压电材料在先进行业的应用
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2010-03-13
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压电材料在先进行业的应用
一．压电效应及其原理
1.1 压电效应
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现
象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢
复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也
随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，
当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“
逆压电效应”。具有压电效应的材料称为压电材料。
1.2 单晶压电晶体
石英晶体化学式为 SiO2，是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形，
它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光
轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 称为电轴，与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y
称为机械轴。 通常把沿电轴 x 方向的力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 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电
效应”。而沿光轴 z 方向的力作用时不产生压电效应。
石英晶体
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
1.3 多晶压电陶瓷
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。在无外电场作用时，电畴在晶
体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，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，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外
电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材
料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，
当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材
料才具有压电特性。
1.4 等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同
时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，
极板间物质等效于一种介质，则其电容量为
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