【正文】 底層 Ag電極 PbAg內(nèi)電極 片式結(jié)構(gòu) 外層純 Sn電極 123 IR Sensors and ferroelectric materials Remote control Garage opener Nightvision Thermal sensor 124 壓電材料的應(yīng)用 ? 氣體點火器 Gas Ignitors ? 超聲換能器 Ultrasonic Transducers ? 聲頻換能器 Audio Transducers ? 揚聲器 Speakers ? 醫(yī)用超聲 Medical Ultrasound ? 測量器件 Measurement Devices ? 濾波器和諧振器 Filters and Resonators ? 高壓器件 /變壓器 High Voltage Devices ? 傳感器和壓電馬達(dá) Sensors and Actuators 125 壓電陶瓷材料 126 Piezoelectric Gas Ignitors 壓電陶瓷廣泛用于日常生活中。用兩個直徑３毫米、高５毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石制成的氣體電子打火機 ,可連續(xù)打火幾萬次。利用同一原理制成的電子點火槍是點燃煤氣爐極好的用具。 打火元件十年前日本攏斷世界生產(chǎn)，而今中國產(chǎn)量最大。 127 在潛入深海的潛艇上 ,都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統(tǒng) 。 它是水下導(dǎo)航 、 通訊 、 偵察敵艦 、 清掃敵布水雷的不可缺少的設(shè)備 ,也是開發(fā)海洋資源的有力工具 ,它可以探測魚群 、勘查海底地形地貌等 。 在這種聲納系統(tǒng)中 ,有一雙明亮的“ 眼睛 ” ,壓電陶瓷水聲換能器 。 當(dāng)水聲換能器發(fā)射出的聲信號碰到一個目標(biāo)后就會產(chǎn)生反射信號 ,這個 反射信號被另一個接收型水聲換 能器所接收 ,于是 ,就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo) 。 目前 ,壓電陶瓷是制作水聲換能器 的最佳材料之一 。 還有一種用壓電陶瓷元件制作的兒童玩具 ,比如在玩具小狗的腳中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器 ,玩具就會發(fā)出逼真有趣的聲音。 128 與普通電磁馬達(dá)相比，壓電馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動快、體積小、功耗低等特點。另外，由于它是從電能直接轉(zhuǎn)換為機械能而不通過磁電轉(zhuǎn)換，因此，不產(chǎn)生磁干擾也不怕磁干擾。它還可以低速運行而不用減速機構(gòu)。這種微型電機在航空、航天、精密機械、儀器儀表、自動控制、機器人、掃描電鏡微動臺、照相機自動聚焦、磁頭移動、機動車輛刮水器和電動開關(guān)車窗等許多技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 壓電馬達(dá) 129 掃描隧道顯微鏡 130 思考題 1） 從介電溫譜的測量結(jié)果可以得到哪些 物理信息？ 2） 介電極化有哪幾種類型？ 131 Thank you very much! END 132 電介質(zhì)材料的介電常數(shù)及損耗的頻率特性 實驗測量 測量幾種介質(zhì)材料的介電常數(shù) ?和介質(zhì)損耗角正切（ tan?）與頻率的關(guān)系，從而了解它們的 ?、 tan? 的頻率特性。 133 原理 介電常數(shù)，又稱電容率，是電位移 D與電場強度 E之比 = D/E ，其單位為 F/m ，而相對介電常數(shù)為同一尺寸的電容器中充入電介質(zhì)時的電容和不充入電介質(zhì)時真空下的電容之比。介電常數(shù)小的電介質(zhì)，其分子為非極性或弱極性結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)大的電介質(zhì)，其分子為極性或強極性結(jié)構(gòu)。 在交變電場作用下，電介質(zhì)的介電常數(shù)為復(fù)數(shù)，復(fù)介電常數(shù)的實部與上述介電常數(shù)的意義是一致的，而虛部表示損耗。介質(zhì)的介電損耗是指由于導(dǎo)電或交變電場中極化弛豫過程在電介質(zhì)中引起的功率損耗。這一功率損耗是通過熱耗散把電場的電能消耗掉的結(jié)果。 134 電介質(zhì)的介電損耗一般用損耗角正切 tan? 表示，并定義為： 。在直流電場下，電介質(zhì)內(nèi)只有泄漏電流所產(chǎn)生的電導(dǎo)損耗；但在交變電場中，除電導(dǎo)損耗外還存在著各種形式的極化所產(chǎn)生的損耗，即松弛極化損耗。此時，復(fù)介電常數(shù) 的虛部與實部的比值，即為介電損耗值，即 ，又稱介質(zhì)損耗因數(shù)。 δ是電介質(zhì)的電位移 D由于極化弛豫而落后電場 E的一個相位角。由于介質(zhì)的各種極化機構(gòu)在不同的頻率范圍有不同的響應(yīng)和不同頻率下產(chǎn)生不同的電導(dǎo)率，所以介質(zhì)的介電常數(shù)和介電損耗都是隨頻率的變化而變化。如不考慮邊緣效應(yīng)，平板試樣的電容量可用下式表示： tan ? ? 介 質(zhì) 損 耗 的 功 率 （ 即 有 功 功 率 ）無 功 功 率i? ? ?? ????ta n /? ? ??? ??0 ()r sCFd??? (1) 式中 s —— 電極的面積，米 2； d —— 介質(zhì)的厚度，米； εr—— 介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)。 135 將 ε0的值代入（ 1）式，得到： 100 ()3 . 6r sC p Fd??? 由此得 3 .6100rdCs?? ?如果電極呈圓形，當(dāng)其直徑為 D米時，介電常數(shù)的計算公式如下： 21 4 . 4 100rdCD? ?其所用單位 d ——米， Ｃ — pF , D ——米。 136 數(shù)據(jù)處理 1. 由測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換 :C→ε ＇； 2. 用 origin軟件繪圖，繪出 ε＇ ~ f和 tg δ ~ f關(guān)系曲線； 3. 對所得曲線進(jìn)行分析：分析 ?， tan?與頻率變化的原因，并分析產(chǎn)生誤差的可能性； 4. 比較不同偏壓下的 ε , tg δ與頻率關(guān)系曲線的異同，并分析原因。 137 ?tg的溫度特性與損耗因子類似，但?tg的極值溫度39。mT比r?的極值溫度mT低。 當(dāng)( ) 39。 /s? ? ? ? ??時，?tg到達(dá)極大值 因此msm????? ???139。 由ABTmm lnln 39。39。 ??? 可知 mm TT ?39。 138 解釋39。r?和r?的溫譜曲線： 溫度很低，熱運動很弱，熱運動能量很小，極化粒子幾乎處于“凍結(jié)”狀態(tài)，與熱運動有關(guān)的弛豫極化建立速度很慢，弛豫時間很長，完全來不及隨外電場發(fā)生變化，弛豫極化難以建立，只有瞬時極化，39。r?趨于光頻介電常數(shù)??，介 質(zhì)損耗r?，?tg很小。 溫度升高，極化粒子熱運動能量增大，弛豫時間減少，可與外加電場變化周期相比擬，弛豫極化建立，39。r?相應(yīng)增加，隨著溫度繼續(xù)升高，弛豫時間很快降低，39。r?急劇增加，幾乎趨近于靜態(tài)介電常數(shù)s?，當(dāng)39。r?劇烈變化的同時，伴隨能量損失，出現(xiàn)損耗極值，1???區(qū)域，r?取極值。 溫度繼續(xù)升高，弛豫時間繼續(xù)減少，弛豫極化完全來及建立39。r?，39。r?趨近于s?，損耗r?，?tg又恢復(fù)到很小。 當(dāng)頻率改變，r?，?tg極值溫度隨頻率增加向高溫方向移動，反之向低溫移動，頻率升高，電場周期變短，mm??1?，弛豫時間?減小，mT升高，出現(xiàn)弛豫極化溫區(qū)，39。r?由??增加至s?的溫區(qū)，也隨之向高溫方向移動，r?，?tg峰值的溫度也相應(yīng)升高。 139 介電頻譜 140 順電相 BaTiO3的結(jié)晶學(xué)原胞 整個 BaTiO3晶格可以看成是由 Ba、 Ti、 OI、OII、 OIII自構(gòu)成的簡單立方格子套構(gòu)而成。 在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，有一種非常重要的結(jié)構(gòu) 氧八面體結(jié)構(gòu)。 141 The PbZrO3 – PbTiO3 system ? Solid solution of ferroelectric PbTiO3 and antiferroelectric PbZrO3 ? PbTiO3 Tc ~ 490 oC a = 197。 , c= 197。 (c/a = ) ? PbZrO3 Tc ~ 230 oC a= 197。 , b= 197。, c= 197。 ? MPB (Morphotropic phase boundary) shows superior dielectric and piezoelectric properites in bulk ceramics Tetragonal Cubic Rhombohedral (High Temp.) Rhombohedral (Low Temp.) T (?C) Mole % PbTiO3 PbZrO3 PbTiO3 Orthorhombic , , and , “Piezoelectric ceramics” Academic Press, London and New York (1971) 142 Co = Q/V = ?oA/d C = ?A/d ?r = ? /?o Dielectric 143 Ferroelectricity (., Pb(Zr,Ti)O3) Below the Curie Point, displacement of O and B site ions giving a spontaneous polarization ? Corresponds to distortion of the unit t cell ? Multiple possible orientations of the spontaneous polarization ? In a ferroelectric material, the spontaneous polarization is switchable between these orientations Psa t u r a t io nECECPRPR Po l a ri z a t i o n( ? C / c m2)El e c t ri c f i e l d (k V/ c m )A (Pb) B (Zr or Ti) O 144 Piezoelectricity =Pressure Piezoelectricity Stress Crystal 145 Pyroelectricity =Heat Pyroelectricity (Spontaneous polarization) Variation in temperature Cryatal 146 Electrooptic