【精編匯總版】壓電陶瓷及其應用合集

1、【精編匯總版】壓電陶瓷及其應用合集】8/8【精編匯總版】壓電陶瓷及其應用合集應電陶禮及其應用概述壓電陶瓷是一種具有壓電效應的多晶體，由于它的出產工藝與陶瓷的出產工 藝相似（原料破損、成型、低溫燒結）因而得名。某些各向異性的晶體，在機械力作用下，發(fā)作形變，使帶電粒子發(fā)作絕對位 移，從而在晶體表格模板面泛起正負束縛電荷，這種現象稱為壓電效應。晶體的這種 性質稱為壓電性。壓電性是J居里和P居里兄弟于1880年發(fā)現的。幾個月后他 們又用嘗試考證了逆壓電效應、即給晶體施加電壓時，晶體會發(fā)作多少形變。1940年從前，只知道有兩類鐵電體（在某溫度局限內不光具有自發(fā)極化，而 且自發(fā)極化強度的發(fā)向能因外場強作用

2、而從頭取向的晶體）：一類是羅息鹽和 某些關系密切的酒石酸鹽；一類是磷酸二氫鉀鹽和它的同品型物。前者在常溫 下有壓電性，技術上有使用代價，但有易溶解的缺點；后者要在低溫（低于一 148 C）下才有壓電性，工程使用代價不大。1942-1945年間發(fā)現鈦酸領（BaTiO3 ）具有非常高的介電常數，不久又發(fā)現 它具有壓電性，BaTiO?壓電陶瓷的發(fā)現是壓電材料的一個飛躍。這從前只有 壓電單晶材料，爾后泛起了壓電多晶材料壓電陶瓷，并得到普及應用。1947 年美國用BaTiO$陶瓷制造留聲機用拾音器，日本比美國晚用兩年。BaTiO$存 在壓電性比羅息鹽弱和壓電性隨溫度變卦比石英晶體大的缺點。1954年美國

3、B賈菲等人發(fā)現了壓電PbZrO? PbTiO?（PZT）固溶體系統(tǒng)，這是 一個劃期間大事，使在BaTiO?期間不能制作的器件成為概略。爾后又研制出 PLZT透明壓電陶瓷，使壓電陶瓷的應用擴展到光學局限。迄今，壓電陶瓷的應用，上至宇宙開拓，下至家庭生活極其普及。我國對壓電陶瓷的研究始于五十年代末期，比國外晚10年左右，目前在壓電 陶瓷的試制、產業(yè)出產等方面都已有相當雄厚氣力，有不少材料已抵達或靠近 國際程度。壓電陶瓷壓電性的物理機制壓電陶瓷是一種多晶體，它的壓電性可由晶體的壓電性來評釋，晶體在機械 力作用下，總的電偶極矩(極化)發(fā)作變卦，從而泛起壓電現象、因此壓電性 與極化，形變等有密切關系。1

4、.極化的微觀機理極化狀態(tài)是電場對電介質的荷電質點發(fā)作絕對位移的作用力與電荷間互相吸 引力的暫時平衡統(tǒng)一的狀態(tài)。極化機理次要有三種。(I)電子位移極化一電介質的原子或離子在電場力作用下，帶正電原子核 與殼層電子的負電荷中心泛起不重合。(2 )離子位移極化電介質正、負離子在電場力作用下發(fā)作絕對位移，從 而發(fā)作電偶極矩。(3 )取向極化組成電介質的有極份子,有肯定的本征(固有)電矩，由 于熱運動，取向無序，總電矩為零，當外加電場時，電偶極矩沿電場偏向布列， 泛起宏觀電偶極矩。對于各向異性晶體，極化強度與電場存在有如下關系與m , n=l ,2,3式中爲為極化率，或用電位移寫成：2.壓電效應(1)正壓

5、電效應壓電晶體在外力作用下發(fā)作形變時，正、負電荷中心發(fā)作絕對位移，在某些 絕對應的面上發(fā)作異號電荷，泛起極化強度。這種沒有電場作用，由形變發(fā)作 極化的現象稱為正壓電效應。對于各向異性晶體，對晶體施加應力；(相應的應變以)時，晶體將T在X,Y,Z三個偏向泛起與 ，成反比的極化強度，即：與4 =%盧式中 ,，旳分辯稱為壓電應力常數與壓電應變 常數。(2)逆壓電效應當給晶體施加一電場時，不光發(fā)作了極化，同時還發(fā)作形變，這種由電場產 生形變的現象稱為逆壓電效應。這是由于晶體受電場作用時，在晶體內部發(fā)作 了應力(壓電應力)，通過應力作用發(fā)作壓電應變。存在如下關系凡=冃厶=/紇或 S = dE T = e

6、fE 式中紹和尸分辯為d和e的轉量矩。3.壓力效應的機理壓電效應起首是在水晶晶體上發(fā)現的，此刻我們以水晶晶體為模型，剖析產 生壓電效應的物理機理。當不施以壓力時，水晶晶體正、負電荷中心如圖5-1 (a)分布，設這時正、負 電荷中心重合，整個晶體的總電矩等于雪，晶體表格模板面不荷電(不呈壓電性)。當沿x偏向施加壓力 限時,晶體發(fā)作形變，正、負電荷中心聚集，即電偶極 發(fā)作變卦，從而在X面上泛起電荷堆集，如圖5-1 ( b )所示。當沿Y軸偏向施加壓力 叫時，晶體形變正、負電荷中心的分布如圖5-1( c ) 此示這時總的電偶極距發(fā)作變卦并在X面上引起與前面相反標志的電荷堆集。 顯然，用伸拉力代替前面

7、的壓縮力，則表格模板明電荷的標志反過來?？傊?，對具有 壓電性的晶體施加壓力時，概略引起壓電效應。三.壓電陶瓷的應用壓電陶瓷由于它的壓電性以及由此引起的電機性能的多樣性得到了普及應 用。普通可將這些應用分紅兩大類，即作為壓電振子使用。作為壓電振子使用 時要求壓電陶瓷材料有好的頻次溫度平穩(wěn)性及較高的機械品行因數Q窟(Q 表格模板示振動轉換時材料內部能量消耗的程度)；做為換能器使用時要求有較高的 機械藕合系數=機械變化成電能,嗡入機械能，或玄” =電能變化成機械能，輸入電能）和較大的絕對介電常數 號（邑二/用）下面給出壓電陶瓷的應用。I.壓電陶瓷焚燒器這是一種將機械力轉換為電火花而撲滅燃燒物的裝置，

8、是電機換能器。1958年開創(chuàng)操作鈦酸頓（BaTiO3 ）陶瓷的壓電效應舉行焚燒，但這種材料著火率 不高，噪音大，1962年起頭試用錯鈦酸鉛（PZT ）壓電陶瓷制作焚燒器，這種 焚燒器普及應用普通生活、產業(yè)出產以及軍事方面，用以撲滅氣體和各類炸藥 和火箭的引燃引爆。（1 ）基本道理焚燒器工作過程分高壓發(fā)作、放電焚燒和撲滅可燃氣體三個階段。高壓發(fā)作以圓柱形壓電陶瓷元件為例，如圖5-2所示。當機械 力F作用于圓柱體時，晶體發(fā)作畸變，導致晶體中正負電荷中心偏 移，從而在圓柱體上下表格模板面泛起自由電荷多量積聚，發(fā)作高壓輸出。 輸出電壓為：V = ga3FJt/A式屮A網柱體截面積；h圓柱體高度；?心壓

9、電也壓常數。放電焚燒一一把壓電陶瓷元件放在一個閉合同路屮，并留一個適 當間隙，當甩壓升高到該間隙的放電電壓時，間隙中就發(fā)作放電火 花。撲滅可燃氣體般燃料氣體不易燃燒，所以普通采用易汽化的乙烷。為耽誤放電時間防止火花過快熄滅，以提高撲滅率，可在 放電端串入一個恰當電阻。（2）焚燒器布局和工作道理焚燒器品種單一，現以家用壓電焚燒器為例剖析它的布局和匚作原 理。如圖5-3所示的焚燒器，可固定在家丿|J灶具上撲滅煤氣，動彈凸輪 開關1,操作凸輪凸出部份拷打打擊塊3,并壓縮打擊塊后的彈簧2。 當凸輪凸岀部份脫離打擊塊后。山于彈簧彈力作用，打擊塊給陶瓷 壓電元件4一個打擊力，便在壓電元件兩端發(fā)作高壓，并從

10、中間電 極5輸出高壓，發(fā)作電火花撲滅氣體。2.壓電變壓器從五十年代就起頭研制壓電變壓器。其時以鈦酸鋼為次要材料。升壓斗勁低（只有5060倍）。輸岀也壓3000伏左右。隨著錯鈦酸 鉛壓電陶瓷材料的記現，升壓比提高到300500倍，逐步推廣應用于電視機、靜電寰即機、負離子準生器中儼為高壓電源.（1）基本道理,輸入壓電瓷片的電振動能量通過逆壓電效應轉換成機械振動能， 再通過正壓電效應又換成電能。在這兩次能量轉換中實現阻抗變卦（由低阻抗釀成高阻抗），從而在陶瓷片的諧振頻次上得到高的電壓 輸出?，F以伸縮振動的橫縱向型變壓器為例剖析變壓道理。如圖5-4所示，整個陶瓷片分紅兩部份，左部為輸入端（又稱驅動部份

11、）， 上、下面都有燒滲的銀電極，沿厚度偏向極化，右部為輸出端（又稱發(fā)電部份）, 其右端面有燒滲的銀電極。沿長度偏向極化。當輸入端加上交變電壓時,由于 逆壓電效應，瓷片發(fā)作沿長度偏向的伸縮振動，將輸入電能變化成機械能；而 發(fā)電部份則通過正壓電效應，將機械能變化成電能，從輸出端輸出電壓。無負 載時，開路升壓比為：V 4IL3宀- F j/t1式中 Z-材料的機械品行因數；K31、乂33一材料的縱、橫向電機耦合系數； L發(fā)電部份的長度；T變壓器厚度。（2）壓電變壓器的應用壓電變壓器次要用于高壓、低功率和正弦波變卦的情況，具有輸出電壓高，份量輕，體積小，無泄漏磁場、不燃燒等奇異優(yōu)點。為了得到多個電壓輸

12、出， 憑證橫一縱變壓器的輸出電壓與長度成反比，越靠近發(fā)電部份端頭，電壓越高, 我們可在發(fā)電部份的差異地位制作電極作為抽頭，從而得赴任異的電壓輸出。 如圖5-5所示。3.壓電陶瓷拾音器和揚聲器壓電陶瓷在電聲設備上有普及應用，比如壓電陶瓷拾音器、揚聲器。送受話 器等都是操作壓電陶瓷的換能性質(機械能變化成電能或反過來)來研制的。 (1 )雙膜片型振子電聲設備要求機械阻抗低，能與音源或振動源相正配，雙膜片型壓電振子能 契合這些要求。它是由兩片長度伸縮的壓電陶瓷片粘合而成，當一片伸長時， 另一片縮短，整體做鸞曲運動。圖56給出雙膜片型振子的工作道理，當一片有肯定厚度的壓電陶鎏受力彎 曲時，在其厚度的一

13、側為伸長，另一側為壓縮，此時陶瓷片內部將發(fā)作電荷， 但由于整個膜片極化偏向不異，而上側為伸長，下側為壓縮，因而引起電偶極 矩相反,上下側電荷標志不異,故不存在電位差,如圖5-6( a)所示。如改用 兩片疊合的雙膜片布局，當受力彎曲時，則可得到電壓輸出。圖56 ( b )使用 兩片極化偏向相反的膜片串聯(lián)毗鄰，受力時上面一片伸長，下面一片壓縮。由于極化偏向相反，因而雙膜片上下兩面帶標志相反電荷，可得到電壓輸出。圖5-6 ( c )是用極化偏向不異的兩片膜片并聯(lián)毗鄰疊合而成，也可得到輸出電壓。(2)壓電陶瓷拾音器布局和工作道理圖5-7是雙聲道陶瓷拾音器布局圖。其工作道理是： 在唱機放音時，拾音器 的

14、針尖沿唱片槽(其左右槽壁還刻有振動信號)挪動，發(fā)作剖析的機械振動， 同時由耦合件將該振動分化成兩個互相垂直份量,然后再將份量分辯傳入兩個 傳感器(壓電傳感器常用雙膜片型)的端部，使他們發(fā)作彎曲振動，最后通過 正壓電效應轉換并復原為左右聲道的音頻信號。拾音器中的橡膠固定件、橡膠 阻尼件、橡膠耨合件及針桿橡膠件的軟硬、彈性和撐勁及其絕對地位對器件的靈敏度、頻次響應等有極大影響。(3)壓電陶瓷揚聲器布局和工作道理壓電陶瓷揚聲器是一種布局龐大、輕巧的電聲器件，具有靈敏度高、無磁場散播外溢、不用銅線和磁鐵、成本低，耗電少、縫補方便、便于多量出產等優(yōu) 點。其布局圖如5-8所示。其驅動系統(tǒng)為壓電陶瓷雙膜片，

15、振動系統(tǒng)為紙盆，耦 合元件把驅動系統(tǒng)的能量有效的傳送給振動系統(tǒng)。工作時，加在壓電陶瓷雙膜 片片上的電能轉換為機械能，通過耦合元件傳給紙盆使之振動發(fā)聲。壓電雙膜 片具有較高阻抗，構成電壓驅動，力F和電壓V之間的關系為F=KV,K為比例 系數，設包括輻射阻抗在內的振念頭械阻抗為Z,則振動速度為V=F/Z可以得到高振動膜中心r處的聲壓P式中f頻次P介質密度S錐體有效面積此外，還可憑證壓電陶瓷壓電效應制成此外的電聲能量轉換器，如送、受 話器、蜂鳴器等。(4)壓電陶瓷風扇和繼電器操作壓電陶瓷的逆壓電效應可制成小型的壓電陶瓷風扇，具有體積小，不會 發(fā)燒，無嘈聲、低功耗、壽命長等優(yōu)點。圖5.9是一個壓電陶瓷

16、彎曲變形器， 它由兩片壓電陶瓷片夾一金屬薄片構成，陶森片在外電場作用下發(fā)作伸縮運動。若兩片陶瓷片加反向電壓，則一邊膨脹另一邊伸長，使金屬片彎曲變形，若外加交變電壓，金屬片將作周期性振動O壓電陶瓷風扇是由兩個彎曲變形器組成，如圖5-10 ,接通交流電源后，兩葉片就按箭頭偏向做往復振動、發(fā)作的風量可達0.42立方米/分鐘。操作彎曲器還 可制成繼電器。(5)壓電振動加速計壓電陶瓷在計測儀器上有普及的應用，這里介紹壓電加速度計。圖5“1是壓電陶瓷加速度計的浮現圖。當被測物體加速度運動時，放在上面 的質量為m的質量塊夾在中間的壓電陶瓷片發(fā)作壓力F ,由于壓電效應，在陶 瓷片的上下電極有電壓輸出，此電壓與

17、應力成反比，而應力又與加速度(也即 被測物體的加速度)成反比，因而可以測得的輸出電壓求得運動物體的加速度。修K -ll獨石（多層）壓電陶瓷變壓器基本工作道理及特點在當代，壓電陶瓷廢品對我們并不陌生。正壓電效應的應用次要用于燃氣焚燒器，如燃氣灶.燃氣打火機等 的焚燒系統(tǒng)?；竟ぷ鞯览頌椋河赏饬嚎s,個彈簧，壓到頂點后釋 放，彈簧力拷打一個車錘打擊壓電陶羥柱發(fā)作一數千伏的高壓火花， 撲滅可燃氣體。逆壓電效應的應用次要用于壓電蜂鳴器，比如音樂賀卡、門鈴.尋 呼機.挪動電話機振鈴等?；竟ぷ鞯览頌椋寒斣趬弘娞站科?上施加 一交變電場時，壓電陶瓷片發(fā)作一絕對應的形變即振動，鑿振動頻次 在音頻波段內時就會

18、發(fā)出對應的音響。應用此特性配合機械諧振道理還多量用于制造諧振器、選頻器、耽誤線、濾波器等電子組件。壓電陶瓷變壓器的基本構成則皓將一壓電蜂鳴器的應用與一壓電 焚燒器的應用組合起來，組成壓電諧振子。在蜂鳴器的一端（稱為驅 動端）輸入一個4壓電變壓器諧振頻次分歧的正弦交變電壓，壓電諧 振子發(fā)作振動，傳導至焚燒器的一端（稱為發(fā)電端），發(fā)作持續(xù)的正弦 波電壓，視乎丁壓電變壓器的布局特征，可以是輸入低電壓、輸出高 電壓（升壓型），也可以是輸入而電壓、輸出低電壓（降壓型）。若在 制頻驅動電壓上通過調制解調器到場低頻調制，則可實現信號傳輸。壓電陶瓷變壓器的某木布局方式如圖（一）所示壓電陶瓷是一種脆性材料，為保隙其機械強度，壓電變壓器必需育 肯定的可度，上述變壓器的驅動電壓就受到了相當的限制。為此獨行 （多層）壓電陶瓷變壓器項口應運而生。獨石（多層）壓電陶寬變壓 器的基木布局方式如圖（二）所示。圖（三）獨石（多層）壓電陶瓷變壓器內部電極布局 圖中 粗線為外電極戶為極化偏向采用了獨石（多層）布局后每一單層厚度和層數都可調，驅動電壓 不再受到限制，因而可以使壓電變壓滯非論處在何