壓電陶瓷原理 ( 轉 )

壓電現象是 100 多年前居里兄弟研究石英時發現的。那么 , 什么是壓電效應呢？

當你在點燃煤氣灶或熱水器時 , 就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產廠家在這類壓電 點火裝置內 , 藏著一塊壓電陶瓷 , 當用戶按下點火裝置的彈簧時 , 傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上 , 使它產生很高的電壓 , 進而將電能引向燃氣的出口放電 , 于 是 , 燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。

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、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、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。現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。現在美國、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。

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壓電陶瓷知識簡介 佛山日報

壓電陶瓷是一能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。所謂壓電效應是指某些介質在受到機械壓力時 , 哪怕這種壓力像聲波振動那樣微小 , 都會產生壓縮或伸長等形狀變化 , 引起介質表面帶電 , 這是正壓電效應．

如今壓電陶瓷已經被科學家應用到國防建設、科學研究、工業生產以及和人民生活密切相關的許 多領域中 , 成為信息時代的多面手。 在航天領域 , 壓電陶瓷制作的壓電陀螺 , 是在太空中飛行的航天器、人造衛星的 “ 舵 ” 。依靠 “ 舵 ”, 航天器和人造衛星 , 才能保證其既定的方位和航線。傳統的機械陀螺 , 壽命短 , 精度差 , 靈敏度也低 , 不能很好滿足航天器和衛星系統的要求。而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高 , 可靠性 好． 在潛入深海的潛艇上 , 都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統。它是水下導航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設備 , 也是開發海洋資源的有力工 具 , 它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統中 , 有一雙明亮的 “ 眼睛 ”, 壓電陶瓷水聲換能器。當水聲換能器發射出的聲信號碰到一個目標后就會 產生反射信號 , 這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收 , 于是 , 就發現了目標。目前 , 壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一． 在醫學上 , 醫生將 壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位 , 通電后發出超聲波 , 傳到人體碰到人體的組織后產生回波 , 然后把這回波接收下來 , 顯示在熒光屏上 , 醫生便能了解人體內部狀 況。 壓電陶瓷也廣泛用于日常生活中。用兩個直徑３毫米、高５毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石制成的氣體電子打火機 , 可連續打火幾萬次。利用同一原理制成 的電子點火槍是點燃煤氣爐極好的用具。還有一種用壓電陶瓷元件制作的兒童玩具 , 比如在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器 , 玩具就會發出逼真有趣的 聲音。

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朋友，中國是文明古國，有陶瓷之祖榮譽，你早已知道，但你聽說過會說話、會唱歌的陶瓷嗎？會 偵察、會指揮、能診斷、能生電 -…… 的陶瓷嗎？這就是壓電陶瓷，屬于現代功能陶瓷。神奇的壓電陶瓷 -- 海中 " 雷達 " 偵察兵：雷達是用無線電原理對空中目標 搜索、定位、導向的通訊工具，而在水中不能發揮作用。用壓電陶瓷制成的聲納系統可在水中起到同樣的作用，在軍事上搜索敵潛艇，漁雷活動狀況是否對我方有威 脅 . 活動方位、速度等，我方根據動態目標對漁雷等起到導航、攻擊指揮作用。在民用上，探測海中魚群分布和種類以便有計劃捕撈，打撈遇難船物等。壓電陶瓷組 成的聲納系統譽為水中雷達偵察兵．

靈巧的壓電陶瓷 -- 微米級位移調控，色織機編織調控：人們都非常喜歡多媒體系統和彩色電視 機，你可知道在制造時有時需要微米級位移調控，一微米即為百萬分之一米，這怎么辦？告訴你有一種壓電陶瓷器件就能勝任此任務。人們欣賞花色時尚、多變、美 麗的編織衫，這美麗的花色是如何形成的？是調控編織機提花針來實現的，而提花針是由壓電陶瓷來調控的。上帝啊 ! 壓電之手這么靈巧啊 !

美麗的壓電陶瓷 -- 云山霧海、美妙音樂：當你在圣誕之時、生日之夜收到朋友的賀卡，在打開賀 卡的同時，送給你 "happy birthday to you" 的美妙音樂，在盛大慶典或展覽大廳，常有由盆景、瀑布、流水組成的入勝風景，且云山霧海繚繞，使你心花露放。這也是美妙的壓電陶瓷之功能。

壓電陶瓷就在我們身邊 -- 當你打開電視機、打開錄像機、打開隨身聽欣賞調頻音樂時，壓電陶瓷 在為你服務；當你使用自動點火煤氣灶、霧化加濕器時，壓電陶瓷在為你服務；當你需要用 B 超、心超檢查身體時，壓電陶瓷在為你服務；當你需要超聲美容、降 脂、理療時，壓電陶瓷在為你服務 ……

神奇美妙的壓電陶瓷就在我們身邊．