器等电子元件。40第40页/共79页压电陶瓷变压器（升压型）压电陶瓷变压器（升压型）输入端输入端极化方向极化方向极化方向极化方向驱动部分驱动部分发电部分发电部分振动方向振动方向输出端输出端twl/2tw41第41页/共79页1、原理超声波产生和接收发射和接收超声波的器件：压电陶瓷在发射压电陶瓷上加交变电压，则产生纵向机械振动，产生超声波（逆压电效应）. .接收压电陶瓷接收到超声波后，产生电信号。（正压电效应）。n超声波单色性好，方向性强，波长较短，故用超声波作声源，声速测
33、量精确度较高。固定固定超声波发射头超声波发射头可移动可移动超声波接收头超声波接收头底座底座标尺标尺 刻度刻度 鼓轮鼓轮 声速测量仪简图声速测量仪简图（三）超声测速2、声速原理 V = f （f：声源振动频率，直接由函数发生器读出。：声波波长，驻波振幅极值法和相位比较法测量。）42第42页/共79页q机械能在日常环境中普遍存在，与其它能量相比便于利用。因此机械发电器是目前研究较多的一种环境能量收集方案。根据能量转换得机械结构，可以将其分两类。第一类就是利用质量块的振动或位移来将机械能转换为电能，或者称之为惯性转换。如：电磁感应、静电效应。第二类结构是非惯性转换，即外界施加的压强被转换为压电材料的
34、弹性能，利用压电效应转换为电能。q在机械发电器的研究中，压电转换方式具有很多优点，首先它可以直接产生合适的电压，其次它不像静电转换那样需要初始电压。此外，它没有结构设计限制，从理论上说它的机械阻尼系数可以设计得比较小。同时压电式发电器装置没有电磁干扰等。压电式发电器装置在微电子设备无源化的研究中，压电能量的储存和应用是目前研究的焦点。（四）压电发电器43第43页/共79页压电振荡器 用于加湿机，医疗雾化等领域。雾气出口水箱压电振子水雾风机44第44页/共79页一、概述二、基本原理三、性能参数四、典型的热释电材料五、应用45第45页/共79页定义：具有自发极化的晶体的自发极化强度随温度改变的现象
35、，这一现象称为热释电效应。当外加电场施加于热释电晶体时，电场的改变会引起晶体温度变化，这种现象称为电卡效应。不具有对称中心的晶体（21） 极性晶体（10）压电效应热释电铁电非极性晶体（11）压电效应（10种）一、概述一、概述46第46页/共79页产生条件：极性晶体（具有特殊极性方向的晶体） 一定是具有自发极化的晶体，且在结构上应具有极轴。所谓极轴，顾名思义是晶体唯一的轴，在该轴两端往往具有不同的性质，且采用对称操作不能与其它晶向重合的方向。有10种含有唯一极轴点群。 自发极化是外电场为零时自发产生，晶胞的偶极矩会沿着某一方向排列，即晶胞为高度极化状态的极性晶体 热释电效应产生的条件 不具有对称
36、中心的晶体（21） 极性晶体（10）压电效应热释电铁电极性晶体极性晶体-自发极化自发极化47第47页/共79页48第48页/共79页x3x2x1x3x2x1非极性晶体无热释电现象。（无极轴）49第49页/共79页压电体不一定是热释电体：因为温度变化引起的晶体膨压电体不一定是热释电体：因为温度变化引起的晶体膨胀无方向性，非极性晶体不会产生剩余偶极矩，不具有胀无方向性，非极性晶体不会产生剩余偶极矩，不具有热释电效应。热释电效应。应力也会改变粒子间的距离键角，使晶体自发极化强度应力也会改变粒子间的距离键角，使晶体自发极化强度改变，热释电晶体总是压电体。改变，热释电晶体总是压电体。 热释电效应：热释电
37、晶体除了由于机械应力作用引起压热释电效应：热释电晶体除了由于机械应力作用引起压电效应外，还可以由于温度变化时的热膨胀作用而使其电效应外，还可以由于温度变化时的热膨胀作用而使其电极化强度变化，引起自由电荷的充放电现象。电极化强度变化，引起自由电荷的充放电现象。 压电与热释电区别联系 50第50页/共79页二、基本原理二、基本原理 自发极化的晶体是一个永久带电体，自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。 温度变化时，晶体的总电矩发生改变，使束缚在表面的自由电荷层释放掉，晶体呈现带电状态或在闭合电路中产生电流。51第51页/共79页热诱导的电偶极子在平衡轴附近
38、的随机摆动，在某一确定的温度下，电偶极子自发极化形成的总的平均强度是不变的，因此，热释电没有输出。热释电材料的温度升高，电偶极子剧烈的摆动，摆角增加，总平均自发极化降低，感生电荷量也减少，释放自由电荷，放电。热释电材料被冷却，电偶极子更小的角度范围内摆动，自发极化将增强，感生电荷量也增加，充电第52页/共79页热释电效应的强弱由热释电系数来表示。假设这个晶体的温度均匀地改变了一个小量dT，则极化强度P的改变为：热释电系数pdTdP Pi是热释电系数，是一个矢量，大多数晶体的自发极化随温度增加而下降。热释电系数为负值，温度升高，热运动倾向于干扰晶体中电矩的有序取向，使固有极化强度减小。第53页/
39、共79页材料材料PX(10-6Cm-2K-1)Px(10-6Cm-2K-1)Ppc(10-6Cm-2K-1)CdS(6mm)CdSe(6mm)ZnO(6mm)LiSO4 H2O(2)LiTaO3(3m)Pb3Ge3O11(3)电气石电气石(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热释电系数 第54页/共79页若晶体均匀受热，且在此过程中受到机械夹持，从而几何尺寸不变，此时自发极化的改变为第一类热
40、释电效应。自发极化改变量与温度改变量间的比例系数称为第一热释电系数p1。若晶体均匀受热，无机械夹持，此时晶体受热膨 胀，出现压电效应并叠加到第一类热释电效应上， 这一附加的热释电效应称为第二热释电效应，对 应的第二热释电系数p2热释电效应是第一和第二热释电效应之和。热释电效应的分类55第55页/共79页若晶体非均匀受热，则晶体中会产生附加的应力梯度，这应力梯度通过压电效应改变电极化并叠加于第一热释电效应上，这种因非均匀加热引入的附加热释电效应称为第三热释电效应。由于第三热释电效应通常很小，往往可以忽略热释电晶体分类：第一类 自发极化方向不随外加电场作用而转向；第二类 自发极化可随外加电场的作用
41、而转向，即铁电体。56第56页/共79页性能参数:rVvCpF21)(tgCpFrVMl电压响应优值：l探测度优值：p为热释电系数；C为材料体积热容 由上公式看出：为提高热释电探测器探测性能，选择热释电材料时，要求： 具有较大的热释电系数，较低的介电常数，介电损耗和热容三、热释电探测器三、热释电探测器原理： 外界辐射功率被热释电探测器吸收后，热释电探测器的敏感元材料的温度发生变化，引起热释电敏感元件材料的自发强度改变，在它的表面产生感应电荷的变化，于是在外回路中就获得了与输入辐射功率成比例变化的电信号。57第57页/共79页常用的材料有：1.无机热释电材料：(钙钛矿型氧化物)l 单晶(LiNb
42、O3 、LiTaO3 等)、l 压电陶瓷（PT(PbTiO3)及其掺杂改性材料 PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3)及其掺杂改性材料PMN(Pb(MgxNb1-x)O3) BST(BaSr)TiO3) SBN(BaSr)NbO3)等） 2.有机热释电材料：聚偏氟乙烯(PVDF)四、典型热释电材料58第58页/共79页民用：可用作机械和工业生产过程监控、安全监视、防火报警、非接触式快速测温、红外热成像、变频空调自动控制、车辆及飞枧的自动驾驶辅助装置、疲物及污染物检测和医疗诊断等。五、 热释电材料应用军事：用热释电靶代替光电导靶的热释电摄像器件，可用于空中与地面侦察、入侵报警、战地观察、火情观测
43、、医用热成像、环境污染监视以及其他领域。59第59页/共79页光辐射的光谱范围:紫外光波段:0.10.38um可见光波段:0.380.78um红外光波段:0.78300uml热释电红外传感器第60页/共79页人体皮肤温度在人体皮肤温度在3737时，大约有时，大约有3232辐射辐射能量能量在在8-12um8-12um波段波段范围，仅有范围，仅有1 1的辐射能的辐射能量在量在3.2um3.2um波段内。波段内。人体辐射探测人体辐射探测常是安全常是安全和军事信息的重要任务，在医学诊断上也有和军事信息的重要任务，在医学诊断上也有重要价值。重要价值。61第61页/共79页 当人体进入检测区，人体都有恒定
44、的体温，一般在3737度左右，会发出10m10m左右特定波长的红外线，红外人体探测传感器就是靠探测人体发射的红外线而进行。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检测处理后就能产生报警信号。62第62页/共79页1. 相关概念2. 基本特性3. 典型的材料和应用 3. 3 铁电性63第63页/共79页铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性，平行类似性，“铁电体铁电体”之名即由此而来，其实它之名即由此而来，其实它的性质与的性质与“铁铁”毫无关系。在欧洲（如法国、德国）
45、毫无关系。在欧洲（如法国、德国）常称常称“铁电体铁电体”为为“薛格涅特电性薛格涅特电性” ” 或或“罗息尔罗息尔电性电性”。因为历史上铁电现象是首先于因为历史上铁电现象是首先于19201920年在罗年在罗息盐中发现的，而罗息盐是在息盐中发现的，而罗息盐是在16651665年被法国药剂师年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。 一、概念一、概念64第64页/共79页铁电体(ferroelectrics)是热释电的一个亚类，其定义是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以在外电场作用下改变方向的晶体。由于自身结构的原因，铁电体同时具有压电性和热释
46、电性，此外一些铁电晶体还具有非线性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应等。铁电体这些性质使它们可以将声、光、电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功能材料。问题：为何铁电体是热释电的一个亚类？具有热释电的晶体不一定能够实现铁电性质？65第65页/共79页自发极化的微观机制： 极性轴导致的自发极化 热运动引起的自发极化u由极性轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电由极性轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度，场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度，也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大部也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大部分是
47、一个电畴。大都为分是一个电畴。大都为单畴单畴体。体。 电畴是具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域电畴是具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域u由热运动引起自发极化的晶体，一般有两个或多个由热运动引起自发极化的晶体，一般有两个或多个可能的取向，为可能的取向，为多畴体多畴体，在电场下可重新定向，这类，在电场下可重新定向，这类晶体具有铁电性。晶体具有铁电性。66第66页/共79页在热释电晶体中，高度的自发极化状态，极化强度P一般很高，外场很难改变其方向，只有少数可在外电场下重新定向，显示铁电性。 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，电畴与电畴之间的交界称为畴壁。两
48、种：两种：9090畴壁畴壁和和180180畴壁畴壁67第67页/共79页一般电介质一般电介质压电体压电体热释电体热释电体铁电体铁电体电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心自发极化自发极化自发极化自发极化极化方向可极化方向可重新定向重新定向电滞回线电滞回线一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观条件一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观条件铁电体判据：外电场使极化强度重新定向电滞回线68第68页/共79页二、基本特性二、基本特性铁电体的基本特征：具有电滞回线；具有结构相变温度（居里点）；具有临界特
49、性铁电体重要的特征：电滞回线。电滞回线表示铁电晶体中存在电畴，它是铁电体电滞回线表示铁电晶体中存在电畴，它是铁电体的极化强度的极化强度P P随外加电场强度随外加电场强度E E的变化轨迹。的变化轨迹。 在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为为畴的反转畴的反转。69第69页/共79页1. 电滞回线P P随外加电场强度随外加电场强度E E的变化轨迹的变化轨迹ABCBDFGHKC变化过程：变化过程：使剩余极化强度降为零时的电场值使剩余极化强度降为零时的电场值EcEc称为称
50、为矫顽电矫顽电场强度（矫顽场）场强度（矫顽场）饱和极化强度饱和极化强度PsPs剩余极化强度剩余极化强度PrPr矫顽电场强度矫顽电场强度EcEc70第70页/共79页2. 居里点（结构相变温度）当温度高于某一数值时，由于热扰动，自发极化变为零，晶体将不再具备铁电性，这一临界温度就称为居里温度T Tc c。顺电相与铁电相高温下，对应相的结构对称性高，不具自发极化和铁电性，称为顺电相，低温下，对应相的结构对称性低，能产生自发极化和铁电性，称为铁电相。在居里点以下，由于存在自发极化，晶体为铁电相。居里点以上，材料为顺电相。71第71页/共79页顺电相铁电相铁电相铁电相立方相四方相正交相三方相如果晶体存