压电陶瓷原理(转)

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。那么,什么是压电效应呢？

当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电 点火装置内,藏着一块压电陶瓷,当用户按下点火装置的弹簧时,传动装置就把压力施加在压电陶瓷上,使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电,于 是,燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。

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。

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压电陶瓷知识简介 佛山日报

压电陶瓷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,哪怕这种压力像声波振动那样微小,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．

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。 压电陶瓷也广泛用于日常生活中。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,玩具就会发出逼真有趣的 声音。

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朋友，中国是文明古国，有陶瓷之祖荣誉，你早已知道，但你听说过会说话、会唱歌的陶瓷吗？会 侦察、会指挥、能诊断、能生电-……的陶瓷吗？这就是压电陶瓷，属于现代功能陶瓷。神奇的压电陶瓷--海中"雷达"侦察兵：雷达是用无线电原理对空中目标 搜索、定位、导向的通讯工具，而在水中不能发挥作用。用压电陶瓷制成的声纳系统可在水中起到同样的作用，在军事上搜索敌潜艇，渔雷活动状况是否对我方有威 胁.活动方位、速度等，我方根据动态目标对渔雷等起到导航、攻击指挥作用。在民用上，探测海中鱼群分布和种类以便有计划捕捞，打捞遇难船物等。压电陶瓷组 成的声纳系统誉为水中雷达侦察兵．

灵巧的压电陶瓷--微米级位移调控，色织机编织调控：人们都非常喜欢多媒体系统和彩色电视 机，你可知道在制造时有时需要微米级位移调控，一微米即为百万分之一米，这怎么办？告诉你有一种压电陶瓷器件就能胜任此任务。人们欣赏花色时尚、多变、美 丽的编织衫，这美丽的花色是如何形成的？是调控编织机提花针来实现的，而提花针是由压电陶瓷来调控的。上帝啊!压电之手这么灵巧啊!

美丽的压电陶瓷--云山雾海、美妙音乐：当你在圣诞之时、生日之夜收到朋友的贺卡，在打开贺 卡的同时，送给你"happy birthday to you"的美妙音乐，在盛大庆典或展览大厅，常有由盆景、瀑布、流水组成的入胜风景，且云山雾海缭绕，使你心花露放。这也是美妙的压电陶瓷之功能。

压电陶瓷就在我们身边--当你打开电视机、打开录像机、打开随身听欣赏调频音乐时，压电陶瓷 在为你服务；当你使用自动点火煤气灶、雾化加湿器时，压电陶瓷在为你服务；当你需要用B超、心超检查身体时，压电陶瓷在为你服务；当你需要超声美容、降 脂、理疗时，压电陶瓷在为你服务……

神奇美妙的压电陶瓷就在我们身边．