传染病及其预防课件2-002

第二章

微机电系统功能材料压电材料磁致伸缩材料形状记忆材料电流变液膨胀合金金刚石材料纳米相材料4/2/20241微机电系统技术第二章

微机电系统功能材料压电材料4/1/20241微机电系2.3压电材料压电效应石英晶体压电陶瓷聚偏二氟乙烯薄膜（PVDF）ZnO压电薄膜4/2/20242微机电系统技术2.3压电材料压电效应4/1/20242微机电系统技术传染病及其预防PPT精品课件2传染病及其预防PPT精品课件2压电效应表达式如下：反映压电材料能量转换效率的系数叫做机电耦合系数，用k表示

K=(由正压电效应转化为的电能/输入的机械能）1/2Q=d·F4/2/20245微机电系统技术压电效应表达式如下：反映压电材料能量转换效率的系数叫做机电耦微机电系统功能材料2.3.2石英晶体石英晶体的理想形状为六角锥体。石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。石英晶体又是压电材料，其压电效应与晶向有关石英晶体作为压电材料，主要用于制造压电振子和换能器。4/2/20246微机电系统技术微机电系统功能材料2.3.2石英晶体4/1/20246微机xyz4/2/20247微机电系统技术xyz4/1/20247微机电系统技术石英晶体的坐标轴选取4/2/20248微机电系统技术石英晶体的坐标轴选取4/1/20248微机电系统技术4/2/20249微机电系统技术4/1/20249微机电系统技术Q=d·F石英晶体的压电效应产生的示意图4/2/202410微机电系统技术Q=d·F石英晶体的压电效应4/1/202410微机电系统技4/2/202411微机电系统技术4/1/202411微机电系统技术Q=d·F压电效应表达式：4/2/202412微机电系统技术Q=d·F压电效应表达式：4/1/202412微机电系统技术dij--压电系数D--电位移E--电场强度ε--应变б--应力压电系数4/2/202413微机电系统技术dij--压电系数压电系数4/1/202413微机电系统技术“短路条件”下压电常数“开路条件”下压电常数单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。机电耦合系数4/2/202414微机电系统技术“短路条件”下压电常数“开路条件”下压电常数单位机械应变在石英晶体的压电系数矩阵4/2/202415微机电系统技术石英晶体的压电系数矩阵4/1/202415微机电系统技术Z轴：中性轴Y轴：机械轴X轴：电轴石英晶体的压电系数矩阵4/2/202416微机电系统技术Z轴：中性轴石英晶体的压电系数矩阵4/1/202416微机应用传感器：压力，加速度。执行器：微致动器，马达，超声波换能器。其它：晶体震荡器。4/2/202417微机电系统技术应用传感器：压力，加速度。4/1/202417微机电系统技术微机电系统功能材料2.3.3压电陶瓷陶瓷材料是以化学合成物质为原料，经过精密的成型烧结而成。烧结前，严格控制合成物质的组份比，便可以研制成适合多种用途的功能陶瓷，如压电陶瓷、半导体陶瓷、导电陶瓷等压电陶瓷是陶瓷经过电极化之后形成的。4/2/202418微机电系统技术微机电系统功能材料2.3.3压电陶瓷4/1/202418微2.3.3

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,如图（a）所示。

4/2/202419微机电系统技术2.3.3压电陶瓷4/1/202419微机电系统技术

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,如图（b）所示。4/2/202420微机电系统技术在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动4/2/202421微机电系统技术4/1/202421微机电系统技术压电陶瓷的压电系数矩阵4/2/202422微机电系统技术压电陶瓷的压电系数矩阵4/1/202422微机电系统技术4/2/202423微机电系统技术4/1/202423微机电系统技术压电陶瓷材料有很多种，最早的是钛酸钡，现在最常用的是锆钛酸铅（PZT）利用材料复合技术，也研制出不少类型的压电复合材料。如聚偏二氟乙烯混合材料:填充压电陶瓷借以增强压电效应，聚合物相则可以降低材料的密度和介质常数，增加材料的柔性微机电系统功能材料4/2/202424微机电系统技术压电陶瓷材料有很多种，最早的是钛酸钡，现在最常用的是锆钛酸铅微机电系统功能材料2.3.4聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯简称PVDF是一种压电和热释电功能材料。聚偏二氟乙烯薄膜通常用单向拉伸或双向拉伸改善其机械特性和压电特性。聚偏二氟乙烯薄膜在温度作用下会产生热应力变化，导致电荷的电效应，即热释电效应。在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应。Ps和T分别代表极化强度和温度热释电常数4/2/202425微机电系统技术微机电系统功能材料2.3.4聚偏二氟乙烯Ps和T分别代表极化PiezoelectricCoefficientsandOtherRelevantPropertiesforaSelectedListofPiezoelectric4/2/202426微机电系统技术PiezoelectricCoefficientsand

在以一定的升温速度加热高聚物驻极体时,能使原来“冻结”的极化电荷释放出来,这种电荷称为热释电效应(pyroelectriceffect)。高聚物驻极体polymeric

electret在无外电场作用下，能半永久保持电极化状态，并向周围环境施加电作用力的聚合物电介质。

PVDF是典型的压电和热释电高聚物,其压电性的起源自它被发现起就是一个争论的话题.一般地认为,PVDF的压电性可归因于以下两个机理.一是尺寸效应，二是结晶相的本征压电性.4/2/202427微机电系统技术在以一定的升温速度加热高聚物驻极体时,能使原来“冻结”的极一尺寸效应：

所谓尺寸效应是假定偶极子为刚性,不随外加应力变化,是由膜厚变化所引起了压电性.厚度的减小会使膜表面的诱导电荷增加.二是结晶相的本征压电性：结晶相的压电性由电致伸缩效应及剩余极化所决定.晶相和非晶相的介电常数具有不同的应变依赖性,材料处于极化状态时,由电致伸缩效应产生压电性.晶区的极化强度对应变具有依赖性,使晶区产生内部压电性.4/2/202428微机电系统技术一尺寸效应：4/1/202428微机电系统技术热释电常数矩阵4/2/202429微机电系统技术热释电常数矩阵4/1/202429微机电系统技术微机电系统功能材料聚偏二氟乙烯具有如下特点可制成柔软而结实的检测元件，附着在被测对象的弯曲或柔性表面上。化学稳定性高，且不会析出有毒物质，与血液有良好的兼容性。有和水及人体软组织相接近的低声学阻抗压电常数比石英高一个数量级加工性能好，易于大面积制造内阻大，固有频率高，具有优异的宽频带响应特性4/2/202430微机电系统技术微机电系统功能材料聚偏二氟乙烯具有如下特点4/1/20243聚偏二氟乙烯（PVDF）4/2/202431微机电系统技术聚偏二氟乙烯（PVDF）4/1/202431微机电系统技术4/2/202432微机电系统技术4/1/202432微机电系统技术微机电系统功能材料2.3.5ZnO压电薄膜ZnO是6mm点群对称的六角晶系纤锌矿晶体。ZnO薄膜与各种非压电材料衬底有优异的结合性能。4/2/202433微机电系统技术微机电系统功能材料2.3.5ZnO压电薄膜4/1/2024六角形结构(

nm)晶面构成谐振腔Lasing4/2/202434微机电系统技术六角形结构(nm)晶面构成谐振腔4/1/202434微机电4/2/202435微机电系统技术4/1/202435微机电系统技术4/2/202436微机电系统技术4/1/202436微机电系统技术微机电系统功能材料ZnO薄膜的用途（1）作为压电激振器和检测器（2）压电换能器（3）声表面波谐振器和声表面波滤波器缺点：薄膜在生长过程中内部会存在残余应力，其会影响器件使用的稳定性。4/2/202437