壓電效應的原理及應用

壓電效應原理

壓電效應表明了石英晶體的力學性質和電學的耦合。
直接壓電效應由居里兄弟在1880 年發現的。他們指出，當把一重物放在一石英晶體上
時，在晶體表面上出現了電荷，電荷量和重物的質量成正比。1881 年，用圖解說明了反壓
電效應；當把電壓加到晶體上時，由于壓電效應引起的晶格應變而使晶體產生變形。當把電
壓反向時，應變也反向。因此，壓電效應起到了電路與晶體機械特性之間的耦合作用。在適
當條件下，“良好”的壓電諧振器能夠對振蕩器電路起穩頻的作用
在32 種晶體中，有20 種具有壓電效應（但在20 種中，只有很少幾種有用）。壓電晶體沒有對稱中心，當力使晶格形變時，晶體中正負電荷的重心可能被分開而產生表面電荷。圖
中所示為晶體壓電效應的一個例子（根據Kelvin 的定性模型）。每個硅原子用+號表示，每
個氧原子用—號表示。當受到應變而使晶體沿Y 方向伸長時，負電荷就向左移動，而正電
荷就向右（沿X 軸）移動
當石英晶體有對稱中心，即石英晶體時各向同性時，就不會產生壓電效應。然而電致伸
縮存在于所有的電介質固體中。在應用電場中的二次變形（盡管壓電效應是線性的；隨著電
場的反轉，變形也會反轉）偏電致伸縮，弱電場的變化重疊于恒定分量，這個現象與線性壓
電等價；這個技術能被用于非壓電石英晶體，例如硅，但耦合依賴于偏軸。

壓電效應

在石英中，五種應變分量均由電場產生。下面所示模型可以由適當位置和形狀的電極所
激勵。由場Y 分量產生的相對與Z 軸的切應變可應用與AT、BT 和SC 切的旋轉Y 切系列。
壓電效應是線性的。電場的反轉引起應變的反轉，例如機械變形。
機電（也叫壓電）耦合系數k 是壓電材料的一個重要特性；k 的范圍在0 和1 之間，并
且是無量綱的，即對于AT 切石英晶體k=8.8%，而SC 切石英晶體k = 4.99%。這個系數能
確定壓電轉換功效，并且是重要設備的決定性因素，比如濾波器帶寬，介入損失，定位和諧
振器臨界頻率的間隙（即連續諧振到反共振頻率間隙）。

運動模式

上圖是體波（BAW）的運動模式。例如，AT 切和SC 切諧振器是厚度剪切振動模式。
在高于100MHz 時，泛音部件經常被用于有選擇的諧波振動模式（比如三階泛音或五階泛
音）。高于100MHz 的基諧模部件可以由化學拋光（擴散控制濕法腐蝕），等離子腐蝕和離
子研磨技術。在低于1MHz，可以用來做音叉，X-Y 和NT 刪（彎曲模式），X 切（延伸模
式），CT 切和DT 切模式（面切變模式）部件。由于音叉尺寸小和便宜，使其在低頻部件中
占有優勢。
聲波在固體中傳播的速度一般為3000m/s（光速的10-5 倍）。比如，在AT 切石英晶體中
剪切波在沿剪切方向傳播的速度為3320m/s；基諧模頻率為v/2h，其中v 是聲波的速度，h
是板的厚度。（板的厚度為半波長。）

壓電效應的應用及原理

一、壓電效應的原理：　

　　壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關系確實非常有意思。

　　壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來制作智能結構，此類結構除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要的地位。

二、壓電效應的應用：

　　壓電材料的應用領域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅動器應用。

　　1、換能器

　　換能器是將機械振動轉變為電信號或在電場驅動下產生機械振動的器件

　　壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應，而換能器設計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅動下的彎曲振動，利用上述原理可生產電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點，研制運用其它現行技術難以實現的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發射系統等。

　　壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準軍事應用，如用于水下探測的大面積傳感器陣列和監視系統等，隨后應用領域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設備等方面。為滿足特定要求而開發的各種原型水聲器件，采用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水數量級相同等特點，最后一個特點使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內的聲壓，且不致由于其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內的瞬態振蕩，從而進一步增強壓電聚合物水聽器的性能。

　　壓電聚合物換能器在生物醫學傳感器領域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應用、PVDF薄膜優異的柔韌性和成型性，使其易于應用到許多傳感器產品中。

　　2、壓電驅動器

　　壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變為機械能或機械運動，聚合物驅動器主要以聚合物雙晶片作為基礎，包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅動器應用研究包括顯示器件控制、微位移產生系統等。要使這些創造性設想獲得實際應用，還需要進行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產生大伸縮應變的能力，從而為研制新型聚合物驅動器創造了有利條件。在潛在國防應用前景的推動下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統地進行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優異特性，研究開發其在醫學超聲、減振降噪等領域應用，還需要進行大量的探索。

　　3、傳感器上的應用

壓電式壓力傳感器

　　壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結構如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時要特別注意，避免漏電。

　　壓電式壓力傳感器的優點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應，體積小，結構堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復較慢。

壓電式加速度傳感器

　　壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個質量塊，質量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質量塊預加載荷，整個組件裝在一個原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應變傳送到壓電元件上去，避免產生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。

　　測量時，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當傳感器受振動力作用時，由于基座和質量塊的剛度相當大，而質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小。因此質量塊經受到與基座相同的運動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質量塊就有一正比于加速度的應變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產生交變電荷（電壓），當加速度頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進適當的積分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。

　　4、在機器人接近覺中的應用（超聲波傳感器）

　　機器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個：其一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運動做好準備工作；其二，探測機器人手和足的運動空間中有無障礙物。如發現有障礙，則及時采取一定措施，避免發生碰撞；其三，為獲取對象物體表面形狀的大致信息。

　　超聲波是人耳聽見的一種機械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動頻率范圍只是20HZ－20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環境中較大的物體，不能測量距離小于30mm的物體。

　　超聲傳感器包括超聲發射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發射器向被測物體方向發射脈沖式的超聲波。發射器發出一連串超聲波后即自行關閉，停止發射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號，定時電路也開始計時。當超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間，是從發射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。利用傳播時間值，可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單，即聲波傳播時間的一半與聲波在介質中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進行的。

　　壓電材料除了以上用途外還有其它相當廣泛的應用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。

三、壓電效應的現狀：

　　下面介紹幾種處于發展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應用。

　　1、 細晶粒壓電陶瓷

　　以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級，可以改進材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機械強度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅動電壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處，但同時也帶來了降低壓電效應的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統的摻雜工藝，使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當的水平?，F在制作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來，人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細晶粒壓電陶瓷的優越性。隨著納米技術的發展，細晶粒壓電陶瓷材料研究和應用開發仍是近期的熱點。

　　2、PbTiO3系壓電材料

　　PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產品難的問題，人們還是在改性方面作了大量工作，改善其燒結性。抑制晶粒長大，從而得到各個晶粒細小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應用。目前該材料的發展和應用開發仍是許多壓電陶瓷工作者關心的課題。

　　3、壓電陶瓷-高聚物復合材料

　　無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電復合材料，兼備無機和有機壓電材料的性能，并能產生兩相都沒有的特性。因此，可以根據需要，綜合二相材料的優點，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面，壓電復合材料也有較大優勢。國內學者對這個領域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，并在復合材料的結構和性能方面做了一些有益的基礎研究工作，目前正致力于壓電復合材料產品的開發。

　　4、壓電性特異的多元單晶壓電體

　　傳統的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強，從而得到了廣泛應用。但作為大應邊，高能換能材料，傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。于是近幾年來，人們為了研究出具有更優異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現已發現并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類單晶的d33最高可達2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達0.95（壓電陶瓷K33最高達0.8），其應變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應變高一個數量級。儲能密度高達130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。鐵電壓電學者們稱這類材料的出現是壓電材料發展的又一次飛躍?，F在美國、日本、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的生產工藝研究，它的批量生產的成功必將帶來壓電材料應用的飛速發展。