壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用

1、壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用引言壓電效應(yīng)最初由法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)于1880年的一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。壓電效應(yīng)是指當(dāng)某些晶體受到機(jī)械力而發(fā)生拉伸或壓縮時(shí)，晶體相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)等量的異號(hào)電荷，這種現(xiàn)象就叫做壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的晶體介質(zhì)叫做壓電體。根據(jù)壓電效應(yīng)的物理作用效果不同，還分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)前，在家用電器以及諧振器件、濾波器件以及電子傳感技術(shù)之中，壓電效應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用。目前，基于壓電效應(yīng)的傳感器已經(jīng)普及并且應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)方面。因此對(duì)于壓電效應(yīng)以及壓電材料的基礎(chǔ)研究具有理論和實(shí)際意義。壓電學(xué)的發(fā)展已經(jīng)有100

2、多年的歷史,到目前為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)一次壓電效應(yīng)進(jìn)行了大量的理論與應(yīng)用研究,但只有少數(shù)學(xué)者提到了二次壓電效應(yīng)。近年來(lái),應(yīng)用一次壓電效應(yīng)理論設(shè)計(jì)的壓電類(lèi)傳感器與執(zhí)行器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣闊,壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究也有了較大發(fā)展。本文通過(guò)理論與應(yīng)用等方面的分析,在晶體眾多的已知效應(yīng)中發(fā)現(xiàn),電磁效應(yīng)與壓電效應(yīng)具有極大的相似性與可比性,可以進(jìn)行對(duì)比研究,從而為壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用的進(jìn)一步研究探索出一條新途徑。1880年法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)兄弟實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):當(dāng)某些晶體受到機(jī)械力而發(fā)生拉伸或壓縮時(shí),晶體相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)等量的異號(hào)電

3、荷。科學(xué)家把這種現(xiàn)象叫做壓電現(xiàn)象。具有壓電現(xiàn)象的介質(zhì),稱(chēng)之為壓電體。當(dāng)前，在家用電器以及諧振器件、濾波器件等電子傳感技術(shù)之中，壓電效應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用。目前基于壓電效應(yīng)的傳感器已經(jīng)普及并且應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)方面。因此對(duì)于壓電效應(yīng)以及壓電材料的基礎(chǔ)研究具有理論和實(shí)際意義。隨著電子技術(shù)與材料科學(xué)方面的飛速發(fā)展，相信對(duì)于壓電效應(yīng)的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)會(huì)有更多的創(chuàng)新，為人類(lèi)帶來(lái)創(chuàng)新科技的福音。1.壓電效應(yīng)的簡(jiǎn)介壓電效應(yīng)是指當(dāng)某些晶體受到機(jī)械力而發(fā)生拉伸或壓縮時(shí)，晶體相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)等量的異號(hào)電荷，這種現(xiàn)象就叫做壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的晶體介質(zhì)叫做壓電體。根據(jù)壓電效應(yīng)的物理作用效果不同，還分為正壓電效應(yīng)和逆

4、壓電效應(yīng)。當(dāng)前，在家用電器以及諧振器件、濾波器件等電子傳感技術(shù)之中，壓電效應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用。目前基于壓電效應(yīng)的傳感器已經(jīng)普及并且應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)方面。2.壓電效應(yīng)的分類(lèi)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩類(lèi)。（1） 正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。（2） 逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象。3. 壓電材料種類(lèi)（1）石英晶體:：

5、通過(guò)人工掉拉發(fā)法制成鈮酸鋰大晶塊，是一種單晶體,為無(wú)色或淡黃色。時(shí)間穩(wěn)定性遠(yuǎn)比晶體的壓電陶瓷高,在耐高溫的傳感器上有廣泛的應(yīng)用前景。（2）壓電陶瓷：是人工制造的多晶壓電材料，在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí),壓電陶瓷內(nèi)的某些區(qū)域中正負(fù)電荷重心的不重合,形成電偶極矩。各個(gè)電疇在壓電陶瓷內(nèi)雜亂分布,由于極化效應(yīng)被相互抵消,使總極化強(qiáng)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(chǎng),電疇的方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),使之得到極化,當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和極化強(qiáng)時(shí),所有電疇方向?qū)②呌谝恢隆Ｈサ敉怆妶?chǎng)后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強(qiáng)度很大,這時(shí)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(jié)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(jī)械強(qiáng)度都不如石英。（4）壓電復(fù)合材料：由兩相或多相材料復(fù)合而成，兼有壓電陶瓷和聚合材料的優(yōu)點(diǎn),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(jī)械加工性能,克服了易碎和不易加工成形的缺點(diǎn),且密度小,聲速低,易與空氣、水及生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。4.壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（1）實(shí)驗(yàn)原理正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，

7、這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象。（2）實(shí)驗(yàn)裝置自制壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)儀、壓電陶瓷點(diǎn)火器和聲控開(kāi)關(guān)電路連接圖： （3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：觀察逆壓電效應(yīng)。把功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)撥向“逆壓電”一側(cè), 把壓電陶瓷片接入逆壓電一側(cè)的插口,接通電源,此時(shí)音樂(lè)片上的集成電路便把聲音電信號(hào)加在壓電陶瓷片上奏響。然后把功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)撥至“正壓電”一側(cè),音樂(lè)片在奏完一段曲子之后便停止,否則將一直奏個(gè)不停,耗盡電池。：觀察正電壓效應(yīng)。功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)處于“正壓電”一側(cè)。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(jì)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(shí),伏特計(jì)示數(shù)的符號(hào)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(cè)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(shí)針?lè)较蛞粩Q,便可見(jiàn)兩個(gè)尖端間出現(xiàn)火花,自己觀察一下,兩個(gè)尖端相距34mm時(shí)火花最明亮,也即釋放的能量最大。d.操作聲控開(kāi)關(guān),一只手握住氣囊,然后與另一只手相撞便可使接在聲控開(kāi)關(guān)上的用電器的電源接通或斷開(kāi)。5. 兩種壓電效應(yīng)的關(guān)系正壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)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(yīng)力，單位是N/m2。當(dāng)在壓電材料表面施加電場(chǎng)（電壓），因電場(chǎng)作用時(shí)電偶極矩會(huì)被拉長(zhǎng)，壓電材料為抵抗變化，會(huì)沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，如上圖所示。這種通過(guò)電場(chǎng)作用而產(chǎn)生機(jī)械形變的過(guò)程稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度適量，單位是V/m。如果外界電場(chǎng)較強(qiáng)，那么壓晶體管還會(huì)出現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)（electrostriction effect），即材料應(yīng)變與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比的現(xiàn)象。可以用以下公式給出：S=E2，其中，為電致伸縮系數(shù)，單位是m4/C2。可以證明，正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應(yīng)的材料必然具有逆壓電效應(yīng)。6.壓電效應(yīng)的應(yīng)用壓電效應(yīng)在當(dāng)今電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，總的來(lái)說(shuō)，壓電效應(yīng)歸屬于電磁效應(yīng)的一種，類(lèi)似于極化效應(yīng)。在日常生活中，壓電效應(yīng)除了在材料領(lǐng)域有獨(dú)樹(shù)一幟的應(yīng)用角色，在一些常用的器件中也作為核心部件的工作機(jī)理。隨著壓電技術(shù)的不斷發(fā)展，壓電效應(yīng)在傳感器上的應(yīng)用也為我們帶來(lái)了更多的方便