壓電效應

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目錄

英文名稱

Piezoelectric effect

壓電效應概述

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,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個相對錶面上出現正負相反的電荷。當外力去掉後,它又會恢復到不帶電的狀態,這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時,電荷的極性也隨之改變。相反,當在電介質的極化方向上施加電場,這些電介質也會發生變形,電場去掉後,電介質的變形隨之消失,這種現象稱為逆壓電效應,或稱為電致伸縮現象。依據電介質壓電效應研製的一類感測器稱為為壓電感測器。  

壓電效應分類

壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。

正壓電效應是指:當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷;當外力撤去後,晶體又恢復到不帶電的狀態;當外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變;晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式感測器大多是利用正壓電效應製成的。

逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象。用逆壓電效應製造的變送器可用於電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的,並非所有晶體都能在這5種狀態下產生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應,但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

依據電介質壓電效應研製的一類感測器稱為為壓電感測器。

這裡再介紹一下電致伸縮效應。電致伸縮效應,即電介質在電場的作用下,由於感應極化作用而產生應變,應變大小與電場平方成正比,與電場方向無關。壓電效應僅存在於無對稱中心的晶體中。而電致伸縮效應對所有的電介質均存在,不論是非晶體物質,還是晶體物質,不論是中心對稱性的晶體,還是極性晶體。  

壓電效應歷史與應用

06年是居里兄弟皮爾(P.Curie)與傑克斯(J.Curie)發現壓電效應(piezoelectriceffect,注一)的一百周年。1880年前在傑克斯的實驗室發現了壓電性。起先,皮爾致力於焦電現象(pyroelectriceffect,注二)與晶體對稱性關係的研究,後來兄弟倆卻發現,在某一類晶體中施以壓力會有電性產生。他們又系統的研究了施壓方向與電場強度間的關係,及預測某類晶體具有壓電效應。經他們實驗而發現,具有壓電性的材料有:閃鋅礦(zincblende)、鈉氯酸鹽(sodiumchlorate)、電氣石(tourmaline)、石英(quartz)、酒石酸(tartaricacid)、蔗糖(canesuger)、方硼石(boracite)、異極礦(calamine)、黃晶(topaz)及若歇爾鹽(Rochellesalt)。這些晶體都具有非晶方性(anisotropic)結構,晶方性(isotropic)材料是不會產生壓電性的。

在非晶方性晶體中,施一外力使晶體變形,則由於晶格中電荷的移動造成晶體內局部性不均勻電荷分布,而產生一電位移。電荷的位移是由於晶體內部所有離子的移動,或者因為原子軌道上電子分布的變形而引起離子偏極化所造成,這些電荷位移現象在所有材料中都存在,可是要具有壓電效應,則必須能在材料每單位體積中造成有效地凈的電雙極矩變化。是否能有這種變化,端視晶格結構之對稱性而定。壓電現象理論最早是李普曼(Lippmann)在研究熱力學原理時就已發現,後來在同一年,居里兄弟做實驗證明了這個理論,且建立了壓電性與晶體結構的關係。1894年,福克特(W.Voigt)更嚴謹地定出晶體結構與壓電性的關係,他發現32種晶類(class)可能具有壓電效應(32類中不具有對稱中心的有21種,其中一種壓電常數為零,其餘20種都具有壓電效應)。

今天,我們都知道,壓晶體管可用來作為聲波的產生器與接收器,無論在軍事上(如聲納)、工業上、工程上都具有廣泛的用途。可是早在居里兄弟發現壓電性後的三分世紀中,壓電效應在應用上幾乎沒有受到任何重視。就是皮爾本人也只不過用它來測量鐳元素所輻射出的電荷罷了。到了第一次世界大戰,盟軍軍艦受到德國潛艇的攻擊大量受損,於是設法尋找有效偵測潛艇的方法。因為電磁波無法有效穿透海水,而聲波則能容易地在海里行進,因此,當時的藍傑文(P.Langevin)發展出利用石英壓晶體管作為聲波產生器。可惜等到有了好結果,大戰已接近尾聲而來不及用上了。石英兩面各貼一鋼片,使其振蕩頻率降到50KHz,外加一電脈波訊號,則經換能器轉換成聲波傳至海底;過一段時間後,換能器接收到由海底反射之回波,由來回時間及波在海中行進的速度,可決定換能器到海底的距離。這個原理同樣可測潛艇的位置。

第一次大戰後不久,石英換能器便發展出兩項重要的應用。首先,哈佛大學的皮爾士教授(G.W.Pierce)用石英晶體製作超聲波干涉儀,由石英所發生的超聲波和圖中聲波反射器所反射的回波混合,產生極大值,若微調反射板使前進或後退,則可獲得另一極大值,由兩極大值間的距離,亦即反射板在兩相鄰極大值間所移動的距離,可測出聲波波長。因為已知頻率,因此由頻率與波長的乘積,可定出波在氣體介質中的速度。同時,由幾個極大值間的振幅降低率,可求出波在氣體中的表減係數。當時用它來測量聲波在二氧化碳中波速對頻率的關係,而求出波速的色散關係。用這種方法,可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。

1927年,伍德(R.W.Wood)與魯密斯(A.L.Loomis)首先使用高功率超聲波。使用藍傑文型的石英換能器配合高功率真空管,在液體中產生高能量,使液體引起所謂的空腔(cavitation)現象。同時也研究高功率超聲波對生物試樣的效應。

在水下音響(underwatersound)的研究中發現,石英晶體並不是很好的換能器材料,但是它的振蕩頻率卻不隨溫度而變,亦即所謂的具有低的溫度係數。這種頻率對溫度的高穩定性,用在控制振蕩器的頻率,及某些濾波器上最有用。1919年,卡迪(Cady)教授第一次利用石英當作頻率控制器,圖四就是最早期的晶體控制振蕩器電路。因為晶體具有極高的Q值(注三),振蕩器的頻率受到晶體共振頻率的控制,且頻率不隨溫度變化而變。後來,皮爾士和皮爾士-米勒(Pierce-Miller)又發明一種以後廣被採用的晶體控制振蕩電路。在第二次世界大戰中,大約使用了一千萬個晶體振蕩器,用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機之間的通訊。

石英晶體另一個重要的應用在於獲得高度頻率選擇性的振蕩器。石英晶體是一個高Q值的壓電晶元,高Q值意味著低的聲波能量損耗(其衰減率則與頻率平方成正比);高Q值也意味著窄頻帶,因此不適合聲音傳輸電路使用。為了能在載波通信系統中使用,可用一串聯電感(見圖五)來獲得寬頻操作。此類濾波器的結構圖,它常被用在有線通訊系統、微波通訊系統等。

二次大戰聲納音鼓所使用的材料是若歇爾鹽而非石英晶體。雖然若歇爾鹽具有高機電耦合效率,可是卻較不穩定,耐壓不高,很難在太高的功率下操作。在理論上,若歇爾鹽是第一個具有鐵電性(ferroelectricity)的材料,沿著晶軸方向具有一個自發極化性(spontaneouspolarization)。圖七表示沿X軸所測得偏極化量對溫度的關係。它具有兩個居里溫度(Curietemperature),在居里溫度時偏極化量是零,在兩溫度之間則偏極化是最大。為了紀念在若歇爾市出生的塞格內特(Seignette)博士,這種效應稱為塞格內特鐵電效應,一般簡稱為鐵電效應,以表示它與鐵磁效應的相似性。在鐵電材料中,當溫度低於居里溫度時,材料內部具有電雙極(dipole)。大部分氫鍵結合的電雙極,如若歇爾鹽,其雙極都具有規則性排列,且一般都只有一個居里溫度,可是若歇爾鹽則具有兩個居里溫度,這兩類的差異主要在於氫鍵終端負離子的不同。一般氫鍵晶體的電位井(potentialwell)分布如圖八所示,在兩氧離子之間氫離子可存在的位置有兩個,氫鍵電雙極值等於電荷和兩組離子分開距離差的乘積。外加一電場可使氫離子由一位置跳至另一位置,而使電雙極的方向改變。在高溫,則熱量的擾動使氫離子充滿兩個井的位置的機會相等,因此沒有自然偏極化存在。當溫度降低,則兩電雙極相吸而使雙極方向排列趨規則化。在居里溫度則兩電雙極互相抵消,但在居里溫度加一小外力就能引起大的偏極性。溫度低於居里溫度則自發偏極性產生。對於一般具有如圖八的電位井的氫鍵晶體,其偏極性可一直增加,直到飽和發生。可是對於若歇爾鹽,則偏極性在達到一極大值後就開始降低到零。其原因可用圖八的電位井分布圖說明,在很低溫下,所有氫離子完全分布在兩低能井中,沒有自發偏極性存在。溫度上升,有些氫離子得到熱能而躍至較高能階。溫度愈高,這種躍遷機會愈大,兩電雙極因互相吸引而產生一較低的居里溫度。圖九表示若歇爾鹽的X光繞射晶體結構。造成鐵電效應的是標號1的氧分子與標號10的水分子所組成的氫鍵。對氫離子言,此二分子是端點上兩個不同的離子,因此形成如圖八所示的兩個不同名稱之電位井。

以前若歇爾鹽一直是唯一為人所知的鐵電材料,可是現在我們知道,具有鐵電性的材料已超過百種。鐵電性材料因具有自發偏極性,且加電場能生感應偏極性,因此用它作換能器此一般壓電單晶如石英等具有更高的機電耦合效率及靈敏度,可是其穩定性則略遜於壓晶體管。漸漸地,人們用鐵電陶磁來作換能器。最早被人使用的是鈦酸鋇(BaTiO3),它是麻省理工學院的馮希普爾(vonHippel)及蘇俄科學家伏耳(Vul)及戈曼(Goldman)所分別發現的。未被極化的陶磁,在域(domain,注五)中之偏極化方向不具規則性,整片陶磁就像一塊高介電常數的電容器,因為它只需很小的體積就有夠大的電容量,因此被用在電視機上。如在120℃以上的溫度下加一高電壓,則一些域內之電耦呈規則性排列,而有凈的偏極性存在,具壓電效應。我們可因外加交流電場的方向不同,而使產生縱波(電場平行於厚度方向)或橫波(電場垂直於厚度方向)。縱波可在水中行進,亦可在固體中產生高能量。橫波則因速度較慢,適合用來製作延遲線。目前最好的壓電陶磁要屬PZT(lead-zirconate-titanate)。

最近兩種重要鐵電材料可用來製作聲波換能器,一是高分子薄膜,聚雙氟亞乙烯(polyvinylidenefluoride,簡稱PVF2或PVDF),一是氧化鋰鈮(lithiumniobate,LiNbO3)。聚雙氟亞乙烯經拉伸及加高直流電壓後呈強壓電性,它具有許多優點:其聲波特性阻抗和水很近,阻抗自然匹配,容易獲得寬頻操作,適合非破壞檢測、醫學診斷及聲納與水中聽音器(hydrophone)使用,尤其是它具有很高的聲波接收係數,用來製作被動式聲納(passivesonar)之水聽器數組(hydrophoneassay)具有重要性。除外,它具柔軟性,又可耐高電壓(其崩潰電壓比PZT高約100倍)。氧化鋰鈮單晶具有高機電耦合及極低的聲波衰減係數,容易激發高頻表面聲波(Rayleighwave),是用來製作表面聲波(surfaceacousticwave,簡稱SAW)組件的最佳材料。這些組件在訊號處理系統與通信系統上具有不可取代的地位。圖十一表示使用氧化鋰鈮表面波通頻濾波器。用一組正負電壓相間的交趾狀換能器產生表面聲波(所謂的interdigitaltransducer,或簡稱IDT),所激發聲波之中心頻率由正負電極間之距離決定,其頻寬則與電極數目成反比。圖十二表示另一表面聲波脈波伸張與壓縮濾波器,它可用在CHIRP雷達系統中,以提高搜索範圍與解像力。

另一項重要且獨特的研究,是在所謂的聲學顯微上,這種微波頻率的組件使用電濺(sputtered)的壓電薄膜作為聲波換能器,以振動產生幾個GHz(1GHz=109周/秒)聲波,其對應波長約為一微米(10-6米)。因為換能器振動頻率和壓晶體管厚度成反比,要產生如此高頻率聲波需用薄膜壓電材料,如氧化鋅或硫化鎘等。

時值壓電效應發現的一百周年,特參考馬遜(W.P.Mason)之作撰寫本文,簡介壓電性之歷史及其應用。早期壓電效應僅止於學術上的趣味性研究,而如今則已成為非常有用的效應,用它制出各式各樣的聲電換能器,其操作頻譜可由100Hz起涵蓋至幾個GHz,依頻率的不同而有不同的用途。聲納、反潛、海底通訊、電話通訊等是低頻(聲頻、AF波段)訊號最典型的應用。在幾個MHz範圍,其波長在毫米範圍,適合用來作非破壞性的檢驗材料(nondestructivetesting,簡稱NDT)與醫學診斷上,所謂超聲波成像術、全像攝影術、計算機輔助聲波斷層攝影術等就是針對這些用途而研究的。頻率在VHF、UHF波段則使用壓電性所研製出來的表面聲波電子組件。如延遲線、各式濾波器、迴旋器(convolver)、相關器(correlator)等訊號處理組件,在通訊上與訊號處理上具有重要的應用。當頻率高至低微波波段,其對應波長在微米範圍,用來製作聲學顯微鏡,其解像力可和傳統的光學顯微鏡比美,而其機械波而非電磁波的獨特性質,則可彌補光學顯微鏡在應用上的不足。

注一:對某些材料施一壓力或拉力,則除了材料外形有所變化外(所謂的應變),由於此類材料之晶格結構具有某種不對稱性(所謂的inversionasymmetry),外形的變形使內部電子分布呈局部性不均勻而產生一凈的電場分布。反之,外加一周期性電壓或電場變化,則能使材料產生變形,及一對應的應力,形狀變化隨外加電壓訊號之頻率而變,可產生一周期性彈性波或聲波,這種效應稱為壓電效應,這些材料即稱為壓電材料。

注二:在一些鐵電材料中,當其溫度有所變化時,則會引起其自發偏極矩的變化,而在材料表面呈凈電荷分布,這種效應即稱為焦電效應。利用這種效應,可檢知溫度變化或測量所謂的熱波(thermalwave)。

注三:振蕩器Q值(qualityfactor)的定義是每單位周期振蕩波所損耗的功率,有時我們用Q=中心頻率/頻寬表示。頻寬愈窄的振蕩器,Q值愈高,如石英振蕩器就是一例。

注四:介入損耗表示一電子組件或組件的總損耗量,即輸出訊號和輸入訊號相比之差額,一般以分貝(dB)表示。

注五:在鐵磁材料中,當溫度遠低於居里點時,以微觀觀點來看,所有電子的磁矩應完全以同一方向排列,其實不然。實際上此種材料內部分成許多小區域,在每一區域內磁矩呈規則性排列,可是小區域與小區域間之磁矩排列方向則不盡相同,以致於整個材料之磁矩遠小於其飽和磁矩。這些小區域簡稱為域或疇,在反鐵磁材料、鐵電材料、反鐵電材料、鐵彈性材料(ferroelastics)、超導體材料中亦都有域存在。  

巧用打火機演示壓電效應

壓電效應是某些介質在力的作用下產生形變時,在介質表面出現異種電荷的現象。實驗表明,這種束縛電荷的電量與作用力成正比,而電量越多,相對應的兩表面電勢差(電壓)也越大。這種神奇的效應已被應用到與人們生產、生活、軍事、科技密切相關的許多領域,以實現力──電轉換等功能。例如用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性,可以生產出不用火石的壓電打火機、煤氣灶打火開關、炮彈觸發引信等。此外,壓電陶瓷還可以作為敏感材料,應用於擴音器、電唱頭等電聲器件;用於壓電地震儀,可以對人類不能感知的細微振動進行監測,並精確測出震源方位和強度,從而預測地震,減少損失。利用壓電效應製作的壓電驅動器具有精確控制的功能,是精密機械、微電子和生物工程等領域的重要器件。可以說,壓電陶瓷等器件不僅廣泛應用於科技領域,還頗具「平民性」,對廣大「煙民」來說,天天與壓電陶瓷發生著「零接觸」,卻熟視無睹其存在。

目前流行的一次性塑料打火機,有相當一部分是採用壓電陶瓷器件來打火的。取出其中的壓電打火元件,其外形如圖1所示。

一、測量儀器及附件選擇

壓電打火機的電壓陶瓷元件產生的瞬間電壓用什麼儀器可以測量呢?起初,我們試圖用普通指針式多用電錶直流高壓擋測量,發現每次按動點火元件的黑色塑料壓桿時,由於兩個電極接出的電壓只能使指針略微抖動一下。分析原因是,因為電壓脈衝持續時間甚短,指針慣性較大,指針無法同步體現電壓的變化做大幅偏轉。

換用數字顯示型多用電錶,本以為其無指針慣性影響,應該能讀出瞬間高電壓來,誰知事與願違,我們根本看不到預想的高電壓讀數,只能看到一些變換不定的低電壓數據。分析起來,這是由於液晶顯示響應速度較慢,點火電壓脈衝持續時間甚短,來不及顯示最高瞬間電壓,只能顯示電壓降落(較平緩階段)過程中的某些隨機電壓讀數。

最後,我們搬出實驗室的「重磅武器」──示波器,再做一試。我們用的是實驗室最普通的J2459型學生示波器,連接線為兩條普通的帶終魚夾的導線。從理論上講,示波器是利用電子束偏轉後打在熒光屏上顯示光點移動的,電子束慣性極小,應該能「跟蹤」上點火高壓脈衝的變化,實驗結果不出所料。

二、電壓幅值的估測方法

把示波器交直流選擇開關置於「DC」擋,掃描範圍置於「10~100kHz」擋,用X移位和Y移位將水平亮線移到方格坐標的中央部,置X軸上。為了能估測壓電效應的最高電壓幅值,我們必須先用熒光屏前的方格坐標系,定出電壓標尺:利用接在示波器Y輸入接線柱上的兩根導線,把一節乾電池的1.5V電壓加在示波器上,衰減放在1,Y增益放在最低,可以發現剛才的水平亮線上跳(或下跳)兩格左右,即此時兩格代表1.5V電壓。在Y增益不變的情況下,再將Y衰減放在1000(即千分)擋,熒光屏前方格坐標的兩格就可以代表1500V了。

將Y輸入接線柱上的兩根饋線的鱷魚夾分別接在壓電打火機壓電元件的兩個電極上,迅速按下其黑色塑料壓桿,可以看到原來位於中央高度的水平亮線向上(或向下)跳動又恢復原位。由於熒光屏的餘暉作用,水平亮線在示波器上顯現的是一條高度達四格的亮帶,這表明該脈衝的電壓幅值在3000V以上。

如果想觀察這個電壓脈衝的波形,可以每次按動壓桿的同時,細心調節示波器「掃描微調」旋鈕(事先將掃描範圍換到「10~100Hz」擋),我們可以在熒光屏上看到如圖2所示的波形,其電壓上升較陡,降低較平緩,峰值在四格以上。

三、脈衝持續時間的估測

將示波器的衰減擋置於1000擋,掃描範圍置於「10~100Hz」擋,「掃描微調」左旋到底,即掃描頻率為10Hz,調節「X增益」和「X移位」旋鈕,使X軸掃描線充滿10格,那麼每一格代表1/10×1/10s,即0.01按下壓電元件的黑色塑料壓桿,可以看到壓電脈衝持續一格,如圖3所示,即對應於0.01s,也就是說,該脈衝持續時間約為0.01s。  

壓電晶體

有一類十分有趣的晶體,當你對它擠壓或拉伸時,它的兩端就會產生不同的電荷。這種效應被稱為壓電效應。能產生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。水晶(α-石英)是一種有名的壓電晶體。

如果按一定方向對水晶晶體上切下的薄片施加壓力,那麼在此薄片上將會產生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片,在此薄片上也會出現電荷,不過符號相反。擠壓或拉伸的力愈大,晶體上的電荷也會愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極,並通以交流電,那麼薄片將會作周期性的伸長或縮短,即開始振動。這種逆壓電效應在科學技術中已得到了廣泛的應用。用水晶可以製作壓電石英薄片,其面積不過數平方毫米,厚度則只有零點幾毫米。別小看這小小的晶片,它在無線電技術中卻發揮著巨大作用。如前所述,在交變電場中,這種薄片的振動頻率絲毫不變。這種穩定不變的振動正是無線電技術中控制頻率所必須的,你家中的彩色電視機等許多電器設備中都有用壓電晶片製作的濾波器,保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子錶中有一個核心部件叫石英振子。就是這個關鍵部件保證了石英錶比其他機械錶更高的走時準確度。

裝有壓電晶體元件的儀器使技術人員研究蒸汽機、內燃機及各種化工設備中壓力的變化成為現實。利用壓電晶體甚至可以測量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發射炮彈時承受的壓力以及炸彈爆炸時的瞬時壓力等。

壓電晶體還廣泛應用於聲音的再現、記錄和傳送。安裝在麥克風上的壓電晶片會把聲音的振動轉變為電流的變化。聲波一碰到壓電薄片,就會使薄片兩端電極上產生電荷,其大小和符號隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化,再通過電子裝置,可以變成無線電波傳到遙遠的地方。這些無線電波為收音機所接收,並通過安放在收音機喇叭上的壓電晶體薄片的振動,又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說,麥克風中的壓電晶片能「聽得見」聲音,而揚聲器上的壓電晶體薄片則會「說話」 或「唱歌」。  

壓電高分子

piezoelectric polymer

壓電現象是由於應力作用於材料,在材料表面誘導產生電荷的過程,一般這一過程是可逆的,即當材料受到電參數作用,材料也會產生形變能。木材纖維素、腱膠原和各種聚氨基酸都是常見的高分子壓電性材料,但是其壓電率太低,而沒有使用價值。在有機高分子材料中聚偏氟乙烯等類化合物具有較強的壓電性質。壓電率的大小取決於分子中含有的偶極子的排列方向是否一致。除了含有具有較大偶極矩的C-F鍵的聚偏氟乙烯化合物外,許多含有其他強極性鍵的聚合物也表現出壓電特性。如亞乙烯基二氰與乙酸乙烯酯、異丁烯、甲基丙烯酸甲酯苯甲酸乙烯酯等的共聚物,均表現出較強的壓電特性。而且高溫穩定性較好。主要作為換能材料使用,如音響元件和控制位移元件的製備。前者比較常見的例子是超聲波診斷儀的探頭、聲納、耳機、麥克風、電話、血壓計等裝置中的換能部件。將兩枚壓電薄膜貼合在一起,分別施加相反的電壓,薄膜將發生彎曲而構成位移控制元件。利用這一原理可以製成光學纖維對準器件、自動開閉的簾幕、唱機和錄像機的對準件。  

壓電陶瓷——信息時代的新型材料

壓電陶瓷是功能陶瓷中應用極廣的一種。日常生活中很多人使用的「電子打火機」和煤氣灶上的電子點火器,就是壓電陶瓷的一種應用。點火器就是利用壓電陶瓷的壓電特性,向其上施加力,使之產生十幾kV的高電壓,從而產生火花放電,達到點火的目的。

壓電陶瓷實際上是一種經過極化處理的、具有壓電效應的鐵電陶瓷。它是在1946年當有人證實了鈦酸鋇陶瓷有鐵電性之後開始問世的:差不多十年後,賈菲(Jaffe)等又發現了PbTi03-PbZrO2系(即所謂PZT系)及後來又發現的mPZT為基的三元系壓電陶瓷和鈮酸鹽系壓電陶瓷。使壓電陶瓷的性能和可應用性有了極大的提高。特別是三元系壓電陶瓷的出現,使壓電陶瓷在選擇一定耦合係數、溫度特性方面有了較大的餘地,能滿足多種電子儀器的要求,從而使壓電陶瓷的應用範圍大大增加了。例如陶瓷濾波器和陶瓷鑒頻器,電聲換能器,水聲換能器,聲表的波器件,電光器件,紅外探測器件和壓電陀螺等,都是壓電陶瓷在現代電子技術中的應用。

什麼是壓電陶瓷呢?其實它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,哪怕這種壓力微小得像聲波振動那樣小,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。反之,施加激勵電場,介質將產生機械變形,稱逆壓電效應。

1880年法國人居里兄弟發現了「壓電效應」。1942年,第一個壓電陶瓷材料——鈦酸鋇先後在美國、前蘇聯和日本製成。1947年,鈦酸鋇拾音器——第一個壓電陶瓷器件誕生了。50年代初,又一種性能大大優於鈦酸鋇的壓電陶瓷材料--鋯鈦酸鉛研製成功。從此,壓電陶瓷的發展進入了新的階段。60年代到70年代,壓電陶瓷不斷改進,逐趨完美。如用多種元素改進的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷,以鋯鈦酸鉛為基礎的三元系、四元系壓電陶瓷也都應運而生。這些材料性能優異,製造簡單,成本低廉,應用廣泛。

利用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性,可以製造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。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,可以製成一種可連續打火幾萬次的氣體電子打火機。用壓電陶瓷把電能轉換成超聲振動,可以用來探尋水下魚群的位置和形狀,對金屬進行無損探傷,以及超聲清洗、超聲醫療,還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵,對塑料甚至金屬進行加工。

壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動,並將極其微弱的機械振動轉換成電信號。利用壓電陶瓷的這一特性,可應用於聲納系統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等方面。

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,壓電陶瓷製作的壓電陀螺,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後就會產生反射信號,這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收,於是,就發現了目標。目前,壓電陶瓷是製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,通電後發出超聲波,傳到人體碰到人體的組織後產生回波,然後把這回波接收下來,顯示在熒光屏上,醫生便能了解人體內部狀況。

在工業上,地質探測儀里有壓電陶瓷元件,用它可以判斷地層的地質狀況,查明地下礦藏。還有電視機里的變壓器——電壓陶瓷變壓器,它體積變小、重量減輕,效率可達60%~80%,能耐住3萬伏的高壓,使電壓保持穩定,完全消除了電視圖象模糊變形的缺陷。現在國外生產的電視機大都採用了壓電陶瓷變壓器。一隻15英寸的顯像管,使用75毫米長的壓電陶瓷變壓器就行了。這樣就使電視機體積變小、重量減輕了。

壓電陶瓷也廣泛用於日常生活中。用了兩個直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代了普通的火石製成的氣體電子打火機,可連續打火幾萬次。利用同一原理製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製作的兒童玩具,比如在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷製作的蜂鳴器,玩具都會發出逼真有趣的聲音。

隨著高新技術的發展,壓電陶瓷的應用必將越來越廣闊。除了用於高科技領域,它更多的是在日常生活中為人們眼務,為人們創造更美好的生活。  

壓電陶瓷的應用

當您將按鈕輕輕一撳,煤氣灶迅即燃起藍色火焰,您可曾意識到是什麼帶給您的這份便利呢?將一塊看起來平淡無奇的陶瓷接上導線和電流表,用手在上面一摁,電流表的指針也跟著發生擺動——竟然產生了電流,豈非咄咄怪事?其實,這是壓電陶瓷,一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷到底是一種什麼樣的材料呢?這是一種具有壓電效應的材料。所謂壓電效應是指某些介質在力的作用下,產生形變,引起介質表面帶電,這是正壓電效應。反之,施加激勵電場,介質將產生機械變形,稱逆壓電效應。這種奇妙的效應已經被科學家應用在與人們生活密切相關的許多領域,以實現能量轉換、感測、驅動、頻率控制等功能。

在能量轉換方面,利用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性,可以製造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。電子打火機中就有壓電陶瓷製作的火石,打火次數可在100萬次以上。用壓電陶瓷把電能轉換成超聲振動,可以用來探尋水下魚群的位置和形狀,對金屬進行無損探傷,以及超聲清洗、超聲醫療,還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵,對塑料甚至金屬進行加工。

壓電陶瓷具有敏感的特性,可以將極其微弱的機械振動轉換成電信號,可用於聲納系統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等。地震是毀滅性的災害,而且震源始於地殼深處,以前很難預測,使人類陷入了無計可施的尷尬境地。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動,用它來製作壓電地震儀,能精確地測出地震強度,指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。

壓電陶瓷在電場作用下產生的形變數很小,最多不超過本身尺寸的千萬分,別小看這微小的變化,基於這個原理製做的精確控制機構--壓電驅動器,對於精密儀器和機械的控制、微電子技術、生物工程等領域都是一大福音。

諧振器、濾波器等頻率控制裝置,是決定通信設備性能的關鍵器件,壓電陶瓷在這方面具有明顯的優越性。它頻率穩定性好,精度高及適用頻率範圍寬,而且體積小、不吸潮、壽命長,特別是在多路通信設備中能提高抗干擾性,使以往的電磁設備無法望其項背而面臨著被替代的命運。

我們來看一種新型自行車減震控制器,一般的減振器難以達到平穩的效果,而這種ACX減震控制器,通過使用壓電材料,首次提供了連續可變的減震功能。一個感測器以每秒50次的速率監測衝擊活塞的運動,如果活塞快速動作,一般是由於行駛在不平地面而造成的快速衝擊,這時需要啟動最大的減震功能;如果活塞運動較慢,則表示路面平坦,只需動用較弱的減震功能。

可以說,壓電陶瓷雖然是新材料,卻頗具平民性。它用於高科技,但更多地是在生活中為人們眼務,創造美好的生活。  

壓電效應應用及現狀

一、原理:

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,這種相互對應的關係確實非常有意思。

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,壓電材料已被用來製作智能結構,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佔有重要的地位。

 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,以及其它感測器和驅動器應用。

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,研製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,如抗雜訊電話、寬頻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,如用於水下探測的大面積感測器陣列和監視系統等,隨後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,採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、易於製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,最後一個特點使得由壓電聚合物製備的水聽器可以放置在被測聲場中,感知聲場內的聲壓,且不致由於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感測器領域,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,使其易於應用到許多感測器產品中。

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,基於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,從而為研製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製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、感測器上的應用

壓電式壓力感測器

壓電式壓力感測器是利用壓電材料所具有的壓電效應所製成的。壓電式壓力感測器的基本結構如右圖所示。由於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。

壓電式壓力感測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。其缺點是只能用於動能測量。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。

壓電式加速度感測器

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,並引出引線。在壓電晶片上放置一個質量塊,質量塊一般採用比較大的金屬鎢或高比重的合金製成。然後用一硬彈簧或螺栓,螺帽對質量塊預載入荷,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製造,殼體和基座的重量差不多佔感測器重量的一半。

測量時,將感測器基座與試件剛性地固定在一起。當感測器受振動力作用時,由於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,並受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣,質量塊就有一正比於加速度的應變力作用在壓電晶片上。由於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),當加速度頻率遠低於感測器的固有頻率時,感測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,輸出電量由感測器輸出端引出,輸入到前置放大器後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(超聲波感測器)

機器人安裝接近覺感測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,則及時採取一定措施,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,振動頻率範圍只是20HZ-20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小,而能成為聲波射線並定向傳播,機器人採用超聲感測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,不能測量距離小於30mm的物體。

超聲感測器包括超聲發射器、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衝式的超聲波。發射器發出一連串超聲波後即自行關閉,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。當超聲波遇到物體後,就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號後,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感測器之間的距離。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。超聲感測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:

下面介紹幾種處於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。現在製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,並製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製作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、製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-高聚物複合材料

無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電複合材料,兼備無機和有機壓電材料的性能,並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,製作良好性能的換能器和感測器。它的接收靈敏度很高,比普通壓電陶瓷更適合於水聲換能器。在其它超聲波換能器和感測器方面,壓電複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,並在複合材料的結構和性能方面做了一些有益的基礎研究工作,目前正致力於壓電複合材料產品的開發。

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。於是近幾年來,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,現已發現並研製出了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。

壓電效應的新領域

近年來人們合成方法研製出許多具有壓電效應和逆壓電效應的聚合物材料,並將這些材料冠名為「人造肌肉」。世界各國的研究者們發起了一項挑戰:看誰能夠最先利用人造肌肉製造出機器人手臂,而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。  

壓電效應對對發電機原理的介紹

A)在氧化鋁襯底上生長的氧化鋅納米線的掃描電子顯微鏡圖像。

(B)在導電的原子力顯微鏡針尖作用下,納米線利用壓電效應發電的示意圖。

(C)當原子力顯微鏡探針掃過納米線陣列時,壓電電荷釋放的三維電壓/電流信號圖.

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