什么是壓電效應(yīng)
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)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，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)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。
壓電效應(yīng)的種類
壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。
正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。
逆壓電效應(yīng)是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。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，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。
依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。
這里再介紹一下電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)，即電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場(chǎng)平方成正比，與電場(chǎng)方向無關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無對(duì)稱中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對(duì)所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對(duì)稱性的晶體，還是極性晶體。
壓電效應(yīng)的應(yīng)用及原理
一、原理：
壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說的超聲波信號(hào)。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。
壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。
二、應(yīng)用：
壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類：即振動(dòng)能和超聲振動(dòng)能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。
1、換能器
換能器是將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)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(yīng)，而換能器設(shè)計(jì)則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的彎曲振動(dòng)，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器。目前對(duì)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(diǎn)，研制運(yùn)用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)等。
壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測(cè)的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測(cè)、聲波測(cè)試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開發(fā)的各種原型水聲器件，采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(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級(jí)相同等特點(diǎn)，最后一個(gè)特點(diǎn)使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在被測(cè)聲場(chǎng)中，感知聲場(chǎng)內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測(cè)聲場(chǎng)受到擾動(dòng)。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性能。
壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。
2、壓電驅(qū)動(dòng)器
壓電驅(qū)動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動(dòng)，聚合物驅(qū)動(dòng)器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)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(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)用前景的推動(dòng)下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的探索。
3、傳感器上的應(yīng)用
壓電式壓力傳感器
壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時(shí)要特別注意，避免漏電。
壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有自生信號(hào)，輸出信號(hào)大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。其缺點(diǎn)是只能用于動(dòng)能測(cè)量。需要特殊電纜，在受到突然振動(dòng)或過大壓力時(shí)，自我恢復(fù)較慢。
壓電式加速度傳感器
壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個(gè)表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓，螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。
測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動(dòng)力作用時(shí)，由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運(yùn)動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感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，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量儀器測(cè)試出試件的加速度；如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)試試件的振動(dòng)速度或位移。
4、在機(jī)器人接近覺中的應(yīng)用（超聲波傳感器）
機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個(gè)：其一，在接觸對(duì)象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備工作；其二，探測(cè)機(jī)器人手和足的運(yùn)動(dòng)空間中有無障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時(shí)采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三，為獲取對(duì)象物體表面形狀的大致信息。
超聲波是人耳聽見的一種機(jī)械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動(dòng)頻率范圍只是20HZ－20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機(jī)器人采用超聲傳感器的目的是用來探測(cè)周圍物體的存在與測(cè)量物體的距離。一般用來探測(cè)周圍環(huán)境中較大的物體，不能測(cè)量距離小于30mm的物體。
超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時(shí)電路和控制電路四個(gè)主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測(cè)物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。同時(shí)超聲接受器開始檢測(cè)回聲信號(hào)，定時(shí)電路也開始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號(hào)后，定時(shí)電路停止計(jì)時(shí)。此時(shí)定時(shí)電路所記錄的時(shí)間，是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號(hào)的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間值，可以換算出被測(cè)物體到超聲傳感器之間的距離。這個(gè)換算的公式很簡單，即聲波傳播時(shí)間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個(gè)工作過程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。
壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。
三、現(xiàn)狀：
下面介紹幾種處于發(fā)展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應(yīng)用。
1、 細(xì)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(jí)，可以改進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅(qū)動(dòng)電壓，這對(duì)提高疊層變壓器、制動(dòng)器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處，但同時(shí)也帶來了降低壓電效應(yīng)的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝，使細(xì)晶粒壓電陶瓷壓電效應(yīng)增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當(dāng)?shù)乃健，F(xiàn)在制作細(xì)晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競(jìng)爭(zhēng)了。近年來，人們用細(xì)晶粒壓電陶瓷進(jìn)行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動(dòng)器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細(xì)晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開發(fā)仍是近期的熱點(diǎn)。
2、PbTiO3系壓電材料
PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產(chǎn)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(jié)性。抑制晶粒長大，從而得到各個(gè)晶粒細(xì)小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報(bào)道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應(yīng)用。目前該材料的發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關(guān)心的課題。
3、壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料
無機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒有的特性。因此，可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)點(diǎn)，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面，壓電復(fù)合材料也有較大優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)學(xué)者對(duì)這個(gè)領(lǐng)域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，并在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能方面做了一些有益的基礎(chǔ)研究工作，目前正致力于壓電復(fù)合材料產(chǎn)品的開發(fā)。
4、壓電性特異的多元單晶壓電體
傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應(yīng)要強(qiáng)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)邊，高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)仍不能滿足要求。于是近幾年來，人們?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類單晶的d33最高可達(dá)2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達(dá)0.95（壓電陶瓷K33最高達(dá)0.8），其應(yīng)變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個(gè)數(shù)量級(jí)。儲(chǔ)能密度高達(dá)130J/kg，而壓電陶瓷儲(chǔ)能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱這類材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍?，F(xiàn)在美國、日本、俄羅斯和中國已開始進(jìn)行這類材料的生產(chǎn)工藝研究，它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。