目前, 基于压电效应的传感器已经普及, 并应用于社会生产各个方面, 因此对于压电效应以及压电材料的基础研究具有理论与实际意义。
1 压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用变形时, 内部会产生极化现象, 同时在某些表面上产生电荷, 当外力去掉后, 电介质表面又重新回到不带电的状态, 这种现象称为正压电效应。反之, 在电介质极化方向上施加电场, 它会产生机械形变, 当去掉外加电场后, 电介质变形随之消失, 这种现象称为逆压电效应。在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡和锆钛酸钡等材料是性能优良的压电材料。
2 压电材料
目前, 在传感器中常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷和压电半导体等。
2.1 压电晶体
(1) 石英晶体:
石英晶体即二氧化硅 (SiO2) , 有天然石英晶体和人工石英晶体两种。它的压电系数d112.31 10-12 C/N-=×, 在几百度温度范围内, 压电系数几乎不随温度而变化, 当温度达到575℃时, 石英晶体完全失去了压电性质, 这就是它的居里点。石英的熔点为1750℃, 密度为2.65×103kg/m3, 有很大的机械强度和稳定的机械性质, 可承受高大68MPa~98MPa的压力。鉴于石英晶体有上述性质及灵敏度低、没有热释电效应 (由于温度变化导致电荷释放的效应) 等特性, 石英晶体主要用来测量大量值的力或用于准确度、稳定性要求高的场合和用来制作标准传感器。
(2) 水溶性压电晶体:
最早发现的是酒石酸钾钠 (NaKC4·H4O6·4H2O) , 它有很大的压电灵敏度和高的介电常数, 压电系数d113×10-9 C/N, 但是酒石酸钾钠易于受潮, 它的机械强度低, 电阻率也低, 因此只限于在室温和湿度低的环境下使用。
(3) 铌酸锂晶体:
1965年通过人工掉拉发法制成铌酸锂大晶块, 铌酸锂 (LiNbO2) 压电晶体和石英相同, 也是一种单晶体, 为无色或淡黄色。由于它是单晶体, 所以时间稳定性远比晶体的压电陶瓷高, 在耐高温的传感器上有广泛的应用前景。但是, 铌酸锂具有明显的各向异性力学性能, 与石英晶体相比它很脆弱, 而且热冲击性很差, 所以在加工装配和使用中必须小心谨慎, 避免用力过猛、急冷和急热。
2.2 压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。在无外力电场作用下, 电畴在晶体中杂乱分布, 极化效应相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零, 因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于外电场方向排列, 从而使材料得到极化。外电场越强, 就有更多的电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 去掉外电场后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。
(1) 钛酸钡压电陶瓷:
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡 (BaTiO3) , 由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。它的压电系数约为石英的50倍, 但使用温度低, 最高只有70℃, 温度稳定性和机械强度都不如石英。系压
(2) 锆钛酸铅系列压电陶瓷 (PZT系列) :
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅 (PZT系列) , 它是钛酸钡 (BaTiO3) 和锆酸铅 (PbZrO3) 组成的Pb (ZrTi) O3, 有较高的压电系数和较高的工作温度。
(3) 铌酸盐系列压电陶瓷:
铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅 (Pb (Mg·Nb) O3) 、锆酸铅 (PbZrO3) 和钛酸铅 (PbTiO3) 按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷, 具有极高的压电系数和较高的工作温度, 而且能承受较高的压力。
2.3 压电半导体
近年来出现了多种压电半导体, 如硫化锌 (ZnS) 、碲化镉 (CdTe) 、氧化锌 (ZnO) 和硫化镉 (CdS) 等, 这些压电材料的显著特点是既具有压电效应, 又具有半导体特性, 有利于将原件和线路集成于一体, 从而研制出新型的集成压电传感器测试系统。表1列出了石英的切型和它的声表面波特性。
摘要：本文简介了压电效应以及压电材料, 并简述了其工作原理。
关键词：压电效应,压电材料
参考文献
[1] 程守洙.普通物理学1[M].北京:高等教育出版社, 1998.
[2] 朱自勤.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2005.