第八章压电器件

第八章压电器件 本次课的要点： 1、掌握压电效应的基本知识； 2、熟悉常见的几种压电材料及其特点； 3、认识几种常见的压电陶瓷滤波器； 4、了解压电器件在传感器中的应用。

要点一、压电效应的基本知识 压电效应 1、定义：某些电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形，其内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，我们把这种现象称为压电效应。

2、特性： 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。 3、分类 1）正压电效应：把机械能转化成电能的现象。 2）逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场，电介质发生形变的现象。 4、作用压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。

5、有无压电效应的判断 晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩（极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性；另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。具有压电效应的晶体不具有压电效应的晶体

要点二、常见的压电材料及其特点 常见的压电材料按其结构特点分为三类：压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜。一、压电单晶常用的压电单晶有石英、磷酸二氢铵、锗酸铋等。特点：重现性好、稳定性高，但培养单晶比较困难，成本较高。二、压电陶瓷目前常用的压电陶瓷有以下三种： 1、一元系压电陶瓷 2、二元系压电陶瓷（PZT陶瓷） 3、三元系压电陶瓷

特点：压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的。它制造工艺简单，价格低廉，容易制成任意形状，尺寸不受限制，而且可以通过成分和工艺的适当调整和选择来改变其各项性能，缺点是重现性和一致性较差，均匀性和机械强度不够理想，限制了它在更高频率范围的应用。特点：压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的。它制造工艺简单，价格低廉，容易制成任意形状，尺寸不受限制，而且可以通过成分和工艺的适当调整和选择来改变其各项性能，缺点是重现性和一致性较差，均匀性和机械强度不够理想，限制了它在更高频率范围的应用。三、压电薄膜它是用溅射或蒸镀等方法制备的具有高度取向性的薄膜压电材料，如硫化镉、氧化锌等。还有一些以有机高分子化合物制成的薄膜压电材料，其特点是具有良好的成型性和柔顺性，加工也比较简单，可制成大面积薄膜，其中压电性最强的是聚偏二氟乙烯。

四、几个重要的概念 1、压电常数它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。 2、弹性常数压电材料的弹性常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 3、介电常数对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

4、绝缘电阻 压电材料的绝缘电阻可减少电荷泄露，改善传感器低频特性。 5、机械耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量与输入能量之比的平方根，它是衡量压电材料电能量转换效率的重要参数。 6、居里点压电材料开始丧失压电特性的温度。

要点三、压电陶瓷滤波器 压电陶瓷滤波器是具有选频特性的一种新型器件，其体积小，温度稳定性高，生产工艺简单，现已逐步用来代替各种LC谐振回路完成选频作用。一、压电陶瓷滤波器的工作原理 1、压电振子在压电陶瓷片的两面被银作为电极就成为一个压电振子。当我们在电极上加以交变电压时，由于压电效应，陶瓷片即随交变信号的变化而产生机械振动，这种机械振动能够转换成电信号的输出。

一定几何尺寸的压电陶瓷片本身都有一个固定的振动频率，当外加高频信号的频率等于陶瓷片的固有频率时，机械振动最强，输出的电信号也最大，这种现象叫做谐振。与LC谐振回路很相似，因此压电振子可以等效成一个LC谐振回路。一定几何尺寸的压电陶瓷片本身都有一个固定的振动频率，当外加高频信号的频率等于陶瓷片的固有频率时，机械振动最强，输出的电信号也最大，这种现象叫做谐振。与LC谐振回路很相似，因此压电振子可以等效成一个LC谐振回路。由于压电陶瓷振子输出的电信号是由机械振动转换来的，而机械振动的频响很尖锐，所以Q值(品质因数)很高。采用陶瓷滤波器的中频放大器选择性好、插入衰耗小，因此应用十分广泛。 2、二端陶瓷滤波器一个压电振子就组成一个简单的二端陶瓷滤波器，压电陶瓷片常两面被银，夹在有弹性的金属电极之间，并用塑料壳封装。

由右图的等效电路我们可以看出，二 端陶瓷滤波器具有两个谐振频率，一个是串联谐振频率f0，一个是并联谐振频率f∞，当f=f0时，等效阻抗最小，振子产生串联谐振；当f=f∞时，等效阻抗达到最大值，产生并联谐振。调幅收音机中常用的二端陶瓷滤波器其f0=465kHz，f∞=495kHz，其阻抗特性曲线如右图所示。

由于Cp远远小于Cs，f0与f∞之间的范围是很窄的，在这个频率范围里等效电路呈感性，这时陶瓷滤波器相当于一个大电感，当频率在这个范围之外时，等效电路呈容性。由于Cp远远小于Cs，f0与f∞之间的范围是很窄的，在这个频率范围里等效电路呈感性，这时陶瓷滤波器相当于一个大电感，当频率在这个范围之外时，等效电路呈容性。二端陶瓷滤波器的谐振曲线尖锐，谐振电阻小，但通带窄，矩形系数差，类似于单调谐回路，常用于中放的发射极电路代替其旁路电容，有助于提高对中频的选择性。 3、三端陶瓷滤波器将二端陶瓷滤波器的单面电极分割成互相绝缘的两部分，即可构成一个三端陶瓷滤波器。（符号见右图）

根据右边的等效电路图我们可知： 当1、3两端间的输入信号频率等于陶瓷片的串联谐振频率f0时，输入电路就产生串联谐振，陶瓷片在f0频率上作较大的机械振动，由于压电效应，这个机械振动又转换成电信号从2、3端输出，且频率也是f0。因此，在三端陶瓷滤波器中，输入电路选出的信号是通过机械振动转换成电信号而耦合到输出端的，这种耦合方式在电路上等效于一个变压器，其变压比n决定于输入、输出电极的面积比，即n2≈Cp/Cr。

三端陶瓷滤波器相当于一个双调谐回路，其调谐曲线呈现双峰，与二端陶瓷滤波器相比，其通带宽，矩形系数好，因而具有较好的选择性，可用于代替中频变压器。三端陶瓷滤波器相当于一个双调谐回路，其调谐曲线呈现双峰，与二端陶瓷滤波器相比，其通带宽，矩形系数好，因而具有较好的选择性，可用于代替中频变压器。 4、四端陶瓷滤波器常见的四端陶瓷滤波器可接成L型网络，T型网络和桥式网络三种形式。该滤波器具有频带宽、选择性好的特点，适用于中、高级调幅晶体管收音机中作机中选择滤波器。

二、压电陶瓷滤波器的类型 1、小型中频陶瓷滤波器这种陶瓷滤波器供收音机、收录机和通信机中频选频用。其特点是：体积小，重量轻，价格低，温度特性良好。 2、10.7MHz陶瓷滤波器它主要供调频收音机，立体声收录机和通信机作中频滤波用。其特点是：体积小，重量轻，无调整可靠性高，能获得优良的幅频特性和群延特性。

3、6.5MHz陶瓷滤波器 供黑白、彩色电视机伴音电路作中频滤波器用。其特点是：体积小，重量轻，使整机易于实现集成化和无调整化。 4、陶瓷带通滤波器它主要适用于收音机、通信机和雷达等电子设备作中频滤波或选频用。其特点是：具有优良的频率选择性和稳定性，不需调整即可获得预期的频率衰减特性。

要点四、压电器件在传感器中的应用 压电器件在传感器中的应用非常广泛，我们只列举下面两种情况：一、压电式压力传感器压电式压力传感器可以测量各种压力，如车轮通过枕木时的强压力，继电器触点压力和人体脉搏的微小压力等，用的最多的是在汽车上测量气压、发动机内部燃烧压力和真空度。

二、压电式加速度传感器（剪切式） 压电式加速度传感器应用广泛，分压缩式和剪切式两种形式，它们共同的特点都是通过建立起加速度与输出电荷间的正比关系，由电荷的测量逆推出准确的加速度数值。

随堂思考题 1、什么是正压电效应？什么是逆压电效应？ 2、如何判断一种晶体有无压电效应？ 3、二端陶瓷滤波器和三端陶瓷滤波器的工作原理。

第八章 压 电 器 件