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1、第三次课压电效应内容压电效应机理主要压电材料及其性能表征MEMS中的主要应用特点压电效应机理1880年居里兄弟在石英晶体上发现了压电效应20世纪40年代中期，压电材料开始广泛应用。20世纪60-70年代达成熟阶段。压电效应机械能转变为电能电能转变为机械能正压电效应逆压电效应电致伸缩效应纵向压电效应切向压电效应横向压电效应①压电效应——机械能转变为电能某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其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,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。●顺（正）压电效应当作用力方向改变时,电荷的极性也随之
2、改变。把这种机械能转为电能的现象,称为“顺（正）压电效应”。压电效应现象②逆压电效应--电能转变为机械能当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。③电致伸缩效应---电能转变为机械能电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应。发生在所有的电介质中只发生在压电体中可逆性压电效应的物理机制——压电晶体压电晶体的对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体
3、表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。压电效应的物理机制——压电陶瓷未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），这些在陶瓷两个表面的束缚电荷吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。压电效应的物理机制——压电陶瓷当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电
4、荷影响增强，而使表面自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。产生压电效应的首要条件晶体结构没有对称中心。压电体是电介质。其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。实际应用的压电材料压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。压电陶瓷（多晶体）：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。有机压电材料：聚偏氟乙烯(ＰＶＤＦ)和偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(ＶＤＦ-TRFE)等有机压电（薄膜）材料等。复合压电材料：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。主要压
5、电材料及其性能表征Tj:j方向的应力dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数σij:j方向的力在i面产生的电荷密度压电常数和表面电荷计算i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在i面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力x(1)y(2)z(3)X0°切型石英晶体切片的力——电分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFji=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y压电特性
6、的矩阵表示表示压电体的能量转换方式大小表示压电效应的强弱dij=0,则表示该方向上没有压电效应压电效应能量转换的几种基本形式厚度受压型长度受压型厚度切变型平面切变型厚度切变型平面切变型体积受压型石英晶体是各向异性晶体存在右（左）旋晶体外形规则石英晶体压电效应的性能表征天然形成的石英晶体外形石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显，石英晶体切片及双面镀银封装石英晶体压电效应机理电偶极矩
7、P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。+++---XYP1P2P3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。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。受到X方向的力—纵向压电效应+++---XYP1P2P3晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、P2的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极
