文档介绍：第6章压电式传感器
压电效应及压电材料

压电效应及压电材料
某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后,又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象, 称为“正压电效应”。
相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生几何变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机—电能量的相互转换,如图6 - 1所示。
图6-1 压电效应可逆性
在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。
石英晶体
石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图6-2(a)表示了天然结构的石英晶体外形,它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴,与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”, 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
图6-2 石英晶体
(a) 晶体外形; (b) 切割方向; (c) 晶片
图6-3 石英晶体压电模型
(a) 不受力时; (b) x轴方向受力; (c) y轴方向受力
压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们各自的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质, 如图6-4(a)所示。
图6-4 压电陶瓷的极化
(a) 未极化
在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,当外电场去掉后,电畴的极化方向发生改变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性, 如图6-4(b)所示。
图6-4 压电陶瓷的极化
(b) 电极化