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)最初由法國物理學(xué)家皮埃爾 .居里（和雅各布 . 居里于 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多年

2、的歷史 , 到目前為止 ,國內(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 , 應(yīng)用一次壓 電效應(yīng)理論設(shè)計(jì)的壓電類傳感器與執(zhí)行器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊 , 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年法國物理學(xué)家皮埃爾 . 居里（和雅各布 . 居里兄弟實(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

3、量的異號(hào)電荷?？茖W(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)一步研究開發(fā)會(huì) 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(yīng)的簡介壓電效應(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

4、 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)的分類壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩類。（ 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，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形， 電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象

5、稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致 伸縮現(xiàn)象。3. 壓電材料種類（1）石英晶體 : ：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(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， 在無外電場作用時(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 電疇的方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng) ,使之得到極化 , 當(dāng)外電場強(qiáng)度達(dá)到飽和極化強(qiáng)時(shí) , 所有電疇方向?qū)②?于一致。去

6、掉外電場后 , 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

7、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， 這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形， 電場去掉 后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(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)換開關(guān)撥至 “正壓電”一側(cè), 音樂片在奏

8、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)針方 向一擰 , 便可見兩個(gè)尖端間出現(xiàn)

9、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關(guān)上的用電器的 電源接通或斷開。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)化為電能的過程。即：P=d其中， P 為晶體的電極化率，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（電壓）， 因電場作用時(shí)電偶極矩會(huì)被拉長， 壓電材料為抵抗變 化，會(huì)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(jī)械形變的過程稱為“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)械能的過程

10、。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(qiáng)度適量，單位是 V/m。如果外界電場較強(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)變與外加電場強(qiáng)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。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， 總的來說， 壓電效應(yīng)歸屬于電磁效 應(yīng)的一種， 類似于極化效應(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)用也為我們帶來了更多的方便。 在日常生