壓電效應的原理及應用

1、壓電效應的原理及應用引言壓電效應最初由法國物理學家皮埃爾.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)于1880年的一次實驗中發(fā)現(xiàn)。壓電效應是指當某些晶體受到機械力而發(fā)生拉伸或壓縮時，晶體相對的兩個表面會出現(xiàn)等量的異號電荷，這種現(xiàn)象就叫做壓電效應，具有壓電效應的晶體介質叫做壓電體。根據(jù)壓電效應的物理作用效果不同，還分為正壓電效應和逆壓電效應。當前，在家用電器以及諧振器件、濾波器件以及電子傳感技術之中，壓電效應具有廣泛的應用。目前，基于壓電效應的傳感器已經(jīng)普及并且應用于社會生產(chǎn)各個方面。因此對于壓電效應以及壓電材料的基礎研究具有理論和實際意義。壓電學的發(fā)展已經(jīng)有100

2、多年的歷史,到目前為止,國內(nèi)外學者對一次壓電效應進行了大量的理論與應用研究,但只有少數(shù)學者提到了二次壓電效應。近年來,應用一次壓電效應理論設計的壓電類傳感器與執(zhí)行器的應用領域越來越廣闊,壓電效應的基礎理論研究也有了較大發(fā)展。本文通過理論與應用等方面的分析,在晶體眾多的已知效應中發(fā)現(xiàn),電磁效應與壓電效應具有極大的相似性與可比性,可以進行對比研究,從而為壓電效應的基礎理論與應用的進一步研究探索出一條新途徑。1880年法國物理學家皮埃爾.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)兄弟實驗中發(fā)現(xiàn):當某些晶體受到機械力而發(fā)生拉伸或壓縮時,晶體相對的兩個表面會出現(xiàn)等量的異號電

3、荷?？茖W家把這種現(xiàn)象叫做壓電現(xiàn)象。具有壓電現(xiàn)象的介質,稱之為壓電體。當前，在家用電器以及諧振器件、濾波器件等電子傳感技術之中，壓電效應具有廣泛的應用。目前基于壓電效應的傳感器已經(jīng)普及并且應用于社會生產(chǎn)各個方面。因此對于壓電效應以及壓電材料的基礎研究具有理論和實際意義。隨著電子技術與材料科學方面的飛速發(fā)展，相信對于壓電效應的進一步研究開發(fā)會有更多的創(chuàng)新，為人類帶來創(chuàng)新科技的福音。1.壓電效應的簡介壓電效應是指當某些晶體受到機械力而發(fā)生拉伸或壓縮時，晶體相對的兩個表面會出現(xiàn)等量的異號電荷，這種現(xiàn)象就叫做壓電效應，具有壓電效應的晶體介質叫做壓電體。根據(jù)壓電效應的物理作用效果不同，還分為正壓電效應和逆

4、壓電效應。當前，在家用電器以及諧振器件、濾波器件等電子傳感技術之中，壓電效應具有廣泛的應用。目前基于壓電效應的傳感器已經(jīng)普及并且應用于社會生產(chǎn)各個方面。2.壓電效應的分類壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應兩類。（1） 正壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。（2） 逆壓電效應：當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。3. 壓電材料種類（1）石英晶體:：

5、通過人工掉拉發(fā)法制成鈮酸鋰大晶塊，是一種單晶體,為無色或淡黃色。時間穩(wěn)定性遠比晶體的壓電陶瓷高,在耐高溫的傳感器上有廣泛的應用前景。（2）壓電陶瓷：是人工制造的多晶壓電材料，在無外電場作用時,壓電陶瓷內(nèi)的某些區(qū)域中正負電荷重心的不重合,形成電偶極矩。各個電疇在壓電陶瓷內(nèi)雜亂分布,由于極化效應被相互抵消,使總極化強度為零,呈電中性,不具有壓電特性。如果在壓電陶瓷上施加外電場,電疇的方向將發(fā)生轉動,使之得到極化,當外電場強度達到飽和極化強時,所有電疇方向將趨于一致。去掉外電場后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強度很大,這時才具有壓電特性。（3）鈦酸鋇壓電陶瓷：由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后

6、燒結而成。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍,但使用溫度低最高只有70,溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。（4）壓電復合材料：由兩相或多相材料復合而成，兼有壓電陶瓷和聚合材料的優(yōu)點,與傳統(tǒng)的壓電陶瓷或與壓電單晶相比,它具有更好的柔順性和機械加工性能,克服了易碎和不易加工成形的缺點,且密度小,聲速低,易與空氣、水及生物組織實現(xiàn)聲阻抗匹配。4.壓電效應的實驗設計（1）實驗原理正壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。逆壓電效應：當在電介質的極化方向上施加電場，

7、這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。（2）實驗裝置自制壓電陶瓷實驗儀、壓電陶瓷點火器和聲控開關電路連接圖： （3）實驗內(nèi)容：觀察逆壓電效應。把功能轉換開關撥向“逆壓電”一側, 把壓電陶瓷片接入逆壓電一側的插口,接通電源,此時音樂片上的集成電路便把聲音電信號加在壓電陶瓷片上奏響。然后把功能轉換開關撥至“正壓電”一側,音樂片在奏完一段曲子之后便停止,否則將一直奏個不停,耗盡電池。：觀察正電壓效應。功能轉換開關應處于“正壓電”一側。具體步驟如下：a.將壓電陶瓷片的引線接入用作直流伏特計的數(shù)顯多用表插口,然后注意在用手接下壓電陶瓷片與松

8、手瞬時,伏特計示數(shù)的符號與數(shù)值,試解釋一下你看到的現(xiàn)象。b.把壓電陶瓷片接入“正壓電”一側的插口,接通電源,待LED不亮后在下列情況下觀察LED發(fā)亮情形;使電壓陶瓷碰一下桌面在離壓電陶瓷片500mm左右處拍一下桌面。c.觀察閥體總成,并且操作它打出明亮的火花,將閥體總成的把手朝里一按,然后往逆時針方向一擰,便可見兩個尖端間出現(xiàn)火花,自己觀察一下,兩個尖端相距34mm時火花最明亮,也即釋放的能量最大。d.操作聲控開關,一只手握住氣囊,然后與另一只手相撞便可使接在聲控開關上的用電器的電源接通或斷開。5. 兩種壓電效應的關系正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。即：P=d其中，P為晶體的電極化率

9、，單位是C/m2,d為壓電常數(shù)單位是C/N,為應力，單位是N/m2。當在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長，如上圖所示。這種通過電場作用而產(chǎn)生機械形變的過程稱為“逆壓電效應”。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。即：S=dtE。其中，S為晶體的楊氏模量，dt為壓電常數(shù)，單位是m/V，E為電場強度適量，單位是V/m。如果外界電場較強，那么壓晶體管還會出現(xiàn)電致伸縮效應（electrostriction effect），即材料應變與外加電場強度的平方成正比的現(xiàn)象?？梢杂靡韵鹿浇o出：S=E2，其中，為電致伸縮系數(shù)，單位是m4/C2?？梢宰C明，正壓電效應和逆壓電效應中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應的材料必然具有逆壓電效應。6.壓電效應的應用壓電效應在當今電子科學技術領域具有廣泛的應用，總的來說，壓電效應歸屬于電磁效應的一種，類似于極化效應。在日常生活中，壓電效應除了在材料領域有獨樹一幟的應用角色，在一些常用的器件中也作為核心部件的工作機理。隨著壓電技術的不斷發(fā)展，壓電效應在傳感器上的應用也為我們帶來了更多的方便