《材料物理性能》全套PPT課件

《材料物理性能》全套PPT課件,材料物理性能,材料,物理性能,全套,PPT,課件 引言 在人類對(duì)電認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的開始階段，電介質(zhì)材料就問(wèn)世了。然而，當(dāng)時(shí)的電介質(zhì)僅作為分隔電流的絕緣材料來(lái)應(yīng)用。為了改進(jìn)電絕緣材料的性能，以適應(yīng)日益發(fā)展的電氣工程和無(wú)線電工程的需要，圍繞不同的電介質(zhì)在不同頻率、不同場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)作用下所出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)研究，并總是以絕緣體的介電常數(shù)、損耗、電導(dǎo)和擊穿等所謂四大參數(shù)為其主要內(nèi)容。隨著電子技術(shù)、激光、紅外、聲學(xué)以及其它新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，電介質(zhì)已遠(yuǎn)不是僅作絕緣材料來(lái)應(yīng)用了。特別是極性電介質(zhì)的出現(xiàn)和被廣泛應(yīng)用、使得人們對(duì)電介質(zhì)的理解及其范疇和過(guò)去大不相同。材料物理性能材料的介電性能 以絕緣體的四大參數(shù)為主要內(nèi)容也逐步演變?yōu)橐匝芯课镔|(zhì)內(nèi)部電極化過(guò)程。固態(tài)電介質(zhì)分布很廣，而且往往具有許多可供利用的性質(zhì)。例如電致伸縮、壓電性、熱釋電性、鐵電性等，從而引起了廣泛的研究。實(shí)際上，這些性質(zhì)是與晶體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、其中的束縛原子(或離子)以及束縛電子的運(yùn)動(dòng)等都有密切的關(guān)系?，F(xiàn)在，固態(tài)電介質(zhì)物理與固體物理、晶體光學(xué)有著許多交迭的領(lǐng)域。特別是在激光出現(xiàn)以后，研究晶態(tài)電介質(zhì)與激光的相互作用又構(gòu)成為固態(tài)激光光譜學(xué)、固態(tài)非線性光學(xué)。材料物理性能材料的介電性能1.以以電荷長(zhǎng)程遷移電荷長(zhǎng)程遷移即即傳導(dǎo)傳導(dǎo)的方式（可以是電子傳導(dǎo)、空的方式（可以是電子傳導(dǎo)、空穴傳導(dǎo)和離子傳導(dǎo)）對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，這類材料即穴傳導(dǎo)和離子傳導(dǎo)）對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，這類材料即導(dǎo)導(dǎo)電材料電材料；。材料對(duì)外電場(chǎng)作用的響應(yīng)材料對(duì)外電場(chǎng)作用的響應(yīng)2.以以感應(yīng)的方式感應(yīng)的方式對(duì)外電對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，即沿電場(chǎng)場(chǎng)作出響應(yīng)，即沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生方向產(chǎn)生電偶極矩電偶極矩或或電電偶極矩的改變偶極矩的改變，這類材，這類材料稱為料稱為電介質(zhì)電介質(zhì)；這種現(xiàn)；這種現(xiàn)象稱為象稱為電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化。極化極化電介質(zhì)及其極化在電學(xué)理論中，給出電容的定義為：電容電容 ：兩個(gè)臨近導(dǎo)體加上電壓后存儲(chǔ)：兩個(gè)臨近導(dǎo)體加上電壓后存儲(chǔ)電荷能力的量度。是表征電容器容納電荷能力的量度。是表征電容器容納電荷的本領(lǐng)的物理量電荷的本領(lǐng)的物理量 對(duì)于真空平板電容器有：材料物理性能材料的介電性能電介質(zhì)及其極化當(dāng)平板之間插入一種材料后，平板電容器的電容增加為C：該材料稱為介電材料，屬于電介質(zhì)。材料物理性能材料的介電性能介電常數(shù)介電常數(shù)1 1）材料因素：）材料因素：材料在電場(chǎng)中被極化的能力材料在電場(chǎng)中被極化的能力 2 2）尺寸因素：）尺寸因素：d d 和和A A：平板間的距離和面積：平板間的距離和面積如果介電介質(zhì)為真空如果介電介質(zhì)為真空：在平行板電容器間放置某些材料，會(huì)使電容器存儲(chǔ)電荷的能力增加，在平行板電容器間放置某些材料，會(huì)使電容器存儲(chǔ)電荷的能力增加，CCCC0 0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù)：0=8.8510-12F.m-1(法拉法拉/米米)相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)：r介電常數(shù)（電容率）：介電常數(shù)（電容率）：=0 0 r r(F/m)F/m)介電常數(shù)是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲(chǔ)電荷能力的物理量。介電常數(shù)是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲(chǔ)電荷能力的物理量。材料物理性能材料的介電性能電偶極子與電偶極子與電偶極矩電偶極矩電偶極子（電偶極子（electricdipole）兩個(gè)相距很近的等量異號(hào)點(diǎn)電荷兩個(gè)相距很近的等量異號(hào)點(diǎn)電荷+q與與-q所組成的帶電系統(tǒng)。所組成的帶電系統(tǒng)。電偶極矩電偶極矩（electric dipole moment）電偶極子中的一個(gè)電荷的電電偶極子中的一個(gè)電荷的電量與軸線的乘積，簡(jiǎn)稱電矩。量與軸線的乘積，簡(jiǎn)稱電矩。LqP=電偶極矩的方向：負(fù)電荷指向正電荷。平板電容器中的電介質(zhì)，在外電場(chǎng)作用下，在正極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電荷，負(fù)極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷。這些感應(yīng)電荷稱為束縛電荷。極化在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。常用的電介質(zhì)有，陶瓷、玻璃和聚合物等。工作電場(chǎng)的頻率對(duì)一些電介質(zhì)的介電常數(shù)有影響，特別是陶瓷類電介質(zhì)。q極化相關(guān)物理量電偶極矩：極化電荷：電極化強(qiáng)度P電介質(zhì)極化程度的量度；材料物理性能材料的介電性能材料物理性能材料的介電性能 假設(shè)每個(gè)分子電荷的表面積為A，則電荷占有的體積為lA，且單位體積內(nèi)有Nm個(gè)分子，則單位體積有電量為Nmq，那么，在lA的體積中的電量為NmqlA，則表面電荷密度為：高斯定理：q電介質(zhì)極化機(jī)制電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生宏觀的電極化強(qiáng)度，實(shí)際上是電介質(zhì)微觀上各種極化機(jī)制貢獻(xiàn)的結(jié)果。包括電子的極化、離子的極化、電偶極子取向極化和空間電荷極化等。電子極化和離子極化又都可分為位移極化和弛豫極化。位移極化電子位移極化外電場(chǎng)作用下，原子外圍的電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位移而引起的極化。由于電子很輕，對(duì)電場(chǎng)的反應(yīng)很快，可以光頻跟隨外場(chǎng)變化。采用玻爾原子模型來(lái)分析電子位移極化率。模型假設(shè)一點(diǎn)電荷(-q)沿繞核電荷(+q)的一個(gè)圓周軌道運(yùn)行。在電場(chǎng)作用下，電子軌道反電場(chǎng)方向移動(dòng)一段小距離d，因此形成一感應(yīng)偶圾矩：材料物理性能材料的介電性能當(dāng)電場(chǎng)力與恢復(fù)力平衡時(shí)，所以，材料物理性能材料的介電性能 由右圖圓周軌道模型可見，恢復(fù)力等于電子與原子核之間的庫(kù)侖引力在電場(chǎng)方向的分量，材料物理性能材料的介電性能 當(dāng)我們考察同類原子的一個(gè)集合體時(shí)，則所有原子的電子軌道是隨機(jī)取向的，電子軌道的平面并不都垂直于電場(chǎng)方向。那么，某一原子在電子軌道平面的法線n的感應(yīng)偶極矩為：在電場(chǎng)方向上的感應(yīng)偶極矩為：同類原子集合體在電場(chǎng)方向的平面感應(yīng)偶極矩為在電場(chǎng)作用下，位移dr時(shí)，材料物理性能材料的介電性能為各原子的感應(yīng)偶極矩相對(duì)于電場(chǎng)方向取向角余弦平方的平均值 若電場(chǎng)強(qiáng)度比較低，原子的電子軌道在空間是連續(xù)分布的，則，式中，V為原子體積。這樣，電子位移極化率為，若電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，使所有原子的電子軌道平面都垂直于電場(chǎng)方向，則：電子位移極化率的大小與原子（離子）的半徑有關(guān)離子位移極化 在離子晶體中，除存在電子位移極化以外，在電場(chǎng)作用下，還會(huì)發(fā)生正、負(fù)離子沿相反方向位移形成離子位移極化。材料物理性能材料的介電性能離子位移極化模型（一維）如下圖所示，簡(jiǎn)單離子晶體(NaCl)中，沒有外電場(chǎng)時(shí)，各正、負(fù)離子對(duì)形成的偶極矩相互抵消，極化強(qiáng)度為零；加上電場(chǎng)以后，所有的正離子順電場(chǎng)方向移動(dòng)，所有的負(fù)離子則逆電場(chǎng)方向移動(dòng)。結(jié)果，正、負(fù)離子對(duì)形成的偶極矩不再相互抵消，極化強(qiáng)度不為零而呈現(xiàn)宏觀電矩。根據(jù)經(jīng)典彈性振動(dòng)理論可以估計(jì)出離子位移極化率為：材料物理性能材料的介電性能 離子位移極化完成的時(shí)間約為10-1210-13s，因此，在交變電場(chǎng)中，電場(chǎng)頻率低于紅外光頻率時(shí)，電子位移極化便可以進(jìn)行。弛豫極化 弛豫極化釋由外加電場(chǎng)造成的，但與帶電質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。材料中存在弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子等弛豫質(zhì)點(diǎn)時(shí)，外加電場(chǎng)使其有序化分布，而熱運(yùn)動(dòng)使其混亂分布，最后達(dá)到平衡極化狀態(tài)。弛豫極化建立平衡極化時(shí)間約為10-210-3s，并且要克服一定的位壘，因此，弛豫極化是一種非可逆過(guò)程。電子弛豫極化晶格的熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)引入、化學(xué)成分局部改變等因素，使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級(jí)形成所謂的弱束縛電子。具有電子弛豫極化的介質(zhì)往往具有電子導(dǎo)電特性。極化是一種不可逆過(guò)程，建立時(shí)間約為10-210-3s，電場(chǎng)頻率高于109Hz時(shí)，這種極化就不存在。材料物理性能材料的介電性能離子弛豫極化在玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體或晶體中的雜質(zhì)或缺陷區(qū)域，離子自身能量較高，易于活化遷移，這些離子為弱聯(lián)系離子。弱聯(lián)系離子弛豫極化時(shí)，其遷移的距離可達(dá)晶格常數(shù)數(shù)量級(jí)。根據(jù)弱聯(lián)系離子在有效電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，以及對(duì)弱離子運(yùn)動(dòng)位壘計(jì)算，可得到離子弛豫極化率的大?。翰牧衔锢硇阅懿牧系慕殡娦阅?離子弛豫極化率比位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此電介質(zhì)的介電常數(shù)較大。離子弛豫極化的時(shí)間約為10-210-5s，電場(chǎng)頻率在無(wú)線電頻率106以上時(shí)，則無(wú)離子弛豫極化對(duì)電極化強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。關(guān)于弛豫關(guān)于弛豫弛豫過(guò)程：一個(gè)宏觀系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉菬崞胶鉅顟B(tài)，這個(gè)系統(tǒng)再?gòu)姆瞧胶鉅顟B(tài)過(guò)渡到新的熱平衡態(tài)的整個(gè)過(guò)程就稱為弛豫過(guò)程。弛豫過(guò)程實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)中微觀粒子由于相互作用而交換能量，最后達(dá)到穩(wěn)定分布的過(guò)程。弛豫過(guò)程的宏觀規(guī)律決定于系統(tǒng)中微觀粒子相互作用的性質(zhì)。因此，研究弛豫現(xiàn)象是獲得這些相互作用的信息的最有效途徑之一。取向極化材料物理性能材料的介電性能 極性電介質(zhì)的分子，由于熱運(yùn)動(dòng)，極性分子的偶極矩的取向是任意的，偶極矩在各個(gè)方向的幾率是相等的，它的宏觀電矩等于零。當(dāng)極性分子受到電場(chǎng)E的作用時(shí)，每個(gè)偶極子都將受到電場(chǎng)力矩的作用，使它們轉(zhuǎn)向與外電場(chǎng)平行的方向。當(dāng)偶極矩與電場(chǎng)的方向相同時(shí)，偶極子的位能最小，所以，就電介質(zhì)整體而言，電矩不再等于零，而出現(xiàn)了與外電場(chǎng)同向的宏觀電矩，這種極化就稱為偶極子的取向極化。偶極子的轉(zhuǎn)向極化由于受到電場(chǎng)力轉(zhuǎn)矩作用，分子熱運(yùn)動(dòng)的阻礙作用以及分子之間的相互作用，所以這種極化所需的時(shí)間比較長(zhǎng)，取向極化完成的時(shí)間約為10-210-10s。為無(wú)電場(chǎng)時(shí)的均方偶極矩空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動(dòng)的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化。-+-+-+外電場(chǎng)P材料物理性能材料的介電性能 空間電荷極化是不均勻電介質(zhì)也就是復(fù)合電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的一種主要的極化形式。極化的起因是電介質(zhì)中的自由電荷載流子(正、負(fù)離子或電子)可以在缺陷和不同介質(zhì)的界面上積聚，形成空間電荷的局部積累，使電介質(zhì)中的電荷分布不均勻，產(chǎn)生宏觀電矩?？臻g電荷極化隨溫度升高而下降，因?yàn)闇囟壬撸x子運(yùn)動(dòng)加劇，離子容易擴(kuò)散，因而空間電荷減少。空間電荷極化需要較長(zhǎng)時(shí)間，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時(shí)，因此空間電荷極化只對(duì)直流和低頻下的極化強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。極化形式極化形式極化的電介質(zhì)極化的電介質(zhì)種類種類極化的頻率范極化的頻率范圍圍與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系能量消耗能量消耗電子位移極化電子位移極化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光頻光頻無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)無(wú)無(wú)離子位移極化離子位移極化離子結(jié)構(gòu)離子結(jié)構(gòu)直流直流紅外紅外溫度升高極化增溫度升高極化增強(qiáng)強(qiáng)很弱很弱離子松弛極化離子松弛極化離子不緊密的離子不緊密的材料材料直流直流超高超高頻頻隨溫度變化有極隨溫度變化有極大值大值有有電子位移松弛電子位移松弛極化極化高價(jià)金屬氧化高價(jià)金屬氧化物物直流直流超高超高頻頻隨溫度變化有極隨溫度變化有極大值大值有有轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化有機(jī)有機(jī)直流直流超高超高頻頻隨溫度變化有極隨溫度變化有極大值大值有有空間電荷極化空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的結(jié)構(gòu)不均勻的材料材料直流直流高頻高頻隨溫度升高而減隨溫度升高而減小小有有 各種極化形式的比較各種極化形式的比較空間電荷極化松弛極化離子極化電子極化 工頻 聲頻 無(wú)線電 紅外 紫外極化率或 極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系宏觀極化強(qiáng)度與微觀極化率的關(guān)系宏觀極化強(qiáng)度與微觀極化率的關(guān)系1 退極化場(chǎng) 和局部電場(chǎng)2 克勞修斯-莫索堤方程 適用于分子間作用很弱的氣體，非極性液體和非極性固體以及一些Nacl型離子晶體或立方對(duì)稱的晶體。克勞修斯-莫索蒂方程外加電場(chǎng)E0Ed 外加電場(chǎng)E0 束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)Ed （退極化電場(chǎng)，即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生）E宏=E0+Ed1.宏觀電場(chǎng)：+2.原子位置上的局部電場(chǎng)Eloc（有效電場(chǎng)）Eloc=E0+Ed+E2+E3+E0EdE2E3對(duì)于氣體質(zhì)點(diǎn)，其質(zhì)點(diǎn)間的相互作用可以忽略，局部電場(chǎng)與外電場(chǎng)相同。對(duì)于固體介質(zhì)，周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的局部電場(chǎng)有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)電場(chǎng)周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的電場(chǎng)貢獻(xiàn)。球外介質(zhì)的作用電場(chǎng)：設(shè)想把假想的球挖空，使球外的介質(zhì)作用歸結(jié)為空球表面極化電荷作用場(chǎng)（洛倫茲場(chǎng)）E2和整個(gè)介質(zhì)外邊界表面極化電荷作用場(chǎng)Ed之和。對(duì)于平板其值為束縛電荷在無(wú)介質(zhì)存在時(shí)形成的電場(chǎng)：由 P=Q1/A=oEd得：Ed=P/o Ed的計(jì)算：假想：有一個(gè)特定質(zhì)點(diǎn)被一個(gè)足夠大的球體所包圍，球外的電介質(zhì)可看成連續(xù)的介質(zhì)，同時(shí)，球半徑比整個(gè)介質(zhì)小得多。介質(zhì)中的其它偶極子對(duì)特定質(zhì)點(diǎn)的電場(chǎng)貢獻(xiàn)分為兩部分：球外介質(zhì)的作用Ed E2和球內(nèi)介質(zhì)的作用E3根據(jù)庫(kù)侖定律：dS面上的電荷作用在球心單位正電荷上的P方向分力dF：dF=（PcosdS/4o r2)cos由 qE=F 1E=F E=FdE=Pcos2dS/4o r2=(2rsin rd)(Pcos2/4o r2)=Pcos2 sin/2o r2 d整個(gè)空心球面上的電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)為：dE由0到的積分洛倫茲場(chǎng)E2：E2=P/3oE3為只考慮質(zhì)點(diǎn)附近偶極子的影響，其值由晶體結(jié)構(gòu)決定，已證明，球體中具有立方對(duì)稱的參考點(diǎn)位置，如果所有原子都可以用平行的點(diǎn)型偶極子來(lái)代替，則E3=0。Eloc=E0+Ed+P/3o=E宏+P/3o根據(jù) D=o E+P得 P=D o E=（1 o）E =o（r 1）E由 Eloc=E0+Ed+P/3o=E宏+P/3o得 Eloc=（r+2）E宏/3設(shè)介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)等于n，則又有 P=n=nEloc 得 （r 1）/（r+2）=n/（3 o）上式為克勞修斯-莫索蒂方程3.克勞修斯-莫索蒂方程 克勞修斯-莫索蒂方程的意義：建立了可測(cè)物理量 r（宏觀量）與質(zhì)點(diǎn)極化率（微觀量）之間的關(guān)系。克勞修斯-莫索蒂方程的適用范圍：適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體、具有適當(dāng)對(duì)稱性的固體。從克勞修斯-莫索蒂方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點(diǎn)：（r 1）/（r+2）=n/（3 o）（r 1）/（r+2）-r越大其值越大介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)極化率大，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)多，則介質(zhì)具有高介電常數(shù)。介電材料的類型有哪些？u氣體電介質(zhì)u液體電介質(zhì)u固體電介質(zhì)無(wú)機(jī)電介質(zhì)有機(jī)電介質(zhì)低介裝置陶瓷高介電容器瓷獨(dú)石電容器瓷強(qiáng)介鐵電陶瓷壓電與電光陶瓷微波介質(zhì)陶瓷玻璃電介質(zhì)n 低介裝置陶瓷用于電子技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)中起絕緣作用的陶瓷裝置零件、陶瓷基片以及多層陶瓷包封等的瓷料。陶瓷基片電子陶瓷零件應(yīng)用：高頻絕緣子骨架、電子管底座、電阻器基片、厚膜混合集成電路基片、微波集成電路基片等。典型材料：氧化鋁 滑石 堇青石 鎂橄欖石氧化鈹BeO氮化鋁AlN氮化硼B(yǎng)N透明陶瓷LTCC基片瓷n 低介裝置陶瓷LTCC基片低溫陶瓷共燒技術(shù)(LTCC)是一種先進(jìn)的混合電路封裝技術(shù)，可以將無(wú)源元件埋置于基板內(nèi)部，而將有源元件貼裝于基板表面，共同實(shí)現(xiàn)一定功能。n 低介裝置陶瓷n Westinghouse公司：F22戰(zhàn)斗機(jī)用x波段TR組件 n 三洋公司：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）n 三星電子公司：業(yè)界第一個(gè)集ARM 的處理器、NAND 閃存和SDRAM 于一體的組件 n OSE公司：全球最小的移動(dòng)式多媒體存儲(chǔ)卡 目前，基于LTCC工藝的SIP封裝技術(shù)在國(guó)外，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、日本等）得到了相當(dāng)?shù)闹匾暎度肓舜罅康娜肆εc物力進(jìn)行相關(guān)的科技攻關(guān)，已經(jīng)開始進(jìn)入了產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用階段。n 低介裝置陶瓷Philips公司的SIP全功能藍(lán)牙組件環(huán)路濾波、天線濾波等無(wú)源元件集成在LTCC多層基板內(nèi)部。ST公司的三頻GSM/GPRS收發(fā)器模塊 該產(chǎn)品將l部手機(jī)的外圍元器件數(shù)量從80個(gè)減少到5個(gè)，封裝面積縮小了5倍。n 低介裝置陶瓷采用FERRO公司ULF系列粉料制作的LTCC電容NiZnCu鐵氧體粉料制作的LTCC電感n 低介裝置陶瓷LTCC疊層片式低通濾波器有效圖形層為32層三維尺寸2.0mm1.2mm0.9mmn 低介裝置陶瓷陶瓷封裝多芯片組件MCMn MCM將多個(gè)半導(dǎo)體集成電路以裸芯片的狀態(tài)搭載在不同類型的布線基板上，經(jīng)整體封裝而構(gòu)成的多芯片組件。n MCM的核心是多層基板技術(shù)。n MCM的應(yīng)用：武器系統(tǒng)、航天電子、高頻雷達(dá)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、通信、傳真、數(shù)據(jù)處理、高清晰度電視劇、攝像機(jī)、汽車電子等。n 低介裝置陶瓷n 電性能：(a)介電常數(shù)低，(b)介電損耗小，(c)抗電強(qiáng)度高，(d)絕緣電阻高，n 機(jī)械性能：(a)抗彎強(qiáng)度，(b)抗拉強(qiáng)度，n 熱性能：(a)線熱膨脹系數(shù)小(b)熱導(dǎo)率高(c)熱穩(wěn)定性好性能特點(diǎn)n 低介裝置陶瓷n 高介電容器瓷用于制備電容器的瓷料，介電常數(shù)的變化范圍很大(120至600以上)，規(guī)格品種很多。紙質(zhì)電容器陶瓷電容器電解電容器鉭電容器可變電容器電容器是一種儲(chǔ)能元件n 微波介質(zhì)陶瓷微波一般指頻段介于電磁波譜中的超短波和紅外波之間的電磁波，頻率范圍從300MHz到3000GHz。p 分米波：300MHz-3GHz，1m-10cm，特高頻。p 厘米波：3GHz-30GHz，10cm-1cm，超高頻。p 毫米波：30GHz-300GHz，1cm-1mm，極高頻。p 亞毫米波：300GHz-3000GHz，1mm-0.1mm，極 超高頻。p 微波介質(zhì)陶瓷是近年才迅速發(fā)展起來(lái)的一類新型功能電子陶瓷。p 以其優(yōu)異的微波介電性質(zhì)在微波電路系統(tǒng)中發(fā)揮著介質(zhì)隔離、介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)諧振等一系列電路功能。p 正在對(duì)微波電路的小型化、集成化、高品質(zhì)化作出重要貢獻(xiàn)。n 微波介質(zhì)陶瓷應(yīng)用分類n 微波介質(zhì)陶瓷p 用作微波電路的介質(zhì)基片，起著電路元器件及線路的承載、支撐、絕緣作用。p 用作微波電路的電容器，起著電路或元件之間的耦合和儲(chǔ)能作用。p 用作微波電路的介質(zhì)天線，起著集中吸收存儲(chǔ)電磁波能量的作用。p 用作微波電路的介質(zhì)波導(dǎo)，起著導(dǎo)引電磁波沿一定方向傳播的作用。p 用作微波電路的介質(zhì)諧振器件，起著電路中LC諧振電路的作用。GPS微波介質(zhì)陶瓷天線：具有扁平狀小型結(jié)構(gòu)、低反射、軸比小、低剖面的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于1.575GHz頻段的手機(jī)、導(dǎo)航儀、PDA等。微波介質(zhì)基片：在中低溫?zé)Y(jié),具有優(yōu)異的微波介電性能和溫度穩(wěn)定性。西安廣芯電子科技有限公司片式藍(lán)牙天線長(zhǎng)：長(zhǎng)度僅5-9mm，具有重量輕、高增益、結(jié)構(gòu)緊密、帶寬寬、低成本的特點(diǎn)，可應(yīng)用于2.4GHz頻段的藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)、小靈通、個(gè)人數(shù)字蜂窩電話及家庭網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻系統(tǒng)等。介質(zhì)損耗 電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，會(huì)因極電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，會(huì)因極化方向的變化而損耗部分能量和發(fā)熱，稱介電損化方向的變化而損耗部分能量和發(fā)熱，稱介電損耗。耗。（1）電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗（2）極化損耗極化損耗（3）電介質(zhì)結(jié)構(gòu)損耗電介質(zhì)結(jié)構(gòu)損耗 是指電介質(zhì)所含的微量導(dǎo)電載流子在電場(chǎng)作用下流是指電介質(zhì)所含的微量導(dǎo)電載流子在電場(chǎng)作用下流動(dòng)時(shí)，因克服電阻所消耗的電能。這部分損耗在交變電動(dòng)時(shí)，因克服電阻所消耗的電能。這部分損耗在交變電場(chǎng)和恒定電場(chǎng)中都會(huì)發(fā)生。場(chǎng)和恒定電場(chǎng)中都會(huì)發(fā)生。（1）電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗（2）電介質(zhì)結(jié)構(gòu)損耗電介質(zhì)結(jié)構(gòu)損耗 是指陶瓷材料中往往含有玻璃相，以離子晶體為主是指陶瓷材料中往往含有玻璃相，以離子晶體為主晶相的陶瓷材料損耗主要來(lái)源于玻璃相。晶相的陶瓷材料損耗主要來(lái)源于玻璃相。（3）極化損耗極化損耗 這是由于分子偶極子的取向極化造成的。取向極這是由于分子偶極子的取向極化造成的。取向極化是一個(gè)松弛過(guò)程，交變電場(chǎng)使偶極子轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)化是一個(gè)松弛過(guò)程，交變電場(chǎng)使偶極子轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度滯后于電場(chǎng)變化速率，使一部分電能損耗于克服速度滯后于電場(chǎng)變化速率，使一部分電能損耗于克服介質(zhì)的內(nèi)粘滯阻力上，這部分損耗有時(shí)是很大的。介質(zhì)的內(nèi)粘滯阻力上，這部分損耗有時(shí)是很大的。電子極化所需時(shí)間約10-15-10-13秒，原子極化需略大于10-13秒。但取向極化所需時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)小分子約大于10-9秒，對(duì)大分子更長(zhǎng)一些。極性電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，如果電場(chǎng)的交極性電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，如果電場(chǎng)的交變頻率很低，偶極子轉(zhuǎn)向能跟得上電場(chǎng)的變化，如變頻率很低，偶極子轉(zhuǎn)向能跟得上電場(chǎng)的變化，如下圖（下圖（a），介電損耗就很小。），介電損耗就很小。當(dāng)交變電場(chǎng)頻率提高，偶極子轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)的變化當(dāng)交變電場(chǎng)頻率提高，偶極子轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)的變化有時(shí)間差（下圖（有時(shí)間差（下圖（b），落后于電場(chǎng)的變化。），落后于電場(chǎng)的變化。偶極子取向隨電場(chǎng)變化圖偶極子取向隨電場(chǎng)變化圖（a）電場(chǎng)交變頻率低，偶極子轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)同步變化）電場(chǎng)交變頻率低，偶極子轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)同步變化（b）電場(chǎng)交變頻率提高，偶極子轉(zhuǎn)向滯后于電場(chǎng)變化）電場(chǎng)交變頻率提高，偶極子轉(zhuǎn)向滯后于電場(chǎng)變化 由此可見，只有當(dāng)電場(chǎng)變化速度與微觀運(yùn)動(dòng)單元由此可見，只有當(dāng)電場(chǎng)變化速度與微觀運(yùn)動(dòng)單元的本征極化速度相當(dāng)時(shí)，介電損耗才較大。的本征極化速度相當(dāng)時(shí)，介電損耗才較大。這是由于介質(zhì)的內(nèi)粘滯作用，偶極子轉(zhuǎn)向?qū)⒖诉@是由于介質(zhì)的內(nèi)粘滯作用，偶極子轉(zhuǎn)向?qū)⒖朔Σ磷枇Χ鴵p耗能量，使電介質(zhì)發(fā)熱。服摩擦阻力而損耗能量，使電介質(zhì)發(fā)熱。若交變電場(chǎng)頻率進(jìn)一步提高，致使偶極子取向若交變電場(chǎng)頻率進(jìn)一步提高，致使偶極子取向完全跟不上電場(chǎng)變化，取向極化將不發(fā)生，這時(shí)介完全跟不上電場(chǎng)變化，取向極化將不發(fā)生，這時(shí)介質(zhì)損耗也很小。質(zhì)損耗也很小。實(shí)驗(yàn)表明，原子極化損耗多出現(xiàn)于紅外光頻區(qū)，實(shí)驗(yàn)表明，原子極化損耗多出現(xiàn)于紅外光頻區(qū)，電子極化損耗多出現(xiàn)于紫外光頻區(qū)，在一般電頻區(qū)，電子極化損耗多出現(xiàn)于紫外光頻區(qū)，在一般電頻區(qū)，介質(zhì)損耗主要是由取向極化引起的。介質(zhì)損耗主要是由取向極化引起的。復(fù)介電系數(shù)為復(fù)介電系數(shù)的實(shí)數(shù)部分即試驗(yàn)測(cè)得的介電系數(shù)為復(fù)介電數(shù)的虛數(shù)部分，稱為損耗因子 如何表征介電損耗？如何表征介電損耗？研究在交變電場(chǎng)中介質(zhì)電容器的能量損耗情況。研究在交變電場(chǎng)中介質(zhì)電容器的能量損耗情況。首先考慮真空電容器，電容量為首先考慮真空電容器，電容量為 ，若在其極板上，若在其極板上加一個(gè)頻率為加一個(gè)頻率為、幅值為、幅值為 的交變電壓，則通過(guò)真空的交變電壓，則通過(guò)真空電容器的電流為：電容器的電流為：式中，為式中，為 虛數(shù)單位。由上式看出，電流虛數(shù)單位。由上式看出，電流 的的位相比電壓位相比電壓 超前超前 ，即電流復(fù)矢量與電壓復(fù)矢量，即電流復(fù)矢量與電壓復(fù)矢量垂直，其損耗的電功功率為垂直，其損耗的電功功率為 如何表征介電損耗？如何表征介電損耗？對(duì)于電介質(zhì)電容器，在交流電場(chǎng)中，因電介質(zhì)取向極化跟不對(duì)于電介質(zhì)電容器，在交流電場(chǎng)中，因電介質(zhì)取向極化跟不上外場(chǎng)的變化，將發(fā)生介電損耗。由于介質(zhì)的存在，通過(guò)電上外場(chǎng)的變化，將發(fā)生介電損耗。由于介質(zhì)的存在，通過(guò)電容器的電流容器的電流 與外加電壓與外加電壓 的相位差不再是的相位差不再是90，而等于，而等于=90-。仍設(shè)。仍設(shè) ，通過(guò)電容器的電流，通過(guò)電容器的電流 為：為：式中式中 稱復(fù)介電系數(shù)，定義為稱復(fù)介電系數(shù)，定義為 。為復(fù)介為復(fù)介電系數(shù)的實(shí)數(shù)部分，即試驗(yàn)測(cè)得的介電系數(shù)電系數(shù)的實(shí)數(shù)部分，即試驗(yàn)測(cè)得的介電系數(shù) ；為復(fù)介電系數(shù)的虛數(shù)部分，稱為損耗因子。為復(fù)介電系數(shù)的虛數(shù)部分，稱為損耗因子。交變電場(chǎng)交變電場(chǎng)中電容器中電容器的電流、的電流、電壓矢量電壓矢量圖圖 實(shí)數(shù)部分實(shí)數(shù)部分 與交變電壓同相位，相當(dāng)于流過(guò)與交變電壓同相位，相當(dāng)于流過(guò)“純電阻純電阻”的電流，這部分電流損耗能量。的電流，這部分電流損耗能量。由上式可見，通過(guò)介質(zhì)電容器的電流由上式可見，通過(guò)介質(zhì)電容器的電流 分為兩部分：分為兩部分：虛數(shù)部分虛數(shù)部分 與交變電壓的相位差為與交變電壓的相位差為90，相當(dāng)，相當(dāng)于流過(guò)于流過(guò)“純電容純電容”的電流，這部分電流不作功；的電流，這部分電流不作功；我們用我們用“電阻電阻”電流與電流與“電容電容”電流之比表征電流之比表征介質(zhì)的介電損耗：介質(zhì)的介電損耗：正比于正比于 ，故也常用，故也常用 表示材料介電損耗的大小。表示材料介電損耗的大小。的物理意義是在每個(gè)交變電壓周期中，介質(zhì)的物理意義是在每個(gè)交變電壓周期中，介質(zhì)損耗的能量與儲(chǔ)存能量之比。損耗的能量與儲(chǔ)存能量之比。越小，表示能量損耗越小。越小，表示能量損耗越小。理想電容器（即真空電容器）理想電容器（即真空電容器）=0，無(wú)能量損失。，無(wú)能量損失。式中式中稱介電損耗角，稱介電損耗角，稱介電損耗正切。稱介電損耗正切。介電損耗介電損耗q電介質(zhì)弛豫和頻率響應(yīng) 事實(shí)上只有電子位移極化可以認(rèn)為是瞬時(shí)立即完成的，其他都需時(shí)間，這樣在交流電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)的極化就存在頻率響應(yīng)問(wèn)題。通常把電介質(zhì)完成極化所需要的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間(松弛時(shí)間)，一般用 表示。在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)的電容率是與電場(chǎng)頻率相關(guān)的，也與電介質(zhì)的極化弛豫時(shí)間有關(guān)。描述這種關(guān)系的方程稱為德拜方程，其表示式如下：材料物理性能材料的介電性能電場(chǎng)頻率的影響電場(chǎng)頻率的影響 材料的介電性能也隨交變電場(chǎng)頻率而變。材料的介電性能也隨交變電場(chǎng)頻率而變。當(dāng)電場(chǎng)頻率較低時(shí)（當(dāng)電場(chǎng)頻率較低時(shí)（0，相當(dāng)于高溫），電子，相當(dāng)于高溫），電子極化、原子極化和取向極化都跟得上電場(chǎng)的變化，極化、原子極化和取向極化都跟得上電場(chǎng)的變化，因此取向程度高，介電系數(shù)大，介電損耗小因此取向程度高，介電系數(shù)大，介電損耗?。?），見下圖。），見下圖。在高頻區(qū)（光頻區(qū)），只有電子極化能跟上電場(chǎng)在高頻區(qū)（光頻區(qū)），只有電子極化能跟上電場(chǎng)的變化，偶極取向極化來(lái)不及進(jìn)行（相當(dāng)于低溫），的變化，偶極取向極化來(lái)不及進(jìn)行（相當(dāng)于低溫），介電系數(shù)降低到只有原子極化、電子極化所貢獻(xiàn)的介電系數(shù)降低到只有原子極化、電子極化所貢獻(xiàn)的值，介電損耗也很小。值，介電損耗也很小。在中等頻率范圍內(nèi)，偶極子一方面能跟著電場(chǎng)變?cè)谥械阮l率范圍內(nèi)，偶極子一方面能跟著電場(chǎng)變化而運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)速度又不能完全適應(yīng)電場(chǎng)的變化，化而運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)速度又不能完全適應(yīng)電場(chǎng)的變化，偶極取向的位相落后于電場(chǎng)變化的位相，一部分電偶極取向的位相落后于電場(chǎng)變化的位相，一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗，此時(shí)增大，出現(xiàn)極大值，而能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗，此時(shí)增大，出現(xiàn)極大值，而介電系數(shù)隨電場(chǎng)頻率增高而下降。介電系數(shù)隨電場(chǎng)頻率增高而下降。由德拜方程可以分析其物理意義：(1)電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)(實(shí)部和虛部)隨所加電場(chǎng)的頻率而變化。在低頻時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)與頻率無(wú)關(guān)。(2)當(dāng) 時(shí)，損耗因子 極大。同樣也有極大值。研究介電常數(shù)與頻率的關(guān)系，主要是研究電介質(zhì)材料的極化機(jī)制，從而了解材料引起損耗的原因。材料物理性能材料的介電性能介質(zhì)的擊穿：外加電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。介電強(qiáng)度：相應(yīng)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度。熱擊穿電擊穿化學(xué)擊穿電介質(zhì)在電場(chǎng)中的破壞介電強(qiáng)度熱擊穿。電極間介質(zhì)在一定外加電壓作用下，其中不大的電導(dǎo)最初引起較小的電流。電流的焦耳熱使樣品溫度升高。但電介質(zhì)的電導(dǎo)會(huì)隨溫度迅速變大而使電流及焦耳熱增加。若樣品及周圍環(huán)境的散熱條件不好，則上述過(guò)程循環(huán)往復(fù)，互相促進(jìn)，最后使樣品內(nèi)部的溫度不斷升高而引起損壞。在電介質(zhì)的薄弱處熱擊穿產(chǎn)生線狀擊穿溝道。擊穿電壓與溫度有指數(shù)關(guān)系，與樣品厚度成正比；但對(duì)于薄的樣品，擊穿電壓比例于厚度的平方根。熱擊穿還與介質(zhì)電導(dǎo)的非線性有關(guān)，當(dāng)電場(chǎng)增加時(shí)電阻下降，熱擊穿一般出現(xiàn)于較高環(huán)境溫度。在低溫下出現(xiàn)的是另一種類型的電擊穿。電擊穿。又稱本征擊穿。電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子在強(qiáng)外電場(chǎng)加速下得到能量。若電子與點(diǎn)陣碰撞損失的能量小于電子在電場(chǎng)加速過(guò)程中所增加的能量，則電子繼續(xù)被加速而積累起相當(dāng)大的動(dòng)能，足以在電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生碰撞電離，形成電子雪崩現(xiàn)象。結(jié)果電導(dǎo)急劇上升，最后導(dǎo)致?lián)舸?。在不完整或摻雜單晶和一些非晶態(tài)電介質(zhì)中，缺陷和雜質(zhì)形成的淺位阱束縛的電子所需激活能要比禁帶寬度小很多。受外電場(chǎng)加速的傳導(dǎo)電子更容易使這部分電子被激活參與導(dǎo)電而引起擊穿。電擊穿的另一種機(jī)制是1934年C.曾訥提出來(lái)的內(nèi)部冷發(fā)射模型。認(rèn)為強(qiáng)外電場(chǎng)使能帶發(fā)生傾斜。因而價(jià)帶上的電子出現(xiàn)隧道效應(yīng)。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)為106V/cm數(shù)量級(jí)時(shí),電子可通過(guò)隧道效應(yīng)移動(dòng)幾百個(gè)原子的距離。在約10-12秒時(shí)間內(nèi)導(dǎo)帶就可以出現(xiàn)足夠數(shù)量的電子而引起擊穿。此外，在強(qiáng)電場(chǎng)下金屬電極中的自由電子也可以注入于電介質(zhì)而參與導(dǎo)電，稱為外部冷發(fā)射?；瘜W(xué)擊穿。電介質(zhì)中強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學(xué)反應(yīng)。例如離子導(dǎo)電的固體電介質(zhì)中出現(xiàn)的電解、還原等。結(jié)果電介質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，或者是分離出來(lái)的物質(zhì)在兩電極間構(gòu)成導(dǎo)電的通路?；蛘呤墙橘|(zhì)表面和內(nèi)部的氣泡中放電形成有害物質(zhì)如臭氧、一氧化碳等，使氣泡壁腐蝕造成局部電導(dǎo)增加而出現(xiàn)局部擊穿，并逐漸擴(kuò)展成完全擊穿。溫度越高，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng)，化學(xué)形成的擊穿也越容易發(fā)生。壓電與鐵電性能壓電與鐵電性能壓電性能；熱釋電性；鐵電性能。壓電性能；熱釋電性；鐵電性能。18801880年，年，J.CurieJ.Curie和和P.CurieP.Curie兄弟首先發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)；兄弟首先發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)；19201920年，年，ValasekValasek發(fā)現(xiàn)鐵電體；發(fā)現(xiàn)鐵電體；4040年代中期，壓電材料開始廣泛應(yīng)用。年代中期，壓電材料開始廣泛應(yīng)用。60-7060-70年代達(dá)成熟階段。年代達(dá)成熟階段。對(duì)晶體對(duì)稱性的研究，法國(guó)居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。對(duì)晶體對(duì)稱性的研究，法國(guó)居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。PierreCurie was born in Paris,on May 15,1859.Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19,1906 某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（表面電荷的極性與拉、在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軝C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，在極化；反之，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。具有壓電效。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。一、壓電效應(yīng)的基本原理一、壓電效應(yīng)的基本原理1 1 壓電現(xiàn)象壓電現(xiàn)象F FF F極化面極化面Q Q壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機(jī)械能機(jī)械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性(a a)(b b)(c c)(d d)2 2、壓電效應(yīng)的物理機(jī)制、壓電效應(yīng)的物理機(jī)制 (1)(1)壓電單晶壓電單晶晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體晶體內(nèi)部正負(fù)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(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而的形變而被破壞，導(dǎo)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(xiàn)剩余電電荷使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。而產(chǎn)生的。(1)(1)壓電單晶壓電單晶(2)(2)壓電陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理與壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)理與壓電單晶壓電單晶大不相同，未經(jīng)極化處理的大不相同，未經(jīng)極化處理的壓電陶瓷材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，壓電陶瓷材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)的。壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，剩余極化強(qiáng)度會(huì)使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為剩余極化強(qiáng)度會(huì)使與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷（一端為正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個(gè)表面正，另一端為負(fù)），由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個(gè)表面吸附一層來(lái)自外界的自由電荷，并使整個(gè)壓電陶瓷片呈電中性。吸附一層來(lái)自外界的自由電荷，并使整個(gè)壓電陶瓷片呈電中性。當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將會(huì)產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對(duì)另會(huì)產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，一端的束縛電荷對(duì)另一端異號(hào)的束縛電荷影向增強(qiáng)，而使表面的自由電荷過(guò)剩出現(xiàn)放一端異號(hào)的束縛電荷影向增強(qiáng)，而使表面的自由電荷過(guò)剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。(2)壓電陶瓷壓電陶瓷（3）壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件）壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件晶體結(jié)構(gòu)沒有對(duì)稱中心。晶體結(jié)構(gòu)沒有對(duì)稱中心。壓電體是電介質(zhì)。壓電體是電介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)必須有帶正負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)。即壓電體其結(jié)構(gòu)必須有帶正負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)。即壓電體是離子晶體或由離子團(tuán)組成的分子晶體。是離子晶體或由離子團(tuán)組成的分子晶體。（4 4）壓電材料的壓電常數(shù)）壓電材料的壓電常數(shù)張量表示：張量表示：xz zT3(D1)T2T1T4T6T5(D D3)(D2)y yT T1 1T T3 3分別為沿分別為沿 x x、y y、z z 軸的正應(yīng)力（或應(yīng)軸的正應(yīng)力（或應(yīng)力分量），力分量），T T4 4T T6 6分別為繞分別為繞 x x、y y、z z軸的切軸的切向應(yīng)力，向應(yīng)力，D D1 1D D3 3分別是分別是 x x、y y、z z 表面由于壓表面由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。q 晶體的對(duì)稱性與壓電系數(shù)矩陣 晶體的對(duì)稱性不僅具有幾何性，而且具有物理性，即晶體的很多物理量都與晶體的對(duì)稱性有關(guān)。例如，晶體的介電性、彈性、鐵電性、壓電性、聲傳播特性及非線性光學(xué)性質(zhì)等都將隨晶體對(duì)稱性的不同而不同。諾埃曼原則就是表達(dá)晶體的物理性質(zhì)和晶體對(duì)稱性之間關(guān)系的原則。諾埃曼原則是指晶體任何物理性質(zhì)的對(duì)稱性都包括在晶體點(diǎn)群的對(duì)稱要素中。這就是說(shuō)，如果晶體具有某些確定的對(duì)稱要素，則該晶體的物理性質(zhì)也具有這些對(duì)稱要素所規(guī)定的對(duì)稱性質(zhì)。材料物理性能材料的介電性能 材料物理性能材料的介電性能晶系及晶胞常數(shù) -=00000020000000000000000000011141411112625141211363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddddddddddddij石英晶體石英晶體BaTiO3陶瓷陶瓷因?yàn)榫w對(duì)稱原因，因?yàn)榫w對(duì)稱原因，只有以上幾個(gè)壓電只有以上幾個(gè)壓電應(yīng)變常量不為零，應(yīng)變常量不為零，其他都為零其他都為零二、二、壓電振子的諧振特性壓電振子的諧振特性壓電振子：極化后的壓電體。壓電振子：極化后的壓電體。諧振的產(chǎn)生：對(duì)壓電振子施加交變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)頻率諧振的產(chǎn)生：對(duì)壓電振子施加交變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)頻率與壓電體的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧振。與壓電體的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧振。1諧振特性諧振特性諧振頻率：形成駐波的頻率。諧振頻率：形成駐波的頻率。形成駐波的條件：形成駐波的條件：L=n/2振動(dòng)頻率：振動(dòng)頻率：fr=u/（u-聲波的傳播速度，與物體的聲波的傳播速度，與物體的密度和彈性模量有關(guān)）密度和彈性模量有關(guān)）諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：L=n（u/fr）/2n=1,頻率為基頻，其它為二、三次等泛頻，當(dāng)發(fā)生諧振頻率為基頻，其它為二、三次等泛頻，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小時(shí)，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小(電流最大電流最大)的的頻率頻率fm附近，此頻率為最小阻抗頻率。頻率繼續(xù)增大，阻附近，此頻率為最小阻抗頻率。頻率繼續(xù)增大，阻抗達(dá)到一個(gè)極大值，相應(yīng)的頻率抗達(dá)到一個(gè)極大值，相應(yīng)的頻率fn叫做反諧振頻率。叫做反諧振頻率。壓電振子的阻抗頻率變化壓電振子的阻抗頻率變化反諧振反諧振阻阻抗抗頻率頻率f諧振諧振fm1fn12 2 晶體振蕩電路晶體振蕩電路 （1 1）石英晶體的諧振特性與等效電路石英晶體的諧振特性與等效電路 石石英英晶晶體體諧諧振振器器是是晶晶振振電電路路的的核核心心元元件件,其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和外外形形如如圖圖7.127.12所示。所示。石石英英晶晶體體諧諧振振 器器是是從從一一塊塊石石英英晶晶體體上上按按確確定定的的方方位位角角切切下下的的薄薄片片,這這種種晶晶片片可可以以是是正正方方形形、矩矩形形或或圓圓形形、音音叉叉形形的的,然然后后將將晶晶片片的的兩兩個(gè)個(gè)對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)表表面面上上涂涂敷敷銀銀層層,并并裝裝上上一一對(duì)對(duì)金金屬屬板板,接接出出引引線線,封裝于金屬殼內(nèi)。封裝于金屬殼內(nèi)。為為什什么么石石英英晶晶體體能能作作為為一一個(gè)個(gè)諧諧振振回回路路,而而且且具具有有極極高高的的頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定度度呢呢？這這要要從從石石英英晶晶體體的的固固有有特特性性來(lái)來(lái)進(jìn)進(jìn)行行分分析析。物物理理學(xué)學(xué)的的研研究究表表明明，當(dāng)當(dāng)石石英英晶晶體體受受到到交交變變電電場(chǎng)場(chǎng)作作用用時(shí)時(shí)，即即在在兩兩極極板板上上加加以以交交流流電電壓壓，石石英英晶晶體體便便會(huì)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生生機(jī)機(jī)械械振振動(dòng)動(dòng)。反反過(guò)過(guò)來(lái)來(lái)，若若對(duì)對(duì)石石英英晶晶體體施施加加周周期期性性機(jī)機(jī)械械力力，使使其其發(fā)發(fā)生生振振動(dòng)動(dòng)，則則又又會(huì)會(huì)在在晶晶體體表表面面出出現(xiàn)現(xiàn)相相應(yīng)應(yīng)的的交交變變電電場(chǎng)場(chǎng)和和電電荷荷,即即在在極極板板上上有有交交變變電電壓壓。當(dāng)當(dāng)外外加加電電場(chǎng)場(chǎng)的的頻頻率率等等于于晶晶體體的的固固有有頻頻率率時(shí)時(shí)，便便會(huì)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生生“機(jī)機(jī)電電共共振振”，振振幅幅明明顯顯加加大大，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為壓壓電電諧諧振振。它它與與LC回回路路的的諧諧振振現(xiàn)現(xiàn)象十分相似。象十分相似。圖 7.12石英晶體諧振器(a)石英晶體振蕩器；(b)外形圖 壓壓電電諧諧振振的的固固有有頻頻率率與與石石英英晶晶體體的的外外形形尺尺寸寸及及切切割割方方式式有有關(guān)關(guān)。從從電電路路上上分分析析,石石英英晶晶體體可可以以等等效效為為一一個(gè)個(gè)LC電電路路,把把它它接接到到振振蕩蕩器器上便可作為選頻環(huán)節(jié)應(yīng)用。上便可作為選頻環(huán)節(jié)應(yīng)用。圖圖7.13為石英晶體在電路中的符號(hào)和等效電路。為石英晶體在電路中的符號(hào)和等效電路。圖圖石英晶體的符號(hào)和石英晶體的符號(hào)和等效電路等效電路(a)符號(hào)；符號(hào)；(b)等效電路等效電路 圖2.14 石英晶體的電抗頻率特性 圖圖2.14為石英晶體諧振器的電抗為石英晶體諧振器的電抗-頻率特性。頻率特性。由由圖圖2.14可可知知,它它具具有有兩兩個(gè)個(gè)諧諧振振頻頻率率,一一個(gè)個(gè)是是L、C、R支支路路發(fā)發(fā)生生串串聯(lián)聯(lián)諧諧振振時(shí)時(shí)的的串串聯(lián)聯(lián)諧諧振振頻頻率率fs，另另一一個(gè)個(gè)是是L、C、R支支路路與與C0支支路路發(fā)發(fā)生生并并聯(lián)聯(lián)諧諧振振時(shí)時(shí)的的并并聯(lián)聯(lián)諧諧振振頻頻率率fp，由由圖圖 7.13 等效電路得等效電路得:（7.13）（7.14）C1C0L1R通過(guò)該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對(duì)值，通過(guò)該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對(duì)值，對(duì)其求導(dǎo)，在對(duì)其求導(dǎo)，在R=0時(shí)，求出時(shí)，求出fm，fnfm=1/2(L1C1)1/2(串聯(lián)諧振）串聯(lián)諧振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C1)(并聯(lián)諧振）并聯(lián)諧振）壓電振子的等效電路壓電振子的等效電路根據(jù)高頻電子線路的知識(shí)可以根據(jù)高頻電子線路的知識(shí)可以知道，壓電振子的交流等效回知道，壓電振子的交流等效回路是路是LCR電路，存在兩個(gè)諧振電路，存在兩個(gè)諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率頻率：串聯(lián)諧振頻率S 和并和并聯(lián)諧振頻率聯(lián)諧振頻率P。TDSETDSE三、壓電方程正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)恒應(yīng)力介電常數(shù)恒應(yīng)力介電常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)短路彈性柔順常數(shù)短路彈性柔順常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)壓電應(yīng)變常數(shù)負(fù)號(hào)的含義負(fù)號(hào)的含義加電場(chǎng)后，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低加電場(chǎng)后，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低恒應(yīng)變介電常數(shù)恒應(yīng)變介電常數(shù)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電應(yīng)力常數(shù)壓電應(yīng)力常數(shù)短路彈性勁度常數(shù)短路彈性勁度常數(shù)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電應(yīng)力常數(shù)壓電應(yīng)力常數(shù)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)自由介電隔離常數(shù)自由介電隔離常數(shù)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電電壓常數(shù)壓電電壓常數(shù)開路彈性柔順常數(shù)開路彈性柔順常數(shù)負(fù)號(hào)的含義負(fù)號(hào)的含義加應(yīng)力后，造成同等極化需要的電場(chǎng)降低加應(yīng)力后，造成同等極化需要的電場(chǎng)降低正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)壓電剛度常數(shù)壓電剛度常數(shù)夾持介電隔離常數(shù)夾持介電隔離常數(shù)壓電剛度常數(shù)壓電剛度常數(shù)開路彈性勁度常數(shù)開路彈性勁度常數(shù)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)負(fù)號(hào)的含義負(fù)號(hào)的含義允許極化時(shí)，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低允許極化時(shí)，造成同等應(yīng)變需要的應(yīng)力降低負(fù)號(hào)的含義負(fù)號(hào)的含義允許應(yīng)變時(shí)，造成同等極化需要的電場(chǎng)降低允許應(yīng)變時(shí)，造成同等極化需要的電場(chǎng)降低四、壓電性能的主要參數(shù)四、壓電性能的主要參數(shù)壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性 壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（單晶體）；另一類是經(jīng)過(guò)極化一類是壓電晶體（單晶體）；另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；第三類是高分子壓處理的壓電陶瓷（多晶體）；第三類是高分子壓電材料。電材料。（一）石英晶體（單晶）（一）石英晶體（單晶）石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定。它還具有自振的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定。它還具有自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)。（二）壓電陶瓷（二）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：1.1.鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZTPZT）2.2.非鉛系壓電陶瓷非鉛系壓電陶瓷（三）高分子壓電材料（三）高分子壓電材料 高分子壓電材料是一種柔軟的壓電高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料?？筛鶕?jù)需要制成薄膜或電纜套管等材料?？筛鶕?jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出壓電特性。形狀。經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出壓電特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制。在一些不要求測(cè)量精度的場(chǎng)合，例拉制。在一些不要求測(cè)量精度的場(chǎng)合，例如水聲測(cè)量，防盜、振動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)域中獲如水聲測(cè)量，防盜、振動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。得應(yīng)用。壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 石英晶體主要用于精密測(cè)量，多作為實(shí)驗(yàn)石英晶體主要用于精密測(cè)量，多作為實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)傳感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機(jī)室基準(zhǔn)傳感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機(jī)械強(qiáng)度稍低，多用作測(cè)力和振動(dòng)傳感器；械強(qiáng)度稍低，多用作測(cè)力和振動(dòng)傳感器；而高分子壓電材料多用作定性測(cè)量。下面而高分子壓電材料多用作定性測(cè)量。下面分別介紹幾種典型的應(yīng)用，并對(duì)振動(dòng)測(cè)量分別介紹幾種典型的應(yīng)用，并對(duì)振動(dòng)測(cè)量給予簡(jiǎn)介。給予簡(jiǎn)介。壓電材料的應(yīng)用壓電材料的應(yīng)用1.1.玻璃打碎報(bào)警裝置玻璃打碎報(bào)警裝置 玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲至超聲波玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲至超聲波（高于（高于20kHz20kHz）的振動(dòng)。將高分子壓電薄膜）的振動(dòng)。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動(dòng)，并粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。2 2壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)壓電式周界報(bào)警系統(tǒng) 周界報(bào)警系統(tǒng)又稱線控報(bào)警系統(tǒng)。它警戒的周界報(bào)警系統(tǒng)又稱線控報(bào)警系統(tǒng)。它警戒的是一條邊界包圍的重要區(qū)域。當(dāng)入侵者進(jìn)入是一條邊界包圍的重要區(qū)域。當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。防范區(qū)之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。3.3.交通監(jiān)測(cè)交通監(jiān)測(cè) 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車速、載荷分布、車型等。速、載荷分布、車型等。壓電式傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，一般壓電式傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，一般需將電信號(hào)放大后才能檢測(cè)出來(lái)。因此與需將電信號(hào)放大后才能檢測(cè)出來(lái)。因此與之相配的前置放大器有電壓前置放大器和之相配的前置放大器有電壓前置放大器和電荷放大器兩種形式。電荷放大器兩種形式。3.電荷放大器電荷放大器壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)(a)中心安裝壓縮型中心安裝壓縮型(b)環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型(c)三角剪切型三角剪切型 S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。壓電式壓電式膠殼蜂膠殼蜂鳴器鳴器壓電式鋁殼蜂鳴器壓電式鋁殼蜂鳴器膠殼引線蜂鳴器廣泛應(yīng)用于電話機(jī)、電子鐘、電器產(chǎn)品、防膠殼引線蜂鳴器廣泛應(yīng)用于電話機(jī)、電子鐘、電器產(chǎn)品、防盜報(bào)警、井下報(bào)警、煙霧報(bào)警和電子玩具發(fā)聲之用途。鋁殼盜報(bào)警、井下報(bào)警、煙霧報(bào)警和電子玩具發(fā)聲之用途。鋁殼蜂鳴器可應(yīng)用于電子臺(tái)歷、數(shù)碼相機(jī)、各種儀器儀表、防丟蜂鳴器可應(yīng)用于電子臺(tái)歷、數(shù)碼相機(jī)、各種儀器儀表、防丟防盜器、驗(yàn)鈔機(jī)、玩具等發(fā)聲用途。防盜器、驗(yàn)鈔機(jī)、玩具等發(fā)聲用途。自發(fā)極化自發(fā)極化在晶體中，如果晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，即每一個(gè)在晶體中，如果晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，即每一個(gè)晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會(huì)沿同一方向排列整齊，重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會(huì)沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)。使晶體處于高度極化狀態(tài)。這種在無(wú)外電場(chǎng)作用下存在的極化現(xiàn)象稱為這種在無(wú)外電場(chǎng)作用下存在的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化自發(fā)極化 -+-+-+-+極極化化軸軸C-+-+（a）極性軸導(dǎo)致的自發(fā)極化）極性軸導(dǎo)致的自發(fā)極化-+-+固固有有偶偶極極子子正正電電荷荷與與負(fù)負(fù)電電荷荷層層交交替替排排列列-+-+-+-+氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。（b）由熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的自發(fā)極化）由熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的自發(fā)極化較高溫度時(shí)，較高溫度時(shí)，鈦離子熱振動(dòng)能較大，難于在偏離中心的某一個(gè)鈦離子熱振動(dòng)能較大，難于在偏離中心的某一個(gè)位置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率相等，晶體保持高的位置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率相等，晶體保持高的對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。（對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。（如圖如圖A所示所示）圖圖A 較低溫度時(shí)，鈦離子熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，熱振動(dòng)能特別低的離子占很較低溫度時(shí)，鈦離子熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，熱振動(dòng)能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場(chǎng)作用，有可能偏離平衡位置向某一個(gè)大比例，其能量不足以克服氧離子電場(chǎng)作用，有可能偏離平衡位置向某一個(gè)氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固定下來(lái)，并使這一氧離子出現(xiàn)強(qiáng)烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向定下來(lái)，并使這一氧離子出現(xiàn)強(qiáng)烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。（延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。（如圖如圖B所示所示）圖圖Bu由極性軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場(chǎng)很由極性軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場(chǎng)很強(qiáng)，外電場(chǎng)的作用并不能改變晶體的極化強(qiáng)度，也不能改強(qiáng)，外電場(chǎng)的作用并不能改變晶體的極化強(qiáng)度，也不能改變其方向，所有質(zhì)點(diǎn)的偶極矩都平行，大部分是一個(gè)電疇。變其方向，所有質(zhì)點(diǎn)的偶極矩都平行，大部分是一個(gè)電疇。這樣晶體具有熱釋電性，大都為單疇體。這樣晶體具有熱釋電性，大都為單疇體。u由熱運(yùn)動(dòng)引起自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居里點(diǎn)和由熱運(yùn)動(dòng)引起自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居里點(diǎn)和電滯回線等特性，這類晶體具有熱釋電性和鐵電性。電滯回線等特性，這類晶體具有熱釋電性和鐵電性。C、兩種自發(fā)極化機(jī)制的比較：兩種自發(fā)極化機(jī)制的比較：熱釋電效應(yīng)：熱釋電晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力作用熱釋電效應(yīng)：熱釋電晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力作用引起壓電效應(yīng)外，還可以由于溫度變化時(shí)的熱膨引起壓電效應(yīng)外，還可以由于溫度變化時(shí)的熱膨脹作用而使其電極化強(qiáng)度變化，引起自由電荷的脹作用而使其電極化強(qiáng)度變化，引起自由電荷的充放電現(xiàn)象。充放電現(xiàn)象。熱熱釋電性效應(yīng)釋電性效應(yīng)產(chǎn)生的條件：產(chǎn)生的條件：u一定是具有自發(fā)極化的晶體，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極軸。一定是具有自發(fā)極化的晶體，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極軸。所謂極軸，顧名思義是晶體唯一的軸，在該軸兩端往往所謂極軸，顧名思義是晶體唯一的軸，在該軸兩端往往具有不同的性質(zhì)，且采用對(duì)稱操作不能與其它晶向重合具有不同的性質(zhì)，且采用對(duì)稱操作不能與其它晶向重合的方向。的方向。x3x2x1x3x2x1 石英晶體：石英晶體：加熱前加熱前加熱后加熱后圖示：壓電體不一定具有熱釋電性圖示：壓電體不一定具有熱釋電性 晶體的鐵電性晶體的鐵電性在熱釋電晶體中，有若干種點(diǎn)群的晶體不但在某溫度范圍內(nèi)具有在熱釋電晶體中，有若干種點(diǎn)群的晶體不但在某溫度