傳染病及其預(yù)防課件2-002

第二章

微機(jī)電系統(tǒng)功能材料壓電材料磁致伸縮材料形狀記憶材料電流變液膨脹合金金剛石材料納米相材料4/2/20241微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)第二章

微機(jī)電系統(tǒng)功能材料壓電材料4/1/20241微機(jī)電系2.3壓電材料壓電效應(yīng)石英晶體壓電陶瓷聚偏二氟乙烯薄膜（PVDF）ZnO壓電薄膜4/2/20242微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)2.3壓電材料壓電效應(yīng)4/1/20242微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)傳染病及其預(yù)防PPT精品課件2傳染病及其預(yù)防PPT精品課件2壓電效應(yīng)表達(dá)式如下：反映壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率的系數(shù)叫做機(jī)電耦合系數(shù)，用k表示

K=(由正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為的電能/輸入的機(jī)械能）1/2Q=d·F4/2/20245微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)壓電效應(yīng)表達(dá)式如下：反映壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率的系數(shù)叫做機(jī)電耦微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.2石英晶體石英晶體的理想形狀為六角錐體。石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性。石英晶體又是壓電材料，其壓電效應(yīng)與晶向有關(guān)石英晶體作為壓電材料，主要用于制造壓電振子和換能器。4/2/20246微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.2石英晶體4/1/20246微機(jī)xyz4/2/20247微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)xyz4/1/20247微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)石英晶體的坐標(biāo)軸選取4/2/20248微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)石英晶體的坐標(biāo)軸選取4/1/20248微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/2/20249微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/1/20249微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)Q=d·F石英晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的示意圖4/2/202410微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)Q=d·F石英晶體的壓電效應(yīng)4/1/202410微機(jī)電系統(tǒng)技4/2/202411微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/1/202411微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)Q=d·F壓電效應(yīng)表達(dá)式：4/2/202412微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)Q=d·F壓電效應(yīng)表達(dá)式：4/1/202412微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)dij--壓電系數(shù)D--電位移E--電場(chǎng)強(qiáng)度ε--應(yīng)變б--應(yīng)力壓電系數(shù)4/2/202413微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)dij--壓電系數(shù)壓電系數(shù)4/1/202413微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)“短路條件”下壓電常數(shù)“開路條件”下壓電常數(shù)單位機(jī)械應(yīng)變?cè)诰w內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度。機(jī)電耦合系數(shù)4/2/202414微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)“短路條件”下壓電常數(shù)“開路條件”下壓電常數(shù)單位機(jī)械應(yīng)變?cè)谑⒕w的壓電系數(shù)矩陣4/2/202415微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)石英晶體的壓電系數(shù)矩陣4/1/202415微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)Z軸：中性軸Y軸：機(jī)械軸X軸：電軸石英晶體的壓電系數(shù)矩陣4/2/202416微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)Z軸：中性軸石英晶體的壓電系數(shù)矩陣4/1/202416微機(jī)應(yīng)用傳感器：壓力，加速度。執(zhí)行器：微致動(dòng)器，馬達(dá)，超聲波換能器。其它：晶體震蕩器。4/2/202417微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用傳感器：壓力，加速度。4/1/202417微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.3壓電陶瓷陶瓷材料是以化學(xué)合成物質(zhì)為原料，經(jīng)過精密的成型燒結(jié)而成。燒結(jié)前，嚴(yán)格控制合成物質(zhì)的組份比，便可以研制成適合多種用途的功能陶瓷，如壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電陶瓷等壓電陶瓷是陶瓷經(jīng)過電極化之后形成的。4/2/202418微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.3壓電陶瓷4/1/202418微2.3.3

壓電陶瓷

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(chǎng)。在無外電場(chǎng)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，不具有壓電性質(zhì),如圖（a）所示。

4/2/202419微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)2.3.3壓電陶瓷4/1/202419微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)

在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性,如圖（b）所示。4/2/202420微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)4/2/202421微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/1/202421微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)壓電陶瓷的壓電系數(shù)矩陣4/2/202422微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)壓電陶瓷的壓電系數(shù)矩陣4/1/202422微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/2/202423微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/1/202423微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)壓電陶瓷材料有很多種，最早的是鈦酸鋇，現(xiàn)在最常用的是鋯鈦酸鉛（PZT）利用材料復(fù)合技術(shù)，也研制出不少類型的壓電復(fù)合材料。如聚偏二氟乙烯混合材料:填充壓電陶瓷借以增強(qiáng)壓電效應(yīng)，聚合物相則可以降低材料的密度和介質(zhì)常數(shù)，增加材料的柔性微機(jī)電系統(tǒng)功能材料4/2/202424微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)壓電陶瓷材料有很多種，最早的是鈦酸鋇，現(xiàn)在最常用的是鋯鈦酸鉛微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.4聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯簡(jiǎn)稱PVDF是一種壓電和熱釋電功能材料。聚偏二氟乙烯薄膜通常用單向拉伸或雙向拉伸改善其機(jī)械特性和壓電特性。聚偏二氟乙烯薄膜在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力變化，導(dǎo)致電荷的電效應(yīng)，即熱釋電效應(yīng)。在某些絕緣物質(zhì)中，由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。Ps和T分別代表極化強(qiáng)度和溫度熱釋電常數(shù)4/2/202425微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.4聚偏二氟乙烯Ps和T分別代表極化PiezoelectricCoefficientsandOtherRelevantPropertiesforaSelectedListofPiezoelectric4/2/202426微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)PiezoelectricCoefficientsand

在以一定的升溫速度加熱高聚物駐極體時(shí),能使原來“凍結(jié)”的極化電荷釋放出來,這種電荷稱為熱釋電效應(yīng)(pyroelectriceffect)。高聚物駐極體polymeric

electret在無外電場(chǎng)作用下，能半永久保持電極化狀態(tài)，并向周圍環(huán)境施加電作用力的聚合物電介質(zhì)。

PVDF是典型的壓電和熱釋電高聚物,其壓電性的起源自它被發(fā)現(xiàn)起就是一個(gè)爭(zhēng)論的話題.一般地認(rèn)為,PVDF的壓電性可歸因于以下兩個(gè)機(jī)理.一是尺寸效應(yīng)，二是結(jié)晶相的本征壓電性.4/2/202427微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)在以一定的升溫速度加熱高聚物駐極體時(shí),能使原來“凍結(jié)”的極一尺寸效應(yīng)：

所謂尺寸效應(yīng)是假定偶極子為剛性,不隨外加應(yīng)力變化,是由膜厚變化所引起了壓電性.厚度的減小會(huì)使膜表面的誘導(dǎo)電荷增加.二是結(jié)晶相的本征壓電性：結(jié)晶相的壓電性由電致伸縮效應(yīng)及剩余極化所決定.晶相和非晶相的介電常數(shù)具有不同的應(yīng)變依賴性,材料處于極化狀態(tài)時(shí),由電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生壓電性.晶區(qū)的極化強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變具有依賴性,使晶區(qū)產(chǎn)生內(nèi)部壓電性.4/2/202428微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)一尺寸效應(yīng)：4/1/202428微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)熱釋電常數(shù)矩陣4/2/202429微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)熱釋電常數(shù)矩陣4/1/202429微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料聚偏二氟乙烯具有如下特點(diǎn)可制成柔軟而結(jié)實(shí)的檢測(cè)元件，附著在被測(cè)對(duì)象的彎曲或柔性表面上?；瘜W(xué)穩(wěn)定性高，且不會(huì)析出有毒物質(zhì)，與血液有良好的兼容性。有和水及人體軟組織相接近的低聲學(xué)阻抗壓電常數(shù)比石英高一個(gè)數(shù)量級(jí)加工性能好，易于大面積制造內(nèi)阻大，固有頻率高，具有優(yōu)異的寬頻帶響應(yīng)特性4/2/202430微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料聚偏二氟乙烯具有如下特點(diǎn)4/1/20243聚偏二氟乙烯（PVDF）4/2/202431微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)聚偏二氟乙烯（PVDF）4/1/202431微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/2/202432微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/1/202432微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.5ZnO壓電薄膜ZnO是6mm點(diǎn)群對(duì)稱的六角晶系纖鋅礦晶體。ZnO薄膜與各種非壓電材料襯底有優(yōu)異的結(jié)合性能。4/2/202433微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料2.3.5ZnO壓電薄膜4/1/2024六角形結(jié)構(gòu)(

nm)晶面構(gòu)成諧振腔Lasing4/2/202434微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)六角形結(jié)構(gòu)(nm)晶面構(gòu)成諧振腔4/1/202434微機(jī)電4/2/202435微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/1/202435微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/2/202436微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)4/1/202436微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)功能材料ZnO薄膜的用途（1）作為壓電激振器和檢測(cè)器（2）壓電換能器（3）聲表面波諧振器和聲表面波濾波器缺點(diǎn)：薄膜在生長過程中內(nèi)部會(huì)存在殘余應(yīng)力，其會(huì)影響器件使用的穩(wěn)定性。4/2/202437