压电陶瓷性能参数解析
* *
式中，d 的单位为库仑/牛顿(C/N )
这正是正压电效应。还有一个逆压电效应，既施加电场E 时成比例地产生应变S ,其所 产生的应变为膨胀或为收缩取决于样品的极化方向
(1-16)
式中，d 的单位为米/伏(m/v )
上面两式中的比例常数d 称为压电应变常数。对于正和逆压电效应来讲，d 在数值上是 相同的，即有关系
(1-17)
对于企图用来产生运动或振动(例女口，声纳和超声换能器)的材料 来说，希望具有大的压电应变常数d 。
另一个常用的压电常数是压电电压常数go ，它表示内应力所产生的 电场，或应变所产生的电位移的关系。常数g 与常数d 之间的关系如下:
g=d/e
(1-18)
对于由机 械应力而产生电压(例如留声机拾音器)的材料来说，希 望具有高的压电电压常数g 。
此外，还有不常用的压电应力常数e 和压电劲度常数h ； e 把应力T 和电场E 联系起来，而h 把应变S 和电场E 联系 起来，既
T=-eE (1-19) E=-hS
(1-20)
与介电常数和弹性常数一样，压电陶瓷的压电常数也与 方向有关，并且也需考虑“自由”，“夹持”、“短路”、“开路” 等机械的和电学的边界条
件。因此，也有许多个压电常数。
现以压电陶瓷薄长片样品为例说明之，如图1-3所示
^31= [Eo
设有薄长片的极化方向与方向3平行，而电极面与方向3垂直
在短路即电场E=0的条件下，薄长片受沿方向1的应力T 1的作用时，压电常数d 31与 电位移D 3，应力T 1之间的关系如下：
在机械自由，即T=0的条件下，薄长片只受到方向3的电场强度E3的作用时，压电常
S=dE
(1-21)
2
图1-3薄底片压电陶逐族子
5t=哥 Bl +41$TI5
13
养￡U E 牡山无4
°加 ￡j 3^3+d!5Cn+Ti ）+d33T3
51=S^Tl+5^T2+5^T3+d31E3 sz^Tiffs^Tz+s/gmasiis S3=S^3 盼雷再+dl5El S&=S^.T6 DO 上面式（1-27 ）代表正压电效应，而式（1-28 ）代表逆压电效应。对于不同的边界条件 和不同 的自变量，可以得到不同的压电方程组。由于压电振子有四类边界条件，故有四类不 的压电方程。式1-27 及式1-28所示为第一类压电方程，这四类压电方程的通式列于表1-1 中。 注：① i,j=1,2,3,4,5,6; m,n=1,2,3. ② 3T nm 为自由介质隔离率（m/F ），晞m 为夹持介质隔离率（m/F ）。 （6 ） 机电耦合系数 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间 的耦合效应。机电耦合系数可定义为 电能转吏海机權能 ' _ 输入电胡 咸咅杭械能转娈対电能 输入机械能 (1-27) (1-28) 超声波换能器 一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。 换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。 压电陶瓷超声换能器工作原理 压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。 超声波换能器是将电能转换成机械能（超声波）的器件，其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。[1] 将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器，换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。 现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。 我们主要生产大功率超声波换能器，应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。磁致伸缩 磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低，使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。 镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以很少使用。 压电晶体 最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01um以下的变形。 钛酸钡的压电效应比石英晶体大20-30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。 锆钛酸铅具有二者的优点，可用作超声波清洗，探伤和小功率超声波加工的换能器。 压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。 按实现的作用分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测以及超声波雾化等。 编辑本段外形分类 压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。 图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 压电陶瓷的压电原理与制作工艺 1.压电陶瓷的用途 随着高新技术的不断发展，对材料提出了一系列新的要求。而压电陶瓷作为一种新型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。 2.压电陶瓷的压电原理 2.1 压电现象与压电效应 在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生形变，同时还会产生高压放电。在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号，它会产生形变，同时还会发出声响。归纳这些类似现象，可得到正、逆压电效应的概念，即：压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。2.2 压电陶瓷的内部结构 材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定的，因而要了解压电陶瓷的压电原理，明白压电效应产生的原因，首先必须知道压电陶瓷的内部结构。 2.2.1 压电陶瓷是多晶体 用现代仪器分析表征压电陶瓷结构，可以得到以下几点认识： （1）压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。 图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片 （2）每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格，可看为一粒小单晶，如图2所示。 图2 原子在空间规则排列而成晶格示意图 （3）每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图3所示。 图3 PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片 （4）整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是混乱而无规则的，如图4所示。这样的结构，我们称其为多晶体。 图4 压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图 2.2.2 压电陶瓷的晶胞结构与自发极化 （1）晶胞结构 目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、K x Na1-x NbO3、Pb(Zr x Ti1-x)O3等。 该类材料的化学通式为ABO3。式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图5所示。 图5 钙钛矿型的晶胞结构 压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT 在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的 电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。 压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1 、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时， 材料内部能量消耗程度的一个参数， 它也是衡 量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。 机械品质因数越大， 能量的损耗越小。产生能量损耗 的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数 Q m 的定义为: 谐振时振子储存的机械能 c Qm 谐振时振子每周所 损失的机械能 2 兀 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中 R 1为等效电阻 （Q ） , s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容 （F ），L 1为振子谐振时的等效电感。 Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的 Q m 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性， 即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。 其产生的电荷与施加 tan 1 CR 其中3为交变电场的角频率, R 为损耗电阻，C 为介质电容。 s R 1C 1 s L 1 图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。 图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压 压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。 迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成： 压电材料的主要性能参数 （1） 介电常数ε 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C ，电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为 ε=C ·t/A 式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电； △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。 （3）压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小： 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力； P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。 （4）机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。 m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持 续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。 （5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个常数叫做频率常数。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。 电子工程师必备基础知识（一） 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 电子工程师必备基础知识（二） 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电；通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级（电路或产品）对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应 1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识（三） 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电；通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。 电感是电容的死对头。另外，电感还有这样一个特点：电流和磁场必需同时存在。电流要消失，磁场会消失；磁场要消失，电流会消失；磁场南北极变化，电流正负极也会变化。 电感内部的电流和磁场一直在“打内战”，电流想变化，磁场偏不让变化；磁场想变化，电流偏不让变化。但，由于外界原因，电流和磁场都可能一定要发生变化。给电感线圈加上电压，电流想从零变大，可是磁场会反对，因此电流只好慢慢的变大；给电感去掉电压，电流想从大变成零，可是磁场又要反对，可是电流回路都没啦，电流已经被强迫为零，磁场就会发怒，立即在电感两端产生很高的电压，企图产生电流并维持电流不变。这个电压很高很高，甚至会损坏电子元件，这就是线圈的自感现象。 第二章压电陶瓷测试 2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试 2.4.1 NBT基陶瓷的极化 1. 试样的制备 为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。 首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min 以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。 2. NBT基压电材料的极化 利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排 列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。 对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。 2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试 1．压电振子及其等效电路 图2.11 压电振子的等效电路 利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。输入电讯号时，若讯号频率与器件的机械谐振频率f r一致，就会使器件由于逆压电效应而产生机械谐振，器件的机械谐振又可以由于正压电效应而输出电讯号，这种器件称为压电振子，广泛用于制作滤波器、谐振换能器件和标准频率振子。在其谐振频率附近的电特征可用图2.11来表示，它由电容C1，电感L1和电阻R1的串连支路与电容C0并联而成，在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。 2．压电材料的性能测试 压电参数的测量以电测法为主。电测法可分为动态法、静态法和准静态法。动态法是 概述:磁性是物质的基本属性之一.磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的,由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场,因而产生磁性.一切物质都具有磁性.自然界的按磁性的不同可以分为顺磁性物质,抗磁性物质,铁磁性物质,反铁磁性物质,以及亚铁磁性物质,其中铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质,通常将这两类物质统称为磁性材料. 磁性材料的分类,性能特点和用途: 1铁氧体磁性材料,一般是指氧化铁和其他金属氧化物的符合氧化物.他们大多具有亚铁磁性. 特点:电阻率远比金属高,约为1-10(12次方)欧/厘米,因此涡损和趋肤效应小,适于高频使用.饱和磁化强度低,不适合高磁密度场合使用.居里温度比较低. 2 铁磁性材料:指具有铁磁性的材料.例如铁镍钴及其合金, 某些稀土元素的合金.在居里温度以下,加外磁时材料具有较大的磁化强度. 3 亚铁磁性材料:指具有亚铁磁性的材料,例如各种铁氧体,在奈尔温度以下,加外磁时材料具有较大的磁化强度. 4 永磁材料:磁体被磁化厚去除外磁场仍具有较强的磁性,特点是矫顽力高和磁能积大.可分为三类,金属永磁,例,铝镍钴,稀土钴,铷铁硼等. 铁氧体永磁,例,钡铁氧体,锶铁氧体,其他永磁,如塑料等. 5软磁材料:容易磁化和退磁的材料.锰锌铁氧体软磁材料,其工作频率在1K-10M之间.镍锌铁氧体软磁材料,工作频率一般在1-300MHZ 金属软磁材料:同铁氧体相比具有高饱和磁感应强度和低的矫顽力,例如工程纯铁, 铁铝合金, 铁钴合金,铁镍合金等,常用于变压器等. 术语: 1 饱和磁感应强度:(饱和磁通密度)磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度.在实际应用中, 饱和磁感应强度往往是指某一指定磁场(基本上达到磁饱和时的磁场)下的磁感应强度. 2 剩磁感应强度:从磁性体的饱和状态,把磁场(包括自退磁场)单调的减小到0的磁感应强度. 3 磁通密度矫顽力, 他是从磁性体的饱和磁化状态,沿饱和磁滞回线单调改变磁场强度, 使磁感应强度B减小到0时的磁感应强度. 4内禀矫顽力:从磁性体的饱和磁化状态使磁化强度M减小到0的磁场强度. 5磁能积:在永磁体的退磁曲线上的任意点的磁感应强度和磁场强度的乘积. 6 起始磁导率:磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值. 7 损耗角正切:他是串联复数磁导率的虚数部分与实数部分的比值,其物理意义为磁性材料在交 独石（多层）压电陶瓷变压器基本工作原理及特点 在现代，压电陶瓷 制品对我们并不陌 生。 正压电效应的应用主要用于燃气点火器，如燃气灶．燃气打火机等的点火系统。基本工作原理为：由外力压缩一个弹簧，压到顶点后释放，弹簧力推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花，点燃可燃气体。 逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，例如音乐贺卡、门铃．寻呼机．移动电话机振铃等。基本工作原理为：当在压电陶瓷片上施加一交变电场时，压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动，当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响。 应用此特性配合机械谐振原理还大量用于制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子组件。 压电陶瓷变压器的基本构成则是将一压电蜂鸣器的应用与一压电点火器的应用组合起来，组成压电谐振子。在蜂鸣器的一端（称为驱动端）输入一个与压电变压器谐振频率一致的正弦交变电压，压电谐 振子产生振动，传导至点火器的一端（称为发电端），产生连续的正弦波电压，视乎于压电变压器的结构特征，可以是输入低电压、输出高电压（升压型），也可以是输入高电压、输出低电压（降压型）。若在高频驱动电压上通过调制解调器加入低频调制，则可实现信号传输。 压电陶瓷变压器的基本结构形式如图（一）所示 压电陶瓷是一种脆性材料，为保障其机械强度，压电变压器必须有一定的厚度，上述变压器的驱动电压就受到了相当的限制。为此独石（多层）压电陶瓷变压器项目应运而生。独石（多层）压电陶瓷变压器的基本结构形式如图（二）所示。 采用了独石（多层）结构后每一单层厚度和层数均可调，驱动电压不再受到限制，因而可以使压电变压器无论处在何种驱动电压下都能工作在最佳状态。 此项目的核心技术为亚微米低温烧结压电陶瓷材料、内电极共烧技术，极化处理技术及结构设计。 独石（多层）压电陶瓷变压器制备的工艺流程为 压电陶瓷石英晶片相关知识介绍 [2008-7-29 16:18:21][武汉海创电子股份有限公司] 1 基本原理 压电元件具有压电效应，并且压电效应是可逆的。压电效应就是在沿某些晶体的特定方向施加应力时，晶体的极化发生改变，而且改变量与应力成正比称为正压电效应，相反，对晶体施加电场导致应变且应变与电场成正比的现象称为逆压电效应。由于压电效应，压电元件能把力、压力、加速度、温度、质量等非电学量按一定规律转换成电学量，因此可用它制成一种能实现某些非电学量的检测、转换、控制及传输等作用的各种传感器，在军用和民用上得到广泛应用。压电传感器是直接利用正压电效应和逆压电效应制成的，前者是通过压电元件上所产生的压电电荷反映所测量的大小或变化，后者是通过压电元件振动频率或形变的变化而反映所测量的变化。 2 产品特点 我公司生产的压电陶瓷石英晶片主要用于传感器、超声探伤仪、加速度计、测厚仪、流量计、压电引信等领域制作接收型和发射型换能器，外形尺寸可制作直径为Φ3～Φ60（mm）的任何圆片、圆环片、管形及可比拟的矩形片，除常用的压缩振动模式外，还可做成切变模式，晶片的电极可分为镀金和镀银，形式可分为高温烧渗、化学镀和真空蒸发，它的加工工艺先进，精度高，产品质量处于国内领先地位，在航空、航天、军工等领域得到长期广泛应用，深受用户好评。 3 专业术语 1）介电常数：介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数。 2）机电耦合系数：综合反映压电体的机械能与电能之间耦合与转换程度的参数，是衡量压电体压电性能强弱的重要物理量。 3）压电系数：是表征压电体所给压力和产生电荷转换程度的参数，也是衡量压电体压电性能强弱的重要物理量，它越高，表征压电体的灵敏度越高。 4）居里温度：是压电体的临界温度，高于居里温度，它所有的压电性能将会消失，一般压电材料的使用温度是居里温度的一半左右。 4 压电陶瓷常用的几种振动模式 1）长条横向伸缩振动：当极化方向和激励电场均沿长条片厚度方向时，质点的位移和波的传播方向都是沿着长度的方向，因而产生横向伸缩振动。 2）长条厚度弯曲振动：把长条横向伸缩振动振子用粘结剂将两片重叠粘和起来，并将极化方向和激励电场之一的方向相反，即当一片伸长形变时，则另一片作缩短形变，从而得到复合形变，其结果就是长条厚度弯曲振动，这是封装压电传感器和涡街流量计等常用的振动模式。 3）圆片径向扩散振动：当极化方向和激励电场均沿圆片厚度方向时，则将产生质点位移和波传播沿半径方向的扩张振动。 4）圆片厚度弯曲振动：若将两个圆片径向扩散振子，如同长条弯曲振子一样叠片、极化和激励，就可得到圆片厚度弯曲振动，这是封装压电传感器的常用振动模式。 5）厚度切变振动：若压电陶瓷片的极化方向和激励电场相互垂直，就可产生厚度切变振动，常称作剪切片，它是制作压电加速度器等常用的振动模式。 5 订货及使用注意事项 1）选购产品时，按订货说明的要求明确产品规格、型号及其他详细参数。 2）产品质地较脆，在运输或使用过程中承受高处跌落、剧烈的撞击或冲击，会造成产品破裂而导致产品失效，在使用过程中要轻拿轻放。 3）产品电极易氧化，应对产品进行密封储存，避免电极氧化影响产品使用性能。 4）使用温度不能超过规定的使用温度。 压电陶瓷材料的主要性 能及参数精选文档 TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8- 压电陶瓷材料的主要性能及参数 自由介电常数εT33（free permittivity） 电介质在应变为零（或常数）时的介电常数，其单位为法拉/米。 相对介电常数εTr3（relative permittivity） 介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一个无因次的物理量。 介质损耗（dielectric loss） 电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。 损耗角正切tgδ（tangent of loss angle） 理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质因数Qe（electrical quality factor） 电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则Qe=1/ tgδ=ωCR 机械品质因数Qm（mechanical quanlity factor） 压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之 比称为机械品质因数。它与振子参数的关系式为： 泊松比（poissons ratio） 泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11 串联谐振频率fs（series resonance frequency） 压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f s 表示，即 并联谐振频率fp（parallel resonance frequency） 压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p 表示，即f p = 谐振频率fr（resonance frequency） 使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用f r 表示。 反谐振频率fa（antiresonance frequency） 使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率，用f a 表示。 最大导纳频率fm（maximum admittance frequency） 压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率，这时振子的阻抗最小， 压电陶瓷变压器及其应用 压电陶瓷变压器是用铁电陶瓷材料经烧结和高压极化等工艺制成的一种新型电子变压器，其结构和工作原理与电磁绕线式等传统变压器是截然不同的。 人们对压电陶瓷变压器的研究始于20世纪50年代中后期。美国的Rosen于1956年阐述了压电陶瓷变压器的基本原理，并制备出长条形单片压电陶瓷变压器。由于当时的这种变压器采用的是压电性能差和居里温度低的钛酸钡（BaTiO3）材料，功率太小，成本也太高，并且工艺不成熟，因而未能引起人们的重视。在20世纪60年代到70年代初，关于压电陶瓷材料的研究取得了一些进展，在70年代压电陶瓷变压器发展成为一种新型的电子陶瓷变压器，并在80年代被推广应用到电视机、雷达终端显示器等的高压电源领域。这一时期，人们对与压电陶瓷变压器相关的最熟悉的产品就是压电陶瓷蜂鸣器和点火棒。进入90年代中期后，随着信息产业的迅猛发展及电子产品朝轻、薄、短、小方向发展的趋势，使得压电陶瓷变压器技术与产业得到长足进步和发展。 1、压电陶瓷变压器的结构与工作原理 压电变压器的工作原理基于压电材料的压电效应。压电效应是法国的P?Curie和J?Curie兄弟在1880年研究铁电性和晶体对称性的关系时发现的一种物理现象。除了单晶体外，压电陶瓷多晶体和某些非晶固体等也具有压电效应。 压电效应分正和逆两种类型。 正压电效应是指在压电体上加一个机械应力时，会使压电体极化并在一定的表面形成电荷的效应。压电陶瓷棒就是利用正压电效应工作的，给压电棒加上机械压力，在点火棒两端即有高压产生。 逆压电效应是指在压电体上有一个外加电场时，晶体会发生形变和振动，这一现象就是逆压电效应。压电陶瓷蜂鸣器就是利用逆压电效应工作的，给压电陶瓷片加上电压信号，将会使陶瓷片振动并发出声音。 压电陶瓷变压器是利用同一压电陶瓷并同时利用正压电效应和逆压电效应来工作的，即完成电能——机械能和机械能——电能的两次能量转换。 压电陶瓷变压器所使用的压电陶瓷材料除了BaTiO3外，还有PZT系压电陶瓷、三元系压电陶瓷（如铌镁钴钛酸铅系、铌锌锆钛酸铅系、碲锰锆钛酸铅系、锑锰锆钛铅酸系等）及四元系压电陶瓷[如Pb(Sn1/3 Nb2/3)A (Zn1/3 Nb2/3)B TiCZrdO3）等]。 最简单同时也是最为常用的压电陶瓷变压器是长条形单片压电陶瓷变压器（即Rosen型压电变压器），其结构如图1所示。 压电陶瓷主要性能及参数 自由介电常数εT33（free permittivity） 电介质在应变为零（或常数）时的介电常数，其单位为法拉/米。 相对介电常数εTr3（relative permittivity） 介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一个无因次的物理量。 介质损耗（dielectric loss） 电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。 损耗角正切tgδ（tangent of loss angle） 理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即：电学品质因数Qe（electrical quality factor） 电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则 Qe=1/ tgδ=ωCR 机械品质因数Qm（mechanical quanlity factor） 压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数。它与振子参数的关系式为： 泊松比（poissons ratio） 泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11 串联谐振频率fs（series resonance frequency） 压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f s 表示，即 并联谐振频率fp（parallel resonance frequency） 压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p 表示，即f p = 谐振频率fr（resonance frequency） 使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用f r 表示。 反谐振频率fa（antiresonance frequency） 使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率，用f a 表示。压电超声波换能器原理
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