鐵電性基礎

BasicsofFerroelectrics鐵電性基礎

BasicsofFerroelectrics1什么是鐵電體，開關特性，Sawyer-Tower電路鐵電體主要特征典型的鐵電材料的主要物理性質鐵電材料的分類，反鐵電體什么是鐵電體，2基本定義具有自發極化強度（Ps）SpontaneousPolarization自發極化強度能在外加電場下反轉,SwitchablePs基本定義具有自發極化強度（Ps）SpontaneousPo3Note:鐵電體與鐵磁體在其它許多性質上也具有相應的平行類似性，“鐵電體”之名即由此而來，其實它的性質與“鐵”毫無關系。在歐洲（如法國、德國）常稱“鐵電體”為“薛格涅特電性”（Seignett-electricity）或“羅息爾電性”（Rochell-electricity）。因為歷史上鐵電現象是首先于1920年在羅息鹽中發現的，而羅息鹽是在1665年被法國藥劑師薛格涅特在羅息這個地方第一次制備出來。

Note:鐵電體與鐵磁體在其它許多性質上也具有相應的平行類似4主要特征電滯回線hysteresisloop居里溫度CurietemperatureTc介電反常Dielectricanomalous主要特征電滯回線hysteresisloop5電滯回線hysteresisloop電滯回線hysteresisloop6介電和鐵電基礎及應用匯總課件7自發極化Ps剩余極化Pr矯頑電場Ec自發極化Ps8Sawyer-Tower電路Sawyer-Tower電路9電滯回線表明，鐵電體的極化強度與外電場之間呈現非線性關系，而且極化強度隨外電場反向而反向。極化強度反向是電疇反轉的結果，所以電滯回線表明鐵電體中存在電疇。所謂電疇就是鐵電體中自發極化方向一致的小區域，電疇與電疇之間的邊界稱為疇壁。鐵電晶體通常多電疇體，每個電疇中的自發極化具有相同的方向，不同電疇中自發極化強度的取向間存在著簡單的關系。

電滯回線表明，鐵電體的極化強度與外電場之間呈現非線性關系，而10介電和鐵電基礎及應用匯總課件11介電和鐵電基礎及應用匯總課件12介電和鐵電基礎及應用匯總課件13居里溫度（Tc,

c）當晶體從高溫降溫經過

c時，要經過一個從非鐵電相（有時稱順電相）到鐵電相的結構相變。溫度高于

c時，晶體不具有鐵電性，溫度低于

c時，晶體呈現出鐵電性。通常認為晶體的鐵電結構是由其順電結構經過微小畸變而得，所以鐵電相的晶格對稱性總是低于順電相的對稱性。如果晶體存在兩個或多個鐵電相時，只有順電-鐵電相變溫度才稱為居里點；晶體從一個鐵電相到另一個鐵電相的轉變溫度稱為相變溫度或過渡溫度。

居里溫度（Tc,c）當晶體從高溫降溫經過c時，要經過14介電反常：臨界特征鐵電體的介電性質、彈性性質、光學性質和熱學性質等在居里點附近都要出現反常現象，其中研究的最充分的是“介電反常”。因為鐵電體的介電性質是非線性的，介電常數隨外加電場的大小而變，所以一般用電滯回線中在原點附近的斜率來代表鐵電體的介電常數，實際測量介電常數時外加電場很小。大多數鐵電體的介電常數在居里點附近具有很大的數值，其數量級可達，104-105，此即鐵電體在臨界溫度的“介電反常”。

介電反常：臨界特征鐵電體的介電性質、彈性性質、光學性質和熱學15居里-外斯定律Curie-Weisslaw當溫度高于居里點時，鐵電體的介電常數與溫度的關系服從居里-外斯定律：式中：C為居里-外斯常數；

為絕對溫度；

0為順電居里溫度，或稱居里-外斯溫度。

居里-外斯定律Curie-Weisslaw當溫度高于居里點16幾種典型鐵電體的性質BaTiO3，鈦酸鋇KDP，磷酸二氫鉀KH2PO4TGS，三甘氨酸硫酸鹽，(NH2CH2COOH)3H2SO4

RS，酒石酸鉀鈉（羅息鹽）NaKC4H4O6

4H2O幾種典型鐵電體的性質BaTiO3，鈦酸鋇17SpontaneouspolarizationofBaTiO3SpontaneouspolarizationofBa18DielectricconstantofBaTiO3DielectricconstantofBaTiO319介電和鐵電基礎及應用匯總課件20鈦酸鋇晶體的自發畸變與溫度的關系

鈦酸鋇晶體的自發畸變與溫度的關系21介電和鐵電基礎及應用匯總課件22KDP晶體的自發極化強度與溫度的關系

KDP晶體的自發極化強度與溫度的關系23KDP晶體的介電常數與溫度的關系

KDP晶體的介電常數與溫度的關系24KDP的定壓比熱與溫度的關系

KDP的定壓比熱與溫度的關系25KDP晶體的壓電常數d36與溫度的關系

KDP晶體的壓電常數d36與溫度的關系26TGS晶體的自發極化強度與溫度的關系

TGS晶體的自發極化強度與溫度的關系27TGS晶體的起始介電常數與溫度的關系

TGS晶體的起始介電常數與溫度的關系28TGS的定壓比熱與溫度的關系TGS的定壓比熱與溫度的關系29羅息鹽晶體的自發極化強度與溫度的關系

羅息鹽晶體的自發極化強度與溫度的關系30羅息鹽晶體的介電常數與溫度的關系

羅息鹽晶體的介電常數與溫度的關系31RS晶體的彈性柔順常數S44與溫度的關系

RS晶體的彈性柔順常數S44與溫度的關系32鐵電晶體的分類

至今已經發現的鐵電晶體有一千多種，它們廣泛地分布于從立方晶系到單斜晶系的10個點群中。它們的自發極化強度從10-4C/m2到1C/m2，它們的居里點有的低到-261.5

C（酒石酸鉈鋰），有的高于1500

C。表6-1給出了部分鐵電晶體的分子式、居里點和自發極化強度。對于晶格結構和特性差異如此之大的各種鐵電體，要對它們做完善的統一分類是不容易的。到目前為止，對鐵電晶體的分類法有許多種，其中常用的有以下幾種

鐵電晶體的分類至今已經發現的鐵電晶體有一千多種，它們廣泛地33單軸鐵電體，多軸鐵電體根據鐵電體的極化軸的多少分為兩類。一類是只能沿一個晶軸方向極化的鐵電體，如羅息鹽以及其它酒石酸鹽，磷酸二氫鉀型鐵電體，硫酸銨以及氟鈹酸銨等。另一類是可以沿幾個晶軸方向極化的鐵電體（在非鐵電相時這些晶軸是等效的），如鈦酸鋇、鈮酸鉀、鉀銨鋁礬等。這種分類方法便于研究鐵電疇。

單軸鐵電體，多軸鐵電體根據鐵電體的極化軸的多少分為兩類。一類34對稱中心根據鐵電體在非鐵電相有無對稱中心亦可分為兩類。一類鐵電體在其順電相的晶體結構不具有對稱中心，因而有壓電效應。如鉭鈮酸鋰、羅息鹽、KDP族晶體。另一類鐵電體，其順電相的晶格結構具有對稱中心，因而不具有壓電效應，如鈦酸鋇、鈮酸鉀以及它們的同類型晶體。這種分類方法便于鐵電相變的熱力學處理。

對稱中心根據鐵電體在非鐵電相有無對稱中心亦可分為兩類。一類鐵35成分和結構根據晶體成分和結構特征，可把鐵電晶體分成兩類。一類是含有氫鍵的晶體，如KDP族、TGS、羅息鹽等。這類晶體的特點是可溶于水、力學性質軟、居里點溫度低、溶解溫度低，常稱“軟”鐵電體。另一類是雙氧化物晶體，如鈦酸鋇、鈮酸鋰等晶體。它們的特點是不溶于水、力學性質硬、居里點溫度高、溶解溫度高，常稱為“硬”鐵電體。

成分和結構根據晶體成分和結構特征，可把鐵電晶體分成兩類。一類36按居里-外斯常數的大小分類（參照圖6-4），這種分類法有利于研究鐵電體的相變機制。居里-外斯常數C大約在105數量級的為第一類。這類鐵電體的微觀相變機制屬于位移型，它主要包括鈦酸鋇等氧化物形鐵電體。近來發現的SbSI是這一類中的唯一例外，它不是氧化物。按居里-外斯常數的大小分類（參照圖6-4），這種分類法有利于37居里-外斯常數C大約在103數量級的為第二類，這類鐵電體的微觀相變機制屬于有序-無序型，主要包括KDP、TGS、羅息鹽和NaNO2等。C數量級大約在10的為第三類鐵電晶體，屬于這一類的典型晶體是(NH4)2Cd2(SO4)3。這類鐵電體的相變機制目前尚未詳細研究，也無專門的名稱。

居里-外斯常數C大約在103數量級的為第二類，這類鐵電體的38圖6-4：鐵電體按居里-外斯常數分類表圖6-4：39量子順電體QuantumParaelectrics先兆性鐵電體IncipientFerroelectrics代表性材料：SrTiO3，其它有：CaTiO3，KTaO3主要特點：介電常數隨溫度減低而增大，在低溫區出現一個平臺，整個溫度區間沒有鐵電性。有出現鐵電性的先兆；可能是量子起伏造成低溫區不出現鐵電性。量子順電體QuantumParaelectrics先兆性40KAMuller,JpnJApplPhys24(1985)24-2,pp.89-93QuantumPara-,Ferro-,andRandomElectricBehaviorsinOxidePerovskitesKAMuller,JpnJApplPhys2441鐵電弛豫體ferroelectricrelaxor相變不是發生于一個溫度點，而是發生于一個溫度區間，因而電容率特性不顯示尖銳的峰，而呈現出相當寬的平緩的峰電容率呈現極大值的溫度隨測量頻率的升高而升高電容率虛部呈現峰值的溫度低于實部呈現峰值的溫度，而且測量頻率越高，峰值差別越大鐵電弛豫體ferroelectricrelaxor相變不42電容率于溫度的關系不符合居里-外斯定律，而可表示為類居里-外斯定律即使順電相具有對稱中心，在以上相當高的溫度仍可觀測到壓電性和二次諧波發生等效應；有場致相變，在一定的電場強度下會出現鐵電相；有很大的電致伸縮系數，而且無明顯滯后效應。電容率于溫度的關系不符合居里-外斯定律，而可表示為類居里-外43典型材料：鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，鈮鋅酸鉛Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，B-位復合鈣鈦礦結構（complexperovskite）鈦酸鉍鈉(Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位復合鈣鈦礦結構其它材料：鎢青銅結構(tungstenbronze)典型材料：鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，鈮鋅44Kighelman,DamjanovandNSetter,JApplPhys90(2001)4684Kighelman,DamjanovandNSett45鐵電聚合物ferroelectricpolymers聚偏氟乙烯（Polyvinyledenfluoride），PVDF，PVF2，分子式-(CH2CF2)n-柔軟，經濟；

相拉伸后->

相，鐵電性壓電性弱與三氟乙烯共聚-(CHCF3)n-，PVDF-TrFE，無需拉伸具有壓電鐵電性高能電子輻照，電致伸縮性能明顯提高鐵電聚合物ferroelectricpolymers聚偏46介電和鐵電基礎及應用匯總課件47反鐵電體

Antiferroelectrics反鐵電體

Antiferroelectrics48反鐵電體是這樣一些晶體，晶體結構與同型鐵電體相近，但相鄰離子沿反平行方向產生自發極化，凈自發極化強度為零，不存在類似于鐵電中的電滯回線。介電常數（或極化率）與溫度的關系為：在相變溫度以下，介電常數很小，一般數量級為10-102；在相變溫度時，介電常數出現峰值，一般數量級為幾千。在相變溫度以上，介電常數與溫度的關系遵從居里-外斯定律。

反鐵電體是這樣一些晶體，晶體結構與同型鐵電體相近，但相鄰離子49x-射線分析表明，在相變溫度以下，反鐵電體中存在超結構線（即附加的衍射線）。這種超結構表示反鐵電體中，晶體結構是由兩種子晶格交錯而成的，而子晶格之間沿相反方向極化。

反鐵電體的例子：磷酸二氫銨（NH4H2PO4），鋯酸鉛（PbZrO3）x-射線分析表明，在相變溫度以下，反鐵電體中存在超結構線（即50PbZrO3反鐵電體相晶格結構示意圖

PbZrO3反鐵電體相晶格結構示意圖51反鐵電體鋯酸鉛的介電常數與溫度的關系

反鐵電體鋯酸鉛的介電常數與溫度的關系52介電和鐵電基礎及應用匯總課件53介電和鐵電基礎及應用匯總課件54電場對反鐵電體的作用：鐵電體和反鐵電體常常是同型體，此外還觀察到了鐵電態與反鐵電態之間的轉變。這表明鐵電態的自由能和反鐵電態的自由能可以非常接近（特別是在PbZrO3型和WO3型結構中）。直流電場的作用肯定有利于鐵電態而不利于反鐵電態。現以PbZrO3反鐵電體說明如下。

電場對反鐵電體的作用：55反鐵電體鋯酸鉛的電滯回線以及臨界電場與溫度的關系

反鐵電體鋯酸鉛的電滯回線以及臨界電場與溫度的關系56鐵性體ferroics鐵磁體：鐵磁、反鐵磁、亞鐵磁、抗鐵磁鐵電體：鐵電、反鐵電鐵彈體：鐵彈、反彈電鐵性體ferroics鐵磁體：鐵磁、反鐵磁、亞鐵磁、抗57summaryferroelectrics：spontaneouspolarization,andswitchableunderexternalfieldfeatures：hysteresisloop，Curietemperature，criticalphenomenonTypicalferroelectrics：BaTiO3，KH2PO4Displaciveandorder-disordertypeofferroelectrics,uniaxialandmultiaxialQuantumpapelectrics，relaxor，polymer，antiferroelectricssummaryferroelectrics：spontane58Assignments什么是自發極化強度？剩余極化強度？矯頑電場？為什么鐵電材料只分布于從立方晶系到單斜晶系的10個點群中？常見的鐵電晶體的分類有哪些？什么是反鐵電體？電滯回線與鐵電體有什么不同？Assignments什么是自發極化強度？剩余極化強度？矯頑59第六節壓電材料-1正壓電效應：材料受到應力作用而處于應變狀態時，材料內部會引起電極化和電場，表面出現感應電荷。逆壓電效應：材料受到電場力作用產生電極化時，材料會產生應變。一、正壓電效應和逆壓電效應二、壓電效應的機制無對稱中心的晶體中正負離子的位移引起壓電效應具有反演對稱中心的晶體無壓電效應無反演對稱中心的石英晶體有壓電效應第六節壓電材料-1正壓電效應：材料受到應力作用而處于應變狀60第六節壓電材料-2壓電體必須是離子晶體或離子團組成的分子+第六節壓電材料-2壓電體必須是離子晶體或離子團組成的分子+61第六節壓電材料-3三、壓電材料主要工程參數1、機械品質因素壓電振子：具有一定取向和形狀的壓電晶片具有固有的機械諧振頻率。當外電場的頻率與其一致時，由于逆壓電效應會產生機械諧振。這種晶片稱壓電振子。壓電振子在諧振子時，會產生內耗，造成機械能損失，反映這種機械能損耗程度的參數為機械品質因數Qm，定義為：Wm為每振動周期內單位體積存貯的機械能；△W為每振動周期內單位體積損耗的機械能Qm與振動模式有關，如壓電振子的形狀、振動的晶體學方向、振動頻率等第六節壓電材料-3三、壓電材料主要工程參數1、機械品質因素62第六節壓電材料-4四、壓電材料種類2、機電耦合系數或科研和工程中最重要的參數，有的材料可達70%以上晶體：石英、鈮酸鋰(LiNbO3)、碘酸鋰等半導體：CdS,CdSe,ZnO,ZnS,ZnTe,ZdTe,GaAs,GaSb等壓電陶瓷：BaTiO3,PbTiO3第六節壓電材料-4四、壓電材料種類2、機電耦合系數或科研和63第六節壓電材料-5五、壓電材料的應用舉例1、水聲換能器水中聲納=空中雷達2、壓電超聲換能器利用逆壓電效應，在高強度電場下產生高強度超聲波，用于超聲清洗、超聲乳化、超聲粉碎、超聲治療等實現水中電能與聲能的相互轉化3、壓電點火器壓電晶體受到外力作用后，在電極面上會感應出電荷，電荷聚集形成高電。利用高壓可產生火花放電。這種電火花可用于點燃煤氣、炮彈，及用于壓電高壓發生器。4、石英電子表其他：拾音器、蜂鳴器、流量計、計數器等第六節壓電材料-5五、壓電材料的應用舉例1、水聲換能器水中64第七節熱釋電材料-1一、熱釋電效應晶體因溫度變化而引起晶體表面電荷的現象稱為熱釋電效應二、熱釋電效應機制電氣石中發現：硫磺粉末（黃色）和氧化鉛粉末（紅色）混合，用絲質篩子篩灑加熱后的電氣石，它們將分別覆蓋于電氣石沿三次軸方向的兩端。溫度引起的自發極化的改變。自發極化的改變來自于離子的位移電氣石是一種具有固有極化的晶體具有自發極化，即晶體結構的某些方向正負電荷重心不重合。不存在對稱中心，且存在與其他極化軸不同的唯一極化軸石英晶體不產生熱釋電效應示意圖晶體中存在熱釋電效應的前提第七節熱釋電材料-1一、熱釋電效應晶體因溫度變化而引起晶體65第七節熱釋電材料-2三、熱釋電材料1、晶體2、有機高聚物晶體熱釋電晶體：CaS,CaSe,Li2SO4·H2O,ZnO鐵電晶體：LiNbO3,LiTaO3,PhTiO3,Pb(ZnTi)O3,BaTiO3等特點：自發極化不能為外電場轉向特點：自發極化能為外電場轉向例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面積制作，工藝簡單，一般用薄膜四、熱釋電材料的應用1938年首先用于紅外探測器030923第七節熱釋電材料-2三、熱釋電材料1、晶體2、有機高聚物66第七節熱釋電材料-3紅外探測器原理：Q表示晶體表面的電荷面密度，P為自發極化強度，T為溫度，則設兩極板面積為A，負載電阻為R，則熱釋電電壓為：Pi為晶體的熱釋電系數。一般材料為10-4~10-6C/(cm2·K)通過測量訊號電壓的變化實現了對遠距離熱輻射目標溫度變化的測量。熱釋電紅外探測器原理盡你所能，想出或查出檢測極化電荷分布的方式第七節熱釋電材料-3紅外探測器原理：Q表示晶體表面的電荷面67第八節熱電材料-1一、熱電效應兩種不同的導體構成閉合回路，若使其結點出現溫度差，則閉合回路中就會有電流流動，此現象為熱電效應，相應的電勢稱為熱電勢。熱電材料：把熱能轉變為電能的材料1、塞貝克（Seebeck）效應T0第八節熱電材料-1一、熱電效應兩種不同的導體構成閉合回路，68第八節熱電材料-2即，若T1＜T2時，電流由a點流向b點，稱A的電勢φA大于B的電勢φB。

設△VAB=φA-φB；△T=T2-T1，則實驗證明，△T不太大時，有△VAB與∝△T均質導體定律：要確定熱電勢的大小必須保證A、B兩種材料的化學成分和物理狀態完全均勻，否則將要難以獲得確定的熱電勢中間導體定律：如果在回路中引入第三種金屬導體，那么只要第三種金屬接入的兩端溫度相同，則對原回路年產生的熱電勢不發生影響中間溫度定律：只要兩種材料廠均質，兩端溫度恒定，即使回路中某一部分處于任何其他溫度，原回路產生的熱電勢不變基本規律：定量描述：規定：冷端電流流出的材料的電勢相對于流入的材料的電勢為正。第八節熱電材料-2即，若T1＜T2時，電流由a點流向b點，69第八節熱電材料-3一些元素的熱電勢排序（前者熱電勢相對于后者為正）：Si,Sb,Fe,Mo,Cd,W,Au,Ag,Zn,Rh,Ir,Tl,Cs,Ta,Sn,Pb,Mg,Al,Hg,Pt,Nd,Pd,K,Ni,Co,Bi例：若T1>T2,電流逆時針流動；反之，順時針流動稱SA和SB分別為材料A和B的塞貝克系數定義相對塞貝克系數SAB=SA-SB：則：△VAB=SAB·△T若溫度差較大，一般有：第八節熱電材料-3一些元素的熱電勢排序（前者熱電勢相對于后70第八節熱電材料-42、珀爾貼（Peltier）效應兩種材料的接觸點通以電流時，會產生吸熱或放熱現象。基本規律：電流反向時，吸熱或放熱特性也改變；單位時間內產生的熱量與通過的電流成正比：珀爾貼熱QP與焦耳熱QJ的區分：QP+QJ（QP+QJ）-（-QP+QJ）=2QP-QP+QJ（QP+QJ）+（-QP+QJ）=2QJ第八節熱電材料-42、珀爾貼（Peltier）效應兩種材料71第八節熱電材料-53、湯姆遜（Thomson）效應具有溫度梯度的一段均勻導體通過電流時，會產生吸熱和放熱現象單位時間內單位長度導體所吸收或放出的熱量與通過的電流I成正比，與導體中的溫度梯度dT/dx成正比電流方向改變時，吸放熱特性也改變說明：湯姆遜效應發生在同一導體上；也是一種可逆的熱效應，容易與焦耳熱區分開。基本特征：第八節熱電材料-53、湯姆遜（Thomson）效應具有溫度72第八節熱電材料-6二、熱電效應的產生機理：1、溫度引起熱電子由熱端向冷瑞遷移，建立內電場，從而形成溫差電動勢------------+++++-----熱冷熱電子流定義熱電勢系數S：dV為溫差為dT時導體兩端建立的電位差S與材料性質、微結構及其溫度有關塞貝克系數S本質上就是熱電勢系數2、不同金屬的溫差電動勢的疊加構成閉合回路的凈的熱電動勢第八節熱電材料-6二、熱電效應的產生機理：1、溫度引起熱電73第八節熱電材料-7一般半導體的熱電勢系數最大鉑和鉑銠合金的熱電勢系數溫度參考點是273K，0.1MPa第八節熱電材料-7一般半導體的熱電勢系數最大鉑和鉑銠合金的74介電和鐵電基礎及應用匯總課件75第八節熱電材料-8三、熱電材料的應用1、測溫:熱電偶接觸電動勢和溫差電動勢共同構成兩種材料構成的閉合回路的電動勢第八節熱電材料-8三、熱電材料的應用1、測溫:熱電偶接觸電76第八節熱電材料-103、致冷：利用珀爾貼效應2、溫差發電：塞貝克效應高山、太空、月球等用電第八節熱電材料-103、致冷：利用珀爾貼效應2、溫差發電：77第二章光學材料第二章光學材料78第一節光與固體的相互作用-1一、光的本質光的波粒二象性：真空中：介質中：電磁波譜：二、光與固體的作用作用的本質：光是一種電磁波，光與固體的作用就是固體中的帶電粒子或磁性粒子在電磁場作用的表現出來的行為。實際上主要表現為與電子的相互作用可見光：390nm~770nm第一節光與固體的相互作用-1一、光的本質光的波粒二象性：真79第一節光與固體的相互作用-2電子的兩種響應行為：電子極化：電磁波對電子運動產生微擾電子能態躍遷：電子吸收整個光子能量，使得狀態顯著改變1、金屬材料由于自由電子的存在，金屬對所有的低頻電磁波（從無線電波到紫外光）者是不透明的，只有對高頻電磁波X射線和γ射線才透明（為什么？）金屬吸收光子后能態的變化第一節光與固體的相互作用-2電子的兩種響應行為：電子極化：80第一節光與固體的相互作用-3金屬的高反射率的應用：反光鏡能量的釋放形式：反射光和熱能金屬的顏色不是由吸收光的波長決定，而是由反射光的波長決定金屬的色澤：金為黃色：光譜紅端吸收和反射都最強，紫端透射最多。金泊的射光呈淡綠色第一節光與固體的相互作用-3金屬的高反射率的應用：反光鏡能81第一節光與固體的相互作用-42、非金屬材料非金屬材料對可見光吸收的三種機理電子極化：當光的頻率與電子極化時間的倒數相近時才顯著價帶電子吸收光子進入禁帶中的雜質或缺陷能級價帶電子或禁帶中雜質或缺陷能級上的電子吸收光子而越過禁帶進入導帶非金屬材料的透光性：理想無缺陷的單晶體：可見光光子的能量范圍約為：1.8eV~3.1eV。因此禁帶寬度小于1.8eV的半導體材料是不透明的，大于3.1eV是透明的，在這之間是半透明的有晶界和缺陷的非金屬材料：即使禁帶較寬，也可能不透明能量的釋放形式：光子或聲子形式釋放第一節光與固體的相互作用-42、非金屬材料非金屬材料對可見82第一節光與固體的相互作用-5第一節光與固體的相互作用-583顏色：人類的視覺系統對特定頻率的可見光的一種感覺顏色的合成：糊涂的視覺系統大多數顏色可以由三種基本顏色以適當比例合成，三種基色可以任意選定。一般選紅、綠、藍三種為基色。例：紅+黃=橙色

紅+藍=紫色類似地，從白色光中去掉特定頻段的光后會呈現特定的顏色。例：白光除去紅色光后呈淡藍色。附：人眼感知的物質顏色思考：把各種不同顏色的顏料混合得到什么顏色？物質的顏色：物體反射或發射特定頻率的可見光

顏色：人類的視覺系統對特定頻率的可見光的一種感覺附：人眼感知84第二節 材料發色/光的機理-11、原子激發和分子振動a．原子中電子的激發躍遷。例：當燃燒物質中含Na原子，火焰呈黃色：Na從激發態返回基態時，發出波長為589.6nm、589.0nm的黃光應用：原子發射光譜、焰火一般固體熱輻射的顏色與溫度關系：第二節 材料發色/光的機理-11、原子激發和分子振動a．原子85第二節 材料發色/光的機理-2水或冰的振動吸收主峰在紅外區域，近可見光區域也有少量吸收。故純水、冰呈淡藍色。Cl2蒸氣為綠色，I2蒸氣為紫色b．分子振動和轉動在化合物中，過渡金屬離子處于周圍其它離子產生的配位場中。由于配位的幾何形式不同，配位場強弱不同。d軌道或f軌道中能級分離狀況和電子排布不同，電子在能級間躍遷產生的顏色就有差別。即同一元素的原子在不同配位體中產生不同顏色。2、過渡金屬原子的能級在配位場中的變化無機化合物中色彩絢麗的礦石、寶石、涂料，許多都是過渡金屬化合物形成的。第二節 材料發色/光的機理-2水或冰的振動吸收主峰在紅外區域86介電和鐵電基礎及應用匯總課件87第二節 材料發色/光的機理-4例一：Cr2O3呈綠色，剛玉Al2O3無色把少量Cr2O3摻入Al2O3中，由于結構相似，Cr3+會取代部分Al3+。雖然周圍6個O2-配位不變，但Al3+比Cr3+略小，配位場強弱產生變化，呈紅色。即紅寶石Al2O3:Cr3+有機共軛分子中的離域π鍵：最高占據能級與最低空軌道之間躍遷在可見光區例二：CuSO4·5H2O呈藍色，CuSO4為無色，因為Cu2+的配位場不同3、共軛效應和有機染料有機染料和帶色的有機化合物都是由離域π鍵引起的。應用：服裝、印刷品、食用色素最古老的有機染料-靛藍第二節 材料發色/光的機理-4例一：Cr2O3呈綠色，剛玉A88第二節 材料發色/光的機理-5磁鐵礦Fe3O4：Fe2+Fe3+O4；Fe2+、Fe3+的配位環境也不同，記為I、IIFe2+(I)+Fe3+(II)

Fe3+(I)+Fe2+(II)價電子的這種電子轉移產生光吸收和發射4、電荷轉移效應和顏料例：Al2O3:Fe2+,Ti4+（藍寶石），約0.1%Al3+被Fe2+和Ti4+置換。晶體結構中相鄰的Fe2+與Ti4+相距265pm，dz2軌道重疊；在白光作用下，電子從一個離子跑到另一個離子：Fe2++Ti4+

Fe3++Ti3+；ΔE=E2-E1=2.11eV（右邊能量大于左邊）這種過程稱為光化學的氧化—還原作用。吸收譜譜帶中心位于~~588nm（黃色）。實驗表明，除藍色和藍紫色外，其它顏色的光都被吸收。同素異價離子化合物：同一化合物中，同一元素的離子存在不同價態許多礦物顏色：Fe2+——Si4+的電荷轉移第二節 材料發色/光的機理-5磁鐵礦Fe3O4：Fe2+Fe89第二節 材料發色/光的機理-6金屬低透過率高反射率：能級密集，全吸收；顏色，能態密度不均勻。例，金為黃色；紅寶石玻璃呈紅色金剛石：能隙5.4eV，透明，滲少量N，2.2eV，呈黃色a．光致變色材料1)無機光致變色材料玻璃中含Ag鹽和Cu鹽混合物：Ag++Cu+

Ag+Cu2+2)有機光致變色材料產生化學鍵裂解、互變異構5、電子在固體能帶間躍遷6、其他變色材料發色機理物質受外界光、電、熱、機械力等因素影響后，可發生顏色變化，稱變色材料。制作防偽商標第二節 材料發色/光的機理-6金屬低透過率高反射率：能級密集90第二節 材料發色/光的機理-7例：無色的有機物A在紫光作用下變成橙色的B例：碘汞銅Cu2HgI4隨溫度可以可逆地改變顏色機理：熱運動引起離子位置變化，產生有序-無序轉變b．熱致變色：熱運動引起配位構型變化例：[Co(NH3)5Cl]Cl2加熱時顏色改變，不過逆。保留最高溫度時的顏色———RT———70℃——160℃——220℃——紅色黑色紅色深紅色第二節 材料發色/光的機理-7例：無色的有機物A在紫光作用下91第二節 材料發色/光的機理-8幾乎都是過渡金屬氧化物體系，如WO3體系。充放電過程中發生氧化和還原，離子出現多價態而顯色。應用：電調光玻璃應用：1)連續運轉部件的溫度測量；例電機表面顯示溫升。2)表面溫度分布c．電致變色在外加電場作用下能發生顏色的可逆改變Cr2O360%Al2O340%，加壓，灰色

紅色SmS：RT(黑色);6.5×108Pa,ΔV12%,Sm2+

Sm3+,黑色變為金色d．壓致變色材料：壓力增加配位場強度第二節 材料發色/光的機理-8幾乎都是過渡金屬氧化物體系，如92第五節介電和鐵電材料-12四、反鐵電材料（反鐵電體）一般是離子晶體，電疇內存在兩套極化強度相等、方向相反的亞晶格，使得宏觀不顯自發極化雙電滯回線：AB：反鐵電體特征，類似于一般的線性介質BC、CD：鐵電體特征，出現固有電極化強度五、介電鐵電材料的應用電容器，鐵電材料可用于高容量電容器：電子線路中用于阻斷、耦合、交直流分離、濾波和能量存貯等第五節介電和鐵電材料-12四、反鐵電材料（反鐵電體）一般93第六講壓電陶瓷應用上節課內容?第六講壓電陶瓷應用上節課內容?94某些物質沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產生，會在其某兩個相對的表面產生符號相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關），當外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態，——機械能轉變為電能；反之，在極化方向上（產生電荷的兩個表面）施加電場，它又會產生機械形變，——電能轉變為機械能。具有壓電效應的物質（電介質）稱為壓電材料。FF極化面Q壓電介質機械能｛電能｝正壓電效應逆壓電效應壓電效應一、壓電效應某些物質沿其一定的方向施加壓力或拉力時，隨著形變的產95二、壓電材料的壓電常數

石英晶體是一種各向異性的（壓電材料）介質，在三維直角坐標系內的力——電作用狀態如圖所示：X0°切型石英晶體切片的力——電分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFj

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6yF1～F3分別為沿x、y、z軸的正應力（或應力分量），F4～F6分別為繞x、y、z軸的切向應力，σ1～σ3分別是x、y、z表面由于壓電效應而產生的電荷面密度。其壓電方程為：二、壓電材料的壓電常數X0°切型石英晶體切片的力——電961.物理機制⑴石英晶體：如圖示，晶體內部正負離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現剩余電電荷而產生的。不受力圖2石英晶體壓電模型

三、壓電效應的物理機制1.物理機制不受力圖2石英晶體壓電模型三、壓電效應的物97⑵壓電陶瓷：壓電陶瓷的壓電效應機理與石英晶體大不相同，未經極化處理的壓電陶瓷材料是不會產生壓電效應的。壓電陶瓷經極化處理后，剩余極化強度會使與極化方向垂直的兩端出現束縛電荷（一端為正，另一端為負），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個表面吸附一層來自外界的自由電荷，并使整個壓電陶瓷片呈電中性。當對其施加一個與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將會產生形變，片內束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對另一端異號的束縛電荷影像增強，而使表面的自由電荷過剩出現放電現象。當所受到的外力是拉力時，將會出現充電現象。圖5束縛電荷和自由電荷排列示意圖自由電荷自由電荷電極束縛電荷⑵壓電陶瓷：圖5束縛電荷和自由電荷排列示意圖自由電98⑶兩種壓電材料的特點石英晶體：居里點溫度高（高達573℃），穩定性好，無熱釋電現象。但壓電常數小，成本高。壓電陶瓷：壓電常數大，成本低。但居里點溫度低，穩定性不如石英晶體，有熱釋電現象，會給傳感器帶來熱干擾。利用熱釋電現象特性可以制作熱電傳感器，如紅外探測。3.常用壓電材料

⑴壓電晶體（單晶體）：石英；鈮酸鋰等。⑵壓電陶瓷：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）等。⑶壓電半導體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）等。圖石英晶體的外形

(a)天然石英晶體；(b)人工石英晶體；(c)右旋石英晶體理想外形

m—柱面；R—大棱面；r—小棱面；s—棱界面；x—棱角面

⑶兩種壓電材料的特點3.常用壓電材料圖石英99原理和應用壓電陶瓷片，也是一種發聲元件，它利用壓電效應工作，既可以作發聲元件又可以作接收聲音的元件。而且它很便宜，生日卡上的發聲元件就是它。壓電陶瓷片是在圓形銅底板上涂覆了一層厚約1mm的壓電陶瓷，再在陶瓷表面沉積一層涂銀層，涂銀層和銅底板就是它的兩個電極。壓電陶瓷有一個奇妙的特性－壓電效應：如將它彎曲，它的表面就會出現異種電荷，如反向彎曲，電荷的極性也會相反。奇妙的是如果在壓電陶瓷片的兩個電極上施加一定的電壓，它就會發生彎曲，當電壓方向改變時，彎曲的方向也隨之改變。原理和應用壓電陶瓷片，也是一種發聲元件，它利用壓100利用壓電效應，有了一種聲-電，電-聲轉換的兩用器件，可以當話筒用：對壓電陶瓷片講話，使它受到聲波的振動而發生前后彎曲，當然人的眼睛分辨不出這種彎曲，在壓電陶瓷片的兩電極就會有音頻電壓輸出。相反地，把一定的音頻電壓加在壓電陶瓷片的兩極，由于音頻電壓的極性和大小不斷變化，壓電陶瓷片就會產生相應的彎曲運動，推動空氣形成聲音，這時候，它又成了喇叭。利用壓電效應，有了一種聲-電，電-聲轉換的101介電和鐵電基礎及應用匯總課件102繼續:日常應用繼續:日常應用103等效電路(a)(b)導電層鐘表應用——等效電路壓電傳感器的基片結構如圖，幾何形狀有圓片、方片、圓柱、圓筒等形狀，在基片的兩個相互絕緣(產生電荷)的表面鍍有導電金屬膜(如銀膜)并焊接一對電極而成。由于壓電傳感器的基片一般具有較大的介電常數，電極間的距離也不大，所以壓電傳感器可以等效為一只電容器。等效電路(a)(b)導電層鐘表應用——等效電路104根據高頻電子線路的知識我們知道，石英晶體的交流等效回路是LCR電路，存在兩個諧振頻率：串聯諧振頻率ωS和并聯諧振頻率ωP。當ω<ωS時阻抗特性為容性；ωS<ω<ωP時阻抗特性為感性，ωS～ωP(工作區間)很窄。常用的壓電材料的彈性模量較大，慣性質量較小，所以固有頻率較高，頻響特性較好。但由于輸出阻抗太高，所以對測量電路要求也很高。根據高頻電子線路的知識我們知道，石英晶體的交流等效回105電子鐘表的工作原理是根據“電生磁、磁生電”的物理現象設計而成。即由電能轉換為磁能，再由磁能轉換為機械能，帶動時分針運轉，達到計時目的。

1、晶體管擺輪鐘

以干電池為能源，用晶體管作為開關，擺輪游絲為振蕩系統，統一機芯為J1型，外形與普通鬧鐘一樣。

2、晶體鬧鐘

與晶體管擺輪鐘一樣性能，加上一個由電能供給的鬧時裝置。

3、晶體管擺鐘

用電子電路控制擺作為振蕩元件，外形與機械擺鐘相似。

4、石英鐘

用“石英晶體”作為振蕩器，通過電子分頻去控制馬達運轉，帶動指針。走時精度很高。品種有臺鐘、掛鐘、日歷鐘、鬧鐘、音樂鐘、落地鐘，也有汽車鐘、艦船鐘、天文鐘等各種技術用鐘。

5、數顯鐘

也用石英晶體作為振蕩器，直接用發光管或液晶顯示時間，不用機械傳動。具有時、分、秒、日歷、周歷、月歷等多種功能。

6、電子表

以電池為能源代替發條，不用手上弦，有多種結構，外形同機械手表，統稱電子手表。

電子鐘表的工作原理是根據“電生磁、磁生電”的物理現象設計而成106電子表分為四代第一代是擺輪游絲電子手表，是以擺輪游絲作為振蕩器，以微型電池為能源，通過電子線路驅動擺輪工作。第二代是音叉電子手表，是以金屬音叉作為振蕩器，用電子線路輸出脈沖電流，使機械音叉振動。第三代是指針式石英電子手表，是利用石英諧振器作為振蕩器，通過電子分頻器后驅動步進馬達帶動輪系和指針。第四代是數字式石英電子表，它也是采用石英諧振器作為振蕩器，不同的是它經過分頻、計數和譯碼后利用顯示器件以數字的形式來顯示時間。前三代電子手表均帶有傳統的機械指針機構，而第四代采用大規模集成電路，完全脫離了傳統的機械結構的全電子手表。

電子表分為四代第一代是擺輪游絲電子手表，是以擺輪游絲作為振蕩107繼續:超聲設備繼續:超聲設備108超聲設備超聲設備109超聲波加工裝置及原理錄象超聲波加工裝置及原理錄象110介電和鐵電基礎及應用匯總課件111單相驅動超聲旋轉馬達錄象單相驅動超聲旋轉馬達錄象112介電和鐵電基礎及應用匯總課件113介電和鐵電基礎及應用匯總課件114介電和鐵電基礎及應用匯總課件115介電和鐵電基礎及應用匯總課件116繼續:超聲波與換能器換能器是將機械振動轉變為電信號或在電場驅動下產生機械振動的器件

繼續:超聲波與換能器換能器是將機械振動轉變為電信號或在電場驅117超聲傳感器超聲傳感器包括超聲發射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發射器向被測物體方向發射脈沖式的超聲波。發射器發出一連串超聲波后即自行關閉,停止發射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號,定時電路也開始計時。當超聲波遇到物體后,就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后,定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間,是從發射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。利用傳播時間值,可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單,即聲波傳播時間的一半與聲波在介質中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進行超聲傳感器超聲傳感器包括超聲發射器、超聲接受器、定時電路和控118介電和鐵電基礎及應用匯總課件119介電和鐵電基礎及應用匯總課件120介電和鐵電基礎及應用匯總課件121介電和鐵電基礎及應用匯總課件122超聲波是一種頻率高于人的可聽聲波頻率范圍的聲波。（頻率高于20000Hz）人類聽不出超聲波，但不少動物卻有此本領（如蝙蝠）。超聲波是一種頻率高于人的可聽聲波頻率范圍的聲波。（頻123①聲納

人們利用超聲波定向性好，在水中傳播距離遠特點制成聲納，可以發現潛艇和魚群，還可以測繪海底形狀。②超聲波診斷儀

超聲波可以成像。醫院利用B型超聲波診斷儀做胃部、腹部檢查，還可以觀察胎兒的發育情況。超聲波儀器①聲納

人們利用超聲波定向性好，在水中傳播距離遠特點制124③超聲波速度測定器

利用超聲波的多普勒效應制成速度測定器，交警在高速公路上測定車輛的速度。④超聲波清洗器

超聲波能使清洗液劇烈振動，有去污作用，人們制成超聲波清洗器。③超聲波速度測定器

利用超聲波的多普勒效應制成速度測定125⑤超聲波焊接器

超聲波還能使塑料膜之間摩擦生熱，粘合在一起，制成超聲波焊接器。⑥超聲波手槍（15-30千赫）⑤超聲波焊接器

超聲波還能使塑料膜之間摩擦生熱，粘合在一126可以擊碎結石和體內脂肪的聲學振蕩器這是一種無形的振蕩器，可用以擊碎腎結石和膽結石。聲波就這樣進入到我們的體內，粉碎結石，使我們痊愈。可以擊碎結石和體內脂肪的聲學振蕩器這是一種無形的振蕩器，可127超聲無損探傷

人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實踐中，觀察到大量的斷裂現象，它曾給人類帶來許多災難事故，涉及艦船、飛機、軸類、壓力容器、宇航器、核設備等。

路軌斷裂事故超聲無損探傷人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）128

圖A是超聲波在試塊中傳播的示意圖。圖B為示波器接收得到的超聲波信號。S稱為始波，t0為電脈沖施加在壓電晶片的時刻，也是發射超聲波始波的初始時刻，B1稱為試塊的1次底面回波，t1是超聲波傳播到試塊底面，又發射回來，被同一個探頭接收的時刻。因此，t1對應于超聲波在試塊內往復傳播的時間；B2稱為試塊的2次底面回波，它對應超聲波在試塊內往復傳播到S始波t1B1B2t2t0圖A脈沖超聲波在試塊中的傳播圖B直探頭延遲的測量試塊的上表面后，部分超聲波被上表面反射，并被試塊底面再次反射，即在試塊內部往復傳播兩次后被接收到的超聲波。圖A是超聲波在試塊中傳播的示意圖。圖B為示波器接收得129超聲波檢測儀(a)、(b)、(c)數字式超聲檢測儀；(d)探傷小車

超聲波檢測儀130各種探頭(a)縱波直探頭；(b)橫波斜探頭；(c)雙晶探頭

各種探頭131復合材料的C掃描圖復合材料的C掃描圖132介電和鐵電基礎及應用匯總課件133CT探傷成像（參考中國工程物理研究院應用電子學研究所資料）CT探傷成像（參考中國工程物理研究院應用電子學研究所資料）134超聲波探傷

超聲波探傷是目前應用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達不到的深度。

A型超聲探傷反射波形裂紋超聲波探傷超聲波探傷是目前應用十分廣泛的無損探傷手135A型超聲波探傷起始波缺陷反射波底波工件缺陷A型超聲波探傷起始波缺陷反射波底波工件缺陷136鋼軌探傷車滑板式探頭鋼軌探傷車滑板式探頭137高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）高速鋼軌探傷車鐵路鋼軌探測用的滾軸式探頭（也稱做輪式探頭）138鐵路鋼軌探頭鐵路鋼軌對接焊縫探測用探頭缺陷鐵路鋼軌探傷用滑板式探頭焊縫鐵路鋼軌探頭鐵路鋼軌對接焊縫探測用探頭缺陷鐵路鋼軌探傷用滑板139管道環焊縫

超聲波檢測裝置

管道環焊縫超聲波檢測裝置原理管道環焊縫

超聲波檢測裝置管道環焊縫超聲波檢測裝140超聲探傷儀超聲探傷儀141構件的超聲探傷構件的超聲探傷142構件的超聲探傷構件的超聲探傷143構件的超聲探傷構件的超聲探傷144探頭回波脈沖形狀和頻譜包絡探頭回波脈沖形狀和頻譜包絡145超聲探傷的計算設：顯示器的x軸為10

s/div(格)，現測得B波與T波的距離為6格，F波與T波的距離為2格。求：1）t

及tF；2）鋼板的厚度

及缺陷與表面的距離xF。相關錄象超聲探傷的計算設：顯示器的x軸為10s/div146繼續壓電材料的應用繼續壓電材料的應用147壓電陶瓷點火器

這是一種將機械力轉換為電火花而點燃燃燒物的裝置，是機電換能器。1958年開創利用鈦酸鋇（BaTiO3

）陶瓷的壓電效應進行點火，但這種材料著火率不高，噪音大，1962年開始試用鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷制作點火器，這種點火器廣泛應用日常生活、工業生產以及軍事方面，用以點燃氣體和各類炸藥和火箭的引燃引爆。壓電陶瓷點火器

這是一種將機械力轉換為電火花而148點火器工作過程分高壓產生、放電點火和點燃可燃氣體三個階段。

高壓產生——以圓柱形壓電陶瓷元件為例，如圖5-2所示。當機械力F作用于圓柱體時，晶體發生畸變，導致晶體中正負電荷中心偏移，從而在圓柱體上下表面出現自由電荷大量積聚，產生高壓輸出。

放電點火——把壓電陶瓷元件放在一個閉合回路中，并留一個適當間隙，當電壓升高到該間隙的放電電壓時，間隙中就產生放電火花。點火器工作過程分高壓產生、放電點火和點燃可燃氣體三個階段。

149

（2）點火器結構和工作原理

點火器種類繁多，現以家用壓電點火器為例說明它的結構和工作原理。

如圖所示的點火器，可固定在家用灶具上點燃煤氣，轉動凸輪開關1，利用凸輪凸出部分推動沖擊塊3，并壓縮沖擊塊后的彈簧2。當凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件4一個沖擊力，便在壓電元件兩端產生高壓，并從中間電極5輸出高壓，產生電火花點燃氣體。

（2）點火器結構和工作原理

點火器種類繁多，現以家150

在打火機、煤氣灶、燃氣熱水器等用具上都可以見到它的蹤影。在打火機、煤氣灶、燃氣熱水器等用具上都可以見到151壓電變壓器

從五十年代就開始研制壓電變壓器。當時以鈦酸鋇為主要材料。升壓比較低（只有50—60倍）。輸出電壓3000伏左右。隨著鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的出現，升壓比提高到300——500倍,逐步推廣應用于電視機、靜電復印機、負離子發生器中做為高壓電源。

（1）基本原理`

輸入壓電瓷片的電振動能量通過逆壓電效應轉換成機械振動能，再通過正壓電效應又換成電能。在這兩次能量轉換中實現阻抗變換（由低阻抗變成高阻抗），從而在陶瓷片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出。現以伸縮振動的橫縱向型變壓器為例說明變壓原理。壓電變壓器

從五十年代就開始研制壓電變壓152壓電變壓器基本原理

(2)壓電變壓器的應用

壓電變壓器主要用于高壓、低功率和正弦波變換的情況，具有輸出電壓高，重量輕，體積小，無泄漏磁場、不燃燒等獨特優點。為了獲得多個電壓輸出，根據橫—縱變壓器的輸出電壓與長度成正比，越靠近發電部分端頭，電壓越高，我們可在發電部分的不同位置制作電極作為抽頭，從而獲得不同的電壓輸出。

壓電變壓器基本原理

(2)壓電變壓器的應用

壓電153

（4）壓電陶瓷風扇

利用壓電陶瓷的逆壓電效應可制成小型的壓電陶瓷風扇，具有體積小，不會發熱，無嘈聲、低功耗、壽命長等優點。圖5-9是一個壓電陶瓷彎曲變形器，它由兩片壓電陶瓷片夾一金屬薄片構成，陶瓷片在外電場作用下產生伸縮運動。若兩片陶瓷片加反向電壓，則一邊收縮另一邊伸長，使金屬片彎曲變形，若外加交變電壓，金屬片將作周期性振動

。

壓電陶瓷風扇是由兩個彎曲變形器組成，如圖5-10，接通交流電源后，兩葉片就按箭頭方向做往復振動、產生的風量可達0.42立方米/分鐘。

（4）壓電陶瓷風扇

利用壓電陶瓷的逆壓電效154

壓電陶瓷在計測儀器上有廣泛的應用，這里介紹壓電加速度計。

圖5-11是壓電陶瓷加速度計的示意圖。當被測物體加速度運動時，放在上面的質量為m的質量塊夾在中間的壓電陶瓷片產生壓力F，由于壓電效應，在陶瓷片的上下電極有電壓輸出，此電壓與應力成正比，而應力又與加速度（也即被測物體的加速度）成正比，因而可以測得的輸出電壓求得運動物體的加速度。壓電振動加速計

壓電陶瓷在計測儀器上有廣泛的應用，這里介155二、壓電式加速度傳感器可由F=ma（a——加速度，m——質量塊質量），將加速度轉換成力來測量。1.工作原理(壓電陶瓷)一、壓電式壓力傳感器可由F=PS（P——壓力，S——受壓面積），將壓力轉換成力來測量。（動態壓力測量）二、壓電式加速度傳感器1.工作原理(壓電陶瓷)一156得系統的幅頻特性[輸入為a(t)

，x1(t)的加速度]mKC振動體應變式加速度傳感器的物理模型x2=x+

x12.動態特性⑴傳感器的動態特性：應變式加速度傳感器的模型[質量塊的相對位移x(t),激勵為x1(t)]得系統的幅頻特性[輸入為a(t)，x1(t)的加157⑵傳感器接入測量電路的動態特性（使用電荷放大器）幅頻特性為常量，所以質量塊的相對位移為，因而作用在壓電晶體上的力F(t)為:所以電荷放大器的輸出與激勵加速度的關系為：電荷靈敏度：實際應用中，由于壓電式傳感器的x(t)很小（x1m很小），m也很小，而k很大，所以壓電式加速度傳感器的ωn很大（頻帶較寬），優于應變式傳感器，所以應用較廣泛。⑵傳感器接入測量電路的動態特性（使用電荷放大器）幅158介電和鐵電基礎及應用匯總課件159介電和鐵電基礎及應用匯總課件160壓電式傳感器壓電式傳感器161醫療中的應用醫療中的應用162醫生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位，通電后發出超聲波，傳到人體碰到人體