§1.1 压电效应
对某种介质施加机械应力，导致介质两端表 � 正压电效应： 正压电效应：对某种介质施加机械应力，导致介质两端表 面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比。 这种由于机械力的作用而使电介质产生极化并形成表面电 荷的现象叫正压电效应。 F
－－－－－ － ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋ 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代表形变 后的情况）
Z � 通常把沿电轴x方向的力 Z 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 Y X 作用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应”。 X 而沿光轴z方向的力作用时(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 不产生压电效应。
石英晶体
z z b o o x y x o y z
石英晶体
� 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体 学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－ 光轴 ；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X 称为光轴 光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的 Z称为 电轴 ；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴 轴称为 轴称为电轴 电轴；与 机械轴 。 （垂直于正六面体的棱面）称为 （垂直于正六面体的棱面）称为机械轴 机械轴。
居里点
t/℃
100 200 300 400 500 600
相对介电常数 石英在高温下 石英在高温下相对介电常数 的温度特性
石英晶体
� 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝 缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比 标准仪器 或要求较高 压电陶瓷低得多。因此一般仅用于 压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器 标准仪器或要求较高 的传感器中。 � 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割 的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等） 相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要 求正确地选择石英片的切型。 � 石英晶片的切型符号表示方法：
无对称中心
有对称中心
Interrelationship of piezoelectric and subgroups on the basis of symmetry
32 Symmetry Point Groups
21 Noncentrosymmetric
11 Centrosymmetric (non-piezoelectric)
Y + + - X + Y + X
(a ) (b ) 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
石英晶体
� 1——正电荷等效中心 � 2——负电荷等效中心
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
石英晶体
� α—石英晶体的最大特点：性能稳定，频率温度系 数低（可以做到频率温度系数接近于零），在通讯 技术中有广泛地应用。
� IRE标准规定的切型符号表示法； � 习惯符号表示法。
石英晶体
� IRE标准规定的切型符号包括一组字母（X、Y、Z、t、l、b） 先后排列顺序 ，表示 和角度。用X、Y、Z中任意两个字母的 中任意两个字母的先后排列顺序 先后排列顺序，表示 厚度 和长度的原始方向 ；用字母t（厚度）、l（长 石英晶片 石英晶片厚度 厚度和 长度的原始方向；用字母 度）、b（宽度）表示旋转轴的位置。当角度为正时 ,表示逆 时针旋转；当角度为负时,表示顺时针旋转。例如：(YXl)35 º )35º Z’ Z 切型，其中第一个字母Y Z 表示石英晶片在原始位置(即旋转 前的位置)时的厚度沿Y轴方向， 第二个字母X表示石英晶片在原 始位置时的长度沿X轴方向，第 三个字母l和角度35 º表示石英晶 35º º。 片绕长度逆时针旋转35 35º
� 1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应。 国工程 师保罗兰杰文 （Paul Langevin）是第 � 1917年法 年法国 工程师保罗兰杰文 师保罗兰杰文（ 将压电效应应用于实际工程检测，他将石英晶体用 一位 一位将压电效应应用于实际工程检测，他将石英晶体用 于水底声纳换能器上，专门用来侦测德国潜水艇，这也 。 是压电材料的首次应用 是压电材料的首次应用。 � 1921年，J.Valasek发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电 性。 � 第二次世界大战期间，磷酸二氢铵（ADP）、铌酸锂等 压电晶体相继被研制出来。
20 Piezoelectric Polarized under stress
10 Pyroelectric Spontaneously polarized
Subgroup Ferroelectric Spontaneously polarized Polarization reversible
§1.2 压电材料的发展历程
35
Y’ O Y
O X
(a )
Y
X (b)
（YXl）35°切型 （a）石英晶片原始位置 （b）石英晶片的切割方位

石英晶体
º切型，它表示石英晶片原始位置的 又如（XYtl）5º/-50 /-50º 厚度沿X轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度t逆时针旋 º，如图。 转5º，再绕长度l顺时针旋转50 50º
压电器件设计制作
西安交通大学 电子信息与工程学院 电子科学与技术系
压电陶瓷
压电器件设计制作
第1章 压电材料与器件 第2章 压电方程 第3章 压电振子 第4章 压电谐振器 第5章 压电滤波器 第6章 叉指换能器 第7章 其它压电器件
参考书目
� 黄新友，高春华，电子元器件及其材料概论，北京： 化学工业出版社，2009 � 王春雷，李吉超，赵明磊，压电铁电物理，北京： 科学出版社，2009 � 刘梅冬，许毓春，压电铁电材料与器件，湖北：华 中理工大学出版社，1990 � 冯冠平，谐振传感理论及器件，北京：清华大学出 版社，2008 � 张沛霖，钟维烈，压电材料与器件物理， 山东：山 东科学技术出版社，1996
�
压电单晶
� 具有各向异性，改变切型或声波传播方向可 获得不同的材料特性； � 优良的均匀性； � 新型材料开发难度大； � 价格较高。
石英
� 石英晶体化学式为 SiO2，是单晶体结构。 � 压电器件使用的是 α-石英，它是石英的低温相，温度达到 573°C以 上时可转变为β-石英。压电器件早期使用的是天然石英， 20世纪50 年代后，采用水热法培育了大量优质人造石英，用于制作各种压 电器件。
§1.1 压电效应
在晶体上施加电场，将产生与电 逆压电效应：在晶体上施加电场，将产生与电 � 逆压电效应： 场强度成正比的应变或机械应力，这种现象称 之为逆压电效应。
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ 逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况） 电场场场 场方方方 方向向向 向 电电电
铌酸锂
压电陶瓷
� 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压 电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电 畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而 存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体 上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的 压电陶瓷内极化强度为零。
1.00 0.99 0.98
斜率： －0.016％/℃
6 5 4 3 2 1 0
相 对对对 对 介介介 介 电电电 电 常常常 常 数数数 数 相相相 ε εεε
d t / d 20
0.97 0.96 0.95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
20
t℃
相对于20℃的 石英的d11系数 系数相对于 d11温度变化特性
§1.2 压电材料的发展历程
� 1947年S.Robert 发现BaTiO3的强压电效应，这一发 现是压电材料发展史上的一次飞跃。 � 1954年美国的Jaffe等发现锆钛酸铅（PZT）陶瓷的具 有良好的压电性能，PZT系固溶体在多形相界附近具 有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3 陶瓷的一倍。在以后的60年间，PZT材料以其较强且 稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换 能器的主要功能材料。PZT材料的出现使得压电器件 从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压 变压器及压电发电装置等。 � 上世纪九十年代，以PMN-PT为代表的弛豫型铁电单晶 被研制出来，具有极高的压电性和机电耦合系数。
第1章 压电材料与器件
§1.1 压电效应 §1.2 压电材料的发展历程 §1.3 几种压电材料 §1.4 压电材料的应用
§1.1 压电效应
电极 －－－－－ ＋＋＋＋＋ 极化方向 自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
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，而使表面的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。 外加电场与极化强度方向相同，极化强度增大，陶瓷沿极化方向伸长形变； 外加电场与极化强度方向相反， 陶瓷沿极化方向缩短形变；
§1.2 压电材料的发展历程
几种典型压电材料性能比较
BT压电 陶瓷 压电系数 d33(pC/N) 机电耦合系数k33 电致应变 居里温度Tc (oC) ～200 ～50% <0.1% 120
PZT压电 陶瓷 ～500 ～60% 0.1% 300
弛豫铁电单晶 (PMN-PT) 大于2000 ～90% 1－2% 140-170
Z Z’ Z Z’’
50°
Y’ O X
Y
O
(a)石英晶片原始位置
Y 5° (b)石英晶片的切割方位
石英晶体
特有 的表示法，它由两个大 习惯符号表示法是石英晶体特有 特有的表示法，它由两个大 � 习惯符号表示法是石英晶体 写的英文字母组成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、 MT和FC等。