《壓電傳感器》ppt課件 (2)-文庫吧
2024-12-30 10:42 本頁面
【正文】 ”代表硅離子 Si4+， “ － ” 代表氧離子 O2。 2. 石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理 18 硅氧離子的排列示意圖 x (a) x y (b) + y + + 19 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí) ， 正 、 負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上 ， 形成三個(gè)互成 120176。 夾角的電偶極矩 PP P3。 如圖所示 。 因?yàn)?P = qL（ q為電荷量， L為 正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí) 正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩 的矢量和等于零，即 P1+P2+P3＝ 0 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。 20 21 當(dāng)晶體受到沿 x方向的壓力（ F x 0）作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（ b）所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩 P1減小， P P3增大，它們在 x 方向上的分量不再等于零 : (P1+P2+P3)x0 在 y、 z方向上的分量為 : (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0 22 23 在 x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在 y、 z方向依然不出現(xiàn)電荷。 當(dāng)晶體受到沿 x方向的拉力（ Fx ＞ 0）作用時(shí)，其變化情況如圖所示。電偶極矩 P1增大， P P3減小，此時(shí)它們在 x、 y、 z三個(gè)方向上的分量為 (P1+P2+P3)x0 (P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z=0 24 25 可見，當(dāng)晶體受到沿 x(電軸 )方向的力 Fx 作用時(shí)，它在 x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而 y、 z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 晶體在 y軸方向受力 Fy作用下的情況與 Fx 相似。當(dāng) Fy＞ 0時(shí)，晶體的形變與圖（ b）相似；當(dāng) Fy ＜ 0時(shí)，則與圖（ c）相似。 26 晶體在 z軸方向受力 Fz的作用時(shí)，因?yàn)榫w沿 x方向和沿 y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸 )方向的力 Fz 作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 27 3. 作用力與電荷的關(guān)系 （ a） y x z O 若從晶體上 沿 y方向 切下一塊如圖 （ a） 所示的晶片 ，當(dāng)沿電軸 x方向施加應(yīng)力 σx時(shí) ，晶片將產(chǎn)生厚度變形 ， 并發(fā)生極化現(xiàn)象 。 在晶體線性彈性范圍內(nèi) ， 極化強(qiáng)度 P11與應(yīng)力 σx 成正比 。 x b z y a c （ b ） 28 acFddP xx 111111 ?? ?即： d11—— 壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向； a、 c—— 石英晶片的長度和寬度。 而 P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度 acqP x?11將以上兩式聯(lián)立，得 xx Fdq 11?29 反之，若沿 x方向?qū)┘与妶?，電場?qiáng)度大小為 Ex 。根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在 x軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即： Δb=d11U x xxxxx CFdCqU11??也可用相對應(yīng)變表示為： xx EdbUdbb1111 ???30 若在同一切片上 ， 沿機(jī)械軸 y方向施加應(yīng)力 σy，則仍在與 x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 qy， 其大小為 yy FbadFbcacdq 121212 ??根據(jù)石英晶體軸對稱條件： d11 = d12，則： yFbadq 1112 ??晶片厚度 31 反之，若沿 y方向?qū)┘与妶?，根?jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在 y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即 xUabdb11???xyxx CFabdCqU1112 ???或用相對應(yīng)變表示： xEdaa11???32 Fx (b) x + + + + + + + + + + (a) Fx x x Fy (c) + + + + + Fy (d) x + + + + + 石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系 33 ① 當(dāng)晶片受到 x方向的壓力作用時(shí)， qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)； ② 沿機(jī)械軸 y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的； ③ 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的； ④ 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)； ⑤ 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)系。 34 壓電陶瓷的壓電特性 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料 。 材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的 電疇 ， 它有一定的極化方向 ， 從而存在電場 。 在無外電場作用時(shí) ， 電疇在晶體中雜亂分布 ， 它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消 ， 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零 。 因此原始的壓電陶瓷呈中性 ， 不
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