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压电石英晶振与压电陶瓷的结构及原理(一)

返回列表 来源:CEOB2B晶振平台 浏览:- 发布日期:2018-06-01 10:06:13【

  压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料,具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性,在电子材料领域占据相当大的比重。本文从压电效应入手,阐述了压电石英晶振与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况,综述了其近年来的研究进展,并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势

一、压电晶体与压电陶瓷的结构及原理

  压电效应包含正压电效应与逆压电效应,当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷,当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变,并且受力所产生的电荷量与外力的大小成正比,而当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应;相反,当在电介质的极化方向上施加交变电场,这些电介质也会发生机械变形,电场去掉后,电介质的机械变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能,而逆压电效应是把电能转换为机械能。
压电效应原理
  压电效应的机理是:具有压电性的晶振对称性较低,当受到外力作用发生形变时,晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合,导致晶体发生宏观极化,而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影,所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之,压电材料在电场中发生极化时,会因电荷中心的位移导致材料变形。

  对于压电(单)晶体,其本身就具有压电性。以石英为例,当没有力作用时,硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影恰好等效为正六边形排列,这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上,呈现电中性。如果沿X 方向压缩,则硅离子1被挤入氧离子2和6之间,而氧离子4被挤入硅离子3和5之间,结果表面A上呈现负电荷,而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。

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  若沿Y方向压缩,硅离子3和氧离子2,以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值,故在电极C和D上不呈现电荷,而在表面A和B上, 即在X轴的端面上又呈现电荷,但与图b的极性正好相反,这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出:如果是使其伸长而不是压缩时,则电荷的极性正好相反。总之,石英等单晶体材料是各向异性的物体,在X或Y轴向施力时,在与X轴垂直的面上产生电荷,电场方向与X轴平行,在Z轴方向施力时,不能产生压电效应。

  而对于压电陶瓷晶振而言,在未进行极化处理时,不具有压电性;经过极化处理后,它的压电性非常明显,具有很高的压电系数,为石英晶振的几百倍。在极化前,每个单晶形成一个单个的电畴,无数个单晶电畴无规则排列,知识原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使其具有压电性,必须作极化处理,即在一定温度下对其加强直流电场,迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列。极化电场取出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。