无机材料与人类文明进步
压电器件和压电材料
应耀 材料科学与技术学院
一、压电材料和压电效应
正压电效应：当一个机械力作用于某些晶体上时，在晶体表 面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的 大小有关，当机械力撤去后，电荷会消失； 逆压电效应：当一个电场作用于一块晶体时，晶体会发生形 变，且形变大小与电场大小有关，若撤除电场，则晶体又 恢复原状。 这两种正逆压电效应统称为压电效应。
压电陶瓷变压器的优点
（1）体积小，重量轻 （2）无噪声，无电磁干扰，无需电磁屏蔽 （3）耐高温，安全性高，不会被高压击穿，不会 起火燃烧 （4）无需磁芯和铜线，可节省有色金属材料 （5）升压比大，转换效率高，输出波形好 （6）结构简单，制作简便，易于批量生产
新型压电陶瓷 变压器
6.钟表应用——等效
超声马达应用领域
(1) 小功率压电马达在汽车上应用广泛，如车门 的玻璃升降、刮雨器等。德国奔驰公司已将超 声马达用于汽车自动门的驱动上。 (2) 由于具有抗电磁干扰，分辩力高的特点，超 声马达可用于XY绘图仪、精密手表等。 (3) 超声马达是智能机械人和微型机械的重要驱 动部件。其中厘米微马达可用于照相机、摄像 机的自动调焦。毫米微马达则可用于微小卫星 扫描装置及军用直升飞机等。
• 点火器工作过程分高压产生 、放电点火和点燃可燃气体 三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电 陶瓷元件为例，如图5-2所示 。当机械力F作用于圆柱体时 ，晶体发生畸变，导致晶体 中正负电荷中心偏移，从而 在圆柱体上下表面出现自由 电荷大量积聚，产生高压输 出。 放电点火——把压电陶瓷 元件放在一个闭合回路中， 并留一个适当间隙，当电压 升高到该间隙的放电电压时 ，间隙中就产生放电火花。
在打火机、煤气灶、燃气热水器等用具上都可以 见到它的踪影。
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2、压电换能器
压电换能器工作原理
超声波是一种频率高于人的可听声波频率 范围的声波。（频率高于20000 Hz ）
人类听不出超声波，但不少动物却有此本 领（如蝙蝠）。
超声医疗 压电超声医疗仪中应用最广 的是B 型超声诊断仪。这 种诊断仪中有用压电陶瓷 制成的超声波发生探头， 它发出的超声波在人体内 传输，体内各种不同组织 对超声波有不同的反射和 透射作用。反射回来的超 声波经压电陶瓷接收器、大小及有无病变 等。
5、压电陶瓷变压器
• 工作原理： 电能 （逆压电效应） 机械能 （正压电效应） 电能
当正弦交变电压加到驱动部分，通过逆压电效应，压电材料 产生伸缩振动，（电能转变成机械能），驱动部分伸缩振动， 带动发电部分振动，发电部分伸缩振动，通过正压电效应， 产生输出电压（机械能转变成电能）。无载下的升压比： Uout/Uin = (4/2)k31k33Qm(L/t), 通过改变长度L与厚度t的比例， 可以改变输出电压，起到变压器的作用
3、超声马达
• 在交变电场下，陶瓷产生伸缩 现象，在弹性体中激发某种类 型的超声频率振动和波动时， 弹性体的表面借助于摩擦力， 推动与其接触的物体运动。
超声马达特点：
与传统马达相比， 超声马达具有低功 耗、大转矩、快响 应、控制性能好、 位置分辨率高、容 易与计算机接口， 没有绕组和磁场部 件，直接由压电陶 瓷材料实现机电能 量转换，无电磁干 扰和无需润滑等特 点。
电子钟表的工作原理
• 是根据“电生磁、磁生电”的物理现象设计而成。即由电能转换 为磁能，再由磁能转换为机械能，带动时分针运转，达到计时目 的。 1、晶体管摆轮钟 以干电池为能源，用晶体管作为开关，摆轮游丝为振荡系统，统 一机芯为J1型，外形与普通闹钟一样。 2、晶体闹钟 与晶体管摆轮钟一样性能，加上一个由电能供给的闹时装置。 3、晶体管摆钟 用电子电路控制摆作为振荡元件，外形与机械摆钟相似。 4、石英钟 由谐振频率搜索为32768HZ的石英晶体稳频，振荡电路产生 32768HZ的脉冲信号，经15次分频，得秒信号，推动单相步进电机 ，经齿轮传动系统，带动时，分，秒指针，显示时间。品种有台 钟、挂钟、日历钟、闹钟、音乐钟、落地钟，也有汽车钟、舰船 钟、天文钟等各种技术用钟。 5、数显钟 也用石英晶体作为振荡器，直接用发光管或液晶显示时间，不用 机械传动。具有时、分、秒、日历、周历、月历等多种功能。 6、电子表 以电池为能源代替发条，不用手上弦，有多种结构，外形同机械 手表，统称电子手表。
超声治疗 进入人体的超声波达到 某一强度时，能使人 体某一部分组织发热、 轻微振动，起到按摩 推拿作用，达到治疗 的目的，如用于治疗 关节、肌肉及其他软 组织的创伤和劳损。 此外，还可用超声波 粉碎体内结石，如胆 结石、肾结石、尿路 结石等。
小知识
超声波仪器
①声纳 人们利用超声波定向 性好，在水中传播距离远特 点制成声纳，可以发现潜艇 和鱼群，还可以测绘海底形 状。
2. 聚合物 • PVF2（聚二氟乙烯）
2 压电陶瓷材料
1942
在BaTiO3陶瓷上获得了压电陶瓷的电 压性。飞跃。但与两类铁电体相比也 有缺点。
50年代
美国日本先后利用BaTiO3压电陶
电子表分为四代
• 第一代是摆轮游丝电子手表，是以摆轮游丝作为振荡器， 以微型电池为能源，通过电子线路驱动摆轮工作。 • 第二代是音叉电子手表，是以金属音叉作为振荡器，用电 子线路输出脉冲电流，使机械音叉振动。 • 第三代是指针式石英电子手表，是利用石英谐振器作为振 荡器，通过电子分频器后驱动步进马达带动轮系和指针。 • 第四代是数字式石英电子表，它也是采用石英谐振器作为 振荡器，不同的是它经过分频、计数和译码后利用显示器 件以数字的形式来显示时间。 前三代电子手表均带有传统的机械指针机构，而第四代采 用大规模集成电路，完全脱离了传统的机械结构的全电子 手表。
电路
压电传感器的基片结构如 图，几何形状有圆片、方片、 圆柱、圆筒等形状，在基片的 两个相互绝缘(产生电荷)的表 面镀有导电金属膜(如银膜)并 焊接一对电极而成。由于压电 传感器的基片一般具有较大的 介电常数，电极间的距离也不 大，所以压电传感器可以等效 为一只电容器。
(a)
导电层
Ce
Ce
A
d
利用压电效应，有了一种声-电，电-声 转换的两用器件，可以当话筒用：对压电 陶瓷片讲话，使它受到声波的振动而发生 前后弯曲，当然人的眼睛分辨不出这种弯 曲，在压电陶瓷片的两电极就会有音频电 压输出。相反地，把一定的音频电压加在 压电陶瓷片的两极，由于音频电压的极性 和大小不断变化，压电陶瓷片就会产生相 应的弯曲运动，推动空气形成声音，这时 候，它又成了喇叭。
Born in Warsaw on November 7, 1867
压电效应机理
• 因为机械作用（应力或应变）引起了晶 体介质的极化，从而导致介质两端表面 内出现符号相反的束缚电荷。
压电效应对晶体的要求：没有对称中心的晶体
三、压电性的应用——压电器件
1. 压电陶瓷点火器
这是一种将机械力转换为电火花而点燃 燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开 创利用钛酸钡（BaTiO3 ）陶瓷的压电效应 进行点火，但这种材料着火率不高，噪音 大，1962年开始试用锆钛酸铅（PZT）压电 陶瓷制作点火器，这种点火器广泛应用日 常生活、工业生产以及军事方面，用以点 燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。
2.5W
数字视 116KHz 88% 频摄像 机 笔记本 56KHz 89% 电脑 笔记本 56KHz 电脑 89%
4W
厚度振动型： • 功率较大、工作频 率很高，能够降低 电压 • 多用于高频开关电 源中
径向振动型： • 结构简单，制作方便， 能以很小的尺寸实现 低频和大功率。 • 可用在电子整流器、 适配器及DC/DC 变换 器中。
超声波 探测仪
压电陶瓷
压电 点火器
压电 驱动器
市场应用
压电振动 加速计
压电陶 瓷风扇
压电陶瓷
压电 点火器
压电 陶瓷 继电 器
压电式 触屏
Company Logo
具体的压电材料
1 非陶瓷压电材料
1. 压电晶体
• 石英（ SiO2 ，J· 居里和P· 居里兄弟于1880年发现的）， 性能稳定，但价格高，一般仅用于标准仪器或要求较高 的传感器中； • 酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值， 但有易溶解的缺点 ）； • 磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
7. 声呐
声呐原理：
声纳工作原理
发射器
电 信 号
接收机
（放大等处理） 正压电效应
换能器
（压电材料） 逆压电效应 声 波 信 号
换能器
（压电材料）
显示系统
目标物
反射声波 信号
生物“声纳”
蝙蝠、海狮、海豹、海豚和鲸都有他 们自身的声呐系统。
压 电 材 料 的 应 用
市场应用
压电 引爆器
声音 转换 器
②超声波诊断仪 超声波可以成像。医院 利用 B 型超声波诊断仪做 胃部、腹部检查，还可以观 察胎儿的发育情况。
③超声波速度测定器 利用超声波的多普勒 效应制成速度测定器，交警 在高速公路上测定车辆的速 度。
④超声波清洗器 超声波能使清洗液剧 烈振动，有去污作用，人们 制成超声波清洗器。
⑤超声波焊接器 超声波还能使塑料膜 之间摩擦生热，粘合在一 起，制成超声波焊接器。 ⑥超声波手枪 （15-30千赫）
具有压电效应的材料称为压电材料（piezoelectrics）。
二、压电性发现与发展
• 1880年，居里兄弟：皮尔（P· Curie） 与杰克斯（J· Curie） 发现这一现象 并证实了压电效应与晶体结构的关 系。 • 居里兄弟发现具有压电性的材料有： 闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐 （sodiumchlorate）、电气石 （tourmaline）、石英（quartz）、 酒石酸（tartaricacid）、蔗糖 （canesuger）、方硼石（boracite）、 菱锌矿（calamine）、黄晶（topaz） 及若歇尔盐（Rochellesalt）。 对晶体对称性的研究, 居里发现 压电效应