压电器件

2020/5/191材料学院SchoolofMater第八章压电器件本次课的要点：1、掌握压电效应的基本知识；2、熟悉常见的几种压电材料及其特点；3、认识几种常见的压电陶瓷滤波器；4、了解压电器件在传感器中的应用。2020/5/192材料学院SchoolofMater•压电材料发展的历史•认识压电陶瓷•压电陶瓷的原理•分类与应用及原理•各种压电陶瓷材料•压电陶瓷未来展望2020/5/193材料学院SchoolofMater发展历史1880年法国的居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。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－NaKC4H4O6·4H2O)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(Conversepiezoelectriceffect)的存在，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。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，导致罗息盐电声组件问世。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。1947年采用BaTiO3钛酸铋压电陶瓷制成了拾音器，这对压电材料的应用具有重大意义，极大地刺激了压电陶瓷材料的研究与应用开发。1969年发现聚偏氟乙烯薄膜制备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。2020/5/194材料学院SchoolofMater认识压电陶瓷压电陶瓷是什么？•压电陶瓷,是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具压电效应的多晶体。因生产工艺和陶瓷相近而得名。德国Feinmess压电陶瓷马达驱动单轴平台压电陶瓷点火器2020/5/195材料学院SchoolofMater生活中的压电陶瓷•当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内,藏着一块压电陶瓷,当用户按下点火装置的弹簧时,传动装置就把压力施加在压电陶瓷上,使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电,于是,燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。2020/5/196材料学院SchoolofMater要点一、压电效应的基本知识1、压电效应定义：某些电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形，其内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，我们把这种现象称为压电效应。2020/5/197材料学院SchoolofMater2、特性：当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。3、分类1）正压电效应：把机械能转化成电能的现象。2）逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场，电介质发生形变的现象。4、作用压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。2020/5/198材料学院SchoolofMater5、有无压电效应的判断晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩（极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性；另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。具有压电效应的晶体不具有压电效应的晶体2020/5/199材料学院SchoolofMater分类与应用及原理•正压电效应的应用主要用于燃气点火器，如燃气灶．燃气打火机等的点火系统。基本工作原理为：由外力压缩一个弹簧，压到顶点后释放，弹簧力推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花，点燃可燃气体。•逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，例如音乐贺卡、门铃、寻呼机、移动电话机振铃等。基本工作原理为：当在压电陶瓷片上施加一交变电场时，压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动，当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响。2020/5/1910材料学院SchoolofMater压电材料••压电材料•单晶类:石英(quartz)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)•薄膜类:氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)•陶瓷类:钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)•聚合物:PVDF•压电橡胶2020/5/1911材料学院SchoolofMater各种压电材料的优缺点•压电单晶优点：Q值较大，有良好的温度特性。缺点：制程困难。•陶瓷压电材料优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状。缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。•高分子压电材料优点：低声学阻抗特性，柔软可做极薄的组件。缺点：压电参数小，需极高的极化电场(MV/mm)2020/5/1912材料学院SchoolofMater铅基压电陶瓷•1954年Jaffe等人试验制成了PbZrO3–PbTiO3二元系固溶型压电陶瓷，即是锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷。•优点：具有优越的压电性能，居里温度高，机电耦合系数及机械品质因数大，温度稳定性和耐久性好，且形状可以任意选择，便于大量生产。•不足：烧结温度一般在1200℃以上，PbO容易挥发，由于铅的挥发，经常使得PZT陶瓷的化学计量比发生偏差，性能难以稳定控制，而且对环境造成污染，危害人体健康。•降低烧结温度的方法：•1、改善粉体形貌，使粉体的粒子纳米化，细小均匀的粉体具有高的表面能和烧结活性，有利于烧结过程的进行，如采用水热法或溶胶凝胶法制备PZT粉体。•2、添加低温烧结助剂，如制粉时加微量Fe2+、Bb3+、Cu2+等离子，烧结时添加微量Ba(CuW)O3.•3、热压烧结2020/5/1913材料学院SchoolofMater无铅压电陶瓷•无铅压电陶瓷也被称为协调性压电陶瓷，它要求陶瓷材料既具有满意的使用性能又具有良好的环境协调性，即要求材料体系本身不含对环境可能造成损害的物质（特别是铅）。•目前主要研究的无铅压电陶瓷有四类：•1）钛酸钡无铅基压电陶瓷•2）铌酸盐系无铅压电陶瓷•3）含铋层状结构的压电陶瓷•4）含铋钙钛矿型压电陶瓷2020/5/1914材料学院SchoolofMater分类与应用超声波探测仪压电引爆器声音转换器压电点火器压电驱动器压电陶瓷市场应用2020/5/1915材料学院SchoolofMater广泛的市场需求•打火机、热水器电子点火器•报警器、电话压电谐振器蜂鸣器•笔迹和声音等身份验证压电传感器•医用超声仪、声纳压电陶瓷探头•电视机、手机滤波器变压器喇叭•数码相机、摄像机：压电马达•压电地板•水滴发电2020/5/1916材料学院SchoolofMater压电陶瓷的未来•压电陶瓷的发现与发展已有60余年，其品种繁多，应用广泛，与压电单晶材料相比，压电陶瓷材料具有有机电耦合系数高、价格便宜，几乎能制成任意要求的形状、易于批量生产等优点，被广泛应用于制作超声转换器、滤波器和压电蜂鸣器等器件，在国民经济、现代科学技术、现代国防中举足轻重，可以这样说，压电陶瓷是一类极为重要的、世界各国竞相开发的功能材料，其应用已遍及人类生产及生活的各个角落2020/5/1917材料学院SchoolofMater发展方向小型化电子产品日益精致，要求元器件可以做的越来越小，小型化是必然方向无铅化“环境材料”的概念提出对传统的压电铁电陶瓷的应用提出了新的挑战。产业化尽快形成相应的研发、生产、销售一条龙的健康商业链条是目前首要任务。2020/5/1918材料学院SchoolofMater压电陶瓷视频讲解2020/5/1919材料学院SchoolofMater要点二、常见的压电材料及其特点常见的压电材料按其结构特点分为三类：压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜。一、压电单晶常用的压电单晶有石英、磷酸二氢铵、锗酸铋等。特点：重现性好、稳定性高，但培养单晶比较困难，成本较高。二、压电陶瓷目前常用的压电陶瓷有以下三种：1、一元系压电陶瓷2、二元系压电陶瓷（PZT陶瓷）3、三元系压电陶瓷2020/5/1920材料学院SchoolofMater特点：压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的。它制造工艺简单，价格低廉，容易制成任意形状，尺寸不受限制，而且可以通过成分和工艺的适当调整和选择来改变其各项性能，缺点是重现性和一致性较差，均匀性和机械强度不够理想，限制了它在更高频率范围的应用。三、压电薄膜它是用溅射或蒸镀等方法制备的具有高度取向性的薄膜压电材料，如硫化镉、氧化锌等。还有一些以有机高分子化合物制成的薄膜压电材料，其特点是具有良好的成型性和柔顺性，加工也比较简单，可制成大面积薄膜，其中压电性最强的是聚偏二氟乙烯。2020/5/1921材料学院SchoolofMater四、几个重要的概念1、压电常数它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。2、弹性常数压电材料的弹性常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。3、介电常数对于一定形状、尺寸的压电器件，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。2020/5/1922材料学院SchoolofMater4、绝缘电阻压电材料的绝缘电阻可减少电荷泄露，改善传感器低频特性。5、机械耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量与输入能量之比的平方根，它是衡量压电材料电能量转换效率的重要参数。6、居里点压电材料开始丧失压电特性的温度。2020/5/1923材料学院SchoolofMater要点三、压电陶瓷滤波器压电陶瓷滤波器是具有选频特性的一种新型器件，其体积小，温度稳定性高，生产工艺简单，现已逐步用来代替各种LC谐振回路完成选频作用。一、压电陶瓷滤波器的工作原理1、压电振子在压电陶瓷片的两面被银作为电极就成为一个压电振子。当我们在电极上加以交变电压时，由于压电效应，陶瓷片即随交变信号的变化而产生机械振动，这种机械振动能够转换成电信号的输出。2020/5/1924材料学院SchoolofMater一定几何尺寸的压电陶瓷片本身都有一个固定的振动频率，当外加高频信号的频率等于陶瓷片的固有频率时，机械振动最强，输出的电信号也最大，这种现象叫做谐振。与LC谐振回路很相似，因此压电振子可以等效成一个LC谐振回路。由于压电陶瓷振子输出的电信号是由机械振动转换来的，而机械振动的频响很尖锐，所以Q值(品质因数)很高。采用陶瓷滤波器的中频放大器选择性好、插入衰耗小，因此应用十分广泛。2、二端陶瓷滤波器一个压电振子就组成一个简单的二端陶瓷滤波器，压电陶瓷片常两面被银，夹在有弹性的金属电极之间，并用塑料壳封装。2020/5/1925材料学院SchoolofMater由右图的等效电路我们可以看出，二端陶瓷滤波器具有两个谐振频率，一个是串联谐振频率f0，一个是并联谐振频率f∞，当f=f0时，等效阻抗最小，振子产生串联谐振；当f=f∞时，等效阻抗达到最大值，产生并联谐振。调幅收音机中常用的二端陶瓷滤波器其f0=465kHz，f∞=495kHz，其阻抗特性曲线如右图所示。2020/5/1926材料学院SchoolofMater由于Cp远远小于Cs，f0与f∞之间的范围是很窄的，在这个频率范围里等效电路呈感性，这时陶瓷滤波器相当于一个大电感，当频率在这个范围之外时，等效电路呈容性。二端陶瓷滤波器的谐振曲线尖锐，谐振电阻小，但通带窄，矩形系数差，类似于单调谐回路，常用于中放的发射极电路代替其旁路电容，有助于提高对中频的选择性。3、三端陶瓷滤波器将二端陶瓷滤波器的单面电极分割成互相绝缘的两部分，即可构成一个三端陶瓷滤波器。（符号见右图）2020/5/1927材料学院SchoolofMater根据右边的等效电路图我们可知：当1、3两端间的输入信号频率等于陶瓷片的串联谐振频率f0时，输入电路就产生串联谐振，陶瓷片在f0频率上作较大的机械振动，由于压电效应，这个机械振动又转换成电信号从2、3端输出，且频率也是f0。因此，在三端陶瓷滤波器中，输入电路选出的信号是通过机械振动转换成电信号而耦合到输出端的，这种耦合方式在电路上等效于一个