敏感功能材料03机电转换特性ppt课件.ppt

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1、第三章机—电转换特性主要内容机电转换特性及材料（3学时）机－电转换特性机—电转换将应力、应变、旋转、位移等机械量——转变为可检测的电量无对称中心的晶体，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。第一节压电效应把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。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。逆压电效应（电致伸缩效应）：定义：一压电效应图8-1压电效应及可逆性正压电效应逆压电效应y二、压电材料1、压电材料的分类（1）、压电晶体晶体中21个无对

2、称中心的晶体20个有压电特性。其他晶体压电效应十分微弱。石英晶体是压电性能好的材料。理想的几何形状为正六面体晶柱①石英晶体简介可以分为三大类：压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。xyz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。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，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。石英晶体的三个晶轴石英晶体具有压电效应，

3、是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。(a)XY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)++---YX+当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产生

4、收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，

5、则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用

6、下，晶体不产生压电效应。假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到沿X轴方向的压缩应力σXX作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度PXX与应力σXX成正比，即ZYXbl石英晶体切片t式中FX——X轴方向的力；d11——压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体d11=2.3×10-12CN-1；l、b——石英晶片的长度和宽度。极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即式中qX——垂直于X轴平面上的电荷。将上两式整理

7、，得式中——电极面间电容。其极间电压为ZYXbl石英晶体切片t根据逆压电效应，晶体在X轴方向将产生伸缩，即FX++++－－－－(a)XFX－－－－++++(b)XΔt=d11UX在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。用应变表示,则式中EX——X轴方向上的电场强度。ZYXbl石英晶体切片t如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为++++