壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用

壓電效應(yīng)原理

壓電效應(yīng)表明了石英晶體的力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)的耦合。
直接壓電效應(yīng)由居里兄弟在1880 年發(fā)現(xiàn)的。他們指出，當(dāng)把一重物放在一石英晶體上
時，在晶體表面上出現(xiàn)了電荷，電荷量和重物的質(zhì)量成正比。1881 年，用圖解說明了反壓
電效應(yīng)；當(dāng)把電壓加到晶體上時，由于壓電效應(yīng)引起的晶格應(yīng)變而使晶體產(chǎn)生變形。當(dāng)把電
壓反向時，應(yīng)變也反向。因此，壓電效應(yīng)起到了電路與晶體機(jī)械特性之間的耦合作用。在適
當(dāng)條件下，“良好”的壓電諧振器能夠?qū)φ袷幤麟娐菲鸱€(wěn)頻的作用
在32 種晶體中，有20 種具有壓電效應(yīng)（但在20 種中，只有很少幾種有用）。壓電晶體沒有對稱中心，當(dāng)力使晶格形變時，晶體中正負(fù)電荷的重心可能被分開而產(chǎn)生表面電荷。圖
中所示為晶體壓電效應(yīng)的一個例子（根據(jù)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(dāng)受到應(yīng)變而使晶體沿Y 方向伸長時，負(fù)電荷就向左移動，而正電
荷就向右（沿X 軸）移動
當(dāng)石英晶體有對稱中心，即石英晶體時各向同性時，就不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。然而電致伸
縮存在于所有的電介質(zhì)固體中。在應(yīng)用電場中的二次變形（盡管壓電效應(yīng)是線性的；隨著電
場的反轉(zhuǎn)，變形也會反轉(zhuǎn)）偏電致伸縮，弱電場的變化重疊于恒定分量，這個現(xiàn)象與線性壓
電等價；這個技術(shù)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(yīng)

在石英中，五種應(yīng)變分量均由電場產(chǎn)生。下面所示模型可以由適當(dāng)位置和形狀的電極所
激勵。由場Y 分量產(chǎn)生的相對與Z 軸的切應(yīng)變可應(yīng)用與AT、BT 和SC 切的旋轉(zhuǎn)Y 切系列。
壓電效應(yīng)是線性的。電場的反轉(zhuǎn)引起應(yīng)變的反轉(zhuǎn)，例如機(jī)械變形。
機(jī)電（也叫壓電）耦合系數(shù)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(shù)能
確定壓電轉(zhuǎn)換功效，并且是重要設(shè)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(xù)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(jīng)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(xué)拋光（擴(kuò)散控制濕法腐蝕），等離子腐蝕和離
子研磨技術(shù)。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(yōu)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(yīng)的應(yīng)用及原理

一、壓電效應(yīng)的原理：　

　　壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機(jī)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(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對應(yīng)的關(guān)系確實非常有意思。

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

二、壓電效應(yīng)的應(yīng)用：

　　壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(qū)動器應(yīng)用。

　　1、換能器

　　換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機(jī)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(yīng)，而換能器設(shè)計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動下的彎曲振動，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)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(xiàn)行技術(shù)難以實現(xiàn)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(fā)射系統(tǒng)等。

　　壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開發(fā)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(fā)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?dāng)?shù)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(nèi)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(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性能。

　　壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。

　　2、壓電驅(qū)動器

　　壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運動，聚合物驅(qū)動器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū)動器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實際應(yīng)用，還需要進(jìn)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(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)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(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的探索。

　　3、傳感器上的應(yīng)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(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)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(yōu)點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)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(fù)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(zhì)量塊，質(zhì)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(zhì)量塊預(yù)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(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)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(dāng)傳感器受振動力作用時，由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)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(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)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(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。

　　4、在機(jī)器人接近覺中的應(yīng)用（超聲波傳感器）

　　機(jī)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(zhǔn)備工作；其二，探測機(jī)器人手和足的運動空間中有無障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時采取一定措施，避免發(fā)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(jī)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(jī)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(huán)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(fā)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(fā)射器向被測物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)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(dāng)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(fā)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(zhì)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(jìn)行的。

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

三、壓電效應(yīng)的現(xiàn)狀：

　　下面介紹幾種處于發(fā)展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應(yīng)用。

　　1、 細(xì)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(jìn)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(jī)械強(qiáng)度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅(qū)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(yīng)的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝，使細(xì)晶粒壓電陶瓷壓電效應(yīng)增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當(dāng)?shù)乃健，F(xiàn)在制作細(xì)晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來，人們用細(xì)晶粒壓電陶瓷進(jìn)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(xì)晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開發(fā)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(chǎn)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(jié)性。抑制晶粒長大，從而得到各個晶粒細(xì)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(yīng)用。目前該材料的發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關(guān)心的課題。

　　3、壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料

　　無機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒有的特性。因此，可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)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(fù)合材料也有較大優(yōu)勢。國內(nèi)學(xué)者對這個領(lǐng)域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，并在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能方面做了一些有益的基礎(chǔ)研究工作，目前正致力于壓電復(fù)合材料產(chǎn)品的開發(fā)。

　　4、壓電性特異的多元單晶壓電體

　　傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應(yīng)要強(qiáng)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)邊，高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)仍不能滿足要求。于是近幾年來，人們?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)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(dá)2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達(dá)0.95（壓電陶瓷K33最高達(dá)0.8），其應(yīng)變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個數(shù)量級。儲能密度高達(dá)130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱這類材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍。現(xiàn)在美國、日本、俄羅斯和中國已開始進(jìn)行這類材料的生產(chǎn)工藝研究，它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。