压电效应

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英文名称

Piezoelectric effect

压电效应概述

压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。  

压电效应分类

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。

正压电效应是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的,并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应,即电介质在电场的作用下,由于感应极化作用而产生应变,应变大小与电场平方成正比,与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在,不论是非晶体物质,还是晶体物质,不论是中心对称性的晶体,还是极性晶体。  

压电效应历史与应用

06年是居里兄弟皮尔(P.Curie)与杰克斯(J.Curie)发现压电效应(piezoelectriceffect,注一)的一百周年。1880年前在杰克斯的实验室发现了压电性。起先,皮尔致力于焦电现象(pyroelectriceffect,注二)与晶体对称性关系的研究,后来兄弟俩却发现,在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的研究了施压方向与电场强度间的关系,及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现,具有压电性的材料有:闪锌矿(zincblende)、钠氯酸盐(sodiumchlorate)、电气石(tourmaline)、石英(quartz)、酒石酸(tartaricacid)、蔗糖(canesuger)、方硼石(boracite)、异极矿(calamine)、黄晶(topaz)及若歇尔盐(Rochellesalt)。这些晶体都具有非晶方性(anisotropic)结构,晶方性(isotropic)材料是不会产生压电性的。

在非晶方性晶体中,施一外力使晶体变形,则由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部性不均匀电荷分布,而产生一电位移。电荷的位移是由于晶体内部所有离子的移动,或者因为原子轨道上电子分布的变形而引起离子偏极化所造成,这些电荷位移现象在所有材料中都存在,可是要具有压电效应,则必须能在材料每单位体积中造成有效地净的电双极矩变化。是否能有这种变化,端视晶格结构之对称性而定。压电现象理论最早是李普曼(Lippmann)在研究热力学原理时就已发现,后来在同一年,居里兄弟做实验证明了这个理论,且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年,福克特(W.Voigt)更严谨地定出晶体结构与压电性的关系,他发现32种晶类(class)可能具有压电效应(32类中不具有对称中心的有21种,其中一种压电常数为零,其余20种都具有压电效应)。

今天,我们都知道,压晶体管可用来作为声波的产生器与接收器,无论在军事上(如声纳)、工业上、工程上都具有广泛的用途。可是早在居里兄弟发现压电性后的三分世纪中,压电效应在应用上几乎没有受到任何重视。就是皮尔本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。到了第一次世界大战,盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损,于是设法寻找有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水,而声波则能容易地在海里行进,因此,当时的蓝杰文(P.Langevin)发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。可惜等到有了好结果,大战已接近尾声而来不及用上了。石英两面各贴一钢片,使其振荡频率降到50KHz,外加一电脉波讯号,则经换能器转换成声波传至海底;过一段时间后,换能器接收到由海底反射之回波,由来回时间及波在海中行进的速度,可决定换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。

第一次大战后不久,石英换能器便发展出两项重要的应用。首先,哈佛大学的皮尔士教授(G.W.Pierce)用石英晶体制作超声波干涉仪,由石英所发生的超声波和图中声波反射器所反射的回波混合,产生极大值,若微调反射板使前进或后退,则可获得另一极大值,由两极大值间的距离,亦即反射板在两相邻极大值间所移动的距离,可测出声波波长。因为已知频率,因此由频率与波长的乘积,可定出波在气体介质中的速度。同时,由几个极大值间的振幅降低率,可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声波在二氧化碳中波速对频率的关系,而求出波速的色散关系。用这种方法,可研究气体在不同混合比与温度下声波的波速与衰减率。

1927年,伍德(R.W.Wood)与鲁密斯(A.L.Loomis)首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管,在液体中产生高能量,使液体引起所谓的空腔(cavitation)现象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。

在水下音响(underwatersound)的研究中发现,石英晶体并不是很好的换能器材料,但是它的振荡频率却不随温度而变,亦即所谓的具有低的温度系数。这种频率对温度的高稳定性,用在控制振荡器的频率,及某些滤波器上最有用。1919年,卡迪(Cady)教授第一次利用石英当作频率控制器,图四就是最早期的晶体控制振荡器电路。因为晶体具有极高的Q值(注三),振荡器的频率受到晶体共振频率的控制,且频率不随温度变化而变。后来,皮尔士和皮尔士-米勒(Pierce-Miller)又发明一种以后广被采用的晶体控制振荡电路。在第二次世界大战中,大约使用了一千万个晶体振荡器,用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯。

石英晶体另一个重要的应用在于获得高度频率选择性的振荡器。石英晶体是一个高Q值的压电芯片,高Q值意味着低的声波能量损耗(其衰减率则与频率平方成正比);高Q值也意味着窄频带,因此不适合声音传输电路使用。为了能在载波通信系统中使用,可用一串联电感(见图五)来获得宽带操作。此类滤波器的结构图,它常被用在有线通讯系统、微波通讯系统等。

二次大战声纳音鼓所使用的材料是若歇尔盐而非石英晶体。虽然若歇尔盐具有高机电耦合效率,可是却较不稳定,耐压不高,很难在太高的功率下操作。在理论上,若歇尔盐是第一个具有铁电性(ferroelectricity)的材料,沿着晶轴方向具有一个自发极化性(spontaneouspolarization)。图七表示沿X轴所测得偏极化量对温度的关系。它具有两个居里温度(Curietemperature),在居里温度时偏极化量是零,在两温度之间则偏极化是最大。为了纪念在若歇尔市出生的塞格内特(Seignette)博士,这种效应称为塞格内特铁电效应,一般简称为铁电效应,以表示它与铁磁效应的相似性。在铁电材料中,当温度低于居里温度时,材料内部具有电双极(dipole)。大部分氢键结合的电双极,如若歇尔盐,其双极都具有规则性排列,且一般都只有一个居里温度,可是若歇尔盐则具有两个居里温度,这两类的差异主要在于氢键终端负离子的不同。一般氢键晶体的电位井(potentialwell)分布如图八所示,在两氧离子之间氢离子可存在的位置有两个,氢键电双极值等于电荷和两组离子分开距离差的乘积。外加一电场可使氢离子由一位置跳至另一位置,而使电双极的方向改变。在高温,则热量的扰动使氢离子充满两个井的位置的机会相等,因此没有自然偏极化存在。当温度降低,则两电双极相吸而使双极方向排列趋规则化。在居里温度则两电双极互相抵消,但在居里温度加一小外力就能引起大的偏极性。温度低于居里温度则自发偏极性产生。对于一般具有如图八的电位井的氢键晶体,其偏极性可一直增加,直到饱和发生。可是对于若歇尔盐,则偏极性在达到一极大值后就开始降低到零。其原因可用图八的电位井分布图说明,在很低温下,所有氢离子完全分布在两低能井中,没有自发偏极性存在。温度上升,有些氢离子得到热能而跃至较高能阶。温度愈高,这种跃迁机会愈大,两电双极因互相吸引而产生一较低的居里温度。图九表示若歇尔盐的X光绕射晶体结构。造成铁电效应的是标号1的氧分子与标号10的水分子所组成的氢键。对氢离子言,此二分子是端点上两个不同的离子,因此形成如图八所示的两个不同名称之电位井。

以前若歇尔盐一直是唯一为人所知的铁电材料,可是现在我们知道,具有铁电性的材料已超过百种。铁电性材料因具有自发偏极性,且加电场能生感应偏极性,因此用它作换能器此一般压电单晶如石英等具有更高的机电耦合效率及灵敏度,可是其稳定性则略逊于压晶体管。渐渐地,人们用铁电陶磁来作换能器。最早被人使用的是钛酸钡(BaTiO3),它是麻省理工学院的冯希普尔(vonHippel)及苏俄科学家伏耳(Vul)及戈曼(Goldman)所分别发现的。未被极化的陶磁,在域(domain,注五)中之偏极化方向不具规则性,整片陶磁就像一块高介电常数的电容器,因为它只需很小的体积就有够大的电容量,因此被用在电视机上。如在120℃以上的温度下加一高电压,则一些域内之电耦呈规则性排列,而有净的偏极性存在,具压电效应。我们可因外加交流电场的方向不同,而使产生纵波(电场平行于厚度方向)或横波(电场垂直于厚度方向)。纵波可在水中行进,亦可在固体中产生高能量。横波则因速度较慢,适合用来制作延迟线。目前最好的压电陶磁要属PZT(lead-zirconate-titanate)。

最近两种重要铁电材料可用来制作声波换能器,一是高分子薄膜,聚双氟亚乙烯(polyvinylidenefluoride,简称PVF2或PVDF),一是氧化锂铌(lithiumniobate,LiNbO3)。聚双氟亚乙烯经拉伸及加高直流电压后呈强压电性,它具有许多优点:其声波特性阻抗和水很近,阻抗自然匹配,容易获得宽带操作,适合非破坏检测、医学诊断及声纳与水中听音器(hydrophone)使用,尤其是它具有很高的声波接收系数,用来制作被动式声纳(passivesonar)之水听器数组(hydrophoneassay)具有重要性。除外,它具柔软性,又可耐高电压(其崩溃电压比PZT高约100倍)。氧化锂铌单晶具有高机电耦合及极低的声波衰减系数,容易激发高频表面声波(Rayleighwave),是用来制作表面声波(surfaceacousticwave,简称SAW)组件的最佳材料。这些组件在讯号处理系统与通信系统上具有不可取代的地位。图十一表示使用氧化锂铌表面波通频滤波器。用一组正负电压相间的交趾状换能器产生表面声波(所谓的interdigitaltransducer,或简称IDT),所激发声波之中心频率由正负电极间之距离决定,其频宽则与电极数目成反比。图十二表示另一表面声波脉波伸张与压缩滤波器,它可用在CHIRP雷达系统中,以提高搜索范围与解像力。

另一项重要且独特的研究,是在所谓的声学显微上,这种微波频率的组件使用电溅(sputtered)的压电薄膜作为声波换能器,以振动产生几个GHz(1GHz=109周/秒)声波,其对应波长约为一微米(10-6米)。因为换能器振动频率和压晶体管厚度成反比,要产生如此高频率声波需用薄膜压电材料,如氧化锌或硫化镉等。

时值压电效应发现的一百周年,特参考马逊(W.P.Mason)之作撰写本文,简介压电性之历史及其应用。早期压电效应仅止于学术上的趣味性研究,而如今则已成为非常有用的效应,用它制出各式各样的声电换能器,其操作频谱可由100Hz起涵盖至几个GHz,依频率的不同而有不同的用途。声纳、反潜、海底通讯、电话通讯等是低频(声频、AF波段)讯号最典型的应用。在几个MHz范围,其波长在毫米范围,适合用来作非破坏性的检验材料(nondestructivetesting,简称NDT)与医学诊断上,所谓超声波成像术、全像摄影术、计算机辅助声波断层摄影术等就是针对这些用途而研究的。频率在VHF、UHF波段则使用压电性所研制出来的表面声波电子组件。如延迟线、各式滤波器、回旋器(convolver)、相关器(correlator)等讯号处理组件,在通讯上与讯号处理上具有重要的应用。当频率高至低微波波段,其对应波长在微米范围,用来制作声学显微镜,其解像力可和传统的光学显微镜比美,而其机械波而非电磁波的独特性质,则可弥补光学显微镜在应用上的不足。

注一:对某些材料施一压力或拉力,则除了材料外形有所变化外(所谓的应变),由于此类材料之晶格结构具有某种不对称性(所谓的inversionasymmetry),外形的变形使内部电子分布呈局部性不均匀而产生一净的电场分布。反之,外加一周期性电压或电场变化,则能使材料产生变形,及一对应的应力,形状变化随外加电压讯号之频率而变,可产生一周期性弹性波或声波,这种效应称为压电效应,这些材料即称为压电材料。

注二:在一些铁电材料中,当其温度有所变化时,则会引起其自发偏极矩的变化,而在材料表面呈净电荷分布,这种效应即称为焦电效应。利用这种效应,可检知温度变化或测量所谓的热波(thermalwave)。

注三:振荡器Q值(qualityfactor)的定义是每单位周期振荡波所损耗的功率,有时我们用Q=中心频率/频宽表示。频宽愈窄的振荡器,Q值愈高,如石英振荡器就是一例。

注四:介入损耗表示一电子组件或组件的总损耗量,即输出讯号和输入讯号相比之差额,一般以分贝(dB)表示。

注五:在铁磁材料中,当温度远低于居里点时,以微观观点来看,所有电子的磁矩应完全以同一方向排列,其实不然。实际上此种材料内部分成许多小区域,在每一区域内磁矩呈规则性排列,可是小区域与小区域间之磁矩排列方向则不尽相同,以致于整个材料之磁矩远小于其饱和磁矩。这些小区域简称为域或畴,在反铁磁材料、铁电材料、反铁电材料、铁弹性材料(ferroelastics)、超导体材料中亦都有域存在。  

巧用打火机演示压电效应

压电效应是某些介质在力的作用下产生形变时,在介质表面出现异种电荷的现象。实验表明,这种束缚电荷的电量与作用力成正比,而电量越多,相对应的两表面电势差(电压)也越大。这种神奇的效应已被应用到与人们生产、生活、军事、科技密切相关的许多领域,以实现力──电转换等功能。例如用压电陶瓷将外力转换成电能的特性,可以生产出不用火石的压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等。此外,压电陶瓷还可以作为敏感材料,应用于扩音器、电唱头等电声器件;用于压电地震仪,可以对人类不能感知的细微振动进行监测,并精确测出震源方位和强度,从而预测地震,减少损失。利用压电效应制作的压电驱动器具有精确控制的功能,是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。可以说,压电陶瓷等器件不仅广泛应用于科技领域,还颇具“平民性”,对广大“烟民”来说,天天与压电陶瓷发生着“零接触”,却熟视无睹其存在。

目前流行的一次性塑料打火机,有相当一部分是采用压电陶瓷器件来打火的。取出其中的压电打火元件,其外形如图1所示。

一、测量仪器及附件选择

压电打火机的电压陶瓷元件产生的瞬间电压用什么仪器可以测量呢?起初,我们试图用普通指针式多用电表直流高压挡测量,发现每次按动点火元件的黑色塑料压杆时,由于两个电极接出的电压只能使指针略微抖动一下。分析原因是,因为电压脉冲持续时间甚短,指针惯性较大,指针无法同步体现电压的变化做大幅偏转。

换用数字显示型多用电表,本以为其无指针惯性影响,应该能读出瞬间高电压来,谁知事与愿违,我们根本看不到预想的高电压读数,只能看到一些变换不定的低电压数据。分析起来,这是由于液晶显示响应速度较慢,点火电压脉冲持续时间甚短,来不及显示最高瞬间电压,只能显示电压降落(较平缓阶段)过程中的某些随机电压读数。

最后,我们搬出实验室的“重磅武器”──示波器,再做一试。我们用的是实验室最普通的J2459型学生示波器,连接线为两条普通的带终鱼夹的导线。从理论上讲,示波器是利用电子束偏转后打在荧光屏上显示光点移动的,电子束惯性极小,应该能“跟踪”上点火高压脉冲的变化,实验结果不出所料。

二、电压幅值的估测方法

把示波器交直流选择开关置于“DC”挡,扫描范围置于“10~100kHz”挡,用X移位和Y移位将水平亮线移到方格坐标的中央部,置X轴上。为了能估测压电效应的最高电压幅值,我们必须先用荧光屏前的方格坐标系,定出电压标尺:利用接在示波器Y输入接线柱上的两根导线,把一节干电池的1.5V电压加在示波器上,衰减放在1,Y增益放在最低,可以发现刚才的水平亮线上跳(或下跳)两格左右,即此时两格代表1.5V电压。在Y增益不变的情况下,再将Y衰减放在1000(即千分)挡,荧光屏前方格坐标的两格就可以代表1500V了。

将Y输入接线柱上的两根馈线的鳄鱼夹分别接在压电打火机压电元件的两个电极上,迅速按下其黑色塑料压杆,可以看到原来位于中央高度的水平亮线向上(或向下)跳动又恢复原位。由于荧光屏的余晖作用,水平亮线在示波器上显现的是一条高度达四格的亮带,这表明该脉冲的电压幅值在3000V以上。

如果想观察这个电压脉冲的波形,可以每次按动压杆的同时,细心调节示波器“扫描微调”旋钮(事先将扫描范围换到“10~100Hz”挡),我们可以在荧光屏上看到如图2所示的波形,其电压上升较陡,降低较平缓,峰值在四格以上。

三、脉冲持续时间的估测

将示波器的衰减挡置于1000挡,扫描范围置于“10~100Hz”挡,“扫描微调”左旋到底,即扫描频率为10Hz,调节“X增益”和“X移位”旋钮,使X轴扫描线充满10格,那么每一格代表1/10×1/10s,即0.01按下压电元件的黑色塑料压杆,可以看到压电脉冲持续一格,如图3所示,即对应于0.01s,也就是说,该脉冲持续时间约为0.01s。  

压电晶体

有一类十分有趣的晶体,当你对它挤压或拉伸时,它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶(α-石英)是一种有名的压电晶体。

如果按一定方向对水晶晶体上切下的薄片施加压力,那么在此薄片上将会产生电荷。如果按相反方向拉伸这一薄片,在此薄片上也会出现电荷,不过符号相反。挤压或拉伸的力愈大,晶体上的电荷也会愈多。如果在薄片的两端镀上电极,并通以交流电,那么薄片将会作周期性的伸长或缩短,即开始振动。这种逆压电效应在科学技术中已得到了广泛的应用。用水晶可以制作压电石英薄片,其面积不过数平方毫米,厚度则只有零点几毫米。别小看这小小的晶片,它在无线电技术中却发挥着巨大作用。如前所述,在交变电场中,这种薄片的振动频率丝毫不变。这种稳定不变的振动正是无线电技术中控制频率所必须的,你家中的彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器,保证了图像和声音的清晰度。你手上戴的石英电子表中有一个核心部件叫石英振子。就是这个关键部件保证了石英表比其他机械表更高的走时准确度。

装有压电晶体元件的仪器使技术人员研究蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化成为现实。利用压电晶体甚至可以测量管道中流体的压力、大炮炮筒在发射炮弹时承受的压力以及炸弹爆炸时的瞬时压力等。

压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片,就会使薄片两端电极上产生电荷,其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化,再通过电子装置,可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收,并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动,又变成声音回荡在空中。是不是可以这样说,麦克风中的压电晶片能“听得见”声音,而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话” 或“唱歌”。  

压电高分子

piezoelectric polymer

压电现象是由于应力作用于材料,在材料表面诱导产生电荷的过程,一般这一过程是可逆的,即当材料受到电参数作用,材料也会产生形变能。木材纤维素、腱胶原和各种聚氨基酸都是常见的高分子压电性材料,但是其压电率太低,而没有使用价值。在有机高分子材料中聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质。压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致。除了含有具有较大偶极矩的C-F键的聚偏氟乙烯化合物外,许多含有其他强极性键的聚合物也表现出压电特性。如亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、甲基丙烯酸甲酯苯甲酸乙烯酯等的共聚物,均表现出较强的压电特性。而且高温稳定性较好。主要作为换能材料使用,如音响元件和控制位移元件的制备。前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦克风、电话、血压计等装置中的换能部件。将两枚压电薄膜贴合在一起,分别施加相反的电压,薄膜将发生弯曲而构成位移控制元件。利用这一原理可以制成光学纤维对准器件、自动开闭的帘幕、唱机和录像机的对准件。  

压电陶瓷——信息时代的新型材料

压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。日常生活中很多人使用的“电子打火机”和煤气灶上的电子点火器,就是压电陶瓷的一种应用。点火器就是利用压电陶瓷的压电特性,向其上施加力,使之产生十几kV的高电压,从而产生火花放电,达到点火的目的。

压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。它是在1946年当有人证实了钛酸钡陶瓷有铁电性之后开始问世的:差不多十年后,贾菲(Jaffe)等又发现了PbTi03-PbZrO2系(即所谓PZT系)及后来又发现的mPZT为基的三元系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。使压电陶瓷的性能和可应用性有了极大的提高。特别是三元系压电陶瓷的出现,使压电陶瓷在选择一定耦合系数、温度特性方面有了较大的余地,能满足多种电子仪器的要求,从而使压电陶瓷的应用范围大大增加了。例如陶瓷滤波器和陶瓷鉴频器,电声换能器,水声换能器,声表的波器件,电光器件,红外探测器件和压电陀螺等,都是压电陶瓷在现代电子技术中的应用。

什么是压电陶瓷呢?其实它是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时,哪怕这种压力微小得像声波振动那样小,都会产生压缩或伸长等形状变化,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。

1880年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942年,第一个压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947年,钛酸钡拾音器——第一个压电陶瓷器件诞生了。50年代初,又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。从此,压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代,压电陶瓷不断改进,逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷,以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异,制造简单,成本低廉,应用广泛。

利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性,可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石,可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。用压电陶瓷把电能转换成超声振动,可以用来探寻水下鱼群的位置和形状,对金属进行无损探伤,以及超声清洗、超声医疗,还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工。

压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性,可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。

如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中,成为信息时代的多面手。

在航天领域,压电陶瓷制作的压电陀螺,是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”,航天器和人造卫星,才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺,寿命短,精度差,灵敏度也低,不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高,可靠性好。

在潜入深海的潜艇上,都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备,也是开发海洋资源的有力工具,它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中,有一双明亮的“眼睛”——压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号,这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收,于是,就发现了目标。目前,压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。

在医学上,医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位,通电后发出超声波,传到人体碰到人体的组织后产生回波,然后把这回波接收下来,显示在荧光屏上,医生便能了解人体内部状况。

在工业上,地质探测仪里有压电陶瓷元件,用它可以判断地层的地质状况,查明地下矿藏。还有电视机里的变压器——电压陶瓷变压器,它体积变小、重量减轻,效率可达60%~80%,能耐住3万伏的高压,使电压保持稳定,完全消除了电视图象模糊变形的缺陷。现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。一只15英寸的显像管,使用75毫米长的压电陶瓷变压器就行了。这样就使电视机体积变小、重量减轻了。

压电陶瓷也广泛用于日常生活中。用了两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代了普通的火石制成的气体电子打火机,可连续打火几万次。利用同一原理制成的电子点火枪是点燃煤气炉极好的用具。还有一种用压电陶瓷元件制作的儿童玩具,比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器,玩具都会发出逼真有趣的声音。

随着高新技术的发展,压电陶瓷的应用必将越来越广阔。除了用于高科技领域,它更多的是在日常生活中为人们眼务,为人们创造更美好的生活。  

压电陶瓷的应用

当您将按钮轻轻一揿,煤气灶迅即燃起蓝色火焰,您可曾意识到是什么带给您的这份便利呢?将一块看起来平淡无奇的陶瓷接上导线和电流表,用手在上面一摁,电流表的指针也跟着发生摆动——竟然产生了电流,岂非咄咄怪事?其实,这是压电陶瓷,一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷到底是一种什么样的材料呢?这是一种具有压电效应的材料。所谓压电效应是指某些介质在力的作用下,产生形变,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域,以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

在能量转换方面,利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性,可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石,打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动,可以用来探寻水下鱼群的位置和形状,对金属进行无损探伤,以及超声清洗、超声医疗,还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工。

压电陶瓷具有敏感的特性,可以将极其微弱的机械振动转换成电信号,可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害,而且震源始于地壳深处,以前很难预测,使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,用它来制作压电地震仪,能精确地测出地震强度,指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小,最多不超过本身尺寸的千万分,别小看这微小的变化,基于这个原理制做的精确控制机构--压电驱动器,对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置,是决定通信设备性能的关键器件,压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好,精度高及适用频率范围宽,而且体积小、不吸潮、寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

我们来看一种新型自行车减震控制器,一般的减振器难以达到平稳的效果,而这种ACX减震控制器,通过使用压电材料,首次提供了连续可变的减震功能。一个传感器以每秒50次的速率监测冲击活塞的运动,如果活塞快速动作,一般是由于行驶在不平地面而造成的快速冲击,这时需要启动最大的减震功能;如果活塞运动较慢,则表示路面平坦,只需动用较弱的减震功能。

可以说,压电陶瓷虽然是新材料,却颇具平民性。它用于高科技,但更多地是在生活中为人们眼务,创造美好的生活。  

压电效应应用及现状

一、原理:

压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差(称之为正压电效应),反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。如果压力是一种高频震动,则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时,则产生高频声信号(机械震动),这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说,压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能,这种相互对应的关系确实非常有意思。

压电材料可以因机械变形产生电场,也可以因电场作用产生机械变形,这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如,压电材料已被用来制作智能结构,此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能,在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

 二、应用:

压电材料的应用领域可以粗略分为两大类:即振动能和超声振动能-电能换能器应用,包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,以及其它传感器和驱动器应用。

1、换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件

压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应,而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动,利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点,研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件,如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。

压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用,如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等,随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件,采用了不同类型和形状的压电聚合物材料,如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等,以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点,最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中,感知声场内的声压,且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡,从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域,尤其是超声成像中,获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性,使其易于应用到许多传感器产品中。

2、压电驱动器

压电驱动器利用逆压电效应,将电能转变为机械能或机械运动,聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础,包括利用横向效应和纵向效应两种方式,基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用,还需要进行大量研究。电子束辐照P(VDF-TrFE)共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力,从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下,利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究,在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外,利用辐照改性共聚物的优异特性,研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用,还需要进行大量的探索。

3、传感器上的应用

压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的,所以在连接时要特别注意,避免漏电。

压电式压力传感器的优点是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积小,结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆,在受到突然振动或过大压力时,自我恢复较慢。

压电式加速度传感器

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极,并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块,质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓,螺帽对质量块预加载荷,整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去,避免产生假信号输出,所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造,壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时,将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时,由于基座和质量块的刚度相当大,而质量块的质量相对较小,可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样,质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应,因此在它的两个表面上就产生交变电荷(电压),当加速度频率远低于传感器的固有频率时,传感器给输出电压与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比,输出电量由传感器输出端引出,输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度;如果在放大器中加进适当的积分电路,就可以测试试件的振动速度或位移。

4、在机器人接近觉中的应用(超声波传感器)

机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个:其一,在接触对象物体之前,获得必要的信息,为下一步运动做好准备工作;其二,探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍,则及时采取一定措施,避免发生碰撞;其三,为获取对象物体表面形状的大致信息。

超声波是人耳听见的一种机械波,频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音,振动频率范围只是20HZ-20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小,而能成为声波射线并定向传播,机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体,不能测量距离小于30mm的物体。

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的:首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭,停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号,定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后,就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后,定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间,是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值,可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单,即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

 三、现状:

下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应用。

1、 细晶粒压电陶瓷

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料,尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级,可以改进材料的加工性,可将基片做地更薄,可提高阵列频率,降低换能器阵列的损耗,提高器件的机械强度,减小多层器件每层的厚度,从而降低驱动电压,这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处,但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响,人们更改了传统的掺杂工艺,使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来,人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究,并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器(瓷片20-30um厚),证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展,细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。

2、PbTiO3系压电材料

PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题,人们还是在改性方面作了大量工作,改善其烧结性。抑制晶粒长大,从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年,改良PbTiO3材料报道较多,在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。

3、压电陶瓷-高聚物复合材料

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料,兼备无机和有机压电材料的性能,并能产生两相都没有的特性。因此,可以根据需要,综合二相材料的优点,制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高,比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面,压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣,做了大量的工艺研究,并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作,目前正致力于压电复合材料产品的开发。

4、压电性特异的多元单晶压电体

传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强,从而得到了广泛应用。但作为大应边,高能换能材料,传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来,人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料,做了大量工作,现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶(A=Zn2+,Mg2+)。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95(压电陶瓷K33最高达0.8),其应变>1.7%,几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg,而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究,它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。

压电效应的新领域

近年来人们合成方法研制出许多具有压电效应和逆压电效应的聚合物材料,并将这些材料冠名为“人造肌肉”。世界各国的研究者们发起了一项挑战:看谁能够最先利用人造肌肉制造出机器人手臂,而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。  

压电效应对对发电机原理的介绍

A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。

(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下,纳米线利用压电效应发电的示意图。

(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时,压电电荷释放的三维电压/电流信号图.

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