压电效应及材料

    6.1　压电效应及材料

    6.1.1　压电效应

    由物理学知，一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。即:

    （1）在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q［如图6-1（a）所示］，且其电位移D（在MKS单位制中即电荷密度σ）与外应力张量T成正比:

    D＝dT　　　或　　　σ＝dT　　　　　　　（6-1）

    式中，d——压电常数矩阵。

    当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。

    

    

    图6-1　压电效应

    

    （a）正压电效应；（b）压电效应的可逆性

    （2）若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比:

    S＝d_tE　　　　　　　　　　（6-2）

    式中，d_t——逆压电常数矩阵（下标t表示d_t是d的转置矩阵）。

    这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。

    可见，具有压电性的电介质（称压电材料），能实现机-电能量的相互转换，如图6-1（b）所示。

    6.1.2　压电材料

    压电材料的主要特性参数有:

    （1）压电常数　是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。

    （2）弹性常数　压电材料的弹性常数决定着压电器件的固有频率和动态特性。

    （3）介电常数　对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

    （4）机电耦合系数　它定义为:在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

    （5）电阻　压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

    （6）居里点　即压电材料开始丧失压电性的温度。

    迄今已出现的压电材料可分为三大类:一是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。

    在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。择要介绍如下:

    6.1.2.1　压电晶体

    由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电性。具有压电性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体是最典型而常用的压电晶体。

    1.石英晶体（SiO₂）

    

    

    图6-2　石英晶体的外形

    

    （a）天然石英晶体；（b）人工石英晶体；（c）右旋石英晶体理想外形m—柱面；

    R—大棱面；r—小棱面；s—棱界面；x—棱角面

    

    

    图6-3　理想石英晶体坐标系

    石英晶体有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α-石英。其外形如图6-2所示，呈六角棱柱体。它由m、R、r、s、x共5组30个晶面组成。在讨论晶体结构时，常采用对称晶轴坐标abcd，其中c轴与晶体上下晶锥顶点连线重合，如图6-3所示（此图为左旋石英晶体，它与右旋石英晶体的结构成镜象对称，压电效应极性相反）。在讨论晶体机电特性时，采用xyz右手直角坐标较方便，并统一规定:x轴与a（或b、d）轴重合，谓之电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面上压电效应最强；y轴垂直m面，谓之机轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴与c轴重合，谓之光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿z轴方向上没有压电效应。

    压电石英的主要性能特点是:（1）压电常数小，其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20～200℃范围内其温度变化率仅为-0.016%/℃；（2）机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8～9.8）×10⁷Pa，且刚度大，固有频率高，动态特性好；（3）居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。天然石英的上述性能尤佳。因此，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。

    2.其他压电单晶

    在压电单晶中除天然和人工石英晶体外，锂盐类压电和铁电单晶材料，近年来已在传感器技术中日益得到广泛应用，其中以铌酸锂为典型代表。从结构看，它是一种多畴单晶。它必须通过极化处理后才能成为单畴单晶，从而呈现出类似单晶体的特点。它的时间稳定性好，居里点高达1200℃，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应，因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。

    6.1.2.2　压电陶瓷

    1.压电陶瓷的极化处理

    压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性［如图6-4（a）］。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向做规则排列［如图6-4（b）］；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性［如图6-4（c）］。

    

    

    图6-4　BaTiO₃压电陶瓷的极化

    

    （a）极化前；（b）极化；（c）极化后

    压电陶瓷的特点是:压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。

    2.常用的压电陶瓷

    压电陶瓷，按其组成基本元素多少可分为:一元系、二元系、三元系和四元系等。

    传感器中应用较多的有:二元系中的钛酸钡BaTiO₃和锆钛酸铅系列PbTiO₃-PbZrO₃（PZT）；三元系中的铌镁酸铅Pb（Mg₁/₃Nb₂/₃）O₃-钛酸铅PbTiO₃-锆钛酸铅PbZrO₃（PMN）。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅、锑铌酸铅等。常用压电晶体和陶瓷材料及性能列于表6-1。

    

    表6-1　常用压电晶体和陶瓷材料性能

    

    6.1.2.3　新型压电材料

    1.压电半导体

    1968年以来出现了多种压电半导体如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。这些材料的显著特点是:既具有压电特性，又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者结合，集元件与电路于一体，研制成新型集成压电传感器系统。

    2.有机高分子压电材料

    其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF₂）、聚氯乙烯（PVC）、聚r甲基-L谷氨酸脂（PMG）和尼龙11等。这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度较高、蠕变小、耐冲击，体电阻达10¹²Ω·m，击穿强度为150～200kV/mm，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。

    其二，是高分子化合物如PVF₂中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO₃粉末制成的高分子压电薄膜。这种复合压电材料同样既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。

    几种新型压电材料的主要性能参数列于表6-2。

    

    表6-2　几种新型压电材料的主要性能