压电效应的原理及应用毕业设计论文Word文档格式.docx

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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。

【关键词】压电效应材料压电体应用

Thetheoryandapplicationofpiezoelectriceffect

【Abstract】PiezoelectriceffectwasfoundatfirstbytheFrenchphysicistPierreCurieandJacob.Curieina1880effectreferstowhenacertaincrystalbymechanicalforceandtensionorcompressionoccurs,therelativetwocrystalsurfacewillbethesameamountofdifferentcharge,thiskindofphenomenoniscalledthepiezoelectriceffect,andthecrystalwhichhaspiezoelectriceffectiscalledpiezoelectriccrystalmedium。

Accordingtothephysicaleffectofthepiezoelectriceffectisdifferent,italsocanbedividedintopositivepiezoelectriceffectandinversepiezoelectric,inaresonantdevices,filterandhouseholdappliancesandelectronicsensingtechnology,thepiezoelectriceffecthasthewidespreadpresent,basedonpiezoelectriceffectofthesensorhasbeenspreadandappliedinvariousaspectsofsocialproduction.Soforthebasisofpiezoelectriceffect,piezoelectricmaterialsresearchhastheoreticalandpracticallearninghasahistoryofmorethan100yearsofdevelopment,sofar,scholarsathomeandabroadtoalotofapiezoelectriceffecttheoryandapplicationresearch,butonlyafewscholarsmentionedasecondarypiezoelectricrecentyears,theapplicationofapiezoelectriceffecttheorydesignoftheapplicationofpiezoelectricsensorsandactuatorsfieldmoreandmorebroad,thebasisofpiezoelectriceffecttheoryhavegreaterarticlethroughtheanalysisoftheoryandapplication,etc,foundinthecrystalsofknowneffect,electromagneticeffectandpiezoelectriceffecthasagreatsimilarityandcomparability,canundertakecomparativestudy,whichisthebasisofpiezoelectriceffecttheoryandexploreanewwayforthefurtherstudyoftheapplication.

【KeyWords】Piezoelectriceffectmaterialpiezoelectriccrystalapplication

1引言.................................................................1

压电效应的简介.................................................1

压电效应的分类.................................................1

压电材料的介绍.................................................2

2压电效应的实验设计...................................................4

实验原理.......................................................4

实验装置.......................................................5

3两种压电效应的关系...................................................6

压电效应的参数指标.............................................6

两种压电效应的关系.............................................7

4压电材料的性能与特性.................................................8

材料产生压电效应的原因.........................................8

压电单晶体.....................................................8

压电多晶体和压电复合材料.......................................9

5压电效应的应用......................................................11

压电效应与电磁效应应用领域的相似性............................11

压电效应在日常生活中的应用....................................12

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.................................................................18

1引言

1880年法国物理学家皮埃尔.居里（和雅各布.居里兄弟实验中发现:

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。

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。

压电效应的简介

上图为示意图，当压电材料的碟片发生形变后，将产生电压。

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。

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。

有些固体介质,如:

石英（SiO2）、

电气石、酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·

4H2O）、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。

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WoldemarVoigt，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。

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=×

10-12C/N,在几XX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×

103kg/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68MPa～98MPa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钠（NaKC4·

H4O6·

4H2O）,它有很大的压电灵敏度和高的介电常数压电系数d11=3×

10-9C/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,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（Mg·

Nb）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,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

实验原理

某些介质（如石英、妮酸铿晶体压电陶瓷）,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。

实验装置

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:

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Ueb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。

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压电陶瓷点火器中的压电陶瓷为PbIrO3-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。

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3~4mm时火花最明亮,也即释放的能量最大。

（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

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（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。

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（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。

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=dσ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,σ为应力，单位是N/m2。

当在压电材料表面施加电场（电压），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。

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（electrostrictioneffect），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=μE2

其中，μ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。

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4压电材料的性能与特性

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